檢測(cè)系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分，是用于檢測(cè)相關(guān)外界環(huán)境及產(chǎn)品自身狀態(tài)，為控制環(huán)節(jié)提供判斷和處理依據(jù)的信息反饋環(huán)節(jié)。機(jī)電一體化系統(tǒng)中，檢測(cè)系統(tǒng)所測(cè)試的物理量一般包括：溫度、流量、功率、位移、速度、加速度、力等。由于機(jī)電一體化系統(tǒng)是以電信號(hào)為信息傳輸和處理的媒體，且控制系統(tǒng)的輸入接口往往規(guī)定了特定的信號(hào)形式（如數(shù)字信號(hào)、直流信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)），因此，檢測(cè)系統(tǒng)通常要用傳感器將被測(cè)試的物理量變?yōu)殡娏?，再?jīng)過(guò)變換、放大、調(diào)制、解調(diào)、濾波等電路處理后才能得到控制系統(tǒng)（或顯示、記錄等儀器）需要的信號(hào)。本文重點(diǎn)介紹各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中常見(jiàn)物理量檢測(cè)的方法和測(cè)試系統(tǒng)的工作原理以及傳感器的信號(hào)處理、接口技術(shù)等。
一、 檢測(cè)系統(tǒng)的功用、組成及基本要求
檢測(cè)系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中的一個(gè)重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)測(cè)功能，相當(dāng)于人的感官，用于檢測(cè)有關(guān)外部環(huán)境及自身狀態(tài)的各種物理量（力、溫度、距離、變形、位置、速度）及其變化，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的變換、放大、調(diào)制與解調(diào)、濾波、運(yùn)算等電路，并將這些信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，反饋給控制裝置或送去顯示。
傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的重視，應(yīng)用越來(lái)越普遍。如各種航天器上，裝備多種檢測(cè)與控制系統(tǒng)，傳感器測(cè)量出航天器飛行參數(shù)、姿態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的各各物理量，輸送給各種自動(dòng)控制系統(tǒng)以進(jìn)行自調(diào)節(jié)，使航天器按照人們預(yù)先設(shè)計(jì)的軌道正常運(yùn)行。
在生產(chǎn)中，各種傳感器被用來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，以使設(shè)備工作在最佳狀態(tài)，產(chǎn)品達(dá)到最好質(zhì)量。
在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，需要檢測(cè)的量絕大多數(shù)是非電量，如力、溫度、距離、變形、位移、速度、加速度、功率等，直接對(duì)這些非電量進(jìn)行放大、運(yùn)算、傳輸、記錄、指示等相當(dāng)困難。如果將這些非電量轉(zhuǎn)換為電量，則這一切就變得容易多了。因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品的檢測(cè)一般都是非電量檢測(cè)系統(tǒng)。
構(gòu)成如圖：
圖1 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成
包括兩個(gè)基本環(huán)節(jié)：
1.把各種非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這即是傳感器的功能。傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)獲取部分，它將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成以電量為主要形式的信號(hào)，例如，將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電阻、電容或電感等電參數(shù)的變化，將振動(dòng)或聲音轉(zhuǎn)換成電壓或電荷的變化。傳感器又稱為“一次儀表”；
2.對(duì)傳感器送出的電信號(hào)進(jìn)行加工，使之成為合乎需要的、便于輸送或顯示和記錄的、可作進(jìn)一步后續(xù)處理的信號(hào)。如將阻抗變換為電壓或電流，將信號(hào)放大、調(diào)制與解調(diào)、阻抗變換、線性化，以及將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼信號(hào)等。該電信號(hào)處理系統(tǒng)，通常又稱為“二次儀表”。
由于檢測(cè)系統(tǒng)一般由傳感器和若干變換環(huán)節(jié)組成，為了保證檢測(cè)過(guò)程中把所需信息從信號(hào)源通過(guò)其載體信號(hào)傳輸?shù)捷敵龆?，整個(gè)過(guò)程既不失真也不受干擾，傳感器及其檢測(cè)系統(tǒng)必須滿足下列基本要求：
1）精度、靈敏度、分辨率高，能滿足機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)精度和速度的要求； 2）線性、穩(wěn)定性、重復(fù)性好，工作可靠；
3）靜、動(dòng)態(tài)特性好，測(cè)量范圍大；
4）抗干擾能力強(qiáng)。
5）體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、安裝與維修方便、對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。
二、傳感器的分類
隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用的普及，世界上傳感器品種達(dá)到3萬(wàn)余種。傳感器種類繁多，有多種分類方法。
按被測(cè)量分類：包括物理量、化學(xué)量和生物量傳感器
按測(cè)量原理分類：包括電容式傳感器、電位器式傳感器、電阻式傳感器、電磁式傳感器、電感式傳感器、電離式傳感器、電化學(xué)式傳感器、光導(dǎo)式傳感器、光伏式傳感器、光纖傳感器、熱電式傳感器、伺服式傳感器、諧振式傳感器、應(yīng)變（計(jì)）式傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器、 磁阻式傳感器、差動(dòng)變壓器式傳感器、霍耳式傳感器、激光傳感器、（核）輻射傳感器、超聲（波）傳感器和聲表面波傳感器。
