第三章测量模块

1、第三章 测量模块 第一节 机械量传感器分类 被测对象传感器信号调理传输信号处理显示记录控制系统第二节 性能指标： 工作特性 1.性能：量程、阈值、分辨率、灵敏度 2.质量：可靠性、漂移 3.环境影响：环境温度、环境压力等 静态特性 精度、误差、重复性、可复现性、线性度 动态特性 1.时域指标：上升时间、峰值时间、最大超调量、调整时间、延迟时间、振荡次数 2.频域指标：谐振角频率、谐振频率、复现频率、闭环截止频率性能要求与改善措施性能要求：1.量程足够、灵敏度高2.精度适当、线性度好3.响应时间短，通频带宽4.稳定性好，具有一定的过载能力5.经济实用，成本低，寿命长l 改善措施：1.差动技术2.

2、平均技术3.稳定性处理4.屏蔽、隔离，抑制电磁干扰5.闭环技术第三节 位移传感器 包括线位移传感器和角位移传感器 如：电位计、电涡流传感器、电容传感器、差动变压器、感应同步器、光栅等。第三节 位移传感器 旋转变压器 是一种输出电压随转子转角变化的角位移测量装置。辐值与转子转角的余弦或正弦成正比：cosuejUUKsinuejUUK第三节 位移传感器 感应同步器 在两个相对放置的板上刻有如图所示的绕组，当在滑尺的两个绕组中分别加上激在两个相对放置的板上刻有如图所示的绕组，当在滑尺的两个绕组中分别加上激励电压时，则在定尺绕组中就产生感应电势，其幅值决定于绕组的相对位置。励电压时，则在定尺绕组中就产

3、生感应电势，其幅值决定于绕组的相对位置。第三节 位移传感器 光电编码器 将机械转动的模拟量转换成旋转角度的数字电信号，进行角位移检测的传感器称为编码器。编码器的种类很多，根据检测原理，它可以分为电磁式、电刷式、电磁感应式及光电式等。由于光电编码器具有非接触和体积小的特点，且分辨率很高，在旋转一周内已能产生数百万个脉冲，因此，它是目前应用最为广泛的一种编码器。光电编码器在数控机床、机器人的位置控制、机床进给系统的控制以及角度的测量、通讯及自动化控制等方面部发挥着重要的作用。第三节 位移传感器 光栅 透射光栅和反射光栅两种，用于大量程线位移或360度内角位移的测量。 光栅是一种新型的位移检测元件，

4、它的持点是测量精确高、响应速度快和量程范围大等。把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜 一 个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条绞。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列，如图3-18所示。 主光栅和被测物体相连，他随被测物体的直线位移而产生位移。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生上、下位移，若用光电器件记录下莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的位移，也就测得了被测物体的位移量。第四节 速度传感器一、直流测速机 直流测速机是一种测速元件，实际上它就是台微型的直流发电机。直流测速机的持点是输出斜率大、线性好，但由于有电刷相换向器，构造

5、和维护比较复杂，摩擦转矩较大。 测速机的结构有多种，但原理基本相同。图所示为永磁式测速机原理电路图。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与转子速度成正比的直流电势。 直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为提高检测灵敏度、尽量把它连接到电机轴上，有的电机本身就已安装了测速机。 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)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件及指示缝隙盘组成，如图3-25所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。 当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同

6、，因此圆盘每转一周，光电器件输出与指示缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，可测出转速为 n=60N/ZtZ一一圆盘 上的缝隙数；n转速(rmin)；t测量时间(s)。第五节 加速度传感器 力学模型：F=ma 微加速度传感器：电容式、压阻式、压电式。第五节 加速度传感器 压阻式微机械加速度计 压阻效应：当对半导体的某一晶向施加压力时，其电阻率就会发生一定的变化，这种现象称为压阻效应。第五节 加速度传感器 加速度计的敏感质量与压电晶体相连，当输入加速度时，加速度通过敏感质量形成的惯性力加在压电晶体上，由于压力作用产生的电荷，通过电荷放大电路输出与输入加速度的成比例电压。 压电式加速度计

7、对于低频乃至静态的加速度信号敏感性很差第六节 力、转矩和压力传感器 由弹性敏感元件把力、转矩、压力等被测参数变换成相应的位移或应变（每单位长度产生的位移），然后，再配合各种形式的转换元件转换成电信号输出。 弹性敏感元件直接起测量作用，要求其弹性变形范围大，灵敏度高以及测量频带宽。 电阻应变式、压电式、电容式电阻应变式 应变片力传感器的测量范围很大，可以从5N10MN以上，且能获得很高的测量精度，其精度等级位于0.03%2%之间。 应变片力传感器由弹性变形体元件和应变片构成。 电阻应变效应：金属电阻丝随机械变形（伸长或缩短）其电阻值发生变化，这种现象称为电阻应变效应。压阻式 压阻式力传感器是利用

