《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計》第5章-檢測系統(tǒng)設(shè)計

第5章檢測系統(tǒng)設(shè)計5.1概述5.2線位移檢測傳感器5.3角位移檢測傳感器5.4速度、加速度傳感器5.5測力傳感器5.6傳感器的正確選擇和使用5.7檢測信號的采集與處理1精選2021版課件5.1概述一、定義及分類：1、定義：傳感器是將力、溫度、位移、速度等量轉(zhuǎn)換成電信號的元件?！皞鞲衅骷夹g(shù)是機(jī)電一體化的第一基礎(chǔ)”2、分類按能量變換的功能分：按輸出的信號分：物理傳感器化學(xué)傳感器2精選2021版課件計數(shù)型（二次型+計數(shù)型）

電壓，電流型（熱電偶,Cds電池）電感，電容型（可變電容）有接點(diǎn)型(微動開關(guān)，接觸開關(guān)，行程開關(guān))

傳感器電阻型（電位器，電阻應(yīng)變片）非電量型二值型電量無接點(diǎn)型(光電開關(guān)，接近開關(guān))模擬型數(shù)字型代碼型（旋轉(zhuǎn)編碼器，磁尺）3精選2021版課件二、傳感器的基本特性1.傳感器的靜特性傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。(1).線性度傳感器的線性度是指傳感器實(shí)際輸出—輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即4精選2021版課件二、傳感器的基本特性(2).靈敏度傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出量的變化量與輸入量的變化量之比，即(3).遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨?，輸出——輸入特性曲線不重合的程度稱為遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示

5精選2021版課件二、傳感器的基本特性(4).重復(fù)性傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測量時，所得輸出——輸入曲線的不一致程度，稱重復(fù)性。重復(fù)性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即近似計算精確計算6精選2021版課件二、傳感器的基本特性5.分辨力傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。6.零漂傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。7精選2021版課件2.傳感器的動態(tài)特性傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示。動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應(yīng)特性。傳感器動態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過時域、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，其動態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。

二、傳感器的基本特性8精選2021版課件1.新型傳感器的開發(fā)鑒于傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、采用新原理、開發(fā)新材料、采用新工藝，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑?？傊?，傳感器正經(jīng)歷著從以結(jié)構(gòu)型為主轉(zhuǎn)向以物性型為主的過程。三、傳感器的發(fā)展方向9精選2021版課件2.傳感器的集成化和多功能化隨著微電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)和集成化工藝等方面的發(fā)展，出現(xiàn)了多種集成化傳感器。這類傳感器，或是同一功能的多個敏感元件排列成線性、面型的陣列型傳感器；或是多種不同功能的敏感元件集成一體，成為可同時進(jìn)行多種參數(shù)測量的傳感器；或是傳感器與放大、運(yùn)算、溫度補(bǔ)償?shù)入娐芳梢惑w具有多種功能——實(shí)現(xiàn)了橫向和縱向的多功能。三、傳感器的發(fā)展方向10精選2021版課件3.傳感器的智能化“電五官”與“電腦”的相結(jié)合，就是傳感器的智能化。智能化傳感器不僅具有信號檢測、轉(zhuǎn)換功能，同時還具有記憶、存儲、解析、統(tǒng)計處理及自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)等功能。如進(jìn)一步將傳感器與計算機(jī)的這些功能集成于同一芯片上，就成為智能傳感器。三、傳感器的發(fā)展方向11精選2021版課件5.2線位移檢測傳感器一、光柵位移傳感器二、感應(yīng)同步器三、磁柵位移傳感器12精選2021版課件一、光柵位移傳感器1、光柵的構(gòu)造：13精選2021版課件2、工作原理一、光柵位移傳感器

把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖所示。14精選2021版課件莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：1.莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。光柵每移動過一個柵距W，莫爾條紋就移動過一個條紋間距B

2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。

一、光柵位移傳感器15精選2021版課件通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號，如圖所示。

一、光柵位移傳感器其電壓為：16精選2021版課件將此電壓信號放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再經(jīng)辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，則可用數(shù)字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測量分辨率等于柵距。一、光柵位移傳感器17精選2021版課件1.感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)二、感應(yīng)同步器sincos節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距τ（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺定尺18精選2021版課件

