机电一体化系统中常见物理量检测的方法和测试系统的工作原理

图1 检测系统构成
     包括两个基本环节：
     1.把各种非电量信号转换为电信号，这即是传感器的功能。传感器是检测系统的信号获取部分，它将被测物理量转换成以电量为主要形式的信号，例如，将机械位移量转换为电阻、电容或电感等电参数的变化，将振动或声音转换成电压或电荷的变化。传感器又称为“一次仪表”；
     2.对传感器送出的电信号进行加工，使之成为合乎需要的、便于输送或显示和记录的、可作进一步后续处理的信号。如将阻抗变换为电压或电流，将信号放大、调制与解调、阻抗变换、线性化，以及将信号转换成数字编码信号等。该电信号处理系统，通常又称为“二次仪表”。
     由于检测系统一般由传感器和若干变换环节组成，为了保证检测过程中把所需信息从信号源通过其载体信号传输到输出端，整个过程既不失真也不受干扰，传感器及其检测系统必须满足下列基本要求：
     1）精度、灵敏度、分辨率高，能满足机电一体化系统对检测精度和速度的要求； 2）线性、稳定性、重复性好，工作可靠；
     3）静、动态特性好，测量范围大；
     4）抗干扰能力强。
     5）体积小、质量轻、价格便宜、安装与维修方便、对环境适应能力强。
     二、传感器的分类
     随着信息技术的迅速发展和应用的普及，世界上传感器品种达到3万余种。传感器种类繁多，有多种分类方法。
     按被测量分类：包括物理量、化学量和生物量传感器

     按测量原理分类：包括电容式传感器、电位器式传感器、电阻式传感器、电磁式传感器、电感式传感器、电离式传感器、电化学式传感器、光导式传感器、光伏式传感器、光纤传感器、热电式传感器、伺服式传感器、谐振式传感器、应变（计）式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、 磁阻式传感器、差动变压器式传感器、霍耳式传感器、激光传感器、（核）辐射传感器、超声（波）传感器和声表面波传感器。
     按输出信号的性质分类：包括二值型、数字型、模拟型。
     按电源型式分类：包括无源传感器和有源传感器。
     按制造工艺分类：包括集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器和陶瓷传感器。按所用材料分  类：包括金属、聚合物、陶瓷和混合物。
     按材料的物理性质分类：包括导体、绝缘体、半导体和磁性材料。
     按材料的晶体结构分类：包括单晶、多晶和非晶材料。
     按输出的信号分：

     二值型传感器只输出“1”和“0”或者ON和OFF两个值，可直接送入微机进行处理。
     模拟型传感器输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。传感器的输入/输出可能是线性的，也可能不是线性的。线性信号可以直接采用，非线性的信号要经过线性化处理，一般需经过模拟/数字（A/D）转换，将其转换成数字信号后再送给微型机处理。
     数字型传感器有计数型和代码型两类。计数型又称脉冲型，它可以使任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可以对输入量进行计数。例如光栅检测器和增量式光电编码器。代码型传感器即绝对值式编码器，它输出的信号是二进制数字代码，每一个代码相当于一个一定的输入量之值。代码“1”为高电平，“0”为低电平，高低电平可用光电元件或机械式接触元件输出。通常被用来检测执行元件的位置或速度，例如绝对值型光电编码器、接触型编码器等。
     三、传感器的代号
     依次为主称（传感器） 被测量―转换原理―序号
     I. 主称――传感器，代号C；
     II. 被测量―用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表2：常用被测量代码表；
     III. 转换原理――用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表3：常用转换原 理代码表；
     IV. 序号――用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写 字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。
     例：应变式位移传感器： C WY-YB-20；光纤压力传感器：C Y-GQ-2。
     传感器是获取被测量信息的元件，其质量和性能的好坏直接影响到测量结果的可靠性和准确度，衡量其质量的特性有许多，主要包括静态和动态两个方面。当被测量不随时间变化或变化很慢时，可以认为输入量和输出量都和时间无关。表示它们之间关系的是一个不含时间变量的代数方程，在这种关系的基础上确定的性能参数为静态特性；当被测量随时间变化很快时，就必须考虑输人量和输出量之间的动态关系。这时，表示它们之间关系的是一个含有时间变量的微分方程，与被测量相对应的输出响应特性称为动态特性。
     四、传感器的基本特性
     1、传感器的静态特性
     传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂。
     （1）线性度 传感器的静态特性是在静态标准条件下，利用一定等级的标准设备，对传感器进行往复循环测试，得到输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性，这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性，对比理论直线有偏差，如图3所示。实际曲线与其两个端尖连线（称理论直线）之间的偏差称为传感器的非线性误差。取其中最大值与输出满度值之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标。

图3 传感器线性度示意图（1、实际曲线 2、理想曲线）

     （2）灵敏度 传感器在静态标准条件下，输出变化对输入变化的比值称灵敏度，用S0表示，即

     对于线性传感器来说，它的灵敏度S0是个常数。
     （3）迟滞 传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重合程度称迟滞，迟滞误差一般以满量程输出yFS的百分数表示

     式中 △Hm――输出值在正、反行程间的最大差值。
     迟滞特性一般由实验方法确定，如图4所示。
     （4）重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时， 所得输出/输入曲线的不一致程度，称重复性如图4-5表示。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即

     式中 ――输出最大重复性误差；
     重复特性也用实验方法确定，常用绝对误差表示。如图5表示

     图4 迟滞特性                                   图5 重复特性
     （5）分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。分辨力与满度输入比的百分数表示称为分辨率。
     （6）漂移 由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传感器的输出变化称为漂移。当输入状态为零时的漂移称为零点漂移。在其它因素不变情况下，输出随着时间的变化产生的漂移称为时间漂移；随着温度变化产生的漂移称为温度漂移。
     （7）精度 表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。精度一般是在校验或标定的方法来确定，此时“真值”则靠其它更精确的仪器或工作基准来给出。国家标准中规定了传感器和测试仪表的精度等级，如电工仪表精度分七级，分别是0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5级。精度等级（S）的确定方法是：首先算出绝对误差与输出满度量程之比的百分数，然后靠近比其低的国家标准等级值即为该仪器的精度等级。
     2、传感器的动态特性
     动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量时间变换的规律，即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。
     动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律，即它们具有同一个时间函数。但是，除了理想情况外，实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。
     动态特性参数一般都用阶跃信号输入状态下的输出特性和不同频率信号输入状态下的幅值变化和相位变化表达。
    五、传感器的选用
     1.检测要求和条件。测量目的、被测物理量选择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。
     2.传感器性能。精度、稳定性、响应速度、输出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保护等。
     3.使用条件。安装条件、工作场地的环境条件（温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率容量、与其他设备的连结、备件与维修服务等。
     六、检测系统设计的任务、方法和步骤
     检测系统设计的主要任务：根据使用要求合理选用传感器，设计或选用相应的信号检测与处理电路以构成检测系统，并对检测系统进行分析与测试，使之在机电一体化产品中实现预期的计测功能。
     方法：实验分析法，即理论分析与实验测试相结合的方法。
     检测系统设计的一般步骤如下：
     1.设计任务分析
     2.系统方案选择
     3.系统构成框图设计
     4.环节设计与制造
     5.总装调试及实验分析
     6.系统运行和考核