1、.,第二章 檢測與傳感器,2.1 概述 2.2光電式傳感器 2.3電容式傳感器 2.4 電感式傳感器 2.5線位移檢測傳感器 2.6角位移檢測傳感器 2.7速度、加速度傳感器 2.8測力傳感器 2.9 傳感器的正確選擇和使用,.,2.1 概述,一、定義及分類： 1、定義：傳感器是將力、溫度、位移、速度等量轉換成電信號的元件。“傳感器技術是機電一體化的第一基礎” 2、分類 按能量變換的功能分： 按輸出的信號分：,物理傳感器,化學傳感器,.,計數型（二次型+計數型）,電壓，電流型（熱電偶,Cds電池） 電感，電容型（可變電容）,有接點型(微動開關，接觸開關， 行程開關),傳感器,電阻型（電位器，電

2、阻應變片）,非電量型,二值型,電量,無接點型(光電開關，接近開關),模擬型,數字型,代碼型（旋轉編碼器，磁尺）,.,二、傳感器的基本特性,1. 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：線性度、靈敏度、遲滯和重復性等。 (1).線性度 傳感器的線性度是指傳感器實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,.,圖2-7 傳感器的線性度示意圖,.,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定標準條件下，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

3、增大）反（輸入量減小）行程中，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數表示,.,遲滯特性一般由實驗方法確定,如圖2-8所示。,圖2-8 遲滯特性,.,二、傳感器的基本特性,(4).重復性 傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全 量程連續多次重復測量時，所得輸出輸入曲線的 不一致程度，稱重復性。重復性誤差用滿量程輸出的 百分數表示，即 近似計算,精確計算,.,圖2-9 重復特性,.,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，在輸入零點附近的分辨力稱為閾值。 6.零漂 傳感器在零輸入狀態下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對誤差表示

4、，也可用絕對誤差表示。,.,2. 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。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。,二、傳感器的基本特性,.,1. 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，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，并以此研制出具有新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，傳感器正經歷著從以結構型為主轉向以物性型為主

5、的過程。,三、傳感器的發展方向,.,2. 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、溫度補償等電路集成一體具有多種功能實現了橫向和縱向的多功能。,三、傳感器的發展方向,.,3. 傳感器的智能化 “電五官”與“電腦”的相結合，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。如進一步將傳感器與計算

6、機的這些功能集成于同一芯片上，就成為智能傳感器。,三、傳感器的發展方向,.,光電開關（光電傳感器）是光電接近開關的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸入電流在發射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。,一、光電式開關工作原理,2.2 光電式傳感器,.,二、光電開關的結構和應用,光電開關可分為遮斷型和反射型兩大類。遮斷型光電開關的發射器和接收器相對安放，軸線嚴格對準。當有物體在兩者中間通過時，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產生一個負脈沖信號。

7、遮斷型光電開關的檢測距離一般可達十幾米，對所有能遮斷光線的物體均可檢測。,.,光電開關外形,.,遮斷型光電開關示意圖,遮斷報警,.,遮斷式光電開關原理,遮斷式光電開關由相互分離且相對安裝的光發射器和光接受器組成。當被檢測物體位于發射器和接受器之間時，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產生開關信號。,被檢測物體,光發射器,光接收器,.,光電開關在流水線上的應用,送料器,落料口,遮斷式光電開關（計數）,.,光幕,兩個柱形結構相對而立，每隔數十毫米安裝一對發光二極管和光敏接收管，形成光幕，當有物體遮擋住光線時，傳感器發出報警信號。,接收器,.,光幕應用（續）,.,光幕應用（續）,鍛壓機床的 安全區域

8、設置 及入侵報警,.,光幕應用（續）,安全區示警,.,反射型光電開關,反射型光電開關分為兩種情況：反射鏡反射型及被測物漫反射型（簡稱散射型）。,反射鏡反射型光電開關采用較為方便的單側安裝方式，但需要調整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果。反射鏡通常使用三角棱鏡，它對安裝角度的變化不太敏感，有的還采用偏光鏡，它能將光源發出的光轉變成偏振光（波動方向嚴格一致的光）反射回去，提高抗干擾能力。,.,反射型光電開關外形,電源指示,信號指示,.,定區域反射式光電開關原理,定區域式光電開關有一個非常確定的檢測區域，不經過該區域的被測物體不會引起光電開關產生開關信號。,檢測距離,檢測距離,.,反射型光電開關及反

