机电一体化系统设计第5章检测系统设计

第 5章 检测系统设计 第 5章 检测系统设计 5.1 概述 5.2 线位移检测传感器 5.3 角位移检测传感器 5.4 速度、加速度传感器 5.5 测力传感器 5.6 传感器的正确选择和使用 5.7 检测信号的采集与处理 5.1 概述 一、定义及分类： 1、定义：传感器是将力、温度、位移、速 度等量转换成电信号的元件。“传感器技 术是机电一体化的第一基础” 2、分类 按能量变换的功能分： 按输出的信号分： 物理传感器 化学传感器 计数型（二次型 +计数型） 电压，电流型（热电偶 ,Cds电池） 电感，电容型（可变电容） 有接点型 (微动开关，接触开关， 行程开关 ) 传感器 电阻型（电位器，电阻应变片） 非电量型 二值型 电量 无接点型 (光电开关，接近开关 ) 模拟型 数字型 代码型（旋转编码器，磁尺） 二、传感器的基本特性 1. 传感器的静特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态 下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器 静态特性的主要技术指标有： 线性度 、 灵敏度 、 迟滞 和 重复性 等。 (1).线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出 输入特 性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值 之比，即 1 0 0 % m a x FSyL 二、传感器的基本特性 (2).灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下， 输出量的变化量与输入量的变化量之比，即 (3).迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行 程中，输出 输入特性曲线不重合的程度称为迟滞， 迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示 x yS 0 %1 0 0 FS m y H H 二、 传感器的基本特性 (4).重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全 量程连续多次重复测量时，所得输出 输入曲线的 不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的 百分数表示，即 近似计算 1 0 0 % FS mR y R 精确计算 132 2 nyy y iFSR 二、 传感器的基本特性 5.分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入 零点附近的分辨力称为阈值。 6.零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂， 零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。 2. 传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。 动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输 入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以 通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动 态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时 间、频率响应范围、临界频率等。 二、 传感器的基本特性 1. 新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律， 由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、 开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新 原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多 功能、低成本和小型化传感器的重要途径。总之， 传感器正经历着从以结构型为主转向以物性型为 主的过程。 三、传感器的发展方向 2. 传感器的集成化和多功能化 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等 方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传 感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、 面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感 元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的 传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等 电路集成一体具有多种功能 实现了横向和纵 向的多功能。 三、传感器的发展方向 3. 传感器的智能化 “电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器 的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转 换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处 理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步 将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上， 就成为智能传感器。 三、传感器的发展方向 5.2 线位移检测传感器 一、光栅位移传感器 二、感应同步器 三、磁栅位移传感器 一、光栅位移传感器 3 2 4 1 1.标尺 光栅 2.指 示光栅 3.光电元 件 4 .