机电一体化第四章

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

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、选用及其微机接口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

检测与传感器概述线位移检测传感器角位移检测传感器速度、加速度传感器测力传感器传感器的正确选择和使用检测信号的采集与处理概述一、定义及分类：1、定义：传感器是将力、温度、位移、速度等量转换成电信号的元件。“传感器技术是机电一体化的第一基础”2、分类按能量变换的功能分：按输出的信号分：物理传感器化学传感器

计数型（二次型+计数型）

电压，电流型（热电偶,Cds电池）电感，电容型（可变电容）有接点型(微动开关，接触开关，行程开关)

传感器

电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型二值型电量无接点型(光电开关，接近开关)模拟型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）二、传感器的基本特性1.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：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。(1).线性度传感器的线性度是指传感器实际输出—输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即二、传感器的基本特性(2).灵敏度传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出量的变化量与输入量的变化量之比，即(3).迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出——输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示

二、传感器的基本特性(4).重复性传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出—输入曲线的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即近似计算精确计算二、传感器的基本特性5.分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。6.零漂传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。2.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。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、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、临界频率等。

二、传感器的基本特性1.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，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，并以此研制出具有新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，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。三、传感器的发展方向2.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、温度补偿等电路集成一体具有多种功能——实现了横向和纵向的多功能。三、传感器的发展方向3.传感器的智能化“电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器的智能化。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，就成为智能传感器。三、传感器的发展方向线位移检测传感器一、光栅位移传感器二、感应同步器三、磁栅位移传感器一、光栅位移传感器1、光栅的构造：2、工作原理一、光栅位移传感器

把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。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。光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B

2.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3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。

一、光栅位移传感器

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，如图所示。

一、光栅位移传感器其电压为：

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。测量分辨率等于栅距。一、光栅位移传感器1.感应同步器结构二、感应同步器sincos节距2τ（2mm）节距τ（0.5mm）绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)滑尺定尺

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T(一般为2mm)的方齿形线圈。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1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.05~0.2mm）。二、感应同步器2.感应同步器的工作原理在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为2~10kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f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。设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为二、感应同步器余弦绕组单独供电所产生的感应电势为

二、感应同步器由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为式中：K——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（电角度）T——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2mm。利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行位置检测。二、感应同步器3.测量方法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鉴相式和鉴幅式两种工作法。二、感应同步器(1)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幅值，但相位相差90o的两个电压，设二、感应同步器则

从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移x：

二、感应同步器2.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相同相位，但幅值不等的两个交流电压：则：

由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。1.磁栅式位移传感器的结构

三、磁栅位移传感器1—磁性膜2—基体3—磁尺4—磁头5—铁芯6—励磁绕组7—拾磁绕组2.原理：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时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：三、磁栅位移传感器U0——输出电压系数；

——磁尺上磁化信号的节距；

χ——磁头相对磁尺的位移；

ω——励磁电压的角频率。

式中：

在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向3.测量方式(1)鉴幅测量方式如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为π/2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，但分辨率受到录磁节距λ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。三、磁栅位移传感器2.鉴相测量方式将一组磁头的励磁信号移相90°，则得到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、磁栅位移传感器则合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置χ变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。

角位移检测传感器一、旋转变压器二、光电编码器1.结构如图所示旋转变压器一般做成两极电机的形式。在定子上有激磁绕组和辅助绕组，它们的轴线相互成90°。在转子上有两个输出绕组——正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成90°，一般将其中一个绕组（如Z1、Z2）短接。一、旋转变压器2.原理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（频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等几种）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，或在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转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，适用于小角位移的相对测量。一、旋转变压器3.测量方式当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为90°的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势U3，根据线性叠加原理，U3值为激磁电压U1和U2的感应电势之和，即一、旋转变压器式中:k=w1/w2——旋转变压器的变压比

w1、w2——转子、定子绕组的匝数

线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，不同的是线性旋转变压器采用了特定的变压比k和接线方式，如右图。这样使得在一定转角范围内（一般为±60°），其输出电压和转子转角θ成线性关系。此时输出电压为一、旋转变压器1.增量式编码器结构二、光电编码器2.增量式编码器工作原理鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。工作时，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，光电变换器输出电压为最小；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，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90°。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。

