机电一体化技术--检测系统设计

1、2 常用传感器常用传感器3 检测系统的检测原理检测系统的检测原理4 检测信号的预处理检测信号的预处理一、基本功能及分类一、基本功能及分类1、功能、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。单元。2、分类、分类1）根据被检测物理量的性质）根据被检测物理量的性质(a)运动学参数检测系统运动学参数检测系统(b)力学参数检测系统力学参数检测系统(c)图像检测系统图像检测系统(d)其它物理量检测系统其它物理量检测系统2）根据被检测信号的性质）根

2、据被检测信号的性质(a)模拟信号检测系统模拟信号检测系统(b)数字信号检测系统数字信号检测系统二、检测系统的基本特性二、检测系统的基本特性1、灵敏度与分辨率、灵敏度与分辨率2、精确度、精确度3、频率响应特性、频率响应特性4、稳定性、稳定性5、线性特性、线性特性三、检测系统的检测方式三、检测系统的检测方式接触式检测接触式检测非接触式检测非接触式检测在线检测在线检测非在线检测非在线检测四、检测系统的组成四、检测系统的组成传感器测量电路输出单元被测量输出量测量电路：测量电路： 输出单元：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

3、的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作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。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。指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。1）体积小、重量轻，对整机的适应性好。）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。）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。）安全可靠、寿命长。4）便于与计算机连接。）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。）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。）

4、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。）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机电一体化系统对检测传感器的基本要求 表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系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。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）静特性参数的选用nnxaxaxaxaay332210y-输出量输出量x-输入量输入量a0-零输出零输出a1-理论灵敏度理论灵敏度a2、an-非线性项的待定系数非线性项的待定系数理想状态下理想状态下a0、a2、an均为

5、零。均为零。a)线性度线性度%100)(MFSaxLLy最大非线性误差最大非线性误差非线性误差或线性度非线性误差或线性度满量程输出满量程输出理想特性理想特性实际特性实际特性xHmaxY 线性度反映了被测值处于稳定状态时，传感器输出与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。输入之间的关系曲线对拟合直线的接近程度。选用原则：选用原则： 选用线性度小的为宜。选用线性度小的为宜。表征传感器对输入量变化的反应能力。表征传感器对输入量变化的反应能力。xyk（b）灵敏度）灵敏度 线性传感器线性传感器 非线性传感器非线性传感器 传感器的灵敏度传感器的灵敏度 选用原

6、则：选用原则： 在量程范围内，传感器的灵敏度越高越好，但要注在量程范围内，传感器的灵敏度越高越好，但要注意外界噪声的影响。意外界噪声的影响。 正反行程间输出的最大差值正反行程间输出的最大差值。HMAX%100)(21 (FSHMAXHy(c)迟滞迟滞xHmaxY 磁性材料的磁滞，结构材料受力变形的滞后、摩擦等是产磁性材料的磁滞，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。生迟滞误差（回程误差）的原因。选用原则：选用原则：迟滞误差越小越好。迟滞误差越小越好。xY(d)重复性重复性正行程的最大重复性偏差正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差1MaxR

7、2MaxR取较大者为取较大者为MaxR%100)(MaxFSRRyxRmax1Rmax2y反映了传感器的离散性。反映了传感器的离散性。2）动特性）动特性 测量交变信号时，传感器在其所测频率范围内，保持测量交变信号时，传感器在其所测频率范围内，保持信号不失真的测量特性。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。平直的，而要求相频特性是线性的或是不变的。模拟信号的检测模拟信号的检测传感器传感器测量测量电路电路放大器放大器解调器解调器滤波器滤波器转换转换电路电路接口接口电路电路振荡器振

8、荡器1、基本测量电路、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。把传感器感应到的非电量参数转换为电量参数。)(212101CCCCLLCfi当被测信号为零时，当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率，振荡器有一个固有振荡频率f0)(21010CCCLfi当被测信号不为零时，当被测信号不为零时，c0，此时频率为，此时频率为 ffCCCCLfi001)(21具有较高的灵敏度，可测至具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强 Cx是传感器电容是传感器电容uC-Cxu0

9、C是固定电容是固定电容u0是输出电压信号是输出电压信号 由运算放大器工作原理可知由运算放大器工作原理可知 uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()/ ) ( SCxuuCS0 uC-Cxu0ADC (Analog / Digital Converter)0809输入通道输入通道输出端输出端基准参考电压基准参考电压输出允许信号输出允许信号转换结束信号转换结束信号启动转换信号启动转换信号时钟信号输入端时钟信号输入端地址线地址线禁止端禁止端电源端电源端接地端接地端（1）基本结构）基本结构2、转换电路、转换电路（2）转换过程）转换过程CPU地址码（地址码（A、B、C）ALE指令指令SC信号，

