機電一體化技術(shù)課件：檢測與傳感系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

檢測與傳感系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)知識點：傳感器的組成和分類常見傳感器及其工作原理傳感器的發(fā)展趨勢模擬信號、數(shù)字信號的處理傳感器的測量電路傳感器的計算機接口本章導讀傳感器技術(shù)是現(xiàn)代檢測和自動化技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一，機電一體化系統(tǒng)的自動化程度越高，對傳感器的依賴性也就越大。能將各種非電物理量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器及其應用技術(shù)已成為機電一體化技術(shù)系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。3.1傳感器的組成和分類3.1.1傳感器的組成通常傳感器有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。敏感元件：直接感受被測物理量，并以確定對應關(guān)系輸出某一物理量。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)；轉(zhuǎn)換電路：將電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于測量的電信號。傳感器的組成3.1.2傳感器的分類按被測物理量分類位移、速度、加速度、力、力矩、壓力、溫度等按工作原理分類機械式、應變式、電學式、磁學式、光電式等按輸出信號特征分類模擬式、數(shù)字式按信號變換效應分類物理型、化學型、生物型3.1.3傳感器的性能指標及選用原則靜態(tài)特性測量范圍、線性范圍、線性度、靈敏度動態(tài)特性精確度、分辨力、遲滯、穩(wěn)定性、幅頻特性、相頻特性環(huán)境溫度、振動、沖擊、抗干擾能力等3.2常見傳感器及其工作原理3.2.1光電編碼器編碼器是將機械傳動的模擬量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)字信號，進行角位移檢測的傳感器。編碼器的種類很多，根據(jù)檢測原理，它可分為電磁式、電刷式、電磁感應式及光電式等。光電編碼器根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，分為增量式編碼器和絕對式編碼器。1、增量式光電編碼器增量式光電編碼器輸出波形：輸出波形即使分辨力改變，相數(shù)也不會改變2、絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器的編碼盤由透明及不透明區(qū)組成，這些透明及不透明區(qū)按一定編碼構(gòu)成，編碼盤上碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)。絕對式編碼器能夠直接給出對應于每個轉(zhuǎn)角位置的二進制數(shù)碼，便于計算機處理。(a)4位二進制絕對式編碼器的編碼盤(b)4位格雷碼盤示意圖

絕對式光電編碼器的編碼盤絕對式光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意1—光源；2—透鏡；3—編碼盤；4—狹縫；5—光電元件3、光電編碼器的應用——轉(zhuǎn)速測量 轉(zhuǎn)速可由編碼器發(fā)出的脈沖頻率或周期來測量。

脈沖頻率法測轉(zhuǎn)速N1為t時間內(nèi)測得的脈沖個數(shù)N為編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)脈沖周期法測轉(zhuǎn)速N2為編碼器一個脈沖間隔內(nèi)標準時鐘輸出個數(shù)T為標準時鐘脈沖周期N為編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)3.2.2光柵尺1、光柵結(jié)構(gòu)和原理光柵尺或稱光柵，是一種高精度的直線位移傳感器。光柵根據(jù)制作方式分類：透射光柵：在玻璃表面制成透明與不透明間隔相等的線紋；反射光柵：在金屬表面制成全反射與漫反射間隔相等的線紋；定向光柵：將反射光柵中的線紋做成具有一定的衍射角度。光柵根據(jù)用途分類：長光柵：測量直線位移；圓光柵：測量角位移。光柵通常由一長一短兩塊光柵尺配套使用，長的一塊稱為主光柵或標尺光柵，短的一塊稱為指示光柵。莫爾條紋：標尺光柵與指示光柵相距0.05～0.1mm間隙，由于光的干涉效應，產(chǎn)生莫爾條紋；若用W表示莫爾條紋的寬度，ω表示光柵的柵距，θ表示兩光柵尺線紋的夾角，則它們之間的幾何關(guān)系為：

