《检测与传感器 》PPT课件

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1、第二章第二章 检测与传感器检测与传感器n n2.1 概述概述n n2.2 线位移检测传感器线位移检测传感器n n2.3 角位移检测传感器角位移检测传感器n n2.4 速度、加速度传感器速度、加速度传感器n n2.5 测力传感器测力传感器n n2.6 传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用n n2.7 检测信号的采集与处理检测信号的采集与处理2.1 概述概述n n一、定义及分类：一、定义及分类：n n1、定义：传感器是将力、温度、位移、速、定义：传感器是将力、温度、位移、速度等量转换成电信号的元件。度等量转换成电信号的元件。“传感器技传感器技术是机电一体化的第一基础术是机电一体化的第一基础

2、”n n2、分类、分类n n 按能量变换的功能分：按能量变换的功能分：n n 按输出的信号分：按输出的信号分：物理传感器物理传感器物理传感器物理传感器化学传感器化学传感器化学传感器化学传感器 计数型（二次型计数型（二次型计数型（二次型计数型（二次型+ +计数型）计数型）计数型）计数型） 电压，电流型（热电偶电压，电流型（热电偶电压，电流型（热电偶电压，电流型（热电偶, ,CdsCds电池）电池）电池）电池） 电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容）有接点型有接点型有接点型有接点型( (微动开关，接触开关，微动开关，接触开关，微动开关，接触

3、开关，微动开关，接触开关， 行程开关行程开关行程开关行程开关) ) 传感器传感器传感器传感器 电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型非电量型非电量型非电量型二值型二值型二值型二值型电量电量电量电量无接点型无接点型无接点型无接点型( (光电开关，接近开关光电开关，接近开关光电开关，接近开关光电开关，接近开关) )模拟型模拟型模拟型模拟型数字型数字型数字型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性n n1. 1

4、. 传感器的静特性传感器的静特性传感器的静特性传感器的静特性n n 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：静态特性的主要技术指标有：静态特性的主要技术指标有：静态特性的主要技术指标有：线性度线性度线性度线性度、灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度、迟滞迟滞迟滞迟滞和和和和重复性重复性重复性重复性

5、等。等。等。等。n n(1).(1).线性度线性度线性度线性度n n 传感器的线性度是指传感器实际输出传感器的线性度是指传感器实际输出传感器的线性度是指传感器实际输出传感器的线性度是指传感器实际输出输入特输入特输入特输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即之比，即之比，即之比，即二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性(2).(2).灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏

6、度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出量的变化量与输入量的变化量之比，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即(3).(3).迟滞迟滞迟滞迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出程中，输出程中，输出程中，输出输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，输入特性曲线不重合的程度称为迟滞

7、，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示 二、二、传感器的基本特性传感器的基本特性(4).(4).重复性重复性重复性重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出量程连续多次重复测量时，所得输出量程连续多次重复测量时，所得输出量程连续多次重复测量时，所得输出输入曲线的输入曲线的输入曲线的输入曲线的不一致程度，称重复性。重复

8、性误差用满量程输出的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即百分数表示，即百分数表示，即百分数表示，即近似计算近似计算近似计算近似计算精确计算精确计算精确计算精确计算二、二、传感器的基本特性传感器的基本特性5.5.分辨力分辨力分辨力分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。零点附近的分辨力称为阈值。零点附近的分辨力称为

9、阈值。零点附近的分辨力称为阈值。6.6.零漂零漂零漂零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。n n2. 2. 传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的动态特性n n 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。传感器能测量动态信号的能

10、力用动态特性表示。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、

11、调整时态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。间、频率响应范围、临界频率等。间、频率响应范围、临界频率等。间、频率响应范围、临界频率等。 二、二、传感器的基本特性传感器的基本特性n n1. 1. 新型传感器的开发新型传感器的开发新型传感器的开发新型传感器的开发n n 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开由此

12、启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。总之，传感器低成本和小型化传感器的重要途径。总之，传感器低成本和小型化传感器的重要途径。

13、总之，传感器低成本和小型化传感器的重要途径。总之，传感器正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的过程。正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的过程。正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的过程。正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的过程。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向n n2. 2. 传感器的集成化和多功能化传感器的集成化和多功能化传感器的集成化和多功能化传感器的集成化和多功能化n n 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的发展，出现了多种集成化传感器。这