光 源 1、光栅的构造： 2、工作原理 一、光栅位移传感器 dd f f d d B f f d d W/2 W d d W/2 指示光栅 标尺光栅 把两块栅距 W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间 有较小的夹角 时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条 纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的 方向排列，如图所示。 莫尔条纹具有如下特点： 1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每 移动过一个栅距 W，莫尔条纹就移动 过一个条 纹间距 B 2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距 B 与两光栅条纹夹角之间关系为 3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。 一、光栅位移传感器 WWB 2 si n2 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强 的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图 所示。 一、光栅位移传感器 U 0 U W/2 o U m 2W3W/2W x W xUUU m 2s in0 其电压为： 将此电压信号放大、整形变换为方波， 经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和 可逆计数器计数，则可用数字形式显示出 位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测 量分辨率等于栅距。 一、光栅位移传感器 1.感应同步器结构 二、感应同步器 sin cos 节距 2 （ 2mm） 节距 （ 0.5mm） 4 l 绝缘粘胶 铜箔 铝箔 耐切削液涂层 基板 (钢、铜 ) 滑尺 定尺 包括定尺和滑尺 ， 用制造印刷线路板的腐蚀方 法在定尺和滑尺上制成节距 T(一般为 2mm)的方 齿形线圈 。 定尺绕组是连续的 ， 滑尺上分布着两 个励磁绕组 ， 分别称为正弦绕组和余弦绕组 。 当 正弦绕组与定尺绕组相位相同时 ， 余弦绕组与定 尺绕组错开 1/4节距 。 滑尺和定尺相对平行安装 ， 其间保持一定间隙 （ 0.050.2mm） 。 二、感应同步器 2.感应同步器的工作原理 在滑尺的绕组中，施加频率为 f（一般为 210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率 为 f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定 尺的相对位置有关。 设正弦绕组供电电压为 Us，余弦绕组供电电压 为 Uc，移动距离为 x，节距为 T，则正弦绕组单独 供电时，在定尺上感应电势为 二、感应同步器 c o s360c o s2 ss KUTxKUU o 余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 二、感应同步器 s i n3 6 0s i n2 cc KUTxKUU o 由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线 性叠加，所以定尺上总的感应电势为 s i nc os222 cs KUKUUUU 式中 ： K定尺与滑尺之间的耦合系数； 定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角 度） T节距，表示直线感应同步器的周期，标准 式直线感应同步器的节距为 2mm。 利用感应电压的变化可以求得位移 X，从而进行 位置检测。 二、感应同步器 T x T x 23 6 0)( o 3. 测量方法 根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出 电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有 鉴相式 和 鉴幅式 两种工作法。 二、感应同步器 (1)鉴相式工作法 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同 幅值，但相位相差 90o的两个电压，设 二、感应同步器 tms UU s in tUU mc c o s 2 22 UUU )s i n ( s i nc o sc o ss i n tKU tKUtKU m mm 则 从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺 的相对位移 x： Tx o 360 二、感应同步器 2.鉴幅工作法 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和 相同相位，但幅值不等的两个交流电压： tmUU s s i ns i n tmUU c s i nc o s tKU UUU m si n)si n ( 222 则： 由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦 变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得 定尺和滑尺之间的相对位移。 1.磁栅式位移传感器的结构 三、磁栅位移传感器 输出信号 励磁电源 6 5 4 S S 3 N N S S S 7 N N 1 S NN 2 0 0 a b x 1 磁性膜 2 基体 3 磁尺 4 磁头 5 铁芯 6 励磁 绕组 7 拾磁绕组 2.原理： 在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为 励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入 励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电 压为： 三、磁栅位移传感器 txUU s i n2s i n0 U0输出电压系数； 磁尺上磁化信号的节距； 磁头相对磁尺的位移； 励磁电压的角频率。 