W=ω

/sinθ≈ω

/θ光柵尺的結(jié)構(gòu)示意圖2、莫爾條紋與參數(shù)間的關(guān)系光柵的莫爾條紋有如下特點：（1）起放大作用。（2）莫爾條紋的紋距移動與光柵的柵距移動成正比。（3）起均化誤差的作用。光電元件3、信號處理光柵尺輸出的信號有兩種：一種是正弦波信號；一種是方波信號。光柵尺除了增量式測量外，還有絕對式測量，輸出二進制BCD碼子或格雷碼。編碼的設(shè)計可采用二進制碼、循環(huán)碼、二進制補碼等。3.2.3電阻應變計1、工作原理 電阻應變計是根據(jù)應變—電阻效應，將給測試件的應變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感元件。它不僅直接作為應力、應變測量的傳感器而且可以與彈性元件組合構(gòu)成力、壓力、稱重、位移、扭矩、振動、加速度等多種專用式傳感器，廣泛應用于機械、交通、建筑、化工和電力等行業(yè)。 將電阻應變計安裝在被測構(gòu)件表面上，當構(gòu)件受力而變形時，電阻應變計的敏感柵隨之產(chǎn)生應變，其電阻值發(fā)生變化。測量此電阻變化即可測量出構(gòu)件表面沿敏感柵軸線方向的應變。2、電阻應變計的結(jié)構(gòu)電阻應變計主要由電阻敏感柵、基底和面膠（或覆蓋層）、粘結(jié)劑、引出線五部分組成。電阻應變計的結(jié)構(gòu)如圖所示。電阻應變計的構(gòu)造1—敏感柵；2—引出線；3—粘結(jié)劑（未示出）；4—覆蓋層；5—基底3、應變計的類型 電阻應變計的分類方法很多，常用的是按應變計的制造材料、溫度以及用途的不同來分類。 按敏感柵的制造方法分類 （1）金屬絲式應變計（2）箔式應變計箔式應變計的敏感柵是利用照相制版或光刻腐蝕技術(shù)制成的，箔柵厚度一般為0.002mm~0.005mm，最薄的達0.00035mm。箔式應變計，工藝上能保證敏感柵尺寸的準確，線條均勻，適應不同的測量要求，傳遞試件應變性能好、橫向效應小和散熱性能好，因此得到了廣泛的應用，現(xiàn)在已經(jīng)基本上取代金屬絲應變計。（3）金屬薄膜應變計所謂薄膜是指厚度在0.1um以下的膜，它是采用真空的濺射或真空沉積等方法制成的。通過按規(guī)定的圖形制成的掩膜版，在基底材料上濺射或沉積一層電阻材料的薄膜，從而制成金屬薄膜應變計。4、電阻應變計的應用 電阻應變計主要有以下兩種應用方式： （1）應變片直接粘貼在試件上，用來測量工程結(jié)構(gòu)受力后的應力分析或所產(chǎn)生的應變，為結(jié)構(gòu)設(shè)計、應力校正或分析結(jié)構(gòu)在使用中產(chǎn)生破壞的原因提供試驗數(shù)據(jù)，如電阻應變儀。在測量齒輪輪齒彎矩或立柱應力時，也常在被測位置處直接粘貼應變片進行測量，如圖所示。構(gòu)件應力測定的應用

（2）將應變片粘貼在彈性元件上，進行標定后作為測量力、壓力、位移等物理量的傳感器。1—質(zhì)量塊；2—應變梁；3—應變片；4—阻尼液；5—密封圈；6—接線板；7—底座應變式加速度傳感器3.2.4溫度傳感器溫度傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學量變化的裝置，用于檢測溫度和熱量，因此也叫做熱電式傳感器。溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式：熱膨脹式、壓力式、熱電偶、熱電阻非接觸式：輻射式溫度計（光學高溫計、比色高溫計、紅外光電溫度計）1、熱電效應熱電偶測溫是基于熱電效應。在兩種不同的導體（或半導體）A和B組成的閉合回路中，如果它們兩個結(jié)點的溫度不同，則回路中產(chǎn)生一個電動勢，通常我們稱這種電動勢為熱電勢，這種現(xiàn)象就是熱電效應。熱電效應2、熱電偶回路的主要性質(zhì)（1）中間導體性質(zhì) 在熱電偶回路中接入第三種材料的導體C，只要第三種導體的兩端溫度相同，這一導體的引入就不會改變原來熱電偶的熱電動勢大小。

