2.2.7 检测技术

1.检测量和传感器的分类和选择原则

（1）分类

检测量分为物理量、化学量和生物量三类。检测物理量的检测装置称为物理量传感器，例如，检测机械量或电量的传感器。检测化学量的检测装置称为化学量传感器，例如，检测pH值、气体成分等传感器。检测生物量的检测装置称为生物量传感器，例如，检测微生物、酶的传感器。表2-14是检测量和被检测对象的分类表。

对于非电量的检测，通常将非电量转换为电量，然后进行检测。因此，传感器是能够感受或响应规定的被测量，并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。

检测元件或敏感元件是直接感受被测物理量并对其进行转换的元件或单元。传感器是检测元件及其相关辅助元件和电路组成的整个装置。通常，传感器泛指一个被测物理量按一定物理规律转换为另一物理量的装置。

（2）选择原则

传感器选择原则如下：

● 技术要求。传感器应满足一定的静态和动态特性的要求，主要有线性度、测量范围、灵敏度、分辨率、重复性等静态性能要求和响应速度、稳定性以及可靠性等动态性能要求。

● 使用环境要求。使用环境包括环境温度、湿度、振动、磁场/电场及周围气体环境等，它们对传感器的使用精度、寿命等有影响，应予考虑。

● 电源要求。包括电源电压等级、形式和纹波系数等，一些应用场合还需考虑频率的影响。

● 安全要求。包括安装场所的安全性、是否需要采用本安设备、隔爆或采取其他安全措施，此外，也需要考虑操作人员的安全，例如，对传感器外壳防护等级的考虑等。

● 维护和管理的要求。包括维护的方便性、备品备件的可获得性、是否有自诊断功能、是否采用模块结构以及是否有设备管理软件支持等。

● 性能价格比的要求。在满足检测要求的前提下，应具有较高的性能价格比、较长的平均无故障时间及较短的平均维修时间等。

● 与交货期有关的要求。包括购买产品的交货期、保修期和备件的交货期等。

因此，传感器具有下列特性：

● 足够高的准确度、精密度、灵敏度和分辨率。

● 响应速度快，信噪比大，稳定性高，特性漂移小。

● 可靠性高。能适应恶劣环境，不受其他变量的变化影响。

● 不影响被测对象的工作，不给被检测对象增加负担。

● 操作简单，安装方便，价廉，性能价格比高，节能。

对检测装置和传感器的性能要求如下：

● 准确度。被测量的测量结果与约定真值间的一致程度。

● 分辨率。规定范围内所能检测的被测量值的最小变化量。

● 线性度。实际输入输出特性曲线与拟合直线的不吻合程度。分理论线性度、端基线性度、独立线性度和最小二乘线性度等。

● 灵敏度。输出量增量与相应输入量增量之比。

● 测量范围和量程。测量范围是允许误差限内被测量值的范围。量程是该检测装置或传感器测量范围的最大值和最小值的代数差。

● 零漂和温漂。零漂是规定时间间隔和室内条件下，零位输出时的变化。温漂是周围环境温度变化引起的零位漂移。

● 迟滞。对某一输入量，传感器正行程的输出量和反行程的输出之间的不一致。

● 死区。被测量变化不引起输出响应的区域。例如，对应输出位零的输入信号范围。

● 其他性能。例如，快速响应性、稳定性等。

2.基础效应

检测元件按一定物理规律将一个物理量转换为另一个物理量。该转换过程所采用的效应有光效应、磁效应、力效应、化学效应及生物效应等。

（1）光效应

利用光将一个物理量转换为另一个物理量的效应。常用的光效应有：

1）光电发射效应。物体受光照后向外发射电子的效应称为光电发射效应。光电发射第一定律描述为：入射光线频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流I_K与被阴极所吸收的光通量Φ_K成正比。即

式中，S_K是光电发射灵敏度系数。

发射光电子的最大动能随入射光的频率而线性增大，而与入射光的光强无关。光电发射第二定律用爱因斯坦方程描述为

式中，h是普朗克常数；v是入射光频率；m_e是光电子质量；v_max是出射光电子最大速率；φ₀是光电阴极逸出功。

光电发射第三定律是光照射某一金属或物质时，如果入射光的频率小于该金属或物质的红限v₀，不管光的强度如何，都不会产生光电子发射，即红限处光电子的初速为零，红限v₀可表示为

2）光电导效应。光辐射作用下，材料的导电性变化与光辐射强度呈稳定对应关系，这种光效应称为光电导效应。电导率正比于载流子浓度及迁移率的乘积。典型的光电导效应器件是光敏电阻。

3）光伏效应。光伏效应是光照射引起电动势改变的现象。PN结上的光电压V与流经负载的光电流I的关系表示为

式中，I_sc是短路电流。

4）科顿效应。线偏振光入射并透过旋光性物质时，产生光线的偏转。旋光性物质是光学活性物质。当左、右旋圆偏振光合成的直线偏振光进入旋光性物质（如芳香族化合物等）时，由于旋光性物质使左旋和右旋圆偏振光的传输速度改变，形成不同折射率，透过厚度d的旋光性物质后形成的偏转角α可表示为

式中，φ_l和φ_r分别是左、右旋偏振光透过旋光性物质时的旋转角度。

5）泡克耳斯效应和克尔效应。在外加电场作用下，介质折射率n与外加电场E之间的关系表示为

式中，a、b是系数；n₀是寻常光折射率。

由上式的一次项aE引起的介质折射率n的改变，称为泡克耳斯效应；由上式的二次项aE2引起的介质折射率n的改变，称为克尔效应。

6）光弹效应。在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料会使光产生双折射现象，其折射率改变与应力有关。出射光强可表示为

式中，K是材料光弹性常数；P是施加的压强；L是光波通过材料的长度；λ是光波波长。

7）多普勒效应。具有一定频率的信号源（可以是光或声等）与传感器之间以某一速度相对运动，传感器接收的信号频率不等于信号源的自身频率，它还与运动方向有关，这称为多普勒效应。

（2）磁效应

磁效应提供物质结构、物质内部各种相互作用及由此引起的各种物理性能相互联系的丰富信息。

1）法拉第效应。它是磁和光共同作用的结果，也称为磁致旋光效应。一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转。旋转的这个角度称为法拉第旋转角ψ。可表示为

