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1、第5章 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì),5.1 概述 5.2 線位移檢測傳感器 5.3 角位移檢測傳感器 5.4 速度、加速度傳感器 5.5 測力傳感器 5.6 傳感器的正確選擇和使用 5.7 檢測信號(hào)的采集與處理,5.1 概述,一、定義及分類： 1、定義：傳感器是將力、溫度、位移、速度等量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的元件?！皞鞲衅骷夹g(shù)是機(jī)電一體化的第一基礎(chǔ)” 2、分類 按能量變換的功能分： 按輸出的信號(hào)分：,物理傳感器,化學(xué)傳感器,,計(jì)數(shù)型（二次型+計(jì)數(shù)型）,電壓，電流型（熱電偶,Cds電池） 電感，電容型（可變電容）,有接點(diǎn)型(微動(dòng)開關(guān)，接觸開關(guān)， 行程開關(guān)),傳感器,電阻型（電位器，電阻應(yīng)變片）,非電量
2、型,二值型,電量,無接點(diǎn)型(光電開關(guān)，接近開關(guān)),模擬型,數(shù)字型,,,,,代碼型（旋轉(zhuǎn)編碼器，磁尺）,,二、傳感器的基本特性,1. 傳感器的靜特性 傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。 (1).線性度 傳感器的線性度是指傳感器實(shí)際輸出輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即,,,二、傳感器的基本特性,,(2).靈敏度 傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出量的變化量與輸入量的變化量之比，即 (3).遲滯 傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨?，輸出輸入
3、特性曲線不重合的程度稱為遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,,,二、傳感器的基本特性,,(4).重復(fù)性 傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全 量程連續(xù)多次重復(fù)測量時(shí)，所得輸出輸入曲線的 不一致程度，稱重復(fù)性。重復(fù)性誤差用滿量程輸出的 百分?jǐn)?shù)表示，即 近似計(jì)算,,精確計(jì)算,,二、傳感器的基本特性,,5.分辨力 傳感器能檢測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。 6.零漂 傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。,2. 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 傳感器能測量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。動(dòng)態(tài)特性是指傳感器測量動(dòng)態(tài)信號(hào)
4、時(shí)，輸出對輸入的響應(yīng)特性。傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過時(shí)域、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。,二、傳感器的基本特性,,1. 新型傳感器的開發(fā) 鑒于傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、采用新原理、開發(fā)新材料、采用新工藝，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。總之，傳感器正經(jīng)歷著從以結(jié)構(gòu)型為主轉(zhuǎn)向以物性型為主的過程。,三、傳感器的發(fā)展方向,,2. 傳感器的集成化和多功能化 隨著微電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)和集成化工藝等方面的發(fā)展，出現(xiàn)
5、了多種集成化傳感器。這類傳感器，或是同一功能的多個(gè)敏感元件排列成線性、面型的陣列型傳感器；或是多種不同功能的敏感元件集成一體，成為可同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)測量的傳感器；或是傳感器與放大、運(yùn)算、溫度補(bǔ)償?shù)入娐芳梢惑w具有多種功能實(shí)現(xiàn)了橫向和縱向的多功能。,三、傳感器的發(fā)展方向,,3. 傳感器的智能化 “電五官”與“電腦”的相結(jié)合，就是傳感器的智能化。智能化傳感器不僅具有信號(hào)檢測、轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)還具有記憶、存儲(chǔ)、解析、統(tǒng)計(jì)處理及自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)等功能。如進(jìn)一步將傳感器與計(jì)算機(jī)的這些功能集成于同一芯片上，就成為智能傳感器。,三、傳感器的發(fā)展方向,,5.2 線位移檢測傳感器,一、光柵位移傳感器 二、
