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1、.,第四章检测系统设计,第一节概述第二节模拟式传感器信号的检测第三节数字式传感器信号的检测,.,第一节概述,一、检测系统的功用及组成二、机电一体化对检测系统的基本要求三、检测系统设计的任务、方法和步骤,.,一、检测系统的功用及组成,检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能。机电一体化产品中，传感器用于检测外界环境及自身状态的各种物理量及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的预处理(变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路)将有用的信号检测出来，反馈给控制装置或送去显示。传感器及相应的信号检测与处理电路是机电一体化产品中的检测系统。传感器及其检测系统不仅是机电一
2、体化产品必不可少的组成部分，而且已成为机与电有机结合的一个重要纽带。,.,二、机电一体化对检测系统的基本要求,机电一体化对检测系统在性能方面的基本要求：1.精度、灵敏度和分辨率高，线性、稳定性和重复性好；2.抗干扰能力强，静、动态特性好。3.要求检测系统体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好等，并满足机电一体化设计的需要。,.,三、检测系统设计的任务、方法和步骤,检测系统设计的主要任务是：根据使用要求合理选用传感器，并设计或选用相应的信号检测与处理电路以构成检测系统，对检测系统进行分析与调试，使之实现预期的计测功能。检测系统设计的主要方法是实验分析法，即理论分析和计算与实验测试
3、相结合的方法。由于检测传感器物化性能的复现性和复制性，不能保证实际设计出的系统的性能与理论分析和计算结果的一致，且检测系统易受到多种干扰，它很难通过理论分析和计算而预先确定，必须通过实验测试为理论分析提供依据，并对所设计的检测系统进行修正，以满足其性能指标要求。,.,检测系统设计的步骤,(1)设计任务分析(2)系统方案选择(3)系统构成框图设计(4)环节设计与制造(5)总装调试及实验分析(6)系统运行及考核,.,第二节模拟式传感器信号的检测,一、模拟信号检测系统的组成二、基本转换电路三、信号放大电路四、信号调制与解调电路五、滤波器六、运算电路,.,一、模拟信号检测系统的组成,.,二、基本转换电
4、路,(一)分压电路(二)差动电路(三)非差动桥式电路(四)调频电路(五)脉冲调宽电路,.,(一)分压电路,.,(二)差动电路,.,(三)非差动桥式电路,.,(四)调频电路与脉冲调宽电路,.,.,三、信号放大电路,(一)减小噪声和提高稳定性的方法(二)高输入阻抗放大器(三)高共模抑制比放大器(四)参量放大器(五)线性化放大器,.,(一)减小噪声的方法,放大电路中常见的噪声有热噪声、散粒噪声和低频噪声等，对于这些噪声必须采取措施加以抑制，以免有用信号被淹没在噪声中。常用的抑制放大器噪声的措施有：压缩放大器带宽，滤除通带以外的各种噪声信号。减小信号源电阻，并尽量使其与放大器的等效噪声电阻相等，以实现
5、噪声阻抗匹配。选用低噪声放大器件，以减少噪声的产生。减小接线电缆电容的影响及各种干扰因素的影响。,.,(一)提高稳定性的方法,放大器的稳定性是指其在环境、输入信号或电路中某些参数发生变化时能够稳定工作的能力。提高放大器稳定性的措施有：采用具有高稳定度的无源元件或引入直流负反馈来稳定静态工作点。采用集成运算放大器及深度负反馈来稳定放大倍数。采用电容和电阻进行相位补偿，以消除由寄生电容或其它寄生耦合所引起的自激振荡。妥善接地与屏蔽，以减小寄生电容、寄生耦合等因素的影响。采取散热与均热措施，以保证温度稳定，减小热漂移。,.,(二)高输入阻抗放大器,.,(三)高共模抑制比放大器,.,(四)参量放大器,
