機(jī)電一體化3檢測(cè)

1、3檢測(cè)系統(tǒng)3.1檢測(cè)系統(tǒng)的功用與特性3.1. 1檢測(cè)系統(tǒng)的基本功能檢測(cè)系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的一個(gè)基本要素，其功能是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中所需的自身和外界 環(huán)境參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，將其變換成系統(tǒng)可識(shí)別的電信號(hào)，傳遞給信息處理單元。如果把 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械系統(tǒng)看作是人的手足，信息處理系統(tǒng)看作是人的大腦，則檢測(cè)系統(tǒng) 好比是人的“感覺器官”。根據(jù)被檢測(cè)物理量特性不同，檢測(cè)系統(tǒng)可以分為運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，主要完成位移、 速度、加速度及振動(dòng)的檢測(cè)；力學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，主要檢測(cè)拉壓力、彎扭力矩及應(yīng)力等；其 他物理量檢測(cè)系統(tǒng)，如溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、酸堿度檢測(cè)、光照強(qiáng)度及聲音檢測(cè)等；圖象檢 測(cè)系統(tǒng)，主要指利用攝像頭及

2、圖像采集電路完成圖象的輸入。根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間特性不同，檢測(cè)系統(tǒng)又可分為模擬量檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)字量檢測(cè)系統(tǒng)。 模擬量檢測(cè)系統(tǒng)完成時(shí)間上連續(xù)、具有幅值意義的模擬信號(hào)的檢測(cè)，而數(shù)字量檢測(cè)系統(tǒng)完成 時(shí)間上不連續(xù)、沒有幅值意義的脈沖信號(hào)的檢測(cè)。3.1.2檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性在滿足檢測(cè)系統(tǒng)基本功能要求的前提下，應(yīng)以技術(shù)上合理可行，經(jīng)濟(jì)上節(jié)約為基本原則， 對(duì)設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)提出基本要求。（1）靈敏度及分辨率靈敏度S是檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)基本參數(shù)。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)的輸入x有一個(gè)微小的增量Ax時(shí)，引 起輸出y發(fā)生相應(yīng)變化Ay，則稱(3-1)S = / Ax(3-1)為該系統(tǒng)的絕對(duì)靈敏度。如一位移檢測(cè)裝置在位移變化I”時(shí)，輸出的

3、電壓變化為 30mV，則其靈敏度為30mV/mm。分辨率是檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)量敏感程度的另一種表示形式，它是指系統(tǒng)能檢測(cè)到的被檢測(cè) 量的最小變化，如一個(gè)位移檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率為0.2mm，是指當(dāng)位移變化小于0.2mm時(shí)，不 能保證系統(tǒng)的輸出在允許的誤差范圍內(nèi)。一般情況下系統(tǒng)靈敏度越高，其分辨能力就越強(qiáng)， 而分辨率高也意味著系統(tǒng)具有高的靈敏度。原則上說，檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度應(yīng)盡可能高一些，高靈敏度意味著它能“感知”到被檢測(cè) 對(duì)象的微小變化。但是，高靈敏度或高分辨率系統(tǒng)對(duì)信號(hào)中的噪音成分也同樣敏感，噪音也 可能被系統(tǒng)的放大環(huán)節(jié)放大。如何達(dá)到即能檢測(cè)到微小的被檢測(cè)量的變化，又能使噪音被抑 制到最小程度，是檢測(cè)

4、系統(tǒng)主要技術(shù)目標(biāo)之一。高靈敏度或高分辨率的檢測(cè)系統(tǒng)，其有效量程范圍往往不是很寬，穩(wěn)定性也往往不是很 好。因此，在選擇設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)綜合考慮上述各因素，合理確定測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度及 分辨率。（2）精確度精確度又稱準(zhǔn)確度，它表示檢測(cè)系統(tǒng)所獲得的檢測(cè)結(jié)果與被測(cè)量真值的一致程度，精確 度在一定程度上反映出檢測(cè)系統(tǒng)各類誤差的綜合情況。精確度越高，表明檢測(cè)結(jié)果中包含系 統(tǒng)自身誤差和隨機(jī)誤差就越小。根據(jù)誤差理論，一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精確度取決于組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)精確度的最小值。所以 在選擇設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該盡可能保持各環(huán)節(jié)具有相同或相近的精確度。如果某一環(huán)節(jié)精 確度太低，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。若不能保證各環(huán)節(jié)

5、具有相同的精確度，應(yīng)該按前面環(huán) 節(jié)精確度高于后面環(huán)節(jié)的原則布置系統(tǒng)。選擇一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精確度，應(yīng)從檢測(cè)系統(tǒng)的最終目的及經(jīng)濟(jì)情況等幾方面綜合考慮。 如為了控制農(nóng)機(jī)具的入土深度而進(jìn)行的地表不平度的檢測(cè)，由于入土深度并不要求很高的準(zhǔn) 確度，則檢測(cè)系統(tǒng)的精確度也不必選擇很高。如果為了控制機(jī)械手進(jìn)行某項(xiàng)精確的作業(yè)，其 機(jī)械手的各位置及姿態(tài)檢測(cè)就應(yīng)要求達(dá)到較高的精確度。另一方面，精確度高的設(shè)備或部件， 其價(jià)格通常也很高，為了獲得最佳的系統(tǒng)性能價(jià)格比，也應(yīng)適當(dāng)、合理地選擇檢測(cè)系統(tǒng)精確 度。（3）系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)的響應(yīng)總有一定差別，在一定頻率范圍內(nèi)保持這 種差別最小是十分重

6、要的。系統(tǒng)響應(yīng)特性表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是將等幅值不同頻率的信號(hào)輸 入給測(cè)試系統(tǒng)，其輸出信號(hào)的幅值不可能保持完全相等，總要有一定的變化。某一頻率附近 的輸出幅值可能大于其他頻率的幅值，對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)，這種變化會(huì)產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差；二 是系統(tǒng)的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)相比，在時(shí)間上總會(huì)有一些延遲，顯然這種延遲時(shí)間越短越好。 在選擇設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，特別是被檢測(cè)信號(hào)頻率較高，或要求能對(duì)被測(cè)量的變化做出快速反 映的系統(tǒng)，應(yīng)該充分考慮檢測(cè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。（4）穩(wěn)定性穩(wěn)定性表示在規(guī)定的測(cè)試條件下，檢測(cè)系統(tǒng)的特性隨時(shí)間的推移而保持不便的能力。影 響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素主要有環(huán)境參數(shù)、組成系統(tǒng)元器件的特性等。如溫度、濕度

7、、振動(dòng)情況、 電源電壓波動(dòng)情況、元件溫度變化系數(shù)等。在被測(cè)量不變情況下，經(jīng)過一定時(shí)間后，其輸出發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為漂移。如果輸 入量為零，這種漂移又叫零漂。系統(tǒng)的漂移或零漂一般是由于系統(tǒng)本身對(duì)溫度的變化敏感， 以及元器件特性不穩(wěn)定等因素引起的。顯然這種漂移是我們所不希望的，設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)應(yīng) 采取一定措施減小這種漂移。（5）線性特性檢測(cè)系統(tǒng)的線性特性反映了系統(tǒng)的輸入、輸出能否象理想系統(tǒng)那樣保持常值的比例關(guān)系。 檢測(cè)系統(tǒng)的線性特性可用系統(tǒng)的非線性度來表示。所謂非線性度是指在有效量程范圍內(nèi)，測(cè) 量值與由測(cè)量值擬合成的直線間最大相對(duì)偏差。系統(tǒng)產(chǎn)生非線性度的因素主要是由于組成系 統(tǒng)的元件存在非線性，或

