1、江蘇大學袁鵬平機電一體化系統設計機電一體化系統設計 傳感檢測系統的選擇與設計傳感檢測系統的選擇與設計 本章要求重點掌握以下內容：檢測傳感器的分類及機電一體化對其基本要求；常用檢測傳感器的原理及應用；傳感器的測量電路及與微機接口。本章概述本章概述傳感器技術是現代檢測和自動化技術的重要基礎之傳感器技術是現代檢測和自動化技術的重要基礎之一，機電一體化系統的自動化程度越高，對傳感器一，機電一體化系統的自動化程度越高，對傳感器的依賴性也就越大。的依賴性也就越大。能將各種能將各種非電物理量非電物理量轉換成轉換成電量電量的傳感器及其應用的傳感器及其應用技術便成為機電一體化技術系統中不可缺少的組成技術便成為機

2、電一體化技術系統中不可缺少的組成部分。部分。把各種非電量信息轉換為電信號把各種非電量信息轉換為電信號,這就是傳感器的功這就是傳感器的功能能,傳感器又稱為傳感器又稱為一次儀表一次儀表。對轉換后的電信號進行。對轉換后的電信號進行測量測量,并進行放大、運算、轉換、記錄、指示、顯示并進行放大、運算、轉換、記錄、指示、顯示等處理等處理,這叫作電信號處理系統這叫作電信號處理系統,通常被稱為通常被稱為二次儀表二次儀表。非電量檢測系統的結構形式非電量檢測系統的結構形式3.1傳感器的組成和分類傳感器的組成和分類3.1.1傳感器的組成傳感器的組成通常傳感器由敏感元件、轉換元件敏感元件、轉換元件和和轉換電路轉換電路

3、三部分組成。 圖3-1傳感器的組成（1）敏感元件）敏感元件: 是一種能夠將被測量轉換成易于測量的物理量的預變換裝置,其輸入、輸出間具有確定的數學關系（最好為線性）。如彈性敏感元件將力轉換為位移或應變輸出。（2）轉換元件：）轉換元件：將敏感元件輸出的非電物理量(如位移、應變、光強等)轉換成電信號（如電阻、電感、電容等）形式。（3）基本轉換電路：）基本轉換電路：將電信號量轉換成便于測量的電量,如電壓、電流、頻率等。 傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性是是在在靜態標準條件靜態標準條件下下,利用一利用一定等級的標準設備定等級的標準設備,對傳感對傳感器進行往復循環測試器進行往復循環測試,得到得到的輸入的輸

4、入/輸出特性（列表或輸出特性（列表或畫曲線）。通常希望這個畫曲線）。通常希望這個特性（曲線）為線性特性（曲線）為線性,這對這對標定和數據處理帶來方便。標定和數據處理帶來方便。但實際的輸出與輸入特性但實際的輸出與輸入特性只能接近線性只能接近線性,與理論直線與理論直線有偏差有偏差,如圖如圖3-3所示。所示。3.1.2 傳感器的性能指標傳感器的性能指標圖3-3 傳感器的線性度示意圖 yFS21max0 xFS1實際曲線2理想曲線yx傳感器的輸入信號不隨時間變化或變化非常緩慢%100maxFSLy（3-1） （1） 線性度線性度xyS輸入量的變化量輸出量的變化量0線性度可用下式計算：式中：L線性度(非

5、線性誤差)； max最大非線性絕對誤差； yFS 輸出滿度值。 （2） 靈敏度靈敏度 傳感器在靜態標準條件下,輸出變化對輸入變化的比值稱為靈敏度,用S0表示,即 (3-2) 對于線性傳感器來說,它的靈敏度S0是個常數。%10021%100FSmHFSmHyHyH或(3-3) yFSHm0 xFSyx（3）遲滯。）遲滯。傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸出/輸入特性曲線的不重合程度稱為遲滯,遲滯誤差一般以滿量程輸出yFS的百分數表示： Hm輸出值在正、反行程間的最大差值。 遲滯特性一般由實驗方法確定,如圖3-4所示。圖3-4 遲滯特性 （4） 重復特性。重復特性。 傳感器在同一條