式中，V是费尔德常数；B是磁感应强度；d是光在物质中经过的路径长度。

2）霍尔效应。电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，它在垂直于导体与磁感应线的两个方向上产生电势差，称为霍尔电势差。表示为

式中，U_H是霍尔电势差；R_H是材料的霍尔系数；I_S是电流；d是材料厚度；B是磁感应强度。

3）磁阻效应。一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。分为常磁阻、巨磁阻、超巨磁阻、异向磁阻以及穿隧磁阻效应等，表示为

式中，下标B表示有磁场，0表示没有磁场；R是磁阻；ρ是电阻率；g是形状系数，与半导体材料片的长、宽和霍尔角有关；μ是载流子迁移率；B是磁感应强度；n根据磁场强度确定，其值在1~2之间，弱磁场取2，强磁场取1，中等磁场取1~2之间的值。

4）磁热效应。绝热过程中铁磁体或顺磁体的温度随磁场强度的改变而变化的现象。

5）磁致伸缩效应。铁磁物质（磁性材料）由于磁化状态的改变而引起其尺寸在各方向发生伸长（或缩短）的现象。磁致伸缩系数γ可表示为

式中，L₀是材料的原始长度；L_H是在外磁场作用下的长度。

6）压磁效应。铁磁材料在机械力作用下产生应力导致材料磁导率改变的现象。铁磁材料相对磁导率变化与应力的关系可表示为

式中，B_m是饱和磁感应强度；σ是应力；μ是磁导率；Δμ是磁导率改变；λ_m是磁致伸缩系数。

（3）力效应

1）压电效应。压电体受到外机械力作用而发生电极化，并导致压电体两端表面内出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外机械力成正比，这种现象称为正压电效应；压电体受到外电场作用而发生形变，其形变量与外电场强度成正比，这种现象称为逆压电效应。

2）电致伸缩效应。外电场作用下，非压电材料产生的应变与电场强度的平方成正比，称为电致伸缩效应。

3）压阻效应。固体在机械力作用下发生电阻改变的现象。半导体受压导致电阻变化可忽略，主要是压阻效应。金属的压阻效应可忽略，主要是应变效应。

（4）化学效应

1）表面吸附效应。吸附是固体表面最重要特征之一。被吸附分子称为吸附物，固体是吸附剂。吸附分物理吸附和化学吸附。物理吸附时，吸附物电子结构几乎不改变，本质是吸附物的电荷涨落。化学吸附时发生吸附物与吸附剂之间的化学反应，形成化学键，吸附物电子结构有明显改变，存在电荷转移，吸附物可能发生结构变化。因此，有表面电位、功函数及电导率等变化。

2）半导体表面场效应。利用电压产生的电场控制半导体表面电流的效应。控制作用随环境气体、溶液离子浓度等化学物质改变，可构成气敏、离子敏及生物敏等半导体场效应化学传感器。

3）中性盐效应。中性盐（其水溶液既非酸也非碱）加入化学反应系统中，使系统反应速度发生变化的现象。一次中性盐效应是指中性盐加入后改变离子浓度而使反应离子的活化系数改变的现象。二次中性盐效应是指活化系数的变化影响系统反应的离子离解平衡，从而引起反应离子浓度改变，使中性盐本身反应速度改变的现象。

4）电泳效应。电泳是溶液中带电粒子（离子）在电场中移动的现象。因溶液流动阻碍离子移动而减少其迁移率的现象称为电泳效应。离子迁移率的改变与溶液中电解质浓度、种类、颗粒形状和大小等有关。

（5）热效应

热效应是指物体温度改变所引起物体的性能改变。

1）热电效应。不同导体材料构成闭合回路，如果结合部分出现温度差，则闭合回路将有电流或产生热电势，这是热电效应。

2）热电导效应。温度改变造成材料电导率改变的现象。

（6）生物效应

生物效应是某种外界因素（例如生物物质、化学药品、物理因素等）对生物体产生的影响。

1）微波生物效应。生物体受到微波照射后，在生物化学、生物物理、组织形态、生理功能和行为等方面发生的变化。

2）微量元素的生物效应。一些微量元素对生物体的生命活动产生的影响。

3.运动控制传感器

运动控制中需要一些传感器来检测运动过程中的位置、位移、速度、加速度、转矩、负荷以及压力分布等控制系统内部的参数，也需要检测与运动控制系统有关的外界环境，例如，空间、表面形态、光亮度、物体颜色，接近程度、接近距离、倾斜度、声音、超声、味道、环境气体成分和浓度等参数。

（1）位置检测传感器

位置检测传感器用于检测运动过程中的位置、位移的传感器。

表2-15是常用位置检测传感器分类。

1）旋转变压器

旋转变压器是用于检测精密角度、位置、速度的模拟式传感器，也称为同步分解器。它是小型交流电动机，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压，励磁频率通常用400Hz、500Hz、1000Hz、3000Hz及5000Hz等。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压。

旋转变压器工作原理与普通变压器相似，其区别是普通变压器的一次、二次绕组相对固定，因此，其输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的一次、二次绕组随转子的角位移发生相对位置的改变，因此，其输出电压大小随转子角位移而发生变化，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。

旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号，根据输出电压与转子转角的函数关系，可分为三类。

● 正-余弦旋转变压器。其输出电压与转子转角的函数关系成正弦或余弦函数关系。

● 线性旋转变压器。其输出电压与转子转角成线性函数关系。

● 比例式旋转变压器。其输出电压与转角成比例关系。

图2-23是其工作原理图。定子绕组S₁和S₂由两个幅值相等、相位差90°的正弦交流电压u₁和u₂励磁。励磁电流严格平衡，在气隙产生圆形旋转磁场，并在转子绕组R₁产生感应电压u_br。

可见，转子绕组输出电压u_br幅值不随转角θ改变，其相位与转角相等。因此，常用旋转变压器作为角度-相位变换器。用该调相电压作为反馈信号，可组成相位随动控制系统。

图2-24是用两个旋转变压器组成的角度差检测装置。图中，旋转变压发生器BRT与给定轴连接，旋转变压接收器BRR与执行轴连接。发送器侧施加交流励磁电压u_f，另一转子绕组短接或串接电阻用于补偿。励磁磁通Φ_t沿发送器定子绕组S_1t和S_2t方向的分量Φ_t1和Φ_t2在绕组中的感应电动势产生感应电流，流经S_1t和S_2t。它们在接收器产生相应的磁通Φ_r1和Φ_r2合成磁通Φ_r。