二、光电编码器3.绝对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。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，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码

二、光电编码器

黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360°范围内可编数码数为24=16个。二、光电编码器

工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接受装置，每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。

二、光电编码器4.绝对式编码器非单值性误差的消除(1).循环码盘(或称格雷码盘)右图所示为四位二进制循环码。这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数。

二、光电编码器(2).带判位光电装置的二进制循环码盘该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有当信号位处的光电元件有信号时才读数，这样就不会产生非单值性误差。

二、光电编码器速度、加速度传感器一、直流测速发电机二、光电式速度传感器三、差动变压器式速度传感器四、加速度传感器

测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。图2—17所示为永磁式测速发电机原理电路图。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正比的直流电势。

一、直流测速发电机

直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速发电机。

光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度V通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间的时间间隔△t，则可测得速度为二、光电式速度传感器

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，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测得转速为二、光电式速度传感器

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

当差动变压器以被测速度V=dx/dt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

差动变压器漂移小，其主要性能为：测量范围10~2000mm/s（可调），输出电压±10V（max），输出电流±10mA（max），频带宽度≥500Hz。三、差动变压器式速度传感器

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。最常用的有应变片式和压电式等。

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用。这一系统的固有频率可以做得很低。四、加速度传感器

压电加速度传感器结构原理如右图所示。使用时，传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性力，使压电元件产生变形。压电元件产生四、加速度传感器的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。

下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，使两固定极相对质量块产生位移，使电容C1、C2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。四、加速度传感器（一）柱式弹性元件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，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉(压)力传感器。测力传感器2.悬臂梁式弹性元件其特点是结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高。主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感器中。可测量0.01牛顿到几千牛顿的拉、压力。在同一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴的对称表面上。测力传感器若梁的自由端有一被测力P，则应变与P力的关系为：传感器的正确选择和使用一、传感器的选择二、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。

2.传感器特性。精度、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（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。一、传感器的选择1.线性化处理与补偿在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行显示时，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度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。2.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期进行校正，检查精度性能是否满足原设计指标。二、传感器的正确使用3.抗干扰措施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号的系统中。常采用的抗干扰措施有屏蔽、接地、隔离和滤波等。二、传感器的正确使用（1）屏蔽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。（2）接地电路或传感器中的地指的是一个等电位点，它是电路或传感器的基准电位点，与基准电位点相连接，就是接地。

二、传感器的正确使用（3）隔离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。（4）滤波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，因此检测电路中还常设置滤波电路，对由外界干扰引入的噪声信号加以滤除。二、传感器的正确使用检测信号的采集与处理一、检测系统的组成二、模拟量的转换输入三、数字信号的预处理1.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；一、检测系统的组成

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；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/数转换后，由数字计算机来实现；计算机对信号进行进一步处理后，可获得相应的信号去控制执行机构，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输出。一、检测系统的组成2.数字信号检测系统数字信号检测系统有绝对码数字式和增量码数字式。当传感器输出的编码与被测量一一对应，称为绝对码。绝对码检测系统如右图所示，每一一、检测系统的组成经光电转换和放大整形后，得到与被测量相对应的编码。纠错电路纠正由于各个码道刻划误差而可能造成的粗大误差。采用循环码（格雷码）传感器时则先转换为二进制码，再译码输出。码道的状态由相应光电元件读出，

当传感器输出增量码信号，即信号变化的周期数与被测量成正比，其增量码数字信号检测系统的典型组成如右图所示。一、检测系统的组成

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，常采用细分电路使传感器信号每变化1/n个周期计一个数，其中n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，或求取控制量去控制执行机构。1.模拟量的转换输入方式(4种)二、模拟量的转换输入2.多路模拟开关多路模拟开关又称为多路转换开关，简称多路开关，其作用是分别或依次把各路检测信号与A/D转换器接通，以节省A/D转换器件。

