第三章測量模塊

1、第三章 測量模塊 第一節(jié) 機械量傳感器分類 被測對象傳感器信號調(diào)理傳輸信號處理顯示記錄控制系統(tǒng)第二節(jié) 性能指標： 工作特性 1.性能：量程、閾值、分辨率、靈敏度 2.質(zhì)量：可靠性、漂移 3.環(huán)境影響：環(huán)境溫度、環(huán)境壓力等 靜態(tài)特性 精度、誤差、重復性、可復現(xiàn)性、線性度 動態(tài)特性 1.時域指標：上升時間、峰值時間、最大超調(diào)量、調(diào)整時間、延遲時間、振蕩次數(shù) 2.頻域指標：諧振角頻率、諧振頻率、復現(xiàn)頻率、閉環(huán)截止頻率性能要求與改善措施性能要求：1.量程足夠、靈敏度高2.精度適當、線性度好3.響應時間短，通頻帶寬4.穩(wěn)定性好，具有一定的過載能力5.經(jīng)濟實用，成本低，壽命長l 改善措施：1.差動技術(shù)2.

2、平均技術(shù)3.穩(wěn)定性處理4.屏蔽、隔離，抑制電磁干擾5.閉環(huán)技術(shù)第三節(jié) 位移傳感器 包括線位移傳感器和角位移傳感器 如：電位計、電渦流傳感器、電容傳感器、差動變壓器、感應同步器、光柵等。第三節(jié) 位移傳感器 旋轉(zhuǎn)變壓器 是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的角位移測量裝置。輻值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的余弦或正弦成正比：cosuejUUKsinuejUUK第三節(jié) 位移傳感器 感應同步器 在兩個相對放置的板上刻有如圖所示的繞組，當在滑尺的兩個繞組中分別加上激在兩個相對放置的板上刻有如圖所示的繞組，當在滑尺的兩個繞組中分別加上激勵電壓時，則在定尺繞組中就產(chǎn)生感應電勢，其幅值決定于繞組的相對位置。勵電壓時，則在定尺繞組中就產(chǎn)

3、生感應電勢，其幅值決定于繞組的相對位置。第三節(jié) 位移傳感器 光電編碼器 將機械轉(zhuǎn)動的模擬量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)字電信號，進行角位移檢測的傳感器稱為編碼器。編碼器的種類很多，根據(jù)檢測原理，它可以分為電磁式、電刷式、電磁感應式及光電式等。由于光電編碼器具有非接觸和體積小的特點，且分辨率很高，在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)已能產(chǎn)生數(shù)百萬個脈沖，因此，它是目前應用最為廣泛的一種編碼器。光電編碼器在數(shù)控機床、機器人的位置控制、機床進給系統(tǒng)的控制以及角度的測量、通訊及自動化控制等方面部發(fā)揮著重要的作用。第三節(jié) 位移傳感器 光柵 透射光柵和反射光柵兩種，用于大量程線位移或360度內(nèi)角位移的測量。 光柵是一種新型的位移檢測元件，

4、它的持點是測量精確高、響應速度快和量程范圍大等。把指示光柵平行地放在標尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜 一 個很小的角度，這時在指示光柵上就出現(xiàn)幾條較粗的明暗條紋，稱為莫爾條絞。它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列，如圖3-18所示。 主光柵和被測物體相連，他隨被測物體的直線位移而產(chǎn)生位移。當主光柵產(chǎn)生位移時，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生上、下位移，若用光電器件記錄下莫爾條紋通過某點的數(shù)目，便可知主光柵移動的位移，也就測得了被測物體的位移量。第四節(jié) 速度傳感器一、直流測速機 直流測速機是一種測速元件，實際上它就是臺微型的直流發(fā)電機。直流測速機的持點是輸出斜率大、線性好，但由于有電刷相換向器，構(gòu)造

5、和維護比較復雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大。 測速機的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。圖所示為永磁式測速機原理電路圖。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)換成與轉(zhuǎn)子速度成正比的直流電勢。 直流測速機在機電控制系統(tǒng)中，主要用作測速和校正元件。在使用中，為提高檢測靈敏度、盡量把它連接到電機軸上，有的電機本身就已安裝了測速機。 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)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件及指示縫隙盤組成，如圖3-25所示。光源發(fā)出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙照射到光電器件上。 當縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，由于圓盤上的縫隙間距與指示縫隙的間距相同

