传感检测技术(1)

1、整理课件1 4 传感检测技术 1.检测系统的组成 (1) 把各种非电量信息转换为电信号,这就是传感器的功能, 传感器又称为一次仪表。 (2) 对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、 记录、指示、显示等处理,这叫作电信号处理系统,通常被 称为二次仪表。 整理课件2 非电量检测系统的结构形式 光、声、 位移、 压力、 磁等 非电量 信号 转换成 电信号 模拟 电信号 传输、运算 放大 切换、存储 处理 电信号 数字 转换成 电信号 驱动 光、声、 位移、 文字等 被测物理量传感器以计算机为中心的电信号处理系统执行设备 整理课件3 传感器的构成 传感器一般由敏感元件、转换元件和转 换电路

2、三部分组成。 敏感 元件 转换 元件 基本转换 电路 电量被测量 传感器的组成框图 整理课件4 （1）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于 测量的物理量的预变换装置,其输入、输出间具 有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏 感元件将力转换为位移或应变输出。 （2）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量 转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。 （3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测 量的电量,如电压、电流、频率等。 整理课件5 按被测物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传 感、力传感器、温度传感器等。 温度传感器 压力传感器 扭矩传感器 角位移传感器 位移传感器 整理课件6 按

3、传感器工作的物理原理分为：电阻式、电感式、电容式、 光电式等等。 压电式加速度传感器 激光位移传感器 光纤式位移传感器 超声波位移传感器传感器 电感式位移传感器 整理课件7 传感器的数学模型及特性指标 描述传感器输入 输出关系的方法： 整理课件8 n nxaxaxaay. 2 210 n nxaxaxaay. 2 210 xay1 . 4 4 2 2xaxay . 5 5 3 31xaxaxay 条件:不考虑传感器滞后、 蠕变情况下 整理课件9 . 5 5 3 31xaxaxay. 4 4 2 2xaxay xay1 n nxaxaxaay. 2 210 整理课件10 3 静态特性 （1） 线

4、性度。传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的 偏差称为传感器的非线性误差（线性度）。 yFS 2 1 max 0 xFS 1实际曲线 2理想曲线 y x 传感器的线性度示意图 max 100% L FS y 整理课件11 （2） 灵敏度。传感器到达稳定工作状态时输出变化量与 引起此变化量的输入变量之比，用S0表示,即 （3）最小检测量 最小检测量是指传感器能确切反映被测量的最低极 限量。 x y S 输入量的变化量 输出量的变化量 0 整理课件12 （4）精确度（精度） 精密度 对某一稳定的对象（被测量）由同一测 量者用同一传感器和测量仪表在相当短的时间内连续 重复测量多次，其测量结果的分散程度

5、。（对应随机 误差） 正确度 测量结果偏离真值大小的程度，即示值 有规则偏离真值的程度。（对应系统误差） 精确度 包含精密度和正确度两者之和的意思， 即测量的综合优良程度。 100% FS A A Y 整理课件13 （5）迟滞。传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输 出/输入特性曲线的不重合程度称为迟滞,迟滞误差一般以最大 偏差或最大偏差的一半与满量程输出yFS的百分数表示： %100 2 1 %100 FS m H FS m H y H y H 或 yFS Hm 0 xFS y x 迟滞特性 整理课件14 （6） 重复特性。 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

6、多次重复测量时,所得的输出/输入曲 线不一致的程度,称为重复特性, 重复特性误差用最大重 复性误差与满量程输出的百分数表示,即 %100 FS m R y R yFS 0 xFSx Rm1 y Rm2 重复特性 整理课件15 (7)漂移 零点漂移 传感器无输入时，每隔一段时间进行读数， 其输出偏离零值的程度。 温漂 温漂表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。 一般以温度变化1输出最大偏差与满量程的百分比表 示。 整理课件16 传感器的动态数学模型及动态特性指标 一、动态模型 xb dt dx b dt xd b dt xd b ya dt dy a dt yd a dt yd a m m m

7、 m m m n n n n n n 01 1 1 1 01 1 1 1 . . 微分方程 传递函数 条件：线性定常系统 0., 0210mbbbb其中 整理课件17 xbya dt dy a dt yd a dt yd a n n n n n n001 1 1 1. xbya dt dy a001 一阶环节 一阶传感器 xbya dt dy a dt yd a001 2 2 2 二阶环节 二阶传感器 xbya00零阶环节 零阶传感器比例环节、 无惯性环节 xbya dt dy a dt yd a dt yd a n n n n n n001 1 1 1. xbya00 xbya dt dy

