1、機電一體化技術-檢測系統(tǒng)第1頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四第一節(jié) 檢測系統(tǒng)的功能及特性一、基本功能及分類1、功能 對系統(tǒng)運行中所需的自身及外界環(huán)境參數(shù)與狀態(tài)進行檢測，并將其變換成系統(tǒng)可識別的電信號傳遞給信息處理單元。第2頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四2、分類1）根據(jù)被檢測物理量的性質(zhì)(a)運動學參數(shù)檢測系統(tǒng)(b)力學參數(shù)檢測系統(tǒng)(c)圖像檢測系統(tǒng)(d)其它物理量檢測系統(tǒng)2）根據(jù)被檢測信號的性質(zhì)(a)模擬信號檢測系統(tǒng)(b)數(shù)字信號檢測系統(tǒng)第3頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四二、檢測系統(tǒng)的基本特性1、靈敏度與分辨率2、精確

2、度3、頻率響應特性4、穩(wěn)定性5、線性特性第4頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四三、檢測系統(tǒng)的檢測方式接觸式檢測非接觸式檢測在線檢測非在線檢測四、檢測系統(tǒng)的組成傳感器測量電路輸出單元被測量輸出量第5頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四傳感器： 把被測非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對應關系，且便于應用的某些物理量（通常為電量）的測量裝置。測量電路： 輸出單元： 把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號，使之能在輸出單元的指示儀上指示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統(tǒng)的檢測或反饋信號。指示儀、記錄儀、累加器、報警器、數(shù)據(jù)處理電路等。第6頁，共62頁，2022年，5

3、月20日，3點38分，星期四（1）不斷提高儀器的性能、可靠性，擴大應用范圍。（2）開發(fā)新型傳感器。（3）開發(fā)傳感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工藝。（4）微電子技術、微型計算機技術、現(xiàn)場總線技術與儀器儀表和傳感器的結(jié)合，構(gòu)成新一代智能化測試系統(tǒng)，使測量精度、自動化水平進一步提高。（5）研究集成化、多功能和智能化傳感器或測試系統(tǒng)。五、檢測技術的發(fā)展趨勢第7頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四1）體積小、重量輕，對整機的適應性好。2）精度和靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性好、信噪比高。3）安全可靠、壽命長。4）便于與計算機連接。5）不易受被測的影響，也不影響外部環(huán)境。6）對環(huán)境條件

4、適應能力強。7）現(xiàn)場處理簡單，操作性能好，價格便宜。機電一體化系統(tǒng)對檢測傳感器的基本要求第二節(jié) 常用傳感器第8頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四一、傳感器的選用原則 表示傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關系希望輸出與輸入具有確定的對應關系，且呈線性關系。1）靜特性參數(shù)的選用y-輸出量x-輸入量a0-零輸出a1-理論靈敏度a2、an-非線性項的待定系數(shù)理想狀態(tài)下a0、a2、an均為零。第9頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四a)線性度最大非線性誤差非線性誤差或線性度滿量程輸出理想特性實際特性xHmaxY第10頁，共62頁，2022年，5月20日，3

5、點38分，星期四 線性度反映了被測值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器輸出與輸入之間的關系曲線對擬合直線的接近程度。選用原則：選用線性度小的為宜。 傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為其靜態(tài)靈敏度。表征傳感器對輸入量變化的反應能力。（b）靈敏度第11頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四 線性傳感器 非線性傳感器 傳感器的靈敏度 選用原則： 在量程范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度越高越好，但要注意外界噪聲的影響。第12頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四 正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。 正反行程間輸出的最大差值。(c)遲滯xH

6、maxY第13頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四 磁性材料的磁滯，結(jié)構(gòu)材料受力變形的滯后、摩擦等是產(chǎn)生遲滯誤差（回程誤差）的原因。選用原則：遲滯誤差越小越好。xY(d)重復性 傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。第14頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四正行程的最大重復性偏差反行程的最大重復性偏差取較大者為xRmax1Rmax2y反映了傳感器的離散性。第15頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四 傳感器的動態(tài)特性是傳感器的輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。反映了傳感器輸出值真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。2）

7、動特性 測量交變信號時，傳感器在其所測頻率范圍內(nèi)，保持信號不失真的測量特性。 在信號的所測頻率范圍內(nèi)，要求傳感器的幅頻特性是平直的，而要求相頻特性是線性的或是不變的。第16頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四S1、 電容式傳感器二、 常見傳感器特點 ：（2） 結(jié)構(gòu)簡單、適應性強 （3） 動態(tài)響應好 （4） 可以實現(xiàn)非接觸測量（1）溫度穩(wěn)定性好（5）輸出阻抗高、負載能力差（6）寄生電容影響大第17頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四變極距(）型: (a)、(e) 變面積型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 變介電常數(shù)( )型: （i

