第五章传感器与信号处理(wzg)

1、 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 备图 2-1 典型机电系统的结构形式敏感元件转换元件基本转换电路电量被测量传感器 计数型（二值型+计数器） 电压，电流型（热电偶,Cds电池） 电感，电容型（可变电容）有接点型(微动开关，接触开关， 行程开关) 按输出信号 电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型二值型电量无

2、接点型(光电开关，接近开关)模拟型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）100%maxFSyL xyS0yFSHm0 xFSyx图2-2 迟滞特性 %100FSmyHH100%FSmRyR 1322nyyyiFSRyFS0 xFSxRm1yRm2图2-3 重复特性( )32411.标 尺 光 栅 2.指 示 光 栅3.光 电 元 件 4.光 源光栅产品ddffddBffddW/2WddW/2指示光栅标尺光栅X*wX*B标尺光栅指示光栅莫尔条纹WWB2sin2U0UW/2oUm2W3W/2WxWxUUUm2sin0差动放大器差动放大器整形器整形器方向判别门电路可逆计数器正向脉冲反向脉冲控制回路光电池组

3、abcd4W标尺光栅聚光镜光源指示光栅图2-7 光栅测量系统4cos360cos2ssKUxKUUosin360sin2ccKUxKUUosincos222csKUKUUUUxx2360)(otmsUUsintUUmccos222UUU)sin(sincoscossintKUtKUtKUmmmox360tmUUssinsintmUUcsincostKUUUUmsin)sin(222tVVmssintkVkVVmsBsinsinsin 应用电磁感应原理的幅值smVV图2-13 两极旋转变压器Z12ZDD21UD13U24DZ3U3Z41 1 0 00 0 1 10 1 0 10 1 1 00 1

4、 1 10 1 0 01 0 1 01 0 0 11 0 0 01 0 1 11 1 1 10 0 0 10 0 1 00 0 0 01 1 1 01 1 0 11 1 0 00 0 1 10 1 0 10 1 1 00 1 1 10 1 0 01 0 1 01 0 0 11 0 0 01 0 1 11 1 1 10 0 0 10 0 1 00 0 0 01 1 1 01 1 0 11 0 0 10 1 1 11 1 1 10 1 0 00 1 0 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 0 1 01 0 1 10 0 0 10 1 1 00 0 1 00 0 1 00 0 1 10

5、0 0 01 0 0 00 1 0 01 1 0 11 1 1 111101 0 1 01 1 0 01 0 1 00 1 1 10 1 1 00 0 1 00 0 1 11 0 1 11 0 0 01 0 0 10 0 0 00 0 0 1MI0RLV0 x00ett光电池挡板V速度测量0e微分电路txV/透镜光源光电器件带缝隙圆盘指示缝隙盘tZNn60Zfn60应变片m悬臂梁Z (t)0Z (t)1充以阻尼液体的壳体引 出 线3质 量 块1 壳 体压 电 晶 片m4 2 3241C12C金属电阻丝应变片结构应变片电桥电路)(43214231RRRRRRRRE电桥输出计算公式：)21( RR

6、a)PPb)P1R4R2R4R1R2RR3R3Pc)RR1R3A1RD R3R42B4R2CR1RR2R4(R )(R )R13bR43lhAR1PD3RR2CBEbhPL26单个CCD栅极电压变化对耗尽区的影响图5-44 对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅耳透镜将其聚焦后加至两个探测元上，因此传感器会输出探测信号电压。显示执行机构模/数转换器量程变换电路传感器振 荡 器放大器运算电路解调器滤波器计算机显示执行机构模/数转换器量程变换电路传感器振 荡 器放大器运算电路解调器滤波器计算机放大整形光电转换传感器纠错电路码制变换显示执行机构译码器传感器脉冲当量变换电路

7、放大器细分电路整形电路寄存器计数器计算机显示执行辨向电路 传感器的输出多数为正弦波信号，需先经放大、整形后变成传感器的输出多数为正弦波信号，需先经放大、整形后变成数字脉冲信号。但在多数情况下，为提高分辨率，常采用细分电数字脉冲信号。但在多数情况下，为提高分辨率，常采用细分电路使传感器信号每变化路使传感器信号每变化1/n个周期计一个数，其中个周期计一个数，其中n称为细分数。称为细分数。辨向电路用于辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的被测辨向电路用于辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的被测量不便读出和处理时，需进行脉冲当量变换。计算机可对信号进量不便读出和处理时，需进行脉冲当量变换。计算机

