1、第四章第四章 微機控制系統的選擇及接口設計第一節 專用與通用的抉擇、硬件與軟件的權衡第二節 微機控制系統的設計思路第三節 微機控制系統的構成與種類 第四節 微機控制系統的軟件與程序設計語言 第五節 微機應用領域及其選用要點第六節 8086/8088CPU的硬件結構特點 第七節 Z80CPU的硬件結構特點、存儲器及輸入輸出擴展接口 第八節 單片機的硬件結構特點及其最小應用系統 第九節 數字顯示器及鍵盤的接口電路 第十節 微機應用系統的輸入輸出控制的可靠性設計微機應用系統的輸入輸出控制的可靠性設計 第十一節 可編程邏輯控制器(PLC)的構成及應用舉例 第十二節 常用檢測傳感器的性能特點、選用及其微

2、機接口常用檢測傳感器的性能特點、選用及其微機接口習題與思考題習題與思考題常用檢測傳感器的性能特點、選用及其微機接口 檢測傳感器的分類和基本要求 各類傳感器的主要性能及優缺點 傳感器的選用原則及注意事項 傳感器的測量電路 傳感器的微機接口 檢測與傳感器檢測與傳感器 概述概述 線位移檢測傳感器線位移檢測傳感器 角位移檢測傳感器角位移檢測傳感器 速度、加速度傳感器速度、加速度傳感器 測力傳感器測力傳感器 傳感器的正確選擇和使用傳感器的正確選擇和使用 檢測信號的采集與處理檢測信號的采集與處理概述概述 一、定義及分類：一、定義及分類： 1、定義：傳感器是將力、溫度、位移、速度等、定義：傳感器是將力、溫度

3、、位移、速度等量轉換成電信號的元件。量轉換成電信號的元件。“傳感器技術是機電一傳感器技術是機電一體化的第一基礎體化的第一基礎” 2、分類、分類 按能量變換的功能分：按能量變換的功能分： 按輸出的信號分：按輸出的信號分：二、傳感器的基本特性二、傳感器的基本特性 1. 傳感器的靜特性傳感器的靜特性 傳感器的靜態特性是指當被測量處于穩定狀態傳感器的靜態特性是指當被測量處于穩定狀態下，傳感器的輸入與輸出值之間的關系。傳感器下，傳感器的輸入與輸出值之間的關系。傳感器靜態特性的主要技術指標有：靜態特性的主要技術指標有：線性度線性度、靈敏度靈敏度、遲滯遲滯和和重復性重復性等。等。 (1).線性度線性度 傳感

4、器的線性度是指傳感器實際輸出傳感器的線性度是指傳感器實際輸出輸入特輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即之比，即100%maxFSyL二、傳感器的基本特性二、傳感器的基本特性 xyS0%100FSmyHH二、二、傳感器的基本特性傳感器的基本特性100%FSmRyR 1322nyyyiFSR二、二、傳感器的基本特性傳感器的基本特性 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。動態特性是指傳感器測量動態信號時，輸出對輸動態特性是指傳感器測量動態信號時，輸出對輸

5、入的響應特性。傳感器動態特性的性能指標可以入的響應特性。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：最大超調量、上升時間、調整時態特性參數如：最大超調量、上升時間、調整時間、頻率響應范圍、臨界頻率等。間、頻率響應范圍、臨界頻率等。 二、二、傳感器的基本特性傳感器的基本特性 1. 新型傳感器的開發新型傳感器的開發 鑒于傳感器的工作機理是基于各種效應和定律，鑒于傳感器的工作機理是基于各種效應和定律，由此啟發人們進一步發現新現象、采用新原理、由此啟發人們進一步發現新現象、采用新原理、開發新材料、采用新工藝，并以此研制出

6、具有新開發新材料、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，這是發展高性能、多原理的新型物性型傳感器，這是發展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。總之，功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。總之，傳感器正經歷著從以結構型為主轉向以物性型為傳感器正經歷著從以結構型為主轉向以物性型為主的過程。主的過程。三、傳感器的發展方向三、傳感器的發展方向 2. 傳感器的集成化和多功能化傳感器的集成化和多功能化 隨著微電子學、微細加工技術和集成化工藝等隨著微電子學、微細加工技術和集成化工藝等方面的發展，出現了多種集成化傳感器。這類傳方面的發展，出現了多種集成化傳感器。這類傳感器，或是同一

7、功能的多個敏感元件排列成線性、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，成為可同時進行多種參數測量的元件集成一體，成為可同時進行多種參數測量的傳感器；或是傳感器與放大、運算、溫度補償等傳感器；或是傳感器與放大、運算、溫度補償等電路集成一體具有多種功能電路集成一體具有多種功能實現了橫向和縱實現了橫向和縱向的多功能。向的多功能。三、傳感器的發展方向三、傳感器的發展方向 3. 傳感器的智能化傳感器的智能化 “電五官電五官”與與“電腦電腦”的相結合，就是傳感器的相結合，就是傳感器的智能化。智能化傳感器不

