机电一体化第四章检测系统

第四章检测系统设计第四章检测系统设计第一节概述一、机电一体化技术的检测系统功用：用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量（如压力、温度、距离、变形、位置、功率等）及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈给控制装置或送去显示。

第四章检测系统设计第一节概述一、检测系统的组成

第四章检测系统设计第一节概述一、检测系统的组成

第四章检测系统设计第一节概述一、检测系统的组成

第四章检测系统设计第一节概述一、检测系统的组成

第四章检测系统设计第一节概述二、机电一体化对检测系统的基本要求精度、灵敏度高和分辨率高线性、稳定性和重复性好抗干扰能力强静、动态特性好体积小、重量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好第四章检测系统设计第四章检测系统设计第四章检测系统设计第一节概述三、检测系统设计的主要任务根据使用要求合理选用传感器设计或选用相应的信号检测与处理电路分析和调试检测(网络)系统理论分析计算与实验测试相结合第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测第四章检测系统设计第四章检测系统设计常用传感器位移、位置传感器速度、加速度传感器力、压力和扭矩传感器温度、湿度、气敏传感器物位传感器流量传感器视觉、触觉传感器第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测常用传感器工作原理简介应变式（改变电阻变化率）电容式（变极距、变面积、变介质或介电常数）第四章检测系统设计常用传感器工作原理简介电感式：变磁阻式（空气导磁率气隙厚度）第二节模拟式传感器信号的检测第四章检测系统设计常用传感器工作原理简介电感式：差动变压器式（改变互感）第二节模拟式传感器信号的检测第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测常用传感器工作原理简介压电式（材料压电系数）磁电式（变磁通、恒磁通）：第四章检测系统设计常用传感器工作原理简介应变式（改变电阻）：电感式：变磁阻式（空气导磁率气隙厚度）差动变压器式（改变互感）电容式（变极距、变面积、变介质）：（介电常数）压电式（压电材料的压电效应）：（材料压电系数）磁电式（变磁通、恒磁通）：光电式：在光线作用下，物体导电性能改变（如电阻）称内光电效应，能使电子逸出物体表面（如光电管）称外光电效应，能使物体产生一定方向的电动式（光敏晶体管）称光生伏特效应。还有半导体（气湿色敏）、超声波（反射折射）第二节模拟式传感器信号的检测将被测物理量经敏感元件转换成电阻R,电容C,电感L等电参数的变化，最终转换成电荷、电压、电流等电量形式。第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测二、基本转换电路分压电路

Z0为标准阻抗第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测二、基本转换电路分压电路串联谐振式分压电路第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测二、基本转换电路分压电路

并联谐振式分压电路第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测二、基本转换电路分压电路光电分压电路第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测二、基本转换电路差动电路：主要用于差动式传感器信号转换平衡时，Z1=Z2=Z0变化量为⊿ZZ1=Z0+⊿Z，Z2=Z0-⊿Z第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测二、基本转换电路差动电路：主要用于差动式传感器信号转换双极性输入第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测二、基本转换电路差动电路：主要用于差动式传感器信号转换桥式差动电路第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测二、基本转换电路差动电路：主要用于差动式传感器信号转换采用变压器配成桥式差动电路第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测二、基本转换电路非差动电路：主要用于非差动式传感器信号转换Z=ZR=Z0第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测二、基本转换电路非差动电路：主要用于非差动式传感器信号转换阻容相位电桥第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测二、基本转换电路非差动电路：主要用于非差动式传感器信号转换

阻感相位电桥第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测鉴相器，使输出电压与两个输入信号之间的相位差有确定关系的电路。表示其间关系的函数称为鉴相特性。常见的鉴相特性有余弦型、锯齿型与三角型等。鉴相器可以分为模拟鉴相器和数字鉴相器两种。二极管平衡鉴相器是一种模拟鉴相器。两个输入的正弦信号的和与差分别加于检波二极管，检波后的电位差即为鉴相器的输出电压。其鉴相特性通常为余弦型的。

第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测二、基本转换电路调频电路：将L或C参数转换成振荡器输出信号的频率

电容式传感器的调频电路鉴频器，使输出电压和输入信号频率相对应的电路。第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测二、基本转换电路脉冲宽度电路：将R或C参数转换成输出信号U0的脉冲宽度变化U0的脉宽随电容C或电阻R的变化而变化即：B=kRC