两个转子位置一致，则接收器获得最大感应电压。如果存在转角差Δθ，则输出电压表示为余弦函数关系，即

式中，k是旋转变压器接收器和发送器之间的电压比。实际应用时，由于接收器转子和发送器转子之间有90°转角差，因此，接收器输出电压可表示为正弦函数关系，即

采用不同接线方式或不同的绕组结构，可获得与转角差Δθ成不同函数关系的输出电压。例如，弹道函数、圆函数或锯齿波函数等。

为提高系统对检测准确度的要求，可采用两极和多极旋转变压器组成双通道伺服系统。准确度可从角分级提高到角秒级，一般可达3″~7″。

2）感应同步器

它是将直线位移或转角位移转化成交流电压的位移传感器。感应同步器工作原理与旋转变压器的工作原理相同。有圆盘式和直线式两种。在高准确度数字显示系统或数控闭环系统中，圆盘式感应同步器用于检测角位移信号，直线式用于检测线位移。感应同步器广泛应用于高准确度伺服转台、雷达天线、火炮和无线电望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高准确度位置检测系统中。

图2-25是感应同步器工作原理图。感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，其结构相当于一个展开的多极旋转变压器。旋转变压器用于检测定子、转子间的旋转位移，而感应同步器用于检测滑尺和定尺间的直线位移。定尺安装在机床固定的导轨上，其长度应大于被检测件的长度，滑尺较短，安装在运动部件上，随工作台一起移动。两者平行放置，保持0.2～0.3mm的间隙。定尺上是一个连续不断的矩形绕组，滑尺上分布两个长度方向相差π/2的正弦绕组和余弦绕组。绕组由铜箔组成，用绝缘黏合剂贴在基板上。

滑尺上的分段绕组和定尺的连续绕组相当于变压器的一次和二次绕组。矩形绕组的节距W。分段绕组相对定尺绕组在空间错开W/4节距。滑尺上施加励磁交流电压U_A和U_B，在定尺绕组产生相同频率感应电动势，其幅值随滑尺移动呈余弦规律变化。滑尺移动一个节距，感应电动势E变化一个周期。

式中，K是与两绕组相对位置有关的系数；U_m是励磁电压幅值；ω是励磁信号频率。

设感应线圈A的中心从励磁线圈中心右移距离为x，则两个滑尺绕组产生的感应电动势分别为

数控机床采用鉴相式或鉴幅式方式将感应电压鉴出。

鉴相式方式如下。U_A和U_B施加同频同幅，但相位差π/2的交流励磁电压，即

U_A=U_msin（ωt）U_B=U_msin（ωt+π/2）=U_mcos（ωt）。

因此，感应电动势叠加后，得

式中，k是电磁耦合系数；U_m是励磁电压幅值；ω是励磁信号频率；x是滑尺和定尺的相对位移。

由于感应同步器极对数多，定尺上感应电压信号是多周期平均效应，可降低制造绕组局部误差的影响，直线感应同步器的测量精度可达±0.001mm，重复精度0.0002mm，灵敏度0.00005mm。对直径302mm的圆形感应同步器，其精度可达0.5″，重复精度0.1″，灵敏度0.05″。

3）脉冲编码器

按工作原理，光电脉冲编码器分为光学型、磁型、感应型和电容型等。按输出形式分为增量型和绝对型等。

①增量型光电编码器。图2-26是增量型光电编码器工作原理。增量式光电脉冲编码器由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。

光电码盘随工作轴转动，光源经聚光镜聚光后，透过光电码盘和光挡板，形成忽明忽暗的光信号，光敏元件接收光信号，并转换为脉冲信号后，送信号处理电路，经整形、放大、分频、计数和译码后输出或显示。电脉冲信号的频率f_c与光电码盘光栅狭缝数N、电动机转速n的关系如下：

由于N固定，因此，输出频率f_c与电动机转速n成正比。即编码器也可检测转速。

光挡板上有两个狭缝A和B，它们之间的距离为m±τ/4（τ是码盘上两个狭缝之间的距离，m是任意整数），这样设置可使两个光敏元件接收到的信号相差π/2相位。正转时，U_A超前U_B；反转时，U_B超前U_A。因此，将输出信号送鉴相电路，可判别码盘或电动机的旋转方向。

增量式光电脉冲编码器的测量准确度与光电码盘光栅狭缝数N有关，N越大，分辨率越高，测速准确度也越高。N越大，增加制作成本和难度越高，为此，常用倍频电路来提高转速分辨率。一般可采用4倍频电路来提高转速分辨率。

增量式光电脉冲编码器的测量准确度可达0.02%，工作范围0~7800r/min，分辨率0.1rad/s。其特点是比一般测速发电机准确度高几个数量级、非接触测量、机械寿命达几万小时、抗干扰能力强、适合长距离信号传输、可靠性高和数字输出等，因此，得到广泛应用。

②绝对值旋转编码器。为消除粗大误差，工业上常采用表2-16所示的循环码码盘，也称为格雷码盘。其特点是相邻两个码道间只有一个码发生变化，表2-16也显示绝对值编码的轴位置和数码的对应关系。

表中，白色表示透明，深色表示不透明，码盘的一侧安装光源，另一侧对应码道有径向排列的光电管接收光信号。码盘与被测工作轴联动。不同轴位置对应的光电管接收到的信号不同，从而可确定轴的绝对位置。因此，这种编码器称为绝对值编码器。从表可见，相邻的轴位置之间循环码最多相差一个二进制数，因此，对码盘的制作和安装要求可降低，产生的误差最多是最低位的一位数。

表2-16所示的码盘是4码道，其分辨率为360°/24=22.5°。增加码道数，可提高分辨率。例如，绝对值旋转编码器有13个码道时，分辨率达0.044°。多圈绝对值编码器不仅在一圈内测量角位移，还用多步齿轮测量圈数，因此，分辨率可显著提高。

