材料加工设备与自动化第四章 传感器设计技术2.ppt

材料加工设备与自动化研究室Tel/Fax:01082316482/82338598,材料加工设备与自动化第三章检测与传感系统设计技术2,3.2.7传感器的发展趋势,21世纪是现代信息技术的时代，现代信息技术的3大基础是：信息采集、信息传输和信息处理。信息采集就是通过传感器技术来实现的。传感器是一种将被测物理量（如位移、力、加速度等）以一定精度转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的部件或装置。传感器技术将是21世纪人们在高新技术方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。中国从20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。21世纪是人类全面进入信息化的时代，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术必将有较大的发展。传感器的发展概括为3个方面。,第三章检测与传感系统设计技术,3.2.7传感器的发展趋势结构型传感器,第三章检测与传感系统设计技术,结构型传感器主要向高稳定性、高可靠性和高精度方向发展目前，在国防工业和工业控制领域大量使用结构型传感器，但是结构型传感器在原理、材料和结构形式等方面都在不断发生变化，并且向有源化方向发展，即将敏感元件和电路组装在一起，减小装置体积，提高信噪比和精度。结构传感器采用新结构、新材料和新工艺，可大幅度提高传感器的性能。,3.2.7传感器的发展趋势集成传感器,第三章检测与传感系统设计技术,由于航空航天技术的发展以及医疗器件的需要，传感器必须向小型化方向发展，以便减小体积和质量而小型化的基础是集成化，它分为传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。现已有集成磁敏传感器、集成力敏传感器、集成温敏传感器、集成光敏传感器和集成场效应离子敏传感器等。目前集成化传感器主要使用硅材料，它既可以制作电路，又可制作磁敏、力敏、温敏、光敏和离子敏器件。在制作敏感元件时采用单晶硅的各向同性和各向异性腐蚀、等离子刻蚀、离子注入等工艺，利用微机械加工技术在单晶硅上加工出各种弹性元件。目前，发达国家正在把传感器与电路集成在一起进行研究。,3.2.7传感器的发展趋势智能传感器,第三章检测与传感系统设计技术,将传统的传感器和微处理器及相关电路组成一体的结构就是智能传感器。智能传感器可以分为3种类型，即具有判断能力的传感器、具有学习能力的传感器和具有创造能力的传感器。智能传感器具有以下功能:（1）具有自校准功能。操作者输入零值或某一标准量值后，自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。（2）具有自补偿功能。智能传感器在工作中可以通过软件对传感器的非线性、温度漂移、响应时间等进行自动补偿。（3）具有自诊断功能。智能传感器在接通电源后，可以对传感器进行自检，检查各部分是否正常。在内部出现操作问题时，能够立即通知系统。通过输出信号表明传感器发生故障，并可诊断发生故障的部件。（4）具有数据处理功能。智能传感器可以根据内部的程序自动处理数据，如进行统计处理，剔除异常数值等。（5）具有双向通信功能。（6）具有信息存储和记忆功能。（7）具有数字信号输出功能。智能传感器输出数字信号，可以很方便地和计算机或接口总线相连。,3.3检测数据的处理方法,日常生活、工业生产和科学研究中所遇到的绝大多数物理量，如温度、压力、流量、湿度等非电量都是连续变化的模拟量。可以经过各种传感器把这些非电量变换成模拟电压信号或电流信号。从传感器信号（检测数据）中提取有用的信息，一般要经过两个处理过程：1、模拟信号处理作为数字信号的前置处理起着重要作用，要对传感器的输出信号进行放大、运算、变换等处理。2、通过A/D转换将模拟信号转换为数字信号，进行频谱分析及相关分析等数字信号处理。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法模拟信号处理,在模拟信号处理中，运算放大器的使用率很高。运算放大器通过与电阻组合就可以实现放大和运算。理想运算放大器假设：放大倍数为（实际可以达到104106倍）；输入阻抗为（实际可以达到几百k几百M）；输出阻抗为0（实际可以达到几十）。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法模拟信号处理,由于运算放大器的输入端、输出端之间的电位差为0（假设短路），所以通过R1上的电流为I=V1/R1。又由于运算放大器的输入阻抗很大，所以通过R2上的电流与通过R1上的电流I相等。因此输出电压V0与输入电压Vl的比值（闭环电压放大倍数）为：,第三章检测与传感系统设计技术,可以看出该电路构成了放大倍数为-R2/R1的放大电路。因为该电路的放大倍数为负值，故称为反相放大电路。,3.3检测数据的处理方法模拟信号处理,(b)在V0与Vl的比值为：其电压放大倍数为1+R2/R1，故称为正相放大电路。（c）所示电路的输出电压为：因为输出电压与输入电压之和成正比，所以称为加法运算电路。