二、模拟量的转换输入右图表示一个8通道的模拟开关的结构图，它由模拟开关S0~S7及开关控制与驱动电路组成。8个模拟开关的接通与断开，通过用二进制代码寻址来指定，从而选择特定的通道。

上图是AD7501型多路模拟开关集成芯片的管脚功能图，这是具有8路输入通道、1路公共输出的多路开关CMOS集成芯片。由三个地址线（A0、A1、A2）的状态及EN端来选择8个通道之中的一路，片上所有的逻辑输入端与TTL/DTL及CMOS电路兼容。其真值表如下:A2A1A0EN“ON”0001100112010130111410015101161101711118×××0无二、模拟量的转换输入3.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，实质上它是一个模拟开关，每隔时间间隔T闭合一次，每次闭合持续时间τ，其中，T称为采样周期，其倒数fs=1/T称为采样频率，τ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A/D转换器将其转换成数字量。二、模拟量的转换输入A/D转换过程需要一定时间，为防止产生误差，要求在此期间内保持采样信号不变。实现这一功能的电路称采样/保持电路。

二、模拟量的转换输入典型的采样/保持电路由模拟开关、保持电容和运算放大器组成，如右图所示。

运算放大器N1和N2接成跟随器，作缓冲器用。当控制信号Uc为高电平时场效应管VF导通，对输入信号采样。输入信号ui通过N1和VF向电容C充电，并通过N2输出uo。由于N1的输出阻抗很小，N2的输出阻抗很大，因而在VF导通期间uo=ui。当Uc为低电平时，VF截止，电容C将采样器间的信号电平保持下来，并经N2缓冲后输出。二、模拟量的转换输入

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。数字信号预处理一般用软件的方法来实现。1.数字滤波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：①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套数字滤波程序，从而降低了仪器的硬件成本。②可以对频率很低或很高的信号实现滤波。③可以根据信号的不同而采用不同的滤波方法或滤波参数，灵活、方便、功能强。

三、数字信号的预处理(1).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n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。程序算法就是通用的排序算法。采样次数n一般取为大于3的奇数。

(2).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n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良好的滤波效果。采样次数n越大，滤波效果越好，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(3).滑动平均滤波该方法采用循环队列作为采样数据存储器，队列长度固定为n，每进行一次新的采样，把采样数据放入队尾，扔掉原来队首的一个数据。这样，在队列中始终有n个最新的数据。对这n个最新数据求取平均值，作为此次采样的有效值。这种方法每采样一次，便可得到一个有效采样值，因而速度快，实时性好，对周期性干扰具有良好的抑制作用

三、数字信号的预处理(4).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来模拟硬件低通滤波的功能。一阶RC低通滤波器的微分方程为

三、数字信号的预处理

式中:τ=RC是电路的时间常数。用X替代ui，Y替代uo，将微分方程转换成差分方程，并整理得:式中——采样周期；X（n）——本次采样值；Y（n）和Y（n－1）——本次和上次的滤波器输出值。取，则式（2－47）可改写成三、数字信号的预处理

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功能，其截止频率为

数字低通滤波程序流程图如下:三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理2.静态误差补偿(1).非线性补偿下图为传感器的非线性校正系统。当传感器及其调理电路至A/D转换器的输入—输出有非线性，如下图所示，可按下图所示的反非线性特性进行转换，进行非线性的校正，使输出y与输入x呈理想直线关系，如下图所示。三、数字信号的预处理

