第二章檢測與傳感器2.1概述2.2線位移檢測傳感器2.3角位移檢測傳感器2.4速度、加速度傳感器2.5測力傳感器2.6傳感器的正確選擇和運用2.7檢測信號的采集與處置2.1概述一、定義及分類：1、定義：傳感器是將力、溫度、位移、速度等量轉(zhuǎn)換成電信號的元件?！皞鞲衅骷夹g(shù)是機電一體化的第一根底〞2、分類按能量變換的功能分：按輸出的信號分：物理傳感器化學(xué)傳感器計數(shù)型〔二次型+計數(shù)型〕

電壓，電流型〔熱電偶,Cds電池〕電感，電容型〔可變電容〕有接點型(微動開關(guān)，接觸開關(guān)，行程開關(guān))傳感器電阻型〔電位器，電阻應(yīng)變片〕非電量型二值型電量無接點型(光電開關(guān)，接近開關(guān))模擬型數(shù)字型代碼型〔旋轉(zhuǎn)編碼器，磁尺〕二、傳感器的根本特性1.傳感器的靜特性傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被丈量處于穩(wěn)定形狀下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)目的有：線性度、靈敏度、遲滯和反復(fù)性等。(1).線性度傳感器的線性度是指傳感器實踐輸出—輸入特性曲線與實際直線之間的最大偏向與輸出滿度值之比，即二、傳感器的根本特性(2).靈敏度傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)定規(guī)范條件下，輸出量的變化量與輸入量的變化量之比，即(3).遲滯傳感器在正〔輸入量增大〕反〔輸入量減小〕行程中，輸出——輸入特性曲線不重合的程度稱為遲滯，遲滯誤差普通以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示

二、傳感器的根本特性(4).反復(fù)性傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全量程延續(xù)多次反復(fù)丈量時，所得輸出——輸入曲線的不一致程度，稱反復(fù)性。反復(fù)性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即近似計算準(zhǔn)確計算二、傳感器的根本特性5.分辨力傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點附近的分辨力稱為閾值。6.零漂傳感器在零輸入形狀下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。2.傳感器的動態(tài)特性傳感器能丈量動態(tài)信號的才干用動態(tài)特性表示。動態(tài)特性是指傳感器丈量動態(tài)信號時，輸出對輸入的呼應(yīng)特性。傳感器動態(tài)特性的性能目的可以經(jīng)過時域、頻域以及實驗分析的方法確定，其動態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間、頻率呼應(yīng)范圍、臨界頻率等。

二、傳感器的根本特性1.新型傳感器的開發(fā)鑒于傳感器的任務(wù)機理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進一步發(fā)現(xiàn)新景象、采用新原理、開發(fā)新資料、采用新工藝，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器，這是開展高性能、多功能、低本錢和小型化傳感器的重要途徑?？傊?，傳感器正閱歷著從以構(gòu)外型為主轉(zhuǎn)向以物性型為主的過程。三、傳感器的開展方向2.傳感器的集成化和多功能化隨著微電子學(xué)、微細加工技術(shù)和集成化工藝等方面的開展，出現(xiàn)了多種集成化傳感器。這類傳感器，或是同一功能的多個敏感元件陳列成線性、面型的陣列型傳感器；或是多種不同功能的敏感元件集成一體，成為可同時進展多種參數(shù)丈量的傳感器；或是傳感器與放大、運算、溫度補償?shù)入娐芳梢惑w具有多種功能——實現(xiàn)了橫向和縱向的多功能。三、傳感器的開展方向3.傳感器的智能化“電五官〞與“電腦〞的相結(jié)合，就是傳感器的智能化。智能化傳感器不僅具有信號檢測、轉(zhuǎn)換功能，同時還具有記憶、存儲、解析、統(tǒng)計處置及自診斷、自校準(zhǔn)、自順應(yīng)等功能。如進一步將傳感器與計算機的這些功能集成于同一芯片上，就成為智能傳感器。