傳感器及其接口【精制材料】

1、傳感器,1 概述,在機(jī)電一體化系統(tǒng)中有各種不同的物理量(如位移、壓力、速度等)需要測(cè)量與控制，如果沒(méi)有傳感器對(duì)原始的各種參數(shù)進(jìn)行精確而可靠的檢測(cè)，那么對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的各種控制是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此能把各種不同的非電量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器便成為機(jī)電一體化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。 作為一個(gè)獨(dú)立器件，傳感器的發(fā)展正進(jìn)入集成化、智能化研究階段。把傳感器件與信號(hào)處理電路集成在一個(gè)芯片上，就形成了信息型傳感器；若再把微處理器集成到信息型傳感器的芯片上，就是所謂的智能型傳感器。,1,行業(yè)相關(guān),1.1 傳感器的定義 傳感器： 傳感器是一種以一定的精確度將被測(cè)量(如位移、力、加速度等)轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、易于精

2、確處理和測(cè)量的某種物理量(如電量)的測(cè)量部件或裝置。,2,行業(yè)相關(guān),1.2 組成 組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、電子線路等組成。 1 敏感元件 直接感受被測(cè)量、并以確定關(guān)系輸出物理量。如彈性敏元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出。 2 轉(zhuǎn)換元件 將敏感元件輸出的非電物理量(如位移、應(yīng)變、光強(qiáng)等)轉(zhuǎn)換成電量參數(shù)(如電阻、電感、電容等)等。 3 基本轉(zhuǎn)換電路 將電路參數(shù)量轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量，如電壓、電流、頻率等。 直接轉(zhuǎn)換與間接轉(zhuǎn)換,3,行業(yè)相關(guān),傳感器的組成,4,行業(yè)相關(guān),1.3 傳感器的特性,傳感器比較常用的性能指標(biāo)有以下幾種 1. 關(guān)于輸入量的特性： (1) 量程或測(cè)量范圍 傳感器預(yù)期要測(cè)量的被測(cè)量值

3、的范圍，一般用傳感器允許測(cè)量的上下極限值來(lái)表示，其中上限值也稱為滿量程FS。 (2) 過(guò)載能力 傳感器允許承受的最大輸入量(被測(cè)量),通常用一個(gè)最大允許值或滿量程的百分比來(lái)表示。,5,行業(yè)相關(guān),2. 關(guān)于輸入輸出關(guān)系的靜態(tài)特性 (1)精度 表示測(cè)量結(jié)果與被測(cè)的“真值”的接近程度。一般用“極限誤差”或極限誤差與滿量程的比值按百分?jǐn)?shù)給出。 (2)重復(fù)性 反映傳感器在工作條件不變的情況下，重復(fù)地輸入某一相同的輸入值，其輸出值的一致性，其意義與精度類似。 (3)線性度 也稱非線性，表示傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系曲線與選定的工作曲線的靠近程度，采用工作直線與實(shí)際工作曲線之間的最大偏差值與滿量程輸出之比來(lái)

4、表示。,6,行業(yè)相關(guān),7,行業(yè)相關(guān),(4) 靈敏度 傳感器輸入增量與輸出增量之比； (5) 穩(wěn)定性(溫度漂移，時(shí)間零漂) 時(shí)間零漂: 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在溫度不變的條件下，零輸出的變化； 溫度漂移:當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，其輸出特性的變化，通常用零點(diǎn)輸出變化值表示，也可以用它與滿量程的比值來(lái)表示。,8,行業(yè)相關(guān),3. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 在被測(cè)量的物理量隨時(shí)間變化的情況下，傳感器的輸出能否很好地追隨輸入量的變化是一個(gè)很重要的問(wèn)題。有的傳感器盡管其靜態(tài)持性非常好，但由于不能很好追隨輸入量的快速變化而導(dǎo)致嚴(yán)重誤差，這種動(dòng)態(tài)誤差若不注意加以控制，可以高達(dá)百分之幾十其至百分之百。在被測(cè)信號(hào)變化速度較快的情況下要求我

