机电一体化技术-检测系统

机电一体化技术--检测系统第一页，共六十二页，2022年，8月28日第一节检测系统的功能及特性一、基本功能及分类1、功能对系统运行中所需的自身及外界环境参数与状态进行检测，并将其变换成系统可识别的电信号传递给信息处理单元。第二页，共六十二页，2022年，8月28日2、分类1）根据被检测物理量的性质(a)运动学参数检测系统(b)力学参数检测系统(c)图像检测系统(d)其它物理量检测系统2）根据被检测信号的性质(a)模拟信号检测系统(b)数字信号检测系统第三页，共六十二页，2022年，8月28日二、检测系统的基本特性1、灵敏度与分辨率2、精确度3、频率响应特性4、稳定性5、线性特性第四页，共六十二页，2022年，8月28日三、检测系统的检测方式接触式检测非接触式检测在线检测非在线检测四、检测系统的组成传感器测量电路输出单元被测量输出量第五页，共六十二页，2022年，8月28日传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。测量电路：

输出单元：

把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。第六页，共六十二页，2022年，8月28日（1）不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。（2）开发新型传感器。（3）开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。（4）微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合，构成新一代智能化测试系统，使测量精度、自动化水平进一步提高。（5）研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。五、检测技术的发展趋势第七页，共六十二页，2022年，8月28日1）体积小、重量轻，对整机的适应性好。2）精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高。3）安全可靠、寿命长。4）便于与计算机连接。5）不易受被测的影响，也不影响外部环境。6）对环境条件适应能力强。7）现场处理简单，操作性能好，价格便宜。机电一体化系统对检测传感器的基本要求第二节常用传感器第八页，共六十二页，2022年，8月28日一、传感器的选用原则表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系希望输出与输入具有确定的对应关系，且呈线性关系。1）静特性参数的选用y-输出量x-输入量a0-零输出a1-理论灵敏度a2、…、an-非线性项的待定系数理想状态下a0、a2、…、an均为零。第九页，共六十二页，2022年，8月28日a)线性度最大非线性误差非线性误差或线性度满量程输出理想特性实际特性xΔHmaxY第十页，共六十二页，2022年，8月28日线性度反映了被测值处于稳定状态时，传感器输出与输入之间的关系曲线对拟合直线的接近程度。选用原则：选用线性度小的为宜。传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度。表征传感器对输入量变化的反应能力。（b）灵敏度第十一页，共六十二页，2022年，8月28日线性传感器非线性传感器

传感器的灵敏度选用原则：

在量程范围内，传感器的灵敏度越高越好，但要注意外界噪声的影响。第十二页，共六十二页，2022年，8月28日

正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。

—正反行程间输出的最大差值。(c)迟滞xΔHmaxY第十三页，共六十二页，2022年，8月28日磁性材料的磁滞，结构材料受力变形的滞后、摩擦等是产生迟滞误差（回程误差）的原因。选用原则：迟滞误差越小越好。xY(d)重复性

传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。第十四页，共六十二页，2022年，8月28日正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差取较大者为xΔRmax1ΔRmax2y反映了传感器的离散性。第十五页，共六十二页，2022年，8月28日传感器的动态特性是传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映了传感器输出值真实再现变化着的输入量的能力。2）动特性测量交变信号时，传感器在其所测频率范围内，保持信号不失真的测量特性。

在信号的所测频率范围内，要求传感器的幅频特性是平直的，而要求相频特性是线性的或是不变的。第十六页，共六十二页，2022年，8月28日δSε1、电容式传感器二、常见传感器特点：（2）结构简单、适应性强（3）动态响应好 （4）可以实现非接触测量（1）温度稳定性好（5）输出阻抗高、负载能力差（6）寄生电容影响大第十七页，共六十二页，2022年，8月28日变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)