三、傳感器的開展方向2.2線位移檢測傳感器一、光柵位移傳感器二、感應(yīng)同步器三、磁柵位移傳感器一、光柵位移傳感器1、光柵的構(gòu)造：2、任務(wù)原理一、光柵位移傳感器把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時，這光陰柵上會出現(xiàn)假設(shè)干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向陳列，如下圖。莫爾條紋具有如下特點：1.莫爾條紋的位移與光柵的挪動成比例。光柵每挪動過一個柵距W，莫爾條紋就挪動過一個條紋間距B2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。一、光柵位移傳感器經(jīng)過光電元件，可將莫爾條紋挪動光陰強的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號，如下圖。一、光柵位移傳感器其電壓為：將此電壓信號放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再經(jīng)辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，那么可用數(shù)字方式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。丈量分辨率等于柵距。一、光柵位移傳感器1.感應(yīng)同步器構(gòu)造二、感應(yīng)同步器sincos節(jié)距2τ〔2mm〕節(jié)距τ〔0.5mm〕絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺定尺包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節(jié)距T(普通為2mm)的方齒形線圈。定尺繞組是延續(xù)的，滑尺上分布著兩個勵磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組相位一樣時，余弦繞組與定尺繞組錯開1/4節(jié)距?；吆投ǔ呦鄬ζ叫邪惭b，其間堅持一定間隙〔0.05~0.2mm〕。二、感應(yīng)同步器2.感應(yīng)同步器的任務(wù)原理在滑尺的繞組中，施加頻率為f〔普通為2~10kHz〕的交變電流時，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小與滑尺和定尺的相對位置有關(guān)。設(shè)正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓為Uc，挪動間隔為x，節(jié)距為T，那么正弦繞組單獨供電時，在定尺上感應(yīng)電勢為二、感應(yīng)同步器余弦繞組單獨供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為二、感應(yīng)同步器由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，可進展線性疊加，所以定尺上總的感應(yīng)電勢為式中：K——定尺與滑尺之間的耦合系數(shù)；——定尺與滑尺相對位移的角度表示量〔電角度〕T——節(jié)距，表示直線感應(yīng)同步器的周期，規(guī)范式直線感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm。利用感應(yīng)電壓的變化可以求得位移X，從而進展位置檢測。二、感應(yīng)同步器3.丈量方法根據(jù)對滑尺繞組供電方式的不同，以及對輸出電壓檢測方式的不同，感應(yīng)同步器的丈量方式有鑒相式和鑒幅式兩種任務(wù)法。二、感應(yīng)同步器(1)鑒相式任務(wù)法滑尺的兩個勵磁繞組分別施加一樣頻率和一樣幅值，但相位相差90o的兩個電壓，設(shè)二、感應(yīng)同步器那么從上式可以看出，只需測得相角，就可以知道滑尺的相對位移x：二、感應(yīng)同步器2.鑒幅任務(wù)法在滑尺的兩個勵磁繞組上分別施加一樣頻率和一樣相位，但幅值不等的兩個交流電壓：那么：由上式知，感應(yīng)電勢的幅值隨著滑尺的挪動作正弦變化。因此，可以經(jīng)過丈量感應(yīng)電動勢的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對位移。1.磁柵式位移傳感器的構(gòu)造三、磁柵位移傳感器1—磁性膜2—基體3—磁尺4—磁頭5—鐵芯6—勵磁繞組7—拾磁繞組2.原理：在用軟磁資料制成的鐵芯上繞有兩個繞組，一個為勵磁繞組，另一個為拾磁繞組，將高頻勵磁電流通入勵磁繞組時，當(dāng)磁頭接近磁尺時在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為：三、磁柵位移傳感器U0——輸出電壓系數(shù)；——磁尺上磁化信號的節(jié)距；χ——磁頭相對磁尺的位移；ω——勵磁電壓的角頻率。