检测与传感系统设计技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章 检测与传感系统设计技术,知识点：,传感器的组成和分类,常见传感器及其工作原理,传感器的发展趋势,模拟信号、数字信号的处理,传感器的测量电路,传感器的计算机接口,本章导读,传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之一，机电一体化系统的自动化程度越高，对传感器的依赖性也就越大。,能将各种非电物理量转换成电量的传感器及其应用技术已成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。,3.1,传感器的组成和分类,3.1.1,传感器的组成,通常传感器有敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。,敏感元件：直接感受被测物理量，并以确定对应关系输出某一物理量。,转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数；,转换电路：将电路参数转换成便于测量的电信号。,传感器的组成,3.1.2,传感器的分类,按被测物理量分类,位移、速度、加速度、力、力矩、压力、温度等,按工作原理分类,机械式、应变式、电学式、磁学式、光电式等,按输出信号特征分类,模拟式、数字式,按信号变换效应分类,物理型、化学型、生物型,3.1.3,传感器的性能指标及选用原则,静态特性,测量范围、线性范围、线性度、灵敏度,动态特性,精确度、分辨力、迟滞、稳定性、幅频特性、相频特性,环境,温度、振动、冲击、抗干扰能力等,3.2,常见传感器及其工作原理,3.2.1,光电编码器,编码器是将机械传动的模拟量转换成旋转角度的数字信号，进行角位移检测的传感器。,编码器的种类很多，根据检测原理，它可分为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。,光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器。,1,、增量式光电编码器,增量式光电编码器,输出波形：,输出波形,即使分辨力改变，相数也不会改变,2,、绝对式光电编码器,绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，这些透明及不透明区按一定编码构成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。绝对式编码器能够直接给出对应于每个转角位置的二进制数码，便于计算机处理。,(a)4,位二进制绝对式编码器的编码盘,(b)4,位格雷码盘示意图,绝对式光电编码器的编码盘,绝对式光电编码器的结构示意,1,光源；,2,透镜；,3,编码盘；,4,狭缝；,5,光电元件,3,、光电编码器的应用,转速测量,转速可由编码器发出的脉冲频率或周期来测量。,脉冲频率法测转速,N,1,为,t,时间内测得的脉冲个数,N,为编码器每转脉冲数,脉冲周期法测转速,N,2,为编码器一个脉冲间隔内标准时钟输出个数,T,为标准时钟脉冲周期,N,为编码器每转脉冲数,3.2.2,光栅尺,1,、光栅结构和原理,光栅尺或称光栅，是一种高精度的直线位移传感器。,光栅根据制作方式分类：,透射光栅：在玻璃表面制成透明与不透明间隔相等的线纹；,反射光栅：在金属表面制成全反射与漫反射间隔相等的线纹；,定向光栅：将反射光栅中的线纹做成具有一定的衍射角度。,光栅根据用途分类：,长光栅：测量直线位移；,圆光栅：测量角位移。,光栅通常由一长一短两块光栅尺配套使用，长的一块称为主光栅或标尺光栅，短的一块称为指示光栅。,莫尔条纹：,标尺光栅与指示光栅相距,0.05,0.1mm,间隙，由于光的干涉效应，产生莫尔条纹；,若用,W,表示莫尔条纹的宽度，,表示光栅的栅距，,表示两光栅尺线纹的夹角，则它们之间的几何关系为：,W =,/,sin,/,光栅尺的结构示意图,2,、莫尔条纹与参数间的关系,光栅的莫尔条纹有如下特点：,（,1,）起放大作用。,（,2,）莫尔条纹的纹距移动与光栅的栅距移动成正比。,（,3,）起均化误差的作用。