第三章 检测与传感系统设计技术

1、江苏大学袁鹏平机电一体化系统设计机电一体化系统设计 传感检测系统的选择与设计传感检测系统的选择与设计 本章要求重点掌握以下内容：检测传感器的分类及机电一体化对其基本要求；常用检测传感器的原理及应用；传感器的测量电路及与微机接口。本章概述本章概述传感器技术是现代检测和自动化技术的重要基础之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。的依赖性也就越大。能将各种能将各种非电物理量非电物理量转换成转换成电量电量的传感器及其应用的传感器及其应用技术便成为机电一体化技术系统中不可缺少的组成技术便成为机

2、电一体化技术系统中不可缺少的组成部分。部分。把各种非电量信息转换为电信号把各种非电量信息转换为电信号,这就是传感器的功这就是传感器的功能能,传感器又称为传感器又称为一次仪表一次仪表。对转换后的电信号进行。对转换后的电信号进行测量测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理等处理,这叫作电信号处理系统这叫作电信号处理系统,通常被称为通常被称为二次仪表二次仪表。非电量检测系统的结构形式非电量检测系统的结构形式3.1传感器的组成和分类传感器的组成和分类3.1.1传感器的组成传感器的组成通常传感器由敏感元件、转换元件敏感元件、转换元件和和转换电路转换电路

3、三部分组成。 图3-1传感器的组成（1）敏感元件）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。（2）转换元件：）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。（3）基本转换电路：）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。 传感器的静态特性传感器的静态特性是是在在静态标准条件静态标准条件下下,利用一利用一定等级的标准设备定等级的标准设备,对传感对传感器进行往复循环测试器进行往复循环测试,得到得到的输入的输

4、入/输出特性（列表或输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性特性（曲线）为线性,这对这对标定和数据处理带来方便。标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性但实际的输出与输入特性只能接近线性只能接近线性,与理论直线与理论直线有偏差有偏差,如图如图3-3所示。所示。3.1.2 传感器的性能指标传感器的性能指标图3-3 传感器的线性度示意图 yFS21max0 xFS1实际曲线2理想曲线yx传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢%100maxFSLy（3-1） （1） 线性度线性度xyS输入量的变化量输出量的变化量0线性度可用下式计算：式中：L线性度(非

5、线性误差)； max最大非线性绝对误差； yFS 输出满度值。 （2） 灵敏度灵敏度 传感器在静态标准条件下,输出变化对输入变化的比值称为灵敏度,用S0表示,即 (3-2) 对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。%10021%100FSmHFSmHyHyH或(3-3) yFSHm0 xFSyx（3）迟滞。）迟滞。传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重合程度称为迟滞,迟滞误差一般以满量程输出yFS的百分数表示： Hm输出值在正、反行程间的最大差值。 迟滞特性一般由实验方法确定,如图3-4所示。图3-4 迟滞特性 （4） 重复特性。重复特性。 传感器在同一条

6、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,所得的输出/输入曲线不一致的程度,称为重复特性,如图3-5所示。重复特性误差用满量程输出的百分数表示,即式中: Rm最大重复性误差。 重复特性也由实验方法确定,常用绝对误差表示,如图3-5所示。 %100FSmRyR(3-4) yFS0 xFSxRm1yRm2图3-5 重复特性（5）分辨力）分辨力:传感器能检测到的最小输入增量。在输入零点附近的分辨力称为阈值。（6）漂移：）漂移：由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下,传感器的输出发生的变化称为漂移。（7）精度：）精度：精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度，包括传感器的测量精度和重复精

7、度。 2. 传感器的动态特性传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态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特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以。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。量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。表表3.2 传感器的技术指标传感器的技术指标基本参数指标环境参数指标可靠性

8、指标其它指标量程指标量程指标: :量程范围、过载能力等量程范围、过载能力等灵敏度指标灵敏度指标: :灵敏度、分辨力、满量程输灵敏度、分辨力、满量程输出、输入输出阻抗等出、输入输出阻抗等精度有关指标精度有关指标: :精度、误差、线性、滞后、精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性重复性、灵敏度误差、稳定性等等动态性能指标动态性能指标: :固有频率、阻尼比、时间常固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定、临界频率、临界速度、稳定时间、过冲量、稳态误差等时间、过冲量、稳态误差等温度指标温度指标: :工作温度范围、温工作温度范围、