软件校正非线性的方法很多，概括起来有计算法、查表法、插值法和拟合法等，下面介绍曲线拟合法。这种方法是采用n次多项式来逼近非线性曲线。该多项式方程的各个系数由最小二乘法确定。其具体步骤如下：

a.对传感器及其调理电路进行静态标定，得校准曲线。标定点的数据为输入xi：x1，x2，x3，…，xN输出ui：u1，u2，u3，…，uNN为标定点个数，i=1，2，…，N三、数字信号的预处理b.设反非线性特性拟合方程为式中：a0，a1，a2，a3，…，an为待定常数

c.求解待定常数a0，a1，a2，a3，…，an。根据最小二乘法来确定待定常数的基本思想是，由上式确定的各个xi（ui）值与各个点的标定值xi之均方差应最小，即：三、数字信号的预处理

所以对该函数求导并令它为0，即令从这n+1个方程中可解出，a0，a1，…an

等n+1个系数，就可写出反非线性特性拟合方程式。有了反非线性特性曲线的n次多项式近似表达式，就可利用该表达式编写非线性校正程序。

三、数字信号的预处理(2).零位误差补偿检测系统的零位误差是由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称数字调零，其原理如下图所示。

三、数字信号的预处理

多路模拟开关可在微型机控制下将任一路被测信号接通，并经测量及放大电路和A/D转换器后，将信号采入微型机。在测量时，先将多路开关接通某一被测信号，然后将其切换到零信号输入端，由微型机先后对被测量和零信号进行采样，设采样值分别为x和a0，其中a0即为零位误差，由微型机执行下列运算：y=x－a0，就可得到经过零位误差补偿后的采样值y。三、数字信号的预处理(3).增益误差补偿增益误差同样是由温度漂移和时间漂移等引起的。增益误差补偿又称校准。校准时，在微型机控制下先把多路开关接地如图所示，得到采样值a0，然后把多路开关接基准输入UR，得到采样值xR，并寄存a0和xR。在正式测量时，如测得对应输入信号Ui的采样值为xi，则输入信号可按下式计算：

采用上述校准方法可使测得的输入信号Ui与检测系统的漂移和增益变化无关，因而实现了增益误差的补偿。

三、数字信号的预处理

红外辐射检测一、红外辐射

红外辐射又称红外光，任何物体的温度只要高于绝对零度（即-273.16℃）就处于“热状态”。处于热状态的物质分子和原子不断振动、旋转并发生电子跃迁，从而产生电磁波。这些电磁波的波长处于可见光的红光之外，因此称为“红外线”。物体与周围温度失去平衡时，就会发射或吸收红外线，这便是常说的热辐射，即红外辐射。红外线在电磁波谱中位于可见光与微波之间，波长为0.76～1000μm。电磁波谱

物体的温度与辐射功率的关系由斯芯藩—玻尔茨曼（Stefan-Boltzmann）定律给出，即物体辐射强度W与其热力学温度的四次方成正比：

W—单位面积辐射功率，Wm-2；

σ—斯芯藩—玻尔茨曼常数，5.67×10-8W·m-2·K-4；

T—热力学温度，K；

ε—比辐射率（非黑体辐射度/黑体辐射度）。黑体：在任何温度下能全部吸收任何波长的辐射的物体，ε=1。灰体：一般物体的ε<1，即它不能全部吸收投射到它表面的辐射功率，发射热辐射的能力也小于黑体。(4.130)普朗克定律：Wλ—波长为λ的黑体光谱辐射通量密度，Wm-2·μm-1；