式中： 在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向 3.测量方式 (1)鉴幅测量方式 如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤 掉后则得到相位差为 /2的两组信号 两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个 正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。 这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录 磁节距 的限制，若要提高分辨率就必须采用较复 杂的信频电路，所以不常采用。 三、磁栅位移传感器 xUU 2s in 01 xUU 2c o s 02 2.鉴相测量方式 将一组磁头的励磁信号移相 90 ，则得到输出电 压为 在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为 三、磁栅位移传感器 txUU c o s2s i n01 txUU s i n2c o s02 txUU 2s in0 则合成输出电压 U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺 的相对位置 变化而变。读出输出信号的相位，就可 确定磁头的位置。 5.3 角位移检测传感器 一、旋转变压器 二、光电编码器 1. 结构如图所示 旋转变压器一般做 成两极电机的形式。 在定子上有激磁绕组 和辅助绕组，它们的 轴线相互成 90 。在 转子上有两个输出绕组 正弦输出绕组和余弦输出绕组， 这两个绕组的轴线也互成 90 ，一般 将其中一个绕组（如 Z1、 Z2）短接。 一、旋转变压器 Z 1 2 Z D D 2 1 U D 1 3 U 2 4D Z 3 U 3 Z 4 2. 原理 旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机 相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率 通常为 400Hz、 500Hz、 1000Hz及 5000Hz等几 种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电 压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在 一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转 变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移 的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适用 于小角位移的相对测量。 一、旋转变压器 3. 测量方式 当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相 差为 90 的交变激磁电压时，便可在转子绕组中 得到感应电势 U3，根据线性叠加原理， U3值为激 磁电压 U1和 U2的感应电势之和，即 一、旋转变压器 tUU m s in1 tUU m c o s2 )c o s ()90s i n (s i n 213 tkUkUkUU mo 式中 : k =w1/w2旋转变压器的变压比 w1、 w2转子、定子绕组的匝数 线性旋转变压器实际上 也是正余弦旋转变压器， 不同的是线性旋转变压器 采用了特定的变压比 k和 接线方式，如右图。这样 使得在一定转角范围内 （一般为 60 ），其输 出电压和转子转角 成线 性关系。此时输出电压为 一、旋转变压器 co s1 s in13 kkUU 3 D Z 2 U 1 1 D Z 43 D 2 4D U 3 Z 1 Z 1.增量式 编码器结构 二、光电编码器 2.增量式编码器工作原理 鉴向盘与主码盘平行，并刻有 a、 b两组透明检 测窄缝，它们彼此错开 1/4节距，以使 A、 B两个 光电变换器的输出信号在相位上相差 90 。工作 时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动， 光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码 盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐 时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最 小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明 窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电 压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变 换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换 器 A、 B的输出电压相位差为 90 。经逻辑电路处 理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。 二、光电编码器 3.绝对式编码器原理 绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的 图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码 盘有光电式、接触式和电磁式三种。 光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透 明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图 所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别 代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印 制黑白等间隔图案，形成一套编码 二、光电编码器 黑色不透光区和白 色透光区分别代表二 进制的“ 0”和“ 1”。 