式中：在實踐運用中，需求采用雙磁頭構(gòu)造來區(qū)分挪動的方向3.丈量方式(1)鑒幅丈量方式如前所述，磁頭有兩組信號輸出，將高頻載波濾掉后那么得到相位差為π/2的兩組信號兩組磁頭相對于磁尺每挪動一個節(jié)距發(fā)出一個正〔余〕弦信號，經(jīng)信號處置后可進展位置檢測。這種方法的檢測線路比較簡單，但分辨率遭到錄磁節(jié)距λ的限制，假設(shè)要提高分辨率就必需采用較復(fù)雜的信頻電路，所以不常采用。三、磁柵位移傳感器2.鑒相丈量方式將一組磁頭的勵磁信號移相90°，那么得到輸出電壓為在求和電路中相加，那么得到磁頭總輸出電壓為三、磁柵位移傳感器那么合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對位置χ變化而變。讀出輸出信號的相位，就可確定磁頭的位置。2.3角位移檢測傳感器一、旋轉(zhuǎn)變壓器二、光電編碼器1.構(gòu)造如下圖旋轉(zhuǎn)變壓器普通做成兩極電機的方式。在定子上有激磁繞組和輔助繞組，它們的軸線相互成90°。在轉(zhuǎn)子上有兩個輸出繞組——正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個繞組的軸線也互成90°，普通將其中一個繞組〔如Z1、Z2〕短接。一、旋轉(zhuǎn)變壓器2.原理旋轉(zhuǎn)變壓器在構(gòu)造上與兩相繞組式異步電機類似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)以一定頻率〔頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等幾種〕的激磁電壓加于定子繞組時，轉(zhuǎn)子繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系。前一種旋轉(zhuǎn)變壓器稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于大角位移的絕對丈量；后一種稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于小角位移的相對丈量。一、旋轉(zhuǎn)變壓器3.丈量方式當(dāng)定子繞組中分別通以幅值和頻率一樣、相位相差為90°的交變激磁電壓時，便可在轉(zhuǎn)子繞組中得到感應(yīng)電勢U3，根據(jù)線性疊加原理，U3值為激磁電壓U1和U2的感應(yīng)電勢之和，即一、旋轉(zhuǎn)變壓器式中:k=w1/w2——旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比w1、w2——轉(zhuǎn)子、定子繞組的匝數(shù)線性旋轉(zhuǎn)變壓器實踐上也是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，不同的是線性旋轉(zhuǎn)變壓器采用了特定的變壓比k和接線方式，如右圖。這樣使得在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)〔普通為±60°〕，其輸出電壓和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θ成線性關(guān)系。此時輸出電壓為一、旋轉(zhuǎn)變壓器1.增量式編碼器構(gòu)造二、光電編碼器2.增量式編碼器任務(wù)原理鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢測窄縫，它們彼此錯開1/4節(jié)距，以使A、B兩個光電變換器的輸出信號在相位上相差90°。任務(wù)時，鑒向盤靜止不動，主碼盤與轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當(dāng)主碼盤上的不透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為最?。划?dāng)主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線全部經(jīng)過，光電變換器輸出電壓為最大。主碼盤每轉(zhuǎn)過一個刻線周期，光電變換器將輸出一個近似的正弦波電壓，且光電變換器A、B的輸出電壓相位差為90°。經(jīng)邏輯電路處置就可以測出被測軸的相對轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動方向。二、光電編碼器3.絕對式編碼器原理絕對式編碼器是把被測轉(zhuǎn)角經(jīng)過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。