8、半导体的压阻效应工作的。 固态压阻式传感器的工作原理是在半导体材料的基片上扩散电阻制成的，基片直接作为测量传感器元件。 特点是体积小，机械滞后小，灵敏度高，测量范围大，易制成智能化传感器，但有较大的非线性误差和温度误差，需采取温度补偿措施。压电式 压电式传感器的工作原理是以压电元件的压电效应为基础。 压电效应：某些晶体（例如石英晶体、压电陶瓷）沿一定方向受外力作用而变形时，在其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，当外力丢掉后，又恢复到不带电的状态，这种物理现象称为压电效应。 压电传感器的线性度好，频响范围宽，重复性良好。 压电力传感器较易敏感侧向负载。 压电效应是可逆的。电容式 电容式传感器

9、是将被测力的变化转换为电容量变化的一种传感器。第七节 霍尔式电流传感器 霍尔效应：当金属或半导体薄片置于磁场中，有电流流过时，在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。第七节 霍尔式电流传感器 霍尔式电流传感器是一个把电流转换成电压的传感器，电流环路对于电流的检测要求很高，一是要求转换后的电压与主回路是隔离的，以便把强电回路与弱电回路分开；二是要求把电枢的电流线性地转化成电压信号。第七节 霍尔式电流传感器 主要检测方式 1.霍尔元件直接检测电流：适用于大电流测量 2.霍尔检零式测量电流：适用于直流小电流的测量第八节 信号调理电路 传感器的信号处理典型测量系统的组成直流电源

10、直流电源测量系统测量系统信号调理信号调理电路电路现场现场物理量物理量传感器传感器可用可用信号信号显示装置显示装置信号发生器信号发生器示波器示波器控制装置控制装置模拟传感器的输出信号测量并显示信号为系统各部分供电第八节 信号调理电路 信号调理的目的：隔离、阻抗变换、噪声抑制、放大及变换等。 信号调理专用集成电路：ASIC芯片传感器的输出信号往往很微弱，且波形不适当，不传感器的输出信号往往很微弱，且波形不适当，不能直接用于工业系统的状态显示和控制。能直接用于工业系统的状态显示和控制。信号调理电路就是对传感器的输出信号施行一定预信号调理电路就是对传感器的输出信号施行一定预处理的装置处理的装置。如：电

11、压放大、电流电压转换、整形、频率电如：电压放大、电流电压转换、整形、频率电 压转换等，使信号适于显示或控制的要求，而压转换等，使信号适于显示或控制的要求，而 这些电路通常要用到集成运算放大器。这些电路通常要用到集成运算放大器。运算放大器运算放大器 运算放大器是信号调理电路的常用器件，掌握运算放大器的特性及其工作方式，对于掌握信号调理电路的工作原理非常重要。 运算放大器是一个集成电路芯片，将其连接成不同的工作方式，便可实现多种数学运算故称为运算放大器，简称运放。放大电路 放大电路的核心部件为运算放大器 运算放大器的主要参数： 输入失调电压 增益带宽积GWB 转换速率 开环增益 输入输出阻抗 共模

12、抑制比 等等输入失调电压输入失调电压 一个理想的运放，当两输入端加上相同的直流电压和两输入端短路时，其输出端的直流电压应等于零。但由于电路参数的不对称性，输出电压并不为零，这就叫运放的零点偏移或失调。 为了使输出端输出直流电压为零，须在放大器两输入端间加上一个电压来补偿这种失调。所加电压的大小就叫该运放的失调电压，用VOS表示。显然VOS越小，说明运放电路参数的对称性越好。增益带宽积增益带宽积 增益：用分贝表示的放大倍数20lgAu 通频带:衰减小于3dB的频带宽度。 放大电路的中频段电压放大倍数与通频带的乘积，简称“增益带宽积”，当放大电路及其晶体管确定之后是一个常数。 要想提高电路的电压放

13、大倍数，必然导致通频带变窄；而要想展宽放大电路的通频带，又要以牺牲放大倍数为代价。这个问题在设计放大电路时必须全面考虑，兼顾这两个指标。转换速率转换速率 运放在大幅度阶跃信号作用下，输出信号所能达到的最大变化率称为转换速率或摆动率，即运放工作在大信号时，其输出电压所能达到的最大变化速率。用SR表示，其单位为V/s。 输入阻抗 输入阻抗是从放大电路输入端看进去的等效电阻。 运放的开环输入阻抗Ri是指运放在开环状态下，输入差模信号时，两输入端之间的等效阻抗。输出阻抗 放大电路对其负载而言，相当于信号源，可以将它等效为戴维南电路，这个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻。 放大电路输出电阻RO的大小决定