C1—第一辐射系数，C1=374.15MWμm4/m2；

C2—第二辐射系数，C2=14388μmK；

T—热力学温度，K；

λ—波长，μm。图4.107光谱辐射通量密度对波长的分布

(4.131)维恩（Wien）位移定律：

曲线最高点（辐射通量密度最大值），所对应的波长λmax与物体自身的绝对温度T成正比，即

(4.132)二、红外探测器红外探测器：能将红外辐射量转化为电量的装置。分类：热敏探测器；光敏探测器。热敏探测器利用半导体薄膜材料在受到红外辐射时产生的热效应。响应时间较长，约在10-3s的量级。对辐射的各种波长基本上有相同的响应，其光谱响应曲线平坦，在整个测量波长范围内灵敏度基本不变，且能在常温下工作。光电探测器是一种半导体器件，它的核心是光敏元件。当光子投射到光敏元件上时，促使电子—空穴对分离，产生电信号。光电效应产生很快，光电探测器对红外辐射的响应时间要比热敏探测器的响应时间快得多，可达毫微秒。其对波长的响应率有个峰值λp，超过λp时响应曲线迅速截止。其原因是，在大于一定波长的范围内，光子储量不足于激发电子的释出，电活性消失。光电探测器必须在低温下才能工作。红外探测器光谱响应曲线对红外探测器性能的要求：灵敏度高；在工作波长范围内有较高的探测率；时间常数小。三、红外检测应用辐射温度计辐射温度计工作原理

运用斯忒藩——玻尔茨曼定律可进行辐射温度测量。被测物通常为ε<1的灰体，若以黑体辐射作为基准来定标，则当知道了被测物的ε值后，则可根据式（4.130）以及ε的定义来求出被测物的温度。假定灰体辐射的总能量全部为黑体所吸收，则它们的总能量相等，即

ε—被测物的比辐射率；

ε0——黑体的比辐射率，ε0=1；

T——被测物温度；

T0——黑体温度；

σ——斯忒藩—玻尔茨曼常数。 由此可得(4.133)红外测温 辐射温度计一般用于800℃以上的高温测量，此外所讲的红外测温则是指低温及红外光范围的测温。

红外测温装置原理图红外热成像红外光是人的肉眼所不能看到的，因此不能采用普通照相机原理来摄取红外图象。红外热成像（Infraredthermalimaging）技术：将红外辐射转换成可见光进行显示的技术。分类：主动式；被动式。主动式红外热成像：采用一红外辐射源照射被测物，然后接收被物体反射的红外辐射图象。

主动式红外成象原理1——红外光源；2——摄象机；3——监视器被动式红外热成像：利用物体自身的红外辐射来摄取物体的热辐射图像，这种成像我们一般称为热像（thermalimage），获取热象的装置称热像仪。

红外热像仪光学系统结构1.

被测对象2.扫描镜3.透镜4.反射镜5.红外探测器6.杜瓦瓶7.测温元件8.参考黑体9.调制器10.凹面反射镜红外热像仪的应用：不同环境条件下的温度检测。

车床轴承面的等温度场分布图

超音速风调热像仪检测1.喷嘴2.模型3.热像仪4.塑料窗热像技术广泛用于无损缺陷的探查。在电力工业中，热像仪被用来检查电力设备尤其是开关、电缆线等的温升现象，从而可及时发现故障进行报警。在石油、化工、冶金工业生产中，热像仪也被用来进行安全监控。用于公安和消防，对火灾现场的建筑物，采用热象仪可以探知建筑物中被烧毁的情况以及人员的情况。用作海岸线监视，以监视各类过往船只，尤其是用作夜间监视，确保海岸线的安全。热像仪用于临床医学诊断。图4.115医用红外热象仪获取的病例（脂肪瘤）热图

固态图象传感器固态图象传感器：一种固态集成元件，其核心部分是电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，简称CCD）。CCD：以阵列形式排列在衬底材料上的金属——氧化物——硅（MetalOxideSemiconductor，简称MOS）电容器件组成的，具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。固态图象传感器的分类：线阵型：目前一般有1024、1728、2048和4096个象素的传感器；面阵型：从512×512一直到512×768个象素的，最高分辨力的可达2048×2048个象素的。

固态图象传感器工作原理(a)MOS光敏单元(b)1024单元阵列(c)线阵式摄像机固态图象传感器的应用：用CCD线阵型摄象机作流水线零件尺寸在线检测。CCD线阵摄象机作二维零件尺寸在线检测采用摄像机利用三角法测量物体位置。三角法原理测量物体位移及轮廓激光检测技术的应用

激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，配以相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。下面介绍几种应用实例。激光测距