5、們要認(rèn)真注意傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)持性。 頻率響應(yīng)特性 幅頻特性 相頻特性 階躍響應(yīng)特性 時(shí)間常數(shù) 上升時(shí)間 過(guò)沖量(超調(diào)量) 固有頻率 阻尼比(對(duì)數(shù)減縮),9,行業(yè)相關(guān),1.4 傳感器的分類 傳感器的分類方法有多種; 1、 按被測(cè)物理量的性質(zhì)分；位移傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等等； 2、按工作機(jī)理分；電阻式、電感式、電容式、光電式； 3、按照輸出信號(hào)的性質(zhì)分類；可分為開(kāi)關(guān)型(二值型) 、數(shù)字型和模擬型，如下圖所示：,10,行業(yè)相關(guān),11,行業(yè)相關(guān),1 開(kāi)關(guān)型 開(kāi)關(guān)型傳感器的二值就是“1”和“0”或開(kāi)(ON)和關(guān)(OFF)。這種“l(fā)”和“0”數(shù)字信號(hào)可直接傳送到微機(jī)進(jìn)行處理，使用方便。,12,行

6、業(yè)相關(guān),特性曲線中如果設(shè)輸出狀態(tài)從斷到通時(shí)的輸入值為INon，而從通到斷時(shí)的輸入值為INoff，則特性滿足 INoffINon INoff與INon的差稱為磁滯寬度或瞬動(dòng)(snap)寬度。,二值型傳感器的實(shí)用特性,13,行業(yè)相關(guān),2 數(shù)字型 數(shù)字型傳感器有計(jì)數(shù)型和代碼型兩大類。 其中計(jì)數(shù)型又稱脈沖數(shù)字型； 它可以是任何一種脈沖發(fā)生器，所發(fā)出的脈沖數(shù)與輸入量成正比，加上計(jì)數(shù)器就可對(duì)輸入量進(jìn)行計(jì)數(shù)，如可用來(lái)檢測(cè)通過(guò)輸送帶上的產(chǎn)品個(gè)數(shù)，也可用來(lái)檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量。這時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)每移動(dòng)一定距離或轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度就會(huì)發(fā)生一個(gè)脈沖信號(hào)，例如增量式光電碼盤和檢測(cè)光柵就是如此。 代碼型傳感器又稱編碼器，它輸出的信

7、號(hào)是數(shù)字代碼，每一代碼相當(dāng)于一個(gè)一定的輸入量之值。,14,行業(yè)相關(guān),3 模擬型 模擬型傳感器的輸出是與輸入物理量變化相對(duì)應(yīng)的連續(xù)變化的電量。輸入與輸出可以是線性的也可以是非線性的。,15,行業(yè)相關(guān),1.5 機(jī)電系統(tǒng)對(duì)傳感器的基本要求 1. 精度和靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高； 2. 體積小、重量輕、對(duì)整機(jī)的適應(yīng)性好； 3. 安全可靠、壽命長(zhǎng)； 4. 便于與計(jì)算機(jī)連接； 5. 不易受被測(cè)對(duì)象性(如電阻、導(dǎo)磁率)的影響，也不影響外部環(huán)境； 6. 對(duì)環(huán)境條件適應(yīng)能力強(qiáng); 7. 現(xiàn)場(chǎng)處理簡(jiǎn)單、操作性能好； 8. 價(jià)格便宜。,16,行業(yè)相關(guān),1.6 機(jī)電系統(tǒng)常用傳感器 1. 位移檢測(cè)傳感器 位移

8、測(cè)量是直線位移測(cè)量和角位移測(cè)量的總稱，位移測(cè)量在機(jī)電一體化領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，這不僅因?yàn)樵诟鞣N機(jī)電一體化產(chǎn)品戶常需位移測(cè)量，而且還因?yàn)樗俣取⒓铀俣攘?、壓力、扭矩等參?shù)的測(cè)量都是以位移測(cè)量位移為基礎(chǔ)的。 直線位移傳感器主要有：電感傳感器、差動(dòng)變壓器傳感器、電容傳感器、感應(yīng)同步器和光柵傳感器。 角位移傳感器主要有：電容傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼盤等。,17,行業(yè)相關(guān),2. 速度、加速度傳感器 檢測(cè)轉(zhuǎn)速的傳感器有測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。 檢測(cè)加速度可用電容式或壓電式加速度傳感器。 檢測(cè)直線運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，可以將直線運(yùn)動(dòng)變換成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后再用轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)。采用數(shù)字型傳感器檢測(cè)位移時(shí)，也可