8、a001 xbya dt dy a dt yd a001 2 2 2 整理课件18 2. 传递函数 01 1 1 01 1 1 . . )( )( )( asasasa bsbsbsb sX sY sH n n n n m m m m 整理课件19 时间常数 整理课件20 上升时间Tr 响应时间Ts 超调量a1 峰值时间Tp 延滞时间Td 稳态误差 %100 c ss ss y e %100 c ss ss y e 整理课件21 传感器的选用原则 1 足够的容量 传感器的工作范围或量程足够的大，并具 有一定过载的能力。 2 与测量或控制系统的匹配性好，转换灵敏度高。 3 精度高，稳定性好 4

9、反应速度快，工作可靠性好。 5 适用性和适应性强 6 使用经济 整理课件22 位移传感器 一、电感式位移传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测物理量转 换为电感量的变化。 1、自感型电感式传感器、自感型电感式传感器 可变磁阻式电感传感器、电涡流式传感器 2、互感型电感传感器互感型电感传感器 整理课件23 自感L可表示为： 灵敏度： 1）可变磁阻式电感传感器 1、自感型电感式传感器、自感型电感式传感器 整理课件24 差动型磁阻式传感器,它由两个相同的线圈、铁心及活 动衔铁组成。当活动衔铁接于中间位置（位移为零） 时,两线圈的自感L相等,输出为零。当衔铁有位移时, 两个线圈的间隙为0+,

10、0-,这表明一个线圈的自 感增加,而另一个线圈的自感减小。 0 0 x 可变磁阻差动式传感器 整理课件25 可变磁阻面积型电感传感器 L 0 1 2 4 x 5 1线圈；2铁心；3活动衔铁； 4测杆；5被测杆 3 整理课件26 差动变压器式电感传感器：传感器由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。 当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。 传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。的大小随活动衔铁的位置 而变。当活动衔铁位置居中时，e1=e2， ev =0；当活动衔铁向上移时， 即e1e2，ey0;当活动衔铁向下移时，e1e2，ey1MHz)激励电流，产生的高频磁场作

11、 用于金属板的表面，在金属板表面将形成涡电流。 若只改变距离而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈 自感的变化。 整理课件28 低频透射式涡流传感器：发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属 板材料G的上、下方。当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后， 所产生磁力线的一部分透过金属板材料G，使线圈2产生感应电动势e2， 且e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少。 整理课件29 二、电容式位移传感器 电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变 化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信 号输出。 式中： 0真空的介电常数； s 极板的遮盖面积； 极板间相对介电系数； 两平

12、行极板间的距离。 0 s C 整理课件30 1、极距变化型电容式传感器 如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板 在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化为： 传感器的灵敏度为： 0 2 s dCd 0 2 sdCC K d 整理课件31 2、面积变化型电容式传感器 动板与定板之间相互覆盖的面积引起电容量变化。当覆盖面积 对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为： 面积为： 其灵敏度为： 2 2 ar S 2 0 2 ar C 2 0 2 rdC K da 常数 整理课件32 3、介质变化型电容式传感器的变换原理 这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位 (图

13、c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改 变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。 整理课件33 三、光栅位移传感器 3 2 4 1 1.标 尺 光 栅 2.指 示 光 栅 3.光 电 元 件 4.光 源 整理课件34 把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线 相互倾斜一个很小的角度，这时在指示光栅上就出现几条 较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹 几乎成垂直的方向排列。 Wbc abB )sin( 整理课件35 莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过 一个栅距一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距

14、，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B 莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光与两光 栅条纹夹角之间关系为栅条纹夹角之间关系为 例如例如:W=0.02mm, =0.1, 则则B=11.4592mm,其其K值值 约为约为573。 Wbc abB )sin( 整理课件36 2、测量系统 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换通过光电元件，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，经放大、整形变换为方为近似正弦变化的电信号，经放大、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波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆

15、 计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移位移 量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。 整理课件37 四、感应同步器感应同步器 感应同步器是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件，有 直线式和圆盘式两类。 整理课件38 1/4W 定尺 滑尺 cossin 整理课件39 定 尺 绕 组 1 2 3 4 5 AB AB AB AB AB eA 1 2 0 4 3 5 1 0 eB 2 3 4 5 滑 尺 绕 组 位 置 定 尺 感 应 电 势 变 化 情 况 仅 对A绕 组 激 磁仅 对B绕 组 激 磁

