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1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1第 3章测量模块n第三章 测量模块考点n（一）概念：n1 传感器的性能。n2 位移传感器，速度传感器，加速度传感器。n3 信号调理电路：前置放大器，滤波电路。n（二）计算：n1 光栅的计算。n2 直流测速发电机，码盘式测速。n（三）简单应用：n1 低通滤波，高通滤波。n2 电位器位移测量，加速度传感器。机电一体化系统对检测系统要求n精度、灵敏度和分辨率高，线性、稳定性和重复性好，抗干扰能力强，静、动态特性好。n传感器及其检测系统提出了一些特殊要求，如体积小、重量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好等。机电一体化系统常用传感器本章的学习
2、内容：1 传感器的分类及特性2 位移传感器3 速度传感器4 加速度传感器5 力、压力和扭矩传感器6 位置传感器1 传感器的分类及特性一、机械量传感器分类传感器通常是非电物理量转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。 按被测物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感、力传感器、温度传感器等。温度传感器压力传感器扭矩传感器角位移传感器位移传感器按传感器工作的物理原理分为：电阻式、电感式、电容式、 光电式等等。压电式加速度传感器激光位移传感器光纤式位移传感器超声波位移传感器传感器电感式位移传感器二、传感器的特性1、静态响应特性当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出输入特性。包括：非线
3、性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。非线性度迟滞灵敏度2、 动态特性动态特性反映了被测量快速变化的性能，可以利用系统的传递函数、频率响应来描述。调整时间峰值时间最大超调量振荡次数延迟时间上升时间1）时域指标2）频域指标可以用幅频特性和相频特性描述二阶系统的脉冲输入和响应 二阶系统的阶跃输入和响应 两种典型的输入响应：2 位移传感器一、电感式位移传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测物理量转换为电感量的变化。 1、自感型电感式传感器 可变磁阻式电感传感器、电涡流式传感器 2、互感型电感传感器 自感L可表示为：灵敏度：1）可变磁阻式电感传感器1、自感型电感式传感器 如果将固定，
4、变化空气隙导磁截面积S0时，自感L与S0呈线性关系可变磁阻式传感器的典型结构：可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。2）电涡流式电感传感器高频反射式涡流传感器：高频(1MHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，在金属板表面将形成涡电流。若只改变距离而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化。低频透射式涡流传感器：发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方。当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分
5、透过金属板材料G，使线圈2产生感应电动势e2，且e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少。差动变压器式电感传感器：传感器由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。ev的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁位置居中时，e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1e2，ey0;当活动衔铁向下移时，e1e2，ey1M, 有的可达100M以上。4. 输出电阻roro =几-几十。四、集成运放的主要参数5. 最大共模输入电压UIcmax6. 最大差模输入电压UIdmax运放是直流放大器，也可放大低
6、频信号，不适用于高频信号。同相比例运算电路减法运算电路反相比例运算电路反相加法运算电路基本运算电路基本运算电路反相比例运算电路n电路图反相比例运算电路n电路图输入信号从反相输入端输入反相比例运算电路n电路图输出信号通过电阻RF反馈到反相输入端反相比例运算电路n电路图同相输入端通过电阻R2接地反相比例运算电路n电路分析i+=i-=0u+=u-=0ii=if+i-=ifui-u-_R1=u-uo_RFui_R1=-uo_RF（虚断）（虚短）uo=- uiRFR1同相比例运算电路n电路图同相比例运算电路n电路图输入信号从同相输入端输入同相比例运算电路n电路图输出信号通过电阻RF反馈到反相输入端同相比
7、例运算电路n电路图反相输入端通过电阻R1接地同相比例运算电路n电路分析ii=if+i-=if0-u-_R1=u-uo_RFu- = u+ = ui-ui_R1=ui-uo_RFuo=(1+ )uiR1_RF反相加法运算电路n电路图反相加法运算电路n电路图 输入信号ui1、ui2、ui3分别通过电阻R11、R12、R13从反相输入端输入反相加法运算电路n电路图输出信号通过电阻RF反馈到反相输入端反相加法运算电路n电路图同相输入端通过电阻R2接地反相加法运算电路n电路分析If=ii1+ii2+ii3 -i-u-uoRF=ui1-u-R11ui2-u-R12+-ui3-u-R13i-u-=u+=0，
8、i-=i+=0-uoRF=ui1R11ui2-R12+ui3R13uo=RFui1R11RFui2-R12+RFui3R13）-（减法运算电路n电路图减法运算电路n电路图输入信号ui1通过电阻R1输入到反相输入端输入信号ui2通过电阻R2输入到同相输入端减法运算电路n电路图输出信号通过电阻RF反馈到反相输入端减法运算电路n电路图同相输入端通过电阻R3接地差动(减法)运算电路n电路分析u-=ui1-i1R1=ui1- R1ui1-uoR1+RFu+= R3ui2R2+R3u+=u-uo=(1+ ) ui2- ui1RFR1R3R2+R3RFR1R1=R2，R3=RFuo= （ui2-ui1）RF