,光电元件,3,、信号处理,光栅尺输出的信号有两种：一种是正弦波信号；一种是方波信号。,光栅尺除了增量式测量外，还有绝对式测量，输出二进制,BCD,码子或格雷码。,编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。,3.2.3,电阻应变计,1,、工作原理,电阻应变计是根据应变,电阻效应，将给测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。它不仅直接作为应力、应变测量的传感器而且可以与弹性元件组合构成力、压力、称重、位移、扭矩、振动、加速度等多种专用式传感器，广泛应用于机械、交通、建筑、化工和电力等行业。,将电阻应变计安装在被测构件表面上，当构件受力而变形时，电阻应变计的敏感栅随之产生应变，其电阻值发生变化。测量此电阻变化即可测量出构件表面沿敏感栅轴线方向的应变。,2,、电阻应变计的结构,电阻应变计主要由电阻敏感栅、基底和面胶（或覆盖层）、粘结剂、引出线五部分组成。电阻应变计的结构如图所示。,电阻应变计的构造,1,敏感栅；,2,引出线；,3,粘结剂（未示出）；,4,覆盖层；,5,基底,3,、应变计的类型,电阻应变计的分类方法很多，常用的是按应变计的制造材料、 温度以及用途的不同来分类。,按敏感栅的制造方法分类,（,1,）金属丝式应变计,（,2,）箔式应变计,箔式应变计的敏感栅是利用照相制版或光刻腐蚀技术制成的，箔栅厚度一般为,0.002mm 0.005mm,，最薄的达,0.00035mm,。箔式应变计，工艺上能保证敏感栅尺寸的准确，线条均匀，适应不同的测量要求，传递试件应变性能好、横向效应小和散热性能好，因此得到了广泛的应用，现在已经基本上取代金属丝应变计。,（,3,）金属薄膜应变计,所谓薄膜是指厚度在,0.1um,以下的膜，它是采用真空的溅射或真空沉积等方法制成的。通过按规定的图形制成的掩膜版，在基底材料上溅射或沉积一层电阻材料的薄膜，从而制成金属薄膜应变计。,4,、电阻应变计的应用,电阻应变计主要有以下两种应用方式：,（,1,）应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力后的应力分析或所产生的应变，为结构设计、应力校正或分析结构在使用中产生破坏的原因提供试验数据，如电阻应变仪。在测量齿轮轮齿弯矩或立柱应力时，也常在被测位置处直接粘贴应变片进行测量，如图所示。,构件应力测定的应用,（,2,）将应变片粘贴在弹性元件上，进行标定后作为测量力、压力、位移等物理量的传感器。,1,质量块；,2,应变梁；,3,应变片；,4,阻尼液；,5,密封圈；,6,接线板；,7,底座,应变式加速度传感器,3.2.4,温度传感器,温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置，用于检测温度和热量，因此也叫做热电式传感器。,温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。,接触式：热膨胀式、压力式、热电偶、热电阻,非接触式：辐射式温度计（光学高温计、比色高温计、红外光电温度计）,1,、热电效应,热电偶测温是基于热电效应。在两种不同的导体（或半导体）,A,和,B,组成的闭合回路中，如果它们两个结点的温度不同，则回路中产生一个电动势，通常我们称这种电动势为热电势，这种现象就是热电效应。,热电效应,2,、热电偶回路的主要性质,（,1,）中间导体性质,在热电偶回路中接入第三种材料的导体,C,，只要第三种导体的两端温度相同，这一导体的引入就不会改变原来热电偶的热电动势大小。,E,ABC,(T, T,0,) = E,AB,(T, T,0,),（,2,）标准电极定律,当工作端和自由端温度为,T,和,T0,时，用导体,A,和,B,组成的热电偶的热电动势等于,AC,热电偶和,CB,热电偶的热电动势之代数和。,E,AB,(T, T,0,) = E,AC,(T, T,0,) + E,CB,(T, T,0,),E,AB,(T, T,0,) = E,AC,(T, T,0,) - E,BC,(T, T,0,),3,、热电偶的种类,热电偶是目前应用广泛、发展比较完善的温度传感器，它在很多方面都具备一种理想温度传感器的条件。