9、温度误差、温度漂移、度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等温度系数、热滞后等抗冲振指标抗冲振指标: :允许各向抗冲振的允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差、冲振所引入的误差等等其它环境参数其它环境参数: :抗潮湿、抗介质腐抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁干扰蚀能力、抗电磁干扰能力等能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标使用有关指标: :供电方式供电方式( (直流、交流直流、交流、频率及波形等、频率及波形等) )、功、功率、各项分布参数值、率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等电压范围与稳定度等结构方面指标结构方面指标

10、: :外形尺寸、重量、壳外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等体材质、结构特点等安装连接方面指标安装连接方面指标: :安装方式、馈线电缆安装方式、馈线电缆等等 3.1.3 信号传输与处理电路信号传输与处理电路传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括：（1） 传感器输出信号形式,如是模拟信号还是数字信号,是电压还是电流。 （2） 传感器输出电路形式,是单端输出还是差动输出。 （3） 传感器电路的输出能力,是电压还是功率,输出阻抗的大小如何等。 （4） 传感器的特性,如线性度、信噪比、分辨率。3.1.4 传感器的分类传感器的分类1. 按能量变换的功能分：按能量变换的功能分：2. 按输出按输

11、出的信号分：的信号分：开关型：开关型：开关型传感器的二值就是开关型传感器的二值就是“1”和和“0”或开或开(ON)和关和关(OFF)。这种。这种“l”和和“0”数字信号可直接传送到数字信号可直接传送到微机进行处理，使用方便。微机进行处理，使用方便。 模拟型：模拟型： 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。如电位器、电容式位移传感的连续变化的电量。如电位器、电容式位移传感器、电阻应变片输入与输出可以是线性的也可以器、电阻应变片输入与输出可以是线性的也可以是非线性的。线性的可以直接使用，非线性的需是非线性的。线性的可以直接使用，非线性

12、的需经过线性化处理，模拟量经经过线性化处理，模拟量经A/D转换后输入微机。转换后输入微机。 数字型传感器有计数型和代码型计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲数字型，其工作原理如图a-1所示。它可以是任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数，如可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测运行机构的位移量，这时运行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发出一个脉冲信号，例如增量式光电码盘增量式光电码盘和检测光栅检测光栅。代码型传感器又称编码器代码型传感器又称编码器，其工作原理如图a-2所示；它输出的信号是数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量的值，例如图中

13、输入量的值为K1时，输出代码为1010，而输入量的值为K2时，输出代码为1011。代码的“1”为高电平，“0”为低电平。高、低电平可用光电元件或机械接触式元件输出。常用来检测执行元件的位置或速度，如绝对值型光电编码器、接触式编码板等。物理型传感器：利用一些材料物理特性变化（如集成传感器），有潜力结构型传感器：利用弹性片、金属片、电容电感等结构元件（如一 般的电阻、电容、电感传感器）4. 模拟式和数字式传感器检测系统模拟式和数字式传感器检测系统 电阻、电容、电感、压电、磁电、热电式等传感器输出模拟信号，其检测系统如图示：传感器传感器量程变换量程变换放大器放大器解调器解调器滤波器滤波器运算电路运算

14、电路A/D计算机计算机 显示、显示、执行机构执行机构 振荡器振荡器 振荡器用于对传感器信号“调制”，以提高输出信号的抗干扰能力；并对“解调” 提供参考信号，“解调”是使信号恢复原有形式。 有的传感器可不进行调制与解调，直接阻抗匹配、放大、滤波等。光栅、磁栅、光电编码器、激光干涉仪等传感器输出增量码信号，增量码信号，信号变化的周期与被测位移成正比的信号，其检测系统如图示：传传感感器器放放大大器器整整形形电电路路细细分分电电路路变变换换电电路路计计数数器器计计算算机机显示显示执行执行机构机构辨向电路辨向电路 传感器输出多为正弦波信号，经放大、整形后变成数字脉冲信号，进入计数器、计算机，为提高分辨率

15、，采取细分电路； 辫向电路辨别方向以便正确进行加法或减法记数； 脉冲信号所对应的被测来年感不便于读出和处理时，需进行脉冲当量变换电路。模拟式系统：精度低、易受干扰影响、不便于长距离传输、有A/D转换， 成本高数字式系统：分辨率高、抗干扰强、易于长距离传输、易于计算机控制、 应用广泛） 传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、仪传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、仪表）对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传感表）对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系