光電式碼盤是目前運用較多的一種，它是在透明資料的圓盤上準(zhǔn)確地印制上二進制編碼。如下圖為四位二進制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進制的數(shù)字碼道，在同一個碼道上印制黑白等間隔圖案，構(gòu)成一套編碼二、光電編碼器黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進制的“0〞和“1〞。在一個四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，每一個碼道表示二進制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360°范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個。二、光電編碼器任務(wù)時，碼盤的一側(cè)放置電源，另一邊放置光電接受安裝，每個碼道都對應(yīng)有一個光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號。二、光電編碼器4.絕對式編碼器非單值性誤差的消除(1).循環(huán)碼盤(或稱格雷碼盤)右圖所示為四位二進制循環(huán)碼。這種編碼的特點是恣意相鄰的兩個代碼間只需一位代碼有變化，即“0〞變?yōu)椤?〞或“1〞變?yōu)椤?〞。因此，在兩數(shù)變換過程中，所產(chǎn)生的讀數(shù)誤差最多不超越“1〞，只能夠讀成相鄰兩個數(shù)中的一個數(shù)。二、光電編碼器(2).帶判位光電安裝的二進制循環(huán)碼盤該碼盤最外圈上的信號位的位置正好與形狀交線錯開，只需當(dāng)信號位處的光電元件有信號時才讀數(shù)，這樣就不會產(chǎn)生非單值性誤差。二、光電編碼器2.4速度、加速度傳感器一、直流測速發(fā)電機二、光電式速度傳感器三、差動變壓器式速度傳感器四、加速度傳感器測速發(fā)電機的構(gòu)造有多種，但原理根本一樣。圖2—17所示為永磁式測速發(fā)電機原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成正比的直流電勢。

一、直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機在機電控制系統(tǒng)中，主要用作測速和校正元件。在運用中，為了提高檢測靈敏度，盡能夠把它直接銜接到電機軸上。有的電機本身就已安裝了測速發(fā)電機。光電脈沖測速原理如以下圖所示。物體以速度V經(jīng)過光電池的遮擋板時，光電池輸出階躍電壓信號，經(jīng)微分電路構(gòu)成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時間間隔△t，那么可測得速度為二、光電式速度傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器是由裝在被測軸〔或與被測軸相銜接的輸入軸〕上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓盤組成，如以下圖所示。光源發(fā)出的光經(jīng)過縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上，當(dāng)縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)丈量時間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，那么可測得轉(zhuǎn)速為二、光電式速度傳感器差動變壓器式除了可丈量位移外，還可丈量速度。其任務(wù)原理如以下圖所示。差動變壓器式的原邊線圈同時供以直流和交流電流，即三、差動變壓器式速度傳感器當(dāng)差動變壓器以被測速度V=dx/dt挪動時，在其副邊兩個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，將它們的差值經(jīng)過低通濾波器濾除勵磁高頻角頻率后，那么可得到與速度v〔m/s〕相對應(yīng)的電壓輸出，即差動變壓器漂移小，其主要性能為：丈量范圍10~2000mm/s〔可調(diào)〕，輸出電壓±10V〔max〕，輸出電流±10mA〔max〕，頻帶寬度≥500Hz。三、差動變壓器式速度傳感器作為加速度檢測元件的加速度傳感器有多種方式，它們的任務(wù)原理大多是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而呵斥的各種物理效應(yīng)，進一步轉(zhuǎn)化成電量，來間接度量被測加速度。最常用的有應(yīng)變片式和壓電式等。