EABC(T,T0)=EAB(T,T0)（2）標準電極定律 當工作端和自由端溫度為T和T0時，用導體A和B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢之代數(shù)和。

EAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0) EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)3、熱電偶的種類 熱電偶是目前應用廣泛、發(fā)展比較完善的溫度傳感器，它在很多方面都具備一種理想溫度傳感器的條件。（1）標準化和非標準化熱電偶標準化熱電偶的工藝比較成熟，應用廣泛，性能優(yōu)良穩(wěn)定，能成批生產(chǎn)。（2）普通型熱電偶。這種類型的熱電偶主要用于測量氣體、蒸汽液態(tài)氣體和液體介質(zhì)的溫度。普通型熱電偶外形（a）固定螺紋形(b)無固定裝置形(c)固定法蘭形(d)活動法蘭形(e)角形（3）鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶的外形像電纜，也稱纜式熱電偶。鎧裝熱電偶外形及結(jié)構(gòu)（a）外形(b)結(jié)構(gòu)4、熱電偶的特點（1）溫度測量范圍寬（-270～1800℃）；（2）性能穩(wěn)定、準確可靠；（3）信號可以遠傳和記錄。5、熱電阻傳感器 利用熱敏電阻可以制成溫度傳感器。所謂熱敏電阻即是對熱量敏感的電阻體，其電阻值隨溫度的變化而顯著改變。6、溫度傳感器的應用熱電阻檢測電路3.2.5霍爾效應式線位移傳感器利用霍爾效應實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種線位移傳感器。具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小、耐高溫等特點?；魻栃€位移傳感器工作原理霍爾效應線位移傳感器輸出特性3.2.6超聲波傳感器 超聲波傳感器用超聲波來測量距離，在機器人上用來檢測障礙物。其原理與蝙蝠通過感覺自己所發(fā)出的超聲波來測定距離的道理相同。優(yōu)點：非接觸測量。缺點：超聲波傳播速度與空氣溫度有關(guān)，會產(chǎn)生誤差；超聲波定向性不是很好，反射效果受被測物體的狀態(tài)和材料的影響，因此測量精度不是很高。

發(fā)射脈沖導通時，開始發(fā)射超聲波。經(jīng)被測物體反射回來的超聲波被接收后，經(jīng)過放大和檢波得到的波形上升沿由施密特觸發(fā)器提取。

L＝a*T/2 a：超聲波傳播速度。3.3檢測數(shù)據(jù)的處理方法日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中所遇到的絕大多數(shù)物理量，如溫度、壓力、流量、濕度等非電量都是連續(xù)變化的模擬量。需要通過A／D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進行頻譜分析和相關(guān)分析等數(shù)字信號處理。3.3.1模擬信號處理3.3.2數(shù)字信號處理1、數(shù)字信號處理的步驟數(shù)字信號處理的基本步驟如圖所示數(shù)字信號處理系統(tǒng)功能框圖2、數(shù)字信號處理方法通過A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號，可以利用計算機進行各種各樣的處理。除此之外，還有數(shù)字濾波、快速傅立葉變換（FastFourierTransform,FFT）等。（1）算術(shù)平均值法平均值濾波法是對信號Y的m次測量值進行算術(shù)平均，作為時刻n的輸出，即

=

（2）中位值濾波法中位值濾波法的原理是對被測參數(shù)連續(xù)采樣N次（N取奇數(shù)），并按大小順序排序；再取中間值作為本次采樣的有效數(shù)據(jù)。中位值濾波法和算術(shù)平均值濾波法結(jié)合起來使用，濾波效果會更好。（3）限幅濾波法由于大的隨機干擾或采樣器的不穩(wěn)定，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實際值太遠，為此采用上、下限限幅濾除干擾數(shù)據(jù)。3.3.3調(diào)制與解調(diào)

