机电一体化技术与应用 课件 第4章 机电一体化系统检测技术（7-9节）

机电一体化技术与应用第1章

机电一体化概述第2章

机电一体化系统数学建模第3章

机电一体化系统自动控制技术第4章

机电一体化系统检测技术第5章

机电一体化驱动系统第6章

机电一体化系统计算机控制技术第7章

机电一体化系统通信技术第8章

机电一体化系统抗干扰技术第9章

机电一体化系统工程实例目

录第4章机电一体化系统检测技术4.1概述4.2传感器测量误差4.3传感器一般特性4.4常用传感器介绍4.5新型传感器4.6传感器的选型4.7传感器的信号调理4.8数字滤波技术4.9传感器非线性补偿处理2024/10/9-3-4.7传感器的信号调理4.7.1信号放大电路（1）基本放大器电路

反相与同相放大器电路是集成运算放大器两种最基本的应用电路。2024/10/9-4-反相放大器电路：同相放大器电路：4.7传感器的信号调理2024/10/9-5-

4.7传感器的信号调理2024/10/9-6-（3）程控测量放大器电路

随着数字化技术的不断发展，各类测量仪表越来越趋于采用数字化和智能化方向。采用增益可以通过确定的程序调节控制的放大器（PGA），可以提高测量精度。通过软件程序的控制来改变反馈电阻Rf或者输人电阻R1，即可实现放大器增益可变。4.7传感器的信号调理2024/10/9-7-（4）隔离放大器电路

隔离放大器应用于高共模电压环境下的小信号测量，是一种特殊的测量放大电路。在隔离放大器中采用的隔离方式主要是采用变压器耦合和光电耦合信号方式。隔离放大器采用浮置式(浮置电源、浮置放大器输入端)设计。4.7传感器的信号调理4.7.2信号转换电路（1）电压-电流转换

输出负载中的电流正比于输入电压的电路，称为电压-电流转换。由于电路的传输系数是电导，所以又称其为转移电导放大器。当输入电压为恒定值时，负载中的电流为恒定值，与负载无关，则构成恒流源电路。2024/10/9-8-

4.7传感器的信号调理（2）电流-电压转换

将输入电流转换为输出电压的转换称为电流-电压变换。由于转换电路的传递系数为电阻，所以又称为转移电阻放大器。光电检测是电流-电能转换最典型的应用。2024/10/9-9-

4.7传感器的信号调理（3）电压-频率转换

电压-频率转换就是把电压信号转变为频率信号的电路，它有良好的线性度、精度和积分输入特性。此外，它的应用电路简单、外围元件性能要求不高、对环境适应能力强、转换速度不低于一般的双积分型A/D器件，且价格较低。一般来说，电压-频率转换器适用于一些非快速而需要进行远距离信号传输的A/D转换过程2024/10/9-10-4.7传感器的信号调理（4）模拟-数字(A/D)转换和数字-模拟(D/A)转换

传感器的输出一般为模拟量，必须经过A/D转换后才能被计算机所接受。如果需要进行计算机控制，则计算机输出的数字信号必须经过D/A转换后才能驱动相应的执行机构。将模拟量转换为数字量的器件称为A/D转换器(或ADC)，将数字量转换为模拟量的器件称为D/A转换器(或DAC)。 A/D转换器最重要的参数是转换的精度,通常用输出的数字信号的位数的多少来表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。2024/10/9-11-4.7传感器的信号调理4.7.3信号滤波电路（1）信号滤波器的基本原理

设传感器敏感元件输出的信号为周期性信号,可以将其展开成傅里叶级数的形式,表示为：式中A0为信号的直流分量；ω0为Ui(t)的基波频率(或者称一次谐波频率)；n为倍频数,n=1,2,3，∙∙∙,Ansin(nω0t+Φn)为n次谐波分量,其中Φn为n次谐波分量的初始相位；An为n次谐波分量的幅值。2024/10/9-12-4.7传感器的信号调理