16、 整理课件40 感应同步器的信号处理方式 按激励方式分：滑尺励磁和定尺励磁 按信号处理方式分：鉴相方式和鉴幅方式 1)鉴相方式 2)鉴幅方式 sin scm eeeKVt 1 sinsin scm eeeKVt 整理课件41 五、光电编码器 m/360 0 这种码盘有两个通道与B（即两组透光和不透光部分），其相 位差90，相对于一定的转角得到一定的脉冲，将脉冲信号 送入计数器。则计数器的计数值就反映了码盘转过的角度。 n m n 360 整理课件42 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1一 个四电位的光电码盘上，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，

17、外侧是低 位。 1100 0011 0101 0110 0111 0100 1010 1001 1000 1011 1111 0001 0010 0000 1110 1101 整理课件43 非单值误差的消除 1）采用循环码（格雷码） 1100 0011 0101 0110 0111 0100 1010 1001 1000 1011 1111 0001 0010 0000 1110 1101 1001 0111 1111 0100 0101 1100 1101 1110 1010 1011 0001 0110 0010 0010 0011 0000 1000 整理课件44 2）带判位光电装置的循

18、环码盘 0100 1101 1111 1110 1010 1100 1010 0111 0110 0010 0011 1011 1000 1001 0000 0001 整理课件45 直流测速机速度检测 M I0 U0RL 永磁式测速机的原理图 理想值 实测值 RL RL1 RL2 RL RL1 RL2 n U/V 直流测速机的输出特性 速度传感器 整理课件46 光电式转速传感器 光源 1 2 3 4 1透镜； 2带缝隙圆盘； 3指示缝隙盘； 4光电元件 光电式转速传感器的结构原理图 整理课件47 根据测量单位时间内的脉冲数N,则可测出转速为 Z圆盘上的缝隙数； n转速(rmin)； t测量时间

19、(s)。 一般取Zt=6010m(m0,1,2,)。 Zt N n 60 整理课件48 加速度传感器 一、电阻应变式 电阻应变式加速度计原理结构如图所示。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 况下即可算出被测加速度。 整理课件49 传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质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。压电元件产量块产生惯性力，使压电元件产生变形。压电元件产 生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。生的变形和由此产生的电荷与加速度成

20、正比。 引出线 3 质量块1 壳体 压电晶片 m 4 2 二、压电式 整理课件50 5.5、力、压力和扭矩传感器 一、工作原理 首先由弹性元件将力、力矩、压力等被测量转换成位移 或应变，然后再通过转换元件将相应的位移或应变转换 成电信号输出。 21, G l l G R R EA P E 整理课件51 二、弹性元件弹性元件 应变式力传感器的测量范围很大，可以从5N10MN以上， 测量精度可以达到0.03%2%。 整理课件52 位置传感器 一、分类 位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离 的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一位置。 位置传感器分为接触式和非接触式两种。 整理课件

21、53 二、接触式位置传感器 所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否已接触信 息的一种传感器。 整理课件54 三、非接触式位置传感器 而非接触式（接近式）传感器是用来判别在某一范围内 是否有某一物体的一种传感器。 整理课件55 1.一光栅传感器，刻线数为100线/mm，设细分 时测得莫尔条纹数为400，试计算光栅位移是 多少毫米？若经四倍细分后，记数脉冲仍为 400，则光栅此时的位移是多少？测量分辨率 是多少？ 整理课件56 2.测得某检测装置的一组输入输出数据如下： 试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度； 整理课件57 3.试分析变面积式电容传感器的灵敏度?怎么提 高传感器的灵敏度? 整

22、理课件58 数据检测系统的组成数据检测系统的组成 数据采集系统的典型构成数据采集系统的典型构成 整理课件59 数据采集系统常由包括放大器、滤波器等在内数据采集系统常由包括放大器、滤波器等在内 的信号调理电路、多路模拟开关、采样的信号调理电路、多路模拟开关、采样/保持电路、保持电路、 A/D转换器以及接口控制逻辑电路所组成。转换器以及接口控制逻辑电路所组成。 1信号调理电路信号调理电路 主要指：把信号调整到符合主要指：把信号调整到符合A/D转换器工作所需转换器工作所需 要的数值（如放大、衰减、偏移等）；滤除信号中要的数值（如放大、衰减、偏移等）；滤除信号中 不需要的成分，如低通滤波、带通滤波、高