8、系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇不合理，使某些環(huán)節(jié)或部件工作狀態(tài)進(jìn)入非線性 區(qū)。在選擇設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，非線性度應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)。（6）檢測(cè)方式檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際工作條件下的測(cè)量方式也是設(shè)計(jì)選擇系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮的因素之一，如接觸 式與非接觸式檢測(cè)、在線檢測(cè)與非在線檢測(cè)等。采用不同的檢測(cè)方式，對(duì)系統(tǒng)的要求也有所 不同。對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)量的檢測(cè)，一般采用非接觸式檢測(cè)方法。接觸檢測(cè)不僅會(huì)對(duì)被檢測(cè)量產(chǎn)生 一定程度的不良影響，而且存在著許多難以解決的技術(shù)問題，如接觸狀態(tài)的變化、檢測(cè)頭的 磨損等。對(duì)非運(yùn)動(dòng)參數(shù)的檢測(cè)，如非運(yùn)動(dòng)部件的受力檢測(cè)、溫度的檢測(cè)等，可以或必須采用 接觸方式進(jìn)行檢測(cè)，接觸式檢測(cè)不但更容易獲得信號(hào)，而且系統(tǒng)的造

9、價(jià)也要低一些。在線檢測(cè)是指在被檢測(cè)系統(tǒng)處于正常工作情況下的檢測(cè)，顯然在線檢測(cè)可以獲得更真實(shí) 的數(shù)據(jù)，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的檢測(cè)多數(shù)為在線檢測(cè)。在線檢測(cè)必須在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)條件下進(jìn)行， 在選擇設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的工作環(huán)境和一些不可控因素對(duì)被檢測(cè)量的影響及對(duì) 檢測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)的影響等因素。3.2常用傳感器傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)中第一個(gè)環(huán)節(jié)，其性能直接影響檢測(cè)系統(tǒng)的性能。因此，合理選擇設(shè) 計(jì)傳感器是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于機(jī)電一體化系統(tǒng)中被檢測(cè)物理量的種類較多，并且傳感器的工作原理不同，因此傳 感器的種類也很繁多。有些傳感器可以同時(shí)檢測(cè)多個(gè)參數(shù)，而一種參數(shù)又可以用不同類型的 傳感器進(jìn)行檢測(cè)。表3-1

10、列舉了傳感器的常見分類方法。表3-1傳感器的分類分類方法傳感器種類說明角位移傳感器、線位移傳感器、速度傳感按被檢測(cè)量器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳 感器等以被檢測(cè)物理量命名按工作原理分類應(yīng)變式、電感式、電磁式、光電式、壓電式、 熱電式根據(jù)傳感器工作原理命名按輸出信號(hào)分類模擬量傳感器數(shù)字量傳感器輸出為模擬量輸出為數(shù)字量3.2.1線位移傳感器線位移傳感器是利用敏感元件某些電參數(shù)隨位移變化而改變的特性進(jìn)行工作的。常用的 線位移傳感器有電阻式、電感式、電容式等。（1）電阻式線位移傳感器電阻式線位移傳感器又分為電位器式和電阻應(yīng)變式。電位器式傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖3-1 所示。被測(cè)部件的移動(dòng)通過拉桿帶動(dòng)

11、電刷C移動(dòng)，從而改變C點(diǎn)的電位，通過檢測(cè)C點(diǎn)的電 位即可達(dá)到檢測(cè)C點(diǎn)位移的目的。電阻器可以是一段均勻的電阻絲，也可以利用線繞電阻器， 對(duì)小位移的測(cè)量也可以采用精密的直線碳膜線性電阻。電阻應(yīng)變式位移傳感器是通過檢測(cè)彈 性元件由于位移而產(chǎn)生應(yīng)變的原理來間接檢測(cè)位移的。線圈管線圈灸組A圖3-1電位器式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖圖3-2差動(dòng)電感式線位移傳感器結(jié)構(gòu)原理圖（2）電感式線位移傳感器電感式線位移傳感器分為差動(dòng)電感式和差動(dòng)變壓器式兩種類型。差動(dòng)電感式線位移傳感 器利用磁芯在感應(yīng)繞組中位置的變化引起兩個(gè)繞組電感的改變?cè)?，?shí)現(xiàn)位移檢測(cè)，其結(jié)構(gòu) 原理如圖3-2所示。磁芯一般采用鐵氧體，線圈管可采用硬質(zhì)絕緣樹脂

12、管或硬質(zhì)塑料管，兩 繞組要求匝數(shù)及疏密相同，以保證感抗相同。差動(dòng)變壓器式是在互感傳感器基礎(chǔ)上，在兩個(gè) 互感繞組中間再增加一個(gè)勵(lì)磁繞組，并利用一定頻率的電流進(jìn)行勵(lì)磁，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在繞 組A和繞組B上分別產(chǎn)生感應(yīng)電壓。兩種電感式傳感器繞組接法都接成差動(dòng)式。差動(dòng)電感式接法如圖3-3所示，兩繞組接入勵(lì)磁經(jīng)組C圖勵(lì)磁經(jīng)組C圖3-3差動(dòng)電感式接線圖圖3-4差動(dòng)變壓器式接線圖交接入交流電橋的鄰臂，當(dāng)兩繞組電感不相同時(shí)，電橋失去平衡，進(jìn)而通過電橋的輸出檢測(cè) 出磁芯的位移。圖3-4為差動(dòng)互感式兩繞組的接線方法，兩繞組反向串接，當(dāng)磁芯處在中心 位置時(shí)，兩繞組的感應(yīng)電壓相同，方向相反，輸出端無輸出；當(dāng)磁芯偏離中心

13、位置時(shí)，兩繞 組的感應(yīng)電壓不等，輸出端輸出它們的電壓差。偏離越大，輸出的電壓差就越大。通過檢測(cè) 輸出端的電壓值，即可檢測(cè)磁芯在繞組中的位置。電感式線位移傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍寬，分辨率高及線性度好等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是回程誤差較大。動(dòng)態(tài)范圍最大一般可達(dá)到5001000mm，非線性度一般小于1%,最小分辨率可以達(dá) 到 0.01 p m。（3）電容式線位移傳感器平行板電容器的電容值C取決于極板的有效面積S，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，及兩極 板間的距離0，參數(shù)之間關(guān)系如下（3-2）C = sS / 6（3-2）顯然，只要改變其中任意一個(gè)參數(shù)，就會(huì)引起電容值的變化。如改變兩極板的有效面積， 通過檢測(cè)電路將電容量的變化

14、轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出，即可確定位移的大小。電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)特性好、靈敏度高等特點(diǎn)，并可用于非接觸檢測(cè)，故 被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)系統(tǒng)中。（4）編碼式線位移傳感器編碼式線性傳感器是利用一組電刷拾取按一定編碼方式，對(duì)不同位置進(jìn)行0/1編碼的編碼 尺上的電位來檢測(cè)電刷的位置。圖3-5為一具有四位碼的編碼式線位移傳感器原理圖。為了減少兩組相鄰編碼之間由于過多改變位碼數(shù)而造成的編碼競(jìng)爭(zhēng)，在安排編碼時(shí)應(yīng)保 證相鄰兩組編碼間只有一位變化，圖3-5中給出了 16個(gè)編碼的安排方案，這點(diǎn)和二進(jìn)制編碼 方法不同。由于這種傳感器利用電刷拾取編碼，其分辨率不會(huì)太高，也容易由于磨損等原因造成編 碼錯(cuò)誤，并且工作時(shí)需要