6、件下,被測輸入量按同一方向作全量程連續多次重復測量時,所得的輸出/輸入曲線不一致的程度,稱為重復特性,如圖3-5所示。重復特性誤差用滿量程輸出的百分數表示,即式中: Rm最大重復性誤差。 重復特性也由實驗方法確定,常用絕對誤差表示,如圖3-5所示。 %100FSmRyR(3-4) yFS0 xFSxRm1yRm2圖3-5 重復特性（5）分辨力）分辨力:傳感器能檢測到的最小輸入增量。在輸入零點附近的分辨力稱為閾值。（6）漂移：）漂移：由于傳感器內部因素或在外界干擾的情況下,傳感器的輸出發生的變化稱為漂移。（7）精度：）精度：精度表示測量結果和被測的“真值”的靠近程度，包括傳感器的測量精度和重復精

7、度。 2. 傳感器的動態特性傳感器的動態特性 傳感器能測量動態信號的能力用動態特性表示。傳感器能測量動態信號的能力用動態特性表示。動態動態特性是指傳感器測量動態信號時，輸出對輸入的響應特特性是指傳感器測量動態信號時，輸出對輸入的響應特性性。傳感器動態特性的性能指標可以通過時域、頻域以。傳感器動態特性的性能指標可以通過時域、頻域以及試驗分析的方法確定，其動態特性參數如：最大超調及試驗分析的方法確定，其動態特性參數如：最大超調量、上升時間、調整時間、頻率響應范圍、臨界頻率等。量、上升時間、調整時間、頻率響應范圍、臨界頻率等。表表3.2 傳感器的技術指標傳感器的技術指標基本參數指標環境參數指標可靠性

8、指標其它指標量程指標量程指標: :量程范圍、過載能力等量程范圍、過載能力等靈敏度指標靈敏度指標: :靈敏度、分辨力、滿量程輸靈敏度、分辨力、滿量程輸出、輸入輸出阻抗等出、輸入輸出阻抗等精度有關指標精度有關指標: :精度、誤差、線性、滯后、精度、誤差、線性、滯后、重復性、靈敏度誤差、穩定性重復性、靈敏度誤差、穩定性等等動態性能指標動態性能指標: :固有頻率、阻尼比、時間常固有頻率、阻尼比、時間常數、頻率響應范圍、頻率特性數、頻率響應范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩定、臨界頻率、臨界速度、穩定時間、過沖量、穩態誤差等時間、過沖量、穩態誤差等溫度指標溫度指標: :工作溫度范圍、溫工作溫度范圍、

9、溫度誤差、溫度漂移、度誤差、溫度漂移、溫度系數、熱滯后等溫度系數、熱滯后等抗沖振指標抗沖振指標: :允許各向抗沖振的允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差、沖振所引入的誤差等等其它環境參數其它環境參數: :抗潮濕、抗介質腐抗潮濕、抗介質腐蝕能力、抗電磁干擾蝕能力、抗電磁干擾能力等能力等工作壽命、平均無故障時間、保險期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關指標使用有關指標: :供電方式供電方式( (直流、交流直流、交流、頻率及波形等、頻率及波形等) )、功、功率、各項分布參數值、率、各項分布參數值、電壓范圍與穩定度等電壓范圍與穩定度等結構方面指標結構方面指標

10、: :外形尺寸、重量、殼外形尺寸、重量、殼體材質、結構特點等體材質、結構特點等安裝連接方面指標安裝連接方面指標: :安裝方式、饋線電纜安裝方式、饋線電纜等等 3.1.3 信號傳輸與處理電路信號傳輸與處理電路傳感器信號處理電路內容的選擇所要考慮的問題主要包括：（1） 傳感器輸出信號形式,如是模擬信號還是數字信號,是電壓還是電流。 （2） 傳感器輸出電路形式,是單端輸出還是差動輸出。 （3） 傳感器電路的輸出能力,是電壓還是功率,輸出阻抗的大小如何等。 （4） 傳感器的特性,如線性度、信噪比、分辨率。3.1.4 傳感器的分類傳感器的分類1. 按能量變換的功能分：按能量變換的功能分：2. 按輸出按輸

11、出的信號分：的信號分：開關型：開關型：開關型傳感器的二值就是開關型傳感器的二值就是“1”和和“0”或開或開(ON)和關和關(OFF)。這種。這種“l”和和“0”數字信號可直接傳送到數字信號可直接傳送到微機進行處理，使用方便。微機進行處理，使用方便。 模擬型：模擬型： 模擬型傳感器的輸出是與輸入物理量變化相對應模擬型傳感器的輸出是與輸入物理量變化相對應的連續變化的電量。如電位器、電容式位移傳感的連續變化的電量。如電位器、電容式位移傳感器、電阻應變片輸入與輸出可以是線性的也可以器、電阻應變片輸入與輸出可以是線性的也可以是非線性的。線性的可以直接使用，非線性的需是非線性的。線性的可以直接使用，非線性