6、，因此圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與指示縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測量時間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，可測出轉(zhuǎn)速為 n=60N/ZtZ一一圓盤 上的縫隙數(shù)；n轉(zhuǎn)速(rmin)；t測量時間(s)。第五節(jié) 加速度傳感器 力學模型：F=ma 微加速度傳感器：電容式、壓阻式、壓電式。第五節(jié) 加速度傳感器 壓阻式微機械加速度計 壓阻效應：當對半導體的某一晶向施加壓力時，其電阻率就會發(fā)生一定的變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應。第五節(jié) 加速度傳感器 加速度計的敏感質(zhì)量與壓電晶體相連，當輸入加速度時，加速度通過敏感質(zhì)量形成的慣性力加在壓電晶體上，由于壓力作用產(chǎn)生的電荷，通過電荷放大電路輸出與輸入加速度的成比例電壓。 壓電式加速度計

7、對于低頻乃至靜態(tài)的加速度信號敏感性很差第六節(jié) 力、轉(zhuǎn)矩和壓力傳感器 由彈性敏感元件把力、轉(zhuǎn)矩、壓力等被測參數(shù)變換成相應的位移或應變（每單位長度產(chǎn)生的位移），然后，再配合各種形式的轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電信號輸出。 彈性敏感元件直接起測量作用，要求其彈性變形范圍大，靈敏度高以及測量頻帶寬。 電阻應變式、壓電式、電容式電阻應變式 應變片力傳感器的測量范圍很大，可以從5N10MN以上，且能獲得很高的測量精度，其精度等級位于0.03%2%之間。 應變片力傳感器由彈性變形體元件和應變片構(gòu)成。 電阻應變效應：金屬電阻絲隨機械變形（伸長或縮短）其電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電阻應變效應。壓阻式 壓阻式力傳感器是利用

8、半導體的壓阻效應工作的。 固態(tài)壓阻式傳感器的工作原理是在半導體材料的基片上擴散電阻制成的，基片直接作為測量傳感器元件。 特點是體積小，機械滯后小，靈敏度高，測量范圍大，易制成智能化傳感器，但有較大的非線性誤差和溫度誤差，需采取溫度補償措施。壓電式 壓電式傳感器的工作原理是以壓電元件的壓電效應為基礎(chǔ)。 壓電效應：某些晶體（例如石英晶體、壓電陶瓷）沿一定方向受外力作用而變形時，在其相應的兩個相對表面產(chǎn)生極性相反的電荷，當外力丟掉后，又恢復到不帶電的狀態(tài)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。 壓電傳感器的線性度好，頻響范圍寬，重復性良好。 壓電力傳感器較易敏感側(cè)向負載。 壓電效應是可逆的。電容式 電容式傳感器

9、是將被測力的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。第七節(jié) 霍爾式電流傳感器 霍爾效應：當金屬或半導體薄片置于磁場中，有電流流過時，在垂直于電流和磁場方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。第七節(jié) 霍爾式電流傳感器 霍爾式電流傳感器是一個把電流轉(zhuǎn)換成電壓的傳感器，電流環(huán)路對于電流的檢測要求很高，一是要求轉(zhuǎn)換后的電壓與主回路是隔離的，以便把強電回路與弱電回路分開；二是要求把電樞的電流線性地轉(zhuǎn)化成電壓信號。第七節(jié) 霍爾式電流傳感器 主要檢測方式 1.霍爾元件直接檢測電流：適用于大電流測量 2.霍爾檢零式測量電流：適用于直流小電流的測量第八節(jié) 信號調(diào)理電路 傳感器的信號處理典型測量系統(tǒng)的組成直流電源

10、直流電源測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)信號調(diào)理信號調(diào)理電路電路現(xiàn)場現(xiàn)場物理量物理量傳感器傳感器可用可用信號信號顯示裝置顯示裝置信號發(fā)生器信號發(fā)生器示波器示波器控制裝置控制裝置模擬傳感器的輸出信號測量并顯示信號為系統(tǒng)各部分供電第八節(jié) 信號調(diào)理電路 信號調(diào)理的目的：隔離、阻抗變換、噪聲抑制、放大及變換等。 信號調(diào)理專用集成電路：ASIC芯片傳感器的輸出信號往往很微弱，且波形不適當，不傳感器的輸出信號往往很微弱，且波形不適當，不能直接用于工業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和控制。能直接用于工業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和控制。信號調(diào)理電路就是對傳感器的輸出信號施行一定預信號調(diào)理電路就是對傳感器的輸出信號施行一定預處理的裝置處理的裝置。如：電