k是与UR/Ui有关的常数。第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测三、信号放大电路用于将传感器或经基本转换电路输出的微弱信号不失真地加以放大。第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测三、信号放大电路减小噪声和提高稳定性的方法随机噪声（热噪声、散粒噪声、低频噪声等）是无法消除的，只能加以抑制：压缩带宽噪声阻抗匹配选用低噪放大器减小线电容产生的干扰第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测三、信号放大电路减小噪声和提高稳定性的方法放大器在电路参数发生变化时能够稳定工作：采用高稳定度的无源元件或直流负反馈稳定静态工作点，防止发生失真。采用集成运放和深度负反馈稳定放大倍数采用电容和电阻进行相位补偿，消除自激振荡妥善接地与屏蔽，减少干扰采取散热或匀热措施，较少热飘移第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测三、信号放大电路高输入阻抗放大器：使传感器与基本转换电路相匹配需要高的输入阻抗，一般采用同相输入放大器第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测三、信号放大电路高共模抑制比放大器：采用差动放大器抑制共模干扰任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。A=m+n,B=m-n,A-B=2n共模抑制比无穷大第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测三、信号放大电路参量放大器：直接将电参量接入放大器，使电参量的变化引起输出电压的变化（转换电路与放大电路合而为一）★★第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测三、信号放大电路线性化放大器：修正传感器的非线性，使整个检测系统的输出和输入之间具有良好的线性（也可用软件进行修正）。第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测三、信号放大电路线性化放大器：修正传感器的非线性，使整个检测系统的输出和输入之间具有良好的线性（也可用软件进行修正）。第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测三、信号放大电路放大器的增益切换：满足测量范围要求，保证线性度和灵敏度第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测四、信号调制与解调电路把缓慢变化的低频信号叠加到高频信号，提高抗干扰的能力，以便于放大和远距离传输；某些传感器的变换原理所采用的就是调制技术，要获得测量信号必须进行解调。

信号调制方法有幅值调制、相位调制、频率调制和脉宽调制等。第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测四、信号调制与解调电路幅值调制----包络检波、相敏检波

相乘调制、相加调制半波调制、全波调制二极管、晶体管、运算放大器半波整流+电容低通滤波器场效应管开关控制+电容低通滤波器第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测四、信号调制与解调电路相位调制—鉴相异或门鉴相、RS触发器鉴相、脉冲采样鉴相和相敏检波器鉴相等

第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测四、信号调制与解调电路频率调制----鉴频微分鉴频、斜率鉴频、相位鉴频等第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测五、滤波器滤波器的功用—选频滤除在信号放大和传输过程中引入的噪声和干扰。滤除在信号调制过程中的载波等无用信号。将不同频率的有用信号分开。对系统频率特性进行补偿。

第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测五、滤波器滤波器分类和基本参数分类：数字式、模拟式无源滤波器、有源滤波器低通、高通、带通、带阻滤波器一阶、二阶、高阶滤波器基本参数：截止频率、带宽、品质因数、倍频程选择性第四章检测系统设计第二节模拟式传感器信号的检测六、运算电路线性加、减运算电路积分与微分运算电路参量控制式乘法运算电路峰值运算电路第四章检测系统设计第三节数字式传感器信号的检测一、数字信号检测系统的组成第四章检测系统设计第三节数字式传感器信号的检测二、常见数字式传感器光栅尺第四章检测系统设计第三节数字式传感器信号的检测二、常见数字式传感器磁栅尺、球栅尺感应同步器、光电编码器第四章检测系统设计第三节数字式传感器信号的检测二、常见数字式传感器激光干涉仪激光跟踪仪第四章检测系统设计第四节检测信号的采集和预处理一、模拟量的转换输入方式第四章检测系统设计第四节检测信号的采集和预处理二、模拟多路开关：分别把各路检测信号与A/D转换器件相连译码器：采用较少的控制信号选择通道三、信号采样与保持信号采样：把时间连续变化的信号变成一连串不连续的脉冲时间序列采样周期：两次采样的时间间隔T

采样频率：采样周期的倒数叫采样频率fs=1/T

香侬采样定理：为了保证采样过程中不丢失原来信号中的信息，采样频率fs>=2fmax，常取fs>=（5~10）fmax信号保持：A/D转换需要一定的时间，为防止误差在A/D转换期间内需保持采样信号不变。有些A/D转换器件本身有采样保持器，缓慢变化信号不需要第四章检测系统设计第四节检测信号的采集和预处理四、数字信号的预处理任务：检测信号被采入计算机后，需经过预处理才能交给应用程序使用。预处理的主要任务是去除混杂在有用信号中的各种干扰信号。对于随机性干扰信号可采用数字滤波的方法削弱或消除。Honeywell

HMR3000

第四章检测系统设计第四节检测信号的采集和预处理四、数字信号的预处理数字滤波器的优点（相对于模拟滤波器）中值滤波：对n（一般为奇数）次连续采样值进行排序，取序列中位值为有效值。适用于缓慢变化的信号算术平均滤波：取n次连续采样值的算术平均值为有效采样值。适应于具有周期性脉动特点的缓慢变化的信号滑动平均滤波：对算术平均滤波的改进，速度快，是实时性好第四章检测系统设计第四节检测信号的采集和预处理采用双次自适应kalman滤波算法对安装在四足机器人上的数字罗盘俯仰角数据进行处理，消除了周期性波动和噪声，获得了平