机电一体化第四章

1、第四章第四章 微机控制系统的选择及接口设计第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡第二节 微机控制系统的设计思路第三节 微机控制系统的构成与种类 第四节 微机控制系统的软件与程序设计语言 第五节 微机应用领域及其选用要点第六节 8086/8088CPU的硬件结构特点 第七节 Z80CPU的硬件结构特点、存储器及输入输出扩展接口 第八节 单片机的硬件结构特点及其最小应用系统 第九节 数字显示器及键盘的接口电路 第十节 微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计 第十一节 可编程逻辑控制器(PLC)的构成及应用举例 第十二节 常用检测传感器的性能特点、选用及其微

2、机接口常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口习题与思考题习题与思考题常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口 检测传感器的分类和基本要求 各类传感器的主要性能及优缺点 传感器的选用原则及注意事项 传感器的测量电路 传感器的微机接口 检测与传感器检测与传感器 概述概述 线位移检测传感器线位移检测传感器 角位移检测传感器角位移检测传感器 速度、加速度传感器速度、加速度传感器 测力传感器测力传感器 传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用 检测信号的采集与处理检测信号的采集与处理概述概述 一、定义及分类：一、定义及分类： 1、定义：传感器是将力、温度、位移、速度等、定义：传感器是将力、温度

3、、位移、速度等量转换成电信号的元件。量转换成电信号的元件。“传感器技术是机电一传感器技术是机电一体化的第一基础体化的第一基础” 2、分类、分类 按能量变换的功能分：按能量变换的功能分： 按输出的信号分：按输出的信号分：二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性 1. 传感器的静特性传感器的静特性 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：静态特性的主要技术指标有：线性度线性度、灵敏度灵敏度、迟滞迟滞和和重复性重复性等。等。 (1).线性度线性度 传感

4、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特输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即之比，即100%maxFSyL二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性 xyS0%100FSmyHH二、二、传感器的基本特性传感器的基本特性100%FSmRyR 1322nyyyiFSR二、二、传感器的基本特性传感器的基本特性 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。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输

5、入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以入的响应特性。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。间、频率响应范围、临界频率等。 二、二、传感器的基本特性传感器的基本特性 1. 新型传感器的开发新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，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、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

6、具有新开发新材料、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，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。主的过程。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向 2. 传感器的集成化和多功能化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

7、功能的多个敏感元件排列成线性、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电路集成一体具有多种功能实现了横向和纵实现了横向和纵向的多功能。向的多功能。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向 3. 传感器的智能化传感器的智能化 “电五官电五官”与与“电脑电脑”的相结合，就是传感器的相结合，就是传感器的智能化。智能化传感器不

8、仅具有信号检测、转的智能化。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，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。就成为智能传感器。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向线位移检测传感器线位移检测传感器 一、一、光栅位移传感器光栅位移传感器 二、感应同步器二、感应同步器 三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器32411.标尺光栅 2.指示光栅

9、3.光电元件 4.光源 2、工作原理、工作原理一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器ddffddBffddW/2WddW/2指示光栅标尺光栅 莫尔条纹具有如下特点：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移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动，莫尔条纹就移动过一个条过一个条纹间距纹间距B 2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距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。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。 一、光栅位移传感器一、光栅

10、位移传感器WWB2sin2 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强通过光电元件，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，如图的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。所示。 一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器U0UW/2oUm2W3W/2WxWxUUUm2sin0 将此电压信号放大、整形变换为方波，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。测位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。量分辨率等于栅

11、距。一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器 1.感应同步器结构感应同步器结构二、感应同步器二、感应同步器4l 包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为一般为2mm)的方的方齿形线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两齿形线圈。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尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，节距。滑尺和定尺相对平行

12、安装，其间保持一定间隙（其间保持一定间隙（0.050.2mm）。）。二、感应同步器二、感应同步器 2.感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理 在滑尺的绕组中，施加频率为在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为（一般为210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。尺的相对位置有关。 设正弦绕组供电电压为设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压，余弦绕组供电电压为为Uc，移动距离为，移动距离为x，节距为，节距为T，则正弦绕组单独，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感

13、应电势为供电时，在定尺上感应电势为二、感应同步器二、感应同步器cos360cos2ssKUTxKUUo 余弦绕组单独供电所产生的感应电势为余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 二、感应同步器二、感应同步器sin360sin2ccKUTxKUUosincos222csKUKUUUU 式中式中 ： K定尺与滑尺之间的耦合系数；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（电角定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）度） T节距，表示直线感应同步器的周期，标准节距，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利用感