第十八页，共六十二页，2022年，8月28日差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。2、差动变压器第十九页，共六十二页，2022年，8月28日差动变压器输出特性理想特性实际特性（１）供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值;（２）增加W2/W1的比值和减少δ0都能使灵敏度K值提高;第二十页，共六十二页，2022年，8月28日3、光栅传感器是非接触式传感器，由光栅与光电组件构成。当光栅与光电组件产生相对位移时，光电元件感应相应信号并产生脉冲信号，通过检测电路对产生的脉冲进行计数，从而确定相对的位移量。第二十一页，共六十二页，2022年，8月28日1）光栅传感器光源钨丝灯泡半导体发光器件

转换效率高，响应特征快速。输出功率较大，工作范围较宽（-40℃到+130℃）与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。结构与分类光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。第二十二页，共六十二页，2022年，8月28日2）光栅副：指示光栅＋主光栅

一般地：a+b=W，a=b=W/2a—栅线宽度b—线间宽度W—光栅栅距（光栅常数）光栅条纹密度一般为每毫米25、50、100、250条等。第二十三页，共六十二页，2022年，8月28日光栅分类1）根据检测位移性质分直线式光栅回转式光栅2）根据制造光栅的材料分金属光栅玻璃光栅3）光电元件

包括有光电池和光敏三极管等部分。第二十四页，共六十二页，2022年，8月28日2、测量原理光路光源聚光镜主光栅指示光栅光电元件莫尔条纹信号θ第二十五页，共六十二页，2022年，8月28日横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定莫尔条纹的形成第二十六页，共六十二页，2022年，8月28日光栅传感器特点（1）精度高。测长度精度可达0.5~3μm，分辨力可达0.1μm。测角度精度可达0.15``，分辨力可达0.1``，甚至更高。（2）用于高分辨力大量程测量。（3）可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。（4）具有较强的抗干扰能力。第二十七页，共六十二页，2022年，8月28日第三节检测系统的检测原理模拟信号的检测传感器测量电路放大器解调器滤波器转换电路接口电路振荡器第二十八页，共六十二页，2022年，8月28日1、基本测量电路把传感器感应到的非电量参数转换为电量参数。(1)调频电路第二十九页，共六十二页，2022年，8月28日当被测信号为零时，△C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0当被测信号不为零时，△c≠0，此时频率为

具有较高的灵敏度，可测至0.01μm级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强

第三十页，共六十二页，2022年，8月28日(2)运算放大器式电路

Cx是传感器电容uC-Cx∑～u0C是固定电容u0是输出电压信号

第三十一页，共六十二页，2022年，8月28日由运算放大器工作原理可知

结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性uC-Cx∑～u0第三十二页，共六十二页，2022年，8月28日ADC(Analog/DigitalConverter)0809输入通道输出端基准参考电压输出允许信号转换结束信号启动转换信号时钟信号输入端地址线禁止端电源端接地端（1）基本结构2、转换电路第三十三页，共六十二页，2022年，8月28日（2）转换过程CPU地址码（A、B、C）ALE指令SC信号，开始转换转换结束锁存EOC信号OE信号，读取数据第三十四页，共六十二页，2022年，8月28日第三十五页，共六十二页，2022年，8月28日第四节检测信号的预处理一、模拟信号的预处理1）模拟量的转换输入方式（1）单通道直接型特点:最简单的形式。只用一个A/D转换及缓冲器将模拟量转换为数字量，并输入微机。受转换电压幅度与速度的限制，应用范围窄。第三十六页，共六十二页，2022年，8月28日(2)多通道一般型特点:依次对每个模拟通道进行采样保持和转换，节省元、部件，速度低，不能获得同一瞬时的各通道的模拟信号。第三十七页，共六十二页，2022年，8月28日(3)多通道同步型特点:各采样/保持同时动作，可测得在同一瞬时各传感器输出的模拟信号。第三十八页，共六十二页，2022年，8月28日(4)多通道并行输入型特点:各通道直接进行转换，送入微机或信号通道。灵活性大，抗干扰能力强。根据传感器输出信号的特点可采用采样/保持或不同的ADC。第三十九页，共六十二页，2022年，8月28日2）多路模拟开关有选择地切换各路输入信号。译码器电平转换电路INHCBA01234567I/O第四十页，共六十二页，2022年，8月28日地址码选中通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7地址编码表第四十一页，共六十二页，2022年，8月28日3）模拟信号的采样与保持采样保持器A/D转换器数字调节器D/A转换器保持器y(t)y*(t)y(kT)u(kT)u*(t)u(t)y(t)y*(t)y(kT)00001000110111101111u(kT)01001001101001100010u*(t)u(t)第四十二页，共六十二页，2022年，8月28日(1)采样：把模拟信号变成一系列不连续的脉冲时间序列的过程。y(t)ty*(t)ta)采样过程y(t)y*(t)采样开关第四十三页，共六十二页，2022年，8月28日b)采样信号特征时间轴上离散，函数轴上连续，是一个离散的模拟信号。(2)保持：