,（,1,）标准化和非标准化热电偶,标准化热电偶的工艺比较成熟，应用广泛，性能优良稳定，能成批生产。,（,2,）普通型热电偶。,这种类型的热电偶主要用于测量气体、蒸汽液态气体和液体介质的温度。,普通型热电偶外形,（,a,）固定螺纹形,(b),无固定装置形,(c),固定法兰形,(d),活动法兰形,(e),角形,（,3,）铠装热电偶 铠装热电偶的外形像电缆，也称缆式热电偶。,铠装热电偶外形及结构,（,a,）外形,(b),结构,4,、热电偶的特点,（,1,）温度测量范围宽（,-270,1800,）；,（,2,）性能稳定、准确可靠；,（,3,）信号可以远传和记录。,5,、热电阻传感器,利用热敏电阻可以制成温度传感器。所谓热敏电阻即是对热量敏感的电阻体，其电阻值随温度的变化而显著改变。,6,、温度传感器的应用,热电阻检测电路,3.2.5,霍尔效应式线位移传感器,利用霍尔效应实现磁电转换的一种线位移传感器。,具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小、耐高温等特点。,霍尔效应线位移传感器工作原理,霍尔效应线位移传感器输出特性,3.2.6,超声波传感器,超声波传感器用超声波来测量距离，在机器人上用来检测障碍物。其原理与蝙蝠通过感觉自己所发出的超声波来测定距离的道理相同。,优点：非接触测量。,缺点：超声波传播速度与空气温度有关，会产生误差；超声波定向性不是很好，反射效果受被测物体的状态和材料的影响，因此测量精度不是很高。,发射脉冲导通时，开始发射超声波。经被测物体反射回来的超声波被接收后，经过放大和检波得到的波形上升沿由施密特触发器提取。,L,a*T/2,a,：超声波传播速度。,3.3,检测数据的处理方法,日常生活、工业生产和科学研究中所遇到的绝大多数物理量，如温度、压力、流量、湿度等非电量都是连续变化的模拟量。,需要通过,A,D,转换将模拟信号转换为数字信号，进行频谱分析和相关分析等数字信号处理。,3.3.1,模拟信号处理,3.3.2,数字信号处理,1,、数字信号处理的步骤,数字信号处理的基本步骤如图所示,数字信号处理系统功能框图,2,、数字信号处理方法,通过,A/D,转换得到的数字信号，可以利用计算机进行各种各样的处理。除此之外，还有数字滤波、快速傅立叶变换（,Fast Fourier,Transform,FFT,）等。,（,1,）算术平均值法,平均值滤波法是对信号,Y,的,m,次测量值进行算术平均，作为时刻,n,的输出，即,=,（,2,）,中位值滤波法,中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样,N,次（,N,取奇数），并按大小顺序排序；再取中间值作为本次采样的有效数据。,中位值滤波法和算术平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会更好。,（,3,）,限幅滤波法,由于大的随机干扰或采样器的不稳定，使得采样数据偏离实际值太远，为此采用上、下限限幅滤除干扰数据。,3.3.3,调制与解调,传感器输出的电信号一般为较低频率分量（在直流至几十千赫兹之间），当被测信号比较弱时，为了实现信号的传输尤其是远距离传输，可以采用直流放大或调制与解调。,信号传输过程中容易受到工频及其他信号的干扰，若采用直流放大则在传输过程中必须采用有限措施抑制干扰信号的影响。,实际中往往采用更有效的先调制而后交流放大，将信号从低频区推移到高频区，也可以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。,调制就是使一个信号的某些参数在另一个信号的控制下而发生变化的过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调制信号。,对应于信号的三要素：幅值、频率和相位，根据载波的幅值、频率和相位随调制信号而变化的过程，调制可以分为调幅、调频和调相。其波形分别称为调幅波、调频波和调相波。,调制与解调,(2/26),单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,9/16/2024,载波、调制信号及调幅、调频波图,a,),载波信号,b,),调制信号,c,),调幅波形,d,),调频波形,调制与解调,(3/26),a,),b,),c),d,),9/16/2024,1.,幅值调制与解调,设调制信号为 ，其最高频率成分为 ，载波信号为 ， 。