8、）(l) 第18頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四 差動變壓器是把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感量的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動的形式連接，故稱之為差動變壓器式傳感器。2、差動變壓器第19頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四差動變壓器輸出特性 理想特性實際特性（）供電電源首先要穩(wěn)定，電源幅值的適當提高可以提高靈敏度K值;（）增加W2/W1的比值和減少0都能使靈敏度K值提高;第20頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四3、 光柵傳感器 是非接觸式傳感器，由光柵與光電組件構(gòu)成。當光柵與光電組件產(chǎn)生相對位

9、移時，光電元件感應相應信號并產(chǎn)生脈沖信號，通過檢測電路對產(chǎn)生的脈沖進行計數(shù)，從而確定相對的位移量。第21頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四1）光柵傳感器光源鎢絲燈泡半導體發(fā)光器件 轉(zhuǎn)換效率高，響應特征快速。 輸出功率較大，工作范圍較寬（-40到+130）與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機械振動和沖擊條件下工作時，使用壽命將降低。結(jié)構(gòu)與分類 光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。第22頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四2）光柵副：指示光柵主光柵 一般地： a+b=W，a=b=W/2 a柵線寬度b線間寬度W光柵柵距（光柵常

10、數(shù)）光柵條紋密度一般為每毫米25、50、100、250條等。第23頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四光柵分類1）根據(jù)檢測位移性質(zhì)分直線式光柵回轉(zhuǎn)式光柵2）根據(jù)制造光柵的材料分金屬光柵玻璃光柵3）光電元件 包括有光電池和光敏三極管等部分。第24頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四2、測量原理光路光源聚光鏡主光柵指示光柵光電元件莫爾條紋信號第25頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定 莫爾條紋的形成第26頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四光柵傳感

11、器特點（1）精度高。測長度精度可達0.53m，分辨力可達0.1m。測角度精度可達0.15，分辨力可達0.1，甚至更高。（2）用于高分辨力大量程測量。（3）可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化。（4）具有較強的抗干擾能力。第27頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四第三節(jié) 檢測系統(tǒng)的檢測原理模擬信號的檢測傳感器測量電路放大器解調(diào)器濾波器轉(zhuǎn)換電路接口電路振蕩器第28頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四1、基本測量電路把傳感器感應到的非電量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量參數(shù)。(1) 調(diào)頻電路第29頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四當被測信號為零時

12、，C=0，振蕩器有一個固有振蕩頻率f0當被測信號不為零時，c0，此時頻率為 具有較高的靈敏度，可測至0.01m級位移變化量易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強 第30頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四(2) 運算放大器式電路 Cx是傳感器電容uC-Cxu0C是固定電容u0是輸出電壓信號 第31頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四由運算放大器工作原理可知 結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性uC-Cxu0第32頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四ADC (Analog / Digital Converter)08

13、09輸入通道輸出端基準參考電壓輸出允許信號轉(zhuǎn)換結(jié)束信號啟動轉(zhuǎn)換信號時鐘信號輸入端地址線禁止端電源端接地端（1）基本結(jié)構(gòu)2、轉(zhuǎn)換電路第33頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四（2）轉(zhuǎn)換過程CPU地址碼（A、B、C）ALE指令SC信號，開始轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)束鎖存EOC信號OE信號，讀取數(shù)據(jù)第34頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四第35頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四第四節(jié) 檢測信號的預處理一、模擬信號的預處理1）模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式（1）單通道直接型特點: 最簡單的形式。只用一個A/D轉(zhuǎn)換及緩沖器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并輸入微機。受轉(zhuǎn)換電

14、壓幅度與速度的限制，應用范圍窄。第36頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四(2)多通道一般型特點: 依次對每個模擬通道進行采樣保持和轉(zhuǎn)換，節(jié)省元、部件，速度低，不能獲得同一瞬時的各通道的模擬信號。第37頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四(3)多通道同步型特點: 各采樣/保持同時動作，可測得在同一瞬時各傳感器輸出的模擬信號。第38頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四(4)多通道并行輸入型特點: 各通道直接進行轉(zhuǎn)換，送入微機或信號通道。靈活性大，抗干擾能力強。根據(jù)傳感器輸出信號的特點可采用采樣/保持或不同的ADC。第39頁，共62頁，2