绝对值旋转编码器具有可获得角位移的绝对值、没有累积误差、电源掉电后位置信息不会丢失等特点。

③磁型编码器。在数字式传感器中，磁型编码器是近年发展起来的一种新型电磁敏感元件，可分为磁鼓式、磁敏电阻式、励磁磁环式和霍尔元件式等多种类型。它是将位移转换为电脉冲信号的一类编码器。

磁型编码器具有不易受尘埃、结露影响，对潮湿气体和污染不敏感，结构简单紧凑，可高速运转，响应速度快（纳秒级），体积小，成本低以及易精确集成等特点。与光增量编码器的工作原理类似，当工作轴转动时，磁型编码器的磁性元件检测并输出电脉冲信号，经转换后作为转速信号。

4）光栅

光栅是数控机床和数显系统常用的检测元件。具有准确度高、响应快等特点。光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。它是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。透射光栅是利用透射光衍射的光栅。反射光栅是利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光的光栅。安装在机床移动部件的标尺光栅是长光栅（或主光栅），安装在机床固定部件的指示光栅是短光栅。两个光栅相互平行并保持一定间隙（0.05~0.1mm等），刻线密度相同，栅线直接缝宽为b，栅线宽度为a，则光栅节距（也称为栅距）W=a+b。指示光栅在其自身平面转一个很小角度θ，使两个光栅刻线相交，相交处出现黑色条纹，称为莫尔条纹。如图2-27所示。

通常，a=b=W/2；当θ很小时，有

莫尔条纹具有下列特点：

● 莫尔条纹移动方向与光栅夹角有对应关系。长光栅沿栅线垂直方向移动时，莫尔条纹沿夹角平分线方向移动。其关系见表2-17。

● 光学放大作用。从式（2-77）可见，由于θ很小，因此，B≫W，起到光学放大作用。例如，长光栅在1mm内刻100条线，当θ=10′=0.00029rad，则B=0.01/0.00029≈3.44mm，放大344倍。其放大倍数可通过改变夹角θ连续调节，从而实现连续改变倍数的功能。

● 均化误差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，可起均化光栅刻线误差作用。例如，光电元件接收长度10mm，1mm内刻100条线，则接收信号由1000条刻线组成，如有刻线误差，例如少一根刻线，只影响千分之一的光电效果，即其准确度比单纯栅距的准确度有很大提高，也明显提高重复准确度。

实际装置将光源、计量光栅、光电转换和前置放大组合在一起构成传感器（光栅读数头），将细分辨向的差补器、计数器和受控装置（由步进电动机、打印机或绘图机组成）组成数字显示器，如图2-28所示。

细分技术是用于提高测量准确度、提高分辨率的技术。测量位移时，最小分辨率是一个栅距，增加刻线密度可提高分辨率，另一方法是在双光电元件基础上经信号调节对信号细分。即在莫尔条纹变化一周期时，不单输出一个脉冲，而是输出n个脉冲，通常n=4，从而减小脉冲当量，提高分辨率。例如，W=0.01mm，n=4，则分辨率可从0.01mm提高到0.0025mm。实现方法是用4个依次相距的光电元件，在一个莫尔条纹周期内产生4个计数脉冲，实现4细分。这种细分方法对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可应用于静态和动态测量系统。缺点是光电元件安装困难，因此，细分数n不能太高。

由于只安装一套光电元件，光栅正向和反向移动时，光电元件都产生相同正弦信号。为此，可将得到的脉冲数累加，物体反向移动时，累加的脉冲数减反向移动的脉冲数，从而获得正确测量结果，这种技术称为辨向技术。

5）磁栅。磁栅传感器由磁栅（磁尺）、磁头和检测电路组成。磁尺是非导磁性材料做尺基，在其上镀一层均匀磁性薄膜，并录上一定波长磁信号制成。磁信号的波长（周期）称为节距W。磁信号极性首尾相接，在N、N重叠处正的最强，在S、S重叠处负的最强。图2-29是磁栅传感器示意图。

磁头分动态磁头（速度响应式磁头）和静态磁头（磁通响应式磁头）两大类。动态磁头与磁尺间有相对运动时有信号输出，只能在恒速下检测。静态磁头输出与速度无关，应用广泛。

磁栅分长磁栅和圆磁栅。长磁栅有尺型、带型和同轴型三种，主要用于直线位移的测量。圆磁栅主要用于角位移的测量。

静态磁头有N₁（励磁绕组）和N₂（感应输出绕组）两组绕组。N₁绕组通交流励磁电流，使磁心可饱和部分（截面很小）在每周内发生两次磁饱和。磁饱和时磁心的磁阻很大，磁栅的漏磁通不能通过磁心，感应输出绕组N₂不能产生感应电动势。只有在励磁电流每周两次过零时，磁心才能导磁。磁栅上漏磁通使输出绕组产生感应电动势e，即感应电动势的频率是励磁电流频率的2倍。感应电动势的包络线反映磁头与磁尺的位置关系，其幅值与磁栅进入磁心漏磁通的大小成正比，即

式中，λ是磁尺磁化信号的节距；x是磁头相对磁尺的位移；Φ_m是励磁磁通的幅值；ω是励磁电流频率；k是电磁转换系数。为识别磁栅的移动方向，可采用双磁头结构。两磁头按（m±1/4）λ间距配置（m是正整数），则两个磁头的输出分别是，U₂=kΦ_mcos。

因单磁头读取磁性标尺上的磁化信号输出电压很小，并且对磁尺上的磁化信号的节距和波形要求高，因此，可将多磁头以一定方式串联组成多间隙磁头，增大其输出电压，同时，因读取信号是其平均值，有平均效应作用，可提高测量准确度。

6）电容传感器。理想情况下，平板电容器的电容可根据下式计算：

式中，ε₀是空气介电常数；ε_r是介质相对介电常数；A是极板面积；d是极板间距。变间隙电容式传感器常用于检测微小位移，变面积电容式传感器常用于检测角位移和较大的线位移。

电容式传感器具有以下优点：灵敏度高，分辨率高；测量范围宽；功率小，阻抗高；良好的动态响应特性，工作频率高；结构简单，体积小，自身发热小，适应环境性好；稳定性好。但寄生电容会影响测量精度和灵敏度。