6、感應(yīng)同步器 三、磁柵位移傳感器,一、光柵位移傳感器,,1、光柵的構(gòu)造：,2、工作原理,一、光柵位移傳感器,,把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖所示。,莫爾條紋具有如下特點(diǎn)： 1.莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例。光柵每移動(dòng)過一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移動(dòng)過一個(gè)條紋間距B 2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為 3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。,一、光柵位移傳感器,,,通過光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電
7、信號(hào)，如圖所示。,一、光柵位移傳感器,,,其電壓為：,將此電壓信號(hào)放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，再經(jīng)辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，則可用數(shù)字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測量分辨率等于柵距。,一、光柵位移傳感器,,1.感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu),二、感應(yīng)同步器,,sin,cos,,,節(jié)距2（2mm）,,,,,節(jié)距（0.5mm）,滑尺,定尺,,,,,包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節(jié)距T(一般為2mm)的方齒形線圈。定尺繞組是連續(xù)的，滑尺上分布著兩個(gè)勵(lì)磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組相位相同時(shí)，余弦繞組與定尺繞組錯(cuò)開1/4節(jié)距。滑尺
8、和定尺相對平行安裝，其間保持一定間隙（0.050.2mm）。,二、感應(yīng)同步器,,2.感應(yīng)同步器的工作原理 在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為210kHz）的交變電流時(shí)，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電動(dòng)勢。感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與滑尺和定尺的相對位置有關(guān)。 設(shè)正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓為Uc，移動(dòng)距離為x，節(jié)距為T，則正弦繞組單獨(dú)供電時(shí)，在定尺上感應(yīng)電勢為,二、感應(yīng)同步器,,,余弦繞組單獨(dú)供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為,二、感應(yīng)同步器,,,由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，可進(jìn)行線性疊加，所以定尺上總的感應(yīng)電勢為,,式中 ： K定尺與滑尺之間的耦合系數(shù)； 定尺與滑尺相對位移的角度表示量（電
9、角度） T節(jié)距，表示直線感應(yīng)同步器的周期，標(biāo)準(zhǔn)式直線感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm。 利用感應(yīng)電壓的變化可以求得位移X，從而進(jìn)行位置檢測。,二、感應(yīng)同步器,,,3. 測量方法 根據(jù)對滑尺繞組供電方式的不同，以及對輸出電壓檢測方式的不同，感應(yīng)同步器的測量方式有鑒相式和鑒幅式兩種工作法。,二、感應(yīng)同步器,,(1)鑒相式工作法 滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個(gè)電壓，設(shè),二、感應(yīng)同步器,,,,,,則,從上式可以看出，只要測得相角，就可以知道滑尺的相對位移x：,二、感應(yīng)同步器,,2.鑒幅工作法 在滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個(gè)交流電壓
10、：,,,,則：,由上式知，感應(yīng)電勢的幅值隨著滑尺的移動(dòng)作正弦變化。因此，可以通過測量感應(yīng)電動(dòng)勢的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對位移。,1.磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu),三、磁柵位移傳感器,,1磁性膜 2基體 3磁尺 4磁頭 5鐵芯 6勵(lì)磁繞組 7拾磁繞組,2.原理： 在用軟磁材料制成的鐵芯上繞有兩個(gè)繞組，一個(gè)為勵(lì)磁繞組，另一個(gè)為拾磁繞組，將高頻勵(lì)磁電流通入勵(lì)磁繞組時(shí)，當(dāng)磁頭靠近磁尺時(shí)在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為：,三、磁柵位移傳感器,,,,U0輸出電壓系數(shù)； 磁尺上磁化信號(hào)的節(jié)距； 磁頭相對磁尺的位移； 勵(lì)磁電壓的角頻率。,式中：,在實(shí)際應(yīng)用中，需要采用雙磁頭結(jié)構(gòu)來辨別移動(dòng)的方向,3.測量方