8、僅具有信號檢測、轉的智能化。智能化傳感器不僅具有信號檢測、轉換功能，同時還具有記憶、存儲、解析、統計處換功能，同時還具有記憶、存儲、解析、統計處理及自診斷、自校準、自適應等功能。如進一步理及自診斷、自校準、自適應等功能。如進一步將傳感器與計算機的這些功能集成于同一芯片上，將傳感器與計算機的這些功能集成于同一芯片上，就成為智能傳感器。就成為智能傳感器。三、傳感器的發展方向三、傳感器的發展方向線位移檢測傳感器線位移檢測傳感器 一、一、光柵位移傳感器光柵位移傳感器 二、感應同步器二、感應同步器 三、磁柵位移傳感器三、磁柵位移傳感器一、光柵位移傳感器一、光柵位移傳感器32411.標尺光柵 2.指示光柵

9、3.光電元件 4.光源 2、工作原理、工作原理一、光柵位移傳感器一、光柵位移傳感器ddffddBffddW/2WddW/2指示光柵標尺光柵 莫爾條紋具有如下特點：莫爾條紋具有如下特點： 1.莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。光柵每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移動過一個柵距W，莫爾條紋就移動，莫爾條紋就移動過一個條過一個條紋間距紋間距B 2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距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系為與兩光柵條紋夾角之間關系為 3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。 一、光柵位移傳感器一、光柵

10、位移傳感器WWB2sin2 通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強的變化轉換為近似正弦變化的電信號，如圖的變化轉換為近似正弦變化的電信號，如圖所示。所示。 一、光柵位移傳感器一、光柵位移傳感器U0UW/2oUm2W3W/2WxWxUUUm2sin0 將此電壓信號放大、整形變換為方波，將此電壓信號放大、整形變換為方波，經微分轉換為脈沖信號，再經辨向電路和經微分轉換為脈沖信號，再經辨向電路和可逆計數器計數，則可用數字形式顯示出可逆計數器計數，則可用數字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測量分辨率等于柵距。量分辨率等于柵

11、距。一、光柵位移傳感器一、光柵位移傳感器 1.感應同步器結構感應同步器結構二、感應同步器二、感應同步器4l 包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節距法在定尺和滑尺上制成節距T(一般為一般為2mm)的方的方齒形線圈。定尺繞組是連續的，滑尺上分布著兩齒形線圈。定尺繞組是連續的，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。當個勵磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當正弦繞組與定尺繞組相位相同時，余弦繞組與定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尺繞組錯開1/4節距。滑尺和定尺相對平行安裝，節距。滑尺和定尺相對平行

12、安裝，其間保持一定間隙（其間保持一定間隙（0.050.2mm）。）。二、感應同步器二、感應同步器 2.感應同步器的工作原理感應同步器的工作原理 在滑尺的繞組中，施加頻率為在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為（一般為210kHz）的交變電流時，定尺繞組感應出頻率）的交變電流時，定尺繞組感應出頻率為為f的感應電動勢。感應電動勢的大小與滑尺和定的感應電動勢。感應電動勢的大小與滑尺和定尺的相對位置有關。尺的相對位置有關。 設正弦繞組供電電壓為設正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓，余弦繞組供電電壓為為Uc，移動距離為，移動距離為x，節距為，節距為T，則正弦繞組單獨，則正弦繞組單獨供電時，在定尺上感

13、應電勢為供電時，在定尺上感應電勢為二、感應同步器二、感應同步器cos360cos2ssKUTxKUUo 余弦繞組單獨供電所產生的感應電勢為余弦繞組單獨供電所產生的感應電勢為 二、感應同步器二、感應同步器sin360sin2ccKUTxKUUosincos222csKUKUUUU 式中式中 ： K定尺與滑尺之間的耦合系數；定尺與滑尺之間的耦合系數； 定尺與滑尺相對位移的角度表示量（電角定尺與滑尺相對位移的角度表示量（電角度）度） T節距，表示直線感應同步器的周期，標準節距，表示直線感應同步器的周期，標準式直線感應同步器的節距為式直線感應同步器的節距為2mm。 利用感應電壓的變化可以求得位移利用感

14、應電壓的變化可以求得位移X，從而進行，從而進行位置檢測。位置檢測。二、感應同步器二、感應同步器TxTx2360)(o 3. 測量方法測量方法 根據對滑尺繞組供電方式的不同，以及對輸出根據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，感應同步器的測量方式有電壓檢測方式的不同，感應同步器的測量方式有鑒相式鑒相式和和鑒幅式鑒幅式兩種工作法。兩種工作法。二、感應同步器二、感應同步器 (1)鑒相式工作法鑒相式工作法 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，但相位相差幅值，但相位相差90o的兩個電壓，設的兩個電壓，設二、感應同步器二、感應同步器tms