傳感器輸出的電信號一般為較低頻率分量（在直流至幾十千赫茲之間），當被測信號比較弱時，為了實現(xiàn)信號的傳輸尤其是遠距離傳輸，可以采用直流放大或調(diào)制與解調(diào)。信號傳輸過程中容易受到工頻及其他信號的干擾，若采用直流放大則在傳輸過程中必須采用有限措施抑制干擾信號的影響。實際中往往采用更有效的先調(diào)制而后交流放大，將信號從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，也可以提高電路的抗干擾能力和信號的信噪比。調(diào)制就是使一個信號的某些參數(shù)在另一個信號的控制下而發(fā)生變化的過程。前一信號稱為載波，后一信號（控制信號）稱為調(diào)制信號。對應于信號的三要素：幅值、頻率和相位，根據(jù)載波的幅值、頻率和相位隨調(diào)制信號而變化的過程，調(diào)制可以分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。其波形分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。調(diào)制與解調(diào)(2/26)單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級載波、調(diào)制信號及調(diào)幅、調(diào)頻波圖a)載波信號b)調(diào)制信號c)調(diào)幅波形d)調(diào)頻波形調(diào)制與解調(diào)(3/26)a)b)c)d)1.幅值調(diào)制與解調(diào)

設(shè)調(diào)制信號為，其最高頻率成分為，載波信號為，。則有調(diào)幅波：由傅里葉變換的卷積性質(zhì)調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號（載波信號）與測試信號（調(diào)制信號）相乘，使載波信號的幅值隨測試信號的變化而變化。(1)幅值調(diào)制的工作原理調(diào)制與解調(diào)(4/26)則而調(diào)制與解調(diào)(5/26)調(diào)幅過程相當于“頻譜”搬移過程。調(diào)幅的目的是為了便于緩變信號的放大和傳送。如在電話電纜、有線電視電纜中，由于不同的信號被調(diào)制到不同的頻段，因此，在一根導線中可以傳輸多路信號。為了減小放大電路可能引起的失真，信號的頻寬相對于中心頻率（載波頻率）應越小越好，實際載波頻率常至少數(shù)倍甚至數(shù)十倍于調(diào)制信號頻率。調(diào)制與解調(diào)(6/26)49(2)幅值調(diào)制信號的解調(diào)

1)同步解調(diào)

解調(diào)的目的是為了恢復被調(diào)制的信號。調(diào)幅波.載波.調(diào)幅波與載波時域乘積,頻域卷積.調(diào)制與解調(diào)(7/26)從時域看：2)整流檢波解調(diào)對調(diào)制信號進行偏置，使其大于零。將該調(diào)制波進行整流（半波或全波）、濾波并消除直流偏置即可恢復原信號。調(diào)制與解調(diào)(8/26)整流檢波解調(diào)a)b)c)d)e)f)調(diào)制與解調(diào)(9/26)3)相敏檢波解調(diào)

相敏檢波又稱相敏整流。其特點是相敏檢波的解調(diào)輸出既能反映調(diào)制信號電壓的幅值，又能反映調(diào)制信號電壓的極性。調(diào)制與解調(diào)(10/26)調(diào)制與解調(diào)(11/26)相敏檢波器設(shè)計時要求B的二次邊的輸出大于A的二次邊輸出?；芈穒1起點回路i2起點++電壓:變壓器從負正,為(+)正;負載從上下為(+)正調(diào)制與解調(diào)(12/26)由上兩圖知，x(t)>0時，無論調(diào)制波是否為正，相敏檢波器的輸出波形均為正，即保持與調(diào)制信號極性相同。這種電路相當于在0～a段對xm(t)全波整流，解調(diào)后的頻率比原調(diào)制波高一倍。調(diào)制與解調(diào)(13/26)調(diào)制與解調(diào)(14/26)由上兩圖知，x(t)<0時，不管調(diào)制波極性如何，相敏檢波器的輸出波形均為負，保持與x(t)一致。同時，電路在a～b段相當于對xm(t)全波整流后反相，解調(diào)后的頻率為原調(diào)制波的二倍。調(diào)制與解調(diào)(15/26)4)調(diào)幅應用——動態(tài)電阻應變儀。