四、加速度傳感器電阻應(yīng)變式加速度計構(gòu)造原理如以下圖所示。它由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形便可測出力的大小，在知質(zhì)量的情況下即可計算出被測加速度。殼體內(nèi)灌滿的粘性液體作為阻尼之用。這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低。四、加速度傳感器壓電加速度傳感器構(gòu)造原理如右圖所示。運用時，傳感器固定在被測物體上，感受該物體的振動，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)生四、加速度傳感器的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。壓電加速度傳感器可以做得很小，分量很輕，故對被測機構(gòu)的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、運用較為廣泛。以下圖為一種空氣阻尼的電容式加速度傳感器。該傳感器采用差動式構(gòu)造，有兩個固定電極，兩極板之間有一用彈簧支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩端經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板。當(dāng)傳感器丈量垂直方向的振動時，由于質(zhì)量塊的慣性作用，使兩固定極相對質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，使電容C1、C2中一個增大，另一個減小，它們的差值正比于被測加速度。這種加速度傳感器的精度較高，頻率呼應(yīng)范圍寬，可以測得很高的加速度值。四、加速度傳感器〔一〕柱式彈性元件柱式彈性元件有圓柱形、圓筒形等幾種。如以下圖所示。這種彈性元件構(gòu)造簡單、承載才干大，主要用于中等載荷和大載荷〔可達數(shù)兆牛頓〕的拉(壓)力傳感器。2.5測力傳感器2.懸臂梁式彈性元其特點是構(gòu)造簡單、加工方便、應(yīng)變片粘貼容易、靈敏度較高。主要用于小載荷、高精度的拉、壓力傳感器中?？烧闪?.01牛頓到幾千牛頓的拉、壓力。在同2.5測力傳感器一截面正反兩面粘貼應(yīng)變片，并應(yīng)在該截面中性軸的對稱外表上。假設(shè)梁的自在端有一被測力P，那么應(yīng)變與P力的關(guān)系為：件2.6傳感器的正確選擇和運用一、傳感器的選擇二、傳感器的正確運用1.測試要求和條件。丈量目的、被測物理量選擇、丈量范圍、輸入信號最大值和頻帶寬度、丈量精度要求、丈量所需時間要求等。2.傳感器特性。精度、穩(wěn)定性、呼應(yīng)速度、輸出量性質(zhì)、對被測物體產(chǎn)生的負載效應(yīng)、校正周期、輸入端維護等。3.運用條件。安裝條件、任務(wù)場地的環(huán)境條件〔溫度、濕度、振動等〕、丈量時間、所需功率容量、與其它設(shè)備的銜接、備件與維修效力等。一、傳感器的選擇1.線性化處置與補償在機電一體化測控系統(tǒng)中，特別是需對被測參量進展顯示時，總是希望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關(guān)系，使丈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)進展分析處置。2.傳感器的標(biāo)定傳感器的標(biāo)定，就是利用精度高一級的規(guī)范量具對傳感器進展定度的過程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系，同時也確定不同運用條件下的誤差關(guān)系。傳感器運用前要進展標(biāo)定，運用一段時間后還要定期進展校正，檢查精度性能能否滿足原設(shè)計目的。二、傳感器的正確運用3.抗干擾措施傳感器大多要在現(xiàn)場任務(wù)，而現(xiàn)場的條件往往是不可預(yù)料的，有時是極其惡劣的。各種外界要素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測系統(tǒng)中，抗干擾是非常重要的，尤其是在微弱輸入信號的系統(tǒng)中。常采用的抗干擾措施有屏蔽、接地、隔離和濾波等。二、傳感器的正確運用〔1〕屏蔽屏蔽就是用低電阻資料或磁性資料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起來，以隔離內(nèi)外電磁或電場的相互關(guān)擾。屏蔽可分為三種，即電場屏蔽、磁場屏蔽及電磁屏蔽?！?〕接地電路或傳感器中的地指的是一個等電位點，它是電路或傳感器的基準(zhǔn)電位點，與基準(zhǔn)電位點相銜接，就是接地。