15、經(jīng)常維護(hù)，因此這種傳感器已逐漸被光柵傳感器所取代。圖3-7旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器原理圖TLj圖3-7旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器原理圖TLjz光電三極誓（5）光柵式線位移傳感器光柵式線位移傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖3-6所示。傳感器由光柵和光電組件組成，當(dāng)光柵和 光電組件產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)，光電三極管便產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)，通過檢測(cè)電路（或計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)）對(duì)產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可確定其相對(duì)位移量。所謂光柵實(shí)際上是一條均勻刻印條紋 的塑料帶，條紋間距可以做得很小，一般可以做到p m級(jí)，以提高位移檢測(cè)精度。光柵位移 傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、分辨率高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在精密儀器，數(shù)控機(jī)床上。圖3-6光柵線位移傳感器原理圖3.2.2角位

16、移傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器（1）電阻式角位移傳感器電阻式角位移傳感器的工作原理和電位器式線位移傳感器相似，不同之處是將電阻器做 成圓弧型，電刷繞中心軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣電刷輸出的電壓就反映了電刷的轉(zhuǎn)角。電阻式角 位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍大、輸出信號(hào)強(qiáng)等特點(diǎn)；缺點(diǎn)是在圓弧型電阻器各段電阻率不一致情況下，會(huì)產(chǎn)生誤差。（2）旋轉(zhuǎn)變壓器角位移傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)際上是初級(jí)和次級(jí)繞組之間的角度可以改變的變壓器。常規(guī)變壓器的兩個(gè) 繞組之間是固定的，其輸入電壓和輸出電壓之比保持常數(shù)。旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁繞組和輸出繞組 分別安裝在定子和轉(zhuǎn)子上，如圖3-7所示。如果兩繞組夾角為。，勵(lì)磁電壓為叫，則在次級(jí) 感應(yīng)的輸出電壓

17、為（3-3）U = kU cos 0（3-3）其中k是一個(gè)與繞組匝數(shù)及鐵芯結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。旋轉(zhuǎn)變壓器具有精度高、可靠性好等 特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各種機(jī)電一體化系統(tǒng)中。（3）電容角位移傳感器電容角位移傳感器的工作原理如圖3-8所示。當(dāng)動(dòng)極板產(chǎn)生角位移時(shí)，電容器的工作面 積發(fā)生變化，電容量隨之改變；檢測(cè)電路檢測(cè)這種電容量變化，即可確定角位移。實(shí)際電容 角位移傳感器可以采用多極板并聯(lián)，這樣可以在減小體積的同時(shí)增大電容量，提高檢測(cè)精度。（4）光柵角位移傳感器與光柵式線位移傳感器相比，光柵角位移傳感器將光柵刻印在圓盤的圓周上，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn) 動(dòng)時(shí)，光電三極管即有脈沖輸出，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)即可得角位移。為了識(shí)別光柵盤

18、的轉(zhuǎn)動(dòng)方 向，可以利用相差n+1/4個(gè)光柵間距的兩個(gè)光電組件拾取光柵脈沖（圖3-9），根據(jù)兩個(gè)脈沖 序列的相位差就可以識(shí)別方向，如A光電三極管輸出的脈沖比B提前1/4個(gè)周期，說明光柵 盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如果B比A提前1/4個(gè)周期，說明光柵盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。光柵角位移傳感器可 以測(cè)量任意轉(zhuǎn)角，并可利用增速齒輪將被測(cè)轉(zhuǎn)角進(jìn)行放大，得到高精度的角位移測(cè)量值。圖3-8電容角位移傳感器原理圖圖3-8電容角位移傳感器原理圖圖3-9光柵式角位移傳感器原理圖也可以達(dá)到測(cè)量角位移及角速度的目的。，圖3-10測(cè)速發(fā)電機(jī)原理圖圖也可以達(dá)到測(cè)量角位移及角速度的目的。，圖3-10測(cè)速發(fā)電機(jī)原理圖圖3-11壓電式加速度傳感器原理

19、圖如果對(duì)光柵的脈沖信號(hào)進(jìn)行等時(shí)間段計(jì)數(shù)，或檢測(cè)出兩相鄰脈沖的時(shí)間間隔，即可計(jì)算 出轉(zhuǎn)速。（4）磁電式角位移傳感器及轉(zhuǎn)速傳感器如果利用導(dǎo)磁材料制成的齒輪代替光柵傳感器的光柵盤，利用磁鋼芯繞組代替光電組件， 由于齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)影響磁路的磁阻，使磁通量發(fā)生變化，進(jìn)而在繞組中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)脈 沖電壓。對(duì)脈沖電壓整形后進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測(cè)轉(zhuǎn)速還可以使用測(cè)速發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)原理如圖3-10所示。由于導(dǎo)線在均勻磁場(chǎng)中做 切割磁力線運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與運(yùn)動(dòng)的速度成正比，因此發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓就能夠反映 其轉(zhuǎn)速。3.2.3加速度與速度傳感器（1）壓電式加速度傳感器一些晶體材料，如石英、鈦酸鋇等，受到外壓力作用發(fā)生變形時(shí)，

20、其內(nèi)部發(fā)生極化，在 材料的表面上會(huì)產(chǎn)生電荷，形成電場(chǎng)。壓力發(fā)生變化，表面電荷量也會(huì)隨之發(fā)生變化，這種 現(xiàn)象叫壓電效應(yīng)。利用壓電效應(yīng)，可以把機(jī)械力變化轉(zhuǎn)換成電荷量的變化，做成壓電傳感器。壓電材料通常分為兩類，一類為單晶體壓電材料，如石英，另一類為多晶體壓電陶瓷， 如鈦酸鋇。石英晶體具有性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，但石英晶體的壓電效 應(yīng)較小、介電常數(shù)小，對(duì)后繼電路要求較高，通常應(yīng)用在有特殊要求的傳感器中。壓電陶瓷 材料是經(jīng)人工高溫?zé)Y(jié)而成，通過調(diào)整材料成分或控制燒結(jié)溫度等處理，可以制造出具有大 的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的陶瓷材料。壓電陶瓷的穩(wěn)定性及力學(xué)特性不如石英晶體好，特別是 在較大加速

21、度的沖擊下，會(huì)發(fā)生零漂現(xiàn)象，產(chǎn)生誤差。圖3-11為壓電加速度傳感器的一般原理圖，當(dāng)機(jī)座在垂直方向產(chǎn)生加速度。時(shí)，質(zhì)量塊 對(duì)壓電陶瓷片產(chǎn)生m。作用力，使陶瓷片兩極產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，通過引線輸出到電荷測(cè)量電 路中，這樣可以得到相應(yīng)的加速度值。（2）電磁式速度傳感器電磁式速度傳感器原理如圖3-12所示，可以用來檢測(cè)兩部件的相對(duì)速度。殼體固定在 一個(gè)試件上，頂桿頂住另一個(gè)試件，線圈置于內(nèi)外磁極構(gòu)成的均勻磁場(chǎng)中。如果線圈相對(duì)磁 場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，線圈由于切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其大小為：（3-4）e = BWlv sin 9（3-4）式中：B磁場(chǎng)強(qiáng)度（T）； W線圈匝數(shù)；l每匝線圈有效長(zhǎng)度（m）；v線圈與磁場(chǎng)的