7）电感式传感器。电感式传感器利用电磁感应原理将位移转换为自感系数或互感系数的变化，从而改变电感量，并根据被测量的电感量来确定位移量。

电感线圈的电感量L与线圈匝数N、磁路总磁阻R_m之间的关系可表示为

小气隙时，忽略磁路铁损，可近似得到电感量L与气隙δ成反比，即

式中，μ₀是空气磁导率；A是导磁体横截面积；δ是气隙厚度。因此，根据检测的电感量可计算出位移量。

差动式电感式传感器采用差动式结构。当衔铁位置偏离两个线圈中心时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，由于两个线圈连接到电桥的相邻两臂，因此，电桥输出产生线性变化。

对单线圈式螺管的传感器，假设单位长度线圈的匝数为N，线圈螺管总长度为l，衔铁插入螺管的长度为l_a，螺管平均半径为r，并有l≫r，则有

式中，μ₀和μ_r分别是空气和衔铁的导磁率；A_a是导磁体横截面积。

电感式传感器具有灵敏度高、准确度高、非线性失真小、无活动触点、机械寿命长、分辨率高且量程范围较宽等特点，但存在交流零位信号，不适合高频动态检测。

（2）速度检测传感器

增量式速度检测传感器有交/直流测速发电机、数字脉冲编码式速度传感器及霍尔速度传感器等。绝对式速度检测传感器有速度-角度传感器、数字电磁式传感器及磁敏式速度传感器等。

由于速度是位置的微分，因此，位置传感器也可获得速度信息。例如，位置信息用脉冲数表示时，一定时间内的脉冲个数就反映其速度（称为M法测速）。也可在两个相邻脉冲间隔内，用一个计数器对已知频率的高频时针脉冲进行计数，并计算其速度（称为T法测速）。也可将两者结合，确定其速度（称为M/T法测速）。

1）交流异步测速发电机

交流测速发电机分为异步测速发电机和同步测速发电机两类。常用的是异步测速发电机，它是一类微型发电机，用于将检测转速并将其转换为标准电压信号。

理想状态下，异步测速发电机输出电压U_O与转速n的关系如下：

式中，KK′是比例常数，它是输出特性曲线的斜率；n是测速发电机转子的旋转速度；θ是测速发电机转子的旋转角度。交流异步测速发电机结构如图2-30所示，其结构与空心杯形转子伺服电动机相似。

定子上设置两个相差90°角的绕组，WF是励磁绕组，连接单相额定交流电源；WC是工作绕组，连接测量仪表作为负载。交流电源以旋转的杯形转子为媒介，工作绕组感应出与转速成正比的电动势，其频率与电网频率相同。

● 转子静止。当频率为f₁的励磁电压U_f加在WF后，测速发电机内、外定子间气隙中产生一个与WF轴线一致、频率为f₁的脉动磁通Φ_f，如果转子静止，则因磁通Φ_f在转子中的感应变压器电动势和涡流，涡流产生磁通阻止磁通Φ_f的变化，合成的磁通Φ₁的轴线仍与励磁绕组轴线重合，它与WC产生的磁通轴线垂直，因此，在输出绕组（工作绕组）不会感应出电动势，输出电压U_O=0。

● 转子转动。假设转子以转速n沿顺时针旋转，则转子切割磁通Φ₁产生电动势e_2p和电流i_2p。因e=Blv，因此，e_2p的有效值与Φ_1m和n成正比。如果励磁电压U_f固定，则Φ_1m=U_f/(4.44f₁N₁)不变，即e_2p与转速n成正比。电流i_2p产生的脉动磁通Φ₂，其方向与WC轴线重合，在输出绕组感应的变压器电动势E_O与磁通Φ₂成正比。因磁通Φ₂与e_2p成正比，因此，输出电动势E_O与转速n成正比。转子转动方向改变时，输出电压相位也改变180°。

异步交流测速发电机的优点是不需要电刷和换向器，构造简单，维护方便，运行可靠，输出特性稳定，准确度高，摩擦力矩小，惯性小，正、反转时输出电压对称，不产生无线电干扰等。缺点是存在相位误差和剩余电压，输出斜率小，随负载特性不同输出特性变化。应根据变频调速控制系统的频率、电压、工作速度范围和精度要求及测速发电机在系统中的作用合理选择。例如，应防止测速段进入非线性区，并应选择合适的励磁电压。选用温度变化引起的变温误差小、剩余电压小、漏磁通小、输出斜率大的产品。

2）直流测速发电机

有他励式和永磁式两类。常用的是他励式直流测速发电机。

他励式直流测速发电机结构与直流伺服电动机的结构相同，其工作原理如图2-31所示。励磁绕组流过电流I_f时，产生沿空间分布的恒定磁场，电枢由被测机械拖动旋转，以恒定速度切割磁场，在电枢绕组产生感应电动势。

空载时，电枢两端电压为U_ao=E=C_en，即测速发电机的输出电压与转速成正比。有负载时，输出电压为U_a=E-I_aR_a。式中，R_a是包括电枢电阻和电刷接触电阻的电阻，而电枢电流I_a=U_a/R_L。有负载时，输出电压为

如果C_e、R_a和R_L不变，则直流测速发电机的输出电压与转速成正比。由于温度变化引起电阻变化，因此，负载电阻越小，转速越高，输出特性的非线性越严重。

直流测速发电机的优点是没有相位波动，没有剩余电压，输出特性斜率比异步交流测速发电机的输出特性斜率大。缺点是有电刷和换向器，结构复杂，维护不便，摩擦转矩大，有换向火花，产生无线电干扰，输出特性不稳定，正、反转时输出特性不对称等。

（3）转矩检测传感器

用于检测电动机旋转时的最初起动转矩、电动机稳态运行时轴的输出转矩和电动机从起动到空载运行整个起动过程的转矩等三类。电动机转矩检测有测功机法、校正过的直流电机法和转矩仪法等。

1）涡流测功机

工作原理和结构如图2-32所示，被测电动机与转轴连接，带动钢盘旋转，励磁绕组中通直流电流产生一恒定磁场，经钢盘和相邻磁极构成闭合磁回路。旋转的钢盘切割磁场，感应涡流并产生制动转矩。同时，磁极因受反作用力矩使顺电动机转动方向偏转一个角度，最终与平衡锤的力矩平衡，指针与磁极一起偏转，并指示转矩值。改变励磁电流可平滑地调节制动转矩。