16、。用条件下的误差关系。 传感器的标定分传感器的标定分静态标定静态标定和和动态标定动态标定:1. 感器静态特性标定感器静态特性标定 静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。2. 传感器动态特性标定传感器动态特性标定 动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，如时动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。间常数、上升时间或工作频率、通频带等。3.1.5 传感器的标定传感器的标定体积小、重量轻、对整机的适应性好；体积小、重量轻、对整

17、机的适应性好；精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；安全可靠、寿命长；安全可靠、寿命长；便于与计算机连接；便于与计算机连接；不易受被测对象不易受被测对象(如电阻、磁导率如电阻、磁导率)的影响，也不影响外的影响，也不影响外部环境；部环境；对环境条件适应能力强；对环境条件适应能力强；现场处理简单、操作性能好；现场处理简单、操作性能好；价格低廉。价格低廉。3.1.6 机电一体化系统对检测传感器基本要求机电一体化系统对检测传感器基本要求1)集成化：集成化：集成（传感器、放大器、运算器、补偿器集成（传感器、放大器、运算器、补偿器等）；组合（不同功能的传感

18、器）；排列（成矩等）；组合（不同功能的传感器）；排列（成矩阵）。阵）。(2)多功能化：多功能化：如温度与湿度、气敏与湿度、速度与长如温度与湿度、气敏与湿度、速度与长度等多功能传感器。度等多功能传感器。(3)智能化：智能化：不但能对外界信号进行转换与测量，同时不但能对外界信号进行转换与测量，同时还具有记忆存储、运算及数据处理等功能。还具有记忆存储、运算及数据处理等功能。(4)数字化：数字化：数字显示与微处理机的应用，使传感器应数字显示与微处理机的应用，使传感器应用更为方便，可提高稳定性及精度，简化结构。用更为方便，可提高稳定性及精度，简化结构。3.1.7 传感器的发展方向传感器的发展方向1首先要

19、根据使用要求在众多传感器中首先要根据使用要求在众多传感器中选择适合自己选择适合自己所需要的。所需要的。有些传感器的输入有些传感器的输入/输出特性，理论上的输出特性，理论上的分析较复杂，但实际应用时很简单，用户只需根据使分析较复杂，但实际应用时很简单，用户只需根据使用要求按其主要性能参数，如测量范围、精度、分辨用要求按其主要性能参数，如测量范围、精度、分辨力、灵敏度等选用即可。传感器性能参数指标包含的力、灵敏度等选用即可。传感器性能参数指标包含的面很宽，对于具体的某种传感器，应根据实际的需要面很宽，对于具体的某种传感器，应根据实际的需要和可能，在确保其主要性能指标的情况下，适当放宽和可能，在确保

20、其主要性能指标的情况下，适当放宽对次要性能指标的要求，对次要性能指标的要求，切忌盲目追求各种特性参数切忌盲目追求各种特性参数均高指标，以形成较高的性能均高指标，以形成较高的性能/价格比价格比。2要特别注意不同系列产品的应用环境、使用条件和要特别注意不同系列产品的应用环境、使用条件和维护要求。维护要求。环境变化环境变化(如温度、振动、噪声等如温度、振动、噪声等)将改变将改变传感器的某些特性传感器的某些特性(如灵敏度、线性度等指标如灵敏度、线性度等指标)，且能，且能造成与被测参数无关的输出，如零点漂移。因此，造成与被测参数无关的输出，如零点漂移。因此，应应根据环境要求合理选用传感器。根据环境要求合

21、理选用传感器。一、传感器的选择一、传感器的选择3.2 传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用使用传感器时，可以采取某些技术措施来改善传使用传感器时，可以采取某些技术措施来改善传感器的性能：感器的性能：1. 平均技术平均技术. 常用的平均技术有误差平均效应和数常用的平均技术有误差平均效应和数据平均处理。误差平均效应的原理是利用多个传感据平均处理。误差平均效应的原理是利用多个传感器单元同时感受被测量，因而其输出将是这些单元器单元同时感受被测量，因而其输出将是这些单元输出的总和。这在光栅、感应同步器等栅状传感器输出的总和。这在光栅、感应同步器等栅状传感器中都可取得明显效果；数据平均处理是在相同