按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類：包括二值型、數(shù)字型、模擬型。
按電源型式分類：包括無(wú)源傳感器和有源傳感器。
按制造工藝分類：包括集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器和陶瓷傳感器。按所用材料分 類：包括金屬、聚合物、陶瓷和混合物。
按材料的物理性質(zhì)分類：包括導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體和磁性材料。
按材料的晶體結(jié)構(gòu)分類：包括單晶、多晶和非晶材料。
按輸出的信號(hào)分：
二值型傳感器只輸出“1”和“0”或者on和off兩個(gè)值，可直接送入微機(jī)進(jìn)行處理。
模擬型傳感器輸出是與輸入物理量變化相對(duì)應(yīng)的連續(xù)變化的電量。傳感器的輸入/輸出可能是線性的，也可能不是線性的。線性信號(hào)可以直接采用，非線性的信號(hào)要經(jīng)過(guò)線性化處理，一般需經(jīng)過(guò)模擬/數(shù)字（a/d）轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后再送給微型機(jī)處理。
數(shù)字型傳感器有計(jì)數(shù)型和代碼型兩類。計(jì)數(shù)型又稱脈沖型，它可以使任何一種脈沖發(fā)生器，所發(fā)出的脈沖數(shù)與輸入量成正比，加上計(jì)數(shù)器就可以對(duì)輸入量進(jìn)行計(jì)數(shù)。例如光柵檢測(cè)器和增量式光電編碼器。代碼型傳感器即絕對(duì)值式編碼器，它輸出的信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)字代碼，每一個(gè)代碼相當(dāng)于一個(gè)一定的輸入量之值。代碼“1”為高電平，“0”為低電平，高低電平可用光電元件或機(jī)械式接觸元件輸出。通常被用來(lái)檢測(cè)執(zhí)行元件的位置或速度，例如絕對(duì)值型光電編碼器、接觸型編碼器等。
三、傳感器的代號(hào)
依次為主稱（傳感器） 被測(cè)量—轉(zhuǎn)換原理—序號(hào)
i. 主稱——傳感器，代號(hào)c；
ii. 被測(cè)量—用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫(xiě)字母標(biāo)記。見(jiàn)附錄表2：常用被測(cè)量代碼表；
iii. 轉(zhuǎn)換原理——用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫(xiě)字母標(biāo)記。見(jiàn)附錄表3：常用轉(zhuǎn)換原 理代碼表；
iv. 序號(hào)——用一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，廠家自定，用來(lái)表征產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。若產(chǎn)品性能參數(shù)不變，僅在局部有改動(dòng)或變動(dòng)時(shí)，其序號(hào)可在原序號(hào)后面順序地加注大寫(xiě) 字母a、b、c等，（其中i、q不用）。
例：應(yīng)變式位移傳感器： c wy-yb-20；光纖壓力傳感器：c y-gq-2。
傳感器是獲取被測(cè)量信息的元件，其質(zhì)量和性能的好壞直接影響到測(cè)量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度，衡量其質(zhì)量的特性有許多，主要包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面。當(dāng)被測(cè)量不隨時(shí)間變化或變化很慢時(shí)，可以認(rèn)為輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)。表示它們之間關(guān)系的是一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，在這種關(guān)系的基礎(chǔ)上確定的性能參數(shù)為靜態(tài)特性；當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化很快時(shí)，就必須考慮輸人量和輸出量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。這時(shí)，表示它們之間關(guān)系的是一個(gè)含有時(shí)間變量的微分方程，與被測(cè)量相對(duì)應(yīng)的輸出響應(yīng)特性稱為動(dòng)態(tài)特性。
四、傳感器的基本特性
1、傳感器的靜態(tài)特性
傳感器變換的被測(cè)量的數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸入/輸出關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性。描述傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)是：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨率和零漂。
（1）線性度 傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，利用一定等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)傳感器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測(cè)試，得到輸入/輸出特性（列表或畫(huà)曲線）。通常希望這個(gè)特性（曲線）為線性，這對(duì)標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來(lái)方便。但實(shí)際的輸出與輸入特性只能接近線性，對(duì)比理論直線有偏差，如圖3所示。實(shí)際曲線與其兩個(gè)端尖連線（稱理論直線）之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差。取其中最大值與輸出滿度值之比作為評(píng)價(jià)線性度（或非線性誤差）的指標(biāo)。
圖3 傳感器線性度示意圖（1、實(shí)際曲線 2、理想曲線）