9、同時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)速度。 對(duì)于計(jì)數(shù)型傳感器，可通過(guò)檢測(cè)其脈沖頻率來(lái)得到運(yùn)動(dòng)速度的數(shù)據(jù)。代碼型傳感器，則可通過(guò)檢測(cè)其代碼變換周期來(lái)確定運(yùn)動(dòng)的速度。,18,行業(yè)相關(guān),n = 60N/Zt n轉(zhuǎn)速 r/min t 測(cè)量時(shí)間 s N -t內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù) Z - 圓盤上的縫隙個(gè)數(shù),19,行業(yè)相關(guān),3. 力、力矩傳感器 利用應(yīng)變片可以制成應(yīng)力傳感器、力傳感器和力矩傳感器，還可將應(yīng)變片直接貼在被檢測(cè)部分來(lái)檢測(cè)力、壓力和力矩的大小，所使用的應(yīng)變片有電阻絲式、金屬箔式和半導(dǎo)體式。,20,行業(yè)相關(guān),4 位置傳感器 位置傳感器和位移傳感器不一樣，它所測(cè)量的不是一段距離的變化量，而是通過(guò)檢測(cè)，確定是否已到某一位置。因此，它只

10、需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量就可以了。 位置傳感器分接觸式和接近式兩種。所謂接觸式傳感器就是能獲取兩個(gè)物體是否己接觸的信息的一種傳感器；而接近式傳感器是用來(lái)判別在某一范圍內(nèi)是否有某物體的一種傳感器。,21,行業(yè)相關(guān),(1) 接觸式位置傳感器 這類傳感器用微動(dòng)開(kāi)關(guān)之類的觸點(diǎn)器件便可構(gòu)成，它分以下兩種 a. 由微動(dòng)開(kāi)關(guān)制成的位置傳感器,22,行業(yè)相關(guān),二維矩陣式配置的位置傳感器 1、柔軟電極 2、柔軟絕緣體,23,行業(yè)相關(guān),(2) 接近式位置傳感器 接近式位置傳感器按其工作原理主要分：電磁式；光電式；靜電容式；超聲波式；氣壓式等。其基本工作原理可用下圖表示出來(lái)。 接近式位置傳感器的工作原理,24

11、,行業(yè)相關(guān),5 視覺(jué)傳感器 視覺(jué)傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用有：1、確定對(duì)象物的位置與姿勢(shì)； 2、圖像識(shí)別：確定對(duì)象物的特征(識(shí)別符號(hào)、讀出文字、識(shí)別物體)； 3、形狀、尺寸檢驗(yàn)：檢查零件形狀和尺寸方面的缺陷。 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中采用的視覺(jué)傳感器有光導(dǎo)攝像管攝像機(jī)、固體半導(dǎo)體攝像機(jī)、激光視覺(jué)傳感器等。固體半導(dǎo)體攝像器件有CMOS型(金屬氧化物集成電路)、CCD型(電荷耦合器件)以及CMOS和CCD混合型等。,25,行業(yè)相關(guān),2 傳感器與微機(jī)的接口技術(shù) 輸入到微型機(jī)的信息必須是微型機(jī)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(kāi)關(guān)量。與此相應(yīng)的有三種基本接口方式，見(jiàn)下表。,26

12、,行業(yè)相關(guān),4.2.1 數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量的接口 可以通過(guò)緩沖器直接輸入到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線上。 4.2.2 模擬量的接口 1. 模擬量的數(shù)字化過(guò)程 (1) 時(shí)間斷續(xù),27,行業(yè)相關(guān),采樣定理 設(shè)信號(hào)最高頻率為fc, 在采樣頻率fs= 2fc為的條件下，采樣后的信號(hào)能無(wú)失真的恢復(fù)為原來(lái)的模擬信號(hào)。 (2) 數(shù)值斷續(xù) 數(shù)值斷續(xù)的過(guò)程叫量化，所謂的量化就是把采樣信號(hào)的幅值與某個(gè)最小數(shù)量單位的一系列整數(shù)倍數(shù)比較，以最接近于采樣信號(hào)幅值的最小數(shù)量單位的倍數(shù)來(lái)代替該幅值。最小單位叫量化單位，它定義為量化器的滿量程電壓FSR與2n的比值； q=FSR/2n 例 當(dāng)FSR=10V, n=8時(shí) q = 39.1mv