11、式 (1)鑒幅測量方式 如前所述，磁頭有兩組信號(hào)輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為/2的兩組信號(hào) 兩組磁頭相對于磁尺每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距發(fā)出一個(gè)正（余）弦信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后可進(jìn)行位置檢測。這種方法的檢測線路比較簡單，但分辨率受到錄磁節(jié)距的限制，若要提高分辨率就必須采用較復(fù)雜的信頻電路，所以不常采用。,三、磁柵位移傳感器,,,2.鑒相測量方式 將一組磁頭的勵(lì)磁信號(hào)移相90，則得到輸出電壓為 在求和電路中相加，則得到磁頭總輸出電壓為,三、磁柵位移傳感器,,,則合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對位置變化而變。讀出輸出信號(hào)的相位，就可確定磁頭的位置。,5.3 角位移檢測傳感器,一、旋轉(zhuǎn)
12、變壓器 二、光電編碼器,1. 結(jié)構(gòu)如圖所示 旋轉(zhuǎn)變壓器一般做 成兩極電機(jī)的形式。 在定子上有激磁繞組 和輔助繞組，它們的 軸線相互成90。在 轉(zhuǎn)子上有兩個(gè)輸出繞組 正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個(gè)繞組的軸線也互成90，一般將其中一個(gè)繞組（如Z1、Z2）短接。,一、旋轉(zhuǎn)變壓器,,2. 原理 旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)以一定頻率（頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等幾種）的激磁電壓加于定子繞組時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系。前一種旋轉(zhuǎn)變壓器稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于大角
13、位移的絕對測量；后一種稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于小角位移的相對測量。,一、旋轉(zhuǎn)變壓器,,3. 測量方式 當(dāng)定子繞組中分別通以幅值和頻率相同、相位相差為90的交變激磁電壓時(shí)，便可在轉(zhuǎn)子繞組中得到感應(yīng)電勢U3，根據(jù)線性疊加原理，U3值為激磁電壓U1和U2的感應(yīng)電勢之和，即,一、旋轉(zhuǎn)變壓器,,,,式中: k =w1/w2旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比 w1、w2轉(zhuǎn)子、定子繞組的匝數(shù),線性旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)際上也是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，不同的是線性旋轉(zhuǎn)變壓器采用了特定的變壓比k和接線方式，如右圖。這樣使得在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)（一般為60），其輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。此時(shí)輸出電壓為,一、旋轉(zhuǎn)變壓器,,,1.增量式 編
14、碼器結(jié)構(gòu),二、光電編碼器,,2.增量式編碼器工作原理 鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢測窄縫，它們彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距，以使A、B兩個(gè)光電變換器的輸出信號(hào)在相位上相差90。工作時(shí)，鑒向盤靜止不動(dòng)，主碼盤與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當(dāng)主碼盤上的不透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時(shí)，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為最小；當(dāng)主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時(shí)，光線全部通過，光電變換器輸出電壓為最大。主碼盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)刻線周期，光電變換器將輸出一個(gè)近似的正弦波電壓，且光電變換器A、B的輸出電壓相位差為90。經(jīng)邏輯電路處理就可以測出被測軸的相對轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)
15、方向。,二、光電編碼器,,3.絕對式編碼器原理 絕對式編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。 光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進(jìn)制編碼。如圖所示為四位二進(jìn)制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道，在同一個(gè)碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼,二、光電編碼器,,黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”。在一個(gè)四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，每一個(gè)碼道表示二進(jìn)制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個(gè)。,二、光電編碼器,,工作時(shí)，碼