14、应电压的变化可以求得位移X，从而进行，从而进行位置检测。位置检测。二、感应同步器二、感应同步器TxTx2360)(o 3. 测量方法测量方法 根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出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电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相式鉴相式和和鉴幅式鉴幅式两种工作法。两种工作法。二、感应同步器二、感应同步器 (1)鉴相式工作法鉴相式工作法 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，但相位相差幅值，但相位相差90o的两个电压，设的两个电压，设二、感应同步器二、感应同步器tms

15、UUsintUUmccos222UUU)sin(sincoscossintKUtKUtKUmmmTxo360二、感应同步器二、感应同步器 2.鉴幅工作法鉴幅工作法 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：相同相位，但幅值不等的两个交流电压：tmUUssinsintmUUcsincostKUUUUmsin)sin(222 1.磁栅式位移传感器的结构磁栅式位移传感器的结构 三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器输 出 信 号励 磁 电 源654SS3NNSSS7NN1SNN200abx 2.原理：原理： 在用软磁材料制成的铁

16、芯上绕有两个绕组，一个为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，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励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：压为：三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器txUUsin2sin0 3.测量方式测量方式 (1)鉴幅测量方式鉴幅测量方式 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掉后则得到相位差为/2的两组信号的两组信号 两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发

17、出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。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，但分辨率受到录这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距磁节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较的限制，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。复杂的信频电路，所以不常采用。 三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器xUU2sin01xUU2cos02 2.鉴相测量方式鉴相测量方式 将一组磁头的励磁信号移相将一组磁头的励磁信号移相90，则得到输出电，则得到输出电压为压为 在求和电路中相加，则得到磁头总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

18、栅位移传感器三、磁栅位移传感器txUUcos2sin01txUUsin2cos02txUU2sin0 角位移检测传感器角位移检测传感器 一、旋转变压器一、旋转变压器 二、光电编码器二、光电编码器 1. 结构如图所示结构如图所示 旋转变压器一般做旋转变压器一般做 成两极电机的形式。成两极电机的形式。 在定子上有激磁绕组在定子上有激磁绕组 和辅助绕组，它们的和辅助绕组，它们的 轴线相互成轴线相互成90。在。在 转子上有两个输出绕组转子上有两个输出绕组 正弦输出绕组和余弦输出绕组，正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成这两个绕组的轴线也互成90，一般，一般将其中一个绕组（如将其中一个绕组

19、（如Z1、Z2）短接。）短接。一、旋转变压器一、旋转变压器Z12ZDD21UD13U24DZ3U3Z4 2. 原理原理 旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机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（频率相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率通常为通常为400Hz、500Hz、1000Hz及及5000Hz等几等几种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电种）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。前一种旋转一定转角范围内与转角成正比关系。前一种

20、旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移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。于小角位移的相对测量。一、旋转变压器一、旋转变压器 3. 测量方式测量方式 当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为差为90的交变激磁电压时，便可在转子绕组中的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势得到感应电势U3，根据线性叠加原理，根据线性叠加原理，U3值为激值为激磁电压磁电压U1和和U2的感应电势之和，即的感应电势之和，即一、旋转变压器一、旋转变

21、压器tUUmsin1tUUmcos2)cos()90sin(sin213tkUkUkUUmo 线性旋转变压器实际上线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，也是正余弦旋转变压器，不同的是线性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采用了特定的变压比k和和接线方式，如右图。这样接线方式，如右图。这样使得在一定转角范围内使得在一定转角范围内（一般为（一般为60），其输），其输出电压和转子转角出电压和转子转角成线成线性关系。此时输出电压为性关系。此时输出电压为一、旋转变压器一、旋转变压器cos1sin13kkUU3DZ2U11DZ43D24DU3Z1Z 1.增量式增量式编码器结构编码器结构

22、二、光电编码器二、光电编码器 2.增量式编码器工作原理增量式编码器工作原理 鉴向盘与主码盘平行，并刻有鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检两组透明检测窄缝，它们彼此错开测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使节距，以使A、B两个两个光电变换器的输出信号在相位上相差光电变换器的输出信号在相位上相差90。工作。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，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