激光测距的基本原理是：将光速为C的激光射向被测目标，测量它返回的时间，由此求得激光器与被测目标间的距离d。d＝c

t

/

2

式中t—激光发出与接收到返回信号之间的时间间隔。

可见这种激光测距的精度取决于测时精度。由于它利用的是脉冲激光束，为了提高精度，要求激光脉冲宽度窄，光接收器响应速度快。所以，远距离测量常用输出功率较大的固体激光器与二氧化碳激光器作为激光源；近距离测量则用砷化镓半导体激光器作为激光源。

激光测长

从光学原理可知，单色光的最大可测长度L与光源波长λ和谱线宽度Δλ的关系用普通单色光源测量，最大可测长度78cm。若被测对象超过78cm，就须分段测量，这将降低测量精度。若用氦氖激光器作光源，则最大可测长度可达几十公里。通常测长范围不超过10m，其测量精度可保证在0.1μm以内.

激光测速激光测速仪是采用激光测距的原理。激光测距（即电磁波，其速度为30万公里/秒），是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。激光测速是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，取得在该一时段内被测物体的移动距离，从而得到该被测物体的移动速度。激光测速具有以下几个特点：

1、由于该激光光束基本为射线，估测速距离相对于雷达测速有效距离远，可测1000M外；

2、测速精度高，误差<1公里；

3、鉴于激光测速的原理，激光光束必须要瞄准垂直与激光光束的平面反射点，又由于被测车辆距离太远、且处于移动状态，或者车体平面不大，而导致执勤警员的工作强度很大、很易疲劳。目前美国激光技术公司已经生产出带连续自动测速功能的激光测速仪，专门用于解决这一问题。

4、鉴于激光测速的原理，激光测速器不可能具备在运动中使用，只能在静止状态下应用；所以一般交警都把仪器放在巡逻车上，停车静止使用。

5、目前大部分国家所采用的激光测速仪使用的是一类安全激光，对人眼睛安全。

6、激光测速仪的取证能力远远大于雷达测速仪，因而受到全世界广泛的认可和推广，例如美国、加拿大、英国、德国、澳洲、瑞典、瑞士、荷兰、中国广东、台湾、香港、澳门等等。

7、激光测速仪的耗电量比较低，两节五号电池可以连续使用20小时。

超声波是耳朵不能听见的高频弹性波，其传播媒介有气体、液体、固体。超声波在测试技术上的应用实例有鱼群探测器、超声波探伤仪、超声波厚度仪、流速流量测定、距离测定和物理检测。在机器人领域，超声波被用于测定机器人和被测物体间的距离。图示为在空气介质中的测量方法。其原理是，将超声波向对象物发射，通过测出从发射到对象物而又反射回来的往返时间实现测距。超声波的发射与接收利用压电效应的超声波三极管进行。发射和接收亦可由一个超声波三极管来实现。压电效应的超声波三极管具有一个共鸣特性：它能同时增加信号比上噪声的比率和增益。超声波传感器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／输出是通过硬件电路和软件共同完成的。对其硬件电路的要求是：①能够可靠地传递控制信息，并能够输入有关运动机构的状态信息；②能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入／输出信息的转换要求，如D/A、A/D转换，并行数字量转换成串行电脉冲、电平的转换与匹配，电量与非电量之间的转换，弱电与强电的转换以及功率的匹配等；③应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。1.光电隔离电路为了防止强电干扰以及其他干扰信号通过I/O控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成，如下图所示.一、光电隔离电路设计

控制输出时，从上图a可知，微机输出的控制信号经74LS04非门反相后，加到光电耦合器G的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。这时光敏晶体管截止，输出信号几乎等于加在光敏晶体管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏晶体管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。同样的道理，可将光电耦合器用于信息的输入，如上图b所示。当然，光电耦合器还有其他连接方式，以实现不同要求的电平或极性转换。光电隔离电路的作用主要有以下几个方面：

（1）可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电。这样信息通过光电转换，单向传递，又由于光