15、UUsintUUmccos222UUU)sin(sincoscossintKUtKUtKUmmmTxo360二、感應同步器二、感應同步器 2.鑒幅工作法鑒幅工作法 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：相同相位，但幅值不等的兩個交流電壓：tmUUssinsintmUUcsincostKUUUUmsin)sin(222 1.磁柵式位移傳感器的結構磁柵式位移傳感器的結構 三、磁柵位移傳感器三、磁柵位移傳感器輸 出 信 號勵 磁 電 源654SS3NNSSS7NN1SNN200abx 2.原理：原理： 在用軟磁材料制成的鐵

16、芯上繞有兩個繞組，一個為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，另一個為拾磁繞組，將高頻勵磁電流通入勵磁繞組時，當磁頭靠近磁尺時在拾磁線圈中感應電勵磁繞組時，當磁頭靠近磁尺時在拾磁線圈中感應電壓為：壓為：三、磁柵位移傳感器三、磁柵位移傳感器txUUsin2sin0 3.測量方式測量方式 (1)鑒幅測量方式鑒幅測量方式 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掉后則得到相位差為/2的兩組信號的兩組信號 兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節距發出一個兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節距發

17、出一個正（余）弦信號，經信號處理后可進行位置檢測。正（余）弦信號，經信號處理后可進行位置檢測。這種方法的檢測線路比較簡單，但分辨率受到錄這種方法的檢測線路比較簡單，但分辨率受到錄磁節距磁節距的限制，若要提高分辨率就必須采用較的限制，若要提高分辨率就必須采用較復雜的信頻電路，所以不常采用。復雜的信頻電路，所以不常采用。 三、磁柵位移傳感器三、磁柵位移傳感器xUU2sin01xUU2cos02 2.鑒相測量方式鑒相測量方式 將一組磁頭的勵磁信號移相將一組磁頭的勵磁信號移相90，則得到輸出電，則得到輸出電壓為壓為 在求和電路中相加，則得到磁頭總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

18、柵位移傳感器三、磁柵位移傳感器txUUcos2sin01txUUsin2cos02txUU2sin0 角位移檢測傳感器角位移檢測傳感器 一、旋轉變壓器一、旋轉變壓器 二、光電編碼器二、光電編碼器 1. 結構如圖所示結構如圖所示 旋轉變壓器一般做旋轉變壓器一般做 成兩極電機的形式。成兩極電機的形式。 在定子上有激磁繞組在定子上有激磁繞組 和輔助繞組，它們的和輔助繞組，它們的 軸線相互成軸線相互成90。在。在 轉子上有兩個輸出繞組轉子上有兩個輸出繞組 正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個繞組的軸線也互成這兩個繞組的軸線也互成90，一般，一般將其中一個繞組（如將其中一個繞組

19、（如Z1、Z2）短接。）短接。一、旋轉變壓器一、旋轉變壓器Z12ZDD21UD13U24DZ3U3Z4 2. 原理原理 旋轉變壓器在結構上與兩相繞組式異步電機旋轉變壓器在結構上與兩相繞組式異步電機相似，由定子和轉子組成。當以一定頻率（頻率相似，由定子和轉子組成。當以一定頻率（頻率通常為通常為400Hz、500Hz、1000Hz及及5000Hz等幾等幾種）的激磁電壓加于定子繞組時，轉子繞組的電種）的激磁電壓加于定子繞組時，轉子繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數關系，或在壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數關系，或在一定轉角范圍內與轉角成正比關系。前一種旋轉一定轉角范圍內與轉角成正比關系。前一種

20、旋轉變壓器稱為正余弦旋轉變壓器，適用于大角位移變壓器稱為正余弦旋轉變壓器，適用于大角位移的絕對測量；后一種稱為線性旋轉變壓器，適用的絕對測量；后一種稱為線性旋轉變壓器，適用于小角位移的相對測量。于小角位移的相對測量。一、旋轉變壓器一、旋轉變壓器 3. 測量方式測量方式 當定子繞組中分別通以幅值和頻率相同、相位相當定子繞組中分別通以幅值和頻率相同、相位相差為差為90的交變激磁電壓時，便可在轉子繞組中的交變激磁電壓時，便可在轉子繞組中得到感應電勢得到感應電勢U3，根據線性疊加原理，根據線性疊加原理，U3值為激值為激磁電壓磁電壓U1和和U2的感應電勢之和，即的感應電勢之和，即一、旋轉變壓器一、旋轉變

21、壓器tUUmsin1tUUmcos2)cos()90sin(sin213tkUkUkUUmo 線性旋轉變壓器實際上線性旋轉變壓器實際上也是正余弦旋轉變壓器，也是正余弦旋轉變壓器，不同的是線性旋轉變壓器不同的是線性旋轉變壓器采用了特定的變壓比采用了特定的變壓比k和和接線方式，如右圖。這樣接線方式，如右圖。這樣使得在一定轉角范圍內使得在一定轉角范圍內（一般為（一般為60），其輸），其輸出電壓和轉子轉角出電壓和轉子轉角成線成線性關系。此時輸出電壓為性關系。此時輸出電壓為一、旋轉變壓器一、旋轉變壓器cos1sin13kkUU3DZ2U11DZ43D24DU3Z1Z 1.增量式增量式編碼器結構編碼器結構

