机电一体化系统设计03传感器

1、第二章第二章 检测系统设计检测系统设计2.1 传感器的定义定义：是一种以一定的精确度将被测量（如定义：是一种以一定的精确度将被测量（如位移、力、加速度等）转换为与之能确定对位移、力、加速度等）转换为与之能确定对应关系的，易于精确处理和测量的某种物理应关系的，易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。量（如电量）的测量部件或装置。2.2 传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和基本传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成转换电路三部分组成转换元件转换元件基本转换电路基本转换电路被测量被测量被测量被测量电量电量两个功能：敏感作用（被测对象 信号拾取）变换作用（被测

2、非电量 电量输出）v敏感元件：直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量，如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出，光敏、热敏、气敏、湿敏、温敏、磁敏等v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）转换成电参数（如电阻、电感、电容等）v基本转换电路：将电路参数量转换成便与测量的电量，如电压、电流、频率等 按输出信号性质分类按输出信号性质分类压阻式液位传感器光敏传感器温度传感器压力传感器液位传感器电阻式远传压力表感应式流量表称重传感器CCD传感器风力参数传感器地震检波器反射式光敏传感器磁、气、力敏传感器超声传感器测量的目的；测定量的选定；测量的范围；输入信号的带宽；要求的精度；测量

3、所需时间等精度；响应速度；稳定性；模拟还是数字信号；输出量及电平；被测对象特征的影响；校准周期；过载输入保护等放置的场所；环境（温度、湿度、振动）；测量的时间（寿命周期）；传输距离；与设备连接方式；供电电源；价格传感器千差万别，测量同一种测定量，可以采用不同工作原理的传感器，注意以下几个方面：2.3 传感器的基本特性传感器的基本特性v1. 传感器的静态特性传感器的静态特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态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：态特性的主要技术指标有：线性度线

4、性度、灵敏度灵敏度、迟滞迟滞和和重复性重复性等。等。二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性v(1)、线性度、线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出传感器的线性度是指传感器实际输出输入输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即值之比，即100%maxFSyL 几种直线拟合方法几种直线拟合方法 (a) 理论拟合 (b) 过零旋转拟合 (c) 端点连线拟合 (d) 端点平移拟合 即使是同类传感器, 拟合直线不同, 其线性度也是不同的。 选取拟合直线的方法很多, 用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。拟合直线方程 y=k+b x 设有n对

5、测量数据（xi,yi）, 用直线方程y= k +bx拟合, 根据测量数据值, 求方程中系数k 、b的最佳估计值。 可应用最小二乘法原理, 使各测量数据点yi与直线输出偏差的平方和为最小。 二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性 xyS0可见，传感器输出曲线的斜率斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性 %100FSmyHH 迟滞大小用最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比表示 %100)/)(2/1 (maxFSHHy 迟滞现象反应了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，如轴承摩擦，间隙，

6、螺钉松动，元件腐蚀及灰尘等 。式中: Hmax正反行程输出值间的最大差值。 重复性指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。重复性误差属于随机误差, 常用标准偏差表示, 也可用正反行程中的最大偏差表示, 即 %100) 32(FSRYr%10021maxFSRYRrv 传感器测量动态信号的能力用动态特性表示。传感器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

7、法确定，其动态特性参数如、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：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。、临界频率等。 2. 传感器的动态特性传感器的动态特性 动特性中输出量与输入量的关系不是一个定值，而是时间的函数。输出量随输入量的频率的变化而变化。表征传感器动特性输入量与输出量的关系方法是微分方程和传递函数。标准输入有三种：经常使用的是前两种。u正弦变化的输入u阶跃变化的输入u线性输入2.4 传感器的基本转换电路1.电阻型1）分压电路用得极为广泛。分压电路控制的自动灯光启闭系统2) 桥式电路阻抗Z1，Z2，当测量发生变

