第5章检测系统设计机电一体化系统设计冯浩ppt课件

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1、第第5章章 检测系统设计检测系统设计n n检测系统是机电一体化系统的检测部分，所检测到的信号传递给控制器，作为控制器的决策依据之一。设计一个准确和快速的检测系统以满足机电一体化系统的需要时十分必要的。n n 1. 1. 模拟信号检测系统模拟信号检测系统n n 振荡器用于对传感器信号进行调制，并为解调振荡器用于对传感器信号进行调制，并为解调提供参考信号；提供参考信号；n n 量程变换电路的作用是避免放大器饱和并满足量程变换电路的作用是避免放大器饱和并满足不同测量范围的需要；不同测量范围的需要；n n 解调器用于将已调制信号恢复成原有形式；解调器用于将已调制信号恢复成原有形式；5.1 概述概述一、

2、检测系统的组成一、检测系统的组成n n 滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表被测物理量的有效信号；被测物理量的有效信号；n n 运算电路可对信号进行各种处理，以正确获得运算电路可对信号进行各种处理，以正确获得所需的物理量，其功能也可在对信号进行模所需的物理量，其功能也可在对信号进行模/ /数转数转换后，由数字计算机来实现；换后，由数字计算机来实现；n n 计算机对信号进行进一步处理后，可获得相应计算机对信号进行进一步处理后，可获得相应的信号去控制执行机构，而在不需要执行机构的的信号去控制执行机构，而在不需要执行机构的检测系统中，计算机则将有关信息送去

3、显示或打检测系统中，计算机则将有关信息送去显示或打印输出。印输出。n n2. 2. 数字信号检测系统数字信号检测系统数字信号检测系统数字信号检测系统n n 数字信号检测系统数字信号检测系统数字信号检测系统数字信号检测系统有有有有绝对码数字式绝对码数字式绝对码数字式绝对码数字式和和和和增增增增量码数字式量码数字式量码数字式量码数字式。当传感。当传感。当传感。当传感器输出的编码与被测器输出的编码与被测器输出的编码与被测器输出的编码与被测量一一对应，称为绝量一一对应，称为绝量一一对应，称为绝量一一对应，称为绝对码。绝对码检测系对码。绝对码检测系对码。绝对码检测系对码。绝对码检测系统如右图所示统如右图

4、所示统如右图所示统如右图所示 ，每一，每一，每一，每一一、检测系统的组成一、检测系统的组成经光电转换和放大整形后，得到与被测量相对应的编码。经光电转换和放大整形后，得到与被测量相对应的编码。经光电转换和放大整形后，得到与被测量相对应的编码。经光电转换和放大整形后，得到与被测量相对应的编码。纠错电路纠正由于各个码道刻划误差而可能造成的粗大纠错电路纠正由于各个码道刻划误差而可能造成的粗大纠错电路纠正由于各个码道刻划误差而可能造成的粗大纠错电路纠正由于各个码道刻划误差而可能造成的粗大误差。采用循环码（格雷码）传感器时则先转换为二进误差。采用循环码（格雷码）传感器时则先转换为二进误差。采用循环码（格雷

5、码）传感器时则先转换为二进误差。采用循环码（格雷码）传感器时则先转换为二进制码，再译码输出。制码，再译码输出。制码，再译码输出。制码，再译码输出。码道的状态由相应光电元件读出，码道的状态由相应光电元件读出，码道的状态由相应光电元件读出，码道的状态由相应光电元件读出，n n 当传感器输出增量当传感器输出增量当传感器输出增量当传感器输出增量码信号，即信号变化码信号，即信号变化码信号，即信号变化码信号，即信号变化的周期数与被测量成的周期数与被测量成的周期数与被测量成的周期数与被测量成正比，其增量码数字正比，其增量码数字正比，其增量码数字正比，其增量码数字信号检测系统的典型信号检测系统的典型信号检测系

6、统的典型信号检测系统的典型组成如右图所示。组成如右图所示。组成如右图所示。组成如右图所示。 传感器的输出多数为正弦波信号，需先经放大、整形后变成传感器的输出多数为正弦波信号，需先经放大、整形后变成数字脉冲信号。但在多数情况下，为提高分辨率，常采用细分电数字脉冲信号。但在多数情况下，为提高分辨率，常采用细分电路使传感器信号每变化路使传感器信号每变化1/n个周期计一个数，其中个周期计一个数，其中n称为细分数。称为细分数。辨向电路用于辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的被测辨向电路用于辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的被测量不便读出和处理时，需进行脉冲当量变换。计算机可对信号进量不便读出和