12、的需經過線性化處理，模擬量經經過線性化處理，模擬量經A/D轉換后輸入微機。轉換后輸入微機。 數字型傳感器有計數型和代碼型計數型和代碼型兩大類。計數型又稱脈沖數字型，其工作原理如圖a-1所示。它可以是任何一種脈沖發生器，所發出的脈沖數與輸入量成正比，加上計數器就可對輸入量進行計數，如可用來檢測通過輸送帶上的產品個數，也可用來檢測運行機構的位移量，這時運行機構每移動一定距離或轉動一定角度就會發出一個脈沖信號，例如增量式光電碼盤增量式光電碼盤和檢測光柵檢測光柵。代碼型傳感器又稱編碼器代碼型傳感器又稱編碼器，其工作原理如圖a-2所示；它輸出的信號是數字代碼，每一代碼相當于一個一定的輸入量的值，例如圖中

13、輸入量的值為K1時，輸出代碼為1010，而輸入量的值為K2時，輸出代碼為1011。代碼的“1”為高電平，“0”為低電平。高、低電平可用光電元件或機械接觸式元件輸出。常用來檢測執行元件的位置或速度，如絕對值型光電編碼器、接觸式編碼板等。物理型傳感器：利用一些材料物理特性變化（如集成傳感器），有潛力結構型傳感器：利用彈性片、金屬片、電容電感等結構元件（如一 般的電阻、電容、電感傳感器）4. 模擬式和數字式傳感器檢測系統模擬式和數字式傳感器檢測系統 電阻、電容、電感、壓電、磁電、熱電式等傳感器輸出模擬信號，其檢測系統如圖示：傳感器傳感器量程變換量程變換放大器放大器解調器解調器濾波器濾波器運算電路運算

14、電路A/D計算機計算機 顯示、顯示、執行機構執行機構 振蕩器振蕩器 振蕩器用于對傳感器信號“調制”，以提高輸出信號的抗干擾能力；并對“解調” 提供參考信號，“解調”是使信號恢復原有形式。 有的傳感器可不進行調制與解調，直接阻抗匹配、放大、濾波等。光柵、磁柵、光電編碼器、激光干涉儀等傳感器輸出增量碼信號，增量碼信號，信號變化的周期與被測位移成正比的信號，其檢測系統如圖示：傳傳感感器器放放大大器器整整形形電電路路細細分分電電路路變變換換電電路路計計數數器器計計算算機機顯示顯示執行執行機構機構辨向電路辨向電路 傳感器輸出多為正弦波信號，經放大、整形后變成數字脈沖信號，進入計數器、計算機，為提高分辨率

15、，采取細分電路； 辮向電路辨別方向以便正確進行加法或減法記數； 脈沖信號所對應的被測來年感不便于讀出和處理時，需進行脈沖當量變換電路。模擬式系統：精度低、易受干擾影響、不便于長距離傳輸、有A/D轉換， 成本高數字式系統：分辨率高、抗干擾強、易于長距離傳輸、易于計算機控制、 應用廣泛） 傳感器標定是指利用較高等級的標準器具（或儀器、儀傳感器標定是指利用較高等級的標準器具（或儀器、儀表）對傳感器的特性進行刻度，或者說通過試驗建立傳感表）對傳感器的特性進行刻度，或者說通過試驗建立傳感器的輸入量與輸出量之間的關系。同時，也確定出不同使器的輸入量與輸出量之間的關系。同時，也確定出不同使用條件下的誤差關系

16、。用條件下的誤差關系。 傳感器的標定分傳感器的標定分靜態標定靜態標定和和動態標定動態標定:1. 感器靜態特性標定感器靜態特性標定 靜態標定目的是確定傳感器的靜態特性指標，如線性度、靜態標定目的是確定傳感器的靜態特性指標，如線性度、靈敏度、精度、遲滯性和重復性等。靈敏度、精度、遲滯性和重復性等。2. 傳感器動態特性標定傳感器動態特性標定 動態特性標定的目的確定傳感器的動態特性參數，如時動態特性標定的目的確定傳感器的動態特性參數，如時間常數、上升時間或工作頻率、通頻帶等。間常數、上升時間或工作頻率、通頻帶等。3.1.5 傳感器的標定傳感器的標定體積小、重量輕、對整機的適應性好；體積小、重量輕、對整