22、二、光電編碼器二、光電編碼器 2.增量式編碼器工作原理增量式編碼器工作原理 鑒向盤與主碼盤平行，并刻有鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢兩組透明檢測窄縫，它們彼此錯開測窄縫，它們彼此錯開1/4節距，以使節距，以使A、B兩個兩個光電變換器的輸出信號在相位上相差光電變換器的輸出信號在相位上相差90。工作。工作時，鑒向盤靜止不動，主碼盤與轉軸一起轉動，時，鑒向盤靜止不動，主碼盤與轉軸一起轉動，光源發出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當主碼光源發出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當主碼盤上的不透明區正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊盤上的不透明區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

23、電壓為最時，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為最小；當主碼盤上的透明區正好與鑒向盤上的透明小；當主碼盤上的透明區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。主碼盤每轉過一個刻線周期，光電變壓為最大。主碼盤每轉過一個刻線周期，光電變換器將輸出一個近似的正弦波電壓，且光電變換換器將輸出一個近似的正弦波電壓，且光電變換器器A、B的輸出電壓相位差為的輸出電壓相位差為90。經邏輯電路處。經邏輯電路處理就可以測出被測軸的相對轉角和轉動方向。理就可以測出被測軸的相對轉角和轉動方向。 二、光電編碼器二、光電編碼器 3.絕對式編碼器原理絕對

24、式編碼器原理 絕對式編碼器是把被測轉角通過讀取碼盤上的絕對式編碼器是把被測轉角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉換成相應代碼的檢測元件。編碼圖案信息直接轉換成相應代碼的檢測元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。盤有光電式、接觸式和電磁式三種。 光電式碼盤是目前應用較多的一種，它是在透光電式碼盤是目前應用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼。如圖明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼。如圖所示為四位二進制的碼盤，碼盤上各圈圓環分別所示為四位二進制的碼盤，碼盤上各圈圓環分別代表一位二進制的數字碼道，在同一個碼道上印代表一位二進制的數字碼道，在同一個碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一

25、套編碼制黑白等間隔圖案，形成一套編碼 二、光電編碼器二、光電編碼器 黑色不透光區和白黑色不透光區和白色透光區分別代表二色透光區分別代表二進制的進制的“0”和和“1”。在一個四位光電碼盤在一個四位光電碼盤上，有四圈數字碼道，上，有四圈數字碼道，每一個碼道表示二進每一個碼道表示二進制的一位，里側是高制的一位，里側是高位，外側是低位，在位，外側是低位，在360范圍內可編數碼范圍內可編數碼數為數為24=16個。個。二、光電編碼器二、光電編碼器1100001101010110011101001010100110001011111100010010000011101101 工作時，碼盤的一工作時，碼盤的一

26、側放置電源，另一邊側放置電源，另一邊放置光電接受裝置，放置光電接受裝置，每個碼道都對應有一每個碼道都對應有一個光電管及放大、整個光電管及放大、整形電路。碼盤轉到不形電路。碼盤轉到不同位置，光電元件接同位置，光電元件接受光信號，并轉成相受光信號，并轉成相應的電信號，經放大應的電信號，經放大整形后，成為相應數整形后，成為相應數碼電信號。碼電信號。 二、光電編碼器二、光電編碼器11000011010101100111010010101001100010111111000100100000111011014.絕對式編碼器非單值性誤差的消絕對式編碼器非單值性誤差的消除除(1).循環碼盤循環碼盤(或稱格雷

27、碼盤或稱格雷碼盤)右圖所示為四位二右圖所示為四位二進制循環碼。這種進制循環碼。這種編碼的特點是任意編碼的特點是任意相鄰的兩個代碼間相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變只有一位代碼有變化，即化，即“0”變為變為“1”或或“1”變為變為“0”。因。因此，在兩數變換過此，在兩數變換過程中，所產生的讀程中，所產生的讀數誤差最多不超過數誤差最多不超過“1”，只可能讀成，只可能讀成相鄰兩個數中的一個數。相鄰兩個數中的一個數。 10010111111101000101110011011110101010110001011000100010001100001000二、光電編碼器二、光電編碼器 (2).帶判位光電裝

28、置的帶判位光電裝置的二進制循環碼盤二進制循環碼盤 該碼盤最外圈上的該碼盤最外圈上的信號位的位置正好與信號位的位置正好與狀態交線錯開，只有狀態交線錯開，只有當信號位處的光電元當信號位處的光電元件有信號時才讀數，件有信號時才讀數，這樣就不會產生非單這樣就不會產生非單值性誤差。值性誤差。 二、光電編碼器二、光電編碼器0100110111111110101011001010011101100010001110111000100100000001速度、加速度傳感器速度、加速度傳感器 一、直流測速發電機一、直流測速發電機 二、光電式速度傳感器二、光電式速度傳感器 三、差動變壓器式速度傳感器三、差動變壓器式