7、处理时，需进行脉冲当量变换。计算机可对信号进行复杂的运算处理，并将结果直接送去显示或打印输出，或求取行复杂的运算处理，并将结果直接送去显示或打印输出，或求取控制量去控制执行机构控制量去控制执行机构。n n1.1.模拟量的转换输入方式模拟量的转换输入方式(4(4种种) )二、模拟量的转换输入二、模拟量的转换输入n n2. 2. 多路模拟开关多路模拟开关n n多路模拟开关又称为多路模拟开关又称为多路转换开关，简称多路转换开关，简称多路开关，其作用是多路开关，其作用是分别或依次把各路检分别或依次把各路检测信号与测信号与A/DA/D转换器转换器接通，以节省接通，以节省A/DA/D转转换器件。换器件。

8、右图表示一个右图表示一个右图表示一个右图表示一个8 8通道的模拟开关的结构图，它由模拟开通道的模拟开关的结构图，它由模拟开通道的模拟开关的结构图，它由模拟开通道的模拟开关的结构图，它由模拟开关关关关S S00S S7 7及开关控制与驱动电路组成。及开关控制与驱动电路组成。及开关控制与驱动电路组成。及开关控制与驱动电路组成。8 8个模拟开关个模拟开关个模拟开关个模拟开关的接通与断开，通过用二进制代码寻址来指定，从而选的接通与断开，通过用二进制代码寻址来指定，从而选的接通与断开，通过用二进制代码寻址来指定，从而选的接通与断开，通过用二进制代码寻址来指定，从而选择特定的通道。择特定的通道。择特定的通

9、道。择特定的通道。 上图是上图是AD7501型多路模拟开关集成芯片的管脚功型多路模拟开关集成芯片的管脚功能图，这是具有能图，这是具有8路输入通道、路输入通道、1路公共输出的多路开关路公共输出的多路开关CMOS集成芯片。由三个地址线（集成芯片。由三个地址线（A0、A1、A2）的状）的状态及态及EN端来选择端来选择8个通道之中的一路，片上所有的逻辑个通道之中的一路，片上所有的逻辑输入端与输入端与TTL/DTL及及CMOS电路兼容。其真值表如下电路兼容。其真值表如下:A A2 2A A1 1A A0 0ENEN“ “ON”ON”0 00 00 01 11 10 00 01 11 12 20 01 1

10、0 01 13 30 01 11 11 14 41 10 00 01 15 51 10 01 11 16 61 11 10 01 17 71 11 11 11 18 8 0 0无无n n3. 3. 信号采集与保持信号采集与保持n n 所谓采集，就是把时间连续的信号变成一串不所谓采集，就是把时间连续的信号变成一串不连续的脉冲时间序列的过程。信号采样是通过采连续的脉冲时间序列的过程。信号采样是通过采样开关来实现。采样开关又称采样器，实质上它样开关来实现。采样开关又称采样器，实质上它是一个模拟开关，每隔时间间隔是一个模拟开关，每隔时间间隔T T闭合一次，每次闭合一次，每次闭合持续时间闭合持续时间 ，

11、其中，其中，T T称为采样周期，其倒数称为采样周期，其倒数fsfs=1/=1/T T称为采样频率，称为采样频率， 称为采样时间或采样宽称为采样时间或采样宽度，采样后的脉冲序列称为采样信号。采样信号度，采样后的脉冲序列称为采样信号。采样信号是一个离散的模拟信号，它在时间轴上是离散的，是一个离散的模拟信号，它在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍是连续的，因而还需要用但在函数轴上仍是连续的，因而还需要用A/DA/D转转换器将其转换成数字量。换器将其转换成数字量。n n A/DA/D转换过程需要转换过程需要一定时间，为防止产一定时间，为防止产生误差，要求在此期生误差，要求在此期间内保持采样信号不间内保持