二、傳感器的正確運用〔3〕隔離當(dāng)電路信號在兩端接地時，容易構(gòu)成地環(huán)路電流，引起噪聲干擾。這時，常采用隔離的方法，把電路的兩端從電路上隔開。隔離的方法主要采用變壓器隔離和光電耦合器隔離。〔4〕濾波雖然采取了上述的一些抗干擾措施，但仍會有一些噪聲信號混雜在檢測信號中，因此檢測電路中還常設(shè)置濾波電路，對由外界干擾引入的噪聲信號加以濾除。二、傳感器的正確運用2.7檢測信號的采集與處置一、檢測系統(tǒng)的組成二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入三、數(shù)字信號的預(yù)處置1.模擬信號檢測系統(tǒng)振蕩器用于對傳感器信號進展調(diào)制，并為解調(diào)提供參考信號；量程變換電路的作用是防止放大器飽和并滿足不同丈量范圍的需求；解調(diào)器用于將已調(diào)制信號恢復(fù)成原有方式；一、檢測系統(tǒng)的組成濾波器可將無用的干擾信號濾除，并取出代表被測物理量的有效信號；運算電路可對信號進展各種處置，以正確獲得所需的物理量，其功能也可在對信號進展模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，由數(shù)字計算機來實現(xiàn)；計算機對信號進展進一步處置后，可獲得相應(yīng)的信號去控制執(zhí)行機構(gòu)，而在不需求執(zhí)行機構(gòu)的檢測系統(tǒng)中，計算機那么將有關(guān)信息送去顯示或打印輸出。一、檢測系統(tǒng)的組成2.數(shù)字信號檢測系統(tǒng)數(shù)字信號檢測系統(tǒng)有絕對碼數(shù)字式和增量碼數(shù)字式。當(dāng)傳感器輸出的編碼與被丈量一一對應(yīng)，稱為絕對碼。絕對碼檢測系統(tǒng)如右圖所示，每一一、檢測系統(tǒng)的組成經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和放大整形后，得到與被丈量相對應(yīng)的編碼。糾錯電路糾正由于各個碼道刻劃誤差而能夠呵斥的粗大誤差。采用循環(huán)碼〔格雷碼〕傳感器時那么先轉(zhuǎn)換為二進制碼，再譯碼輸出。碼道的形狀由相應(yīng)光電元件讀出，當(dāng)傳感器輸出增量碼信號，即信號變化的周期數(shù)與被丈量成正比，其增量碼數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的典型組成如右圖所示。一、檢測系統(tǒng)的組成傳感器的輸出多數(shù)為正弦波信號，需先經(jīng)放大、整形后變成數(shù)字脈沖信號。但在多數(shù)情況下，為提高分辨率，常采用細分電路使傳感器信號每變化1/n個周期計一個數(shù)，其中n稱為細分?jǐn)?shù)。辨向電路用于區(qū)分被丈量的變化方向。當(dāng)脈沖信號所對應(yīng)的被丈量不便讀出和處置時，需進展脈沖當(dāng)量變換。計算機可對信號進展復(fù)雜的運算處置，并將結(jié)果直接送去顯示或打印輸出，或求取控制量去控制執(zhí)行機構(gòu)。1.模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式(4種)二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入2.多路模擬開關(guān)多路模擬開關(guān)又稱為多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，簡稱多路開關(guān)，其作用是分別或依次把各路檢測信號與A/D轉(zhuǎn)換器接通，以節(jié)省A/D轉(zhuǎn)換器件。二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入右圖表示一個8通道的模擬開關(guān)的構(gòu)造圖，它由模擬開關(guān)S0~S7及開關(guān)控制與驅(qū)動電路組成。8個模擬開關(guān)的接通與斷開，經(jīng)過用二進制代碼尋址來指定，從而選擇特定的通道。上圖是AD7501型多路模擬開關(guān)集成芯片的管腳功能圖，這是具有8路輸入通道、1路公共輸出的多路開關(guān)CMOS集成芯片。由三個地址線〔A0、A1、A2〕的形狀及EN端來選擇8個通道之中的一路，片上一切的邏輯輸入端與TTL/DTL及CMOS電路兼容。其真值表如下:A2A1A0EN“ON”0001100112010130111410015101161101711118×××0無二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入3.