8、可对信号进行复杂的运算处理，并将结果直接送去显示或打印输出，或求取行复杂的运算处理，并将结果直接送去显示或打印输出，或求取控制量去控制执行机构控制量去控制执行机构。传感器传感器传感器采样/保持采样/保持多路模拟开关控制器A/D缓冲器总线A/D总线传感器多路模拟开关总线放大采样/保持控制器A/D采样/保持A/D采样/保持A/D采样/保持A/D总线传感器输入并行输入口a)b)c)d). 三态缓冲器开 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7862431S0S4S6S7S5S1S2S3A/D转 换 器. A D 7501A2译 码 驱 动电 平 转 换

9、电 路(-15V )(+ 15V )O U TS1地VSSVD DS2321G N DVSS15A1A016E NVD DS114E NA1A2A08765411S8S7O U T1213S2S6S510S3S49 上图是上图是AD7501型多路模拟开关集成芯片的管脚功型多路模拟开关集成芯片的管脚功能图，这是具有能图，这是具有8路输入通道、路输入通道、1路公共输出的多路开关路公共输出的多路开关CMOS集成芯片。由三个地址线（集成芯片。由三个地址线（A0、A1、A2）的）的状态及状态及EN端来选择端来选择8个通道之中的一路，片上所有的逻个通道之中的一路，片上所有的逻辑输入端与辑输入端与TTL/D

10、TL及及CMOS电路兼容。其真值表如电路兼容。其真值表如下下:VFUcuiN1CN20uVFUcuiN1CN20u全 队 列 数 据 求 累 加 和修 改 队 尾 指 针新 值 放 入 队 尾 冲 去 旧 值返 回求 平 均 值采 样 一 次入 口o00ooiudtduudtduRCuiRu) 1()()(nYtnXttnYt) t/(t)1()1()()(nYnXnYttfC2)1 (221返 回累 加 到Y(n)中计 算 （ 1）Y(n 1)计 算X(n),暂 存 于Y(n)中将 已 有 输 出 作 为 上 次 输 出 Y (n 1)取 新 采 样 值X(n)入 口0b)xiux0c)ui

11、xxia)0ud)y=xx 微型计算机/处理器传感器及其 调理电路xA/Duy=xniniiiiuuuux.)(2210),()()(1022210211naaaFNnnNiiiiiiiiixuauauaaxux最小值0),010aaaaFn（0),110aaaaFn（0),10nnaaaaF（检测及放大电路多路开关U零 信 号 输 入基 准 信 号RUi被 测 信 号.A/D微型机检测及放大电路多路开关U零 信 号 输 入基 准 信 号RUi被 测 信 号.A/D微型机RRUaxaxUii00相乘)(tgt0cos ttgtf0cos)()( 调制信号调制信号:)(tg：已调信号：已调信号)

12、(tf：载载波波信信号号t0cos ：载波角频率：载波角频率0 原理方框图原理方框图t tgtt0cos t ttg0cos 载载波波反反相相点点t ttgA0cos t tgA 调制信号调制信号载波信号载波信号抑制载波调幅抑制载波调幅调幅调幅解调解调tx(t)r(t)w(t)Or(t):r(t):半波整流信号半波整流信号w(t)w(t)：图中得到的包络：图中得到的包络x(t)x(t)：实际包络，即：实际包络，即A+g(t)A+g(t)CR tf twD tr2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效

13、应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发的变化而发生变化象。生变化象。 1) 1) 工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化。上述任何一个参数变换均会引起电阻变化。金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为AlR/应变计金属应变片金属应变片3) 3) 应变片的主要参数应变片的主要参数 4 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 1 1）几何参数：表距）几何参数：表距L L和丝栅宽度和丝栅宽度b b，制造厂常用，制造厂常用 b bL L表示。表示。2 2）电阻值：应变计的原始电阻值。）电阻值：应变计的原始电阻值。 3 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 3)