16、盤的一側(cè)放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個(gè)碼道都對應(yīng)有一個(gè)光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號(hào)，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號(hào)。,二、光電編碼器,,4.絕對式編碼器非單值性誤差的消除 (1).循環(huán)碼盤 (或稱格雷碼盤) 右圖所示為四位二 進(jìn)制循環(huán)碼。這種 編碼的特點(diǎn)是任意 相鄰的兩個(gè)代碼間 只有一位代碼有變 化，即“0”變?yōu)椤?” 或“1”變?yōu)椤?”。因 此，在兩數(shù)變換過 程中，所產(chǎn)生的讀 數(shù)誤差最多不超過 “1”，只可能讀成 相鄰兩個(gè)數(shù)中的一個(gè)數(shù)。,二、光電編碼器,,(2).帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤 該碼盤最外圈上的信號(hào)位的位置正好與
17、狀態(tài)交線錯(cuò)開，只有當(dāng)信號(hào)位處的光電元件有信號(hào)時(shí)才讀數(shù)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生非單值性誤差。,二、光電編碼器,,5.4 速度、加速度傳感器,一、直流測速發(fā)電機(jī) 二、光電式速度傳感器 三、差動(dòng)變壓器式速度傳感器 四、加速度傳感器,測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。圖217所示為永磁式測速發(fā)電機(jī)原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成正比的直流電勢。,一、直流測速發(fā)電機(jī),,直流測速發(fā)電機(jī)在機(jī)電控制系統(tǒng)中，主要用作測速和校正元件。在使用中，為了提高檢測靈敏度，盡可能把它直接連接到電機(jī)軸上。有的電機(jī)本身就已安裝了測速發(fā)電機(jī)。,光電脈沖測速原理如
18、下圖所示。物體以速度V通過光電池的遮擋板時(shí)，光電池輸出階躍電壓信號(hào)，經(jīng)微分電路形成兩個(gè)脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時(shí)間間隔t，則可測得速度為,二、光電式速度傳感器,,,光電式轉(zhuǎn)速傳感器是由裝在被測軸（或與被測軸相連接的輸入軸）上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓盤組成，如下圖所示。光源發(fā)出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上，當(dāng)縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測量時(shí)間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，則可測得轉(zhuǎn)速為,二、光電式速度傳感器,,差動(dòng)變壓器式除了可測量位移外，還可測量速度。其工作原理如下圖所示。差動(dòng)變壓器式的原邊線圈同時(shí)供以直流和交流電流，即,
19、三、差動(dòng)變壓器式速度傳感器,,,當(dāng)差動(dòng)變壓器以被測速度V=dx/dt移動(dòng)時(shí)，在其副邊兩個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，將它們的差值通過低通濾波器濾除勵(lì)磁高頻角頻率后，則可得到與速度v（m/s）相對應(yīng)的電壓輸出，即 差動(dòng)變壓器漂移小，其主要性能為：測量范圍102000mm/s（可調(diào)），輸出電壓10V（max），輸出電流10mA（max），頻帶寬度500Hz。,三、差動(dòng)變壓器式速度傳感器,,,作為加速度檢測元件的加速度傳感器有多種形式，它們的工作原理大多是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電量，來間接度量被測加速度。最常用的有應(yīng)變片式和壓電式等。,四、加速度傳感器,,電
20、阻應(yīng)變式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。它由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速度時(shí)，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形便可測出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計(jì)算出被測加速度。殼體內(nèi)灌滿的粘性液體作為阻尼之用。這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低。,,四、加速度傳感器,壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。使用時(shí)，傳感器固定在被測物體上，感受該物體的振動(dòng)，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)生,四、加速度傳感器,,的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。 壓電加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對被測機(jī)構(gòu)的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣、動(dòng)態(tài)范圍寬、靈敏度