9、R1积分运算电路n电路图积分、微分运算 1.积分运算积分运算是模拟计算机中的基本单元电路,数学模式为 y=KXdt ；电路模式为 u=KUidt ，该电路如图所示。在反相输入式放大电路中，将反馈电阻Rf换成电容器C，就成了积分运算电路。因而（59）由上式可以看出，此电路可以实现积分运算，其中K-1/(R1C)。积分运算电路2. 微分运算微分运算是积分运算的逆运算。将积分运算电路中的电阻，电容互换位置就可以实现微分运算，如图所示。 图5.8微分运算电路由于U+=0，Ii=0，则2.3.1 高输入阻抗放大器输入阻抗 可达 100M2.3.2 高共模抑制比放大器阻抗、失调电压低、低温飘、放大系数稳定
10、AD521/AD522 是 AD 公司推出的单片测量放大器2.3.3 小信号双线变送器2.3.4 隔离放大器n测量放大器必须对输入偏流提供一条返回通路，而且大的共模电压会损坏输入电路，因此在输入电路和输出电路要求彼此隔离时应采用隔离放大器。n隔离放大器应用场合有：n 测量处于高共模电压下的低电平信号；n 消除由于信号源地网络的干扰所引起的误差；n 避免形成地回路及其寄生拾取问题不需要对偏流提供返回通路）；n 保护应用系统电路不致因输入端或输出端大的共模电压造成损坏；n 为仪器仪表提供安全接口。2.3.4 隔离放大器B-B公司生产的光耦合隔离放大器2.3.5 程控增益放大器n在多通道或多参数的模
11、拟输入通道中，多个通道或多个参数共用一个测量放大器，由于各通道或各参数送入放大器的信号电平不同，但都要放大至 A /D转换器输入要求的标准电压，因而对不同通道或参数，测量放大器的增益是不同的。2.3.5 程控增益放大器2.3.6 电荷放大器n电荷放大器是一种专门用于压电式传感器的信号调理电路，它能将压电式传感器产生的电荷转换成电压信号。n机电一体化检测系统中在两种情况下采用：n一是经过传感器变换以后的信号常常是一些缓变的微弱电信号，直接传输受到干扰，并且信号损失大，因此往往先将信号调制成变化较快的交流信号，交流放大后传输。n二是传感器的电参量在变换成电压量的过程中用调制和解调的方法进行变换。2
12、.4 信号变换电路2.4.1 基本转换电路n1 分压电路2 差分电路用于差分式传感器信号的转换a ab bcdcd3 非差分桥式电路nanbnc4 调频电路5 脉冲调宽电路n被调制信号称为载波，一般是较高频率的交变信号。被测信号（控制信号）称为调制信号，最后的输出是已调制波，已调制波一般都便于放大和传输。n最终从已调制波中恢复出调制信号的过程称为解调。调幅的目的是使缓变信号驾驮在载波信号上，便于放大和传输。解调的目的则是为了恢复原信号。n根据载波受调制的参数的不同，调制可分为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。使载波的幅值、频率或相位随调制信号而变化的过程分别称为调幅、调频或调相。它们的
13、已调波也就分别称为调幅波、调频波或调相波。2.5 信号的调制与解调2.5.1 调幅及其解调n1. 调幅原理n调幅就是用调制信号 x去控制高频振荡（载波）信号的幅度。（1）半波调幅（2）全波调幅2. 调幅波的解调2.5.2 调频及其解调n1. 频率调制n频率调制是让一个高频振荡的载波信号的频率随被测量 x（调制信号）而变化，则得到的已调制信号中就包含了 x的全部信息。2. 频率解调调频波是以正弦波频率的变化来反映被测信号的幅值变化。2.6信号的滤波电路1滤波器a)b)c)一、滤波器的功能和类型1、功能：滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。2、类型：
14、按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器按功能分：低通、高通、带通、带阻按电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶滤波电路 有用频率信号通过，无用频率信号被抑制的电路。引言按频率特性分低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器理想滤波器的频率特性ffff通通通 阻 通阻 通 阻阻阻低通高通带通带阻按传递函数分一阶滤波器二阶滤波器N 阶滤波器:滤波器的基本知识c)a)b)OA()OA()OA()d)OA()1 有源低通滤波电路(LPFLow Pass Filter) 通带放大倍数一、一阶 LPFRf8CR1R其中， Au
15、f = 1 + Rf /R1fH = 1/2RC 上限截止频率fH归一化幅频特性f0-3-20 dB /十倍频二、 二阶 LPF1. 简单二阶 LPF8CR1RCRRf通带增益：Auf = 1 + Rf/R1问题：在 f = fH 附近，输出幅度衰减大。40 dB/ 十倍频-40f / fH0-10-2010-301改进思路：在提升 fH 附近的输出幅度。2. 实用二阶 LPF8CR1RfRCRQ = 1 / (3 - Auf)Q 等效品质因数-40f / fn0-3-10-2010-30Q = 0.707Q = 1Q = 2Q = 51正反馈提升了 f n 附近的 Au。Good!Auf =
16、 3 时Q 电路产生自激振荡40 dB/十倍频特征频率：当 Q = 0.707 时，fn = fH2 有源高通滤波电路(HPFHigh Pass Filter)8CR1RfRCR通带增益： Auf = 1 + Rf / R1Q = 1/(3 - Auf)f / fn0-3-10-2010-30-40Q = 0.707Q = 1Q = 2Q = 51Auf = 3 时，Q ，电路产生自激振荡二阶低通、高通，为防止自激，应使 Auf fL8CR1RfRC1R3R2LPFBPF要求 R3 C1 RC中心频率：等效品质因素： Q = 1/(3 - Auf)通频带：BW = f0 /Q最大电压增益： Au0 = Auf /(3 - Auf)= 2R= C= R滤波器的基本知识二阶滤波器1、二阶低通滤波器二阶低通滤波器的传递函数的一般形式为它的固有频率为a01/2，通带增益Kp=b0/a0，阻尼系数为a1/w0。其幅频特性与相频特性为滤波器的基本知识20lgA/dB-101-40-20020=2.5=1.67=1.25 =0.8=0.5=0.33=0.2=0.1lg(/0)-60a)幅频特性=0.