29、速度傳感器 四、加速度傳感器四、加速度傳感器 測速發電機的結構有多種，測速發電機的結構有多種，但原理基本相同。圖但原理基本相同。圖217所示為永磁式測速發電機原所示為永磁式測速發電機原理電路圖。恒定磁通由定子理電路圖。恒定磁通由定子產生，當轉子在磁場中旋轉產生，當轉子在磁場中旋轉時，電樞繞組中即產生交變時，電樞繞組中即產生交變的電勢，經換向器和電刷轉的電勢，經換向器和電刷轉換成正比的直流電勢。換成正比的直流電勢。 MI0RLV0一、直流測速發電機一、直流測速發電機 光電脈沖測速原理如下圖所示。物體以速度光電脈沖測速原理如下圖所示。物體以速度V通通過光電池的遮擋板時，光電池輸出階躍電壓信號，過光

30、電池的遮擋板時，光電池輸出階躍電壓信號，經微分電路形成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間經微分電路形成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時間間隔的時間間隔t，則可測得速度為，則可測得速度為二、光電式速度傳感器二、光電式速度傳感器x00ett光電池擋板V速度測量0e微分電路txV/ 光電式轉速傳感器是由裝在被測軸（或與被測軸相連接光電式轉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。光源發出的光通過縫隙圓盤和指示盤組成，如下圖所示。光源發出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上，當縫隙圓

31、盤隨被測軸轉動時，縫隙盤照射到光電器件上，當縫隙圓盤隨被測軸轉動時，圓盤每轉一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數相等的電脈沖，圓盤每轉一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數相等的電脈沖，根據測量時間根據測量時間t內的脈沖數內的脈沖數N，則可測得轉速為，則可測得轉速為二、光電式速度傳感器二、光電式速度傳感器透鏡光源光電器件帶縫隙圓盤指示縫隙盤tZNn60 差動變壓器式除了可測量位移外，還可測量速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三、

32、差動變壓器式速度傳感器tItimsin)(0I交流電源直流電源加法器跟隨器跟隨器i(t)xdxdt減法器低通濾波器放大器U 當差動變壓器以被測速度當差動變壓器以被測速度V=dx/dt移動時，在其副移動時，在其副邊兩個線圈中產生感應電勢，將它們的差值通過低邊兩個線圈中產生感應電勢，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）相對應的電壓輸出，即）相對應的電壓輸出，即 差動變壓器漂移小，其主要性能為：測量范圍差動變壓器漂移小，其主要性能為：測量范圍102000mm/s（可調），輸出電壓（可調），輸出電壓10V（max），），

33、輸出電流輸出電流10mA（max），頻帶寬度），頻帶寬度500Hz。三、差動變壓器式速度傳感器三、差動變壓器式速度傳感器vkIUv02 作為加速度檢測元件的加速度傳感器有多種形式，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量受加速度所產它們的工作原理大多是利用慣性質量受加速度所產生的慣性力而造成的各種物理效應，進一步轉化成生的慣性力而造成的各種物理效應，進一步轉化成電量，來間接度量被測加速度。最常用的有應變片電量，來間接度量被測加速度。最常用的有應變片式和壓電式等。式和壓電式等。 四、加速度傳感器四、加速度傳感器 電阻應變式加速度計結構原理如下圖所示。它由重電阻

34、應變式加速度計結構原理如下圖所示。它由重塊、懸臂梁、應變片和阻尼液體等構成。當有加速度塊、懸臂梁、應變片和阻尼液體等構成。當有加速度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應變片之時，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應變片之變形便可測出力的大小，在已知質量的情況下即可計變形便可測出力的大小，在已知質量的情況下即可計算出被測加速度。殼體內灌滿的粘性液體作為阻尼之算出被測加速度。殼體內灌滿的粘性液體作為阻尼之用。這一系統的固有頻率可以做得很低。用。這一系統的固有頻率可以做得很低。應 變 片m懸 臂 梁Z ( t )0Z ( t )1充 以 阻 尼 液 體 的 殼 體四、加速度傳感器四、加速度傳感器

35、 壓電加速度傳感壓電加速度傳感器結構原理如右圖器結構原理如右圖所示。使用時，傳所示。使用時，傳感器固定在被測物感器固定在被測物體上，感受該物體體上，感受該物體的振動，慣性質量的振動，慣性質量塊產生慣性力，使塊產生慣性力，使壓電元件產生變形。壓電元件產生變形。壓電元件產生壓電元件產生四、加速度傳感器四、加速度傳感器引出線3質量塊1 殼體壓電晶片m4 2 下圖為一種空氣阻尼的電容式加速度傳感器。該傳感器采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構，有兩個固定電極，兩極板之間有一用彈簧支用差動式結構，有兩個固定電極，兩極板之間有一用彈簧支撐的質量塊，此質量塊的兩端經過磨平拋光后作為