調(diào)制與解調(diào)(16/26)電橋放大器相敏檢波低通濾波顯示記錄載波振蕩器x(t)X(t)0t0ty(t)電阻應變片0tX’m(t)0tX’(t)0tXm(t)2、調(diào)頻及其解調(diào)

(1)原理

利用調(diào)制信號的幅值控制載波信號頻率的過程。調(diào)頻波是等幅波，但頻率的變化量與調(diào)制信號幅值成正比。

調(diào)頻波的瞬時頻率可表示為：

f=f0+

f=f0+Kx(t)f0為載波頻率，也稱中心頻率。

f為頻率偏移，與調(diào)制信號x(t)幅值成正比。

調(diào)制與解調(diào)(17/26)調(diào)頻波與調(diào)制信號幅值的關(guān)系圖

調(diào)制與解調(diào)(18/26)設(shè)調(diào)制信號載波信號為調(diào)頻時載波的幅度和初始相位角不變，瞬時頻率圍繞著f0隨調(diào)制信號電壓作線性的變化：由上式可見，頻率偏移與調(diào)制信號的幅值成正比，與調(diào)制信號的頻率無關(guān)，這是調(diào)頻波的基本特征之一。調(diào)制與解調(diào)(19/26)

實現(xiàn)信號的調(diào)頻和解調(diào)的方法甚多。在測量系統(tǒng)中，常利用電抗元件組成調(diào)諧振蕩器，以電抗元件（電感或電容）作為傳感器參量，以它感受被測量的變化，作為調(diào)制信號的輸入，振蕩器原有的信號振蕩信號作為載波。當有調(diào)制信號輸入時，振蕩器輸出的即為被調(diào)制了的調(diào)頻波。當電容C和電感L并聯(lián)組成振蕩器的諧振回路時，電路的諧振頻率將為：調(diào)制與解調(diào)(20/26)無信號輸入時,x(t)=0,諧振電路的諧振頻率為:有信號輸入時,x(t)0,諧振電路的諧振頻率為:調(diào)制與解調(diào)(21/26)對上式求微分得諧振頻率的絕對變換量:在載波頻率f0附近有C1=C0,所以調(diào)制與解調(diào)(22/26)諧振頻率的表達式為用Kf表示調(diào)制與解調(diào)(23/26)無信號時,諧振電路的輸出電壓:有信號時,諧振電路的輸出電壓:調(diào)制與解調(diào)(24/26)(2)調(diào)頻波的解調(diào)調(diào)頻波是以正弦波頻率的變化來反映被測信號的幅值變化。調(diào)頻波的解調(diào)是先將調(diào)頻波變換成調(diào)頻調(diào)幅波，然后進行幅值檢波。調(diào)頻波的解調(diào)由鑒頻器完成。鑒頻器通常由線性變換電路與幅值檢波電路組成，如圖所示。調(diào)制與解調(diào)(25/26)a)鑒頻器

b)頻率-電壓特性曲線調(diào)制與解調(diào)(26/26)ufC1L1L2C2CRu0ua頻率電壓線性變換部分幅值檢波ua0ω

nωωω0t?ωtua0uat03.3.4濾波器

濾波器是一種選頻裝置，它只允許一定頻帶范圍的信號通過，同時極大地衰減其它頻率成分。

濾波器的這種篩選功能在測試技術(shù)中可以起到消除噪聲、干擾信號等作用，在自動檢測、自動控制、信號處理等領(lǐng)域得到廣泛的應用。1、濾波器的分類低通濾波器：通頻帶0～f2。高通濾波器：通頻帶f1～

帶通濾波器：通頻帶f1～f2帶阻濾波器：通頻帶0～f3與f4～

（阻帶：f3～f4）(1)根據(jù)濾波器的選頻特性分類高通濾波器幅頻特性=1-低通濾波器幅頻特性帶阻濾波器是高通和低通的組合濾波器(2/23)(2)根據(jù)濾波器的元件類型分類