17、機的適應性好；精度和靈敏度高、響應快、穩定性好、信噪比高；精度和靈敏度高、響應快、穩定性好、信噪比高；安全可靠、壽命長；安全可靠、壽命長；便于與計算機連接；便于與計算機連接；不易受被測對象不易受被測對象(如電阻、磁導率如電阻、磁導率)的影響，也不影響外的影響，也不影響外部環境；部環境；對環境條件適應能力強；對環境條件適應能力強；現場處理簡單、操作性能好；現場處理簡單、操作性能好；價格低廉。價格低廉。3.1.6 機電一體化系統對檢測傳感器基本要求機電一體化系統對檢測傳感器基本要求1)集成化：集成化：集成（傳感器、放大器、運算器、補償器集成（傳感器、放大器、運算器、補償器等）；組合（不同功能的傳感

18、器）；排列（成矩等）；組合（不同功能的傳感器）；排列（成矩陣）。陣）。(2)多功能化：多功能化：如溫度與濕度、氣敏與濕度、速度與長如溫度與濕度、氣敏與濕度、速度與長度等多功能傳感器。度等多功能傳感器。(3)智能化：智能化：不但能對外界信號進行轉換與測量，同時不但能對外界信號進行轉換與測量，同時還具有記憶存儲、運算及數據處理等功能。還具有記憶存儲、運算及數據處理等功能。(4)數字化：數字化：數字顯示與微處理機的應用，使傳感器應數字顯示與微處理機的應用，使傳感器應用更為方便，可提高穩定性及精度，簡化結構。用更為方便，可提高穩定性及精度，簡化結構。3.1.7 傳感器的發展方向傳感器的發展方向1首先要

19、根據使用要求在眾多傳感器中首先要根據使用要求在眾多傳感器中選擇適合自己選擇適合自己所需要的。所需要的。有些傳感器的輸入有些傳感器的輸入/輸出特性，理論上的輸出特性，理論上的分析較復雜，但實際應用時很簡單，用戶只需根據使分析較復雜，但實際應用時很簡單，用戶只需根據使用要求按其主要性能參數，如測量范圍、精度、分辨用要求按其主要性能參數，如測量范圍、精度、分辨力、靈敏度等選用即可。傳感器性能參數指標包含的力、靈敏度等選用即可。傳感器性能參數指標包含的面很寬，對于具體的某種傳感器，應根據實際的需要面很寬，對于具體的某種傳感器，應根據實際的需要和可能，在確保其主要性能指標的情況下，適當放寬和可能，在確保

20、其主要性能指標的情況下，適當放寬對次要性能指標的要求，對次要性能指標的要求，切忌盲目追求各種特性參數切忌盲目追求各種特性參數均高指標，以形成較高的性能均高指標，以形成較高的性能/價格比價格比。2要特別注意不同系列產品的應用環境、使用條件和要特別注意不同系列產品的應用環境、使用條件和維護要求。維護要求。環境變化環境變化(如溫度、振動、噪聲等如溫度、振動、噪聲等)將改變將改變傳感器的某些特性傳感器的某些特性(如靈敏度、線性度等指標如靈敏度、線性度等指標)，且能，且能造成與被測參數無關的輸出，如零點漂移。因此，造成與被測參數無關的輸出，如零點漂移。因此，應應根據環境要求合理選用傳感器。根據環境要求合

21、理選用傳感器。一、傳感器的選擇一、傳感器的選擇3.2 傳感器的正確選擇和使用傳感器的正確選擇和使用使用傳感器時，可以采取某些技術措施來改善傳使用傳感器時，可以采取某些技術措施來改善傳感器的性能：感器的性能：1. 平均技術平均技術. 常用的平均技術有誤差平均效應和數常用的平均技術有誤差平均效應和數據平均處理。誤差平均效應的原理是利用多個傳感據平均處理。誤差平均效應的原理是利用多個傳感器單元同時感受被測量，因而其輸出將是這些單元器單元同時感受被測量，因而其輸出將是這些單元輸出的總和。這在光柵、感應同步器等柵狀傳感器輸出的總和。這在光柵、感應同步器等柵狀傳感器中都可取得明顯效果；數據平均處理是在相同