36、可動極板。撐的質量塊，此質量塊的兩端經過磨平拋光后作為可動極板。當傳感器測量垂直方向的振動時，由于質量塊的慣性作用，當傳感器測量垂直方向的振動時，由于質量塊的慣性作用，使兩固定極相對質量塊產生位移，使電容使兩固定極相對質量塊產生位移，使電容C1、C2中一個增中一個增大，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，頻率響應范圍寬，可以測得很高的加度傳感器的精度較高，頻率響應范圍寬，可以測得很高的加速度值。速度值。四、加速度傳感器四、加速度傳感器3241C12C （一）柱式彈性元件（一）柱式彈性元件 柱式彈性元件有圓柱形、

37、圓筒形等幾種。如下圖柱式彈性元件有圓柱形、圓筒形等幾種。如下圖所示。這種彈性元件結構簡單、承載能力大，主要所示。這種彈性元件結構簡單、承載能力大，主要用于中等載荷和大載荷（可達數兆牛頓）的拉用于中等載荷和大載荷（可達數兆牛頓）的拉(壓壓)力傳感器。力傳感器。測力傳感器測力傳感器a)PPb)P1R4R2R4R1R2RR3R3Pc)RR1R3A1RD R3R42B4R2CR2. 懸臂梁式彈性元件懸臂梁式彈性元件其特點是結構簡單、加工其特點是結構簡單、加工方便、應變片粘貼容易、方便、應變片粘貼容易、靈敏度較高。主要用于靈敏度較高。主要用于小載荷、高精度的拉、小載荷、高精度的拉、壓力傳感器中。可測量壓

38、力傳感器中。可測量0.01牛頓到幾千牛頓的牛頓到幾千牛頓的拉、壓力。在同拉、壓力。在同測力傳感器測力傳感器1RR2R4(R )(R )R1 3bR43lhAR1PD3RR2CBEbhPL26傳感器的正確選擇和使用傳感器的正確選擇和使用 一、傳感器的選擇一、傳感器的選擇 二、傳感器的正確使用二、傳感器的正確使用 1.測試要求和條件。測量目的、被測物理量選測試要求和條件。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。量精度要求、測量所需時間要求等。 2.傳感器特性。精度、穩定性、響應速度、輸傳感器特性。精度

39、、穩定性、響應速度、輸出量性質、對被測物體產生的負載效應、校正周出量性質、對被測物體產生的負載效應、校正周期、輸入端保護等。期、輸入端保護等。 3.使用條件。安裝條件、工作場地的環境條件使用條件。安裝條件、工作場地的環境條件（溫度、濕度、振動等）、測量時間、所需功率（溫度、濕度、振動等）、測量時間、所需功率容量、與其它設備的連接、備件與維修服務等。容量、與其它設備的連接、備件與維修服務等。一、傳感器的選擇一、傳感器的選擇 1.線性化處理與補償線性化處理與補償 在機電一體化測控系統中，特別是需對被測參在機電一體化測控系統中，特別是需對被測參量進行顯示時，總是希望傳感器及檢測電路的輸量進行顯示時，

40、總是希望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關系，使測量對象在整個刻出和輸入特性呈線性關系，使測量對象在整個刻度范圍內靈敏度一致，以便于讀數及對系統進行度范圍內靈敏度一致，以便于讀數及對系統進行分析處理。分析處理。 2.傳感器的標定傳感器的標定 傳感器的標定，就是利用精度高一級的標準量傳感器的標定，就是利用精度高一級的標準量具對傳感器進行定度的過程，從而確定其輸出量具對傳感器進行定度的過程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對應關系，同時也確定不同使用和輸入量之間的對應關系，同時也確定不同使用條件下的誤差關系。傳感器使用前要進行標定，條件下的誤差關系。傳感器使用前要進行標定，使用一段時間后還要定

41、期進行校正，檢查精度性使用一段時間后還要定期進行校正，檢查精度性能是否滿足原設計指標。能是否滿足原設計指標。 二、傳感器的正確使用二、傳感器的正確使用 3.抗干擾措施抗干擾措施 傳感器大多要在現場工作，而現場的條件往往傳感器大多要在現場工作，而現場的條件往往是不可預料的，有時是極其惡劣的。各種外界因是不可預料的，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，所以在檢測系統素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測系統中，抗干擾是非常重要的，尤其是在微弱輸入信中，抗干擾是非常重要的，尤其是在微弱輸入信號的系統中。常采用的抗干擾措施有號的系統中。常采用的抗干擾措施有屏蔽屏蔽、接地接地、隔離隔

42、離和和濾波濾波等。等。二、傳感器的正確使用二、傳感器的正確使用（1）屏蔽）屏蔽 屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導線、電路及組合件包圍起來，以隔離內外電磁導線、電路及組合件包圍起來，以隔離內外電磁或電場的相互干擾。屏蔽可分為三種，即電場屏或電場的相互干擾。屏蔽可分為三種，即電場屏蔽、磁場屏蔽及電磁屏蔽。蔽、磁場屏蔽及電磁屏蔽。（2）接地）接地 電路或傳感器中的地指的是一個等電位點，它是電路或傳感器中的地指的是一個等電位點，它是電路或傳感器的基準電位點，與基準電位點相連電路或傳感器的基準電位點，與基準電位點相連接，就是接地。接，就是接地。 二、