当含有不同谐波分量的信号经过滤波器滤波后，理想情况下，滤波器允许范围内的谐波分量可以不失真地通过，而允许范围之外的谐波分量将衰减为零。也就是说，可以将理想滤波器看成是一个放大倍数为K的放大器，且：式中ω1和ω2为滤波器通频范围的上、下截止频率，即当传感器敏感元件输出的信号U0(t)经过滤波器后，只保留其中ω1到ω2频率范围内的谐波分量。2024/10/9-13-4.7传感器的信号调理（2）信号滤波器的基本性能参数 1）截止频率

设K0为中频时的放大倍数，当幅频特性值等于0.707K0时所对应的频率际为滤波器的截止频率。以K0为参考值，0.707K0对应于-3dB点，即相对于K0衰减3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。2024/10/9-14-4.7传感器的信号调理

2024/10/9-15-4.7传感器的信号调理 4）倍频程选择性

在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带的幅频特性曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对带宽外频率成分衰减的能力。通常，用倍频程选择性来表征。所谓倍频程选择性是指在上截止频率ω2~2ω2之间或者在下截频率ω1~ω1/2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。倍频程衰减量也可以用分贝/十倍频表示。显然，衰减越快，滤波器的选择性就越好。2024/10/9-16-4.7传感器的信号调理（3）无源滤波器

无源滤波器通常由R，C和L组成的网络来实现。 1）低通滤波器

根据电路理论可知，滤波器的传递函数为:2024/10/9-17-

4.7传感器的信号调理

用s=jω代入，可得：

另外，其幅频特性和相频特性为：

该网络的频率特性如图(b)、(c)所示。2024/10/9-18-4.7传感器的信号调理

2024/10/9-19-4.7传感器的信号调理

2024/10/9-20-4.7传感器的信号调理（4）有源滤波器

有源滤波器通常由运算放大器和R，C和L元件组成，与无源器件相比有较高的增益，输出阻抗低，易于实现各种类型的高阶滤波器。2024/10/9-21-二阶有源低通滤波器二阶有源高通滤波器4.7传感器的信号调理4.7.4调制与解调

当漂移信号大小接近或超过被测信号时，经过逐级放大后，被测信号会被零点漂移淹没。为了解决这个问题，通常要将测量信号搭载于一个特定的交变信号上，也即进行调制。在测量时，则需要将测量信号从载波中还原出来，也即进行解调。

对应于信号的三要素：幅值、频率和相位，根据载波的幅值、频率和相位随调制信号变化的过程，调制可以分为幅值调制、频率调制和相位调制，简称为调幅、调频和调相，其波形称为调幅波、调频波和调相波。2024/10/9-22-4.7传感器的信号调理(1)幅值调制与解调

调幅是将一个高频载波信号与被调制信号相乘，使载波信号随被调制信号的变化而变化。

当用一低通滤波器滤去频率大于fm的成分时,则可以复现原信号的频谱。与原频谱的区别在于幅值为原来的1/2，这可以通过放大来补偿。这一过程称为同步解调，同步是指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位。用等式表示为：2024/10/9-23-4.7传感器的信号调理

载波频率f0称为调幅波的中心频率，f0+fm称为上旁频带，f0-fm称为下旁频带。调幅以后，原信号x(t)所包含的全部信息均转移到以为f0中心，宽度为2fm的频带范围之内，即将有用信号从低频区推移到高频区。2024/10/9-24-4.7传感器的信号调理(2)频率调制与解调

频率调制是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。信号电压为正值时调频波的频率升高，为负值时调频波的频率则降低，信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率。

2024/10/9-25-4.7传感器的信号调理

调频波的瞬时频率f为：

设幅值为X0、频率为fm的余弦波，初始相位为0的调制信号x(t)为：

载波信号为：

调频时载波的幅度Y0和初始相位角φ0不变，瞬时频率f(t)围绕着f0随调制信号电压作线性的变化，因此：频率偏移与调制信号的幅值成正比，与调制信号的频率无关2024/10/9-26-f0-载波频率Δf-偏移频率4.7传感器的信号调理(3)相位调制与解调