22、条件中都可取得明显效果；数据平均处理是在相同条件下重复测量次，然后取其平均值（滤波），因此，下重复测量次，然后取其平均值（滤波），因此，该技术可以大大降低随机误差。该技术可以大大降低随机误差。2差动技术差动技术. 差动技术在电阻应变式、电感式、电差动技术在电阻应变式、电感式、电容式等传感器中得到广泛应用，它可以消除零位输容式等传感器中得到广泛应用，它可以消除零位输出和偶次非线性项，抵消共模误差、减小非线性。出和偶次非线性项，抵消共模误差、减小非线性。二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用3稳定性处理稳定性处理. 传感器作为长期使用的元件，传感器作为长期使用的元件，其稳定性显得特别重要，因此，

23、对传感器的其稳定性显得特别重要，因此，对传感器的结构材料要进行时效处理，对电子元件进行结构材料要进行时效处理，对电子元件进行筛选等。筛选等。4屏蔽和隔离屏蔽和隔离. 屏蔽、隔离措施可抑制电磁屏蔽、隔离措施可抑制电磁干扰，隔热、密封、隔振等措施可消弱温度、干扰，隔热、密封、隔振等措施可消弱温度、湿度、机械振动的影响。湿度、机械振动的影响。 二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用 1传感器的标定传感器的标定 利用标准设备产生已知的非电量，并用其作为基准利用标准设备产生已知的非电量，并用其作为基准量来确定传感器的输出电量与输入非电量之间的关系量来确定传感器的输出电量与输入非电量之间的关系的过程。的

24、过程。 传感器在出厂时均要进行标定，厂家的产品列表中传感器在出厂时均要进行标定，厂家的产品列表中所列的主要性能参数所列的主要性能参数(或指标或指标)就是通过标定得到的。就是通过标定得到的。传感器的标定应在与其使用条件相似的环境状态下和传感器的标定应在与其使用条件相似的环境状态下和规定的安装条件下进行。规定的安装条件下进行。2传感器的校准传感器的校准 传感器在使用前或在使用过程中或搁置一段时间后传感器在使用前或在使用过程中或搁置一段时间后再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以保证其测量精度，这个复测过程就是整与修正，以保证其测量精

25、度，这个复测过程就是校校准准。 校准与标定内容基本相同。校准与标定内容基本相同。三、传感器的标定与校准三、传感器的标定与校准 3.3 检测信号的采集与处理检测信号的采集与处理 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。行处理，以实施系统的控制。传感器传感器处于被测对象与检测系统的界面位置，处于被测对象与检测系统的界面位置，是信号输入的主要窗口，为检测系统提供必需的原始信号。是信号输入的主要窗口，为检测系统提供必需的原始信号。中间转换电路中间转换电路将传感器的敏感元件输出的电参数信号转换成易于

26、测量或处理的电压或电将传感器的敏感元件输出的电参数信号转换成易于测量或处理的电压或电流等电量信号。通常，这种电量信号很微弱，需要由中间转换电路进行放流等电量信号。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、大、调制解调、A AD D（D DA A）转换等处理以满足信号传输、微机处理的要）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。中求，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。中间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定，不同的传感器要求配用的间转换电路的种类和构成由传感器的类型决定，不同的传感器要求配用

27、的中间转换电路经常具有自己的特色。中间转换电路经常具有自己的特色。 需要指出的是，在机电一体化系统设计中，需要指出的是，在机电一体化系统设计中，所选用的传感器多数己由所选用的传感器多数己由生产厂家配好转换放大控制电路而不需要用户设计，除非是现有传感器产生产厂家配好转换放大控制电路而不需要用户设计，除非是现有传感器产品在精度或尺寸、性能等方面不能满足设计要求，才自己选用传感器的敏品在精度或尺寸、性能等方面不能满足设计要求，才自己选用传感器的敏感元件并设计与此相匹配的转换测量电路。感元件并设计与此相匹配的转换测量电路。 检测系统的组成首先跟传感器输出的信号形式和检测系统的组成首先跟传感器输出的信号