12、采样信号不变。实现这一功能的变。实现这一功能的电路称采样电路称采样/ /保持电路。保持电路。 典型的采样典型的采样典型的采样典型的采样/ /保持电路由模拟开关、保持电容和运保持电路由模拟开关、保持电容和运保持电路由模拟开关、保持电容和运保持电路由模拟开关、保持电容和运算放大器组成，如右图所示。算放大器组成，如右图所示。算放大器组成，如右图所示。算放大器组成，如右图所示。5.2 机电一体化系统化常用传感器机电一体化系统化常用传感器n n一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器n n二、感应同步器n n三、磁栅位移传感器一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器1 1、光栅的构造：、光栅的构造：、光栅的构造

13、：、光栅的构造：n n2 2、工作原理、工作原理一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器 把两块栅距把两块栅距把两块栅距把两块栅距WW相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角有较小的夹角有较小的夹角有较小的夹角 时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的

14、方向这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。排列，如图所示。排列，如图所示。排列，如图所示。 光栅密度可达光栅密度可达光栅密度可达光栅密度可达250250条条条条/mm/mm。n n莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹具有如下特点：n n1.1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距移动过一个栅距WW，莫尔条纹就移动，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B n n2.2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B B与两光栅条纹夹角之

15、间关系为与两光栅条纹夹角之间关系为n n3.3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。 一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器n n 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。所示。 一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器其电压为：其电压为：其电压为：其电压为：n n 将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器

16、n n1.感应同步器结构二、感应同步器二、感应同步器 sinsin coscos 节距节距节距节距22（2mm2mm） 节距节距节距节距 （0.5mm0.5mm） 绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶 铜箔铜箔铜箔铜箔 铝箔铝箔铝箔铝箔 耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层 基板基板基板基板( (钢、铜钢、铜钢、铜钢、铜) )滑尺滑尺滑尺滑尺定尺定尺定尺定尺n n 包包括括定定尺尺和和滑滑尺尺，用用制制造造印印刷刷线线路路板板的的腐腐蚀蚀方方法法在在定定尺尺和和滑滑尺尺上上制制成成节节距距T(T(一一般般为为2mm)2mm)的的方方齿齿形形线线圈圈。定定尺尺绕绕组组是是连连续续的的，滑

17、滑尺尺上上分分布布着着两两个个励励磁磁绕绕组组，分分别别称称为为正正弦弦绕绕组组和和余余弦弦绕绕组组。当当正正弦弦绕绕组组与与定定尺尺绕绕组组相相位位相相同同时时，余余弦弦绕绕组组与与定定尺尺绕绕组组错错开开1/41/4节节距距。滑滑尺尺和和定定尺尺相相对对平平行行安安装装，其间保持一定间隙（其间保持一定间隙（0.050.2mm0.050.2mm）。）。二、感应同步器二、感应同步器n n2.2.感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理n n 在滑尺的绕组中，施加频率为在滑尺的绕组中，施加频率为f f（一般为（一般为210kHz210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率）的交变电流时，定尺绕

18、组感应出频率为为f f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。尺的相对位置有关。n n 设正弦绕组供电电压为设正弦绕组供电电压为UsUs，余弦绕组供电电压，余弦绕组供电电压为为UcUc，移动距离为，移动距离为x x，节距为，节距为T T，则正弦绕组单独，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为供电时，在定尺上感应电势为二、感应同步器二、感应同步器n n余弦绕组单独供电所产生的感应电势为余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 二、感应同步器二、感应同步器由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线由

19、于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为性叠加，所以定尺上总的感应电势为性叠加，所以定尺上总的感应电势为性叠加，所以定尺上总的感应电势为n n式中式中 ： n nK K定尺与滑尺之间的耦合系数；定尺与滑尺之间的耦合系数；n n 定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）度）n nT T节距，表示直线感应同步器的周期，标准式节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节距为直线感应同步器的节距为2mm2mm。n n 利用感应电压的变化可以求得位移利用感应电压的变化可以求得位移

20、X X，从而进，从而进行位置检测。行位置检测。二、感应同步器二、感应同步器n n3. 3. 测量方法测量方法n n 根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相式鉴相式和和鉴幅式鉴幅式两种工作法。两种工作法。二、感应同步器二、感应同步器n n(1)(1)鉴相式工作法鉴相式工作法n n 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差幅值，但相位相差9090o o的两个电压，设的两个电压，设二、感应同步器二、感应同步器则则则则

21、 从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移的相对位移的相对位移的相对位移x x： 二、感应同步器二、感应同步器n n2.2.鉴幅工作法鉴幅工作法n n 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压：相同相位，但幅值不等的两个交流电压：则：则：则：则： 由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦

22、由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。尺和滑尺之间的相对位移。尺和滑尺之间的相对位移。尺和滑尺之间的相对位移。n n1.1.磁栅式位移传感器的结构磁栅式位移传感器的结构 三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器11磁性膜磁性膜 22基体基体 33磁尺磁尺 44磁头磁头 55铁芯铁芯 66励磁励磁绕组绕组 77拾磁绕组拾磁绕组n n2.2.原理：原理：n n 在用软磁材料制成的铁芯

23、上绕有两个绕组，一个为在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：压为：三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器UU0 0输出电压系数；输出电压系数；输出电压系数；输出电压系数； 磁尺上磁化信号的节距；磁尺上磁化信号的节距；磁尺上磁化信号的节距；磁尺上磁化信号的节距； 磁头相对磁尺的位移；磁头相对磁尺的位移；磁头相对磁尺的位移；磁头相对磁尺的位移； 励磁电压的角频率。励磁电压的角频率。励磁电压的角频率。励磁电压

24、的角频率。 式中：式中：式中：式中： 在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向n n3.3.测量方式测量方式n n(1)(1)鉴幅测量方式鉴幅测量方式 n n如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为掉后则得到相位差为/2/2的两组信号的两组信号n n 两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检个正（余）弦信号

25、，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距到录磁节距 的限制，若要提高分辨率就必须采用的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。较复杂的信频电路，所以不常采用。 三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器n n2.2.鉴相测量方式鉴相测量方式n n将一组磁头的励磁信号移相将一组磁头的励磁信号移相9090，则得到输出电，则得到输出电压为压为n n在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为三、磁栅位移传感器三、磁栅位移传感器则合成输出电压则合成输出电压则合成输出电压则

26、合成输出电压UU的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置的相对位置的相对位置的相对位置 变化而变。读出输出信号的相位，就可确变化而变。读出输出信号的相位，就可确变化而变。读出输出信号的相位，就可确变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。定磁头的位置。定磁头的位置。定磁头的位置。 5.4 数字信号的检测数字信号的检测n n在工程测试中，数字信号处理方法得到广泛的应用，已成为测试系统中的重要部分。数字式传感器通过接口与计算机连接，讲数字信号直接送给计算机进行处理。但传感器获取的测试信号中大多数不能直

27、接被计算机接受，需要进行预处理。常用的信号处理电路有脉冲信号处理电路、开关量信号处理电路等。5.4.1 单脉冲信号n n1.1.增量式增量式编码器结构编码器结构5.4.2 光电编码器光电编码器n n2.2.增量式编码器工作原理增量式编码器工作原理增量式编码器工作原理增量式编码器工作原理n n 鉴向盘与主码盘平行，并刻有鉴向盘与主码盘平行，并刻有鉴向盘与主码盘平行，并刻有鉴向盘与主码盘平行，并刻有a a、b b两组透明两组透明两组透明两组透明检测窄缝，它们彼此错开检测窄缝，它们彼此错开检测窄缝，它们彼此错开检测窄缝，它们彼此错开1/41/4节距，以使节距，以使节距，以使节距，以使AA、BB两两两

28、两个光电变换器的输出信号在相位上相差个光电变换器的输出信号在相位上相差个光电变换器的输出信号在相位上相差个光电变换器的输出信号在相位上相差9090。工。工。工。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐盘上的不透

29、明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过

30、一个刻线周期，光电变压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器器器器AA、BB的输出电压相位差为的输出电压相位差为的输出电压相位差为的输出电压相位差为9090。经逻辑电路处。经逻辑电路处。经逻辑电路处。经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。理就可以测出

31、被测轴的相对转角和转动方向。 n n3.3.绝对式编码器原理绝对式编码器原理绝对式编码器原理绝对式编码器原理n n 绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。码盘有光电式、接触式和电磁式三种。码盘有光电式、接触式和电磁式三种。码盘有光电式、接触式和电磁式三种。n n 光电式码盘是目前应用