13、當(dāng)FSR=10V, n=12時(shí) q = 2.44mv 當(dāng)FSR=10V, n=16時(shí) q = 0.15mv 完成量化的器件叫量化器，即A/D轉(zhuǎn)換器。,28,行業(yè)相關(guān),2 模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器 模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)量化和編碼后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的器件。 根據(jù)比較的工作原理可分為直接比較型和間接比較型兩大類。 (1) 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器 結(jié)構(gòu)與工作原理,29,行業(yè)相關(guān),去留碼規(guī)則， UI = UF 保留 1 UI UF 不保留 1, 置零 UF = UREF(2-1a1 + 2-1a2 . +2-nan),30,行業(yè)相關(guān),31,行業(yè)相關(guān),AD574A是美國(guó)模擬數(shù)字公司（Analog）推

14、出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下： 分辨率：12位 非線性誤差：小于1/2LBS或1LBS 轉(zhuǎn)換速率：25us 模擬電壓輸入范圍：010V和020V，05V和010V兩檔四種 電源電壓：15V和5V 數(shù)據(jù)輸出格式：12位/8位,32,行業(yè)相關(guān),12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器AD574與單片機(jī)8051的接口電路,33,行業(yè)相關(guān),(2) 雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器 結(jié)構(gòu)與工作原理,34,行業(yè)相關(guān),ICL 7109是

15、一種高精度、低噪聲、低漂移、價(jià)格低廉的雙積分型12位A/D轉(zhuǎn)換器。在要求轉(zhuǎn)換速度不太高的場(chǎng)合，如用于稱重測(cè)力、測(cè)溫度等各種傳感器信號(hào)的高精度測(cè)量系統(tǒng)中時(shí)，可采用廉價(jià)的雙積分式12位A/D轉(zhuǎn)換器ICL 7109。 ICL 7109主要有如下特性： (1) 高精度(12位) (2) 低噪聲(典型值為15VP-P); (3)低漂移(1V/)； (4)高輸入阻抗(典型值1012); (5)低功耗(20mW); (6)轉(zhuǎn)換速度最快達(dá)30次/秒，當(dāng)采用3.58MHz晶振作振源時(shí)，速度為7.5次/秒；,35,行業(yè)相關(guān),ICL 7109與8031接口電路,36,行業(yè)相關(guān),3 采樣/保持器 在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)

16、變換時(shí)，從啟動(dòng)變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定的時(shí)間，即AD轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間。 當(dāng)輸入信號(hào)頻率提高時(shí)，由于孔徑時(shí)間的存在，可能會(huì)造成較大的轉(zhuǎn)換誤差；要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在AD轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)將信號(hào)電平保持住，而在AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化，即對(duì)輸入信號(hào)處于采樣狀態(tài)。 能完成這種功能的器件叫采樣/保持器，從上面分析也可知，采樣/保持器在保持階段相當(dāng)于一個(gè)“模擬信號(hào)存儲(chǔ)器”。,37,行業(yè)相關(guān),采樣保持器的組成與工作原理,38,行業(yè)相關(guān),單片集成采樣/保持電路LF198,在LF198中，采用了雙極型與CMOS型混合工藝。當(dāng)CH =0.01uF時(shí)，輸出電壓的下降率達(dá)到10-3 mv/s

17、以下.,39,行業(yè)相關(guān),4 模擬多路開(kāi)關(guān) 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，經(jīng)常對(duì)許多傳感器信號(hào)進(jìn)行采集和控制。如果每一路都單獨(dú)采用各自的輸入回路，即每一路都采用放大、采樣/保持、A/D等環(huán)節(jié)，不僅成本比單路成倍的增加，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，且由于模擬器件，阻容元件參數(shù)和特性不一致，對(duì)系統(tǒng)的校準(zhǔn)帶來(lái)很多困難。因此除特殊情況下，多采用公共的采樣/保持及A/D轉(zhuǎn)換電路。要實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)，往往需要采用模擬多路開(kāi)關(guān)，將各路信號(hào)按照一定的順序切換到后續(xù)電路中。,40,行業(yè)相關(guān),CD 4051 模擬多路開(kāi)關(guān)的組成與工作原理,41,行業(yè)相關(guān),42,行業(yè)相關(guān),5 測(cè)量放大器 在許多檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器輸出的信號(hào)往往較弱，

18、而且其中還包括工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。習(xí)慣上將具有這種特點(diǎn)的放大器稱為測(cè)量放大器或儀表放大器。 下圖為三個(gè)運(yùn)放組成的測(cè)量放大器，差動(dòng)輸入端UI1和UI2分別是兩個(gè)運(yùn)算放大器(A1、A2)的同相輸入端，因此輸入阻抗很高，采用對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)，而且被測(cè)信號(hào)直接加入到輸入端上，從而保證了較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。A3實(shí)際上是一差動(dòng)跟隨器，其增益近似為1。測(cè)量放大器的放大倍數(shù)由下式確定：,43,行業(yè)相關(guān),為了提高共模抑制比和降低溫飄的影響，測(cè)量放大器采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)， 即取R1=R2，R3=R4, R5=R6, 則增益