9、射鏡外形,三角反射鏡,集發射、接收器于一身,.,被測物漫反射型光電開關原理,漫反射光線,反射光線,被檢測物體,光發射器 和光接受器,發射光線,漫反射型光電開關集光發射器和光接受器于一體。當被測物體經過該光電開關時，發射器發出的光線經被測物體表面反射由接受器接受，于是產生開關信號。,額定距離,.,.,.,漫反射型光電開關的應用,.,.,光電傳感器的其他用途,斷裂檢測,電梯自動運行條件判斷,.,2.3 電容式傳感器,變換原理:將被測量的變化轉化為電容量變化,兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:,、A或發生變化時，都會引起電容的變化。,.,a)極距變化型,.,b)面積變化型,.,平面線位移型,.,

10、柱面線位移型.,.,c) 介質變化型,.,產品.,電容式液位傳感器（液位計/料位計）,.,電容式接近開關,測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數發生變化，使得和測量頭相連的電路狀態也隨之發生變化.接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。,.,.,2.4 電感式傳感器,電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉化為電感量的一種裝置。,分類:,電感式傳感器,.,1 自感型-可變磁阻式,原理:電磁感應,.,電感式接近傳感器（金屬）,.,2 渦流式,原理:渦流效應,.,原線圈的等效阻抗Z變化：,.,.,產品：,.

11、,案例：連續油管的橢圓度測量,.,案例：無損探傷,原理 裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。,火車輪檢測,油管檢測,.,3 互感型-差動變壓器,.,.,差動變壓器測量電路,.,2.5 線位移檢測傳感器,一、光柵位移傳感器 二、感應同步器 三、磁柵位移傳感器,.,一、光柵位移傳感器,1、光柵的構造：,.,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時，這時光柵上會出現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。,.,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。光柵每移動過一個柵距W，莫爾條

12、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,.,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，如圖所示。,一、光柵位移傳感器,其電壓為：,.,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。測量分辨率等于柵距。,一、光柵位移傳感器,.,1.感應同步器結構,二、感應同步器,sin,cos,節距2（2mm）,節距（0.5mm）,滑尺,定尺,.,包括定尺和滑尺，用制造印刷線

13、路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節距T(一般為2mm)的方齒形線圈。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節距。滑尺和定尺相對平行安裝，其間保持一定間隙（0.050.2mm）。,二、感應同步器,.,2.感應同步器的工作原理 在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為210kHz）的交變電流時，定尺繞組感應出頻率為f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。 設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，節距為T，則正弦繞組單獨供電時，在定尺上感應電勢為,二、感應同步器,.,

14、余弦繞組單獨供電所產生的感應電勢為,二、感應同步器,由于感應同步器的磁路系統可視為線性，可進行線性疊加，所以定尺上總的感應電勢為,.,式中 ： K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（電角度） T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2mm。 利用感應電壓的變化可以求得位移X，從而進行位置檢測。,二、感應同步器,.,3. 測量方法 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鑒相式和鑒幅式兩種工作法。,二、感應同步器,.,(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

15、，設,二、感應同步器,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：,.,二、感應同步器,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，可以通過測量感應電動勢的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對位移。,.,1.磁柵式位移傳感器的結構,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,.,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，當磁頭靠近磁尺時在拾磁線圈中感應電壓為：

16、,三、磁柵位移傳感器,U0輸出電壓系數； 磁尺上磁化信號的節距； 磁頭相對磁尺的位移； 勵磁電壓的角頻率。,式中：,在實際應用中，需要采用雙磁頭結構來辨別移動的方向,.,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/2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，但分辨率受到錄磁節距的限制，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。,三、磁柵位移傳感器,.,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

17、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變化而變。讀出輸出信號的相位，就可確定磁頭的位置。,.,2.6 角位移檢測傳感器,一、旋轉變壓器 二、光電編碼器,.,1. 結構如圖所示 旋轉變壓器一般做 成兩極電機的形式。 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、旋轉變壓器,.,2. 原理 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（頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5