22、相對(duì)速度（ms-1）； 0 線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角；上式表明，當(dāng)B、W、1、0均為常數(shù)時(shí)，電動(dòng)勢(shì)e只與相對(duì)速度v成正比。實(shí)際上只要 保證磁場(chǎng)寬度足夠大，在一定范圍內(nèi)保持均勻，就可滿足B、W、1、0為常數(shù)的要求。因此 只要頂桿能跟蹤試件的運(yùn)動(dòng)，通過檢測(cè)線圈的電動(dòng)勢(shì)，即可檢測(cè)頂桿和殼體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。 3.2.4力傳感器（1）電阻應(yīng)變片傳感器彈性體在外力的作用下會(huì)產(chǎn)生變形，將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性體表面即可檢測(cè)到這種變 形產(chǎn)生的應(yīng)變，進(jìn)而可以檢測(cè)力的大小。電阻應(yīng)變片輸出為電阻變化，通常利用惠斯登電橋 電路將電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。利用應(yīng)變片在彈性體上布片方式的不同或電阻絲形式的 不同，可以檢

23、測(cè)拉壓力、彎矩、扭矩、剪切力及壓力等。由于電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用靈 活，廣泛被應(yīng)用在檢測(cè)系統(tǒng)中。（2）壓力傳感器除了可以利用電阻式應(yīng)變片檢測(cè)壓力外，對(duì)液體或氣體壓力還可以采用其他方法檢測(cè)。 圖3-13給出了幾種常用的壓力敏感元件示意圖。隨著內(nèi)外壓力差不同，這些敏感元件都會(huì)產(chǎn) 生變形，通過檢測(cè)變形大小或變形力的大小，即可檢測(cè)出壓力大小。圖3-12電磁式速度傳感器原理圖壓力（a）波登管（圖3-12電磁式速度傳感器原理圖壓力（a）波登管（b）波紋膜腔（c）波紋管圖3-13壓力敏感元件3.2.5接近傳感器與距離傳感器接近傳感器是指用于近距離對(duì)象的存在檢測(cè)。目前常用的接近傳感器有以下幾種。（1）電容式

24、接近傳感器電容式接近傳感器是利用檢測(cè)被檢測(cè)對(duì)象與檢測(cè)極板間電容的變化，來檢測(cè)物體的接近 程度。圖3-14為電容式接近傳感器工作原理，當(dāng)被檢測(cè)物體足夠遠(yuǎn)時(shí)，兩極板間形成恒定的 電容量，當(dāng)物體接近兩極板時(shí)，兩極板間電容就會(huì)增大。檢測(cè)電路通過檢測(cè)極板間電容量的 變化，就可獲得物體與傳感器間接近程度。圖3-14電容式接近傳感器原理圖圖3-14電容式接近傳感器原理圖（2）電感式接近傳感器如果檢測(cè)對(duì)象為鋼、鐵等磁性材料，可以利用其磁通特性檢測(cè)物體的接近程度。圖3-15 為電感式接近傳感器工作原理，當(dāng)磁性材料接近傳感器時(shí)，由于縫隙的減小，磁芯的磁通量 增加，線圈的電感也隨之增加。通過檢測(cè)線圈的電感即可得到物

25、體與傳感器間的接近程度。和電容式接近傳感器相比，電感式傳感器的靈敏度會(huì)更高一些，檢測(cè)電路也要簡(jiǎn)單一些， 但被檢測(cè)物體必須是磁性體。要檢測(cè)象地面、水面或生物體時(shí)，一般可使用電容式接近傳感 器。如果需要檢測(cè)非良導(dǎo)電體，如塑料等材料物體的接近程度，上述兩種傳感器都無能為力， 需要利用光電式或其他類型的傳感器。（3）光電式接近傳感器光電式接近傳感器工作原理如圖3-16所示。發(fā)光二極管（或半導(dǎo)體激光管）的光束軸線 和光電三極管的軸線在一個(gè)平面上，并成一定的夾角，兩軸線在傳感器前方交于一點(diǎn)。當(dāng)被 檢測(cè)物體表面接近交點(diǎn)時(shí)，發(fā)光二極管的反射光被光電三極管接收，產(chǎn)生電信號(hào)。當(dāng)物體遠(yuǎn) 離交點(diǎn)時(shí)，反射區(qū)不在光電三極

26、管的視角內(nèi)，檢測(cè)電路沒有輸出。一般情況下，送給發(fā)光二 極管的驅(qū)動(dòng)電流并不是直流電流，而是一定頻率的交變電流，這樣接收電路得到的也是同頻 率的交變信號(hào)。如果對(duì)接收來的信號(hào)進(jìn)行濾波，只允許同頻率的信號(hào)通過，可以有效地防止 其他雜光的干擾，并可以提高發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度。圖3-16光電式接近傳感器工作原理圖3-17超聲波距離傳感器工作原理（4）超聲波距離傳感器超聲波在檢測(cè)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，如超聲波探傷儀、超聲波流量?jī)x、超聲波魚群探 測(cè)設(shè)備等。利用超聲波進(jìn)行距離檢測(cè)的原理是，將超聲波向被檢測(cè)物體發(fā)射，并由被檢測(cè)物 體反射回來，通過檢測(cè)從發(fā)射到接收到反射波所利用的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。超聲波的發(fā)射 和

27、接收一般利用壓電效應(yīng)三極管實(shí)現(xiàn)，并且發(fā)射與接收可以由同一個(gè)超聲波三極管完成。圖2-17是利用超聲波進(jìn)行收割機(jī)割臺(tái)高度自動(dòng)檢測(cè)原理圖，超聲波傳感器檢測(cè)割臺(tái)距地 面的高度，并和給定高度相比較，再通過控制系統(tǒng)控制割臺(tái)的升降，實(shí)現(xiàn)割臺(tái)對(duì)地面的自動(dòng) 跟蹤。3.2.6溫度、流量傳感器熱電偶溫度傳感器將兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體A、B組成一個(gè)閉合回路，若兩結(jié)點(diǎn)溫度不同，在回路中就會(huì)產(chǎn) 生一定的電流，其大小與兩結(jié)點(diǎn)的溫度差有關(guān)，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。利用熱電效應(yīng)原理， 由兩種材料組成的熱電轉(zhuǎn)換元件叫熱電偶。國(guó)家定型的熱電偶元件主要有鉑銠一鉑電偶、鎳 鉻一鎳硅電偶、鎳格一考銅電偶、銅一康銅電偶。不同的熱電偶除其溫度一電

28、勢(shì)不同外，適 應(yīng)的溫度范圍也不同。如鉑銠一鉑熱電偶可短時(shí)間內(nèi)測(cè)量高達(dá)1600C的高溫，而銅一康銅熱 電偶檢測(cè)的最高溫度只能達(dá)到200C，這點(diǎn)在使用時(shí)應(yīng)引起足夠重視。另外，由于熱電偶反映 的是兩結(jié)點(diǎn)間的電勢(shì)，檢測(cè)后還要對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。熱敏電阻傳感器熱敏電阻是另一種溫度敏感元件，通常由多種金屬氧化物粉末高溫?zé)Y(jié)而成，其電阻值 隨溫度的升高而下降。另一種熱敏元件為半導(dǎo)體PN結(jié)，在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)端電壓與其溫 度有著良好的線性關(guān)系，并且具有較大的溫度系數(shù)，因此，應(yīng)用越來越廣泛。流量傳感器流量傳感器根據(jù)工作原理不同分為渦流式和浮子式等多種形式。渦流式流量傳感器工作 原理如圖3-18所示。渦輪葉片材料為