包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節(jié)距T(一般為2mm)的方齒形線圈。定尺繞組是連續(xù)的，滑尺上分布著兩個勵磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組相位相同時，余弦繞組與定尺繞組錯開1/4節(jié)距。滑尺和定尺相對平行安裝，其間保持一定間隙（0.05~0.2mm）。二、感應(yīng)同步器19精選2021版課件2.感應(yīng)同步器的工作原理在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為2~10kHz）的交變電流時，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小與滑尺和定尺的相對位置有關(guān)。設(shè)正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓為Uc，移動距離為x，節(jié)距為T，則正弦繞組單獨(dú)供電時，在定尺上感應(yīng)電勢為二、感應(yīng)同步器20精選2021版課件余弦繞組單獨(dú)供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為

二、感應(yīng)同步器由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，可進(jìn)行線性疊加，所以定尺上總的感應(yīng)電勢為21精選2021版課件式中：K——定尺與滑尺之間的耦合系數(shù)；——定尺與滑尺相對位移的角度表示量（電角度）T——節(jié)距，表示直線感應(yīng)同步器的周期，標(biāo)準(zhǔn)式直線感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm。利用感應(yīng)電壓的變化可以求得位移X，從而進(jìn)行位置檢測。二、感應(yīng)同步器22精選2021版課件3.測量方法根據(jù)對滑尺繞組供電方式的不同，以及對輸出電壓檢測方式的不同，感應(yīng)同步器的測量方式有鑒相式和鑒幅式兩種工作法。二、感應(yīng)同步器23精選2021版課件(1)鑒相式工作法滑尺的兩個勵磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個電壓，設(shè)二、感應(yīng)同步器則

從上式可以看出，只要測得相角，就可以知道滑尺的相對位移x：

24精選2021版課件二、感應(yīng)同步器2.鑒幅工作法在滑尺的兩個勵磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個交流電壓：則：由上式知，感應(yīng)電勢的幅值隨著滑尺的移動作正弦變化。因此，可以通過測量感應(yīng)電動勢的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對位移。25精選2021版課件1.磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)

三、磁柵位移傳感器1—磁性膜2—基體3—磁尺4—磁頭5—鐵芯6—勵磁繞組7—拾磁繞組26精選2021版課件2.原理：在用軟磁材料制成的鐵芯上繞有兩個繞組，一個為勵磁繞組，另一個為拾磁繞組，將高頻勵磁電流通入勵磁繞組時，當(dāng)磁頭靠近磁尺時在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為：三、磁柵位移傳感器U0——輸出電壓系數(shù)；——磁尺上磁化信號的節(jié)距；χ——磁頭相對磁尺的位移；ω——勵磁電壓的角頻率。

式中：

在實(shí)際應(yīng)用中，需要采用雙磁頭結(jié)構(gòu)來辨別移動的方向27精選2021版課件3.測量方式(1)鑒幅測量方式如前所述，磁頭有兩組信號輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為π/2的兩組信號兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節(jié)距發(fā)出一個正（余）弦信號，經(jīng)信號處理后可進(jìn)行位置檢測。這種方法的檢測線路比較簡單，但分辨率受到錄磁節(jié)距λ的限制，若要提高分辨率就必須采用較復(fù)雜的信頻電路，所以不常采用。三、磁柵位移傳感器28精選2021版課件2.鑒相測量方式將一組磁頭的勵磁信號移相90°，則得到輸出電壓為在求和電路中相加，則得到磁頭總輸出電壓為三、磁柵位移傳感器則合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對位置χ變化而變。讀出輸出信號的相位，就可確定磁頭的位置。

29精選2021版課件5.3角位移檢測傳感器一、旋轉(zhuǎn)變壓器二、光電編碼器30精選2021版課件1.結(jié)構(gòu)如圖所示旋轉(zhuǎn)變壓器一般做成兩極電機(jī)的形式。在定子上有激磁繞組和輔助繞組，它們的軸線相互成90°。在轉(zhuǎn)子上有兩個輸出繞組——正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個繞組的軸線也互成90°，一般將其中一個繞組（如Z1、Z2）短接。一、旋轉(zhuǎn)變壓器31精選2021版課件2.原理旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)以一定頻率（頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等幾種）的激磁電壓加于定子繞組時，轉(zhuǎn)子繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系。前一種旋轉(zhuǎn)變壓器稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于大角位移的絕對測量；后一種稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于小角位移的相對測量。一、旋轉(zhuǎn)變壓器32精選2021版課件3.測量方式當(dāng)定子繞組中分別通以幅值和頻率相同、相位相差為90°的交變激磁電壓時，便可在轉(zhuǎn)子繞組中得到感應(yīng)電勢U3，根據(jù)線性疊加原理，U3值為激磁電壓U1和U2的感應(yīng)電勢之和，即一、旋轉(zhuǎn)變壓器式中:k=w1/w2——旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比