28、形式和仪器的功能有关，并由此决定检测系统的类型。仪器的功能有关，并由此决定检测系统的类型。 1. 模拟信号检测系统模拟信号检测系统 振荡器振荡器用于对传感器信号进行调制，并为解调用于对传感器信号进行调制，并为解调提供参考信号；提供参考信号； 量程变换电路量程变换电路的作用是避免放大器饱和并满足的作用是避免放大器饱和并满足不同测量范围的需要；不同测量范围的需要； 解调器解调器用于将已调制信号恢复成原有形式；用于将已调制信号恢复成原有形式；一、检测系统的组成一、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模拟式传感器是目前应用最多的传感器，如电

29、阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式及热电式等传感器均输出模拟信号，其输出是与被测物理量相对应的连续变化的电信号。 滤波器滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表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；被测物理量的有效信号； 运算电路运算电路可对信号进行各种处理，以正确获得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所需的物理量，其功能也可在对信号进行模/数转数转换后，由数字计算机来实现；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的信号去控制执行

30、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检测系统中，计算机则将有关信息送去显示或打印输出。印输出。一、检测系统的组成一、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在具体的机电一体化产品的在具体的机电一体化产品的检测系统中，也可能没有图检测系统中，也可能没有图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，如有些传感器可不它部分，如有些传感器可不进行调制与解调，而直接进进行调制与解调，而直接进行阻抗匹配、放大和滤波等。行阻抗匹配、放大和滤波等。2. 数字信号检测系统数字信号检测系统 数字信号检测系统数字信

31、号检测系统有有绝对码数字式绝对码数字式和和增增量码数字式量码数字式。当传感。当传感器输出的编码与被测器输出的编码与被测量一一对应，称为绝量一一对应，称为绝对码。绝对码检测系对码。绝对码检测系统如右图所示统如右图所示 ，每一，每一一、检测系统的组成一、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数字式传感器可直接直接将被测量转换成数字信号输出，既可提高检测精度、分辨率及抗干扰能力，又易于信号的运算处理、存储和远距离传输。因此，尽管目前数字式传感器品种还不很多，但却得到了越来越多的应用得到了越来越多的应用。最常见的数字式传感器有光栅、磁栅、容栅、感应同步器、光电编码器等，

32、主要用于几何位置、速度等的测量。 当传感器输出增量码当传感器输出增量码信号，即信号变化的信号，即信号变化的周期数与被测量成正周期数与被测量成正比，其比，其增量码数字信增量码数字信号检测系统号检测系统的典型组的典型组成如右图所示。成如右图所示。一、检测系统的组成一、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，需先经传感器的输出多数为正弦波信号，需先经放大、整形放大、整形后变成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，常采用细分电细分电路路使传感器信号每变化使传

33、感器信号每变化1/n个周期计一个数，其中个周期计一个数，其中n称为细分数。称为细分数。辨向电路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，需进行量不便读出和处理时，需进行脉冲当量变换脉冲当量变换。计算机可对信号进。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控制量去控制执行机构。3.开关信号检测系统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功率放大电路。

34、一、检测系统的组成一、检测系统的组成4 4、传感器与微机的基本接口、传感器与微机的基本接口 输入到微机的信息必须是微机能够处理的数字量输入到微机的信息必须是微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、数字量和信息。传感器的输出形式可分为模拟量、数字量和开关量。与此相应的有三种基本接口方式，见下表。开关量。与此相应的有三种基本接口方式，见下表。一、检测系统的组成一、检测系统的组成1.模拟量的转换输入方式模拟量的转换输入方式(4种种)二、模拟量的转换输入二、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/

35、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a是最简单的一种方式。传感器输出的模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，通过三态缓冲器送入计算机总线。这种方式仅适用于只有一路检测信号的场合。B所示多路检测信号共用一个A/D转换器，通过多路模拟开关依次对各路信号进行采样，其特点是电路简单，节省元器件，但信号采集速度低，不能获得同一瞬时的各路信号。 c所示与第二种方式的主要区别是信号的采集/保持电路在多路开关之前，因而可获得同一瞬时的各路信号。 d所示方式，其中各路信号都有单独的采样/保持电路和A/D转换通道，可根据检测信号的特

36、点，分别采用不同的采样/保持电路或不同精度的A/D转换器，因而灵活性大，抗干扰能力强，但电路复杂，采用的元器件较多。上述四种方式中，除第一种外，其它三种都可用于对多路检测信号进行采集，因此对应的系统常被称作多路数据采集系统。2. 多路模拟开关多路模拟开关 多路模拟开关又多路模拟开关又称称多路转换开关多路转换开关，简，简称多路开关，其作用称多路开关，其作用是分别或依次把各路是分别或依次把各路检测信号与检测信号与A/D转换转换器接通，以节省器接通，以节省A/D转换器件。转换器件。 二、模拟量的转换输入二、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7862431S0S4S