29、導(dǎo)磁不銹鋼，電磁脈沖檢測(cè)組件由磁鐵及線圈繞組構(gòu)成。 當(dāng)管道中有液體流過時(shí)，渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，流速在一定范圍內(nèi)時(shí)，流量與渦輪轉(zhuǎn)速成正比，此 時(shí)電磁脈沖檢測(cè)組件的輸出頻率也和流量成正比，只要對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可換算出液 體流量。浮子式流量傳感器工作原理如圖3-19所示。當(dāng)液體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，浮子上下兩側(cè)產(chǎn)生一定 的壓差，使浮子上浮。隨著浮子上升，流體截面積加大，流速降低，浮力減少，直到浮子的圖3-18渦流式流量傳感器工作原理重力與浮力達(dá)到平衡。很顯然，的位移量，即可換算出液體的流量。測(cè)量挺桿位移通常采用電感式或差動(dòng)變壓器式傳感器， 其目的是減少浮子上下運(yùn)動(dòng)的非線性阻力，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。渦流式流量傳感器

30、具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但量程范圍比較小，流速 過小或過大都會(huì)產(chǎn)生較大誤差。浮子式流量傳感器量程范圍比較大，但工作條件要求比較高， 由于靠重力平衡浮子的浮力，當(dāng)發(fā)生傾斜或大幅度振動(dòng)時(shí)，會(huì)造成較大誤差，甚至無法工作。3.3檢測(cè)系統(tǒng)組成及檢測(cè)原理我們?cè)谝郧暗恼n程中已講過，檢測(cè)系統(tǒng)的功用是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中所需的自身和外界環(huán) 境參數(shù)以及所處的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)并將這些物理信號(hào)轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)可識(shí)別的電信號(hào)，接下來經(jīng)過 對(duì)信號(hào)的一些必要處理再傳遞給信息處理單元控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行過程的控制。那么 在信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)之前，對(duì)信號(hào)的采入、整理、轉(zhuǎn)換這一系列過程都是檢測(cè)系統(tǒng)完成的。 我們?cè)谏弦淮握n講過了傳

31、感器是檢測(cè)系統(tǒng)的第一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，那么除了傳感器之外檢測(cè)系統(tǒng) 還有哪些部分呢？根據(jù)檢測(cè)物理量及傳感器的不同，系統(tǒng)的組成形式也不完全相同。由于處理的信號(hào)有模 擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，所以檢測(cè)系統(tǒng)的組成分為模擬量檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)字量檢測(cè)系統(tǒng)。3.3. 1模擬量檢測(cè)系統(tǒng)的組成及工作原理我們知道模擬量檢測(cè)系統(tǒng)的第一部分是傳感器，信號(hào)從傳感器中輸出之后是電阻、電感、 電容、電壓、電流、頻率等模擬信號(hào)，對(duì)于后三種信號(hào)我們可以直接測(cè)出，因此可直接通過 換算反推出物理信號(hào)如位移等的變化，而對(duì)于電阻，尤其是電感、電容這樣的電信號(hào)不容易 測(cè)出，所以我們還要借助一些電路來實(shí)現(xiàn)由電感、電容、電阻到電壓的轉(zhuǎn)換，這些轉(zhuǎn)換的電 路就稱

32、為基本測(cè)量電路，所以傳感器和基本測(cè)量電路構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)的第一個(gè)主要組成部分一 一傳感器及基本測(cè)量電路。接下來從傳感器及基本測(cè)量電路中輸出的信號(hào)一般都是微弱的電信號(hào)（因?yàn)闄C(jī)電一體化 產(chǎn)品都非常精密），這種微弱的信號(hào)無法推動(dòng)后續(xù)的驅(qū)動(dòng)電路工作，所以需要將其放大，因此 下一組成結(jié)構(gòu)是放大電路。而由于放大時(shí)采用交流選頻耦合，這種放大電路只對(duì)特定頻帶的 信號(hào)具有恒定的放大作用，對(duì)其他頻率的信號(hào)放大系數(shù)比較小，而且存在誤差。所以從傳感 器及基本測(cè)量電路出來的信號(hào)必須進(jìn)行處理，這個(gè)過程稱為調(diào)制，而調(diào)制、放大后的信號(hào)已 發(fā)生變化，故還要對(duì)其還原，即解調(diào)和濾波。因此檢測(cè)系統(tǒng)的第二個(gè)部分是調(diào)制+放大+解調(diào)+ 濾波電

33、路。因?yàn)檩斎氲綑z測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)是模擬信號(hào)，從放大部分這一環(huán)節(jié)出來的信號(hào)是放大了的模 擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)能處理的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，所以還需要模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù) 字量。故檢測(cè)系統(tǒng)的第三個(gè)部分是轉(zhuǎn)換電路。此外，還有接口電路。為了保證傳感器有效的工作，降低其他參數(shù)對(duì)傳感器的干擾，提 高檢測(cè)精度，一些檢測(cè)系統(tǒng)中還有一些必要的輔助電路及處理環(huán)節(jié)等。由以上分析，模擬量檢測(cè)系統(tǒng)的組成：傳感器及基本測(cè)量電路放大電路（調(diào)制業(yè) 放大+解調(diào)+濾波）+轉(zhuǎn)換電路+接口電路及輔助電路等下面，我們?cè)敿?xì)地分析一下各部分的組成及功用。一、傳感器及基本測(cè)量電路傳感器直接感受被檢測(cè)物理量，并將非電量物理量的變化轉(zhuǎn)換成易于處理的

34、電量的變化。 信號(hào)從傳感器中輸出之后的電壓、電流、頻率等模擬信號(hào)我們可以直接測(cè)出，因此可直接通 過換算反推出物理信號(hào)如位移等的變化，而對(duì)于電阻，尤其是電感、電容這樣的電信號(hào)不容 易測(cè)出，所以我們還要借助一些電路來實(shí)現(xiàn)由電感、電容、電阻到電壓的轉(zhuǎn)換，這些轉(zhuǎn)換的 電路就稱為基本測(cè)量電路，經(jīng)常采用的是電阻參數(shù)測(cè)量電路。電阻參數(shù)測(cè)量電路電阻參數(shù)測(cè)量通常采用電橋電路來實(shí)現(xiàn)。電橋電路根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同分為全橋和半橋；根據(jù)電源性質(zhì)不同，電橋又分為直流電橋和 交流電橋；根據(jù)過程電橋元器件的不同，電橋又分為電阻電橋、電感電橋和電容電橋。電阻 電橋則是由電阻元件組成的電橋。下面以全電阻電橋電路為例分析電橋的工作原理。

35、電阻全橋電路如圖3-23所示，輸入端電壓U已知，如果使Uo=O,則有：U R1 - U R4 = 0RR1R + R12R4R + R34R _ RR1 +1 R2 R3 +R4q R3 = R2 R4（對(duì)臂乘積相等）。則輸出電壓Uo為0,此時(shí)稱電橋平衡。當(dāng)某一個(gè)電阻阻值發(fā)生了變化，這種平衡被破壞， 設(shè)R4產(chǎn)生AR變化，則輸出電壓為：R4 +M（3-6）R + R2R3 + (R4 + AR)（3-6）如果我們選擇四個(gè)臂的阻值均相等，即R1 R2 = R3 = R4 = R，則式3-6可改寫成- Lu2 R + ARi2R + AR - 2R - 2AR2(2 R + AR)-ARU4 -AR