23、通滤波、不需要的成分，如低通滤波、带通滤波、高通滤波、 带阻滤波等；把信号调整到进一步处理的需要，如带阻滤波等；把信号调整到进一步处理的需要，如 线性修正电路、改善信噪比的线性修正电路、改善信噪比的“相加平均相加平均”电路等电路等 等。等。 整理课件60 测量放大器测量放大器 1仪表放大器仪表放大器 原理图原理图 整理课件61 这个电路的电压放大倍数为这个电路的电压放大倍数为 ) 2 1 ( R R K 1 2 3 4 u R R 放大器所采用的上述电路形式，是它具有输入放大器所采用的上述电路形式，是它具有输入 阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输出阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输

24、出 不包含共模信号等一系列优点。这种放大器在许不包含共模信号等一系列优点。这种放大器在许 多高精度、低电平的放大方面是极其有用的，而多高精度、低电平的放大方面是极其有用的，而 且由于它的共模抑制能力强，所以能从高的共模且由于它的共模抑制能力强，所以能从高的共模 信号背景中检测出微弱的有用信号。信号背景中检测出微弱的有用信号。 调整调整R1即可改变放大倍数。即可改变放大倍数。 整理课件62 二、程控增益放大器二、程控增益放大器 程控增益放大电路:在多通道或多参数的数据采集系 统,共用一个测量放大器,根据各个输入信号电平 的大小,改变测量放大器的增益,使各输入通道均 有最合适的放大增益,各通道或各

25、参数的信号经放 大器后达到A/D变换器输入所要求的标准值。 整理课件63 三、隔离放大器三、隔离放大器 使共模电压和干扰信号隔离，同时放大有用信号。 集成隔离放大器有变压器耦合式，光电耦合式和电 容耦合式三种。 整理课件64 按通过的频率范围分按通过的频率范围分 低通滤波低通滤波(LPF) 高通滤波高通滤波(HPF) 带通滤波带通滤波(BPF) 带阻滤波带阻滤波(BEF) 按性质分按性质分 无源滤波器无源滤波器 有源滤波器有源滤波器 滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制 或衰减无用频率信号得电子装置。或衰减无用频率信号得电子装置。 2.信号滤

26、波电路 整理课件65 各类滤波器的特性各类滤波器的特性 整理课件66 数字滤波数字滤波 数字滤波实质上是一种程序滤波，与模拟滤波相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：不需要额外的硬件设备，不比具有如下优点：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。套数字滤波程序，从而降低了仪器的硬件成本。 可以对频率很低或很高的信号实现滤波。可可以对频率很低或很高的信号实现滤波。可 以根据信号的不同而采用不同的滤波方法或滤波以根据信号的不同而采用不同的滤波方法或滤波 参数，灵

27、活、方便、功能强。参数，灵活、方便、功能强。 整理课件67 (1).中值滤波中值滤波 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。采样次数有效值。程序算法就是通用的排序算法。采样次数n一般一般 取为大于取为大于3的奇数。的奇数。 (2).算术平均滤波算术平均滤波 算术平均滤波方法的原理是，对信号连续进行

28、算术平均滤波方法的原理是，对信号连续进行n次采样，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，为便于运算处越大，滤波效果越好，但灵敏度也越低，为便于运算处 理，常取理，常取n = 4、8、16。 整理课件68 (3).滑动平均滤波滑动平均滤波 该方法采用循环队列作为采样数据存储器，该方法采用循环队列作为采样数据存储器， 队列长度固定为队列长度固定为n，每进行一次新的采样，把，每进行一次新的

29、采样，把 采样数据放入队尾，扔掉原来队首的一个数采样数据放入队尾，扔掉原来队首的一个数 据。这样，在队列中始终有据。这样，在队列中始终有n个最新的数据。个最新的数据。 对这对这n个最新数据求取平均值，作为此次采样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，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。对周期性干扰具有良好的抑制作用。 整理课件69 (4).程序判断滤波法程序判断滤波法 1.限幅滤波限幅滤波(上、下滤波法上、下滤波法) 2.限速滤波法限速滤波法 (