15、022年，5月20日，3點38分，星期四2）多路模擬開關有選擇地切換各路輸入信號。譯 碼 器電 平 轉(zhuǎn) 換 電 路INHCBA01234567I/O第40頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四地址碼選中通道C B A0 0 0IN0 0 0 1IN1 0 1 0IN2 0 1 1IN3 1 0 0IN4 1 0 1IN5 1 1 0IN6 1 1 1 IN7地址編碼表第41頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四3）模擬信號的采樣與保持采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字調(diào)節(jié)器D/A轉(zhuǎn)換器保持器y (t)y *(t)y (kT)u (kT)u *(t)u (t)y (t

16、)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)第42頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四(1)采樣：把模擬信號變成一系列不連續(xù)的脈沖時間序列的過程。y (t)ty *(t)ta)采樣過程y (t)y *(t)采樣開關第43頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四b)采樣信號特征時間軸上離散，函數(shù)軸上連續(xù)，是一個離散的模擬信號。(2)保持： 采樣信號在進入A/D轉(zhuǎn)換前，要在一定時間內(nèi)保持不變，從而為A/D轉(zhuǎn)換

17、提供充分的時間，防止產(chǎn)生誤差。y *(t)t第44頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四(3)采樣/保持電路第45頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四二、數(shù)字信號的預處理數(shù)字濾波（1）模擬電路uiuoRCi第46頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四（2）頻率特性uiuoRCi傳遞函數(shù)第47頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四令：則：幅頻特性0-截止頻率10T（）0第48頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四（3）算法是常微分方程，采用尤拉格式，以差商代替導數(shù)。即：如果在點x n列出方程 y (x n

18、)=f (x n, y (x n ) 則用：代替y (x n)有：y n= y (x n )=y (x n-1 )+h f (x n-1, y (x n-1) 第49頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四對于：令：X=u i , Y=u o 即：本次采樣值本次輸出值第50頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四用代替有 t-采樣周期Y（n-1）-上次輸出值第51頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四令：則：濾波平滑系數(shù)截止頻率為：第52頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四（4）程序流程圖開始確定Y(n-1)收集X(n)計算

19、X(n），暫存于Y(n)計算(1-)Y(n-1),累加到Y(jié)(n)結(jié)束第53頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四第五節(jié) 傳感器非線性補償處理傳感器放大器A/D數(shù)字量非線性校正電路數(shù)字處理或顯示 在機電一體化測試系統(tǒng)中，當對被測參量進行顯示時，希望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關系，使測量對象在整個刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對系統(tǒng)進行分析處理。 當檢測元件存在不同程度的非線性特性時，會使較大范圍的動態(tài)檢測存在很大的誤差，因此需要對傳感器及測試系統(tǒng)進行非線性補償。第54頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四一、計算法 當輸出信號與傳感器的參數(shù)之間

20、有確定的數(shù)字表達式時采用的辦法。具體措施： 在軟件中編制一段完成數(shù)字表達式計算的程序，被測參數(shù)經(jīng)過采樣、濾波和標定變換后直接進入計算機程序進行計算，計算后的數(shù)值即為經(jīng)過線性化處理的輸出參數(shù)。 非線性補償可以采用硬件電路或使用軟件來完成。第55頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四具體措施： 把事先經(jīng)計算或測得的數(shù)據(jù)按一定順序編成表格，編寫查表程序，根據(jù)被測參數(shù)的值或中間結(jié)果查出最終所需要的結(jié)果。特點： 程序簡單、執(zhí)行速度快；占用內(nèi)存單元較多，表格的編制比較麻煩。二、查表法 當測控參數(shù)的計算非常復雜時（如一些非線性參數(shù)），不能用一般的算術運算求出，而需要涉及到指數(shù)、對數(shù)、三角函

21、數(shù)、積分、微分等運算，程序編寫比較復雜，有些甚至無法建立相應的數(shù)學模型，采用非數(shù)值計算的方法。第56頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四三、插值法1、插值原理xyx0y0 x1y1xiyixyXi+1yi+1xnyn y=f(x)不是簡單的線性方程，因此當已知某一輸入值以后，求輸出值比較困難。把曲線分段使問題簡化。 把相鄰兩分段點用直線連起來，用此直線代替相應的各段曲線,即可求出輸入值x所對應的輸出值y。第57頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四xyx0y0 x1y1xiyixyXi+1yi+1xnyn設x在（xi , xi+1)之間，其對應的逼近值為：只要n取足夠大，即可獲得良好的精度。第58頁，共62頁，2022年，5月20日，3點38分，星期四2、插值法的計算機實現(xiàn)（1）用實驗法測出傳感器的變化曲線y=f(x)。