在一个四位光电码盘 上，有四圈数字码道， 每一个码道表示二进 制的一位，里侧是高 位，外侧是低位，在 360 范围内可编数码 数为 24=16个。 二、光电编码器 11 00 00 11 01 01 01 10 0111 01 00 10 10 10 01 10 00 10 11 11 11 00 01 00 10 00 00 11 10 11 01 工作时，码盘的一 侧放置电源，另一边 放置光电接受装置， 每个码道都对应有一 个光电管及放大、整 形电路。码盘转到不 同位置，光电元件接 受光信号，并转成相 应的电信号，经放大 整形后，成为相应数 码电信号。 二、光电编码器 11 00 00 11 01 01 01 10 0111 01 00 10 10 10 01 10 00 10 11 11 11 00 01 00 10 00 00 11 10 11 01 4.绝对式编码器非单值性 误差的消除 (1).循环码盘 (或称格雷码盘 ) 右图所示为四位二 进制循环码。这种 编码的特点是任意 相邻的两个代码间 只有一位代码有变 化，即“ 0”变为“ 1” 或“ 1”变为“ 0”。因 此，在两数变换过 程中，所产生的读 数误差最多不超过 “ 1”，只可能读成 相邻两个数中的一个数。 1 0 01 01 11 1 1 11 0 1 00 01 01 1 1 00 1 1 01 1 1 10 1 0 10 1 0 11 0 0 01 0 1 10 0 0 10 0010 0 0 11 0 0 00 1 0 00 二、光电编码器 (2).带判位光电装置的 二进制循环码盘 该码盘最外圈上的 信号位的位置正好与 状态交线错开，只有 当信号位处的光电元 件有信号时才读数， 这样就不会产生非单 值性误差。 二、光电编码器 0100 1101 1111 1110 1010 1100 1010 0111 0110 0010 0011 1011 1000 1001 0000 0001 5.4 速度、加速度传感器 一、直流测速发电机 二、光电式速度传感器 三、差动变压器式速度传感器 四、加速度传感器 测速发电机的结构有多种， 但原理基本相同。图 217 所示为永磁式测速发电机原 理电路图。恒定磁通由定子 产生，当转子在磁场中旋转 时，电枢绕组中即产生交变 的电势，经换向器和电刷转 换成正比的直流电势。 M I 0 R L V 0 一、直流测速发电机 直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测 速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度， 尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就 已安装了测速发电机。 光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度 V通 过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号， 经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间 的时间间隔 t，则可测得速度为 二、光电式速度传感器 x 0 0 e t t 光电池挡板 V 速度测量 0 e 微分电路 txV / 光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接 的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆 盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示 缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时， 圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲， 根据测量时间 t内的脉冲数 N，则可测得转速为 二、光电式速度传感器 透镜光源 光电器件 带缝隙圆盘 指示缝隙盘 tZ Nn 60 差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速 度。其工作原理如下图所示。差动变压器式的原 边线圈同时供以直流和交流电流，即 三、差动变压器式速度传感器 tIti m s in)( 0 I 交流 电源 直流 电源 加法器 跟随器 跟随器 i ( t ) x dx dt 减 法 器 低 通 滤 波 器 放 大 器 U 当差动变压器以被测速度 V=dx/dt移动时，在其副 边两个线圈中产生感应电势，将它们的差值通过低 通滤波器滤除励磁高频角频率后，则可得到与速度 v （ m/s）相对应的电压输出，即 差动变压器漂移小，其主要性能为：测量范围 102000mm/s（可调），输出电压 10V（ max）， 输出电流 10mA（ max），频带宽度 500Hz。 三、差动变压器式速度传感器 vkIU v 02 作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式， 它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产 生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成 电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应变片 式和压电式等。 四、加速度传感器 电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重 块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度 时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之 变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计 算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之 用。