22、條件中都可取得明顯效果；數據平均處理是在相同條件下重復測量次，然后取其平均值（濾波），因此，下重復測量次，然后取其平均值（濾波），因此，該技術可以大大降低隨機誤差。該技術可以大大降低隨機誤差。2差動技術差動技術. 差動技術在電阻應變式、電感式、電差動技術在電阻應變式、電感式、電容式等傳感器中得到廣泛應用，它可以消除零位輸容式等傳感器中得到廣泛應用，它可以消除零位輸出和偶次非線性項，抵消共模誤差、減小非線性。出和偶次非線性項，抵消共模誤差、減小非線性。二、傳感器的正確使用二、傳感器的正確使用3穩定性處理穩定性處理. 傳感器作為長期使用的元件，傳感器作為長期使用的元件，其穩定性顯得特別重要，因此，

23、對傳感器的其穩定性顯得特別重要，因此，對傳感器的結構材料要進行時效處理，對電子元件進行結構材料要進行時效處理，對電子元件進行篩選等。篩選等。4屏蔽和隔離屏蔽和隔離. 屏蔽、隔離措施可抑制電磁屏蔽、隔離措施可抑制電磁干擾，隔熱、密封、隔振等措施可消弱溫度、干擾，隔熱、密封、隔振等措施可消弱溫度、濕度、機械振動的影響。濕度、機械振動的影響。 二、傳感器的正確使用二、傳感器的正確使用 1傳感器的標定傳感器的標定 利用標準設備產生已知的非電量，并用其作為基準利用標準設備產生已知的非電量，并用其作為基準量來確定傳感器的輸出電量與輸入非電量之間的關系量來確定傳感器的輸出電量與輸入非電量之間的關系的過程。的

24、過程。 傳感器在出廠時均要進行標定，廠家的產品列表中傳感器在出廠時均要進行標定，廠家的產品列表中所列的主要性能參數所列的主要性能參數(或指標或指標)就是通過標定得到的。就是通過標定得到的。傳感器的標定應在與其使用條件相似的環境狀態下和傳感器的標定應在與其使用條件相似的環境狀態下和規定的安裝條件下進行。規定的安裝條件下進行。2傳感器的校準傳感器的校準 傳感器在使用前或在使用過程中或擱置一段時間后傳感器在使用前或在使用過程中或擱置一段時間后再使用時，必須對其性能參數進行復測或作必要的調再使用時，必須對其性能參數進行復測或作必要的調整與修正，以保證其測量精度，這個復測過程就是整與修正，以保證其測量精

25、度，這個復測過程就是校校準準。 校準與標定內容基本相同。校準與標定內容基本相同。三、傳感器的標定與校準三、傳感器的標定與校準 3.3 檢測信號的采集與處理檢測信號的采集與處理 在機電一體化系統中，傳感器獲取系統的有關信息并通過檢測系統進在機電一體化系統中，傳感器獲取系統的有關信息并通過檢測系統進行處理，以實施系統的控制。行處理，以實施系統的控制。傳感器傳感器處于被測對象與檢測系統的界面位置，處于被測對象與檢測系統的界面位置，是信號輸入的主要窗口，為檢測系統提供必需的原始信號。是信號輸入的主要窗口，為檢測系統提供必需的原始信號。中間轉換電路中間轉換電路將傳感器的敏感元件輸出的電參數信號轉換成易于

26、測量或處理的電壓或電將傳感器的敏感元件輸出的電參數信號轉換成易于測量或處理的電壓或電流等電量信號。通常，這種電量信號很微弱，需要由中間轉換電路進行放流等電量信號。通常，這種電量信號很微弱，需要由中間轉換電路進行放大、調制解調、大、調制解調、A AD D（D DA A）轉換等處理以滿足信號傳輸、微機處理的要）轉換等處理以滿足信號傳輸、微機處理的要求，根據需要還必須進行必要的阻抗匹配、線性化及溫度補償等處理。中求，根據需要還必須進行必要的阻抗匹配、線性化及溫度補償等處理。中間轉換電路的種類和構成由傳感器的類型決定，不同的傳感器要求配用的間轉換電路的種類和構成由傳感器的類型決定，不同的傳感器要求配用

27、的中間轉換電路經常具有自己的特色。中間轉換電路經常具有自己的特色。 需要指出的是，在機電一體化系統設計中，需要指出的是，在機電一體化系統設計中，所選用的傳感器多數己由所選用的傳感器多數己由生產廠家配好轉換放大控制電路而不需要用戶設計，除非是現有傳感器產生產廠家配好轉換放大控制電路而不需要用戶設計，除非是現有傳感器產品在精度或尺寸、性能等方面不能滿足設計要求，才自己選用傳感器的敏品在精度或尺寸、性能等方面不能滿足設計要求，才自己選用傳感器的敏感元件并設計與此相匹配的轉換測量電路。感元件并設計與此相匹配的轉換測量電路。 檢測系統的組成首先跟傳感器輸出的信號形式和檢測系統的組成首先跟傳感器輸出的信號