（2）靈敏度 傳感器在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出變化對(duì)輸入變化的比值稱靈敏度，用s0表示，即
對(duì)于線性傳感器來(lái)說(shuō)，它的靈敏度s0是個(gè)常數(shù)。
（3）遲滯 傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸出/輸入特性曲線的不重合程度稱遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出yfs的百分?jǐn)?shù)表示
式中 △hm——輸出值在正、反行程間的最大差值。
遲滯特性一般由實(shí)驗(yàn)方法確定，如圖4所示。
（4）重復(fù)性 傳感器在同一條件下，被測(cè)輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測(cè)量時(shí)， 所得輸出/輸入曲線的不一致程度，稱重復(fù)性如圖4-5表示。重復(fù)性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即
式中 ——輸出最大重復(fù)性誤差；
重復(fù)特性也用實(shí)驗(yàn)方法確定，常用絕對(duì)誤差表示。如圖5表示
圖4 遲滯特性 圖5 重復(fù)特性
（5）分辨力 傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。分辨力與滿度輸入比的百分?jǐn)?shù)表示稱為分辨率。
（6）漂移 由于傳感器內(nèi)部因素或外界干擾的情況下，傳感器的輸出變化稱為漂移。當(dāng)輸入狀態(tài)為零時(shí)的漂移稱為零點(diǎn)漂移。在其它因素不變情況下，輸出隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生的漂移稱為時(shí)間漂移；隨著溫度變化產(chǎn)生的漂移稱為溫度漂移。
（7）精度 表示測(cè)量結(jié)果和被測(cè)的“真值”的靠近程度。精度一般是在校驗(yàn)或標(biāo)定的方法來(lái)確定，此時(shí)“真值”則靠其它更精確的儀器或工作基準(zhǔn)來(lái)給出。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了傳感器和測(cè)試儀表的精度等級(jí)，如電工儀表精度分七級(jí)，分別是0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5級(jí)。精度等級(jí)（s）的確定方法是：首先算出絕對(duì)誤差與輸出滿度量程之比的百分?jǐn)?shù)，然后靠近比其低的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)值即為該儀器的精度等級(jí)。
2、傳感器的動(dòng)態(tài)特性
動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器測(cè)量靜態(tài)信號(hào)時(shí)，由于被測(cè)量不隨時(shí)間變化，測(cè)量和記錄過(guò)程不受時(shí)間限制。而實(shí)際中大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，傳感器的輸出不僅需要精確地顯示被測(cè)量的大小，還要顯示被測(cè)量時(shí)間變換的規(guī)律，即被測(cè)量的波形。傳感器能測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。
動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出量隨時(shí)間的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入量隨時(shí)間的變化規(guī)律，即它們具有同一個(gè)時(shí)間函數(shù)。但是，除了理想情況外，實(shí)際傳感器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)不會(huì)具有相同的時(shí)間函數(shù)，由此引起動(dòng)態(tài)誤差。
動(dòng)態(tài)特性參數(shù)一般都用階躍信號(hào)輸入狀態(tài)下的輸出特性和不同頻率信號(hào)輸入狀態(tài)下的幅值變化和相位變化表達(dá)。
五、傳感器的選用
1.檢測(cè)要求和條件。測(cè)量目的、被測(cè)物理量選擇、測(cè)量范圍、輸入信號(hào)最大值和頻帶寬度、測(cè)量精度要求、測(cè)量所需時(shí)間要求等。
2.傳感器性能。精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量性質(zhì)、對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護(hù)等。
3.使用條件。安裝條件、工作場(chǎng)地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動(dòng)等）、測(cè)量時(shí)間、所需功率容量、與其他設(shè)備的連結(jié)、備件與維修服務(wù)等。
六、檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)、方法和步驟
檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)：根據(jù)使用要求合理選用傳感器，設(shè)計(jì)或選用相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)與處理電路以構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析與測(cè)試，使之在機(jī)電一體化產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)預(yù)期的計(jì)測(cè)功能。
方法：實(shí)驗(yàn)分析法，即理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法。
檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟如下：
1.設(shè)計(jì)任務(wù)分析
2.系統(tǒng)方案選擇
3.系統(tǒng)構(gòu)成框圖設(shè)計(jì)
4.環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)與制造
5.總裝調(diào)試及實(shí)驗(yàn)分析
6.系統(tǒng)運(yùn)行和考核