则有调幅波：,由傅里叶变换的卷积性质,调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号（调制信号）相乘，使载波信号的幅值随测试信号的变化而变化。,(1),幅值调制的工作原理,调制与解调,(4/26),则,而,调制与解调,(5/26),9/16/2024,调幅过程相当于,“,频谱,”,搬移过程。,调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送。,如在电话电缆、有线电视电缆中，由于不同的信号被调制到不同的频段，因此，在一根导线中可以传输多路信号。,为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽相对于中心频率（载波频率）应越小越好，实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号频率。,调制与解调,(6/26),9/16/2024,49,(2),幅值调制信号的解调,1),同步解调,解调的目的是为了恢复被调制的信号。,调幅波,.,载波,.,调幅波与载波时域乘积,频域卷积,.,调制与解调,(7/26),从时域看：,2),整流检波解调,对调制信号进行偏置，使其大于零。将该调制波进行整流（半波或全波）、滤波并消除直流偏置即可恢复原信号。,调制与解调,(8/26),整流检波解调,a),b),c),d),e),f),9/16/2024,调制与解调,(9/26),9/16/2024,3),相敏检波解调,相敏检波又称相敏整流。其特点是相敏检波的解调输出既能反映调制信号电压的幅值，又能反映调制信号电压的极性。,调制与解调,(10/26),9/16/2024,调制与解调,(11/26),9/16/2024,相敏检波器设计时要求,B,的二次边的输出大于,A,的二次边输出。,回路,i1,起点,回路,i2,起点,+,+,电压,:,变压器从,负,正,为(+)正,;,负载从上下为(+)正,调制与解调,(12/26),9/16/2024,由上两图知，,x,(,t,)0,时，无论调制波是否为正，相敏检波器的输出波形均为正，即保持与调制信号极性相同。这种电路相当于在,0,a,段对,x,m,(,t,),全波整流，解调后的频率比原调制波高一倍。,调制与解调,(13/26),9/16/2024,调制与解调,(14/26),9/16/2024,由上两图知，,x,(,t,)0,时，不管调制波极性如何，相敏检波器的输出波形均为负，保持与,x,(,t,),一致。同时，电路在,a,b,段相当于对,x,m,(,t,),全波整流后反相，解调后的频率为原调制波的二倍。,调制与解调,(15/26),9/16/2024,4),调幅应用,动态电阻应变仪。,调制与解调,(16/26),电桥,放大器,相敏检波,低通滤波,显示记录,载波振荡器,x(t,),X(t,),0,t,0,t,y(t,),电阻应变片,0,t,X,m,(t,),0,t,X,(t,),0,t,X,m,(t,),9/16/2024,2,、调频及其解调,(1),原理,利用调制信号的幅值控制载波信号频率的过程。调频波是等幅波，但频率的变化量与调制信号幅值成正比。,调频波的瞬时频率可表示为：,f,=,f,0,+,f,=,f,0,+,K x,(,t,),f,0,为载波频率，也称中心频率。,f,为频率偏移，与调制信号,x,(,t,),幅值成正比。,调制与解调,(17/26),调频波与调制信号幅值的关系图,调制与解调,(18/26),9/16/2024,设调制信号,载波信号为,调频时载波的幅度和初始相位角不变，瞬时频率,围绕着,f,0,随调制信号电压作线性的变化：,由上式可见，频率偏移与调制信号的幅值成正比，与调制信号的频率无关，这是调频波的基本特征之一。,调制与解调,(19/26),9/16/2024,实现信号的调频和解调的方法甚多。在测量系统中，常利用电抗元件组成调谐振荡器，以电抗元件（电感或电容）作为传感器参量，以它感受被测量的变化，作为调制信号的输入，振荡器原有的信号振荡信号作为载波。