36、U4 R + 2 AR i（3-7）這種電橋稱為等臂電橋。利用全橋電路可以檢測(cè)微弱的電阻變化，但其輸出電壓也很微弱。如利用電阻應(yīng)變片組式，電橋的輸出電壓為0.1成的電橋輸入電壓為5V，等臂電阻阻值為120Q，當(dāng)R1上產(chǎn)生0.1 Q阻值變化時(shí)，根據(jù)（式，電橋的輸出電壓為0.1U =x 5 -0.00104V -1.04mVo 4 x 120 + 2 x 0.1這樣小的輸出，難以推動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路或其他部件工作，因此，必須利用放大器電路對(duì)其放大。圖3-23其放大。圖3-23全電橋測(cè)量電路電容參數(shù)測(cè)量電路電容傳感器輸出為電容量，必須經(jīng)過測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號(hào)，才能被進(jìn)一步處理，常用的測(cè)

37、量電路有電容電橋測(cè)量電路、調(diào)頻電路及電容比例電路等。電容電橋電路是將傳感器電容作為交流電橋的一部分。當(dāng)電容傳感器值發(fā)生變化，電橋 不平衡，輸出端有電壓輸出，經(jīng)過放大、解調(diào)及濾波處理后，輸出值即可反應(yīng)電容量的變化 情況。電感類傳感器測(cè)量電路二、放大電路（調(diào)制+放大+解調(diào)+濾波電路）如果測(cè)量電路的輸出信號(hào)比較強(qiáng)，放大電路的放大倍數(shù)可以較小，或不用放大。低放大 倍數(shù)的放大器可以采用簡(jiǎn)單的單級(jí)直流放大電路。從傳感器及基本測(cè)量電路中輸出的信號(hào)一般都是微弱的電信號(hào)（因?yàn)闄C(jī)電一體化產(chǎn)品都 非常精密），這種微弱的信號(hào)無法推動(dòng)后續(xù)的驅(qū)動(dòng)電路工作，所以需要將其放大。放大電路的 功用就是將傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放

38、大，以獲得足夠大的電壓或電流推動(dòng)后繼環(huán)節(jié)工作。 這時(shí)必須采用具有多級(jí)放大的高倍放大器進(jìn)行放大。多級(jí)放大器各級(jí)間一般采用交流選頻耦合，這種放大電路只對(duì)特定頻帶的信號(hào)具有恒定 的放大作用，對(duì)其他頻率的信號(hào)放大系數(shù)比較小。這樣可以減少前級(jí)電路的噪音干擾等誤差 進(jìn)入后級(jí)電路。一般的機(jī)械信號(hào)多為直流信號(hào)或低頻的緩變信號(hào)，為了能利用交流放大器對(duì) 直流信號(hào)或低頻信號(hào)進(jìn)行恒定的放大，需要把低頻信號(hào)或直流信號(hào)變成一定頻率的交流信號(hào)， 再送入放大器進(jìn)行放大。對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理，從中還原出有用信號(hào)。因此，放大 環(huán)節(jié)包括調(diào)制+放大+解調(diào)+濾波電路（1）調(diào)制電路將直流或頻率較低的緩變信號(hào)變成頻率比較高的交流信號(hào)

39、過程稱為調(diào)制，調(diào)制過程是利 用頻率較低的信號(hào)控制一個(gè)頻率較高的信號(hào)，使頻率較高信號(hào)的某些特征隨著低頻信號(hào)變化 而變化。頻率較高的信號(hào)稱為載波，低頻信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。如果載波被控制的量是幅值，這種調(diào)制稱為調(diào)幅；如果被控制的量是載波信號(hào)的頻率， 則稱為調(diào)頻或調(diào)相。載波信號(hào) 調(diào)制信號(hào)調(diào)制波信號(hào)圖3-21信號(hào)調(diào)制波形示意圖圖3-21給出調(diào)幅載波各波形的關(guān)系示意圖，實(shí)際上調(diào)幅過程是兩個(gè)信號(hào)相乘過程（當(dāng)調(diào) 制信號(hào)為正時(shí)，調(diào)制波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)相位一致；當(dāng)調(diào)制信號(hào)為負(fù)時(shí)，調(diào)制波信號(hào)和調(diào)制信 號(hào)相位相差180）。將頻率較高的載波信號(hào)作為輸入信號(hào)加到傳感器電路上，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅載波調(diào)制。由于 調(diào)幅處理電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，

40、在檢測(cè)電路中廣泛被使用。（2）放大電路采用交流選頻耦合放大器進(jìn)行放大。（3）解調(diào)電路放大后的調(diào)幅載波信號(hào)需進(jìn)行解調(diào)才能還原出調(diào)制信號(hào)，相敏檢波器就可實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能。從調(diào)制波中分離出調(diào)制信號(hào)過程稱為信號(hào)的解調(diào)。由于當(dāng)調(diào)制信號(hào)為正時(shí)，調(diào)制波信號(hào) 和調(diào)制信號(hào)相位一致；當(dāng)調(diào)制信號(hào)為負(fù)時(shí)，調(diào)制波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)相位相差180。顯然利用 簡(jiǎn)單的單二極管檢波電路只能檢出調(diào)制波信號(hào)的正半周（或負(fù)半周）。要正確檢出調(diào)制信號(hào)， 應(yīng)根據(jù)調(diào)制波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)相位差情況，分別檢出正半周或負(fù)半周信號(hào)，能完成這樣功能 的檢波電路稱為相敏檢波器。濾波電路相敏檢波器輸出的信號(hào)再經(jīng)過濾波電路濾掉載波頻率，即可還原出調(diào)制信號(hào)。三、轉(zhuǎn)換

41、電路檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的信號(hào)需要送入信息處理系統(tǒng)作進(jìn)一步處理，信息處理系統(tǒng)根據(jù)處理分 析的結(jié)果發(fā)出指令，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作。如果信息處理系統(tǒng)為數(shù)字系統(tǒng)，如計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)，就必須將檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，才能被數(shù)字系統(tǒng)接受。轉(zhuǎn)換電路的目的是 將測(cè)量電路或放大電路輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。當(dāng)然，如果信息系統(tǒng)本身是模擬系統(tǒng)， 這種轉(zhuǎn)換就不必要了。完成模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換的最簡(jiǎn)單方法是利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，即A/D芯片。所謂模數(shù)轉(zhuǎn) 換，是指將模擬量離散成數(shù)字量的過程。對(duì)于一種型號(hào)的A/D芯片，設(shè)允許輸入的電壓范圍 為05V，轉(zhuǎn)換精度為8位，如果輸入端電平為0V時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換單元的輸出為8個(gè)0；如果 輸

42、入電平為5V時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換單元的輸出為8個(gè)1；反過來，如果A/D輸出為“10000000”即 128,則表示其輸入端電平為5/255X128=2.5098V，這樣可以將05V的輸入范圍離散為256 個(gè)由8位“0”和“ 1”組成的二進(jìn)制數(shù)字形式輸出，這就是A/D轉(zhuǎn)換的基本原理。很顯然， A/D轉(zhuǎn)換輸出的二進(jìn)制位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換的精度就越高。A/D完成一次轉(zhuǎn)換，需要花費(fèi)一定的時(shí)間。目前常用12位的A/D芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間在幾十 個(gè)微秒以下，也就是說一秒鐘可以完成十幾萬個(gè)或幾十萬個(gè)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。圖3-29為一種具有模擬量切換開關(guān)，8位轉(zhuǎn)換精度的A/D芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖。模數(shù)轉(zhuǎn) 換具體由其中的模數(shù)轉(zhuǎn)換