14、类传方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的

15、元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等电路集成一体具有多种功能电路集成一体具有多种功能电路集成一体具有多种功能电路集成一体具有多种功能实现了横向和纵实现了横向和纵实现了横向和纵实现了横向和纵向的多功能。向的多功能。向的多功能。向的多功能。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向n n3. 3. 传感器的智能化传感器的智能化传感器的智能化传感器的智能化n n “ “电五官电五官电五官电五官” ”与与与与“ “电脑电脑电脑电脑”

16、 ”的相结合，就是传感器的相结合，就是传感器的相结合，就是传感器的相结合，就是传感器的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步将传感器与计

17、算机的这些功能集成于同一芯片上，将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上，将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上，将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上，就成为智能传感器。就成为智能传感器。就成为智能传感器。就成为智能传感器。三、传感器的发展方向三、传感器的发展方向2.2 线位移检测传感器线位移检测传感器n n一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器一、光栅位移传感器n n二、感应同步器二、感应同步器n n三、磁栅位移传感器三、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：、光栅的构造：n n2 2、工作原理、工作原理

18、、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方向这种条纹称莫尔条纹，它们

19、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。 n n莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹具有如下特点：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，莫尔条纹就移动，莫尔条纹就移动过一个条过一个条纹间距纹间距B n n2.2.莫尔条纹具有位移

20、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BB与两光栅条纹夹角之间关系为与两光栅条纹夹角之间关系为与两光栅条纹夹角之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。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

21、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。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，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。测位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。量分辨率等于栅距。一、光栅位移传感器一、光栅位移传感

22、器n n1.感应同步器结构感应同步器结构二、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 包包包包括括括括定定定定尺尺尺尺和和和和滑滑滑滑尺尺尺尺，用用用用制制制制造造造造印印印印刷刷刷刷线线线线路路路路板板板板的的的的腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀方方方方法法法法在在在在定定定定尺尺尺尺和和和和滑滑滑滑尺尺尺

23、尺上上上上制制制制成成成成节节节节距距距距T(T(一一一一般般般般为为为为2mm)2mm)的的的的方方方方齿齿齿齿形形形形线线线线圈圈圈圈。定定定定尺尺尺尺绕绕绕绕组组组组是是是是连连连连续续续续的的的的，滑滑滑滑尺尺尺尺上上上上分分分分布布布布着着着着两两两两个个个个励励励励磁磁磁磁绕绕绕绕组组组组，分分分分别别别别称称称称为为为为正正正正弦弦弦弦绕绕绕绕组组组组和和和和余余余余弦弦弦弦绕绕绕绕组组组组。当当当当正正正正弦弦弦弦绕绕绕绕组组组组与与与与定定定定尺尺尺尺绕绕绕绕组组组组相相相相位位位位相相相相同同同同时时时时，余余余余弦弦弦弦绕绕绕绕组组组组与与与与定定定定尺尺尺尺绕绕绕绕组组

24、组组错错错错开开开开1/41/4节节节节距距距距。滑滑滑滑尺尺尺尺和和和和定定定定尺尺尺尺相相相相对对对对平平平平行行行行安安安安装装装装，其间保持一定间隙（其间保持一定间隙（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（一般为（一般为210kHz210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频）的交变

25、电流时，定尺绕组感应出频）的交变电流时，定尺绕组感应出频）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为率为率为率为f f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。定尺的相对位置有关。定尺的相对位置有关。定尺的相对位置有关。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，余弦绕组供电电压，余弦绕组供电电压为为为为UcUc，移动距离为，移动距离为，移动距离为，移动距离为x x，节距为，节距为，节

26、距为，节距为T T，则正弦绕组单，则正弦绕组单，则正弦绕组单，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为独供电时，在定尺上感应电势为独供电时，在定尺上感应电势为独供电时，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

27、，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式中式中式中式中 ： n nKK定尺与滑尺之间的耦合系数；定尺与滑尺之间的耦合系数；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）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

28、的节距为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XX，从而进，从而进，从而进，从而进行位置检测。行位置检测。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

29、量方式有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鉴相式鉴相式和和和和鉴幅式鉴幅式鉴幅式鉴幅式两种工作法。两种工作法。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，设的两个电压，设的两个电压，设二、感应

30、同步器二、感应同步器则则则则 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：相同相位，但幅值不等的

31、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磁栅式位移

32、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：原理：原理：n n 在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，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，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

33、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：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。励磁电压的角频率。 式中：式中：式中：式中： 在实际应用中，需要采用

34、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.测量方式测量方式测量方式测量方式n n(1)(1)鉴幅测量方式鉴幅测量方式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的两组信号的两组信号n n 两组磁头相对于

35、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，经信号处理后可进行位置检个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检个正（余）弦信号，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的限制，若要提高分辨

36、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。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，则得到输出电，则得到输出电压为压为压为压为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

37、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。 2.3 角位移检测传感器角位移检测传感器n n一、旋转变压器一、旋转变压器n n二、光电编码器二、光电编码器n n1.