当有调制信号输入时，振荡器输出的即为被调制了的调频波。当电容,C,和电感,L,并联组成振荡器的谐振回路时，电路的谐振频率将为：,调制与,解调,(20/26),9/16/2024,无,信号输入时,x(t)=0,谐振电路的谐振频率为,:,有信号输入时,x(t) 0,谐振电路的谐振频率为,:,调制与解调,(21/26),9/16/2024,对上式求微分得谐振频率的绝对变换量,:,在,载波频率,f,0,附近有,C,1,=C,0,所以,调制与解调,(22/26),9/16/2024,谐振频率的表达式为,用,K,f,表示,调制与解调,(23/26),9/16/2024,无信号时,谐振电路的输出电压,:,有信号时,谐振电路的输出电压,:,调制与解调,(24/26),9/16/2024,(2),调频波的解调,调频波是以正弦波频率的变化来反映被测信号的幅值变化。,调频波的解调是先将调频波变换成调频调幅波，然后进行幅值检波。,调频波的解调由鉴频器完成。鉴频器通常由线性变换电路与幅值检波电路组成，如图所示。,调制与解调,(25/26,),9/16/2024,a),鉴频器,b,),频率,-,电压特性曲线,调制与解调,(26/26),u,f,C,1,L,1,L,2,C,2,C,R,u,0,u,a,频率电压线性变换部分,幅值检波,u,a,0,n,0,t,t,u,a,0,u,a,t,0,9/16/2024,3.3.4,滤波器,滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围的信号通过，同时极大地衰减其它频率成分。,滤波器的这种筛选功能在测试技术中可以起到消除噪声、干扰信号等作用，在自动检测、自动控制、信号处理等领域得到广泛的应用。,9/16/2024,1,、滤波器的分类,低通滤波器：,通频带,0,f,2,。,高通滤波器：通频带,f,1,带通滤波器：通频带,f,1,f,2,带阻滤波器：通频带,0,f,3,与,f,4,（阻带：,f,3,f,4,）,(1),根据滤波器的选频特性分类,高通滤波器幅频特性,=1-,低通滤波器幅频特性,带阻滤波器是高通和低通的组合,滤波器,(2/23),9/16/2024,(2),根据滤波器的元件类型分类,RC,、,LC,、,晶体谐振及开关电容滤波器。,(3),根据滤波器的电路性质分类,有源、无源滤波器。,(4),根据滤波器的信号性质分类,模拟、数字滤波器。,滤波器,(3/23),9/16/2024,2.,理想滤波器,(1),理想滤波器模型及脉冲响应,无过渡带且在通频带内满足不失真测试条件的滤波器称为理想滤波器。理想滤波器的频率响应函数为：,理想滤波器的脉冲响应函数为,sinc,函数，若无相角滞后（,t,0,=0,）：,滤波器,(4/23),9/16/2024,任何现实系统都不可能具有这种预知未来的能力,在输入,(,t,),到来以前,滤波器有与输入相对应的输出,理想低通滤波器是不存在的。,理想高通、带通、带阻滤波器也是不存在的。,滤波器,(5/23),f,f,c,0,-,f,c,(f),2,t,0,A,0,0,f,f,c,-,f,c,|,H(f,)|,a),理想低通滤波器频率特性,t,0,1/2f,c,1/f,c,-1/2f,c,-1/f,c,2A,0,f,c,h(t,),t,t,0,0,h(t,),b),理想低通滤波器脉冲响应函数,9/16/2024,(2),理想滤波器的阶跃响应,1),单位阶跃输入,2),滤波器的阶跃响应：,滤波器,(6/23),9/16/2024,若不考虑前、后皱波，输出从,0(,a,点,),到应有的稳定值,A,0,(,b,点,),之间的所需建立时间为：,上,截止频率,3),阶跃响应波形图,4),响应时间,滤波器,(7/23),理想低通滤波器对单位阶跃输入的响应,0,t,t,b,t,a,a,y(t,),A,0,0.5A,0,b,a),无相角滞后,时移,t,0,=0,0,t,y(t,),t,b,t,0,t,a,a,A,0,0.5A,0,b,b),有相角滞后,时移,t,0,0,9/16/2024,如果按稳态响应值的,0.1,0.9,作为计算建立时间的标准，则：,滤波器通频带越宽（,f,c,越高），建立时间越短，响应速度越快。