11、壓放大、電流電壓轉(zhuǎn)換、整形、頻率電如：電壓放大、電流電壓轉(zhuǎn)換、整形、頻率電 壓轉(zhuǎn)換等，使信號適于顯示或控制的要求，而壓轉(zhuǎn)換等，使信號適于顯示或控制的要求，而 這些電路通常要用到集成運算放大器。這些電路通常要用到集成運算放大器。運算放大器運算放大器 運算放大器是信號調(diào)理電路的常用器件，掌握運算放大器的特性及其工作方式，對于掌握信號調(diào)理電路的工作原理非常重要。 運算放大器是一個集成電路芯片，將其連接成不同的工作方式，便可實現(xiàn)多種數(shù)學運算故稱為運算放大器，簡稱運放。放大電路 放大電路的核心部件為運算放大器 運算放大器的主要參數(shù)： 輸入失調(diào)電壓 增益帶寬積GWB 轉(zhuǎn)換速率 開環(huán)增益 輸入輸出阻抗 共模

12、抑制比 等等輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 一個理想的運放，當兩輸入端加上相同的直流電壓和兩輸入端短路時，其輸出端的直流電壓應等于零。但由于電路參數(shù)的不對稱性，輸出電壓并不為零，這就叫運放的零點偏移或失調(diào)。 為了使輸出端輸出直流電壓為零，須在放大器兩輸入端間加上一個電壓來補償這種失調(diào)。所加電壓的大小就叫該運放的失調(diào)電壓，用VOS表示。顯然VOS越小，說明運放電路參數(shù)的對稱性越好。增益帶寬積增益帶寬積 增益：用分貝表示的放大倍數(shù)20lgAu 通頻帶:衰減小于3dB的頻帶寬度。 放大電路的中頻段電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積，簡稱“增益帶寬積”，當放大電路及其晶體管確定之后是一個常數(shù)。 要想提高電路的電壓放

13、大倍數(shù)，必然導致通頻帶變窄；而要想展寬放大電路的通頻帶，又要以犧牲放大倍數(shù)為代價。這個問題在設(shè)計放大電路時必須全面考慮，兼顧這兩個指標。轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 運放在大幅度階躍信號作用下，輸出信號所能達到的最大變化率稱為轉(zhuǎn)換速率或擺動率，即運放工作在大信號時，其輸出電壓所能達到的最大變化速率。用SR表示，其單位為V/s。 輸入阻抗 輸入阻抗是從放大電路輸入端看進去的等效電阻。 運放的開環(huán)輸入阻抗Ri是指運放在開環(huán)狀態(tài)下，輸入差模信號時，兩輸入端之間的等效阻抗。輸出阻抗 放大電路對其負載而言，相當于信號源，可以將它等效為戴維南電路，這個戴維南等效電路的內(nèi)阻就是輸出電阻。 放大電路輸出電阻RO的大小決定

14、它帶負載的能力。對輸出為電壓信號的放大電路，即電壓放大，RO越小，負載電阻RL的變化對輸出電壓VO的影響越小。共模抑制比 集成運放是一個雙端輸入、單端輸出的高增益直接耦合放大器。因此，它對共模信號有很強的抑制能力。電路參數(shù)越對稱，共模負反饋越強，則其共模抑制能力越強。運放的共模特性是通過共模抑制比和共模電壓范圍來描述的。 將運放的差模電壓放大倍數(shù)AVD 與共模電壓放大倍數(shù)AVC之比稱為共模抑制比，用KCMR表示，dBAAKVCVDCMRlg20OP07LM324實物外形E+E-實物實物外形外形運算放大器運算放大器電路符號電路符號 運算放大器運算放大器 管腳起始腳管腳起始腳朝左朝左管腳序號逆時針