43、器完成，這種A/D芯片內(nèi)部集成了一個(gè)模擬量切換開關(guān)，目的是分 別將多路模擬量分別切入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如果需要將八路模擬量分別切入，則需要3 條地址線來控制哪路切入。A/D轉(zhuǎn)換后送入鎖存器暫時(shí)保存，并通過一組門電路輸送出去。A/D芯片一般是在計(jì)算機(jī)的CPU控制下進(jìn)行工作的。要完成一次轉(zhuǎn)換，CPU首先發(fā)出3 位地址碼到A、B、C三條地址線上，再發(fā)出ALE指令將地址碼鎖定在地址譯碼器中，此時(shí) 地址譯碼器選通8個(gè)模擬輸入中一路與轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端連接；然后CPU發(fā)出ST信號(hào)， 控制轉(zhuǎn)換芯片開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換器發(fā)出完成信號(hào)。一方面通知鎖存器將轉(zhuǎn)換后的結(jié) 果保存起來，另一方面通過EOC端通知C

44、PU轉(zhuǎn)換已完成。CPU收到EOC信號(hào)后，發(fā)出讀指 令到鎖存器的OE端，并將鎖存器中的數(shù)據(jù)讀出，完成一次轉(zhuǎn)換。除了 A/D轉(zhuǎn)換芯片可以完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換外，在轉(zhuǎn)換速度要求不是很高的情況 下，還可以使用頻率計(jì)數(shù)方式，間接完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。如電感或電容傳感器調(diào)頻 檢測(cè)電路輸出信號(hào)的頻率隨傳感器檢測(cè)參數(shù)的變化而變化，如果對(duì)輸出的頻率進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)， 單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的值就可以反映傳感器的測(cè)量值。圖3-29 A/D芯片邏輯結(jié)構(gòu)圖3.3.2數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)(脈沖信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng))脈沖信號(hào)也稱數(shù)字信號(hào)或開關(guān)信號(hào)。很多類型的傳感器，如光柵位移傳感器、編碼式位 移傳感器及限位開關(guān)觸點(diǎn)等的輸出都為脈沖信

45、號(hào)。脈沖信號(hào)的檢測(cè)方法不同于模擬信號(hào)的檢 測(cè)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)必要的放大、整形后即可通過接口電路直接送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理。一、脈沖信號(hào)的拾取及整形電路脈沖信號(hào)的拾取電路要比模擬信號(hào)的測(cè)量電路簡(jiǎn)單一些。下面以目前常用的光電脈沖拾 取電路為例，介紹脈沖信號(hào)拾取電路的基本原理。光電脈沖傳感器由發(fā)光二極管和光電三極管組成，發(fā)光二極管產(chǎn)生恒定的光線，通過光 刪射入光電三極管。光電三極管實(shí)際上是一種光敏三極管，光線相當(dāng)與三極管的基極電流。當(dāng)無光線射入時(shí)，集電極和射極之間只有微弱的漏電電流流過；當(dāng)有光線射入，集電極和射 極之間的電流在一定范圍內(nèi)隨光線射入的強(qiáng)度改變而變化。如3DU2A型硅光電三極管，暗光 時(shí)電

46、流強(qiáng)度在0.3gA以下，當(dāng)光線強(qiáng)度達(dá)到100Lux時(shí)，集電極電流強(qiáng)度不小于0.5mA。根據(jù)光電三極管的特性，可以利用簡(jiǎn)單的共射極電路或共集電極電路將三極管的電流轉(zhuǎn) Vdd9 Vdd斯密特觸發(fā) 器輸出B Vdd9 Vdd斯密特觸發(fā) 器輸出B點(diǎn)燈 3DU 斯密特觸發(fā)器 c RlX 二 j a. LrdB TR單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 _6 Vdd(a)6 Vdd(a)光電轉(zhuǎn)換、脈沖整形電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā) 器輸出。點(diǎn)(b)波形圖圖3-30光電脈沖信號(hào)拾取及整形原理由于光電檢測(cè)的光柵在條紋交替時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)過度狀態(tài)，使光電三極管的輸出產(chǎn)生抖 動(dòng)現(xiàn)象，如圖3-30(b)。為了消除這種抖動(dòng)，需要對(duì)三極管的輸出進(jìn)行整形處理

47、，這種處理通 常利用斯密特觸發(fā)器進(jìn)行。斯密特觸發(fā)器具有“回差”特性，輸入電壓必須高于上觸發(fā)電平 VT+或必須低于下觸發(fā)電平VT-觸發(fā)器才翻轉(zhuǎn)，兩電平的差VT+ -VT-稱為“回差”。利用斯 密特觸發(fā)器這一特性，可以很好消除脈沖邊緣的抖動(dòng)現(xiàn)象。另外，光柵運(yùn)行速度的快慢會(huì)直接影響輸出脈沖的寬度。要獲得固定寬度的脈沖信號(hào)， 還需要利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或其他電路對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步處理。其中單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的R和C的值， 決定了觸發(fā)器的輸出脈沖寬度，如R=20KQ、C=1000pF時(shí)，輸出的脈沖寬度為20gs左右。有些現(xiàn)場(chǎng)觸點(diǎn)開關(guān)或電磁開關(guān)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大干擾，如果將這些開關(guān)干擾量直接接 入檢測(cè)電路，可能造成電路

48、損壞。為了減少干擾，避免造成電路的損壞，通常采用光電偶合 元件將現(xiàn)場(chǎng)電路與檢測(cè)電路進(jìn)行電隔離。一般型號(hào)的光電偶合元件隔離電壓可達(dá)500V以上。3.3.3通用數(shù)據(jù)采集控制卡通用數(shù)據(jù)采集卡是由專業(yè)廠家設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，作為計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)接口的電路板。由于是 專門設(shè)計(jì)并由專業(yè)廠家生產(chǎn)，因此通用數(shù)據(jù)采集卡具有功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好及性價(jià)比高等特 點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)監(jiān)控裝置、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)。有些多功能卡同時(shí)還帶有數(shù)模轉(zhuǎn) 換部分，可以輸出模擬量和開關(guān)量，因此在計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。3940、多路模擬開關(guān)模擬開關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的主要部件之一，它的作用是切換各路輸入信號(hào)。在測(cè)控系 統(tǒng)中，被測(cè)物理量

49、經(jīng)常是幾個(gè)或幾十個(gè)。為了降低成本和減小體積，系統(tǒng)中通常使用公共的 采樣保持器、放大器及A/D轉(zhuǎn)換器等器件，因此，需要使用多路開關(guān)輪流把各路被測(cè)信號(hào)分 時(shí)地與這些公用器件接通。多路開關(guān)主要有電力機(jī)械開關(guān)和集成模擬電子開關(guān)。電力機(jī)械開 關(guān)中最常用的是繼電器，由于體積大，切換速率慢，因而在數(shù)據(jù)采集中很少使用。集成模擬 電子開關(guān)是用開關(guān)元件而構(gòu)成的開關(guān)電路，集成模擬開關(guān)具有體積小、切換速率高、無抖動(dòng)、 耗電少、工作可靠和容易控制等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)試技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。在圖3-33中以八選一模擬開關(guān)CD4051為例說明模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作原理。CD4051 主要由8路CMOS開關(guān)、譯碼電路和電平轉(zhuǎn)換電路三部分