21、高、應(yīng)用較為廣泛。,下圖為一種空氣阻尼的電容式加速度傳感器。該傳感器采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)固定電極，兩極板之間有一用彈簧支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩端經(jīng)過磨平拋光后作為可動(dòng)極板。當(dāng)傳感器測量垂直方向的振動(dòng)時(shí)，由于質(zhì)量塊的慣性作用，使兩固定極相對質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，使電容C1、C2中一個(gè)增大，另一個(gè)減小，它們的差值正比于被測加速度。這種加速度傳感器的精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，可以測得很高的加速度值。,四、加速度傳感器,,（一）柱式彈性元件 柱式彈性元件有圓柱形、圓筒形等幾種。如下圖所示。這種彈性元件結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大，主要用于中等載荷和大載荷（可達(dá)數(shù)兆牛頓）的拉(壓)力傳感器。,5.5 測力傳感器
22、,,2. 懸臂梁式彈性元 其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、應(yīng)變片粘貼容易、靈敏度較高。主要用于小載荷、高精度的拉、壓力傳感器中?？蓽y量0.01牛頓到幾千牛頓的拉、壓力。在同,5.5 測力傳感器,,一截面正反兩面粘貼應(yīng)變片，并應(yīng)在該截面中性軸的對稱表面上。若梁的自由端有一被測力P，則應(yīng)變與P力的關(guān)系為：,件,,5.6 傳感器的正確選擇和使用,一、傳感器的選擇 二、傳感器的正確使用,1.測試要求和條件。測量目的、被測物理量選擇、測量范圍、輸入信號(hào)最大值和頻帶寬度、測量精度要求、測量所需時(shí)間要求等。 2.傳感器特性。精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量性質(zhì)、對被測物體產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護(hù)等。
23、 3.使用條件。安裝條件、工作場地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動(dòng)等）、測量時(shí)間、所需功率容量、與其它設(shè)備的連接、備件與維修服務(wù)等。,一、傳感器的選擇,,1.線性化處理與補(bǔ)償 在機(jī)電一體化測控系統(tǒng)中，特別是需對被測參量進(jìn)行顯示時(shí)，總是希望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關(guān)系，使測量對象在整個(gè)刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。 2.傳感器的標(biāo)定 傳感器的標(biāo)定，就是利用精度高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)量具對傳感器進(jìn)行定度的過程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系，同時(shí)也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器使用前要進(jìn)行標(biāo)定，使用一段時(shí)間后還要定期進(jìn)行校正，檢查精度性能是否滿足原設(shè)計(jì)指
24、標(biāo)。,二、傳感器的正確使用,,3.抗干擾措施 傳感器大多要在現(xiàn)場工作，而現(xiàn)場的條件往往是不可預(yù)料的，有時(shí)是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測系統(tǒng)中，抗干擾是非常重要的，尤其是在微弱輸入信號(hào)的系統(tǒng)中。常采用的抗干擾措施有屏蔽、接地、隔離和濾波等。,二、傳感器的正確使用,,（1）屏蔽 屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起來，以隔離內(nèi)外電磁或電場的相互干擾。屏蔽可分為三種，即電場屏蔽、磁場屏蔽及電磁屏蔽。 （2）接地 電路或傳感器中的地指的是一個(gè)等電位點(diǎn)，它是電路或傳感器的基準(zhǔn)電位點(diǎn)，與基準(zhǔn)電位點(diǎn)相連接，就是接地。,二、傳感器的正確使用,