8、化时，Z1变化，此时用控制器控制Z2变化，使输出为零，可以实现电脑自动测量。3) 信号放大电路(3) 高输入阻抗放大器 虚短，虚断，”虚地”为保证共模抑制比，要配出（U2-U1）的因子项)(1 (/12424211UURRURRRRfoff(4) 高共模抑制比放大器 0)(,121321iifofUURRURRRR1123231)1 (ififoURRURRRRRU当只有共模信号，共模抑制比无穷大 211111023232)2() 1 (UURUURUUURRRUifi2U1U半波调幅全波调幅v包络检波信号处理电路信号处理电路 滤波器滤波器 v功能与类型功能与类型v一阶有源滤波器一阶有源滤波器

9、v二阶有源滤波器二阶有源滤波器1、 滤波器的功能：对频率进行选择滤波器的功能：对频率进行选择, ,过滤掉过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。噪声和干扰信号，保留下有用信号。 滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。 滤波器的用途滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。频率成分的干扰。 滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电

10、路。 滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。 2 2、类型：、类型： 按处理信号形式处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器 按电路组成电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器 按电路性质电路性质分：有源滤波器、无源滤波器 按传递函数的微分方程阶数微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶 由无源元件R、C、L等构成的滤波器称为无源滤波器 。它是利用电容和

11、电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。 无源元件（一般用R和C）及有源器件（如工作在线性区的集成运放）构成的滤波器称为有源滤波器。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽（由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件（如集成运算放大器）的带

12、宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。 无源滤波器种类很多，适用工作频率不同。有：无源滤波器种类很多，适用工作频率不同。有：vRCRC滤波器滤波器 （低频）（低频）vLCLC滤波器滤波器 （高频）（高频）v 将无源将无源RCRC滤波元件与运算放大器结合，组滤波元件与运算放大器结合，组成有源滤波器，主要用于低频信号处理。成有源滤波器，主要用于低频信号处理。 低通滤波器（低通滤波器（LPF）：）：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器（高通滤波器（HPF）：）

13、：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。或直流分量。 带通滤波器（带通滤波器（BPF）：）：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器（带阻滤波器（BEF）：）：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。外的信号通过。 按功能功能分： |A|0C通带通带阻带阻带A0|A|0CA0阻带阻带|A|0C1A0阻阻阻阻C2通通|A|0C1A0阻阻C2通通通通 各种各种滤波器理想的幅频特性：滤波器理想的幅频特性：（

14、1）低通）低通（2）高通）高通（1）带通）带通（1）带阻）带阻通带通带滤波器的串滤波器的串/ /并联并联 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。理想滤波器若滤波器的频率响应H(f)满足条件则称为理想滤波器。 0020ftjeAfHcff 其它f00f(f) fH0Acfcf02 tcfcf脉冲响应函数在频域为矩形窗函数的“理想”低通滤波器的时域脉冲响应函数是sinc函数。如无相角滞后，即 ，则h(t)具有对称的图形。00t tftfAfthccc

15、22sin2f0 fHcf0AcfA02cf21cf21cf1cf1cf理想滤波器是不能实现的。 因为h(t)是滤波器在(t)作用下的输出，其图形却表明，在输入(t)到来之前，即t0, 滤波器就有了与输入相对应的输出。显然，这违背了因果关系，任何现实的滤波器不可能有这种预知未来的能力，所以理想低通滤波器是不可能存在的。可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。无源滤波器无源滤波器1、纹波幅度d 2、截止频率 幅频特性值 等于 所对应的频率。3、带宽B和品质因数Q值上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽。中心频率 和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。0/2dA0/2A0fA(f)f

16、ff0c1c2.dd0A02A实际滤波器主要参数4 4 倍频程选择性倍频程选择性W W 指在上截止频率指在上截止频率fcfc2 2与与2fc2fc2 2之间幅频特性的衰之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。 倍频程衰减量以倍频程衰减量以dB/octdB/oct表示（表示（Octave，倍频程）。，倍频程）。衰减越快（即衰减越快（即W W值越大），滤波器的选择性越好。值越大），滤波器的选择性越好。信号滤波器信号滤波器 典型应用：典型应用：钢管无损探伤钢管无损探伤滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警1