这一系统的固有频率可以做得很低。 应变片 m 悬臂梁 Z ( t ) 0 Z ( t )1 充以阻尼液体的壳体 四、加速度传感器 压电加速度传感 器结构原理如右图 所示。使用时，传 感器固定在被测物 体上，感受该物体 的振动，惯性质量 块产生惯性力，使 压电元件产生变形。 压电元件产生 四、加速度传感器 引出线 3 质量块1 壳体 压电晶片m 4 2 的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。 压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对 被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、 动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。 下 图为一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该传感器采 用差动式结构，有两个固定电极，两极板之间有一用弹簧支 撑的质量块，此质量块的两端经过磨平抛光后作为可动极板。 当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用， 使两固定极相对质量块产生位移，使电容 C1、 C2中一个增 大，另一个减小，它们的差值正比于被测加速度。这种加速 度传感器的精度较高，频率响应范围宽，可以测得很高的加 速度值。 四、加速度传感器 3 2 4 1 C 1 2 C （一）柱式弹性元件 柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下图 所示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要 用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉 (压 ) 力传感器。 5.5 测力传感器 a) P P b) P 1 R 4 R 2 R 4 R 1 R 2 R R 3 R 3 P c) RR 1 R 3 A 1 R D R 3 R 4 2 B 4 R 2 C R 2. 悬臂梁式弹性元 其特点是结构简单、 加工方便、应变片粘 贴容易、灵敏度较高。 主要用于小载荷、高 精度的拉、压力传感 器中。可测量 0.01牛 顿到几千牛顿的拉、 压力。在同 5.5 测力传感器 1 R R 2 R 4 ( R ) ( R )R 1 3 b R 4 3 l h A R 1 P D 3 R R 2 C B 一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴的 对称表面上。若梁的自由端有一被测力 P，则应变与 P 力的关系为： 件 Ebh PL 2 6 5.6 传感器的正确选择和使用 一、传感器的选择 二、传感器的正确使用 1.测试要求和条件。测量目的、被测物理量选 择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测 量精度要求、测量所需时间要求等。 2.传感器特性。精度、稳定性、响应速度、输 出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周 期、输入端保护等。 3.使用条件。安装条件、工作场地的环境条件 （温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率 容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。 一、传感器的选择 1.线性化处理与补偿 在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参 量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的输 出和输入特性呈线性关系，使测量对象在整个刻 度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行 分析处理。 2.传感器的标定 传感器的标定，就是利用精度高一级的标准量 具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量 和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用 条件下的误差关系。传感器使用前要进行标定， 使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性 能是否满足原设计指标。 二、传感器的正确使用 3.抗干扰措施 传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往 是不可预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因 素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统 中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信 号的系统中。常采用的抗干扰措施有 屏蔽 、 接地 、 隔离 和 滤波 等。 二、传感器的正确使用 （ 1）屏蔽 屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传 输导线、电路及组合件包围起来，以隔离内外电 磁或电场的相互干扰。屏蔽可分为三种，即电场 屏蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽。 （ 2）接地 电路或传感器中的地指的是一个等电位点，它 是电路或传感器的基准电位点，与基准电位点相 连接，就是接地。 二、传感器的正确使用 （ 3）隔离 当电路信号在两端接地时，容易形成地环路电 流，引起噪声干扰。这时，常采用隔离的方法， 把电路的两端从电路上隔开。隔离的方法主要采 用变压器隔离和光电耦合器隔离。 （ 4）滤波 虽然采取了上述的一些抗干扰措施，但仍会有 一些噪声信号混杂在检测信号中，因此检测电路 中还常设置滤波电路，对由外界干扰引入的噪声 信号加以滤除。 