18、000Hz等幾種）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，或在一定轉角范圍內與轉角成正比關系。前一種旋轉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，適用于小角位移的相對測量。,一、旋轉變壓器,.,3. 測量方式 當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，便可在轉子繞組中得到感應電勢U3，根據線性疊加原理，U3值為激磁電壓U1和U2的感應電勢之和，即,一、旋轉變壓器,式中: k =w1/w2旋轉變壓器的變壓比 w1、w2轉子、定子繞組的匝數,.,線性旋轉變壓器實際上也是正余弦旋轉變壓器，不同的是線性

19、旋轉變壓器采用了特定的變壓比k和接線方式，如右圖。這樣使得在一定轉角范圍內（一般為60），其輸出電壓和轉子轉角成線性關系。此時輸出電壓為,一、旋轉變壓器,.,1.增量式 編碼器結構,二、光電編碼器,.,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，光電變換器輸出電壓為最小；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

20、換器輸出電壓為最大。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，且光電變換器A、B的輸出電壓相位差為90。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。,二、光電編碼器,.,3.絕對式編碼器原理 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。 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，在同一個碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼,二、光電編碼器,.,黑色不透光區和白色透光區分別代表二進制的“0

21、”和“1”。在一個四位光電碼盤上，有四圈數字碼道，每一個碼道表示二進制的一位，里側是高位，外側是低位，在360范圍內可編數碼數為24=16個。,二、光電編碼器,.,工作時，碼盤的一側放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個碼道都對應有一個光電管及放大、整形電路。碼盤轉到不同位置，光電元件接受光信號，并轉成相應的電信號，經放大整形后，成為相應數碼電信號。,二、光電編碼器,.,4.絕對式編碼器非單值性誤差的消除 (1).循環碼盤 (或稱格雷碼盤) 右圖所示為四位二 進制循環碼。這種 編碼的特點是任意 相鄰的兩個代碼間 只有一位代碼有變 化，即“0”變為“1” 或“1”變為“0”。因 此，在兩數變換過

22、 程中，所產生的讀 數誤差最多不超過 “1”，只可能讀成 相鄰兩個數中的一個數。,二、光電編碼器,.,(2).帶判位光電裝置的二進制循環碼盤 該碼盤最外圈上的信號位的位置正好與狀態交線錯開，只有當信號位處的光電元件有信號時才讀數，這樣就不會產生非單值性誤差。,二、光電編碼器,.,2.7 速度、加速度傳感器,一、直流測速發電機 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,.,測速發電機的結構有多種，但原理基本相同。圖217所示為永磁式測速發電機原理電路圖。恒定磁通由定子產生，當轉子在磁場中旋轉時，電樞繞組中即產生交變的電勢，經換向器和電刷轉換成正比的直流電勢。,一、直流測

23、速發電機,直流測速發電機在機電控制系統中，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軸上。有的電機本身就已安裝了測速發電機。,.,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,.,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，

24、根據測量時間t內的脈沖數N，則可測得轉速為,二、光電式速度傳感器,.,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,.,當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v（m/s）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102000mm/s（可調），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,.,作為加速度檢測元件的加速度傳感器

25、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。最常用的有應變片式和壓電式等。,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用。這一系統的固有頻率可以做得很低。,四、加速度傳感器,.,壓電加速度傳感器結構原理如右圖所示。使用時，傳感器固定在被測物體上，感受該物體的振動，慣性質量塊產生慣性力，使壓電元件產生變形。壓

26、電元件產生,四、加速度傳感器,的變形和由此產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，故對被測機構的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣、動態范圍寬、靈敏度高、應用較為廣泛。,.,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，使兩固定極相對質量塊產生位移，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，頻率響應范圍寬，可以測得很高的加速度值。,四、加速度傳感器,

27、.,（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(壓)力傳感器。,2.8 測力傳感器,.,2. 懸臂梁式彈性元 其特點是結構簡單、加工方便、應變片粘貼容易、靈敏度較高。主要用于小載荷、高精度的拉、壓力傳感器中。可測量0.01牛頓到幾千牛頓的拉、壓力。在同,2.5 測力傳感器,一截面正反兩面粘貼應變片，并應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，則應變與P力的關系為：,件,.,2.9 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,.,1.測試要求和條件。測量目的、

28、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（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。,一、傳感器的選擇,.,1.線性化處理與補償 在機電一體化測控系統中，特別是需對被測參量進行顯示時，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分析處理。 2.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