28、形式和儀器的功能有關，并由此決定檢測系統的類型。儀器的功能有關，并由此決定檢測系統的類型。 1. 模擬信號檢測系統模擬信號檢測系統 振蕩器振蕩器用于對傳感器信號進行調制，并為解調用于對傳感器信號進行調制，并為解調提供參考信號；提供參考信號； 量程變換電路量程變換電路的作用是避免放大器飽和并滿足的作用是避免放大器飽和并滿足不同測量范圍的需要；不同測量范圍的需要； 解調器解調器用于將已調制信號恢復成原有形式；用于將已調制信號恢復成原有形式；一、檢測系統的組成一、檢測系統的組成顯示執行機構模/數轉換器量程變換電路傳感器振 蕩 器放大器運算電路解調器濾波器計算機模擬式傳感器是目前應用最多的傳感器，如電

29、阻式、電感式、電容式、壓電式、磁電式及熱電式等傳感器均輸出模擬信號，其輸出是與被測物理量相對應的連續變化的電信號。 濾波器濾波器可將無用的干擾信號濾除，并取出代表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；被測物理量的有效信號； 運算電路運算電路可對信號進行各種處理，以正確獲得可對信號進行各種處理，以正確獲得所需的物理量，其功能也可在對信號進行模所需的物理量，其功能也可在對信號進行模/數轉數轉換后，由數字計算機來實現；換后，由數字計算機來實現； 計算機對信號進行進一步處理后，可獲得相應計算機對信號進行進一步處理后，可獲得相應的信號去控制執行機構，而在不需要執行機構的的信號去控制執行

30、機構，而在不需要執行機構的檢測系統中，計算機則將有關信息送去顯示或打檢測系統中，計算機則將有關信息送去顯示或打印輸出。印輸出。一、檢測系統的組成一、檢測系統的組成顯示執行機構模/數轉換器量程變換電路傳感器振 蕩 器放大器運算電路解調器濾波器計算機在具體的機電一體化產品的在具體的機電一體化產品的檢測系統中，也可能沒有圖檢測系統中，也可能沒有圖中的某些部分或增加一些其中的某些部分或增加一些其它部分，如有些傳感器可不它部分，如有些傳感器可不進行調制與解調，而直接進進行調制與解調，而直接進行阻抗匹配、放大和濾波等。行阻抗匹配、放大和濾波等。2. 數字信號檢測系統數字信號檢測系統 數字信號檢測系統數字信

31、號檢測系統有有絕對碼數字式絕對碼數字式和和增增量碼數字式量碼數字式。當傳感。當傳感器輸出的編碼與被測器輸出的編碼與被測量一一對應，稱為絕量一一對應，稱為絕對碼。絕對碼檢測系對碼。絕對碼檢測系統如右圖所示統如右圖所示 ，每一，每一一、檢測系統的組成一、檢測系統的組成放大整形光電轉換傳感器糾錯電路碼制變換顯示執行機構譯碼器數字式傳感器可直接直接將被測量轉換成數字信號輸出，既可提高檢測精度、分辨率及抗干擾能力，又易于信號的運算處理、存儲和遠距離傳輸。因此，盡管目前數字式傳感器品種還不很多，但卻得到了越來越多的應用得到了越來越多的應用。最常見的數字式傳感器有光柵、磁柵、容柵、感應同步器、光電編碼器等，

32、主要用于幾何位置、速度等的測量。 當傳感器輸出增量碼當傳感器輸出增量碼信號，即信號變化的信號，即信號變化的周期數與被測量成正周期數與被測量成正比，其比，其增量碼數字信增量碼數字信號檢測系統號檢測系統的典型組的典型組成如右圖所示。成如右圖所示。一、檢測系統的組成一、檢測系統的組成傳感器脈沖當量變換電路放大器細分電路整形電路寄存器計數器計算機顯示執行辨向電路 傳感器的輸出多數為正弦波信號，需先經傳感器的輸出多數為正弦波信號，需先經放大、整形放大、整形后變成后變成數字脈沖信號。但在多數情況下，為提高分辨率，常采用數字脈沖信號。但在多數情況下，為提高分辨率，常采用細分電細分電路路使傳感器信號每變化使傳