载波的相位对其参考相位的偏离值随调制信号的瞬时值成比例变化的调制方式，称为相位调制，调相波可表示为：

因为调相制主要是用来作为得到调频的一种方法，在实际使用时很少采用。2024/10/9-27-第4章机电一体化系统检测技术4.1概述4.2传感器测量误差4.3传感器一般特性4.4常用传感器介绍4.5新型传感器4.6传感器的选型4.7传感器的信号调理4.8数字滤波技术4.9传感器非线性补偿处理2024/10/9-28-4.8数字滤波技术

数字滤波在数字信号处理中有两类作用：一是滤除噪声及虚假信号，二是对传感元件所监测到的信号进行补偿。

（1）滤除噪声及虚假信号

常用的信号滤波方法主要分为高通滤波、低通滤波、带通滤波和带阻滤波。高通滤波可以保留信号的高频部分，而滤去低频噪声。低通滤波则相反，它保留信号的低频部分而滤去高频噪声。带通滤波器则保留信号某一个频段总的信号，而去除其低频和高频部分。带阻又恰恰相反，仅去除信号某个频段上的干扰信号。2024/10/9-29-4.8数字滤波技术

滤波器在使用时，应考虑传感器的工作频段而加以选择，例如对于压电敏感元件，其监测信号一般为具有一定频率的动态信号，因此一般后接带通滤波器；应变电阻元件一般监测低频信号，一般后接低通滤波器。

（2）信号补偿

数字滤波器也可用来对传感器所监测到的信号进行优化。例如，对于智能压电传感器，可采用数字滤波器对压电传感器的温度特性进行补偿。2024/10/9-30-第4章机电一体化系统检测技术4.1概述4.2传感器测量误差4.3传感器一般特性4.4常用传感器介绍4.5新型传感器4.6传感器的选型4.7传感器的信号调理4.8数字滤波技术4.9传感器非线性补偿处理2024/10/9-31-4.9传感器非线性补偿处理

造成非线性的因素主要有两个：一是许多传感器的转换原理并非线性；二是采用的测量电路的非线性。

一般情况下，如果在整个测量范围内非线性程度不是很严重，或者说非线性误差可以忽略，那么就可以简单地采用线性逼近的方法将传感器的输出近似地用线性关系代替，常用的线性逼近的方法有端点法和最小二乘法等。但如果在整个测量范围内非线性程度比较严重，或者说在非线性误差不可忽略的情况下，就需要采用另外的非线性补偿手段，主要是开环补偿法和闭环补偿法。2024/10/9-32-4.9传感器非线性补偿处理

（1）开环补偿法

开环补偿法就是在传感器信号（或者经过放大了的传感器信号）之后串接一个适当的补偿环节（线性化器），将来自传感器的非线性特性的输入信号变换为呈线性特性的输出信号。

图中传感器是非线性的，因此传感器的输出u1与被测量x之间的关系是非线性函数：2024/10/9-33-4.9传感器非线性补偿处理

u1经放大器放大后可获得一个电平较高的电压u2。设放大器的放大倍数为K，并认为放大器的线性度良好，则：

u2与x仍然是非线性关系。u2作为线性化器的输入，从线性化器输出的电压u0与被测量x之间的关系则是线性的，即u0与x之间满足：并消去中间变量u1、x，从而可得到线性化器的输出-输入关系式为：2024/10/9-34-4.9传感器非线性补偿处理

设计线性化器，就可以将传感器的非线性输出特性转换为电路输出电压u0随被测量x呈线性关系的变化。例如铂热电阻的电阻相对变化与温度之间的关系为非线性的，即：

经过电桥放大器线性放大后的电压为：

设经线性化器后，电路的输出u0与温度t之间满足：2024/10/9-35-u2为桥路供电电压4.9传感器非线性补偿处理

联立可得线性化器的输入-输出关系表达式：

式中的K、E、A