其物理意义是：,输入信号突变处（间断点）必然含有丰富的高频分量。,低通滤波器阻衰了高频分量，结果将输出波形,“,圆滑,”,。,通带越宽，阻衰的高频分量越少，使信号能量更多更快地通过，故建立时间短，反之建立时间长。,滤波器,(8/23),9/16/2024,低通滤波器对阶跃响应的建立时间,T,e,与带宽,B,成反比，即：,BT,e,=,常数,该结论对高通、带通及带阻滤波器均成立。,滤波器带宽表示其频率分辨力，通带越窄，分辨力越高，显然，高分辨力与响应速度是互相矛盾的。如果要用滤波的方法从信号中提取某一很窄的频率成分（如作谱分析），必须有足够的时间。,5),高分辨力与响应速度的关系,:,滤波器,(9/23),9/16/2024,3,、实际滤波器,(1),实际滤波器的基本参数,理想带通滤波器（虚线）与实际带通滤波器（实线）的幅频特性图,滤波器,(10/23),9/16/2024,上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽或,-3dB,带宽。带宽,B,决定频率分辨力。,将中心频率,f,0,（,，几何平均）与带宽,B,之比称为滤波器的品质因素。,f,0,确定，品质因素,Q,越大，滤波器分辨力越高。,或,指在上截止频率,f,c,2,与,2,f,c,2,之间，或者在下截止频率,f,c,1,与,f,c,1,/2,之间幅频特性的衰减量，即频率变化一个倍频程的衰减量。,带宽,B,和品质因素,Q,倍频程选择性,W,滤波器,(,11/23),9/16/2024,倍频程选择性用,dB/,oct,表示。有时也采用,10,倍频程选择性,dB/,dec,。,倍频程选择性表明滤波器过渡带内幅频曲线的倾斜程度，它决定了滤波器对带宽外频率成分衰减的能力。显然,W,越大，滤波器选择性越好。,理想滤波器,=1,，通常,=1,5,。有些滤波器因器件影响（如电容漏阻），阻带衰减达不到,-60dB,，,可用,-40dB,或,-30dB,带宽与,-3dB,带宽的比值表示。,滤波器因数（矩形系数）,滤波器选择性的另一种表示法。用滤波器幅频特性的,-60dB,带宽与,-3dB,带宽的比值表示。,滤波器,(12/23),9/16/2024,(2),RC,调谐式滤波器的基本参数,1),一阶,RC,低通滤波器,低频段近于不失真传输。高频段近于积分器。高频衰减率,-20dB/dec,（,-6dB/oct,）,滤波器,(13/23),C,R,u,y,u,x,f,1/2,1,A(f,),0,f,-45,0,-90,0,0,(f),1/2,RC,低通滤波器,9/16/2024,2),一阶,RC,高通滤波器,低频段近于微分器。高频段近于不失真传输。,滤波器,(14/23),u,y,u,x,RC,高通滤波器,9/16/2024,(3)RC,带通滤波器,带通滤波器可由低通和高通滤波器串联组成。,为了消除串联时负载效应的影响，通常用输出跟随器或运算放大器实现隔离。,因此，实际带通滤波器通常是有源的。,不考虑负载效应时，带通滤波器传递函数为：,滤波器,(15/23),C,1,R,2,C,2,R,1,u,y,u,x,H,1,(s),H,2,(s),X(s,),Y(s,),RC,带通滤波器,9/16/2024,4,、恒带宽比与恒带宽滤波器,对信号做频谱分析或摘取信号中某些频率成分时，可以通过多个中心频率不同的带通滤波器实现，各个滤波器的输出反映了信号在该通频带内的量值。,带通滤波器实现谱分析可有两种方式：一是由一中心频率可调的带通滤波器独立构成；二是使用各自中心频率固定，但又按一定规律相隔的滤波器组。显然后者可以实现,“,实时,”,谱分析。,对滤波器组，各滤波器的通带应相互邻接，覆盖整个感兴趣的频带。即前一滤波器的,-3dB,上截止频率为后一相邻滤波器的,-3dB,下截止频率。滤波器组具有相同的增益（对各中心频率而言）。,滤波器,(16/23),9/16/2024,85,(1),倍频程频谱分析装置,中心频率固定,Q=f/B,，,Q,相同。中心频率,f,越高,带宽,B,越宽。,滤波器,(17/23),9/16/2024,(2),恒带宽比滤波器（恒定百分比带通滤波器）,特点： ，即品质因数恒定。,显然，中心频率,f,0,越高，带宽越大。