二、传感器的正确使用 5.7 检测信号的采集与处理 一、检测系统的组成 二、模拟量的转换输入 三、数字信号的预处理 1. 模拟信号检测系统 振荡器用于对传感器信号进行调制，并为解调 提供参考信号； 量程变换电路的作用是避免放大器饱和并满足 不同测量范围的需要； 解调器用于将已调制信号恢复成原有形式； 一、检测系统的组成 显 示 执 行 机 构 模 / 数 转 换 器 量 程 变 换 电 路 传 感 器 振荡器 放 大 器 运 算 电 路 解 调 器 滤 波 器 计 算 机 滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表 被测物理量的有效信号； 运算电路可对信号进行各种处理，以正确获得 所需的物理量，其功能也可在对信号进行模 /数转 换后，由数字计算机来实现； 计算机对信号进行进一步处理后，可获得相应 的信号去控制执行机构，而在不需要执行机构的 检测系统中，计算机则将有关信息送去显示或打 印输出。 一、检测系统的组成 显 示 执 行 机 构 模 / 数 转 换 器 量 程 变 换 电 路 传 感 器 振荡器 放 大 器 运 算 电 路 解 调 器 滤 波 器 计 算 机 2. 数字信号检测系统 数字信号检测系统 有 绝对码数字式 和 增 量码数字式 。当传感 器输出的编码与被测 量一一对应，称为绝 对码。绝对码检测系 统如右图所示 ，每一 一、检测系统的组成 放 大 整 形 光 电 转 换 传 感 器 纠 错 电 路 码 制 变 换 显 示 执 行 机 构 译 码 器 经光电转换和放大整形后，得到与被测量相对应的编码。 纠错电路纠正由于各个码道刻划误差而可能造成的粗大 误差。采用循环码（格雷码）传感器时则先转换为二进 制码，再译码输出。 码道的状态由相应光电元件读出， 当传感器输出增量 码信号，即信号变化 的周期数与被测量成 正比，其增量码数字 信号检测系统的典型 组成如右图所示。 一、检测系统的组成 传 感 器 脉冲 当量 变换 电路 放 大 器 细 分 电 路 整 形 电 路 寄 存 器 计 数 器 计 算 机 显 示 执 行 辨向电路 传感器的输出多数为正弦波信号，需先经放大、整形后变成 数字脉冲信号。但在多数情况下，为提高分辨率，常采用细分电 路使传感器信号每变化 1/n个周期计一个数，其中 n称为细分数。 辨向电路用于辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的被测 量不便读出和处理时，需进行脉冲当量变换。计算机可对信号进 行复杂的运算处理，并将结果直接送去显示或打印输出，或求取 控制量去控制执行机构 。 1.模拟量的转换输入方式 (4种 ) 二、模拟量的转换输入 传感器 传感器 传感器 采样/ 保持 采样/ 保持 多 路 模 拟 开 关 控制器 A/D 缓冲器 总 线 A/D 总 线 传感器 多 路 模 拟 开 关 总 线 放大 采样/ 保持 控制器 A/D 采样/ 保持 A/D 采样/ 保持 A/D 采样/ 保持 A/D 总 线 传 感 器 输 入 并 行 输 入 口 a) b) c) d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 三态 缓冲器 2. 多路模拟开关 多路模拟开关又称为 多路转换开关，简称 多路开关，其作用是 分别或依次把各路检 测信号与 A/D转换器接 通，以节省 A/D转换器 件。 二、模拟量的转换输入 开关地址输入端 开关控制与驱动电路 选通信号 5 模 拟 输 入 通 道 7 8 6 2 4 3 1 S 0 S 4 S 6 S 7 S 5 S 1 S 2 S 3 A/D 转换器 . . . . . . 右图表示一个 8通道的模拟开关的结构图，它由模拟开 关 S0S7及开关控制与驱动电路组成。 8个模拟开关 的接通与断开，通过用二进制代码寻址来指定，从而选 择特定的通道。 AD7501 A 2 译码驱动 电平转换电路 (-15V) (+15V ) OUT S 1 地 V SS V DD S 2 321 GND V SS 15 A 1 A 0 16 EN V DD S 1 14 EN A 1A 2 A 0 87654 11 S 8 S 7 OUT 1213 S 2 S 6 S 5 10 S 3 S 4 9 上图是 AD7501型多路模拟开关集成芯片的管脚功 能图，这是具有 8路输入通道、 1路公共输出的多路开关 CMOS集成芯片。由三个地址线（ A0、 A1、 A2）的状 态及 EN端来选择 8个通道之中的一路，片上所有的逻辑 输入端与 TTL/DTL及 CMOS电路兼容。其真值表如下 : A2 A1 A0 EN “ON” 0 0 0 1 1 0 0 1 1 2 0 1 0 1 3 0 1 1 1 4 1 0 0 1 5 1 0 1 1 6 1 1 0 1 7 1 1 1 1 8 0 无 二、模拟量的转换输入 3. 信号采集与保持 所谓采集，就是把时间连续的信号变成一串不 连续的脉冲时间序列的过程。信号采样是通过采 样开关来实现。采样开关又称采样器，实质上它 是一个模拟开关，每隔时间间隔 T闭合一次，每 次闭合持续时间 ，其中， T称为采样周期，其倒 数 fs=1/T称为采样频率， 称为采样时间或采样宽 度，采样后的脉冲序列称为采样信号。采样信号 是一个离散的模拟信号，它在时间轴上是离散的， 但在函数轴上仍是连续的，因而还需要用 A/D转 换器将其转换成数字量。 二、模拟量的转换输入 A/D转换过程需要一 定时间，为防止产生 误差，要求在此期间 内保持采样信号不变。 实现这一功能的电路 称采样 /保持电路。 二、模拟量的转换输入 VF U c u i N 1 C N 2 0u 典型的采样 /保持电路由模拟开关、保持电容和 运算放大器组成，如右图所示。 运算放大器 N1和 N2接成跟随器，作缓冲器用。 当控制信号 Uc为高电平时场效应管 VF导通，对输 入信号采样。输入信号 ui通过 N1和 VF向电容 C充电， 并通过 N2输出 uo。由于 N1的输出阻抗很小， N2的 输出阻抗很大，因而在 VF导通期间 uo = ui。当 Uc 为低电平时， VF截止，电容 C将采样器间的信号电 平保持下来，并经 N2缓冲后输出。 二、模拟量的转换输入 VF U c u i N 1 C N 2 0u 传感器的输出信号被采入计算机后往往要先进 行适当的预处理，其目的是去除混杂在有用信号 中的各种干扰，并对检测系统的非线性、零位误 差和增益误差等进行补偿和修正。