《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》第5章 檢測系統(tǒng)設(shè)計【稻香書屋】

1、第5章 檢測系統(tǒng)設(shè)計,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 檢測信號的采集與處理,1,學習幻燈,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)換成電信號的元件?！皞鞲衅骷夹g(shù)是機電一體化的第一基礎(chǔ)” 2、分類 按能量變換的功能分： 按輸出的信號分,物理傳感器,化學傳感器,2,學習幻燈,計數(shù)型（二次型+計數(shù)型,電壓，電流型（熱電偶,Cds電池） 電感，電容型（可變電容,有接點型(微動開關(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,3,學習幻燈,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,4,學習幻燈,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)定標準條件下，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?，輸出輸入特

3、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數(shù)表示,5,學習幻燈,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，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 百分數(shù)表示，即 近似計算,精確計算,6,學習幻燈,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,7,學習幻燈,2. 傳感器的動態(tài)特性 傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示。動態(tài)特性是指傳

4、感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應(yīng)特性。傳感器動態(tài)特性的性能指標可以通過時域、頻域以及試驗分析的方法確定，其動態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等,二、傳感器的基本特性,8,學習幻燈,1. 新型傳感器的開發(fā) 鑒于傳感器的工作機理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進一步發(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?？傊?，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,9,學習幻燈,2. 傳感器的集成化和多功能化 隨著微電子學、微細加工技

5、術(shù)和集成化工藝等方面的發(fā)展，出現(xiàn)了多種集成化傳感器。這類傳感器，或是同一功能的多個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，成為可同時進行多種參數(shù)測量的傳感器；或是傳感器與放大、運算、溫度補償?shù)入娐芳梢惑w具有多種功能實現(xiàn)了橫向和縱向的多功能,三、傳感器的發(fā)展方向,10,學習幻燈,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檢測、轉(zhuǎn)換功能，同時還具有記憶、存儲、解析、統(tǒng)計處理及自診斷、自校準、自適應(yīng)等功能。如進一步將傳感器與計算機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,11,學習幻

6、燈,5.2 線位移檢測傳感器,一、光柵位移傳感器 二、感應(yīng)同步器 三、磁柵位移傳感器,12,學習幻燈,一、光柵位移傳感器,1、光柵的構(gòu)造,13,學習幻燈,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，這時光柵上會出現(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,14,學習幻燈,莫爾條紋具有如下特點： 1.莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。光柵每移動過一個柵距W，莫爾條紋就移動過一個條紋間距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

7、用,一、光柵位移傳感器,15,學習幻燈,通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號，如圖所示,一、光柵位移傳感器,其電壓為,16,學習幻燈,將此電壓信號放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再經(jīng)辨向電路和可逆計數(shù)器計數(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,17,學習幻燈,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,18,學習幻燈,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

8、著兩個勵磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當正弦繞組與定尺繞組相位相同時，余弦繞組與定尺繞組錯開1/4節(jié)距。滑尺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,19,學習幻燈,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，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動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，移動距離為x，節(jié)距為T，則正弦繞組單獨供電時，在定尺上感應(yīng)電勢為,二、感應(yīng)同步器,20,學習幻燈,余弦繞組單獨供電所產(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)

9、可視為線性，可進行線性疊加，所以定尺上總的感應(yīng)電勢為,21,學習幻燈,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（電角度） T節(jié)距，表示直線感應(yīng)同步器的周期，標準式直線感應(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，從而進行位置檢測,二、感應(yīng)同步器,22,學習幻燈,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,23,學習幻燈,1)鑒相式工作法 滑尺的兩個勵磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個電壓，設(shè),二、感應(yīng)同步器,則,從上式可以看出，只要

10、測得相角，就可以知道滑尺的相對位移x,24,學習幻燈,二、感應(yīng)同步器,2.鑒幅工作法 在滑尺的兩個勵磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個交流電壓,則,由上式知，感應(yīng)電勢的幅值隨著滑尺的移動作正弦變化。因此，可以通過測量感應(yīng)電動勢的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對位移,25,學習幻燈,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勵磁繞組 7拾磁繞組,26,學習幻燈,2.原理： 在用軟磁材料制成的鐵芯上繞有兩個繞組，一個為勵磁繞組，另一個為拾磁繞組，將高頻勵磁電流通入勵磁繞組時，當磁頭靠近磁尺時在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為,三、磁柵位移傳感器