采样信号在进入A/D转换前，要在一定时间内保持不变，从而为A/D转换提供充分的时间，防止产生误差。y*(t)t第四十四页，共六十二页，2022年，8月28日(3)采样/保持电路第四十五页，共六十二页，2022年，8月28日二、数字信号的预处理数字滤波（1）模拟电路uiuoRCi第四十六页，共六十二页，2022年，8月28日（2）频率特性uiuoRCi传递函数第四十七页，共六十二页，2022年，8月28日令：则：幅频特性ω0----截止频率1ω0T（ω）ω0第四十八页，共六十二页，2022年，8月28日（3）算法是常微分方程，采用尤拉格式，以差商代替导数。即：如果在点xn列出方程y’(xn)=f(xn,y(xn))则用：代替y’(xn)有：yn=y(xn)=y(xn-1)+hf(x

n-1,y(x

n-1))

第四十九页，共六十二页，2022年，8月28日对于：令：X=ui,

Y=uo即：本次采样值本次输出值第五十页，共六十二页，2022年，8月28日用代替有Δt----采样周期Y（n-1）----上次输出值第五十一页，共六十二页，2022年，8月28日令：则：滤波平滑系数截止频率为：第五十二页，共六十二页，2022年，8月28日（4）程序流程图开始确定Y(n-1)收集X(n)计算αX(n），暂存于Y(n)计算(1-α)Y(n-1),累加到Y(n)结束第五十三页，共六十二页，2022年，8月28日第五节传感器非线性补偿处理传感器放大器A/D数字量非线性校正电路数字处理或显示在机电一体化测试系统中，当对被测参量进行显示时，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。当检测元件存在不同程度的非线性特性时，会使较大范围的动态检测存在很大的误差，因此需要对传感器及测试系统进行非线性补偿。第五十四页，共六十二页，2022年，8月28日一、计算法当输出信号与传感器的参数之间有确定的数字表达式时采用的办法。具体措施：在软件中编制一段完成数字表达式计算的程序，被测参数经过采样、滤波和标定变换后直接进入计算机程序进行计算，计算后的数值即为经过线性化处理的输出参数。非线性补偿可以采用硬件电路或使用软件来完成。第五十五页，共六十二页，2022年，8月28日具体措施：把事先经计算或测得的数据按一定顺序编成表格，编写查表程序，根据被测参数的值或中间结果查出最终所需要的结果。特点：程序简单、执行速度快；占用内存单元较多，表格的编制比较麻烦。二、查表法当测控参数的计算非常复杂时（如一些非线性参数），不能用一般的算术运算求出，而需要涉及到指数、对数、三角函数、积分、微分等运算，程序编写比较复杂，有些甚至无法建立相应的数学模型，采用非数值计算的方法。第五十六页，共六十二页，2022年，8月28日三、插值法1、插值原理xyx0y0x1y1xiyixyXi+1yi+1xnyny=f(x)不是简单的线性方程，因此当已知某一输入值以后，求输出值比较困难。把曲线分段使问题简化。把相邻两分段点用直线连起来，用此直线代替相应的各段曲线,即可求出输入值x所对应的输出值y。第五十七页，共六十二页，2022年，8月28日xyx0y0x1y1xiyixyXi+1yi+1xnyn设x在（xi,xi+1)之间，其对应的逼近值为：只要n取足够大，即可获得良好的精度。第五十八页，共六十二页，2022年，8月28日2、插值法的计算机实现（1）用实验法测出传感器的变化曲线y=f