(d)所示电路的输出电压为因为输出电压与输入电压之差成正比，所以称为减法运算电路。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法模拟信号处理,图3-21所示电路为由运算放大器、电阻和电容组成的微积分电路。图3-21(a)所示的积分电路中，输出电压为：输出电压与输入电压的积分值成正比。图3-21(b)所示的微分电路中，输出电压为：输出电压与输入电压的微分值成正比。除了上述这种电路以外，还可以用运算放大器构成比较电路、滤波器、电流电压等转换电路。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法数字信号处理,目前测试技术中所采用的传感器中间变换电路等，大多仍是以输出模拟信号为主，对这些模拟系统所输出的模拟信号进行数字信号处理之前，必须先进行信号的数字化。将模拟信号经过离散化、量化等转换，变成大多为二进制编码的数字信号，然后再做各种需要的处理，如时域处理、频域处理和其他分析处理。对信号进行数字处理，首先要将测试所得的模拟信号数字化。数字化的含义包括两个方面：时间的离散和幅值的离散。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法数字信号处理,1、数字信号处理的步骤（1）信号预处理。信号预处理是指在数字处理之前，对信号用模拟方法进行的处理，其目的是把信号变成适于数字处理的形式，以满足数字处理的要求，系统的预处理主要包括以下内容：解调。用于对由远距离传输到信号处理系统的调制信号进行解调。输入放大（或衰减）。对输入信号的幅值进行处理，使信号幅值与A/D转换器的动态范围相适应。抗频混滤波。衰减信号中次要的或不感兴趣的高频成分，缩短频带以减小频混的影响和提高信噪比。隔直流分量。隔离被分析信号中不应有的直流分量，可用于对信号做消除趋势项及直流分量的干扰处理。以上预处理内容分别由解调器、放大器（衰减器）、低通滤波器及隔直流电路来完成。除解调器以外，后三种仪器或电路几乎在所有的数字信号处理系统或信号处理机中都包含，其中输入放大器（衰减器）和抗频混滤波器是预处理部分的关键。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法数字信号处理,1、数字信号处理的步骤（1）信号预处理（2）信号采集信号采集是将预处理后的模拟信号变为数字信号，并存入到指定的地方，其核心是A/D转换器。A/D转换的过程包括采样、量化、编码。（3）分析计算对采集到的数字信号进行分析和计算，可用数字运算器件组成的信号处理器完成，也可用普通微机配上一定的软件程序或采用软、硬件相结合的方法完成。工程测试中信号的分析计算，主要是做时域中的概率统计、相关分析、建模和识别，频域中的频谱分析、功率谱分析、传递函数分析等。目前分析计算得出这些信息的速度已近乎“实时”。（4）显示记录一般采用CRT屏幕显示，打印机打印结果数据或图形，绘图机绘出相应曲线等。可将分析计算的结果转存到磁盘和磁带上，供进一步分析使用。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法数字信号处理,2、数字信号处理方法通过A/D转换得到的数字信号，可以利用计算机进行各种各样的处理。最典型的就是数字滤波。来自传感器或变送器的有用信号中，往往混杂了各种频率的干扰信号。为了抑制这些干扰信号，通常在信号入口处用RC滤波器。RC滤波器能抑制高频干扰信号，但对低频干扰信号的滤波效果尚不理想。而数字滤波器可以对极低频干扰信号进行滤波，以弥补RC滤波器的不足。另外，它还具有某些特殊的滤波功能。所谓数字滤波，是通过一定的计算程序对采样信号进行平滑加工，以便减少干扰在有用信号中的比重，提高信号的真实性，以保证计算机系统的可靠性。数字滤波可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号进行滤波。数字滤波由于稳定性高，滤波参数修改方便，滤波子程序可以被各种控制回路调用，因此得到广泛的应用。常用的数字滤波方法有多种，它们各有不同的特点，现介绍如下。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法数字信号处理,2、数字信号处理方法（数字滤波）（1）算术平均值法。平均值滤波法是对信号Y的m次测量值进行算术平均,作为时刻n的输出(n),即m值决定了信号的平滑度和灵敏度。随着m的增大，平滑度提高，灵敏度降低。应视具体情况选取m，以便得到满意的滤波效果。通常流量信号取10项，压力信号取5项，温度、成分等缓慢变化的信号取2项甚至不平均。从式(3-17)可以看出，平均值滤波法对每次采样值给出相同的加权系数，即l/m。某些场合需要增加新采样值在平均值中的比重，可采用加权平均值滤波法，滤波公式为：其中，r0,rl,rm为加权系数，并且应满足下式：平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信号，但对偶然出现的脉冲干扰信号滤波效果尚不理想。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法数字信号处理,2、数字信号处理方法（数字滤波）（1）算术平均值法。（2）中位值滤波法。