11、,U0輸出電壓系數(shù)； 磁尺上磁化信號的節(jié)距； 磁頭相對磁尺的位移； 勵磁電壓的角頻率,式中,在實際應(yīng)用中，需要采用雙磁頭結(jié)構(gòu)來辨別移動的方向,27,學習幻燈,3.測量方式 (1)鑒幅測量方式 如前所述，磁頭有兩組信號輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為/2的兩組信號 兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節(jié)距發(fā)出一個正（余）弦信號，經(jīng)信號處理后可進行位置檢測。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,28,學習幻燈,2.鑒相測量方式 將一組磁頭的勵磁信號移相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

12、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。讀出輸出信號的相位，就可確定磁頭的位置,29,學習幻燈,5.3 角位移檢測傳感器,一、旋轉(zhuǎn)變壓器 二、光電編碼器,30,學習幻燈,1. 結(jié)構(gòu)如圖所示 旋轉(zhuǎn)變壓器一般做 成兩極電機的形式。 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)子上有兩個輸出繞組 正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個繞組的軸線也互成90，一般將其中一個繞組（如Z1、Z2）短接,一、旋轉(zhuǎn)變壓器,31,學習幻燈,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相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。當以一定頻率（頻率通常為400Hz

13、、500Hz、1000Hz及5000Hz等幾種）的激磁電壓加于定子繞組時，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,32,學習幻燈,3. 測量方式 當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，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),33,學習幻燈,線

14、性旋轉(zhuǎn)變壓器實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。此時輸出電壓為,一、旋轉(zhuǎn)變壓器,34,學習幻燈,1.增量式 編碼器結(jié)構(gòu),二、光電編碼器,35,學習幻燈,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，它們彼此錯開1/4節(jié)距，以使A、B兩個光電變換器的輸出信號在相位上相差90。工作時，鑒向盤靜止不動，主碼盤與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當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，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為

15、最?。划斨鞔a盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線全部通過，光電變換器輸出電壓為最大。主碼盤每轉(zhuǎn)過一個刻線周期，光電變換器將輸出一個近似的正弦波電壓，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)動方向,二、光電編碼器,36,學習幻燈,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制編碼。如圖所示為四位二進制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進制的數(shù)字碼道，在同一個碼道上印制黑白等間

16、隔圖案，形成一套編碼,二、光電編碼器,37,學習幻燈,黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進制的“0”和“1”。在一個四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，每一個碼道表示二進制的一位，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,二、光電編碼器,38,學習幻燈,工作時，碼盤的一側(cè)放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個碼道都對應(yīng)有一個光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號,二、光電編碼器,39,學習幻燈,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 進制循環(huán)碼。這種

17、編碼的特點是任意 相鄰的兩個代碼間 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 相鄰兩個數(shù)中的一個數(shù),二、光電編碼器,40,學習幻燈,2).帶判位光電裝置的二進制循環(huán)碼盤 該碼盤最外圈上的信號位的位置正好與狀態(tài)交線錯開，只有當信號位處的光電元件有信號時才讀數(shù)，這樣就不會產(chǎn)生非單值性誤差,二、光電編碼器,41,學習幻燈,5.4 速度、加速度傳感器,一、直流測速發(fā)電機 二、光電式速度傳感器 三、差動變壓器式速度傳感器 四、加速度傳感器,42,學習幻燈,測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。圖217所示

18、為永磁式測速發(fā)電機原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，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,直流測速發(fā)電機在機電控制系統(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軸上。有的電機本身就已安裝了測速發(fā)電機,43,學習幻燈,光電脈沖測速原理如下圖所示。物體以速度V通過光電池的遮擋板時，光電池輸出階躍電壓信號，經(jīng)微分電路形成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時間間隔t，則可測得速度為,二、光電式速度傳感器,44,學習幻燈,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