w1、w2——轉(zhuǎn)子、定子繞組的匝數(shù)33精選2021版課件線性旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)際上也是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，不同的是線性旋轉(zhuǎn)變壓器采用了特定的變壓比k和接線方式，如右圖。這樣使得在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)（一般為±60°），其輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ成線性關(guān)系。此時輸出電壓為一、旋轉(zhuǎn)變壓器34精選2021版課件1.增量式編碼器結(jié)構(gòu)二、光電編碼器35精選2021版課件2.增量式編碼器工作原理鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢測窄縫，它們彼此錯開1/4節(jié)距，以使A、B兩個光電變換器的輸出信號在相位上相差90°。工作時，鑒向盤靜止不動，主碼盤與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當(dāng)主碼盤上的不透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為最??；當(dāng)主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線全部通過，光電變換器輸出電壓為最大。主碼盤每轉(zhuǎn)過一個刻線周期，光電變換器將輸出一個近似的正弦波電壓，且光電變換器A、B的輸出電壓相位差為90°。經(jīng)邏輯電路處理就可以測出被測軸的相對轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動方向。

二、光電編碼器36精選2021版課件3.絕對式編碼器原理絕對式編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進(jìn)制編碼。如圖所示為四位二進(jìn)制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道，在同一個碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼

二、光電編碼器37精選2021版課件

黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”。在一個四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，每一個碼道表示二進(jìn)制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360°范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個。二、光電編碼器38精選2021版課件

工作時，碼盤的一側(cè)放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個碼道都對應(yīng)有一個光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號。

二、光電編碼器39精選2021版課件4.絕對式編碼器非單值性誤差的消除(1).循環(huán)碼盤(或稱格雷碼盤)右圖所示為四位二進(jìn)制循環(huán)碼。這種編碼的特點(diǎn)是任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，即“0”變?yōu)椤?”或“1”變?yōu)椤?”。因此，在兩數(shù)變換過程中，所產(chǎn)生的讀數(shù)誤差最多不超過“1”，只可能讀成相鄰兩個數(shù)中的一個數(shù)。

二、光電編碼器40精選2021版課件(2).帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤該碼盤最外圈上的信號位的位置正好與狀態(tài)交線錯開，只有當(dāng)信號位處的光電元件有信號時才讀數(shù)，這樣就不會產(chǎn)生非單值性誤差。

二、光電編碼器41精選2021版課件5.4速度、加速度傳感器一、直流測速發(fā)電機(jī)二、光電式速度傳感器三、差動變壓器式速度傳感器四、加速度傳感器42精選2021版課件測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。圖2—17所示為永磁式測速發(fā)電機(jī)原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)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)換成正比的直流電勢。

一、直流測速發(fā)電機(jī)直流測速發(fā)電機(jī)在機(jī)電控制系統(tǒng)中，主要用作測速和校正元件。在使用中，為了提高檢測靈敏度，盡可能把它直接連接到電機(jī)軸上。有的電機(jī)本身就已安裝了測速發(fā)電機(jī)。43精選2021版課件

光電脈沖測速原理如下圖所示。物體以速度V通過光電池的遮擋板時，光電池輸出階躍電壓信號，經(jīng)微分電路形成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時間間隔△t，則可測得速度為二、光電式速度傳感器44精選2021版課件

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）上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓盤組成，如下圖所示。光源發(fā)出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上，當(dāng)縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測量時間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，則可測得轉(zhuǎn)速為二、光電式速度傳感器45精選2021版課件

差動變壓器式除了可測量位移外，還可測量速度。其工作原理如下圖所示。差動變壓器式的原邊線圈同時供以直流和交流電流，即三、差動變壓器式速度傳感器46精選2021版課件

當(dāng)差動變壓器以被測速度V=dx/dt移動時，在其副邊兩個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，將它們的差值通過低通濾波器濾除勵磁高頻角頻率后，則可得到與速度v（m/s）相對應(yīng)的電壓輸出，即

差動變壓器漂移小，其主要性能為：測量范圍10~2000mm/s（可調(diào)），輸出電壓±10V（max），輸出電流±10mA（max），頻帶寬度≥500Hz。三、差動變壓器式速度傳感器47精選2021版課件