,恒带宽比滤波器的低端截止频率,fc,1,与高端截止频率,fc,2,之间常满足如下关系：,n,称为倍频程数,.,n,=1,称为倍频程滤波器；,n,=1/3,称为,1/3,倍频程滤波器。,滤波器,(18/23),9/16/2024,由于：,从而有：,n,=1,时，,Q,=1.41,；,n,=1/3,时，,Q,=4.38,；,n,=1/5,时，,Q,=7.2,。,对邻接的滤波器组，易得：,只要选定,n,值，即可设计覆盖给定频率范围的邻接式滤波器。,显然，倍频程数越,小，,Q,值越大，滤波器,分辨力越高。,滤波器,(19/23),9/16/2024,中心频率,16,31.5,63,125,250,带宽,(,Hz,),11.31,22.27,44.55,88.39,176.78,中心频率,12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,带宽,(,Hz,),2.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.6,表,1,倍频程滤波器,表,2 1/3,倍频程滤波器,高频段分辨率低,滤波器,(20/23),9/16/2024,(3),恒带宽滤波器,恒带宽滤波器带宽恒定。在所有频带内都具有良好的频率分辨力。,恒带宽滤波器一般不宜做成固定中心频率，,而是利用一个定带宽、定中心频率的滤波器加上可变参考频率的差频变换来适应各种不同中心频率的定带宽滤波需要。,滤波器,(21/23),9/16/2024,常用恒带宽滤波器,有相关滤波和跟踪滤波两种。,滤波器,(22/23),. . .,. . .,f,A(f,),0,100,200,400,600,800,1000,a),恒带宽带通滤波器,. . .,. . .,f,A(f,),0,100,200,400,600,800,1000,b),恒带宽比带通滤波器,恒带宽与恒带宽比带通滤波器比较,9/16/2024,中心频率在不同频率时均有输出,(4),三种滤波器测量结果比较,滤波器,(23/23),0,40,20,幅值,(dB),940,1060,f(Hz,),a),实际信号,0,40,20,幅值,(dB),630,800,1000,1250,1600,f(Hz,),b),用,1/3,倍频程分析的结果,f(Hz,),0,40,20,幅值,(dB),940,1060,c),用,1/10,倍频程分析的结果,d),用恒带宽滤波器分析的结果,940,1060,0,40,20,幅值,(dB),f(Hz,),三种滤波器测量结果比较,3.4,传感器信号的计算机检测技术,3.4.1,传感器的测量电路,在机电一体化系统中，传感器获取系统的有关信息并通过检测系统进行处理，以实施系统的控制。,通常，这种电量信号很微弱，需要由中间转换电路进行放大、调制解调、,A,D,、,D,A,转换等处理以满足信号传输、微机处理的要求，根据需要还必须进行必要的阻抗匹配、线性化及温度补偿等处理。,（,1,）模拟型测量电路,模拟型测量电路适用于电阻式、电感式、电磁式、电热式等输出模拟信号的传感器。当传感器为电参量式时，即被测物理量的变化引起敏感元件的电阻、电感、或电容等参数变化时，则需通过基本转换电路将其转换成电量,(,电压、电流等,),。若传感器的输出已是电量，则不需要基本转换电路。,（,2,）数字型测量电路,数字型测量电路有绝对码数字式和增量码数字式。绝对码数字式传感器输出的编码与被测量一一对应，每一码道的状态由相应的光电元件读出，经光电转换、放大整形后，得到与被测量相对应的编码。,输出的信号为增量码数字信号的传感器，如光栅、磁栅、容栅、感应同步器、激光干涉等传感器均使用增量码测量电路。,（,3,）开关型测量电路,传感器的输出信号为开关信号，如光电开关和电触点开关的通断信号等。这类信号的测量电路实质为功率放大电路。,（,4,）转换电路,中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定。常用的转换电路有电桥、放大电路、调制与解调电路、数,/,模,(D/A),与模,/,数,(A/D),转换电路等。,3.4.2,传感器的计算机接口,输入到计算机的信息必须是计算机能够处理的数字量信息。传感器的输出形式可分为模拟量、数字量和开关量。