32、较多的一种，它是在光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上别代表

33、一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码印制黑白等间隔图案，形成一套编码印制黑白等间隔图案，形成一套编码印制黑白等间隔图案，形成一套编码 n n 黑色不透光区和白黑色不透光区和白色透光区分别代表二色透光区分别代表二进制的进制的“ “0”0”和和“ “1”1”。在一个四位光电码盘在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进每一个码道表示二进制的一位，里侧是高制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在位，外侧是低位，在360360范围内可编数码范围内可编数码数为数为2 24 4=16=16个。个。n n 工作时，码盘的一工作时，码盘的一侧放置电

34、源，另一边侧放置电源，另一边放置光电接受装置，放置光电接受装置，每个码道都对应有一每个码道都对应有一个光电管及放大、整个光电管及放大、整形电路。码盘转到不形电路。码盘转到不同位置，光电元件接同位置，光电元件接受光信号，并转成相受光信号，并转成相应的电信号，经放大应的电信号，经放大整形后，成为相应数整形后，成为相应数码电信号。码电信号。 n n4.4.绝对式编码器非单值性绝对式编码器非单值性误差的消除误差的消除n n(1).(1).循环码盘循环码盘n n( (或称格雷码盘或称格雷码盘) )n n右图所示为四位二右图所示为四位二n n进制循环码。这种进制循环码。这种n n编码的特点是任意编码的特点

35、是任意n n相邻的两个代码间相邻的两个代码间n n只有一位代码有变只有一位代码有变n n化，即化，即“ “0”0”变为变为“ “1”1”n n或或“ “1”1”变为变为“ “0”0”。因。因n n此，在两数变换过此，在两数变换过n n程中，所产生的读程中，所产生的读n n数误差最多不超过数误差最多不超过n n“ “1”1”，只可能读成，只可能读成n n相邻两个数中的一个数。相邻两个数中的一个数。 n n(2).(2).带判位光电装置带判位光电装置的二进制循环码盘的二进制循环码盘n n 该码盘最外圈上的该码盘最外圈上的信号位的位置正好与信号位的位置正好与状态交线错开，只有状态交线错开，只有当信号

36、位处的光电元当信号位处的光电元件有信号时才读数，件有信号时才读数，这样就不会产生非单这样就不会产生非单值性误差。值性误差。 5.4.3 开关信号5.4.4 传感器的非线性补偿处理n n在机电一体化系统中，特别是对被测量进在机电一体化系统中，特别是对被测量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的行显示时，总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系，使测量对象输出和输入特性呈线性关系，使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便在整个刻度范围内灵敏度一致，以便读数读数及对系统进行及对系统进行分析处理分析处理。n n进行非线性补偿的一类方法是采用硬件电进行非线性补偿的一类方法是采用硬件电路组成补

37、偿回路，这类方法增加了电路的路组成补偿回路，这类方法增加了电路的复杂性，而且很难达到理想的补偿。目前复杂性，而且很难达到理想的补偿。目前非线性补偿常用计算机软件来完成，其补非线性补偿常用计算机软件来完成，其补偿过程简单，精确度也高，减少了电路复偿过程简单，精确度也高，减少了电路复杂性。杂性。n n用软件进行用软件进行用软件进行用软件进行“ “线性化线性化线性化线性化” ”处理的方法主要有计算法、处理的方法主要有计算法、处理的方法主要有计算法、处理的方法主要有计算法、查表法和插值法等三种。查表法和插值法等三种。查表法和插值法等三种。查表法和插值法等三种。n n1 1、计算法、计算法、计算法、计算

38、法n n当输出电信号与传感器的参数之间有确定的数字当输出电信号与传感器的参数之间有确定的数字当输出电信号与传感器的参数之间有确定的数字当输出电信号与传感器的参数之间有确定的数字表达式时，就可采用计算法进行非线性补偿。即表达式时，就可采用计算法进行非线性补偿。即表达式时，就可采用计算法进行非线性补偿。即表达式时，就可采用计算法进行非线性补偿。即在软件中编制一段完成数字表达式计算的程序，在软件中编制一段完成数字表达式计算的程序，在软件中编制一段完成数字表达式计算的程序，在软件中编制一段完成数字表达式计算的程序，被测参数经过采样、滤波和标度变换后直接进入被测参数经过采样、滤波和标度变换后直接进入被测