43、傳感器的正確使用二、傳感器的正確使用（3）隔離）隔離 當電路信號在兩端接地時，容易形成地環路電流，當電路信號在兩端接地時，容易形成地環路電流，引起噪聲干擾。這時，常采用隔離的方法，把電引起噪聲干擾。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。壓器隔離和光電耦合器隔離。（4）濾波）濾波 雖然采取了上述的一些抗干擾措施，但仍會有一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，因此檢測電路中些噪聲信號混雜在檢測信號中，因此檢測電路中還常設置濾波電路，對由外界干擾引入的噪聲信還常設置濾

44、波電路，對由外界干擾引入的噪聲信號加以濾除。號加以濾除。 二、傳感器的正確使用二、傳感器的正確使用檢測信號的采集與處理檢測信號的采集與處理一、檢測系統的組成一、檢測系統的組成二、模擬量的轉換輸入二、模擬量的轉換輸入三、數字信號的預處理三、數字信號的預處理 1. 模擬信號檢測系統模擬信號檢測系統 振蕩器用于對傳感器信號進行調制，并為解調提振蕩器用于對傳感器信號進行調制，并為解調提供參考信號；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；同測量范圍的需要； 解調器用于將已調制信號恢復成原有形式；解調器用于將已調制信號恢復成原有形

45、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 濾波器可將無用的干擾信號濾除，并取出代表被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；測物理量的有效信號； 運算電路可對信號進行各種處理，以正確獲得所運算電路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需的物理量，其功能也可在對信號進行模/數轉換數轉換后，由數字計算機來實現；后，由數字計算機來實現； 計算機對信號進行進一步處理后，可獲得相應的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檢信

46、號去控制執行機構，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印測系統中，計算機則將有關信息送去顯示或打印輸出。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 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

47、傳感器糾錯電路碼制變換顯示執行機構譯碼器 當傳感器輸出增量當傳感器輸出增量碼信號，即信號變化碼信號，即信號變化的周期數與被測量成的周期數與被測量成正比，其增量碼數字正比，其增量碼數字信號檢測系統的典型信號檢測系統的典型組成如右圖所示。組成如右圖所示。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，需先經放大、整形后變成傳感器的輸出多數為正弦波信號，需先經放大、整形后變成數字脈沖信號。但在多數情況下，為提高分辨率，常采用細分電數字脈沖信號。但在多數情況下，為提高分辨率，常采用細分電路使傳感器信號每變

48、化路使傳感器信號每變化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。辨向電路用于辨別被測量的變化方向。當脈沖信號所對應的被測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量不便讀出和處理時，需進行脈沖當量變換。計算機可對信號進量不便讀出和處理時，需進行脈沖當量變換。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。 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

49、/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/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2. 多路模擬開關多路模擬開關多路模擬開關又稱為多多路模擬開關又稱為多路轉換開關，簡稱多路轉換開關，簡稱多路開關，其作用是分路開關，其作用是分別或依次把各路檢測別或依次把各路檢測信號與信號與A/D轉換器接通，轉換器接通，以節省以節省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模擬輸入通道7862431S0S4S6S7S5S1S2S3

50、A/D轉換器. AD7501A2譯 碼 驅 動電 平 轉 換 電 路(-15V)(+15V)OUTS1地VSSVDDS2321GNDVSS15A1A016ENVDDS114ENA1A2A08765411S8S7OUT1213S2S6S510S3S49 上圖是上圖是AD7501型多路模擬開關集成芯片的管腳功型多路模擬開關集成芯片的管腳功能圖，這是具有能圖，這是具有8路輸入通道、路輸入通道、1路公共輸出的多路開關路公共輸出的多路開關CMOS集成芯片。由三個地址線（集成芯片。由三個地址線（A0、A1、A2）的）的狀態及狀態及EN端來選擇端來選擇8個通道之中的一路，片上所有的邏個通道之中的一路，片上所

51、有的邏輯輸入端與輯輸入端與TTL/DTL及及CMOS電路兼容。其真值表如電路兼容。其真值表如下下:A2A1A0EN“ON”00011001120101301114100151011611017111180無無二、模擬量的轉換輸入二、模擬量的轉換輸入 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。信號采樣是通過采連續的脈沖時間序列的過程。信號采樣是通過采樣開關來實現。采樣開關又稱采樣器，實質上它樣開關來實現。采樣開關又稱采樣器，實質上它是一個模擬開關，每隔時間間隔是一個模擬開關，每隔時間間隔T閉合一次

52、，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。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，它在時間軸上是離散的，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，因而還需要用但在函數軸上仍是連續的，因而還需要用A/D轉轉換器將其轉換成數字量。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

