機電一體化技術(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計

機電一體化檢測系統(tǒng)1檢測系統(tǒng)的功能及特性2常用傳感器3檢測系統(tǒng)的檢測原理4檢測信號的預(yù)處理檢測系統(tǒng)的功能及特性一、基本功能及分類1、功能

對系統(tǒng)運行中所需的自身及外界環(huán)境參數(shù)與狀態(tài)進(jìn)行檢測，并將其變換成系統(tǒng)可識別的電信號傳遞給信息處理單元。2、分類1）根據(jù)被檢測物理量的性質(zhì)(a)運動學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)(b)力學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)(c)圖像檢測系統(tǒng)(d)其它物理量檢測系統(tǒng)2）根據(jù)被檢測信號的性質(zhì)(a)模擬信號檢測系統(tǒng)(b)數(shù)字信號檢測系統(tǒng)二、檢測系統(tǒng)的基本特性1、靈敏度與分辨率2、精確度3、頻率響應(yīng)特性4、穩(wěn)定性5、線性特性三、檢測系統(tǒng)的檢測方式接觸式檢測非接觸式檢測在線檢測非在線檢測四、檢測系統(tǒng)的組成傳感器測量電路輸出單元被測量輸出量傳感器：把被測非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的某些物理量（通常為電量）的測量裝置。測量電路：

輸出單元：

把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號，使之能在輸出單元的指示儀上指示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統(tǒng)的檢測或反饋信號。指示儀、記錄儀、累加器、報警器、數(shù)據(jù)處理電路等。1）體積小、重量輕，對整機的適應(yīng)性好。2）精度和靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高。3）安全可靠、壽命長。4）便于與計算機連接。5）不易受被測的影響，也不影響外部環(huán)境。6）對環(huán)境條件適應(yīng)能力強。7）現(xiàn)場處理簡單，操作性能好，價格便宜。機電一體化系統(tǒng)對檢測傳感器的基本要求第二節(jié)常用傳感器一、傳感器的選用原則

表示傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關(guān)系希望輸出與輸入具有確定的對應(yīng)關(guān)系，且呈線性關(guān)系。1）靜特性參數(shù)的選用y-輸出量x-輸入量a0-零輸出a1-理論靈敏度a2、…、an-非線性項的待定系數(shù)理想狀態(tài)下a0、a2、…、an均為零。a)線性度最大非線性誤差非線性誤差或線性度滿量程輸出理想特性實際特性xΔHmaxY

線性度反映了被測值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系曲線對擬合直線的接近程度。選用原則：選用線性度小的為宜。

傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為其靜態(tài)靈敏度。表征傳感器對輸入量變化的反應(yīng)能力。（b）靈敏度

線性傳感器非線性傳感器

傳感器的靈敏度選用原則：

在量程范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度越高越好，但要注意外界噪聲的影響。

正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯。

—正反行程間輸出的最大差值。(c)遲滯xΔHmaxY

磁性材料的磁滯，結(jié)構(gòu)材料受力變形的滯后、摩擦等是產(chǎn)生遲滯誤差（回程誤差）的原因。選用原則：遲滯誤差越小越好。xY(d)重復(fù)性

傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。正行程的最大重復(fù)性偏差反行程的最大重復(fù)性偏差取較大者為xΔRmax1ΔRmax2y反映了傳感器的離散性。

傳感器的動態(tài)特性是傳感器的輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。反映了傳感器輸出值真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。2）動特性

測量交變信號時，傳感器在其所測頻率范圍內(nèi)，保持信號不失真的測量特性。

在信號的所測頻率范圍內(nèi)，要求傳感器的幅頻特性是平直的，而要求相頻特性是線性的或是不變的。第三節(jié)檢測系統(tǒng)的檢測原理模擬信號的檢測傳感器測量電路放大器解調(diào)器濾波器轉(zhuǎn)換電路接口電路振蕩器1、基本測量電路把傳感器感應(yīng)到的非電量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量參數(shù)。(1)調(diào)頻電路當(dāng)被測信號為零時，△C=0，振蕩器有一個固有振蕩頻率f0當(dāng)被測信號不為零時，△c≠0，此時頻率為

具有較高的靈敏度，可測至0.01μm級位移變化量易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強

(2)運算放大器式電路

Cx是傳感器電容uC-Cx∑～u0C是固定電容u0是輸出電壓信號

由運算放大器工作原理可知

結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性uC-Cx∑～u0ADC(Analog/DigitalConverter)0809輸入通道輸出端基準(zhǔn)參考電壓輸出允許信號轉(zhuǎn)換結(jié)束信號啟動轉(zhuǎn)換信號時鐘信號輸入端地址線禁止端電源端接地端（1）基本結(jié)構(gòu)2、轉(zhuǎn)換電路（2）轉(zhuǎn)換過程CPU地址碼（A、B、C）ALE指令SC信號，開始轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)束鎖存EOC信號OE信號，讀取數(shù)據(jù)第四節(jié)檢測信號的預(yù)處理一、模擬信號的預(yù)處理1）模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式（1）單通道直接型特點:

最簡單的形式。只用一個A/D轉(zhuǎn)換及緩沖器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并輸入微機。受轉(zhuǎn)換電壓幅度與速度的限制，應(yīng)用范圍窄。(2)多通道一般型特點:

依次對每個模擬通道進(jìn)行采樣保持和轉(zhuǎn)換，節(jié)省元、部件，速度低，不能獲得同一瞬時的各通道的模擬信號。(3)多通道同步型特點:

各采樣/保持同時動作，可測得在同一瞬時各傳感器輸出的模擬信號。(4)多通道并行輸入型特點:

各通道直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，送入微機或信號通道。靈活性大，抗干擾能力強。根據(jù)傳感器輸出信號的特點可采用采樣/保持或不同的ADC。2）多路模擬開關(guān)有選擇地切換各路輸入信號。譯碼器電平轉(zhuǎn)換電路INHCBA01234567I/O地址碼選中通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7地址編碼表3）模擬信號的采樣與保持采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字調(diào)節(jié)器D/A轉(zhuǎn)換器保持器y(t)y*(t)y(kT)u(kT)u*(t)u(t)y(t)y*(t)y(kT)00001000110111101111u(kT)01001001101001100010u*(t)u(t)(1)采樣：把模擬信號變成一系列不連續(xù)的脈沖時間序列的過程。y(t)ty*(t)ta)采樣過程y(t)y*(t)采樣開關(guān)b)采樣信號特征時間軸上離散，函數(shù)軸上連續(xù)，是一個離散的模擬信號。(2)保持：

采樣信號在進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換前，要在一定時間內(nèi)保持不變，從而為A/D轉(zhuǎn)換提供充分的時間，防止產(chǎn)生誤差。y*(t)t(3)采樣/保持電路二、數(shù)字信號的預(yù)處理數(shù)字濾波（1）模擬電路uiuoRCi（2）頻率特性uiuoRCi傳遞函數(shù)令：則：幅頻特性ω0----截止頻率1ω0T（ω）ω0（3）算法是常微分方程，采用尤拉格式，以差商代替導(dǎo)數(shù)。即：如果在點xn列出方程y’(xn)=f(xn,y(xn))則用：代替y’(xn)有：yn=y(xn)=y(xn-1)+hf(x

n-1,y(x

n-1))

對于：令：X=ui,

Y=uo即：本次采樣值本次輸出值用代替有Δt----采樣周期Y（n-1）----上次輸出值令：則：濾波平滑系數(shù)截止頻率為：（4）程序流程圖開始確定Y(n-1)收集X(n)計算αX(n），暫存于Y(n)計算(1-α)Y(n-1),累加到Y(jié)(n)結(jié)束第五節(jié)傳感器非線性補償處理傳感器放大器A/D數(shù)字量非線性校正電路數(shù)字處理或顯示

在機電一體化測試系統(tǒng)中，當(dāng)對被測參量進(jìn)行顯示時，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(jìn)行分析處理。

當(dāng)檢測元件存在不同程度的非線性特性時，會使較大范圍的動態(tài)檢測存在很大的誤差，因此需要對傳感器及測試系統(tǒng)進(jìn)行非線性補償。一、計算法

當(dāng)輸出信號與傳感器的參數(shù)之間有確定的數(shù)字表達(dá)式時采用的辦法。具體措施：

在軟件中編制一段完成數(shù)字表達(dá)式計算的程序，被測參數(shù)經(jīng)過采樣、濾波和標(biāo)定變換后直接進(jìn)入計算機程序進(jìn)行計算，計算后的數(shù)值即為經(jīng)過線性化處理的輸出參數(shù)。非線性補償可以采用硬件電路或使用軟件來完成。具體措施：

把事先經(jīng)計算或測得的數(shù)據(jù)按一定順序編成表格，編寫查表程序，根據(jù)被測參數(shù)的值或中間結(jié)果查出最終所需要的結(jié)果。特點：

程序簡單、執(zhí)行速度快；占用內(nèi)存單元較多，表格的編制比較麻煩。二、查表法

當(dāng)測控參數(shù)的計算非常復(fù)雜時（如一些非線性參數(shù)），不能用一般的算術(shù)運算求出，而需要涉及到指數(shù)、對數(shù)、三角函數(shù)、積分、微分等運算，程序編寫比較復(fù)雜，有些甚至無法建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，采用非數(shù)值計算的方法。三、插值法1、插值原理xyx0y0x1y1xiyixyXi+1yi+1xnyny=f(x)不是簡單的線性方程，因此當(dāng)已知某一輸入值以后，求輸出值比較困難。把曲線分段使問題簡化。

把相鄰兩分段點用直線連起來，用此直線代替相應(yīng)的各段曲線,即可求出輸入值x所對應(yīng)的輸出值y。xyx0y0x1y1xiyixyXi+1yi+1xnyn