30、5).低通滤波低通滤波 当被测信号缓慢变化时，可采用数字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来模拟硬件低通滤波的功能。 整理课件70 传感器信号的非线性校正传感器信号的非线性校正 在自动检测系统中，利用多种传感器把各种被测在自动检测系统中，利用多种传感器把各种被测 量转换成电信号时，大多数传感器的输出信号和被测量转换成电信号时，大多数传感器的输出信号和被测 量之间的关系并非是线性关系。这是由于不少传感的量之间的关系并非是线性关系。这是由于不少传感的 转换原理并非线性，其次

31、是由于采用的电路（如电桥转换原理并非线性，其次是由于采用的电路（如电桥 电路）的非线性。要解决这个问题，在模拟量自动检电路）的非线性。要解决这个问题，在模拟量自动检 测系统中可采用三种方法：缩小测量范围，取近似测系统中可采用三种方法：缩小测量范围，取近似 值。采用非均匀的指示刻度。增加非线性校正环值。采用非均匀的指示刻度。增加非线性校正环 节。显然，前两种方法的局限性和缺点比较明显。节。显然，前两种方法的局限性和缺点比较明显。 整理课件71 通常我们在设计测量仪表时总希望得到均匀的指通常我们在设计测量仪表时总希望得到均匀的指 示刻度，这样仪表读数看起来清楚、方便。此外，示刻度，这样仪表读数看起

32、来清楚、方便。此外， 如果仪表的刻度特性为线性，就能保证仪表在整个如果仪表的刻度特性为线性，就能保证仪表在整个 量程内灵敏度是相同的，从而有利于分析和处理测量程内灵敏度是相同的，从而有利于分析和处理测 量结果。为了保证测量仪表的输出与输入之间具有量结果。为了保证测量仪表的输出与输入之间具有 线性关系，就需要在仪表中引入一种特殊环节，用线性关系，就需要在仪表中引入一种特殊环节，用 它来补偿其他环节的非线性，这就是非线性校正环它来补偿其他环节的非线性，这就是非线性校正环 节或称为节或称为“线性化器线性化器”。 整理课件72 3 3 2 210 xaxaxaay n nxa. . 5 5 3 31x

33、axaxay . 4 4 3 3 2 2101xaxaxaxaay . 4 4 3 3 2 2101xaxaxaxaay . 4 4 3 3 2 2102xaxaxaxaay .)(2 5 5 3 3121xaxaxayyy .)(2 5 5 3 3121xaxaxayyy 整理课件73 2.开环非线性特性补偿 整理课件74 整理课件75 3.闭环非线性反馈补偿 整理课件76 整理课件77 4.分段补偿法分段补偿法 将校正特性曲线用将校正特性曲线用 连续有限的折线来连续有限的折线来 代替代替 。 校正特性折线逼近法校正特性折线逼近法 整理课件78 xky 1 0 1 xx )( 121 xxk

34、xky 12 xxx )()( 231221 xxkxxkxky 23 xxx )()()()( 12112331221 nnnnn xxkxxkxxkxxkxky 22 tgk nn tgk 式中，式中，xi为折线的各转折点，为折线的各转折点，ki为各线段的斜率，为各线段的斜率， 11 tgk 根据折线逼近法所作的各段折线可列出下列方程：根据折线逼近法所作的各段折线可列出下列方程： 整理课件79 转折点越多，折线越逼近曲线，精度也越高。但转折点越多，折线越逼近曲线，精度也越高。但 太多了则会电路本身误差而影响精度。在校正电太多了则会电路本身误差而影响精度。在校正电 路中通常采用运算放大器，当

35、输入电压为不同范路中通常采用运算放大器，当输入电压为不同范 围时，相应改变运算放大器的增益，从而获得所围时，相应改变运算放大器的增益，从而获得所 需要的斜率，其本身就是一个非线性放大器。需要的斜率，其本身就是一个非线性放大器。 整理课件80 非线性校正装置也可以放置在非线性校正装置也可以放置在A/D转换之后，转换之后， 过去这些数字量的线性化，都是采用硬件处理过去这些数字量的线性化，都是采用硬件处理 技术来实现的。随着计算机技术的广泛应用，技术来实现的。随着计算机技术的广泛应用， 充分利用计算机处理数据的能力，用软件进行充分利用计算机处理数据的能力，用软件进行 传感器特性的非线性补偿传感器特性