23、电压为最时，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，且光电变换换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器器A、B的输出电压相位差为的输出电压相位差为90。经逻辑电路处。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。理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。 二、光电编码器二、光电编码器 3.绝对式编码器原理绝对

24、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。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

25、套编码制黑白等间隔图案，形成一套编码 二、光电编码器二、光电编码器 黑色不透光区和白黑色不透光区和白色透光区分别代表二色透光区分别代表二进制的进制的“0”和和“1”。在一个四位光电码盘在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进每一个码道表示二进制的一位，里侧是高制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在位，外侧是低位，在360范围内可编数码范围内可编数码数为数为24=16个。个。二、光电编码器二、光电编码器1100001101010110011101001010100110001011111100010010000011101101 工作时，码盘的一工作时，码盘的一

26、侧放置电源，另一边侧放置电源，另一边放置光电接受装置，放置光电接受装置，每个码道都对应有一每个码道都对应有一个光电管及放大、整个光电管及放大、整形电路。码盘转到不形电路。码盘转到不同位置，光电元件接同位置，光电元件接受光信号，并转成相受光信号，并转成相应的电信号，经放大应的电信号，经放大整形后，成为相应数整形后，成为相应数码电信号。码电信号。 二、光电编码器二、光电编码器11000011010101100111010010101001100010111111000100100000111011014.绝对式编码器非单值性误差的消绝对式编码器非单值性误差的消除除(1).循环码盘循环码盘(或称格雷

27、码盘或称格雷码盘)右图所示为四位二右图所示为四位二进制循环码。这种进制循环码。这种编码的特点是任意编码的特点是任意相邻的两个代码间相邻的两个代码间只有一位代码有变只有一位代码有变化，即化，即“0”变为变为“1”或或“1”变为变为“0”。因。因此，在两数变换过此，在两数变换过程中，所产生的读程中，所产生的读数误差最多不超过数误差最多不超过“1”，只可能读成，只可能读成相邻两个数中的一个数。相邻两个数中的一个数。 10010111111101000101110011011110101010110001011000100010001100001000二、光电编码器二、光电编码器 (2).带判位光电装

28、置的带判位光电装置的二进制循环码盘二进制循环码盘 该码盘最外圈上的该码盘最外圈上的信号位的位置正好与信号位的位置正好与状态交线错开，只有状态交线错开，只有当信号位处的光电元当信号位处的光电元件有信号时才读数，件有信号时才读数，这样就不会产生非单这样就不会产生非单值性误差。值性误差。 二、光电编码器二、光电编码器0100110111111110101011001010011101100010001110111000100100000001速度、加速度传感器速度、加速度传感器 一、直流测速发电机一、直流测速发电机 二、光电式速度传感器二、光电式速度传感器 三、差动变压器式速度传感器三、差动变压器式

29、速度传感器 四、加速度传感器四、加速度传感器 测速发电机的结构有多种，测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。图但原理基本相同。图217所示为永磁式测速发电机原所示为永磁式测速发电机原理电路图。恒定磁通由定子理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转的电势，经换向器和电刷转换成正比的直流电势。换成正比的直流电势。 MI0RLV0一、直流测速发电机一、直流测速发电机 光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度V通通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，过光

30、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的时间间隔t，则可测得速度为，则可测得速度为二、光电式速度传感器二、光电式速度传感器x00ett光电池挡板V速度测量0e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

31、盘随被测轴转动时，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，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间根据测量时间t内的脉冲数内的脉冲数N，则可测得转速为，则可测得转速为二、光电式速度传感器二、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tZNn60 差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速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三、

32、差动变压器式速度传感器tItimsin)(0I交流电源直流电源加法器跟随器跟随器i(t)xdxdt减法器低通滤波器放大器U 当差动变压器以被测速度当差动变压器以被测速度V=dx/dt移动时，在其副移动时，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）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（可调），输出电压10V（max），），

33、输出电流输出电流10mA（max），频带宽度），频带宽度500Hz。三、差动变压器式速度传感器三、差动变压器式速度传感器vkIUv02 作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，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。式和压电式等。 四、加速度传感器四、加速度传感器 电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重电阻

34、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。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 )0Z ( t )1充 以 阻 尼 液 体 的 壳 体四、加速度传感器四、加速度传感器