15、方向增長！管腳序號逆時針方向增長！理理想想運運放放的的特特點點A很大，很大，1000倍以上倍以上ri很大，兆歐以上很大，兆歐以上ro很小，可以忽略很小，可以忽略o()iVAVAV VAri 故：故：ro021ovvvA0iv “虛通虛通”0iI “虛斷虛斷”運算法則：運算法則：1、UU0iI 0or 輸出是電源電壓范圍內(nèi)的任意值。輸出是電源電壓范圍內(nèi)的任意值。故放大倍數(shù)與負載無關(guān)。故放大倍數(shù)與負載無關(guān)。 2、3、4、高增益高增益高輸入電阻高輸入電阻低輸出電阻低輸出電阻A：放大倍數(shù)Va=0 a點常稱“虛地”點。R2：反饋電阻。閉環(huán)放大：接入R2開環(huán)放大：不接R2，放大倍 數(shù)無窮大。+10V-10

16、VV i V o Vai 1 a i2iaV3i3k101R310kRk1002R-+120ii120iOvvRR則21oiRvvR R3是平衡電阻，保證靜態(tài)時兩輸入端的電阻相等。 312/RRR根據(jù)節(jié)點電流法得：反相比例放大器思考題：1、萬用表量程轉(zhuǎn)換所用分壓器，用運放如何實現(xiàn)。 2、試畫出反相比例放大器的傳輸特性曲線ui_uo曲線-+10V-10VVoVii1k101Rk103Rk1002Ri2112oiu RuuRR同相比例放大器同相比例放大器+0ii121oiRRuuR運算放大器的工作曲線（傳輸特性曲線）iuuu電壓跟隨器特點：特點： 輸入阻抗無窮大輸入阻抗無窮大(虛斷虛斷)； 輸出阻

17、抗為零；輸出阻抗為零；應用：應用：1、提高帶載能力、提高帶載能力 2、在電路中隔離前后兩級電路。、在電路中隔離前后兩級電路。 uo= ui差動放大器差動放大器（減法器）（減法器）方法1：120ii120bouuuuRR434aRuuuRR令：13RR24RR2121()()obaabRRuuuuuRR 解得解得 ：VibR1+_ViaVoR4R3R2差動放大器差動放大器（減法器）（減法器）電路分析電路分析212141134oaiaRRRRRvvvRRRR令 21obibRvvR 13RR24RR2142213411()ooaobiaibiaibRRRRRvvvvvvvRRRRR方法2：_+ +

18、 R2R1R1ui2uoR2ui1 uu112RuuRuuio212RuRuui)(1212iiouuRRu解出：解出：單運放的加減運算電路的特例：差動放大器單運放的加減運算電路的特例：差動放大器方法方法3：運算放大器總結(jié)單端輸入方式一端接輸入信號，而另一端接地（或通過電阻接地）同相輸入反相輸入差動輸入方式（雙端輸入）輸入信號uib和uia同時加在同相端和反相端工作方式iaibiuuu運算放大器總結(jié) 開環(huán)方式l輸出端與輸入端之間除地線外沒有連接。l信息單方向流動。 反饋方式(閉環(huán)方式)l有信號從輸出端經(jīng)過某種電路回到輸入端，構(gòu)成反饋回路l信息非單方向流動。工作方式一 前置放大器1.電壓跟隨器

19、特點：輸出電壓等于輸入電壓，但輸入輸出阻抗大不相同。 作用：與傳感器連接，可以進行阻抗變換，降低對傳感器的負載效應，提高傳感器的變換效率。一 前置放大器2. 電荷放大器 電荷放大器是反相端輸入、同相端接地、電容反饋的運算放大器。 特點：利用運算放大器求和點為虛地電位，使得輸入端的分布電容上沒有積累電荷，從而不起作用。 作用：將壓電傳感器的電荷量、或電容傳感器的微小電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓輸出。一 前置放大器3.儀表放大器 本質(zhì)上是一種差動放大器。 特點：高輸入阻抗、高共模抑制比、平衡的差動輸入、增益由用戶選擇的外部電阻決定。1 1、濾波電路的功能、濾波電路的功能 使指定頻段的信號順利通過，其它頻率

20、的信號被衰減。使指定頻段的信號順利通過，其它頻率的信號被衰減。2 2、濾波電路的種類、濾波電路的種類低通濾波器（低通濾波器（LPF）通帶放大倍數(shù)通帶放大倍數(shù)通帶截止頻率通帶截止頻率下降速率下降速率理想幅頻特性理想幅頻特性無過渡帶無過渡帶濾波電路濾波電路高通濾波器（高通濾波器（HPF）帶通濾波器（帶通濾波器（BPF）帶阻濾波器（帶阻濾波器（BEF）全通濾波器（全通濾波器（APF）理理想想濾濾波波器器的的幅幅頻頻特特性性阻容耦合阻容耦合通信電路通信電路抗已知頻率的干擾抗已知頻率的干擾f-轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換二、低通濾波器1 1、同相輸入、同相輸入 對于對于LPF，頻率頻率趨于趨于0時的放大倍數(shù)即為通帶放大倍數(shù)