10、开始转换信号，开始转换转换结束转换结束锁存锁存EOC信号信号OE信号，读取数据信号，读取数据一、模拟信号的预处理一、模拟信号的预处理1）模拟量的转换输入方式）模拟量的转换输入方式（1）单通道直接型）单通道直接型特点特点: 最简单的形式。只用一个最简单的形式。只用一个A/D转换及缓冲器将模拟量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。制，应用范围窄。(2)多通道一般型多通道一般型特点特点: 依次对每个模拟通道进行采样保持和转换，节省元、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

11、同一瞬时的各通道的模拟信号。部件，速度低，不能获得同一瞬时的各通道的模拟信号。(3)多通道同步型多通道同步型特点特点: 各采样各采样/保持同时动作，可测得在同一瞬时各传感器保持同时动作，可测得在同一瞬时各传感器输出的模拟信号。输出的模拟信号。(4)多通道并行输入型多通道并行输入型特点特点: 各通道直接进行转换，送入微机或信号通道。灵活性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大，抗干扰能力强。根据传感器输出信号的特点可采用采样样/保持或不同的保持或不同的ADC。2）多路模拟开关）多路模拟开关有选择地切换各路输入信号。有选择地切换各路输入信

12、号。译译 码码 器器电电 平平 转转 换换 电电 路路INHCBA01234567I/O地址编码表地址编码表3）模拟信号的采样与保持）模拟信号的采样与保持采样采样保持器保持器A/D转换器转换器数字数字调节器调节器D/A转换器转换器保持器保持器y (t)y *(t)y (kT)u (kT)u *(t)u (t)y (t)y *(t)y (kT)0 0 0 01 0 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1u (kT)0 1 0 01 0 0 11 0 1 00 1 1 00 0 1 0u *(t)u (t)(1)采样：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。把模拟信号变成一

13、系列不连续的脉冲时间序列的过程。y (t)ty *(t)ta)采样过程采样过程y (t)y *(t)采样开关采样开关b)采样信号特征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。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：保持： 采样信号在进入采样信号在进入A/D转换前，要在一定时间内保持不变，转换前，要在一定时间内保持不变，从而为从而为A/D转换提供充分的时间，防止产生误差。转换提供充分的时间，防止产生误差。y *(t)t(3)采样采样/保持电路保持电路二、数字信号的预处理二、数字信号的预处理数字滤波数字滤波（1）模拟电路）模拟电路uiuoRCioooooi

14、udtduudtduRCuiRu（2）频率特性）频率特性uiuoRCiRcjUcjcjRUcjIjXIUiicO11.11)(.传递函数传递函数RcarctgRcRcjUUio2.)(1111令：令：)()()(.TjTUUiO则：则：2)(11)(RcUUTio幅频特性幅频特性0-截止频率截止频率1210T（）0（3）算法）算法oooooiudtduudtduRCuiRu是常微分方程，采用尤拉格式，以差商代替导数。是常微分方程，采用尤拉格式，以差商代替导数。即：即：如果在点如果在点x n列出方程列出方程 y (x n)=f (x n, y (x n ) 则用：则用：hxyxynn)1()(代

15、替代替y (x n)有：有：y n= y (x n )=y (x n-1 )+h f (x n-1, y (x n-1) oooooiudtduudtduRCuiRu对于：对于：令：令： X=u i , Y=u o 即：即：YYYdtdYX)()()(nYnYnX)(nX本次采样值本次采样值)(nY本次输出值本次输出值tnYnY) 1()(用用)(nY代替代替)() 1()()(nYtnYnYnX有有)() 1()()(ntYnYnYntX) 1()()(nYtnXttnY t-采样周期采样周期Y（n-1）-上次输出值上次输出值) 1()()(nYtnXttnYtt令：令：t)1 (则：则：)

16、 1()1 ()()(nYnXnY滤波平滑系数滤波平滑系数)1 (22121tRCfc截止频率为：截止频率为：（4）程序流程图）程序流程图开始开始确定确定Y(n-1)收集收集X(n)计算计算X(n），暂存于），暂存于Y(n)计算计算(1-)Y(n-1),累加到累加到Y(n)结束结束传感器传感器放大器放大器A/D数字量非线数字量非线性校正电路性校正电路数字处理数字处理或显示或显示 在机电一体化测试系统中，当对被测参量进行显示时，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

17、围内灵敏度一致，以便于读数及对系统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。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。统进行非线性补偿。一、计算法一、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。时采用的办法。具体措施：具体措施： 在软件中编制一段完成数字表达式计算的程序，被测在软件中编制一段完成数字表达式计算的程

18、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。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。非线性补偿可以采用硬件电路或使用软件来完成。具体措施：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。结果。特点：特点： 程序简单、执行速度快；占用内存单元较多，表格的编程序简单、执行速