RC、LC、晶體諧振及開關(guān)電容濾波器。(3)根據(jù)濾波器的電路性質(zhì)分類有源、無源濾波器。(4)根據(jù)濾波器的信號性質(zhì)分類模擬、數(shù)字濾波器。濾波器(3/23)2.理想濾波器

(1)理想濾波器模型及脈沖響應

無過渡帶且在通頻帶內(nèi)滿足不失真測試條件的濾波器稱為理想濾波器。理想濾波器的頻率響應函數(shù)為：理想濾波器的脈沖響應函數(shù)為sinc函數(shù)，若無相角滯后（t0=0）：濾波器(4/23)任何現(xiàn)實系統(tǒng)都不可能具有這種預知未來的能力在輸入

(t)到來以前,濾波器有與輸入相對應的輸出理想低通濾波器是不存在的。理想高通、帶通、帶阻濾波器也是不存在的。濾波器(5/23)ffc0-fcф(f)2πt0A00ffc-fc|H(f)|a)理想低通濾波器頻率特性t01/2fc1/fc-1/2fc-1/fc2A0fch(t)tt00h(t)b)理想低通濾波器脈沖響應函數(shù)(2)理想濾波器的階躍響應1)單位階躍輸入2)濾波器的階躍響應：濾波器(6/23)若不考慮前、后皺波，輸出從0(a點)到應有的穩(wěn)定值A(chǔ)0(b點)之間的所需建立時間為：上截止頻率3)階躍響應波形圖

4)響應時間濾波器(7/23)理想低通濾波器對單位階躍輸入的響應0ttbtaay(t)A00.5A0ba)無相角滯后,時移t0=00ty(t)tbt0taaA00.5A0bb)有相角滯后,時移t0≠0

如果按穩(wěn)態(tài)響應值的0.1～0.9作為計算建立時間的標準，則：濾波器通頻帶越寬（fc越高），建立時間越短，響應速度越快。其物理意義是：輸入信號突變處（間斷點）必然含有豐富的高頻分量。低通濾波器阻衰了高頻分量，結(jié)果將輸出波形“圓滑”。通帶越寬，阻衰的高頻分量越少，使信號能量更多更快地通過，故建立時間短，反之建立時間長。濾波器(8/23)低通濾波器對階躍響應的建立時間Te與帶寬B成反比，即：

BTe=常數(shù)該結(jié)論對高通、帶通及帶阻濾波器均成立。濾波器帶寬表示其頻率分辨力，通帶越窄，分辨力越高，顯然，高分辨力與響應速度是互相矛盾的。如果要用濾波的方法從信號中提取某一很窄的頻率成分（如作譜分析），必須有足夠的時間。5)高分辨力與響應速度的關(guān)系:濾波器(9/23)3、實際濾波器

(1)實際濾波器的基本參數(shù)理想帶通濾波器（虛線）與實際帶通濾波器（實線）的幅頻特性圖濾波器(10/23)上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬或-3dB帶寬。帶寬B決定頻率分辨力。將中心頻率f0（，幾何平均）與帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因素。f0確定，品質(zhì)因素Q越大，濾波器分辨力越高。或指在上截止頻率fc2與2fc2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減量，即頻率變化一個倍頻程的衰減量。帶寬B和品質(zhì)因素Q倍頻程選擇性W濾波器(11/23)倍頻程選擇性用dB/oct表示。有時也采用10倍頻程選擇性dB/dec。倍頻程選擇性表明濾波器過渡帶內(nèi)幅頻曲線的傾斜程度，它決定了濾波器對帶寬外頻率成分衰減的能力。顯然W越大，濾波器選擇性越好。理想濾波器

=1，通常

=1～5。有些濾波器因器件影響（如電容漏阻），阻帶衰減達不到-60dB，可用-40dB或-30dB帶寬與-3dB帶寬的比值表示。濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）