37、6S7S5S1S2S3A/D转换器.右上图表示一个右上图表示一个8通道的模拟开关的结构图，它由模拟开关通道的模拟开关的结构图，它由模拟开关S0S7及开关控及开关控制与驱动电路组成。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。定，从而选择特定的通道。例如当开关地址为例如当开关地址为000时，时，S0开关接通，开关接通，S1S7均断开，当开关地址为均断开，当开关地址为111时，时，S7开关接通，其它开关接通，其它7个开关断开。模拟开关一个开关断开。模拟开关一般采用般采用MOS场效应管，如果后级电路具有足

38、够的输入阻抗，则可以直接连接。场效应管，如果后级电路具有足够的输入阻抗，则可以直接连接。 3. 信号采集与保持信号采集与保持 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。连续的脉冲时间序列的过程。信号采样是通过采信号采样是通过采样开关来实现样开关来实现。采样开关又称采样器，。采样开关又称采样器，实质实质上它上它是一个是一个模拟开关模拟开关，每隔时间间隔，每隔时间间隔T闭合一次，每闭合一次，每次闭合持续时间次闭合持续时间，其中，其中，T称为采样周期，其倒称为采样周期，其倒数数fs=1/T称为采样频率，称为采样频率，称为采样时间或采样宽

39、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。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，因而还需是离散的，但在函数轴上仍是连续的，因而还需要用要用A/D转换器将其转换成数字量。转换器将其转换成数字量。二、模拟量的转换输入二、模拟量的转换输入 A/D转换过程需要一转换过程需要一定时间，为防止产生定时间，为防止产生误差，要求在此期间误差，要求在此期间内保持采样信号不变。内保持采样信号不变。实现这一功能的电路实现这一功能的电路称称采样采样/保持电路保持电路。 二、模拟量的转换输入二、

40、模拟量的转换输入VFUcuiN1CN20u 传感器的输出信号被采入计算机后往往要先进行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，其适当的预处理，其目的是去除混杂在有用信号中的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。益误差等进行补偿和修正。数字信号预处理一般用数字信号预处理一般用软件的方法来实现。软件的方法来实现。1. 数字滤波数字滤波 数字滤波实质上是一种数字滤波实质上是一种程序滤波程序滤波，与模拟滤波，与模拟滤波相比具有如下优点：不需要额外的硬件设备，不相比具有如下优点：不需要额

41、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。活、方便、功能强。三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理混杂在有用信号中的干扰信号有两大类：周期性干扰和随机性干扰周期性干扰和随机性干扰。典型的周期干扰是50Hz的工频干扰，采用积分时间为20ms整数倍的双积分型A/D转

42、换器，可有效地消除其影响。对于随机性干扰，可采用数字滤波的随机性干扰，可采用数字滤波的方法予以削弱或消除。方法予以削弱或消除。2. 静态误差补偿静态误差补偿 在机电一体化产品中，常用在机电一体化产品中，常用软件方法软件方法对传感器的非线性传对传感器的非线性传输特性进行补偿校正，以降低对传感器的要求。输特性进行补偿校正，以降低对传感器的要求。 (1). 非线性补偿非线性补偿 下图下图a为传感器的非线性校正系统。当传感器及其调理为传感器的非线性校正系统。当传感器及其调理电路至电路至A/D转换器的输入转换器的输入输出有非线性，如下图输出有非线性，如下图b所示，所示，可按下图可按下图c所示的所示的反非

43、线性特性进行转换反非线性特性进行转换，进行非线性的校，进行非线性的校正，使输出正，使输出y与输入与输入x呈理想直线关系，如下图呈理想直线关系，如下图d所示。所示。三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理0b)xiux0c)uixxia)0ud)y=xx 微型计算机/处理器传感器及其 调理电路xA/Duy=x(2).零位误差补偿零位误差补偿 检测系统的零位误差是由检测系统的零位误差是由温度漂移和时间漂移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引起的。采用软件对零位误差进行补偿的方法又称称数字调零数字调零，其原理如下图所示。，其原理如下图所示。 三、数字信号的预处理三、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RUi被测信号.