25、,（3）隔離 當(dāng)電路信號(hào)在兩端接地時(shí)，容易形成地環(huán)路電流，引起噪聲干擾。這時(shí)，常采用隔離的方法，把電路的兩端從電路上隔開。隔離的方法主要采用變壓器隔離和光電耦合器隔離。 （4）濾波 雖然采取了上述的一些抗干擾措施，但仍會(huì)有一些噪聲信號(hào)混雜在檢測信號(hào)中，因此檢測電路中還常設(shè)置濾波電路，對由外界干擾引入的噪聲信號(hào)加以濾除。,二、傳感器的正確使用,,5.7 檢測信號(hào)的采集與處理,一、檢測系統(tǒng)的組成 二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入 三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,1. 模擬信號(hào)檢測系統(tǒng) 振蕩器用于對傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并為解調(diào)提供參考信號(hào)； 量程變換電路的作用是避免放大器飽和并滿足不同測量范圍的需要； 解調(diào)器用
26、于將已調(diào)制信號(hào)恢復(fù)成原有形式；,一、檢測系統(tǒng)的組成,,濾波器可將無用的干擾信號(hào)濾除，并取出代表被測物理量的有效信號(hào)； 運(yùn)算電路可對信號(hào)進(jìn)行各種處理，以正確獲得所需的物理量，其功能也可在對信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，由數(shù)字計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)； 計(jì)算機(jī)對信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理后，可獲得相應(yīng)的信號(hào)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而在不需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的檢測系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)則將有關(guān)信息送去顯示或打印輸出。,一、檢測系統(tǒng)的組成,,2. 數(shù)字信號(hào)檢測系統(tǒng) 數(shù)字信號(hào)檢測系統(tǒng)有絕對碼數(shù)字式和增量碼數(shù)字式。當(dāng)傳感器輸出的編碼與被測量一一對應(yīng)，稱為絕對碼。絕對碼檢測系統(tǒng)如右圖所示 ，每一,一、檢測系統(tǒng)的組成,,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和放大整形后，得到與被測
27、量相對應(yīng)的編碼。糾錯(cuò)電路糾正由于各個(gè)碼道刻劃誤差而可能造成的粗大誤差。采用循環(huán)碼（格雷碼）傳感器時(shí)則先轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼，再譯碼輸出。,碼道的狀態(tài)由相應(yīng)光電元件讀出，,當(dāng)傳感器輸出增量碼信號(hào)，即信號(hào)變化的周期數(shù)與被測量成正比，其增量碼數(shù)字信號(hào)檢測系統(tǒng)的典型組成如右圖所示。,一、檢測系統(tǒng)的組成,,傳感器的輸出多數(shù)為正弦波信號(hào)，需先經(jīng)放大、整形后變成數(shù)字脈沖信號(hào)。但在多數(shù)情況下，為提高分辨率，常采用細(xì)分電路使傳感器信號(hào)每變化1/n個(gè)周期計(jì)一個(gè)數(shù)，其中n稱為細(xì)分?jǐn)?shù)。辨向電路用于辨別被測量的變化方向。當(dāng)脈沖信號(hào)所對應(yīng)的被測量不便讀出和處理時(shí)，需進(jìn)行脈沖當(dāng)量變換。計(jì)算機(jī)可對信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算處理，并將結(jié)果直
28、接送去顯示或打印輸出，或求取控制量去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。,1.模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式(4種),二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入,,2. 多路模擬開關(guān) 多路模擬開關(guān)又稱為多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，簡稱多路開關(guān)，其作用是分別或依次把各路檢測信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換器接通，以節(jié)省A/D轉(zhuǎn)換器件。,二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入,,右圖表示一個(gè)8通道的模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖，它由模擬開關(guān)S0S7及開關(guān)控制與驅(qū)動(dòng)電路組成。8個(gè)模擬開關(guān)的接通與斷開，通過用二進(jìn)制代碼尋址來指定，從而選擇特定的通道。,,上圖是AD7501型多路模擬開關(guān)集成芯片的管腳功能圖，這是具有8路輸入通道、1路公共輸出的多路開關(guān)CMOS集成芯片。由三個(gè)地址線（A0、A1、A2）的狀態(tài)及EN端