38、1. 结构如图所示结构如图所示结构如图所示结构如图所示n n 旋转变压器一般做旋转变压器一般做旋转变压器一般做旋转变压器一般做n n成两极电机的形式。成两极电机的形式。成两极电机的形式。成两极电机的形式。n n在定子上有激磁绕组在定子上有激磁绕组在定子上有激磁绕组在定子上有激磁绕组n n和辅助绕组，它们的和辅助绕组，它们的和辅助绕组，它们的和辅助绕组，它们的n n轴线相互成轴线相互成轴线相互成轴线相互成9090。在。在。在。在n n转子上有两个输出绕组转子上有两个输出绕组转子上有两个输出绕组转子上有两个输出绕组n n正弦输出绕组和余弦输出绕组，正弦输出绕组和余弦输出绕组，正弦输出绕组和余弦输出

39、绕组，正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成这两个绕组的轴线也互成这两个绕组的轴线也互成这两个绕组的轴线也互成9090，一般，一般，一般，一般将其中一个绕组（如将其中一个绕组（如将其中一个绕组（如将其中一个绕组（如Z Z1 1、Z Z2 2）短接。）短接。）短接。）短接。一、旋转变压器一、旋转变压器n n2. 2. 原理原理原理原理n n 旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率相似，由定

40、子和转子组成。当以一定频率（频率相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率通常为通常为通常为通常为400Hz400Hz、500Hz500Hz、1000Hz1000Hz及及及及5000Hz5000Hz等几种）的激磁电压加于定子绕组时，等几种）的激磁电压加于定子绕组时，等几种）的激磁电压加于定子绕组时，等几种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。数关系，或

41、在一定转角范围内与转角成正比关系。数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。压器，适用于小角位移的相对测量。压器，适用于小角位移的相对测量。压器，适用于小角位移的相对测量。一、旋转变压器一、旋转变压器n n3. 3. 测量方式测量

42、方式测量方式测量方式n n当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为差为差为差为9090的交变激磁电压时，便可在转子绕组中的交变激磁电压时，便可在转子绕组中的交变激磁电压时，便可在转子绕组中的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势得到感应电势得到感应电势得到感应电势UU3 3，根据线性叠加原理，根据线性叠加原理，根据线性叠加原理，根据线性叠加原理，UU3 3值为值为值为值为激磁电压激磁电压激磁电压激磁电压UU1 1和和和和UU2 2的感应电势之和，即的感应电势

43、之和，即的感应电势之和，即的感应电势之和，即一、旋转变压器一、旋转变压器式中式中式中式中: : k k =ww1 1/ /ww2 2旋转变压器的变压比旋转变压器的变压比旋转变压器的变压比旋转变压器的变压比 ww1 1、ww2 2转子、定子绕组的匝数转子、定子绕组的匝数转子、定子绕组的匝数转子、定子绕组的匝数n n 线性旋转变压器实际线性旋转变压器实际线性旋转变压器实际线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，上也是正余弦旋转变压器，上也是正余弦旋转变压器，上也是正余弦旋转变压器，不同的是线性旋转变压器不同的是线性旋转变压器不同的是线性旋转变压器不同的是线性旋转变压器采用了特定的变压比采用了特定

44、的变压比采用了特定的变压比采用了特定的变压比k k和和和和接线方式，如右图。这样接线方式，如右图。这样接线方式，如右图。这样接线方式，如右图。这样使得在一定转角范围内使得在一定转角范围内使得在一定转角范围内使得在一定转角范围内（一般为（一般为（一般为（一般为6060），其输），其输），其输），其输出电压和转子转角出电压和转子转角出电压和转子转角出电压和转子转角 成线成线成线成线性关系。此时输出电压为性关系。此时输出电压为性关系。此时输出电压为性关系。此时输出电压为一、旋转变压器一、旋转变压器n n1.1.增量式增量式增量式增量式编码器结构编码器结构编码器结构编码器结构二、光电编码器二、光电编码