17、. 一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器(无源无源)一一. 低通有源滤波器低通有源滤波器CjRCjuuAiO 11 RCj 11H11 j 传递函数：传递函数：RC1H截止频率：截止频率：幅频特性：幅频特性：2)(11HA+-i+uRC+uo-此电路的缺点：此电路的缺点：1、带负载能力差。、带负载能力差。2、无放大作用。、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。、特性不理想，边沿不陡。幅频特性：幅频特性：2)(11HA+-i+uRC+uo-0.707 H截止频率截止频率0 1|A| 一.电路图电路的传递函数频率特性 二. 画出电路的幅频特性 三. 根据定义求出主要参数有源滤波电路的分析方法: 2.一

18、阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器uu+A+i+uuRf1RRCoi)11(ujuH uRRuf)1(1oi1o)11)(1(ujRRuHf )11)(1 (1HfjRR)1(OHjAiOuuA传递函数：传递函数：1fo1RRA通带增益：通带增益：截止频率：截止频率：)1(RCHRC1H幅频特性及幅频特性曲线幅频特性及幅频特性曲线uu+A+i+uuRf1RRCo传递函数：传递函数：iOuuA)11)(1 (1HfjRR幅频特性：幅频特性：21)(11)1 (HfRRA缺点：阻带衰减慢。缺点：阻带衰减慢。 H0.707 1+Rf/R10 1+Rf/R1|A|3.二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波

19、器uu+A+miouRfRRCCR1u+uuAuRRufO1o)1 (CjuuRuuRuuommmi1muCjRCju112OO)()j-(31CRCRAA2H2HO)j()(1QARC1HO31AQiOuuA传递函数：传递函数： 当当 Ao3时，滤波器可时，滤波器可以稳定工作以稳定工作 。 此时特性与此时特性与Q有关。当有关。当Q=0.707时，幅时，幅频特性较平坦。频特性较平坦。 当当ffL时，幅频特性时，幅频特性曲线的斜率曲线的斜率 为为-40dB/dec。 当当Ao3时，源滤波器自激。时，源滤波器自激。幅频特性及幅频特性曲线幅频特性及幅频特性曲线O31AQ 222o)()(1 QAAH

20、H uAuRRufO1o)1 ()11)(1 (1LfjRR)1(OLjAiOuuA传递函数：传递函数：1fo1RRA通带增益：通带增益：截止频率：截止频率：)1(RCL二二. . 高通有源滤波器高通有源滤波器1.一阶有源高通滤波器一阶有源高通滤波器uuo1+ui+f+ARRuRCii)111()1(uRCjuCjRRuRC1L幅频特性：幅频特性：21)(11)1 (LfRRA缺点：阻带衰减太慢。缺点：阻带衰减太慢。幅频特性及幅频特性曲线幅频特性及幅频特性曲线iOuuA传递函数：传递函数：)11)(1 (1LfjRRuuo1+ui+f+ARRuRC0 1+Rf/R10.707(1+Rf/R1)

21、 L|A|2. 二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器由此绘出频率响应特性曲线由此绘出频率响应特性曲线 (2)(2)通带增益通带增益1fO+1=RRAuuu+RfRiRmuCA+oR1+uC2L22L)(1-)(1QA （1 1）幅频特性：）幅频特性：RC1L其中：其中：O31AQ当当AO3时，电路自激。时，电路自激。幅频特性曲线幅频特性曲线 当当 Ao3时，滤波器可时，滤波器可以稳定工作。此时特性与以稳定工作。此时特性与Q有关。当有关。当Q=0.707时，幅频时，幅频特性较平坦。特性较平坦。 当当f fL时，幅频特时，幅频特性曲线的斜率性曲线的斜率+40dB/dec。 可由低通和可由低通和高通串联得到高通串联得到1111CR A0A2A1A0阻阻带带通通带带阻阻带带通通带带OO 1 2 AA0O 2 1通通带带阻阻带带阻阻带带低通截止频率低通截止频率2221CR 高通截止频率高通截止频率必须满足必须满足12 三三. 有源带