6、.,(五)线性化放大器,.,(五)线性化放大器与放大器增益切换,.,放大器增益切换,.,四、信号调制与解调电路,信号调制的方法有幅值调制、相位调制、频率调制和脉宽调制等。(一)幅值调制与解调(二)相位调制与解调(三)频率调制与解调,.,(一)幅值调制与解调,.,1,.,汽车及工程机械类其转速传感器的结构如图所示，励磁线圈W1和输出线圈W2绕在铁芯1上，十字轮2与被测轴相连，其转速n(r/min)即为被测轴转速。十字轮由铁磁材料制成。,(2)给出输出信号e0的频率f与被测轴转速n的关系。(3)当励磁线圈施加电压ei分别是直流和交流时，其输出信号e0的波形有何区别?为什么?,(1)请说明该传感器在
7、励磁线圈施加直流电压时的工作原理。,解：(1)这是种电磁感应式转速传感器。当W1中通入直流电流后，铁芯中产生方向固定的磁通；十字轮位置影响的大小。在图示位置磁阻最小，十字轮转450时磁阻最大，因此就会发生变化，W2中感应电动势也会发生变化。被测轴每转一周，输出信号e0会周期性变化四次，有四个峰值。(2)输出电动势的频率f与被测轴转速的关系式为；,(3)W1通入交流电压时，e0变为调幅波，当十字轮如图所示位置时输出为波峰，当十字轮转450时输出为波谷；而W1通入直流电压时，e0近似为正弦波。,.,如图所示的周期性方波信号，让它通过一理想带通滤波器，该滤波器的增益为0dB带宽B=30Hz，中心频率
8、f0=20Hz，试求滤波器输出波形的幅频谱。(已知该周期方波的三角函数展开式为,.,(二)相位调制与解调,.,(三)频率调制与解调,.,五、滤波器,(一)滤波器的功用、分类及基本参数(二)无源RC滤波器(三)有源RC滤波器,.,(一)滤波器的功用、分类及基本参数,滤波器是一种具有选频功能的装置，其功用：滤除在信号放大和传输出过程引入的噪声和干扰。滤除在信号调制过程中的载波等无用信号。将不同频率的有用信号分开。对系统频率特性进行补偿。,.,滤波器的分类,.,(一)滤波器的基本参数,描述滤波器的性能的基本参数：1截止频率2带宽b3品质因数Q4倍频程选择性,.,(二)无源RC滤波器,1.RC低通滤波
9、器2.RC高通滤波器3.RC带通滤波器,.,(三)有源RC滤波器,有源滤波器采用RC网络和运算放大器组成，其中运算放大器既可起到级间隔离作用，又可起到对信号的放大作用而RC网络则通常作为运算放大器的负反馈网络。1.有源低通滤波器2.有源高通滤波器3.有源带通滤波器4.有源带阻滤波器,.,1.有源低通滤波器,一阶滤波器的倍频程选择性仅为4dB，因此其频率选择能力较差。为提高频率选择能力，并使通频带以外的频率成分尽快衰减，以提高滤波器的阶次。,.,4-43a,.,4-43b,.,结论,从二阶滤波器的幅频和相频特性可知，为了在低频区获得比较平坦的幅频特性，常取=0.707，0=n，其倍频程选择性为7
10、.4dB，显然高于一阶低通滤波器的倍频程选择性，因此二阶滤波器比一阶滤波器具有较强的频率选择特性。,.,2.有源高通滤波器,.,3.有源带通滤波器,.,4.有源带阻滤波器,.,同相端输入的二阶有源滤波器中，其电路中都引入了正反馈，因此元件参数的变化容易引起滤波器性能的变化。这类滤波器对运算放大器的要求不高，主要用于对品质因数要求不高的场合。在设计或选用这类滤波器时，运算放大器的增益不宜选得过大，以保证阻尼比为正值，使滤波器工作在稳定状态。在其余的二阶有源滤波器中，不存在稳定性问题，且由于多路负反馈的作用，使元件参数变化对滤波器性能影响较小，故多用于对品质因数要求较高的场合。,.,六、运算电路,
11、运算电路是能对信号运算处理的电路，根据信号形式的不同可分为模拟和数宇运算电路两种。数字运算电路的优点比较多，应用较广。但模拟运算电路具有直接、简单、运算速度快等特点，一些较简单运算仍采用模拟运算电路来实现。(一)线性加、减运算电路(二)积分与微分运算电路(三)参量控制式乘除运算电路(四)峰值运算电路,.,(一)线性加法运算电路,.,(二)减法与积分运算电路,.,.,(三)微分与参量控制式乘除运算电路,.,(四)峰值运算电路,.,第三节数字式传感器信号的检测,一、数字信号检测系统的组成二、多路信号采集细分与辨向三、电阻链移相细分与辨向四、锁相倍频细分与辨向五、脉冲填充细分与辨向,.,一、数字信号