中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m次（m3且为奇数），并按大小顺序排序，再取中间值作为本次采样的有效数据。这一滤波方法可滤去偶然因素引起采样值波动的脉冲干扰，特别适用于变化缓慢过程中参数的采集，不适用于参数变化较快的情况。中位值滤波法和算术平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会更好。即在每个采样周期，先用中位值滤波法得到n个滤波值，再对这n个滤波值进行算术平均，得到可用的被测参数。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法数字信号处理,2、数字信号处理方法（数字滤波）（1）算术平均值法（2）中位值滤波法（3）限幅滤波法由于大的随机干扰或采样器的不稳定，使得采样数据偏离实际值太远，为此可采用上、下限限幅，即：当Y(n)YH时，则取Y(n)=YH(上限值)当Y(n)YL时，则取Y(n)=YL(下限值)当YLY(n)YH，则取Y(n)。而且采用限速（亦称限制变化率），即：当Y(n)-Y(n-1)Y0时，则取Y(n)；当Y(n)-Y(n-1)Y0时，则取Y(n)=Y(n-1)。其中Y0为两次相邻采样值之差的可能最大变化量。Y0值的选取，取决于采样周期Ts及被测参数Y应有的正常变化率。因此，一定要按照实际情况来确定Y0、YH及YL。否则，不但达不到滤波效果，反而会降低控制品质。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法信号调制与解调,在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。例如，被测物理量的温度、位移、力等参数，经过传感器交换以后，多为低频缓变的微弱信号。对这样一类信号，直接送入直流放大器或交流放大器放大会遇到困难，因为采用级间直接祸合式的直流放大器放大，将会受到零点漂移的影响。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。为了很好地解决缓变信号的放大问题，信息技术中采用了一种对信号进行调制的方法，即先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。上述信号传输中的变换过程称为调制与解调。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法信号调制与解调,所谓调制，就是利用缓变信号来控制、调节高频振荡信号的某个参数（幅值、频率或者相位），使其按缓变信号的规律变化。调制的目的是便于放大和传输缓变信号，该缓变信号称为调制信号。调制信号的信息加载于高频振荡信号中，故称高频振荡信号为载波。载波被缓变信号调制后称为已调波。调制分为调幅、调频和调相三种。若调制信号调节、控制载波的幅值，所得已调波称为调幅波，此过程称为调幅（AM）。若调节、控制的参数为载波的频率或相位，则分别称为调频（FM）或调相（PM)，所得已调波分别为调频波或调相波。其中，调幅和调频在工程测试中较为常用，如图3-23所示。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法信号调制与解调,1、调幅与解调调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号（调制信号）相乘，使载波信号随测试信号的变化而变化。调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送，然后再通过解调，从放大的调制波中取出有用的信号。所以调幅过程就相当于频谱“搬移”过程。而解调的目的是为了恢复被调制的信号。,第三章检测与传感系统设计技术,3.3检测数据的处理方法信号调制与解调,2、调频与解调（1）调频原理调频是利用调制信号的幅值变化，控制和调节载波的频率。调频比较容易实现数字化，特别是调频信号在传输过程中不易受到干扰，所以在测量、通信和电子技术等许多领域中得到了广泛的应用。通常，调频可由一个振荡器来完成。振荡器输出一个振荡频率与调制信号幅值成正比的等幅波，即调频波。当调制信号为零时，调频波的频率等于中心频率。当调制信号为正值时，调频波频率升高，为负值时降低。调频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，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，为负值时降低。信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率。调频波的瞬时频率为：式中：f0为载波频率（或称调频波中心频率）；f为频率偏移，与调制信号的幅值成正比。实现信号的调频和解调的方法很多。,第三章检测与传感系统设计技术,3.4传感器信号的计算机检测技术传感器的计算机接口,输入到计算机的信息必须是计算机能够处理的数字量信息。传感器的输出形式可分为模拟量、数字量和开关量，与此相应的基本接口方式如表3-9所示。