14、它带负载的能力。对输出为电压信号的放大电路，即电压放大，RO越小，负载电阻RL的变化对输出电压VO的影响越小。共模抑制比 集成运放是一个双端输入、单端输出的高增益直接耦合放大器。因此，它对共模信号有很强的抑制能力。电路参数越对称，共模负反馈越强，则其共模抑制能力越强。运放的共模特性是通过共模抑制比和共模电压范围来描述的。 将运放的差模电压放大倍数AVD 与共模电压放大倍数AVC之比称为共模抑制比，用KCMR表示，dBAAKVCVDCMRlg20OP07LM324实物外形E+E-实物实物外形外形运算放大器运算放大器电路符号电路符号 运算放大器运算放大器 管脚起始脚管脚起始脚朝左朝左管脚序号逆时针

15、方向增长！管脚序号逆时针方向增长！理理想想运运放放的的特特点点A很大，很大，1000倍以上倍以上ri很大，兆欧以上很大，兆欧以上ro很小，可以忽略很小，可以忽略o()iVAVAV VAri 故：故：ro021ovvvA0iv “虚通虚通”0iI “虚断虚断”运算法则：运算法则：1、UU0iI 0or 输出是电源电压范围内的任意值。输出是电源电压范围内的任意值。故放大倍数与负载无关。故放大倍数与负载无关。 2、3、4、高增益高增益高输入电阻高输入电阻低输出电阻低输出电阻A：放大倍数Va=0 a点常称“虚地”点。R2：反馈电阻。闭环放大：接入R2开环放大：不接R2，放大倍 数无穷大。+10V-10

16、VV i V o Vai 1 a i2iaV3i3k101R310kRk1002R-+120ii120iOvvRR则21oiRvvR R3是平衡电阻，保证静态时两输入端的电阻相等。 312/RRR根据节点电流法得：反相比例放大器思考题：1、万用表量程转换所用分压器，用运放如何实现。 2、试画出反相比例放大器的传输特性曲线ui_uo曲线-+10V-10VVoVii1k101Rk103Rk1002Ri2112oiu RuuRR同相比例放大器同相比例放大器+0ii121oiRRuuR运算放大器的工作曲线（传输特性曲线）iuuu电压跟随器特点：特点： 输入阻抗无穷大输入阻抗无穷大(虚断虚断)； 输出阻

17、抗为零；输出阻抗为零；应用：应用：1、提高带载能力、提高带载能力 2、在电路中隔离前后两级电路。、在电路中隔离前后两级电路。 uo= ui差动放大器差动放大器（减法器）（减法器）方法1：120ii120bouuuuRR434aRuuuRR令：13RR24RR2121()()obaabRRuuuuuRR 解得解得 ：VibR1+_ViaVoR4R3R2差动放大器差动放大器（减法器）（减法器）电路分析电路分析212141134oaiaRRRRRvvvRRRR令 21obibRvvR 13RR24RR2142213411()ooaobiaibiaibRRRRRvvvvvvvRRRRR方法2：_+ +

18、 R2R1R1ui2uoR2ui1 uu112RuuRuuio212RuRuui)(1212iiouuRRu解出：解出：单运放的加减运算电路的特例：差动放大器单运放的加减运算电路的特例：差动放大器方法方法3：运算放大器总结单端输入方式一端接输入信号，而另一端接地（或通过电阻接地）同相输入反相输入差动输入方式（双端输入）输入信号uib和uia同时加在同相端和反相端工作方式iaibiuuu运算放大器总结 开环方式l输出端与输入端之间除地线外没有连接。l信息单方向流动。 反馈方式(闭环方式)l有信号从输出端经过某种电路回到输入端，构成反馈回路l信息非单方向流动。工作方式一 前置放大器1.电压跟随器

19、特点：输出电压等于输入电压，但输入输出阻抗大不相同。 作用：与传感器连接，可以进行阻抗变换，降低对传感器的负载效应，提高传感器的变换效率。一 前置放大器2. 电荷放大器 电荷放大器是反相端输入、同相端接地、电容反馈的运算放大器。 特点：利用运算放大器求和点为虚地电位，使得输入端的分布电容上没有积累电荷，从而不起作用。 作用：将压电传感器的电荷量、或电容传感器的微小电容变化量转换为电压输出。一 前置放大器3.仪表放大器 本质上是一种差动放大器。 特点：高输入阻抗、高共模抑制比、平衡的差动输入、增益由用户选择的外部电阻决定。1 1、滤波电路的功能、滤波电路的功能 使指定频段的信号顺利通过，其它频率