,模拟量转换输入方式：,单通道直接型,多通道一般型,多通道同步型,多通道同步输入型,模拟量转换输入方式：,（,1,）输入放大器,被分析的信号幅值大小不一，输入放大器（或衰减器）便是对幅值进行处理的器件。对于超过限额的电压幅值，可以加以衰减，对于太小的幅值，则加以放大，避免影响采样精度。,（,2,）抗频混滤波器,在作频域分析时，为解决频混的影响，采样之前通常用模拟滤波器来衰减不感兴趣的高频分量，然后根据滤波器的选择性来确定适当的采样频率。低通滤波器为抗频混滤波器。由于低通滤波器能衰减高频分量，所以也可对时域分析时的信号作平滑处理。抗频混滤波器的截止频率一般都是多档可选的，依信号特性选用。,（,3,）采样保持电路,采样保持电路在,A/D,转换之前，是为,A/D,进行转换期间，保持输入信号不变而设置的。对于模拟输入信号变化率较大的信号通道，一般都需要的。对于直流或者低频信号通道则可不用。采样保持电路对系统精度起着决定性的影响。要求采样时，存储电容尽快充电，以跟随参量变化。保持时，存储电容漏电必须接近于零，以便使输出值保持不变。,（,4,）模拟多路开关,模拟多路开关的作用为分别或依次把各传感器输出的模拟量与,A/D,接通，以便进行,A/D,转换。,对其要求是：,（,1,）导通电阻小；,（,2,）开路电阻大，交叉干扰小；,（,3,）速度快。,（,5,）,A/D,转换器及其与计算机的连接,在机电一体化产品常用的传感器中，有很多是以模拟量形式输出信号的，如位置检测用的差动变压器、温度检测用的热电偶、热敏电阻、转速检测用的测速发电机等。但由于控制计算机是一个数字系统，需要进行模数转换。（有些信号的单片机内部集成了模,/,数转换器件，如,MCS96,系列单片机等）。,AD,转换器的种类及其特点：,参数,双重积分型,逐次比较型,跟踪比较型,并行比较型,特点,利用电容充放电原理，通过测量（计数）放电时间来测量模拟量，多用于高分辨率产品,内部具有,A/D,转换器，分辨率中等的产品居多,与逐次比较型的结构相似，但内部不是采用逐次比较寄存器，而是采用加减计算器,内部具有与分辨率个数相同的比较强，转换速度快，但分辨率低,转换速度,低速,中高速,中低速,高速,A/D,转换器的技术指标：,量化误差与分辨率,转换精度,转换时间与转换速率,失调（零点）温度系数和增益温度系数,对电源电压的抑制比,A/D,转换器的选择原则：,确定,A/D,转换器的位数,根据信号对象的变化率及转换精度要求，确定,A/D,转换速率,成本、资源、芯片是否流行,3.4.3,传感器在机电一体化系统中的应用实例,车载信息系统,车载信息系统是汽车技术革命的一项重要内容，它是将汽车工业的传统的模拟测量测控技术改变为现代化的数字测控技术，把汽车装备的现代化和信息化提高到一个新的高度。该系统是以计算机为核心，对汽车的各种信息状态，如燃油的液位、电池电压、水温、机油压力、车速等参数进行采集、处理、显示和报警提示。,1,、系统的构成和工作原理,车载信息系统的构成：由工控机、多种传感器、信息采集部件、计数器卡、声光显示和报警部件、,GPS,以及管理控制软件所组成。,该系统的工作原理是：汽车燃油的液位、电池电压、行进速度、机油压力各种信息参数都由相应的传感器进行检测。,车载系统原理方框图,2,、系统硬件配置,工控机,数据采集部件,计数卡,声光显示和报警部件,GPS,全球卫星定位系统,数据采集部件原理方框图,传感器所对应的电压,频率转换示意图,本章小结,传感器是机电一体化产品中不可缺少的重要组成部分之一。传感器把被测物理量（大多数为非电量）检测出来，转换成与之相应的其他易于测量的物理量（大多数为电量）。随后，这个信息被传送给信息处理部分进行判断、运算、存贮、进而控制被测量。传感器输出信息正确与否将直接影响整个系统的工作，因此，传感器的正确选择和应用十分重要。,思考练习,1,、传感器有哪几部分组成？每部分起什么作用？,2,、码盘式编码器主要有哪几种？各有什么特点？,3,、莫尔条纹是怎样产生的？它具有哪些特性？,4,、简述电阻应变计的工作原理，它的基本组成结构是什么？,5,、试问数字滤波较一般模拟滤波有何优点？,6,、传感器与计算机的基本接口方式有哪几种？,7,、模拟多路开关和采样保持电路的作用是什么？,8,、,AD,转换器常用种类有哪些？试述这几种,AD,转换器的基本特点。,