39、参数经过采样、滤波和标度变换后直接进入被测参数经过采样、滤波和标度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计算机程序进行计算，计算后的数值即为经过线计算机程序进行计算，计算后的数值即为经过线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。性化处理的输出参数。性化处理的输出参数。性化处理的输出参数。n n在实际工程上，被测参数和输出电压常常在实际工程上，被测参数和输出电压常常是一组测定的数据。这时如仍想采用计算是一组测定的数据。这时如仍想采用计算法进行线性化处理，则可应用数学上曲线法进行线性化处理，则可应用数学上曲线拟合的方法对被测参数和输出电压进行拟拟合的方法对被

40、测参数和输出电压进行拟合，得出误差最小的近似表达式。通常采合，得出误差最小的近似表达式。通常采用多项式最小二乘拟合的方法，找出一个用多项式最小二乘拟合的方法，找出一个能较准确地反映传感器输出信号与被测量能较准确地反映传感器输出信号与被测量之间关系的多项式。之间关系的多项式。n n2 查表法查表法n n在机电一体化系统中，有些参数的计算式在机电一体化系统中，有些参数的计算式非常复杂的，有时需要涉及指数、对数、非常复杂的，有时需要涉及指数、对数、三角函数等运算，有些甚至无法建立数学三角函数等运算，有些甚至无法建立数学模型。模型。 n n所谓查表法所谓查表法, 就是把事先计算或测得的数据就是把事先计

41、算或测得的数据按一定顺序编制成表格按一定顺序编制成表格, 查表程序的任务就查表程序的任务就 是根据被测参数的值或者中间结果是根据被测参数的值或者中间结果,查出最查出最终所需要的结果终所需要的结果. n n查表是查表是种非数值计算方法种非数值计算方法, 利用这种方法利用这种方法可以完成数据补偿可以完成数据补偿, 计算计算, 转换等各种工作转换等各种工作, 它具有程序简单它具有程序简单,执行速度快等优点执行速度快等优点.表的表的排列不同排列不同,查表的方法也不同查表的方法也不同.查表的方法查表的方法有有: 顺序查表法顺序查表法,计算查表法计算查表法,对分搜索法等对分搜索法等.下面只介绍顺序查表法下

42、面只介绍顺序查表法. n n顺序查表法是针对无序排列表格的一种方法顺序查表法是针对无序排列表格的一种方法顺序查表法是针对无序排列表格的一种方法顺序查表法是针对无序排列表格的一种方法. . 因为无序表格中所有各项的排列均无一定的规因为无序表格中所有各项的排列均无一定的规因为无序表格中所有各项的排列均无一定的规因为无序表格中所有各项的排列均无一定的规律律律律, , 所以只能按照顺序所以只能按照顺序所以只能按照顺序所以只能按照顺序 从第一项开始逐项寻找从第一项开始逐项寻找从第一项开始逐项寻找从第一项开始逐项寻找, ,直到找到所要查找的关键字为止直到找到所要查找的关键字为止直到找到所要查找的关键字为止

43、直到找到所要查找的关键字为止. .如在以如在以如在以如在以 DATA DATA 为首地址的存储为首地址的存储为首地址的存储为首地址的存储 单元中单元中单元中单元中, ,有一长度为有一长度为有一长度为有一长度为 100 100 个字节的无序表格个字节的无序表格个字节的无序表格个字节的无序表格, ,设要查找的关键字放设要查找的关键字放设要查找的关键字放设要查找的关键字放在在在在 CHEACD CHEACD 单元单元单元单元, ,试用试用试用试用 软件进行查找软件进行查找软件进行查找软件进行查找, ,若找若找若找若找到到到到, ,则将关键字所在的内存单元地址存于则将关键字所在的内存单元地址存于则将关

44、键字所在的内存单元地址存于则将关键字所在的内存单元地址存于 R2,R3 R2,R3 寄存器中寄存器中寄存器中寄存器中, ,如末找到如末找到如末找到如末找到, , 将将将将 R2,R3 R2,R3 寄存寄存寄存寄存器清零器清零器清零器清零. . 出于待查找的是无序表格出于待查找的是无序表格出于待查找的是无序表格出于待查找的是无序表格, ,所以只能按所以只能按所以只能按所以只能按单元逐个搜索单元逐个搜索单元逐个搜索单元逐个搜索, ,根据题意可画出程序流程图根据题意可画出程序流程图根据题意可画出程序流程图根据题意可画出程序流程图 n n3.插值法插值法n n当巳知某一输入值当巳知某一输入值xi以后，