53、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采樣稱采樣/保持電路。保持電路。 二、模擬量的轉換輸入二、模擬量的轉換輸入VFUcuiN1CN20u 運算放大器運算放大器N1和和N2接成跟隨器，作緩沖器用。接成跟隨器，作緩沖器用。當控制信號當控制信號Uc為高電平時場效應管為高電平時場效應管VF導通，對輸導通，對輸入信號采樣。輸入信號入信號采樣。輸入信號ui通過通過N1和和VF向電容向電容C充電，充電，并通過并通過N2輸出輸出uo。由于。由于N1的輸出阻抗很小，的輸出阻抗很小，N2的的輸出阻抗很大，因而在輸出阻抗很大，因而在VF導通期間導通

54、期間uo = ui。當。當Uc為低電平時，為低電平時，VF截止，電容截止，電容C將采樣器間的信號電將采樣器間的信號電平保持下來，并經平保持下來，并經N2緩沖后輸出。緩沖后輸出。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，其目的是去除混雜在有用信號中適當的預處理，其目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾，并對檢測系統的非線性、零位誤差的各種干擾，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。數字信號預處理和增益誤差等進行補償和修正。數字信號預處理一般用軟件的方法來實

55、現。一般用軟件的方法來實現。1. 數字濾波數字濾波 數字濾波實質上是一種程序濾波，與模擬濾波相數字濾波實質上是一種程序濾波，與模擬濾波相比具有如下優點：比具有如下優點：不需要額外的硬件設備，不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。套數字濾波程序，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。可以對頻率很低或很高的信號實現濾波。可可以根據信號的不同而采用不同的濾波方法或濾波以根據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。參數，靈活、方便、功能強。 三

56、、數字信號的預處理三、數字信號的預處理(1).中值濾波中值濾波 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，引起的脈沖干擾具有良好的濾除效果。其原理是，對信號連續進行對信號連續進行n次采樣，然后對采樣值排序，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。采樣次數通用的排序算法。采樣次數n一般取為大于一般取為大于3的奇的奇數。數。 (2).算術平均濾波算術平均濾波 算術平均濾波方法的原理是，對信號連續進行算術平均濾波方法的原理是，對信

57、號連續進行n次采樣，以其算術平均值作為有效采樣值。該方次采樣，以其算術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的信號具有法對壓力、流量等具有周期脈動特點的信號具有良好的濾波效果。采樣次數良好的濾波效果。采樣次數n越大，濾波效果越越大，濾波效果越好，但靈敏度也越低，為便于運算處理，常取好，但靈敏度也越低，為便于運算處理，常取n = 4、8、16。三、數字信號的預處理三、數字信號的預處理(3).滑動平均濾波滑動平均濾波 該方法采用循環隊列作為采該方法采用循環隊列作為采樣數據存儲器，隊列長度固樣數據存儲器，隊列長度固定為定為n，每進行一次新的采樣，每進行一次新的采樣，把采樣數據放入

58、隊尾，扔掉把采樣數據放入隊尾，扔掉原來隊首的一個數據。這樣，原來隊首的一個數據。這樣，在隊列中始終有在隊列中始終有n個最新的數個最新的數據。對這據。對這n個最新數據求取平個最新數據求取平均值，作為此次采樣的有效均值，作為此次采樣的有效值。這種方法每采樣一次，值。這種方法每采樣一次，便可得到一個有效采樣值，便可得到一個有效采樣值，因而速度快，實時性好，對因而速度快，實時性好，對周期性干擾具有良好的抑制周期性干擾具有良好的抑制作用作用 三、數字信號的預處理三、數字信號的預處理全隊列數據求累加和修改隊尾指針新值放入隊尾 沖去舊值返回求平均值采樣一次入口 (4).低通濾波低通濾波 當被測信號緩慢變化時

59、，可采用數字低通濾波當被測信號緩慢變化時，可采用數字低通濾波的方法去除干擾。數字低通濾波器是用軟件算法的方法去除干擾。數字低通濾波器是用軟件算法來模擬硬件低通濾波的功能。來模擬硬件低通濾波的功能。 一階一階RC低通濾波器的微分方程為低通濾波器的微分方程為 三、數字信號的預處理三、數字信號的預處理o00ooiudtduudtduRCuiRu 式中式中: = RC是電路的時間常數。用是電路的時間常數。用X替代替代ui，Y替代替代uo，將微分方程轉換成差分方程，并整理，將微分方程轉換成差分方程，并整理得得: 式中式中 采樣周期；采樣周期；X（n）本次采樣值；本次采樣值；Y（n）和）和Y（n1）本次和

60、上次的濾波器輸本次和上次的濾波器輸出值。取出值。取 ，則式（，則式（247）可改寫成）可改寫成三、數字信號的預處理三、數字信號的預處理) 1()()(nYtnXttnYt) t/(t)1()1()()(nYnXnY 由上式可見濾波器的本次輸出值主要取決于其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于一個具有的修正作用，因此該濾波器算法相當于一個具有較大慣性的一階慣性環節，模擬了低通濾波器的較大慣性的一階慣性環節，模擬了低通濾波器的功能，其截止頻率為功能，其截止頻率為 數字低通濾波程