作為加速度檢測元件的加速度傳感器有多種形式，它們的工作原理大多是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電量，來間接度量被測加速度。最常用的有應(yīng)變片式和壓電式等。

四、加速度傳感器48精選2021版課件電阻應(yīng)變式加速度計結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。它由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形便可測出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計算出被測加速度。殼體內(nèi)灌滿的粘性液體作為阻尼之用。這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低。四、加速度傳感器49精選2021版課件

壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。使用時，傳感器固定在被測物體上，感受該物體的振動，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)生四、加速度傳感器的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。壓電加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對被測機(jī)構(gòu)的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、應(yīng)用較為廣泛。50精選2021版課件下圖為一種空氣阻尼的電容式加速度傳感器。該傳感器采用差動式結(jié)構(gòu)，有兩個固定電極，兩極板之間有一用彈簧支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩端經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板。當(dāng)傳感器測量垂直方向的振動時，由于質(zhì)量塊的慣性作用，使兩固定極相對質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，使電容C1、C2中一個增大，另一個減小，它們的差值正比于被測加速度。這種加速度傳感器的精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，可以測得很高的加速度值。四、加速度傳感器51精選2021版課件（一）柱式彈性元件柱式彈性元件有圓柱形、圓筒形等幾種。如下圖所示。這種彈性元件結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大，主要用于中等載荷和大載荷（可達(dá)數(shù)兆牛頓）的拉(壓)力傳感器。5.5測力傳感器52精選2021版課件2.懸臂梁式彈性元其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、應(yīng)變片粘貼容易、靈敏度較高。主要用于小載荷、高精度的拉、壓力傳感器中?？蓽y量0.01牛頓到幾千牛頓的拉、壓力。在同5.5測力傳感器一截面正反兩面粘貼應(yīng)變片，并應(yīng)在該截面中性軸的對稱表面上。若梁的自由端有一被測力P，則應(yīng)變與P力的關(guān)系為：件53精選2021版課件5.6傳感器的正確選擇和使用一、傳感器的選擇二、傳感器的正確使用54精選2021版課件

1.測試要求和條件。測量目的、被測物理量選擇、測量范圍、輸入信號最大值和頻帶寬度、測量精度要求、測量所需時間要求等。2.傳感器特性。精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量性質(zhì)、對被測物體產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護(hù)等。3.使用條件。安裝條件、工作場地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動等）、測量時間、所需功率容量、與其它設(shè)備的連接、備件與維修服務(wù)等。一、傳感器的選擇55精選2021版課件1.線性化處理與補(bǔ)償在機(jī)電一體化測控系統(tǒng)中，特別是需對被測參量進(jìn)行顯示時，總是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。2.傳感器的標(biāo)定傳感器的標(biāo)定，就是利用精度高一級的標(biāo)準(zhǔn)量具對傳感器進(jìn)行定度的過程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系，同時也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器使用前要進(jìn)行標(biāo)定，使用一段時間后還要定期進(jìn)行校正，檢查精度性能是否滿足原設(shè)計指標(biāo)。二、傳感器的正確使用56精選2021版課件3.抗干擾措施傳感器大多要在現(xiàn)場工作，而現(xiàn)場的條件往往是不可預(yù)料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測系統(tǒng)中，抗干擾是非常重要的，尤其是在微弱輸入信號的系統(tǒng)中。常采用的抗干擾措施有屏蔽、接地、隔離和濾波等。二、傳感器的正確使用57精選2021版課件（1）屏蔽屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起來，以隔離內(nèi)外電磁或電場的相互干擾。屏蔽可分為三種，即電場屏蔽、磁場屏蔽及電磁屏蔽。（2）接地電路或傳感器中的地指的是一個等電位點(diǎn)，它是電路或傳感器的基準(zhǔn)電位點(diǎn)，與基準(zhǔn)電位點(diǎn)相連接，就是接地。