19、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，當縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，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,45,學習幻燈,差動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。差動變壓器式的原邊線圈同時供以直流和交流電流，即,三、差動變壓器式速度傳感器,46,學習幻燈,當差動變壓器以被測速度V=dx/dt移動時，在其副邊兩個線圈中產(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 差動變壓器漂移小，

20、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、差動變壓器式速度傳感器,47,學習幻燈,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,48,學習幻燈,電阻應(yīng)變式加速度計結(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。當有加速度時，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)量的情況下即可計算出被測加速度。殼體內(nèi)灌

21、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,49,學習幻燈,壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。使用時，傳感器固定在被測物體上，感受該物體的振動，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，故對被測機構(gòu)的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、應(yīng)用較為廣泛,50,學習幻燈,下圖為一種空氣阻尼的電容式加速度傳感器。該傳感器采用差動式結(jié)構(gòu)，有兩個固定電極，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極板。當傳感

22、器測量垂直方向的振動時，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中一個增大，另一個減小，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,51,學習幻燈,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（可達數(shù)兆牛頓）的拉(壓)力傳感器,5.5 測力傳感器,52,學習幻燈,2. 懸臂梁式彈性元 其特點是結(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。可測量0.01牛頓到幾千牛頓的拉、壓力

23、。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,53,學習幻燈,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,54,學習幻燈,1.測試要求和條件。測量目的、被測物理量選擇、測量范圍、輸入信號最大值和頻帶寬度、測量精度要求、測量所需時間要求等。 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)生的負載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護等。 3.使用條件。安裝條件、工作場地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動等）、測量時間、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

24、的選擇,55,學習幻燈,1.線性化處理與補償 在機電一體化測控系統(tǒng)中，特別是需對被測參量進行顯示時，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，使測量對象在整個刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對系統(tǒng)進行分析處理。 2.傳感器的標定 傳感器的標定，就是利用精度高一級的標準量具對傳感器進行定度的過程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系，同時也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器使用前要進行標定，使用一段時間后還要定期進行校正，檢查精度性能是否滿足原設(shè)計指標,二、傳感器的正確使用,56,學習幻燈,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，有時是極其惡劣的。各

25、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,57,學習幻燈,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等電位點，它是電路或傳感器的基準電位點，與基準電位點相連接，就是接地,二、傳感器的正確使用,58,學習幻燈,3）隔離 當電路信號在兩端接地時，容易形成地環(huán)路電流，引起噪聲干擾。這時，常采用隔離的方法，把電路的兩

26、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，但仍會有一些噪聲信號混雜在檢測信號中，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加以濾除,二、傳感器的正確使用,59,學習幻燈,5.7 檢測信號的采集與處理,一、檢測系統(tǒng)的組成 二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入 三、數(shù)字信號的預(yù)處理,60,學習幻燈,1. 模擬信號檢測系統(tǒng) 振蕩器用于對傳感器信號進行調(diào)制，并為解調(diào)提供參考信號； 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)器用于將已調(diào)制信號恢復(fù)成原有形式,一、檢測系統(tǒng)的組成,61,學習幻燈,濾波器可將無用的干擾信

27、號濾除，并取出代表被測物理量的有效信號； 運算電路可對信號進行各種處理，以正確獲得所需的物理量，其功能也可在對信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，由數(shù)字計算機來實現(xiàn)； 計算機對信號進行進一步處理后，可獲得相應(yīng)的信號去控制執(zhí)行機構(gòu)，而在不需要執(zhí)行機構(gòu)的檢測系統(tǒng)中，計算機則將有關(guān)信息送去顯示或打印輸出,一、檢測系統(tǒng)的組成,62,學習幻燈,2. 數(shù)字信號檢測系統(tǒng) 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)有絕對碼數(shù)字式和增量碼數(shù)字式。當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，得到與被測量相對應(yīng)的編碼。糾錯電路糾正由于各個碼道刻劃誤差而可能造成的粗大誤差。采