数字信号预处 理一般用软件的方法来实现。 1. 数字滤波 数字滤波实质上是一种程序滤波，与模拟滤波 相比具有如下优点：不需要额外的硬件设备， 不存在阻抗匹配问题，可以使多个输入通道共用 一套数字滤波程序，从而降低了仪器的硬件成本。 可以对频率很低或很高的信号实现滤波。可 以根据信号的不同而采用不同的滤波方法或滤波 参数，灵活、方便、功能强。 三、数字信号的预处理 (1).中值滤波 中值滤波方法对缓慢变化的信号中由于偶然因 素引起的脉冲干扰具有良好的滤除效果。其原理 是，对信号连续进行 n次采样，然后对采样值排 序，并取序列中位值作为采样有效值。程序算法 就是通用的排序算法。采样次数 n一般取为大于 3 的奇数。 (2).算术平均滤波 算术平均滤波方法的原理是，对信号连续进行 n次采样，以其算术平均值作为有效采样值。该 方法对压力、流量等具有周期脉动特点的信号具 有良好的滤波效果。采样次数 n越大，滤波效果 越好，但灵敏度也越低，为便于运算处理，常取 n = 4、 8、 16。 三、数字信号的预处理 (3).滑动平均滤波 该方法采用循环队列作 为采样数据存储器，队列 长度固定为 n，每进行一 次新的采样，把采样数据 放入队尾，扔掉原来队首 的一个数据。这样，在队 列中始终有 n个最新的数 据。对这 n个最新数据求 取平均值，作为此次采样 的有效值。这种方法每采 样一次，便可得到一个有 效采样值，因而速度快， 实时性好，对周期性干扰 具有良好的抑制作用 三、数字信号的预处理 全队列数据求累加和 修改队尾指针 新值放入队尾 冲 去旧值 返回 求平均值 采样一次 入口 (4).低通滤波 当被测信号缓慢变化时，可采用数字低通滤波 的方法去除干扰。数字低通滤波器是用软件算法 来模拟硬件低通滤波的功能。 一阶 RC低通滤波器的微分方程为 三、数字信号的预处理 o 0 0 o oi udt duu dt duRCuiRu 式中 : = RC是电路的时间常数。用 X替代 ui， Y替代 uo，将微分方程转换成差分方程，并整理 得 : 式中 采样周期； X（ n） 本次采样值； Y（ n）和 Y（ n 1） 本次和上次的滤波器输 出值。取 ，则式（ 2 47）可改写成 三、数字信号的预处理 )1()()( nYtnXttnY t )t/(t )1()1()()( nYnXnY 由上式可见滤波器的本次输出值主要取决于其 上次输出值，本次采样值对滤波器输出仅有较小 的修正作用，因此该滤波器算法相当于一个具有 较大惯性的一阶惯性环节，模拟了低通滤波器的 功能，其截止频率为 数字低通滤波程序流程图如下 : 三、数字信号的预处理 tt f C 2)1(22 1 三、数字信号的预处理 返回 累加到 Y ( n ) 中 计算 （1 ） Y (n 1) 计算 X ( n ), 暂存于 Y ( n ) 中 将已有输出作为上次输出 Y ( n 1) 取新采样值 X ( n ) 入口 2. 静态误差补偿 (1). 非线性补偿 下图为传感器的非线性校正系统。当传感器及其调理电 路至 A/D转换器的输入 输出有非线性，如下图所示，可 按下图所示的反非线性特性进行转换，进行非线性的校正， 使输出 y与输入 x呈理想直线关系，如下图所示。 三、数字信号的预处理 0 b) x i u x 0 c) u i x x i a) 0u d) y=x x 微型计算 机/处理器 传感器及其 调理电路 x A/D u y=x 软件校正非线性的方法很多，概括起来有 计算 法 、 查表法 、 插值法 和 拟合法 等，下面介绍曲线 拟合法。 这种方法是采用 n次多项式来逼近非线性曲线。 该多项式方程的各个系数由最小二乘法确定。其 具体步骤如下： a. 对传感器及其调理电路进行静态标定，得校 准曲线。标定点的数据为 输入 xi： x1， x2， x3， ， xN 输出 ui： u1， u2， u3， ， uN N为标定点个数， i=1， 2， ， N 三、数字信号的预处理 b. 设反非线性特性拟合方程为 式中： a0， a1， a2， a3， ， an为待定常数 c. 求解待定常数 a0， a1， a2， a3， ， an。 根据最小 二乘法来确定待定常数的基本思想是，由上式确定 的各个 xi（ ui）值与各个点的标定值 xi之均方差应最 小，即： 三、数字信号的预处理 n iniiii uuuux .)( 2 210 ),( )()( 10 22 210 2 11 naaaF N n n N i iiii i iii xuauauaaxux 最小值 所以对该函数求导并令它为 0，即令 从这 n+1个方程中可解出， a0， a1， a n 等 n+1个系数，就可写出反非线性特性拟合方程式。 有了反非线性特性曲线的 n次多项式近似表达式， 就可利用该表达式编写非线性校正程序。 三、数字信号的预处理 0), 0 10 a aaaF n（ 0), 1 10 a aaaF n（ 0), 10 n na aaaF （ (2).零位误差补偿 检测系统的零位误差是由温度漂移和时间漂移引起的。 采用软件对零位误差进行补偿的方法又称数字调零，其原 理如下图所示。 三、数字信号的预处理 检 测 及 放 大 电 路 多 路 开 关 U 零信号输入 基准信号 R U i 被测信号 . . A/D 微 型 机 多路模拟开关可在微型机控制下将任一路被测 信号接通，并经测量及放大电路和 A/D转换器后， 将信号采入微型机。在测量时，先将多路开关接 通某一被测信号，然后将其切换到零信号输入端， 由微型机先后对被测量和零信号进行采样，设采 样值分别为 x和 a0，其中 a0即为零位误差，由微 型机执行下列运算： y = x a0，就可得到经过零 位误差补偿后的采样值 y。 三、数字信号的预处理 检 测 及 放 大 电 路 多 路 开 关 U 零信号输入 基准信号 R U i 被测信号 . . A/D 微 型 机 (3). 增益误差补偿 增益误差同样是由温度漂移和时间漂移等引起 的。增益误差补偿又称校准。校准时，在微型机 控制下先把多路开关接地如图所示，得到采样值 a0，然后把多路开关接基准输入 UR，得到采样值 xR，并寄存 a0和 xR。在正式测量时，如测得对 应输入信号 Ui的采样值为 xi，则输入信号可按下 式计算： 采用上述校准方法可使测得的输入信号 Ui与检 测系统的漂移和增益变化无关，因而实现了增益 误差的补偿。 三、数字信号的预处理 R R Uax axU ii 0 0