12、检测系统的组成,在机电一体化产品中许多复杂的信号处理都采用微型机来完成，这样模拟信号往往需先经模数转换后，再采入微型机进行处理，这将增加系统的复杂性和成本，而且模拟信号的检测精度较低，易受干扰影响，不便于远距离传输。数字式传感器可直接将被测量转换成数字信号输出，既可提高检测精度、分辨率及抗干扰能力，又易于信号的运算处理、存储和远距离传输，因此，尽管目前数字式传感器品种还不很多，但却得到了越来越多的应用。,.,检测系统的典型组成,常见的数字式传感器有光栅、磁栅、容栅、感应同步器、光电编码器及激光干涉仪等，主要用于几何位置、速度等的测量。其输出的信号都是增量码形式的数字信号。所谓增量码信号是指信号
13、变化的周期数与被测位移成正比的信号。该数字信号检测系统的组成。,.,二、多路信号采集细分与辨向,光栅数字传感器通常由光源、聚光镜、计量光栅、光电器件及测量电路等部分组成。计量光栅由标尺光栅(主光栅)和指示光栅组成，因此计量光栅又称光栅副，它决定了整个系统的测量精度。一般主光栅和指示光栅的刻线密度相同，但主光栅要比指示光栅长得多。测量时主光栅与被测对象连在一起，并随其运动，指示光栅固定不动，因此主光栅的有效长度决定了传感器的测量范围。,.,二、多路信号采集细分与辨向,莫尔条纹的移动与光栅的移动具有对应关系莫尔条纹具有位移放大作用莫尔条纹具有平均光栅误差的作用莫尔条纹的间距随着光栅刻线的交角而改变
14、,.,光电转换,主光栅和指示光栅的相对位移产生了莫尔条纹，为了测量莫尔条纹的位移，必须通过光电器件(如硅光电池等)将光信号转换成电信号。在光栅的适当位置放置光电器件，当两光栅作相对移动时，光电器件上的光强随莫尔条纹移动，光强变化为正弦曲线。,.,磁栅式位移传感器测量位移时，其输出电动势为EEmsin(t+)，磁尺剩磁信号的波长=2.0mm，求：(1)若E=10sin(100t+0.96)V，此时所测得的位移量L?(2)在一个测量周期内此传感器所能测量的最大位移量Lmax。,解:(1)根据题意，输出电动势为：,由已知条件知：,由上两式得：,L为磁头相对于磁尺的位移，即为所测位移量。(2)在一个测
15、量周期内，所能测量的最大位移量对应的相位移为2，所以,.,辨向与细分电路,(1)辨向电路无论测量直线位移还是测量角位移，都必须能够根据传感器的输出信号判别移动的方向，即判断是正向移动还是反向移动，是顺时针旋转还是逆时针旋转。为了辨别方向，通常采用在相隔1/4莫尔条纹间距B的位置上安放两个光电器件，获得相位差为900的两个信号，然后送到辨向电路进行处理。,.,辨向电路,差动放大电路:去掉直流分量整形:使正弦波变为矩形波微分:在上升沿触发尖脉冲反向:在下降沿触发尖脉冲信号2没有微分目的获得开门,.,通过整形电路，将正弦信号转变成方波脉冲信号，则每经过一个周期输出一个方波脉冲，这样脉冲总数N就与光栅
16、移动的栅距数柑对应，因此光栅的位移为:栅距等分n，则分辨率：小数部分为：,.,.,三、电阻链移相细分与辨向,.,.,四、锁相倍频细分与辨向,如果被测信号的变化频率为fi，通过锁相倍频电路使输出信号的频率为f0=nfi。如果对输出信号进行计数，则输入信号每变化一个周期，在输出信号可计n个数，从而实现n细分。,.,1,耦合电容C2的作用：一是隔掉uc1的直流分量；二是与电阻R2构成另一个积分电路，用以对输出信号Ud进行积分。其优点是Ud可直接送到压控振荡器，而不必再另加起积分作用的滤波器。,.,2,.,3,.,4,.,五、脉冲填充细分与辨向,.,第四节检测信号的采集和预处理,一、模拟量的转换输人方式二、模拟多路开关三、信号采样与保持四、数字信号的预处理五、传感器的非线性补偿六、零位误差和增益误差的补偿,控制和信息处理功能多数采用计算机来实现，检测信号也要被采集到计算机中作进一步处理，以便获得所需的信息。信号的采集是按一定方式和通过适当的接口电路实现的。信号被采入计算机后往往要先进行适当的预处理，其目的是去除混杂在有用信号中