濾波器選擇性的另一種表示法。用濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值表示。濾波器(12/23)(2)RC調(diào)諧式濾波器的基本參數(shù)

1)一階RC低通濾波器

低頻段近于不失真?zhèn)鬏?。高頻段近于積分器。高頻衰減率-20dB/dec（-6dB/oct）濾波器(13/23)CRuyuxf1/2πτ1A(f)0f-450-9000φ(f)1/2πτRC低通濾波器2)一階RC高通濾波器

低頻段近于微分器。高頻段近于不失真?zhèn)鬏?。濾波器(14/23)uyuxRC高通濾波器(3)RC帶通濾波器帶通濾波器可由低通和高通濾波器串聯(lián)組成。為了消除串聯(lián)時負載效應的影響，通常用輸出跟隨器或運算放大器實現(xiàn)隔離。因此，實際帶通濾波器通常是有源的。不考慮負載效應時，帶通濾波器傳遞函數(shù)為：濾波器(15/23)C1R2C2R1uyuxH1(s)H2(s)X(s)Y(s)RC帶通濾波器4、恒帶寬比與恒帶寬濾波器

對信號做頻譜分析或摘取信號中某些頻率成分時，可以通過多個中心頻率不同的帶通濾波器實現(xiàn)，各個濾波器的輸出反映了信號在該通頻帶內(nèi)的量值。

帶通濾波器實現(xiàn)譜分析可有兩種方式：一是由一中心頻率可調(diào)的帶通濾波器獨立構(gòu)成；二是使用各自中心頻率固定，但又按一定規(guī)律相隔的濾波器組。顯然后者可以實現(xiàn)“實時”譜分析。

對濾波器組，各濾波器的通帶應相互鄰接，覆蓋整個感興趣的頻帶。即前一濾波器的-3dB上截止頻率為后一相鄰濾波器的-3dB下截止頻率。濾波器組具有相同的增益（對各中心頻率而言）。濾波器(16/23)85(1)倍頻程頻譜分析裝置中心頻率固定Q=f/B，Q相同。中心頻率f越高,帶寬B越寬。濾波器(17/23)(2)恒帶寬比濾波器（恒定百分比帶通濾波器）特點：，即品質(zhì)因數(shù)恒定。顯然，中心頻率f0越高，帶寬越大。恒帶寬比濾波器的低端截止頻率fc1與高端截止頻率fc2之間常滿足如下關(guān)系：n稱為倍頻程數(shù).n=1稱為倍頻程濾波器；n=1/3稱為1/3倍頻程濾波器。濾波器(18/23)由于：從而有：n=1時，Q=1.41；n=1/3時，Q=4.38；n=1/5時，Q=7.2。對鄰接的濾波器組，易得：只要選定n值，即可設(shè)計覆蓋給定頻率范圍的鄰接式濾波器。顯然，倍頻程數(shù)越小，Q值越大，濾波器分辨力越高。濾波器(19/23)中心頻率1631.563125250…帶寬(Hz)11.3122.2744.5588.39176.78…中心頻率12.516202531.5405063…帶寬(Hz)2.93.74.65.87.39.311.614.6…表1倍頻程濾波器