,第三章检测与传感系统设计技术,3.4传感器信号的计算机检测技术传感器的计算机接口,根据模拟量转换、输入的精度、速度和通道等因素，得出如表3-10所示的4种转换输入方式。在这4种方式中，其基本组成元件相同。（1）输入放大器。被分析的信号幅值大小不一，输入放大器（或衰减器）便是对幅值进行处理的器件。对于超过限额的电压幅值，可以加以衰减，对于太小的幅值，则加以放大，以避免影响采样精度。（2）抗频混滤波器。在做频域分析时，为解决频混的影响，采样之前通常用模拟滤波器来衰减不需要的高频分量，然后根据滤波器的选择性来确定适当的采样频率。（3）采样保持电路。采样保持电路放在A/D转换电路之前，是为A/D进行转换期间保持输入信号不变而设置的。（4）模拟多路开关。模拟多路开关的作用是依次把各传感器输出的模拟量与A/D接通，以便进行A/D转换。,第三章检测与传感系统设计技术,3.4传感器信号的计算机检测技术传感器的计算机接口,第三章检测与传感系统设计技术,3.4传感器信号的计算机检测技术传感器的计算机接口,（5）A/D转换器及其与计算机的连接在机电一体化产品常用的传感器中，有很多是以模拟量形式输出信号的，如位置检测用的差动变压器、温度检测用的热电偶、温敏电阻、转速检测用的测速发电机等，但由于控制计算机是一个数字系统（有些信号的单片机内部集成了A/D转换器件，如MCS-96系列单片机等），这就要求信息采集接口能完成A/D转换功能，将传感器输出的模拟量转换成相应的数字量，输入控制计算机，这项工作通常由A/D转换器完成。,第三章检测与传感系统设计技术,3.4传感器信号的计算机检测技术传感器的计算机接口,（5）A/D转换器及其与计算机的连接A/D转换器的种类及其特点如表3-11所示。在实际应用中，需要考虑A/D转换器的精度、转换速率和价格。比较型A/D转换器的转换速度快，但要实现高精度，价格比较贵。积分型A/D转换器随转换时间较长，但价格低，精度高。,第三章检测与传感系统设计技术,表3-11A/D转换器的种类及特点,3.4传感器信号的计算机检测技术传感器的计算机接口,（5）A/D转换器及其与计算机的连接A/D转换器的技术指标如下：量化误差与分辨率。A/D转换器的分辨率习惯上以二进制位数或者BCD码位数表示。与一般测量仪表的分辨率表达方式不同，A/D转换器不采用可分辨的输入模拟电压相对值表示。例如A/D转换器AD574A的分辨率为12位，即该转换器的输出数据可以用212个二进制数进行量化，其分辨率为ILSB。如果用百分数来表示分辨率，其分辨率为：量化误差和分辨率是统一的，量化误差是由于有限数字对模拟数值进行离散取值（量化）而引起的误差。因此，量化误差理论上为一个单位分辨率，即1/2LSB。提高分辨率可减少量化误差。,第三章检测与传感系统设计技术,3.4传感器信号的计算机检测技术传感器的计算机接口,（5）A/D转换器及其与计算机的连接A/D转换器的技术指标如下：量化误差与分辨率。转换精度。A/D转换器转换精度反映了一个实际A/D转换器在量化值上与一个理想A/D转换器进行模数转换的差值，可表示成绝对误差或相对误差，与一般测试仪表的定义相似。例如手册上给出ADC0801八位逐次比较式A/D转换器的不可调整的总误差1/4LSB，如以相对误差表示则为0.1%。A/D转换器的精度指标是反映A/D转换器与理想A/D转换器的差别。转换时间与转换速率。A/D转换器完成一次转换所需要的时间为转换时间。通常，转换速率是转换时间的倒数。目前，转换时间最短的A/D转换器为全并行式A/D转换器，用双极型或CMOS工艺制作的高速全并行式A/D转换器的转换时间为20ns50ns，即转换速率达20MSPS50MSPS。用双极性工艺制作的逐次比较式A/D转换器的转换时间也达到了0.4s，即转换速率为2.5MSPS。,第三章检测与传感系统设计技术,3.4传感器信号的计算机检测技术传感器的计算机接口,（5）A/D转换器及其与计算机的连接A/D转换器的技术指标如下：量化误差与分辨率。转换精度。转换时间与转换速率。失调（零点）温度系数和增益温度系数。这两项指标都用来表示A/D转换器受环境温度影响的程度。一般用每摄氏温度变化所产生的相对误差作为指标。对电源电压变化的抑制比。A/D转换器对电源的抑制比（PSRR)，用改变电源电压使数据发生1LSB变化时所对应的电源电压变化范围来表示。,第三章检测与传感系统设计技术,3.4传感器信号的计算机检测技术传感器的计算机接口,（5）A/D转换器及其与计算机的连接A/D转换器的选择原则如下：确定A/D转换器的位数。A/D转换器位数的确定与整个测量控制系统所要测量的范围和精度有关，但又不能惟一确定系统的精度，因为系统精度设计的环节较多，包括传感器转换精度、信号预处理电路精度和A/D转换器及其输出电路、伺服机构精度，甚至还包括软件控制算法。但在估算时，A/D转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位。实际选取的A/D转换器的位数应与其他环节所达到的精度相适应。对A/D转换器位数的另一点考虑是如果微机是8位（MCS-51单片机），则采用8位以下的A/D转换器，这样接口电路比较简单。A/D转换器的分辨率是指转换微小输入量变化的灵敏程度，用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。对于n位的转换器，能对满量程输入电压的2