二、傳感器的正確使用58精選2021版課件（3）隔離當(dāng)電路信號在兩端接地時，容易形成地環(huán)路電流，引起噪聲干擾。這時，常采用隔離的方法，把電路的兩端從電路上隔開。隔離的方法主要采用變壓器隔離和光電耦合器隔離。（4）濾波雖然采取了上述的一些抗干擾措施，但仍會有一些噪聲信號混雜在檢測信號中，因此檢測電路中還常設(shè)置濾波電路，對由外界干擾引入的噪聲信號加以濾除。二、傳感器的正確使用59精選2021版課件5.7檢測信號的采集與處理一、檢測系統(tǒng)的組成二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入三、數(shù)字信號的預(yù)處理60精選2021版課件1.模擬信號檢測系統(tǒng)振蕩器用于對傳感器信號進(jìn)行調(diào)制，并為解調(diào)提供參考信號；量程變換電路的作用是避免放大器飽和并滿足不同測量范圍的需要；解調(diào)器用于將已調(diào)制信號恢復(fù)成原有形式；一、檢測系統(tǒng)的組成61精選2021版課件濾波器可將無用的干擾信號濾除，并取出代表被測物理量的有效信號；運(yùn)算電路可對信號進(jìn)行各種處理，以正確獲得所需的物理量，其功能也可在對信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，由數(shù)字計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)；計算機(jī)對信號進(jìn)行進(jìn)一步處理后，可獲得相應(yīng)的信號去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而在不需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的檢測系統(tǒng)中，計算機(jī)則將有關(guān)信息送去顯示或打印輸出。一、檢測系統(tǒng)的組成62精選2021版課件2.數(shù)字信號檢測系統(tǒng)數(shù)字信號檢測系統(tǒng)有絕對碼數(shù)字式和增量碼數(shù)字式。當(dāng)傳感器輸出的編碼與被測量一一對應(yīng)，稱為絕對碼。絕對碼檢測系統(tǒng)如右圖所示，每一一、檢測系統(tǒng)的組成經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和放大整形后，得到與被測量相對應(yīng)的編碼。糾錯電路糾正由于各個碼道刻劃誤差而可能造成的粗大誤差。采用循環(huán)碼（格雷碼）傳感器時則先轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼，再譯碼輸出。碼道的狀態(tài)由相應(yīng)光電元件讀出，63精選2021版課件

當(dāng)傳感器輸出增量碼信號，即信號變化的周期數(shù)與被測量成正比，其增量碼數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的典型組成如右圖所示。一、檢測系統(tǒng)的組成

傳感器的輸出多數(shù)為正弦波信號，需先經(jīng)放大、整形后變成數(shù)字脈沖信號。但在多數(shù)情況下，為提高分辨率，常采用細(xì)分電路使傳感器信號每變化1/n個周期計一個數(shù)，其中n稱為細(xì)分?jǐn)?shù)。辨向電路用于辨別被測量的變化方向。當(dāng)脈沖信號所對應(yīng)的被測量不便讀出和處理時，需進(jìn)行脈沖當(dāng)量變換。計算機(jī)可對信號進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算處理，并將結(jié)果直接送去顯示或打印輸出，或求取控制量去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。64精選2021版課件1.模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式(4種)二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入65精選2021版課件2.多路模擬開關(guān)多路模擬開關(guān)又稱為多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，簡稱多路開關(guān)，其作用是分別或依次把各路檢測信號與A/D轉(zhuǎn)換器接通，以節(jié)省A/D轉(zhuǎn)換器件。

二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入右圖表示一個8通道的模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖，它由模擬開關(guān)S0~S7及開關(guān)控制與驅(qū)動電路組成。8個模擬開關(guān)的接通與斷開，通過用二進(jìn)制代碼尋址來指定，從而選擇特定的通道。

66精選2021版課件上圖是AD7501型多路模擬開關(guān)集成芯片的管腳功能圖，這是具有8路輸入通道、1路公共輸出的多路開關(guān)CMOS集成芯片。由三個地址線（A0、A1、A2）的狀態(tài)及EN端來選擇8個通道之中的一路，片上所有的邏輯輸入端與TTL/DTL及CMOS電路兼容。其真值表如下:67精選2021版課件A2A1A0EN“ON”0001100112010130111410015101161101711118×××0無二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入68精選2021版課件3.信號采集與保持所謂采集，就是把時間連續(xù)的信號變成一串不連續(xù)的脈沖時間序列的過程。信號采樣是通過采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。采樣開關(guān)又稱采樣器，實(shí)質(zhì)上它是一個模擬開關(guān)，每隔時間間隔T閉合一次，每次閉合持續(xù)時間τ，其中，T稱為采樣周期，其倒數(shù)fs=1/T稱為采樣頻率，τ稱為采樣時間或采樣寬度，采樣后的脈沖序列稱為采樣信號。采樣信號是一個離散的模擬信號，它在時間軸上是離散的，但在函數(shù)軸上仍是連續(xù)的，因而還需要用A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入69精選2021版課件A/D轉(zhuǎn)換過程需要一定時間，為防止產(chǎn)生誤差，要求在此期間內(nèi)保持采樣信號不變。實(shí)現(xiàn)這一功能的電路稱采樣/保持電路。