21、。求解傳遞函數(shù)時，時的放大倍數(shù)即為通帶放大倍數(shù)。求解傳遞函數(shù)時，只需將放大倍數(shù)中的只需將放大倍數(shù)中的 j用用 s 取代即可。取代即可。1fp1RRAusRCRRsCRsCRRSUSUsAu11)1 ( 11)1 ()()()(1f1fio一階一階LPF經(jīng)拉氏變換得傳遞函數(shù)經(jīng)拉氏變換得傳遞函數(shù)RCf21pppj1ffAAuu頻率趨于頻率趨于0時的放大時的放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)決定于決定于RC環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)表明進入高頻段的下表明進入高頻段的下降速率為降速率為20dB/十十倍頻倍頻（1 1）一階電路）一階電路1 1、同相輸入、同相輸入（1 1）一階電路：幅頻特性）一階電路：幅頻特性)21

22、( j1 1ppp1fpRCfffAARRAuuusRCRRSUSUsAu11)1 ( )()()(1fio 為了使過渡帶變窄，需采用多階濾波為了使過渡帶變窄，需采用多階濾波器，即增加器，即增加RC環(huán)節(jié)。在環(huán)節(jié)。在Au(s)表達式分表達式分母中母中s的方次就是濾波器的階數(shù)。的方次就是濾波器的階數(shù)。2、反相輸入低通濾波器、反相輸入低通濾波器。，即uuAfCsRsA 0 1)(112pRRAuHf積分運算電路的傳遞函數(shù)為積分運算電路的傳遞函數(shù)為加加R2后，后， f0，C斷開，通帶放大倍數(shù)，斷開，通帶放大倍數(shù)，CsRRRsAu21211)(CRffffRRAu20p01221j11三、其它類型濾波電

23、路1 1、高通濾波器（、高通濾波器（HPF） 與與LPF有對偶性，將有對偶性，將LPF的電阻和電容互換，就可得一階的電阻和電容互換，就可得一階HPF、簡單二階簡單二階HPF、壓控電壓源二階壓控電壓源二階HPF電路。電路。2 2、帶通濾波器（、帶通濾波器（BPFBPF）3 3、帶阻濾波器（、帶阻濾波器（BEFBEF）fHfLfHfL第九節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 一般來說，機械運動變量都是連續(xù)時間變化模擬量，這些模擬的被測變量都必須經(jīng)過采樣、量化以及編碼，變成二進制數(shù)字后才能送入計算機。 采樣頻率必須高于信號最高頻率的二倍以上，采樣信號才能不失真地復原；同時，量化誤差必須小于容許誤差，即接口電路和計算機字

24、長必須足夠。第九節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器經(jīng)過信號調(diào)理以后，所得到的信號形式可以分為三類： 1.數(shù)字量。 數(shù)據(jù)傳送：無條件傳送、查詢方式、中斷 方式 2.計數(shù)脈沖量。 （1）先將脈沖量送入計數(shù)器形成數(shù)字量，再經(jīng)過I/O并行送入計算機 （2）通過可編程定時/計數(shù)器8253直接將脈沖量送入計算機 3.模擬量。 模擬量信號需要經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，才能被計算機接收。轉(zhuǎn)換原理分：逐次逼近法、雙積分法。 數(shù)據(jù)線連接的三種方式：通過并行I/O口或者鎖存器連接，以及直接連接。 CPU檢查判斷ADC是否轉(zhuǎn)換結(jié)束，有三種方式：中斷方式、查詢方式以及軟件延時方式第九節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要部分： 信號調(diào)理。多路轉(zhuǎn)換器、可調(diào)增益放大器、抗混疊濾波器。 采樣/保持。采樣/保持器。 模數(shù)轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器（ADC），V/F(電壓/頻率轉(zhuǎn)換)或者I/F(電流/頻率轉(zhuǎn)換) 數(shù)模轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換器。1. 其它。例如：定時/計數(shù)器、總線接口電路等。第九節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 多路開關(guān)（MUX） 在實際數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或?qū)嶋H控制