2）磁粉测功机

图2-33所示磁粉测功机在定转子间的气隙中添加高磁导率的磁粉，励磁绕组中无励磁电流时磁粉无序分布，不产生制动力矩；励磁绕组通励磁电流后产生气隙磁场，磁粉被气隙磁场磁化，使测功机产生制动力矩，并使定子偏转一个角度后与重锤力矩平衡。磁粉测功机运行时，将轴上输入的机械能转换为热能，为限制测功机温升，采用强制冷却方式或空气自冷结构。

（4）力和加速度检测传感器

加速度传感器用于测量加速度，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等组成。加速时，传感器通过对质量块所受惯性力的测量，根据牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同，常见加速度传感器有电容式、电感式、应变式、伺服式和压电式等。

1）压电式加速度检测传感器。压电式加速度检测传感器利用压电材料的压电效应检测力。压电效应是某些晶体或电介质在沿一定方向受外力作用时，内部正负电荷中心相对位移，产生极化，导致材料两端表面内出现符号相反的束缚电荷，电荷密度与外力成正比，外力去掉，恢复不带电状态的现象。

石英晶体是正六面体，其纵轴（z轴）称为光轴，垂直z轴并通过棱线的x轴称为电轴，与x、z轴垂直的y轴称为机械轴。沿x轴向施加作用力，在x轴向面产生电荷的压电效应称为纵向压电效应。沿y轴向施加作用力，在y轴向面产生电荷的压电效应称为横向压电效应。沿光轴施加作用力不产生压电效应。

在x轴施加的作用力F_x与产生的极化电荷量q_xx成正比，电荷量q_xx与晶体尺寸无关。_。在y轴施加的作用力F_y产生的极化电荷极性是与x轴作用的力F_x产生的极化电荷极性相反的，并且与晶体尺寸有关。检测极化电荷量可计算出所施加的作用力。

压电式传感器具有体积小、重量轻、结构简单、灵敏度与传感器固有频率的平方成正比、压电系数越大、压电效应越强、但易受环境噪声影响、操作较麻烦等特点。

2）电容式加速度检测传感器。它是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。采用微机电系统（MEMS）工艺，从而保证有较低成本和较高测量准确度。

3）伺服式加速度传感器。与一般加速度计相同，该传感器的振动系统由“m-k”系统组成，但质量m上还接一个电磁线圈。当基座上有加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测并经伺服放大器放大后转换为电流输出。该电流流经电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，由于有该反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高了测量准确度，扩大了测量范围。伺服加速度测量技术广泛应用于惯性导航和惯性制导系统，在高准确度的振动测量和标定中也有应用。

4）力传感器。力是引起物质运动变化的直接原因。力传感器能检测张力、拉力、压力、重量、转矩、内应力和应变等力学量。具体的器件有金属应变片、压力传感器等。

力传感器的测量过程如下：

● 被测力使弹性体（如弹簧、梁、波纹管、膜片等）产生相应位移，通过测量位移获得力的信号。

● 弹性构件和应变片共同构成传感器，应变片牢固粘贴在构件表面上。弹性构件受力时产生形变，使应变片电阻值变化（发生应变时，应变片几何形状和电阻率发生改变，导致电阻值变化），通过电阻测量获得力的信号。应变片可由金属箔制成，也可由半导体材料制成。

● 利用压电效应测力。通过压电晶体把力直接转换为置于晶体两面电极上的电位差。

● 力引起机械谐振系统固有频率变化，通过频率测量获取力的相关信息。

● 通过电磁力与待测力的平衡，由平衡时相关的电磁参数获得力的信息。

4.机器人专用传感器

这里专指用于检测机器人外部环境及状况的传感器。包括物体识别传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器及听觉传感器等。表2-18是机器人传感器分类和应用。

（1）视觉传感器

视觉传感器用于获取足够的机器视觉系统要处理的最原始图像。它利用光学元件和成像装置获取外部环境图像信息。它可应用于包装标签的正确粘贴；检测包装中是否存在破损情况；物体尺寸是否正确等。

（2）触觉传感器

触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。按功能可分为接触觉传感器、力-力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。

1）接触觉传感器。接触觉传感器检测机器人是否接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。

● 机械式传感器。利用触点接触的断开获取信息，例如，微动开关识别物体。

● 弹性式传感器。由弹性元件、导电触点和绝缘体组成，导电材料受压后使导电触点接触，开关导通。导电材料有石墨化碳纤维、氨基甲酸乙酯泡沫等。

● 光纤传感器。光通过光纤射到可变形材料上，反射光按相反方向经光纤返回，如果材料表面受力变形，则反射光强度改变，从而确定受力情况。

2）滑觉传感器。当抓取不知属性物体时，可根据握紧力，即检测被握物体的滑动来增加或减少握紧力，有滚动式和球式两种。滚轮滚动说明握紧力不够。也可根据振动检测滑觉，物体滚动时，触针与物体接触产生振动，经压点传感器或磁场线圈检测其微小位移。

3）压觉传感器。检测被测物所受的力。通常用分布式压敏元件组成阵列。常用导电橡胶、感应高分子材料、光电器件和霍尔元件作为压敏元件。

（3）接近觉传感器

接近觉是接触对象前获取信息，一般用非接触的测量元件，例如，霍尔效应传感器、气压式传感器、电磁式接近开关和光学接近传感器等实现。

（4）力觉传感器

力觉传感器是机器人的指、肢和关节在运动过程中受力的传感器，可分为测力传感器、力矩表、手指传感器和六轴力觉传感器等，通常有应变式、光电式、压电式和电磁式等几类。

（5）嗅觉传感器

嗅觉传感器由交叉敏感的气敏传感器阵列组成。用于检测、分析和鉴别各种气味。常见的有金属氧化物半导体传感器、导电聚合物传感器、质量传感器和光纤气体传感器等。

（6）听觉传感器

它是与人耳相似的具有频率反应的电麦克风或光纤麦克风。此外，有声控开关等用于根据声频输出开关信号。听觉传感器可分为两类，一类是根据接收的声音进行识别，鉴别声音的内容等；另一类发送声音，并接收反射声，进行判别和处理。