29、來選擇8個(gè)通道之中的一路，片上所有的邏輯輸入端與TTL/DTL及CMOS電路兼容。其真值表如下:,,二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入,,3. 信號(hào)采集與保持 所謂采集，就是把時(shí)間連續(xù)的信號(hào)變成一串不連續(xù)的脈沖時(shí)間序列的過程。信號(hào)采樣是通過采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。采樣開關(guān)又稱采樣器，實(shí)質(zhì)上它是一個(gè)模擬開關(guān)，每隔時(shí)間間隔T閉合一次，每次閉合持續(xù)時(shí)間，其中，T稱為采樣周期，其倒數(shù)fs=1/T稱為采樣頻率，稱為采樣時(shí)間或采樣寬度，采樣后的脈沖序列稱為采樣信號(hào)。采樣信號(hào)是一個(gè)離散的模擬信號(hào)，它在時(shí)間軸上是離散的，但在函數(shù)軸上仍是連續(xù)的，因而還需要用A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。,二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入,,A/D轉(zhuǎn)換過程需要
30、一定時(shí)間，為防止產(chǎn)生誤差，要求在此期間內(nèi)保持采樣信號(hào)不變。實(shí)現(xiàn)這一功能的電路稱采樣/保持電路。,二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入,,典型的采樣/保持電路由模擬開關(guān)、保持電容和運(yùn)算放大器組成，如右圖所示。,運(yùn)算放大器N1和N2接成跟隨器，作緩沖器用。當(dāng)控制信號(hào)Uc為高電平時(shí)場效應(yīng)管VF導(dǎo)通，對輸入信號(hào)采樣。輸入信號(hào)ui通過N1和VF向電容C充電，并通過N2輸出uo。由于N1的輸出阻抗很小，N2的輸出阻抗很大，因而在VF導(dǎo)通期間uo = ui。當(dāng)Uc為低電平時(shí)，VF截止，電容C將采樣器間的信號(hào)電平保持下來，并經(jīng)N2緩沖后輸出。,二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入,,傳感器的輸出信號(hào)被采入計(jì)算機(jī)后往往要先進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，其
31、目的是去除混雜在有用信號(hào)中的各種干擾，并對檢測系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進(jìn)行補(bǔ)償和修正。數(shù)字信號(hào)預(yù)處理一般用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)。 1. 數(shù)字濾波 數(shù)字濾波實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波，與模擬濾波相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：不需要額外的硬件設(shè)備，不存在阻抗匹配問題，可以使多個(gè)輸入通道共用一套數(shù)字濾波程序，從而降低了儀器的硬件成本?？梢詫︻l率很低或很高的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波。可以根據(jù)信號(hào)的不同而采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，靈活、方便、功能強(qiáng)。,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,(1).中值濾波 中值濾波方法對緩慢變化的信號(hào)中由于偶然因素引起的脈沖干擾具有良好的濾除效果。其原理是，對信號(hào)連續(xù)進(jìn)行n次采樣，然后對采樣值排序，
32、并取序列中位值作為采樣有效值。程序算法就是通用的排序算法。采樣次數(shù)n一般取為大于3的奇數(shù)。 (2).算術(shù)平均濾波 算術(shù)平均濾波方法的原理是，對信號(hào)連續(xù)進(jìn)行n次采樣，以其算術(shù)平均值作為有效采樣值。該方法對壓力、流量等具有周期脈動(dòng)特點(diǎn)的信號(hào)具有良好的濾波效果。采樣次數(shù)n越大，濾波效果越好，但靈敏度也越低，為便于運(yùn)算處理，常取n = 4、8、16。,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,(3).滑動(dòng)平均濾波 該方法采用循環(huán)隊(duì)列作為采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，隊(duì)列長度固定為n，每進(jìn)行一次新的采樣，把采樣數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，扔掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)。這樣，在隊(duì)列中始終有n個(gè)最新的數(shù)據(jù)。對這n個(gè)最新數(shù)據(jù)求取平均值，作為此次采樣的有效值
33、。這種方法每采樣一次，便可得到一個(gè)有效采樣值，因而速度快，實(shí)時(shí)性好，對周期性干擾具有良好的抑制作用,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,(4).低通濾波 當(dāng)被測信號(hào)緩慢變化時(shí)，可采用數(shù)字低通濾波的方法去除干擾。數(shù)字低通濾波器是用軟件算法來模擬硬件低通濾波的功能。 一階RC低通濾波器的微分方程為,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,,式中: = RC是電路的時(shí)間常數(shù)。用X替代ui，Y替代uo，將微分方程轉(zhuǎn)換成差分方程，并整理得: 式中 采樣周期；X（n）本次采樣值；Y（n）和Y（n1）本次和上次的濾波器輸出值。取 ，則式（247）可改寫成,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,,,由上式可見濾波器的本次輸出值主要取決于其上次