19、K 可由下式計(jì)算,44,行業(yè)相關(guān),常用的測(cè)量放大器(儀表放大器)AD620的典型應(yīng)用電路,45,行業(yè)相關(guān),6 傳感器模擬量接口的幾種形式 (1) 多通道一般型 特點(diǎn)：適合于中低速采樣，在A/D轉(zhuǎn)換器為逐次逼近式的情況下，必須加采樣保持器。在采用間接比較式A/D轉(zhuǎn)換器的情況下可以不加采樣保持器。此方案可有效降低接口成本。 結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程：,46,行業(yè)相關(guān),(2) 多通道同時(shí)采樣共享A/D轉(zhuǎn)換器型 特點(diǎn)：可以保證多路信號(hào)的相位關(guān)系，可以降低接口成本。 結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程：,47,行業(yè)相關(guān),(3) 多通道并行A/D轉(zhuǎn)換型 特點(diǎn)：適合于高速、超高速信號(hào)轉(zhuǎn)換，能夠保證各路信號(hào)的相位，成本較高。 結(jié)構(gòu)與工作過(guò)

20、程：,48,行業(yè)相關(guān),3 傳感器的非線性補(bǔ)償處理,在機(jī)電一體化測(cè)控系統(tǒng)中，特別是需對(duì)被測(cè)參量進(jìn)行測(cè)量、顯示時(shí)，總是希望傳感器及檢測(cè)電路的輸出和輸入特性呈線性關(guān)系使測(cè)量對(duì)象在整個(gè)刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。 以往在使用模擬電路組成檢測(cè)回路時(shí)，為了進(jìn)行非線性補(bǔ)償，通常用硬件電路組成各種補(bǔ)償回路。 非線性補(bǔ)償完全可以用計(jì)算機(jī)的軟件來(lái)完成，其補(bǔ)償過(guò)程較簡(jiǎn)單，精確度也很高，又減少了硬件電路的復(fù)雜性。,49,行業(yè)相關(guān),常用的非線性軟件處理方法主要有兩種：插值法和計(jì)算法,3.1 插值法,50,行業(yè)相關(guān),3.2 擬合計(jì)算法 1、對(duì)所給的數(shù)據(jù)點(diǎn)，尋找一條曲線，使得在同一坐標(biāo)點(diǎn)xi處，曲

21、線上的點(diǎn)與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)之間的誤差平方和最小，以這種度量方法確定擬合曲線稱為最小二乘原理。,51,行業(yè)相關(guān),4.4 傳感器輸出信號(hào)的數(shù)字濾波,在機(jī)電一體化測(cè)控系統(tǒng)的輸入信號(hào)中，一般都含有各種干擾信號(hào)，它們主要來(lái)自被測(cè)信號(hào)本身、傳感器或者外界的干擾。為了提高信號(hào)的可靠性，減小虛假信息的影響，可采用軟件方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。 數(shù)字濾波就是通過(guò)一定算法程序的計(jì)算或判斷來(lái)剔除或減少干擾信號(hào)成分，提高信噪比。 它與硬件濾波器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 數(shù)字濾波是用軟件程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加任何硬件設(shè)備，也不存在阻抗匹配問(wèn)題，可以多個(gè)通道共用，不但節(jié)約投資，還可提高可靠性、穩(wěn)定性。 (2) 可以對(duì)頻率很低的信號(hào)實(shí)

22、現(xiàn)濾波，而模擬RC濾波器由于受電容容量的限制,頻率不可能太低。 (3) 靈活性好，可以用不同的濾波程序?qū)崿F(xiàn)不同的濾波方法，或改變?yōu)V波器的參數(shù)。 正因?yàn)橛密浖?shí)現(xiàn)數(shù)字濾波具有上述特點(diǎn)，所以在機(jī)電一體化測(cè)控系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。,52,行業(yè)相關(guān),數(shù)字濾波的方法有很多種，可以根據(jù)不同的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行選擇。下面介紹幾種常用的數(shù)字濾波方法及程序。,4.4.1 算術(shù)平均值法,式中: xi第i次采樣值； Y數(shù)字濾波的輸出； N采樣次數(shù)。 N的選取應(yīng)按具體情況決定。若N大，則平滑度高，靈敏度低，但計(jì)算量較大。一般而言，對(duì)于流量信號(hào)，推薦取N12；壓力信號(hào)取N=4。,53,行業(yè)相關(guān),4.4.2 中值濾波法