5.新型传感器

（1）智能传感器

智能传感器是传感器与微处理器的结合，是兼有信息检测与信息处理功能的传感器。智能传感器必须带有微处理器，并具有采集、学习、推理、感知、处理和交换信息等能力，它是传感器集成化与微处理器相结合的产物。智能传感器具有以下三个基本特点：通过软件技术可实现高准确度的信息采集、成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。

智能传感器的主要功能如下：

● 具有自校零、自标定和自校正功能。

● 具有自动补偿功能。

● 能够自动进行检验、自选量程以及自寻故障。

● 能够自动采集数据，并对数据进行预处理。

● 具有数据存储、记忆与信息处理功能。

● 具有双向通信、标准化数字输出或者符号输出功能。

● 具有学习、推理、判断及决策处理功能。

智能传感器向微型化、集成化、智能化、柔性化和无线化的方向发展，并与MEMS传感器结合，应用的领域遍及工业和民用的各行各业。自2015年起智能传感器已取代传统传感器成为市场主流（占70%）。

智能传感器分为非集成式智能传感器、混合式智能传感器和集成化智能传感器等三类。其中，集成化智能传感器即MEMS传感器。

（2）MEMS传感器

MEMS即微机电系统（Microelectronic Mechanical Systems）。它是采用微电子和微机械加工技术制造的新型传感器。与传统传感器相比，MEMS具有体积小（最大不超过1cm）、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量生产、易于集成和实现智能化等特点。此外，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

MEMS传感器是将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等集成于一块或多块芯片上的微型器件或系统。由于是芯片制造，因此，其一致性好，功耗低，便于批量生产。MEMS传感器的分类见表2-19。

1）MEMS加速度传感器。基于牛顿经典力学定律，由悬挂系统和检测质量组成，通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测，例如，用于汽车导航系统、防盗系统及汽车安全气囊系统等。表2-20是三类加速度传感器的比较。

2）MEMS角速度传感器。微陀螺仪是角速度传感器。利用单晶体或多晶体的振动质量块在被基座带动旋转时产生的科里奥利力来感测角速度。表2-21是各应用级别微陀螺仪的性能要求。

3）MEMS惯性测量组合。将微加速度计和微陀螺组合可构成MEMS微惯性测量组合。陀螺仪可保持对加速度对准的方向进行跟踪，在惯性坐标系中分辨指示的加速度。对加速度进行两次积分可获得物体的位置信息。

目前，低准确度惯性传感器主要用于手机、GPS导航、游戏机、数码相机、音乐播放器、无线鼠标、PD、硬盘保护器、智能玩具、计步器和防盗系统等。中准确度MEMS惯性传感器主要用于汽车电子稳定系统（ESP或ESC）GPS辅助导航系统、汽车安全气囊、车辆姿态测量、精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表及工程机械等。高准确度的MEMS惯性传感器用于通信卫星、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用、飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用，以及中程导弹制导、惯性GP战场机器人等。

（3）仿生传感器

仿生传感器是采用固定化的细胞、酶或其他生物活性物质与换能器相配合组成的新型传感器。它能够模拟某些生物体的功能，发出信息，产生响应。根据仿生传感器使用的介质可分为酶传感器、微生物传感器、细胞传感器和组织传感器等。机器人是典型的仿生装置。表2-22是仿生传感器类型。

6.现代检测技术

（1）软测量技术

软测量的基本思想是基于一些过程变量与过程中其他变量之间的关联性，采用计算机技术，根据一些容易测量的过程变量（称为辅助变量），推算出一些难以测量或暂时还无法测量的过程变量（称为主导变量）。推算是根据辅助变量与主导变量之间的数学模型进行的。

软测量技术的提出是基于下列原因。

● 为了实现良好质量控制，必须对产品质量或与产品质量密切相关的过程变量进行控制，而这些质量分析仪表或传感器的价格昂贵，维护复杂，加上分析仪表滞后大，造成控制质量下降。

● 一些产品质量指标或与产品质量密切相关的过程变量目前尚无法测量。像精馏塔的产品成分、塔板效率、干点、闪点、反应转化率以及生物发酵过程的菌体浓度等。

图2-34是实际工业过程输入输出变量和软测量仪的结构。

实际工业过程的输入变量分为可测可控的控制变量u(t)、可测不可控的扰动变量d(t)和不可测不可控的扰动变量w(t)。输出变量分为待估计系统输出变量y(t)和可测的辅助输出变量z(t)。

软测量仪由软测量数学模型建立（辅助变量选择、数据采集和处理）和在线校正等部分组成。

1）辅助变量选择。软测量仪根据辅助变量与主导变量之间的数学模型进行推算，因此，辅助变量的选择是关系到软测量仪精确度的重要内容。辅助变量选择原则如下：

● 关联性。辅助变量应与主导变量有关联，最好能够直接影响主导变量。

● 特异性。辅助变量应具有特异性，用于区别其他过程变量。

● 工程适用性。应容易在工程应用中获得，能够反映生产过程的变化。

● 精确性。辅助变量本身有一定的测量精确度，同时，模型应具有足够的精确度。

● 鲁棒性。对模型误差不敏感。

为使模型方程有唯一解，辅助变量数至少应等于主导变量数，通常应与工艺技术人员一起确定。同时，应根据辅助变量与主导变量的相关分析进行取舍，不宜过多，因当某一辅助变量与主导变量关联性不强时，反而会影响模型精确度。

2）数据采集和处理。需要采集的数据是软测量仪主导变量对应时间的辅助变量数据。要求采集数据的覆盖面要宽，以便使软测量技术建立的模型有更宽的适用范围。采集的过程数据应具代表性。

离线数据处理的内容包括对数据的归一化处理、不良数据的剔除等。数据的归一化处理包括对数据的标度换算、数据转换和设置权函数。不良数据的剔除包括分析采集数据、数据的检验和不良数据的剔除。