34、輸出值，本次采樣值對濾波器輸出僅有較小的修正作用，因此該濾波器算法相當(dāng)于一個(gè)具有較大慣性的一階慣性環(huán)節(jié)，模擬了低通濾波器的功能，其截止頻率為 數(shù)字低通濾波程序流程圖如下:,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,2. 靜態(tài)誤差補(bǔ)償 (1). 非線性補(bǔ)償 下圖為傳感器的非線性校正系統(tǒng)。當(dāng)傳感器及其調(diào)理電路至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入輸出有非線性，如下圖所示，可按下圖所示的反非線性特性進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)行非線性的校正，使輸出y與輸入x呈理想直線關(guān)系，如下圖所示。,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,軟件校正非線性的方法很多，概括起來有計(jì)算法、查表法、插值法和擬合法等，下面介紹曲線擬合法。 這種方法是采用n次
35、多項(xiàng)式來逼近非線性曲線。該多項(xiàng)式方程的各個(gè)系數(shù)由最小二乘法確定。其具體步驟如下： a. 對傳感器及其調(diào)理電路進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，得校準(zhǔn)曲線。標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)據(jù)為 輸入 xi：x1，x2，x3，，xN 輸出 ui：u1，u2，u3，，uN N為標(biāo)定點(diǎn)個(gè)數(shù)， i=1，2，，N,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,b. 設(shè)反非線性特性擬合方程為 式中：a0，a1，a2，a3，，an為待定常數(shù) c. 求解待定常數(shù)a0，a1，a2，a3，，an。根據(jù)最小二乘法來確定待定常數(shù)的基本思想是，由上式確定的各個(gè)xi（ui）值與各個(gè)點(diǎn)的標(biāo)定值xi之均方差應(yīng)最小，即：,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,所以對該函數(shù)求導(dǎo)并令它為0，即令 從這n
36、+1個(gè)方程中可解出， a0，a1， an 等n+1個(gè)系數(shù)，就可寫出反非線性特性擬合方程式。有了反非線性特性曲線的n次多項(xiàng)式近似表達(dá)式，就可利用該表達(dá)式編寫非線性校正程序。,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,,,,(2).零位誤差補(bǔ)償 檢測系統(tǒng)的零位誤差是由溫度漂移和時(shí)間漂移引起的。采用軟件對零位誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ址Q數(shù)字調(diào)零，其原理如下圖所示。,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,多路模擬開關(guān)可在微型機(jī)控制下將任一路被測信號(hào)接通，并經(jīng)測量及放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器后，將信號(hào)采入微型機(jī)。在測量時(shí)，先將多路開關(guān)接通某一被測信號(hào)，然后將其切換到零信號(hào)輸入端，由微型機(jī)先后對被測量和零信號(hào)進(jìn)行采樣，設(shè)采樣值分別為x和a0，其中a0即為零位誤差，由微型機(jī)執(zhí)行下列運(yùn)算：y = xa0，就可得到經(jīng)過零位誤差補(bǔ)償后的采樣值y。,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,(3). 增益誤差補(bǔ)償 增益誤差同樣是由溫度漂移和時(shí)間漂移等引起的。增益誤差補(bǔ)償又稱校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，在微型機(jī)控制下先把多路開關(guān)接地如圖所示，得到采樣值a0，然后把多路開關(guān)接基準(zhǔn)輸入U(xiǎn)R，得到采樣值xR，并寄存a0和xR。在正式測量時(shí)，如測得對應(yīng)輸入信號(hào)Ui的采樣值為xi，則輸入信號(hào)可按下式計(jì)算： 采用上述校準(zhǔn)方法可使測得的輸入信號(hào)Ui與檢測系統(tǒng)的漂移和增益變化無關(guān)，因而實(shí)現(xiàn)了增益誤差的補(bǔ)償。,三、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理,,
《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》第5章檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì).ppt