35、 压电加速度传感压电加速度传感器结构原理如右图器结构原理如右图所示。使用时，传所示。使用时，传感器固定在被测物感器固定在被测物体上，感受该物体体上，感受该物体的振动，惯性质量的振动，惯性质量块产生惯性力，使块产生惯性力，使压电元件产生变形。压电元件产生变形。压电元件产生压电元件产生四、加速度传感器四、加速度传感器引出线3质量块1 壳体压电晶片m4 2 下图为一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该传感器采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

36、可动极板。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，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，使电容使两固定极相对质量块产生位移，使电容C1、C2中一个增中一个增大，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。速度值。四、加速度传感器四、加速度传感器3241C12C （一）柱式弹性元件（一）柱式弹性元件 柱式弹性元件有圆柱形、

37、圆筒形等几种。如下图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）的拉用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉(压压)力传感器。力传感器。测力传感器测力传感器a)PPb)P1R4R2R4R1R2RR3R3Pc)RR1R3A1RD R3R42B4R2CR2. 悬臂梁式弹性元件悬臂梁式弹性元件其特点是结构简单、加工其特点是结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高。主要用于灵敏度较高。主要用于小载荷、高精度的拉、小载荷、高精度的拉、压力传感器中。可测量压

38、力传感器中。可测量0.01牛顿到几千牛顿的牛顿到几千牛顿的拉、压力。在同拉、压力。在同测力传感器测力传感器1RR2R4(R )(R )R1 3bR43lhAR1PD3RR2CBEbhPL26传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用 一、传感器的选择一、传感器的选择 二、传感器的正确使用二、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。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、输传感器特性。精度

39、、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。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（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。容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。一、传感器的选择一、传感器的选择 1.线性化处理与补偿线性化处理与补偿 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量进行显示时，

40、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度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。分析处理。 2.传感器的标定传感器的标定 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，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

41、期进行校正，检查精度性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。能是否满足原设计指标。 二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用 3.抗干扰措施抗干扰措施 传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往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号的系统中。常采用的抗干扰措施有屏蔽屏蔽、接地接地、隔离隔

42、离和和滤波滤波等。等。二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用（1）屏蔽）屏蔽 屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传输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。蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽。（2）接地）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。接，就是接地。 二、

43、传感器的正确使用二、传感器的正确使用（3）隔离）隔离 当电路信号在两端接地时，容易形成地环路电流，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。压器隔离和光电耦合器隔离。（4）滤波）滤波 虽然采取了上述的一些抗干扰措施，但仍会有一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还常设置滤

44、波电路，对由外界干扰引入的噪声信号加以滤除。号加以滤除。 二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用检测信号的采集与处理检测信号的采集与处理一、检测系统的组成一、检测系统的组成二、模拟量的转换输入二、模拟量的转换输入三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理 1. 模拟信号检测系统模拟信号检测系统 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；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；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；解调器用于将已调制信号恢复成原有形

45、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 滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表被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；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需的物理量，其功能也可在对信号进行模/数转换数转换后，由数字计算机来实现；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信

46、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测系统中，计算机则将有关信息送去显示或打印输出。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 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

47、传感器纠错电路码制变换显示执行机构译码器 当传感器输出增量当传感器输出增量码信号，即信号变化码信号，即信号变化的周期数与被测量成的周期数与被测量成正比，其增量码数字正比，其增量码数字信号检测系统的典型信号检测系统的典型组成如右图所示。组成如右图所示。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，需先经放大、整形后变成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

48、化路使传感器信号每变化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。辨向电路用于辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的被测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。 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

49、/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多路模拟开关又称为多多路模拟开关又称为多路转换开关，简称多路转换开关，简称多路开关，其作用是分路开关，其作用是分别或依次把各路检测别或依次把各路检测信号与信号与A/D转换器接通，转换器接通，以节省以节省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7862431S0S4S6S7S5S1S2S3

50、A/D转换器. AD7501A2译 码 驱 动电 平 转 换 电 路(-15V)(+15V)OUTS1地VSSVDDS2321GNDVSS15A1A016ENVDDS114ENA1A2A08765411S8S7OUT1213S2S6S510S3S49 上图是上图是AD7501型多路模拟开关集成芯片的管脚功型多路模拟开关集成芯片的管脚功能图，这是具有能图，这是具有8路输入通道、路输入通道、1路公共输出的多路开关路公共输出的多路开关CMOS集成芯片。由三个地址线（集成芯片。由三个地址线（A0、A1、A2）的）的状态及状态及EN端来选择端来选择8个通道之中的一路，片上所有的逻个通道之中的一路，片上所