● 建立软测量数学模型。建立软测量数学模型的方法与建立过程数学模型的方法类似。

● 数学模型在线校正。对模型进行校正的主要原因是：由于模型是根据一定操作条件下的数据建立的，操作条件变化会造成模型的误差；在建立模型时，一些过程变量没有发生变化，因此，未考虑在模型中，但在应用过程中这些变量发生变化，引起模型结构或参数的变化；过程本身的时变性，例如，催化剂的老化使模型参数变化。模型校正的目的是提高软测量模型的泛化能力，使所建立的软测量模型能够适应不同应用条件变化、操作工况等操作环境的变化。

在线校正方法有短期校正和长期校正两种。短期校正是以某时刻软测量模型的输出与实际输出之差进行校正的。可以修正模型的常数项，修正模型中的权函数或偏置函数值。长期校正是将一段时间内的过程数据采集后重新离线建模，也可定期根据采集的过程数据自动进行在线修正。

（2）图像检测和成像

随着计算机技术、数字技术、激光技术、精密计量光栅制造技术和光电技术的发展，利用图像处理技术实现测量的方法得到发展。与传统测量方式不同，基于图像处理技术的测量方式将图像作为检测和传递信息的手段或载体，从图像中提取有用信息实现特征几何量的测量与评定。例如，人脸识别、指纹识别等。

图像检测技术是以现代光学为基础，融光电子学、计算机图形学、信息处理及计算机视觉等现代科学技术为一体的综合测量技术。图像检测技术把图像作为信息传递的载体，依据视觉的原理和数字图像处理技术对物体的成像图像进行分析研究，得到需要测量的信息，目前已经成功应用于几乎所有领域。

图像检测和成像主要研究图像编码与压缩、图像预处理、图像增强、图像变换、图像恢复以及图像分割与分析等。

图像检测方法分为单帧图像检测和多帧图像检测。单帧图像检测是利用图像的灰度信息对目标进行分割，包括基于灰度阈值的目标检测方法和基于边缘信息的目标检测方法。多帧图像检测通过序列图像的变化特征实现对目标的提取，主要用于运动目标的检测，包括基于像素分析的方法、特征检测的方法和基于变换的方法等。图像检测技术的特点如下：

● 无接触、无损伤。该检测方法与被检测对象无接触，不会对被检测对象和检测人员造成损伤。因此，十分安全和可靠，是其他检测方法无法比拟的。

● 测量准确度高。利用各种图像目标模式定位方法，特别是亚像素定位技术，可以明显地提高图像目标的定位准确度。测量准确度已进入纳米级；测量的量级已从点向面过渡。

● 可测量传统方法不易测量的物理量。例如，与待测相位有关的干涉条纹的亮度变化量、异形区域的面积、连续变化的亮度场、色彩场及条纹方位场等都可以利用图像测量技术来实现。此外，通过采集图像的检测方法也可用于某些恶劣环境下短期观察应用和长时间的跟踪观察应用。

● 成像系统的高准确度标定和修正。用数字图像处理技术可实现对摄像系统高准确度的标定和误差修正。

● 处理算法的自动化程度高，减少了图像处理的工作量和时间，提高了效率。

图2-35是图像检测和成像系统的结构框图。

图像检测和成像系统由硬件和软件两部分组成。硬件系统包括传感器、图像采集卡（视频采集器）和计算机，软件系统主要包括控制图像卡、采集图像和处理计算图像三大部分。

采用的图像检测技术主要有以下几种。

1）基于灰度阈值的目标检测

根据目标灰度与背景灰度的不同，通过选取合适的阈值将图像二值化，使得目标从背景中分离出来。阈值的选取是目标检测的关键，也是目标检测的难点。

● 单阈值目标检测。最常用方法有直方图分析法、迭代分割法、最大类间方差法、最大熵分割法和贝叶斯分割法。

● 多阈值目标检测。将图像分为多个具有不同区域特征的分块，在这些分块中分别采用不同的阈值对图像进行分割。与单阈值分割比较，它能兼顾图像各处的情况，在有突发噪声、照度不均或各处对比度不同时能有效对图像进行分割，在目标和背景的灰度有梯度变化时效果最为明显。

2）基于边缘信息的目标检测

图像的边缘往往包含图像中最重要的信息，例如，边缘附近灰度值会发生剧烈变化。基于边缘信息的目标检测就是根据这一特征对目标的边缘进行检测，进而实现目标的定位。

最通用的基于边缘信息的目标检测方法是检测亮度的不连续性，这种不连续主要通过求一阶导数和二阶导数得到检测，若找到亮度的一阶导数在幅值上比指定的阈值大或二阶导数有零交叉的位置，可将其识别为边缘。基于边缘信息的目标检测方法包括梯度算子检测、最优算子检测、多尺度信号处理方法、自适应平滑滤波法以及利用其他数学工具的边缘检测方法。

图像成像方法有CCD（电荷耦合器件）成像、红外成像、激光成像、声呐成像以及X射线成像等。

（3）数据融合技术

近年发展起来的数据融合技术是充分利用不同时间与空间的多传感器数据资源，采用计算机技术按时间序列获得多传感器观测数据，在一定准则下进行自动分析、综合、支配和使用这些数据，获得对被测对象的一致性解释和描述，并实现相应决策和估计的技术。

随着系统的复杂性日益提高，依靠单个传感器对物理量进行监测不能满足应用要求。因此，在故障诊断系统中可使用多传感器技术，对多种特征量进行监测（如振动、位置、电流、电压、速度、温度、压力和流量等），并对这些传感器的信息进行融合，以提高故障定位的准确性和可靠性。

复杂工业过程控制也是数据融合应用的一个重要领域。通过时间序列分析、频率分析及小波分析，从传感器获取的信号中提取特征数据，同时，将这些特征数据输入神经网络模式识别器进行特征级数据融合，识别出系统的特征数据，再输入模糊专家系统进行决策级融合。专家系统推理时，从知识库和数据库中取出领域规则和参数，与特征数据进行匹配（融合）。最后，决策出被测系统的运行状态、设备工作状况和故障等。

根据数据处理的层次，数据融合可分为检测级融合、位置级融合、目标识别级融合、态势估计与威胁估计等五层。根据信息抽象层次，数据融合可分为像素级数据融合、特征级数据融合和决策级数据融合等。

多传感器数据融合的算法如图2-36所示。图中的D-S推理是Dempster-Shafer提出的根据高低概率区间度量理论发展而来的不确定性推理。