23、 所謂“中值濾波法”，就是對(duì)某一個(gè)被測(cè)量連續(xù)采樣n次(一般取奇數(shù))，然后把n個(gè)采樣值從小到大(或從達(dá)到小)排序，再取中間值作為本次采樣的結(jié)果。 X1 X2 X3 X4X5 ， 取X3 中值濾波能有效地濾去由于偶然因素引起的波動(dòng)(脈沖)或采樣器的不穩(wěn)定造成的誤碼等引起的脈沖干擾。對(duì)緩慢變化的過(guò)程變過(guò)采用中值濾波有效果。中值濾波不宜用于快速變化的過(guò)程參數(shù)。,54,行業(yè)相關(guān),4.4.3 防脈沖干擾復(fù)合濾波法,將算術(shù)平均值法和中值濾波法結(jié)合起來(lái)，便可得到防脈沖干擾平均值法。 它是先用中值濾波原理濾除由于脈外干擾引起誤差的采樣值，然后把剩下的采樣值進(jìn)行算術(shù)平均。,55,行業(yè)相關(guān),3 智能傳感器,3.1

24、智能傳感器的概念,智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器(或微計(jì)算機(jī))相結(jié)合而構(gòu)成的,它充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力,對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并能對(duì)它的內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié),使采集的數(shù)據(jù)最佳。,4.3.2 智能傳感器的功能與特點(diǎn),智能傳感器的功能概括起來(lái)主要有以下7個(gè)； 自補(bǔ)償能力: 通過(guò)軟件對(duì)傳感器的非線性、溫度漂移、時(shí)間漂移、響應(yīng)時(shí)間 等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。,(2) 自校準(zhǔn)功能: 操作者輸入零值或某一標(biāo)準(zhǔn)量值后,自校準(zhǔn)軟件可以自動(dòng)地對(duì)傳 感器進(jìn)行在線校準(zhǔn)。,(3) 自診斷功能: 接通電源后,可對(duì)傳感器進(jìn)行自檢,檢查傳感器各部分是否正常, 并可診斷發(fā)生故障的部件。,(4) 數(shù)值處理功能: 可以根據(jù)智能

25、傳感器內(nèi)部的程序,自動(dòng)處理數(shù)據(jù),如進(jìn)行統(tǒng)計(jì) 處理,剔除異常值等。,56,行業(yè)相關(guān),(5) 雙向通信功能: 微處理器和基本傳感器之間構(gòu)成閉環(huán),微處理機(jī)不但接收、處 理傳感器的數(shù)據(jù),還可將信息反饋至傳感器,對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行調(diào) 節(jié)和控制。,(6) 信息存儲(chǔ)和記憶功能。,(7) 數(shù)字量輸出功能: 輸出數(shù)字信號(hào),可方便的和計(jì)算機(jī)或接口總線相連。,目前研制的智能傳感器通常只具有上述功能中的一部分。傳統(tǒng)的傳感器只能作為敏感元件,檢測(cè)物理量的變化, 而智能傳感器則包括測(cè)量信號(hào)調(diào)理(如濾波、放大、/轉(zhuǎn)換等)、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示等。它幾乎包括了儀器儀表的全部功能。可見(jiàn)智能傳感器的功能已延伸到儀器的領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,智能傳感器的功能將逐步增強(qiáng),它將利用人工智能、信息處理技術(shù)(如傳感器信息融合技術(shù)、模糊理論等),使傳感器具有更高級(jí)的智能,具有分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能,可以完成如圖象識(shí)別、特征檢測(cè)、多維檢測(cè)等復(fù)雜任務(wù)。,57,行業(yè)相關(guān),3.3 智能傳感器的組成與結(jié)構(gòu),智能傳感器主要由傳感器、微處理器(或微計(jì)算機(jī))及相關(guān)電路組成,其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示,58,行業(yè)相關(guān),智能傳感器結(jié)構(gòu)原理框圖,59,行業(yè)相關(guān),智能傳感器的結(jié)構(gòu)可以是集成的,也可以是分離式,按結(jié)構(gòu)