29、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期進行校正，檢查精度性能是否滿足原設計指標。,二、傳感器的正確使用,.,3.抗干擾措施 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號的系統中。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,.,（1）屏蔽 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，以隔離內外電磁或電場的相互干擾。

30、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，它是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。,二、傳感器的正確使用,.,（3）隔離 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,.,2.7 檢測信號的采集與處理,一、檢測系統的組成 二、模擬量的轉換

31、輸入 三、數字信號的預處理,.,1. 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； 解調器用于將已調制信號恢復成原有形式；,一、檢測系統的組成,.,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/數轉換后，由數字計算機來實現； 計算機對信號進行進一步處理后，可獲得相應的信號去控制執行機構，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輸出。,一、檢測系統的組成,.,2. 數字信號檢測系統 數字

32、信號檢測系統有絕對碼數字式和增量碼數字式。當傳感器輸出的編碼與被測量一一對應，稱為絕對碼。絕對碼檢測系統如右圖所示 ，每一,一、檢測系統的組成,經光電轉換和放大整形后，得到與被測量相對應的編碼。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。采用循環碼（格雷碼）傳感器時則先轉換為二進制碼，再譯碼輸出。,碼道的狀態由相應光電元件讀出，,.,當傳感器輸出增量碼信號，即信號變化的周期數與被測量成正比，其增量碼數字信號檢測系統的典型組成如右圖所示。,一、檢測系統的組成,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，常采用細分電路使傳感器信號每變化

33、1/n個周期計一個數，其中n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，或求取控制量去控制執行機構。,.,1.模擬量的轉換輸入方式(4種),二、模擬量的轉換輸入,.,2. 多路模擬開關 多路模擬開關又稱為多路轉換開關，簡稱多路開關，其作用是分別或依次把各路檢測信號與A/D轉換器接通，以節省A/D轉換器件。,二、模擬量的轉換輸入,右圖表示一個8通道的模擬開關的結構圖，它由模擬開關S0S7及開關控制與驅動電路組成。8個模擬開關的接通與斷開，通過用二進制代碼尋址來指定，從

34、而選擇特定的通道。,.,上圖是AD7501型多路模擬開關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CMOS集成芯片。由三個地址線（A0、A1、A2）的狀態及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:,.,二、模擬量的轉換輸入,.,3. 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，實質上它是一個模擬開關，每隔時間間隔T閉合一次，每次閉合持續時間，其中，T稱為采樣周期，其倒數fs=1/T稱為采樣頻率，稱為采樣時間或采樣寬度，采樣

35、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，但在函數軸上仍是連續的，因而還需要用A/D轉換器將其轉換成數字量。,二、模擬量的轉換輸入,.,A/D轉換過程需要一定時間，為防止產生誤差，要求在此期間內保持采樣信號不變。實現這一功能的電路稱采樣/保持電路。,二、模擬量的轉換輸入,典型的采樣/保持電路由模擬開關、保持電容和運算放大器組成，如右圖所示。,.,運算放大器N1和N2接成跟隨器，作緩沖器用。當控制信號Uc為高電平時場效應管VF導通，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

36、導通期間uo = ui。當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N2緩沖后輸出。,二、模擬量的轉換輸入,.,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。數字信號預處理一般用軟件的方法來實現。 1. 數字濾波 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：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。可以根據信號的不同而采用不同的濾波方法或濾波參數，靈

37、活、方便、功能強。,三、數字信號的預處理,.,(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，對信號連續進行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n一般取為大于3的奇數。 (2).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n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良好的濾波效果。采樣次數n越大，濾波效果越好，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,.,(3).滑動平均濾波 該方法采用循環

38、隊列作為采樣數據存儲器，隊列長度固定為n，每進行一次新的采樣，把采樣數據放入隊尾，扔掉原來隊首的一個數據。這樣，在隊列中始終有n個最新的數據。對這n個最新數據求取平均值，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，實時性好，對周期性干擾具有良好的抑制作用,三、數字信號的預處理,.,(4).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、數字信號的預處理,.,式中: = RC是電路的時間常數。用X替代ui，Y替代uo，將微分方程轉換成差分方程，并整理得: 式中 采樣周期；X（n）本次采樣值；Y（n）和Y（n1）本次和上次的濾波器輸出值。取 ，則式（247）可改寫成,三、數字信號的預處理,.,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