33、感器信號每變化1/n個周期計一個數，其中個周期計一個數，其中n稱為細分數。稱為細分數。辨向電路辨向電路用于辨別被測量的變化方向。當脈沖信號所對應的被測用于辨別被測量的變化方向。當脈沖信號所對應的被測量不便讀出和處理時，需進行量不便讀出和處理時，需進行脈沖當量變換脈沖當量變換。計算機可對信號進。計算機可對信號進行復雜的運算處理，并將結果直接送去顯示或打印輸出，或求取行復雜的運算處理，并將結果直接送去顯示或打印輸出，或求取控制量去控制執行機構控制量去控制執行機構。3.開關信號檢測系統傳感器的輸出信號為開關信號，如光電開關和電觸點開關的通斷信號等。這類信號的測量電路實質為功率放大電路功率放大電路。

34、一、檢測系統的組成一、檢測系統的組成4 4、傳感器與微機的基本接口、傳感器與微機的基本接口 輸入到微機的信息必須是微機能夠處理的數字量輸入到微機的信息必須是微機能夠處理的數字量信息。傳感器的輸出形式可分為模擬量、數字量和信息。傳感器的輸出形式可分為模擬量、數字量和開關量。與此相應的有三種基本接口方式，見下表。開關量。與此相應的有三種基本接口方式，見下表。一、檢測系統的組成一、檢測系統的組成1.模擬量的轉換輸入方式模擬量的轉換輸入方式(4種種)二、模擬量的轉換輸入二、模擬量的轉換輸入傳感器傳感器傳感器采樣/保持采樣/保持多路模擬開關控制器A/D緩沖器總線A/D總線傳感器多路模擬開關總線放大采樣/

35、保持控制器A/D采樣/保持A/D采樣/保持A/D采樣/保持A/D總線傳感器輸入并行輸入口a)b)c)d). 三態緩沖器a是最簡單的一種方式。傳感器輸出的模擬信號經A/D轉換器轉換成數字信號，通過三態緩沖器送入計算機總線。這種方式僅適用于只有一路檢測信號的場合。B所示多路檢測信號共用一個A/D轉換器，通過多路模擬開關依次對各路信號進行采樣，其特點是電路簡單，節省元器件，但信號采集速度低，不能獲得同一瞬時的各路信號。 c所示與第二種方式的主要區別是信號的采集/保持電路在多路開關之前，因而可獲得同一瞬時的各路信號。 d所示方式，其中各路信號都有單獨的采樣/保持電路和A/D轉換通道，可根據檢測信號的特

36、點，分別采用不同的采樣/保持電路或不同精度的A/D轉換器，因而靈活性大，抗干擾能力強，但電路復雜，采用的元器件較多。上述四種方式中，除第一種外，其它三種都可用于對多路檢測信號進行采集，因此對應的系統常被稱作多路數據采集系統。2. 多路模擬開關多路模擬開關 多路模擬開關又多路模擬開關又稱稱多路轉換開關多路轉換開關，簡，簡稱多路開關，其作用稱多路開關，其作用是分別或依次把各路是分別或依次把各路檢測信號與檢測信號與A/D轉換轉換器接通，以節省器接通，以節省A/D轉換器件。轉換器件。 二、模擬量的轉換輸入二、模擬量的轉換輸入開 關 地 址 輸 入 端開 關 控 制 與 驅 動 電 路選 通 信 號5模

37、擬輸入通道7862431S0S4S6S7S5S1S2S3A /D轉 換 器.右上圖表示一個右上圖表示一個8通道的模擬開關的結構圖，它由模擬開關通道的模擬開關的結構圖，它由模擬開關S0S7及開關控及開關控制與驅動電路組成。制與驅動電路組成。8個模擬開關的接通與斷開，通過用二進制代碼尋址來指個模擬開關的接通與斷開，通過用二進制代碼尋址來指定，從而選擇特定的通道。定，從而選擇特定的通道。例如當開關地址為例如當開關地址為000時，時，S0開關接通，開關接通，S1S7均斷開，當開關地址為均斷開，當開關地址為111時，時，S7開關接通，其它開關接通，其它7個開關斷開。模擬開關一個開關斷開。模擬開關一般采用

38、般采用MOS場效應管，如果后級電路具有足夠的輸入阻抗，則可以直接連接。場效應管，如果后級電路具有足夠的輸入阻抗，則可以直接連接。 3. 信號采集與保持信號采集與保持 所謂采集，就是把時間連續的信號變成一串不所謂采集，就是把時間連續的信號變成一串不連續的脈沖時間序列的過程。連續的脈沖時間序列的過程。信號采樣是通過采信號采樣是通過采樣開關來實現樣開關來實現。采樣開關又稱采樣器，。采樣開關又稱采樣器，實質實質上它上它是一個是一個模擬開關模擬開關，每隔時間間隔，每隔時間間隔T閉合一次，每閉合一次，每次閉合持續時間次閉合持續時間，其中，其中，T稱為采樣周期，其倒稱為采樣周期，其倒數數fs=1/T稱為采樣