45、要想求出值以后，要想求出值yi并非易事，因为其函数关系数关系式并非易事，因为其函数关系数关系式y=f(x)并不是简单的线性方程。为使问题并不是简单的线性方程。为使问题简化，可以把该曲线按一定要求分成若干简化，可以把该曲线按一定要求分成若干段，然后把相邻两分段点用直线连起来段，然后把相邻两分段点用直线连起来(如如图中的虚线所示图中的虚线所示)，用此直线代替相应的各，用此直线代替相应的各段曲线、即可求出输入值段曲线、即可求出输入值x所对应的输出值所对应的输出值y。n n具体执行过程：具体执行过程：具体执行过程：具体执行过程：n n第一步，用实验法测出传感器的变化曲线第一步，用实验法测出传感器的变化

46、曲线第一步，用实验法测出传感器的变化曲线第一步，用实验法测出传感器的变化曲线y yf(x)f(x)。为准确起见，要多测几次，以便求出一个。为准确起见，要多测几次，以便求出一个。为准确起见，要多测几次，以便求出一个。为准确起见，要多测几次，以便求出一个比较精确的输入输出曲线。比较精确的输入输出曲线。比较精确的输入输出曲线。比较精确的输入输出曲线。n n第二步第二步第二步第二步, , 将上述曲线进行分段、选取各插值基点。将上述曲线进行分段、选取各插值基点。将上述曲线进行分段、选取各插值基点。将上述曲线进行分段、选取各插值基点。为了使基点的选取更合理，不同的曲线采用不同为了使基点的选取更合理，不同的

47、曲线采用不同为了使基点的选取更合理，不同的曲线采用不同为了使基点的选取更合理，不同的曲线采用不同的方法分段。主要有两种方法：的方法分段。主要有两种方法：的方法分段。主要有两种方法：的方法分段。主要有两种方法：n n(1) (1) 等距分段法等距分段法等距分段法等距分段法n n 等距分段法即沿等距分段法即沿等距分段法即沿等距分段法即沿y y轴等距离地选取插值基点。轴等距离地选取插值基点。轴等距离地选取插值基点。轴等距离地选取插值基点。这种方法的主要优点是使这种方法的主要优点是使这种方法的主要优点是使这种方法的主要优点是使xi+1-xixi+1-xi常数，因而常数，因而常数，因而常数，因而使计算变

48、得简单。但是函数的曲率和斜率变化比使计算变得简单。但是函数的曲率和斜率变化比使计算变得简单。但是函数的曲率和斜率变化比使计算变得简单。但是函数的曲率和斜率变化比较大时，会产生一定的误差；要想减少误差必较大时，会产生一定的误差；要想减少误差必较大时，会产生一定的误差；要想减少误差必较大时，会产生一定的误差；要想减少误差必须把基点分得很细，这样势必占用较多的内存，须把基点分得很细，这样势必占用较多的内存，须把基点分得很细，这样势必占用较多的内存，须把基点分得很细，这样势必占用较多的内存，并使计算机所占用的机时加长。并使计算机所占用的机时加长。并使计算机所占用的机时加长。并使计算机所占用的机时加长。

49、n n(2) (2) 非等距分段法非等距分段法非等距分段法非等距分段法n n这种方法的特点是函数基点的分段不是等距离的，这种方法的特点是函数基点的分段不是等距离的，这种方法的特点是函数基点的分段不是等距离的，这种方法的特点是函数基点的分段不是等距离的，通常将曲线曲率大的线段插值距离划分小一点，通常将曲线曲率大的线段插值距离划分小一点，通常将曲线曲率大的线段插值距离划分小一点，通常将曲线曲率大的线段插值距离划分小一点，而使曲率小区域的插值距离大一点，但非等值插而使曲率小区域的插值距离大一点，但非等值插而使曲率小区域的插值距离大一点，但非等值插而使曲率小区域的插值距离大一点，但非等值插值点的选取比较麻烦。值点的选取比较麻烦。值点的选取比较麻烦。值点的选取比较麻烦。n n第三步第三步 确定并计算出各插值确定并计算出各插值点点xi、yi的值及两相邻插值的值及两相邻插值点间的拟合直线的斜率点间的拟合直线的斜率ki并并存放在存储器中。存放在存储器中。n n第四步第四步 找出找出x所在的区域所在的区域(xi,xi+1),并取出该线段的并取出该线段的斜率斜率ki。n n第五步第五步 计算计算