二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入典型的采樣/保持電路由模擬開關(guān)、保持電容和運(yùn)算放大器組成，如右圖所示。70精選2021版課件運(yùn)算放大器N1和N2接成跟隨器，作緩沖器用。當(dāng)控制信號Uc為高電平時場效應(yīng)管VF導(dǎo)通，對輸入信號采樣。輸入信號ui通過N1和VF向電容C充電，并通過N2輸出uo。由于N1的輸出阻抗很小，N2的輸出阻抗很大，因而在VF導(dǎo)通期間uo=ui。當(dāng)Uc為低電平時，VF截止，電容C將采樣器間的信號電平保持下來，并經(jīng)N2緩沖后輸出。二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入71精選2021版課件

傳感器的輸出信號被采入計算機(jī)后往往要先進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，其目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾，并對檢測系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進(jìn)行補(bǔ)償和修正。數(shù)字信號預(yù)處理一般用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)。1.數(shù)字濾波數(shù)字濾波實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波，與模擬濾波相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：①不需要額外的硬件設(shè)備，不存在阻抗匹配問題，可以使多個輸入通道共用一套數(shù)字濾波程序，從而降低了儀器的硬件成本。②可以對頻率很低或很高的信號實(shí)現(xiàn)濾波。③可以根據(jù)信號的不同而采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，靈活、方便、功能強(qiáng)。

三、數(shù)字信號的預(yù)處理72精選2021版課件(1).中值濾波中值濾波方法對緩慢變化的信號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，對信號連續(xù)進(jìn)行n次采樣，然后對采樣值排序，并取序列中位值作為采樣有效值。程序算法就是通用的排序算法。采樣次數(shù)n一般取為大于3的奇數(shù)。(2).算術(shù)平均濾波算術(shù)平均濾波方法的原理是，對信號連續(xù)進(jìn)行n次采樣，以其算術(shù)平均值作為有效采樣值。該方法對壓力、流量等具有周期脈動特點(diǎn)的信號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，為便于運(yùn)算處理，常取n=4、8、16。三、數(shù)字信號的預(yù)處理73精選2021版課件(3).滑動平均濾波該方法采用循環(huán)隊(duì)列作為采樣數(shù)據(jù)存儲器，隊(duì)列長度固定為n，每進(jìn)行一次新的采樣，把采樣數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，扔掉原來隊(duì)首的一個數(shù)據(jù)。這樣，在隊(duì)列中始終有n個最新的數(shù)據(jù)。對這n個最新數(shù)據(jù)求取平均值，作為此次采樣的有效值。這種方法每采樣一次，便可得到一個有效采樣值，因而速度快，實(shí)時性好，對周期性干擾具有良好的抑制作用

三、數(shù)字信號的預(yù)處理74精選2021版課件(4).低通濾波當(dāng)被測信號緩慢變化時，可采用數(shù)字低通濾波的方法去除干擾。數(shù)字低通濾波器是用軟件算法來模擬硬件低通濾波的功能。一階RC低通濾波器的微分方程為

三、數(shù)字信號的預(yù)處理75精選2021版課件式中:τ=RC是電路的時間常數(shù)。用X替代ui，Y替代uo，將微分方程轉(zhuǎn)換成差分方程，并整理得:式中——采樣周期；X（n）——本次采樣值；Y（n）和Y（n－1）——本次和上次的濾波器輸出值。取，則式（2－47）可改寫成三、數(shù)字信號的預(yù)處理76精選2021版課件

由上式可見濾波器的本次輸出值主要取決于其上次輸出值，本次采樣值對濾波器輸出僅有較小的修正作用，因此該濾波器算法相當(dāng)于一個具有較大慣性的一階慣性環(huán)節(jié)，模擬了低通濾波器的功能，其截止頻率為

數(shù)字低通濾波程序流程圖如下:三、數(shù)字信號的預(yù)處理77精選2021版課件三、數(shù)字信號的預(yù)處理78精選2021版課件2.靜態(tài)誤差補(bǔ)償