39、頻率，稱為采樣頻率，稱為采樣時間或采樣寬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。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，但在函數軸上仍是連續的，因而還需是離散的，但在函數軸上仍是連續的，因而還需要用要用A/D轉換器將其轉換成數字量。轉換器將其轉換成數字量。二、模擬量的轉換輸入二、模擬量的轉換輸入 A/D轉換過程需要一轉換過程需要一定時間，為防止產生定時間，為防止產生誤差，要求在此期間誤差，要求在此期間內保持采樣信號不變。內保持采樣信號不變。實現這一功能的電路實現這一功能的電路稱稱采樣采樣/保持

40、電路保持電路。 二、模擬量的轉換輸入二、模擬量的轉換輸入VFUcuiN1CN20u 傳感器的輸出信號被采入計算機后往往要先進行傳感器的輸出信號被采入計算機后往往要先進行適當的預處理，其適當的預處理，其目的是去除混雜在有用信號中的目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾，并對檢測系統的非線性、零位誤差和增各種干擾，并對檢測系統的非線性、零位誤差和增益誤差等進行補償和修正。益誤差等進行補償和修正。數字信號預處理一般用數字信號預處理一般用軟件的方法來實現。軟件的方法來實現。1. 數字濾波數字濾波 數字濾波實質上是一種數字濾波實質上是一種程序濾波程序濾波，與模擬濾波，與模擬濾波相比具有如下優點：不需要額外

41、的硬件設備，不相比具有如下優點：不需要額外的硬件設備，不存在阻抗匹配問題，可以使多個輸入通道共用一套存在阻抗匹配問題，可以使多個輸入通道共用一套數字濾波程序，從而降低了儀器的硬件成本。可數字濾波程序，從而降低了儀器的硬件成本。可以對頻率很低或很高的信號實現濾波。可以根據以對頻率很低或很高的信號實現濾波。可以根據信號的不同而采用不同的濾波方法或濾波參數，靈信號的不同而采用不同的濾波方法或濾波參數，靈活、方便、功能強。活、方便、功能強。三、數字信號的預處理三、數字信號的預處理混雜在有用信號中的干擾信號有兩大類：周期性干擾和隨機性干擾周期性干擾和隨機性干擾。典型的周期干擾是50Hz的工頻干擾，采用積

42、分時間為20ms整數倍的雙積分型A/D轉換器，可有效地消除其影響。對于隨機性干擾，可采用數字濾波的隨機性干擾，可采用數字濾波的方法予以削弱或消除。方法予以削弱或消除。2. 靜態誤差補償靜態誤差補償 在機電一體化產品中，常用在機電一體化產品中，常用軟件方法軟件方法對傳感器的非線性傳對傳感器的非線性傳輸特性進行補償校正，以降低對傳感器的要求。輸特性進行補償校正，以降低對傳感器的要求。 (1). 非線性補償非線性補償 下圖下圖a為傳感器的非線性校正系統。當傳感器及其調理為傳感器的非線性校正系統。當傳感器及其調理電路至電路至A/D轉換器的輸入轉換器的輸入輸出有非線性，如下圖輸出有非線性，如下圖b所示，

43、所示，可按下圖可按下圖c所示的所示的反非線性特性進行轉換反非線性特性進行轉換，進行非線性的校，進行非線性的校正，使輸出正，使輸出y與輸入與輸入x呈理想直線關系，如下圖呈理想直線關系，如下圖d所示。所示。三、數字信號的預處理三、數字信號的預處理0b)xiux0c)uixxia)0ud)y=xx 微型計算機/處理器傳感器及其 調理電路xA/Duy=x(2).零位誤差補償零位誤差補償 檢測系統的零位誤差是由檢測系統的零位誤差是由溫度漂移和時間漂移溫度漂移和時間漂移引起的。采用軟件對零位誤差進行補償的方法又引起的。采用軟件對零位誤差進行補償的方法又稱稱數字調零數字調零，其原理如下圖所示。，其原理如下圖所示。 三、數字信號的預處理三、數字信號的預處理檢測及放大電路多路開關U零 信 號 輸 入基 準 信