50、組成。模擬開關(guān)作為輸入信號(hào)的通 路，開關(guān)閉合時(shí)，該路信號(hào)可以通過，開關(guān)斷開時(shí)，該路信號(hào)被阻斷。模擬開關(guān)的狀態(tài)受來 自計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字電路的信號(hào)控制。為了適應(yīng)不同電平，設(shè)有電平轉(zhuǎn)換電路。可將輸入的 TTL電平的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為CMOS電平CD4051的控制信號(hào)可以是TTL電平也可以是CMOS 電平。譯碼電路控制各模擬開關(guān)的開啟，將輸入的控制信號(hào)進(jìn)行譯碼后，選出相應(yīng)的通道， 使之閉和。A0A1A2是各開關(guān)的數(shù)字控制信號(hào)輸入端，A0AA2=000111時(shí)，可分別選通開關(guān) 通道0-7。INH為禁止端，當(dāng)其為高電平時(shí)，各通道的信號(hào)均被阻斷。CD4051的真值如表3-2 所示。圖3-33 CD4051八選一

51、模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)圖表圖3-33 CD4051八選一模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)圖表3-2 CD4051真值表地址輸入通道號(hào)INH4A0K i-1SSS0000K00001K10010K20011K30100K40101K50110K60111K71SSS三、模擬信號(hào)采樣與保持信號(hào)采樣所謂采樣，就是把時(shí)間連續(xù)的信號(hào)變成一系列不連續(xù)的脈沖時(shí)間序列的過程。采樣過程 如圖3-34所示。/是連續(xù)信號(hào)通過采樣開關(guān)S后，變成一連串的脈沖信號(hào)尸。采樣開關(guān)S 又稱采樣器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)模擬開關(guān)，每隔時(shí)間間隔尸閉合一次，每次閉合持續(xù)時(shí)間T。T 稱為采樣周期，其倒數(shù)f0 = 1/T稱為采樣頻率；T稱為采樣時(shí)間或采樣寬度；0, T,2T

52、 各 時(shí)刻稱為采樣時(shí)刻。采樣后的脈沖序列f*(t)稱為采樣信號(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，在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之前，采樣信號(hào)f*(t)是一個(gè)離散的模擬信號(hào)。為了保證在采樣過程中不丟失原來信號(hào)中所包含的信息，采樣頻率必須按照香儂(shannon) 采樣定理來確定，即要求：f 2fmax(3-9)fmax是被采原信號(hào)f (/)的最高頻率。在實(shí)際應(yīng)用中，常取f (510)fmax。圖3-34圖3-34采樣過程信號(hào)保持由于采樣信號(hào)f*（t）在函數(shù)軸上仍是連續(xù)變化的模擬量，因此還需用A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換 成數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換過程需要一定時(shí)間，并且如果取值不在采樣的時(shí)間內(nèi)則可能產(chǎn)生誤差。

53、 為了防止產(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)這一功能的電路稱為采樣/保持 電路。四、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式根據(jù)轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)和要求不同可分為四種，如圖3-32所示。圖3-32（a）是最簡(jiǎn)單的一種輸入方式，它僅適用于只有一路檢測(cè)信號(hào)的場(chǎng)合。第二種方式如圖3-32（b）所示，多路檢測(cè)信號(hào)共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，通過模擬多路開關(guān)依次對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行采 樣，其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，節(jié)省元器件，成本低，但由于轉(zhuǎn)換器的采樣速率要分配給多路信號(hào) 采集，使具體到每一路信號(hào)的采樣速度低，不能獲得同一瞬時(shí)的各路信號(hào)，一般用于多通道 緩變信號(hào)的采樣。第三種方式如圖3-32（c）所示，它與第二種方式

54、的主要區(qū)別是信號(hào)的采 樣/保持電路在多路開關(guān)之前，因而可獲得同一瞬時(shí)的各路信號(hào)。圖3-32（d）中各路信號(hào)都 有單獨(dú)的采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換通道，這樣可根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，分別采用不同的采樣/保 持電路或不同精度的A/D轉(zhuǎn)換器，因而靈活性大、抗干擾能力強(qiáng)，但電路復(fù)雜，采用的元器 件較多，一般成本較高。上述四種方式中，除第一種外，其它三種都可用于對(duì)多路檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集，因此對(duì)應(yīng) 的系統(tǒng)常被稱為多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。(b)(b)(d)圖3-32模擬量轉(zhuǎn)換輸入方式3.4.2數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理檢測(cè)信號(hào)被采入計(jì)算機(jī)后，尚需經(jīng)過預(yù)處理才能交付應(yīng)用程序使用。預(yù)處理的主要任務(wù) 是去除混雜在有用信號(hào)中的各種干擾信號(hào)。

55、干擾信號(hào)通常有周期性干擾和隨機(jī)性干擾兩類。 典型的周期干擾是50Hz的共頻干擾，采用積分時(shí)間為20ms整數(shù)倍的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器， 可有效地消除其影響。對(duì)于隨機(jī)性干擾，可采用數(shù)字濾波的方法予以消除或削弱。數(shù)字濾波器實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波(軟濾波)，它在通訊、雷達(dá)、測(cè)量、控制等領(lǐng)域中得 到廣泛的應(yīng)用，它與模擬濾波器相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字濾波器是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過程，不需要額外的硬件設(shè)備，不存在阻抗匹配問題，可 靠性高，穩(wěn)定性好?？梢詫?duì)頻率很低或很高的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波?？筛鶕?jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，應(yīng)用靈活、方便、功能強(qiáng)。應(yīng)當(dāng)指出，盡管數(shù)字濾波器具有許多模擬濾波器所不具備的特點(diǎn)，但它并不

56、能代替模擬 濾波器。因?yàn)檩斎肽M信號(hào)必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能進(jìn)行數(shù)字濾波，當(dāng)輸入信號(hào)很小，而 且混有干擾信號(hào)時(shí)，就必須使用模擬輸入濾波器。另外，在采樣測(cè)量中，為了消除混疊現(xiàn)象， 往往在信號(hào)輸入端加抗混疊濾波器，這也是數(shù)字濾波器所不能代替的。由此可見，模擬濾波 器和數(shù)字濾波器在檢測(cè)和控制中是不可缺少的。下面介紹常用的幾種數(shù)字濾波方法。一、低通濾波當(dāng)被測(cè)信號(hào)變化緩慢時(shí)，可采用數(shù)字低通濾波的方法去除干擾。數(shù)字低通濾波器利用軟件算 法來模擬硬件低通濾波器的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的低通濾波。二、中值濾波中值濾波方法對(duì)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(duì)信號(hào)連續(xù)進(jìn)行n次采樣

57、，然后對(duì)采樣值排序，并取序列中位值作為采樣有效值， 采樣次數(shù)n一般取為大于3的奇數(shù)。三、算術(shù)平均濾波算術(shù)平均濾波的原理是對(duì)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 平均濾波方法對(duì)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，一般為便于運(yùn)算處理，常取n = 21,2 2,2 3 .3.4.3傳感器的非線性補(bǔ)償實(shí)際上，許多傳感器的輸出信號(hào)與被測(cè)參數(shù)間存在著非線性，直接影響著機(jī)電一體化產(chǎn) 品的精度。因此常采用軟件方法對(duì)傳感器的非線性特性進(jìn)行補(bǔ)償，降低對(duì)傳感器的要求，提 高檢測(cè)精度。軟件補(bǔ)償法方法靈活，不需要額外的硬件設(shè)備，因而應(yīng)用廣泛。軟件補(bǔ)償方法 很多，概括起來有計(jì)算法和查表法兩種，下面介紹工程中常用的代數(shù)插值法。代數(shù)插值法以多項(xiàng)式作為插值函數(shù)，因而又稱為多項(xiàng)式插值法。采用這種方法進(jìn)行非線 性補(bǔ)償時(shí)，首先需根據(jù)傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)建立插值多項(xiàng)式，具體方法如下。設(shè)傳感器的輸入信號(hào)