28、用循環(huán)碼（格雷碼）傳感器時則先轉(zhuǎn)換為二進制碼，再譯碼輸出,碼道的狀態(tài)由相應(yīng)光電元件讀出,63,學習幻燈,當傳感器輸出增量碼信號，即信號變化的周期數(shù)與被測量成正比，其增量碼數(shù)字信號檢測系統(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，需先經(jīng)放大、整形后變成數(shù)字脈沖信號。但在多數(shù)情況下，為提高分辨率，常采用細分電路使傳感器信號每變化1/n個周期計一個數(shù)，其中n稱為細分數(shù)。辨向電路用于辨別被測量的變化方向。當脈沖信號所對應(yīng)的被測量不便讀出和處理時，需進行脈沖當量變換。計算機可對信號進行復(fù)雜的運算處理，并將結(jié)果直接送去顯示或打印輸出，或求取控制量去控制執(zhí)行機構(gòu),64,學習幻燈

29、,1.模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式(4種,二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入,65,學習幻燈,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)動電路組成。8個模擬開關(guān)的接通與斷開，通過用二進制代碼尋址來指定，從而選擇特定的通道,66,學習幻燈,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。由三個地址線（A0、A1、A2）的狀態(tài)及EN端來選擇8個通道之中的一路，片上

30、所有的邏輯輸入端與TTL/DTL及CMOS電路兼容。其真值表如下,67,學習幻燈,二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入,68,學習幻燈,3. 信號采集與保持 所謂采集，就是把時間連續(xù)的信號變成一串不連續(xù)的脈沖時間序列的過程。信號采樣是通過采樣開關(guān)來實現(xiàn)。采樣開關(guān)又稱采樣器，實質(zhì)上它是一個模擬開關(guān)，每隔時間間隔T閉合一次，每次閉合持續(xù)時間，其中，T稱為采樣周期，其倒數(shù)fs=1/T稱為采樣頻率，稱為采樣時間或采樣寬度，采樣后的脈沖序列稱為采樣信號。采樣信號是一個離散的模擬信號，它在時間軸上是離散的，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,69,學習幻燈,A/D轉(zhuǎn)換過

31、程需要一定時間，為防止產(chǎn)生誤差，要求在此期間內(nèi)保持采樣信號不變。實現(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)、保持電容和運算放大器組成，如右圖所示,70,學習幻燈,運算放大器N1和N2接成跟隨器，作緩沖器用。當控制信號Uc為高電平時場效應(yīng)管VF導(dǎo)通，對輸入信號采樣。輸入信號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Uc為低電平時，VF截止，電容C將采樣器間的信號電平保持下來，并經(jīng)N2緩沖后輸出,二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入,71,學習幻燈,傳感器的輸出信號被采入計算機后

32、往往要先進行適當?shù)念A(yù)處理，其目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾，并對檢測系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進行補償和修正。數(shù)字信號預(yù)處理一般用軟件的方法來實現(xiàn)。 1. 數(shù)字濾波 數(shù)字濾波實質(zhì)上是一種程序濾波，與模擬濾波相比具有如下優(yōu)點：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。可以對頻率很低或很高的信號實現(xiàn)濾波?？梢愿鶕?jù)信號的不同而采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，靈活、方便、功能強,三、數(shù)字信號的預(yù)處理,72,學習幻燈,1).中值濾波 中值濾波方法對緩慢變化的信號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，對信號連

33、續(xù)進行n次采樣，然后對采樣值排序，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，對信號連續(xù)進行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特點的信號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，為便于運算處理，常取n = 4、8、16,三、數(shù)字信號的預(yù)處理,73,學習幻燈,3).滑動平均濾波 該方法采用循環(huán)隊列作為采樣數(shù)據(jù)存儲器，隊列長度固定為n，每進行一次新的采樣，把采樣數(shù)據(jù)放入隊尾，扔掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)。這樣，在隊列中始終有n個最新的數(shù)據(jù)。對這n個

34、最新數(shù)據(jù)求取平均值，作為此次采樣的有效值。這種方法每采樣一次，便可得到一個有效采樣值，因而速度快，實時性好，對周期性干擾具有良好的抑制作用,三、數(shù)字信號的預(yù)處理,74,學習幻燈,4).低通濾波 當被測信號緩慢變化時，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)字信號的預(yù)處理,75,學習幻燈,式中: = RC是電路的時間常數(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)字信號的預(yù)處理,76,學習幻燈,由上式可見濾波器的本次輸出值主要取決于其上次輸出值，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于一個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