表21/3倍頻程濾波器高頻段分辨率低濾波器(20/23)(3)恒帶寬濾波器

恒帶寬濾波器帶寬恒定。在所有頻帶內(nèi)都具有良好的頻率分辨力。恒帶寬濾波器一般不宜做成固定中心頻率，而是利用一個定帶寬、定中心頻率的濾波器加上可變參考頻率的差頻變換來適應各種不同中心頻率的定帶寬濾波需要。濾波器(21/23)常用恒帶寬濾波器有相關(guān)濾波和跟蹤濾波兩種。濾波器(22/23)......fA(f)01002004006008001000a)恒帶寬帶通濾波器......fA(f)01002004006008001000b)恒帶寬比帶通濾波器恒帶寬與恒帶寬比帶通濾波器比較中心頻率在不同頻率時均有輸出(4)三種濾波器測量結(jié)果比較濾波器(23/23)04020幅值(dB)9401060f(Hz)a)實際信號04020幅值(dB)630800100012501600f(Hz)b)用1/3倍頻程分析的結(jié)果f(Hz)04020幅值(dB)9401060c)用1/10倍頻程分析的結(jié)果d)用恒帶寬濾波器分析的結(jié)果940106004020幅值(dB)f(Hz)三種濾波器測量結(jié)果比較3.4傳感器信號的計算機檢測技術(shù)3.4.1傳感器的測量電路在機電一體化系統(tǒng)中，傳感器獲取系統(tǒng)的有關(guān)信息并通過檢測系統(tǒng)進行處理，以實施系統(tǒng)的控制。通常，這種電量信號很微弱，需要由中間轉(zhuǎn)換電路進行放大、調(diào)制解調(diào)、A／D、D／A轉(zhuǎn)換等處理以滿足信號傳輸、微機處理的要求，根據(jù)需要還必須進行必要的阻抗匹配、線性化及溫度補償?shù)忍幚?。?）模擬型測量電路模擬型測量電路適用于電阻式、電感式、電磁式、電熱式等輸出模擬信號的傳感器。當傳感器為電參量式時，即被測物理量的變化引起敏感元件的電阻、電感、或電容等參數(shù)變化時，則需通過基本轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成電量(電壓、電流等)。若傳感器的輸出已是電量，則不需要基本轉(zhuǎn)換電路。（2）數(shù)字型測量電路數(shù)字型測量電路有絕對碼數(shù)字式和增量碼數(shù)字式。絕對碼數(shù)字式傳感器輸出的編碼與被測量一一對應，每一碼道的狀態(tài)由相應的光電元件讀出，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大整形后，得到與被測量相對應的編碼。輸出的信號為增量碼數(shù)字信號的傳感器，如光柵、磁柵、容柵、感應同步器、激光干涉等傳感器均使用增量碼測量電路。（3）開關(guān)型測量電路傳感器的輸出信號為開關(guān)信號，如光電開關(guān)和電觸點開關(guān)的通斷信號等。這類信號的測量電路實質(zhì)為功率放大電路。（4）轉(zhuǎn)換電路中間轉(zhuǎn)換電路的種類和構(gòu)成由傳感器的類型決定。常用的轉(zhuǎn)換電路有電橋、放大電路、調(diào)制與解調(diào)電路、數(shù)/模(D/A)與模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路等。3.4.2傳感器的計算機接口輸入到計算機的信息必須是計算機能夠處理的數(shù)字量信息。傳感器的輸出形式可分為模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量。模擬量轉(zhuǎn)換輸入方式：單通道直接型多通道一般型多通道同步型多通道同步輸入型模擬量轉(zhuǎn)換輸入方式：（1）輸入放大器被分析的信號幅值大小不一，輸入放大器（或衰減器）便是對幅值進行處理的器件。對于超過限額的電壓幅值，可以加以衰減，對于太小的幅值，則加以放大，避免影響采樣精度。（2）抗頻混濾波器在作頻域分析時，為解決頻混的影響，采樣之前通常用模擬濾波器來衰減不感興趣的高頻分量，然后根據(jù)濾波器的選擇性來確定適當?shù)牟蓸宇l率。低通濾波器為抗頻混濾波器。由于低通濾波器能衰減高頻分量，所以也可對時域分析時的信號作平滑處理?？诡l混濾波器的截止頻率一般都是多檔可選的，依信號特性選用。（3）采樣保持電路采樣保持電路在A/D轉(zhuǎn)換之前，是為A/D進行轉(zhuǎn)換期間，保持輸入信號不變而設(shè)置的。對于模擬輸入信號變化率較大的信號通道，一般都需要的。對于直流或者低頻信號通道則可不用。采樣保持電路對系統(tǒng)精度起著決定性的影響。要求采樣時，存儲電容盡快充電，以跟隨參量變化。保持時，存儲電容漏電必須接近于零，以便使輸出值保持不變。（4）模擬多路