51、有的逻辑输入端与辑输入端与TTL/DTL及及CMOS电路兼容。其真值表如电路兼容。其真值表如下下:A2A1A0EN“ON”00011001120101301114100151011611017111180无无二、模拟量的转换输入二、模拟量的转换输入 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。信号采样是通过采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，每隔时间间隔是一个模拟开关，每隔时间间隔T闭合一次

52、，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，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，因而还需要用但在函数轴上仍是连续的，因而还需要用A/D转转换器将其转换成数字量。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

53、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采样称采样/保持电路。保持电路。 二、模拟量的转换输入二、模拟量的转换输入VFUcuiN1CN20u 运算放大器运算放大器N1和和N2接成跟随器，作缓冲器用。接成跟随器，作缓冲器用。当控制信号当控制信号Uc为高电平时场效应管为高电平时场效应管VF导通，对输导通，对输入信号采样。输入信号入信号采样。输入信号ui通过通过N1和和VF向电容向电容C充电，充电，并通过并通过N2输出输出uo。由于。由于N1的输出阻抗很小，的输出阻抗很小，N2的的输出阻抗很大，因而在输出阻抗很大，因而在VF导通期间导通

54、期间uo = ui。当。当Uc为低电平时，为低电平时，VF截止，电容截止，电容C将采样器间的信号电将采样器间的信号电平保持下来，并经平保持下来，并经N2缓冲后输出。缓冲后输出。二、模拟量的转换输入二、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，其目的是去除混杂在有用信号中适当的预处理，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

55、现。一般用软件的方法来实现。1. 数字滤波数字滤波 数字滤波实质上是一种程序滤波，与模拟滤波相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：比具有如下优点：不需要额外的硬件设备，不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。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。可以对频率很低或很高的信号实现滤波。可可以根据信号的不同而采用不同的滤波方法或滤波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。参数，灵活、方便、功能强。 三

56、、数字信号的预处理三、数字信号的预处理(1).中值滤波中值滤波 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，引起的脉冲干扰具有良好的滤除效果。其原理是，对信号连续进行对信号连续进行n次采样，然后对采样值排序，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。采样次数通用的排序算法。采样次数n一般取为大于一般取为大于3的奇的奇数。数。 (2).算术平均滤波算术平均滤波 算术平均滤波方法的原理是，对信号连续进行算术平均滤波方法的原理是，对信

57、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。采样次数良好的滤波效果。采样次数n越大，滤波效果越越大，滤波效果越好，但灵敏度也越低，为便于运算处理，常取好，但灵敏度也越低，为便于运算处理，常取n = 4、8、16。三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理(3).滑动平均滤波滑动平均滤波 该方法采用循环队列作为采该方法采用循环队列作为采样数据存储器，队列长度固样数据存储器，队列长度固定为定为n，每进行一次新的采样，每进行一次新的采样，把采样数据放入

58、队尾，扔掉把采样数据放入队尾，扔掉原来队首的一个数据。这样，原来队首的一个数据。这样，在队列中始终有在队列中始终有n个最新的数个最新的数据。对这据。对这n个最新数据求取平个最新数据求取平均值，作为此次采样的有效均值，作为此次采样的有效值。这种方法每采样一次，值。这种方法每采样一次，便可得到一个有效采样值，便可得到一个有效采样值，因而速度快，实时性好，对因而速度快，实时性好，对周期性干扰具有良好的抑制周期性干扰具有良好的抑制作用作用 三、数字信号的预处理三、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).低通滤波低通滤波 当被测信号缓慢变化时

59、，可采用数字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。来模拟硬件低通滤波的功能。 一阶一阶RC低通滤波器的微分方程为低通滤波器的微分方程为 三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理o00ooiudtduudtduRCuiRu 式中式中: = RC是电路的时间常数。用是电路的时间常数。用X替代替代ui，Y替代替代uo，将微分方程转换成差分方程，并整理，将微分方程转换成差分方程，并整理得得: 式中式中 采样周期；采样周期；X（n）本次采样值；本次采样值；Y（n）和）和Y（n1）本次和

60、上次的滤波器输本次和上次的滤波器输出值。取出值。取 ，则式（，则式（247）可改写成）可改写成三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理) 1()()(nYtnXttnYt) 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，其截止频率为功能，其截止频率为 数字低通滤波程