36、的非线性补偿 。一般有三种方法：。一般有三种方法： 计算法、查表法和插值法计算法、查表法和插值法 。 数字量的非线性校正数字量的非线性校正 数字量软件非线性校正数字量软件非线性校正 整理课件81 计算法采用计算法采用n次多项式来逼近非线性曲线。该多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。其具体项式方程的各个系数由最小二乘法确定。其具体 步骤如下：步骤如下： a. 对传感器及其调理电路进行静态标定，得校准对传感器及其调理电路进行静态标定，得校准 曲线。标定点的数据为曲线。标定点的数据为 输入输入 xi：x1，x2，x3，xN 输出输出 ui：u1，u2，u3，uN N

37、为标定点个数，为标定点个数， i=1，2，N 整理课件82 b. 设反非线性特性拟合方程为设反非线性特性拟合方程为 式中：式中：a0，a1，a2，a3，an为待定常数为待定常数 c. 求解待定常数求解待定常数a0，a1，a2，a3，an。 。根据最小 根据最小 二乘法来确定待定常数的基本思想是，由上式确定二乘法来确定待定常数的基本思想是，由上式确定 的各个的各个xi（ui）值与各个点的标定值）值与各个点的标定值xi之均方差应最之均方差应最 小，即：小，即： n iniiii uuuux.)( 2 210 ),( )()( 10 2 2 210 2 11 naaaF N n n N i i ii

38、 i i iiixuauauaaxux 最小值 整理课件83 所以对该函数求导并令它为所以对该函数求导并令它为0，即令，即令 从这从这n+1个方程中可解出，个方程中可解出， a0，a1， an 等等n+1 个系数，就可写出反非线性特性拟合方程式。有个系数，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了反非线性特性曲线的n次多项式近似表达式，就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可利用该表达式编写非线性校正程序。 0 ), 0 10 a aaaFn（ 0 ), 1 10 a aaaFn（ 0 ),10 n n a aaaF（ 整理课件84 采用多路模拟开关，让许多

39、独立的模拟信号源采用多路模拟开关，让许多独立的模拟信号源 信号共享采样信号共享采样/保持电路和保持电路和A/D转换等器件。转换等器件。 多路模拟开关多路模拟开关 开 关 地 址 输 入 端 开 关 控 制 与 驱 动 电 路 选 通 信 号 5 模 拟 输 入 通 道7 8 6 2 4 3 1 S0 S4 S6 S7 S5 S1 S2 S3 A /D转 换 器 . . . . . . . 整理课件85 A2A1A0EN“ON” 00011 00112 01013 01114 10015 10116 11017 11118 0无无 整理课件86 A/D转换器是数据采集系统的核心器件，用转换器是数

40、据采集系统的核心器件，用 以把模拟信号输入转换成数字信号的输出。目以把模拟信号输入转换成数字信号的输出。目 前最常用的前最常用的A/D转换器是逐次逼近型和双斜积分转换器是逐次逼近型和双斜积分 型。型。A/D转换过程包括采样、量化和编码三个步转换过程包括采样、量化和编码三个步 骤。骤。 3A/D转换器转换器 整理课件87 A/D转换过程转换过程 整理课件88 整理课件89 信号采集与保持信号采集与保持 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。采样时间序列的过程。信号采样是通过采样开关来实现

41、。采样 开关又称采样器，实质上它是一个模拟开关，每隔时间间开关又称采样器，实质上它是一个模拟开关，每隔时间间 隔隔T闭合一次，每次闭合持续时间闭合一次，每次闭合持续时间，其中，其中，T称为采样周称为采样周 期，其倒数期，其倒数fs=1/T称为采样频率，称为采样频率，称为采样时间或采样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，因而还需要用仍是连续的，因而还需要用A/D转换器将其转换成数字量转换器将其转换成数字量。 整理课件90 A/D转换过程需要一定时转换过程需要一定时 间，为防止产生误差，要间，为防止产生误差，要 求在此期间内保持采样信求在此期间内保持采样信 号不变。实现这一功能的号不变。实现这一功能的 电路称采样电路称采样/保持电路。保持电路。 VF Uc ui N1 C N2 0 u 整理课件91 运算放大器运算放大器N1和和N2接成跟随器，作缓冲器用。当控制信接成跟随器，作缓冲器用。当控制信 号