信號采集與堅持所謂采集，就是把時間延續(xù)的信號變成一串不延續(xù)的脈沖時間序列的過程。信號采樣是經(jīng)過采樣開關(guān)來實現(xiàn)。采樣開關(guān)又稱采樣器，本質(zhì)上它是一個模擬開關(guān)，每隔時間間隔T閉合一次，每次閉合繼續(xù)時間τ，其中，T稱為采樣周期，其倒數(shù)fs=1/T稱為采樣頻率，τ稱為采樣時間或采樣寬度，采樣后的脈沖序列稱為采樣信號。采樣信號是一個離散的模擬信號，它在時間軸上是離散的，但在函數(shù)軸上仍是延續(xù)的，因此還需求用A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入A/D轉(zhuǎn)換過程需求一定時間，為防止產(chǎn)生誤差，要求在此期間內(nèi)堅持采樣信號不變。實現(xiàn)這一功能的電路稱采樣/堅持電路。二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入典型的采樣/堅持電路由模擬開關(guān)、堅持電容和運算放大器組成，如右圖所示。運算放大器N1和N2接成跟隨器，作緩沖器用。當(dāng)控制信號Uc為高電平常場效應(yīng)管VF導(dǎo)通，對輸入信號采樣。輸入信號ui經(jīng)過N1和VF向電容C充電，并經(jīng)過N2輸出uo。由于N1的輸出阻抗很小，N2的輸出阻抗很大，因此在VF導(dǎo)通期間uo=ui。當(dāng)Uc為低電平常，VF截止，電容C將采樣器間的信號電平堅持下來，并經(jīng)N2緩沖后輸出。二、模擬量的轉(zhuǎn)換輸入傳感器的輸出信號被采入計算機后往往要先進展適當(dāng)?shù)念A(yù)處置，其目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾，并對檢測系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進展補償和修正。數(shù)字信號預(yù)處置普通用軟件的方法來實現(xiàn)。1.數(shù)字濾波數(shù)字濾波本質(zhì)上是一種程序濾波，與模擬濾波相比具有如下優(yōu)點：①不需求額外的硬件設(shè)備，不存在阻抗匹配問題，可以使多個輸入通道共用一套數(shù)字濾波程序，從而降低了儀器的硬件本錢。②可以對頻率很低或很高的信號實現(xiàn)濾波。③可以根據(jù)信號的不同而采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，靈敏、方便、功能強。三、數(shù)字信號的預(yù)處置(1).中值濾波中值濾波方法對緩慢變化的信號中由于偶爾要素引起的脈沖干擾具有良好的濾除效果。其原理是，對信號延續(xù)進展n次采樣，然后對采樣值排序，并取序列中位值作為采樣有效值。程序算法就是通用的排序算法。采樣次數(shù)n普通取為大于3的奇數(shù)。(2).算術(shù)平均濾波算術(shù)平均濾波方法的原理是，對信號延續(xù)進展n次采樣，以其算術(shù)平均值作為有效采樣值。該方法對壓力、流量等具有周期脈動特點的信號具有良好的濾波效果。采樣次數(shù)n越大，濾波效果越好，但靈敏度也越低，為便于運算處置，常取n=4、8、16。三、數(shù)字信號的預(yù)處置(3).滑動平均濾波該方法采用循環(huán)隊列作為采樣數(shù)據(jù)存儲器，隊列長度固定為n，每進展一次新的采樣，把采樣數(shù)據(jù)放入隊尾，扔掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)。這樣，在隊列中一直有n個最新的數(shù)據(jù)。對這n個最新數(shù)據(jù)求取平均值，作為此次采樣的有效值。這種方法每采樣一次，便可得到一個有效采樣值，因此速度快，實時性好，對周期性干擾具有良好的抑制造用三、數(shù)字信號的預(yù)處置(4).低通濾波當(dāng)被測信號緩慢變化時，可采用數(shù)字低通濾波的方法去除干擾。數(shù)字低通濾波器是用軟件算法來模擬硬件低通濾波的功能。一階RC低通濾波器的微分方程為三、數(shù)字信號的預(yù)處置式中:τ=RC是電路的時間常數(shù)。用X替代ui，Y替代uo，將微分方程轉(zhuǎn)換成差分方程，并整理得:式中——采樣周期；X〔n〕——本次采樣值；Y〔n〕和Y〔n－1〕——本次和上次的濾波器輸出值。取，那么式〔2－47〕可改寫成三、數(shù)字信號的預(yù)處置由上式可見濾波器的本次輸出值主要取決于其上次輸出值，本次采樣值對濾波器輸出僅有較小的修正作用，因此該濾波器算法相當(dāng)于一個具有較大慣性的一階慣性環(huán)節(jié)，模擬了低通濾波器的功能，其截止頻率為數(shù)字低通濾波程序流程