20、的信号被衰减。使指定频段的信号顺利通过，其它频率的信号被衰减。2 2、滤波电路的种类、滤波电路的种类低通滤波器（低通滤波器（LPF）通带放大倍数通带放大倍数通带截止频率通带截止频率下降速率下降速率理想幅频特性理想幅频特性无过渡带无过渡带滤波电路滤波电路高通滤波器（高通滤波器（HPF）带通滤波器（带通滤波器（BPF）带阻滤波器（带阻滤波器（BEF）全通滤波器（全通滤波器（APF）理理想想滤滤波波器器的的幅幅频频特特性性阻容耦合阻容耦合通信电路通信电路抗已知频率的干扰抗已知频率的干扰f-转换转换二、低通滤波器1 1、同相输入、同相输入 对于对于LPF，频率趋于，频率趋于0时的放大倍数即为通带放大倍

21、数。求解传递函数时，时的放大倍数即为通带放大倍数。求解传递函数时，只需将放大倍数中的只需将放大倍数中的 j用用 s 取代即可。取代即可。1fp1RRAusRCRRsCRsCRRSUSUsAu11)1 ( 11)1 ()()()(1f1fio一阶一阶LPF经拉氏变换得传递函数经拉氏变换得传递函数RCf21pppj1ffAAuu频率趋于频率趋于0时的放大时的放大倍数为通带放大倍数倍数为通带放大倍数决定于决定于RC环节环节表明进入高频段的下表明进入高频段的下降速率为降速率为20dB/十十倍频倍频（1 1）一阶电路）一阶电路1 1、同相输入、同相输入（1 1）一阶电路：幅频特性）一阶电路：幅频特性)2

22、1( j1 1ppp1fpRCfffAARRAuuusRCRRSUSUsAu11)1 ( )()()(1fio 为了使过渡带变窄，需采用多阶滤波为了使过渡带变窄，需采用多阶滤波器，即增加器，即增加RC环节。在环节。在Au(s)表达式分表达式分母中母中s的方次就是滤波器的阶数。的方次就是滤波器的阶数。2、反相输入低通滤波器、反相输入低通滤波器。，即uuAfCsRsA 0 1)(112pRRAuHf积分运算电路的传递函数为积分运算电路的传递函数为加加R2后，后， f0，C断开，通带放大倍数，断开，通带放大倍数，CsRRRsAu21211)(CRffffRRAu20p01221j11三、其它类型滤波

23、电路1 1、高通滤波器（、高通滤波器（HPF） 与与LPF有对偶性，将有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可得一阶的电阻和电容互换，就可得一阶HPF、简单二阶、简单二阶HPF、压控电压源二阶、压控电压源二阶HPF电路。电路。2 2、带通滤波器（、带通滤波器（BPFBPF）3 3、带阻滤波器（、带阻滤波器（BEFBEF）fHfLfHfL第九节 数据采集系统 一般来说，机械运动变量都是连续时间变化模拟量，这些模拟的被测变量都必须经过采样、量化以及编码，变成二进制数字后才能送入计算机。 采样频率必须高于信号最高频率的二倍以上，采样信号才能不失真地复原；同时，量化误差必须小于容许误差，即接口电路和计

24、算机字长必须足够。第九节 数据采集系统由传感器经过信号调理以后，所得到的信号形式可以分为三类： 1.数字量。 数据传送：无条件传送、查询方式、中断 方式 2.计数脉冲量。 （1）先将脉冲量送入计数器形成数字量，再经过I/O并行送入计算机 （2）通过可编程定时/计数器8253直接将脉冲量送入计算机 3.模拟量。 模拟量信号需要经过模/数转换器（ADC）转换为数字信号后，才能被计算机接收。转换原理分：逐次逼近法、双积分法。 数据线连接的三种方式：通过并行I/O口或者锁存器连接，以及直接连接。 CPU检查判断ADC是否转换结束，有三种方式：中断方式、查询方式以及软件延时方式第九节 数据采集系统 数据采集系统主要部分：1. 信号调理。多路转换器、可调增益放大器、抗混叠滤波器。2. 采样/保持。采样/保持器。3. 模数转换。A/D转换器（ADC），V/F(电压/频率转换)或者I/F(电流/频率转换)4. 数模转换。D/A转换器。5. 其它。例如：定时/计数器、总线接口电路等。第九节 数据采集系统 多路开关（MUX） 在实际数据处理系统或实际控