45、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

46、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

47、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

48、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。理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。 二、光电编码器二、光电编码器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

49、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

50、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

51、码 二、光电编码器二、光电编码器n n 黑色不透光区和白黑色不透光区和白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色透光区分别代表二色透光区分别代表二进制的进制的进制的进制的“ “0”0”和和和和“ “1”1”。在一个四位光电码盘在一个四位光电码盘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，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，在位，外侧是低位，在位，外侧是低

52、位，在360360范围内可编数码范围内可编数码范围内可编数码范围内可编数码数为数为数为数为2 24 4=16=16个。个。个。个。二、光电编码器二、光电编码器n n 工作时，码盘的一工作时，码盘的一工作时，码盘的一工作时，码盘的一侧放置电源，另一边侧放置电源，另一边侧放置电源，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，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。码盘转到不形电路。码盘转到不形电路。码盘转到不同位置，光

53、电元件接同位置，光电元件接同位置，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，成为相应数整形后，成为相应数整形后，成为相应数码电信号。码电信号。码电信号。码电信号。 二、光电编码器二、光电编码器n n4.4.绝对式编码器非单值性绝对式编码器非单值性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误差的消除误差的消除n n(1).(1).循环码盘循环码盘循环码盘循环码盘n n( (或称格雷码盘或称格雷码盘或称格雷码盘或称格雷码盘)

54、)n n右图所示为四位二右图所示为四位二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是任意编码的特点是任意编码的特点是任意n n相邻的两个代码间相邻的两个代码间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只有一位代码有变只有一位代码有变n n化，即化，即化，即化，即“ “0”0”变为变为变为变为“ “1”1”n n或或或或“ “1”1”变为变为变为变为“ “0”0”。因。因。因。因n n此，在两数变换过此，在两数变换过此，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

55、产生的读程中，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，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。相邻两个数中的一个数。相邻两个数中的一个数。 二、光电编码器二、光电编码器n n(2).(2).带判位光电装置带判位光电装置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信号位的位置正好与信号位的位置正好与状态交线错开

56、，只有状态交线错开，只有状态交线错开，只有状态交线错开，只有当信号位处的光电元当信号位处的光电元当信号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，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。值性误差。值性误差。 二、光电编码器二、光电编码器2.4 速度、加速度传感器速度、加速度传感器n n一、直流测速发电机一、直流测速发电机n n二、光电式速度传感器二、光电式速度传感器n n三、差动变压器式速度传感器三、差动变压器式速度传感器n n四、加速度传感器四、加速度传感器n n 测速发电机的结构有

57、多种，测速发电机的结构有多种，测速发电机的结构有多种，测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。图但原理基本相同。图但原理基本相同。图但原理基本相同。图217217所示为永磁式测速发电机原所示为永磁式测速发电机原所示为永磁式测速发电机原所示为永磁式测速发电机原理电路图。恒定磁通由定子理电路图。恒定磁通由定子理电路图。恒定磁通由定子理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转产生，当转子在磁场中旋转产生，当转子在磁场中旋转产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变时，电枢绕组中即产生交变时，电枢绕组中即产生交变时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转的电势，经换向器和电刷转的电势

58、，经换向器和电刷转的电势，经换向器和电刷转换成正比的直流电势。换成正比的直流电势。换成正比的直流电势。换成正比的直流电势。 一、直流测速发电机一、直流测速发电机n n 直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就

59、尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速发电机。已安装了测速发电机。已安装了测速发电机。已安装了测速发电机。n n 光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度VV通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲号，经微分电路形

60、成两个脉冲输出，测出两脉冲号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间的时间间隔之间的时间间隔之间的时间间隔之间的时间间隔t t，则可测得速度为，则可测得速度为，则可测得速度为，则可测得速度为二、光电式速度传感器二、光电式速度传感器n n 光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆的输入轴）上的带

61、缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，圆盘每转一

62、周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间根据测量时间根据测量时间根据测量时间t t内的脉冲数内的脉冲数内的脉冲数内的脉冲数NN，则可测得转速为，则可测得转速为，则可测得转速为，则可测得转速为二、光电式速度传感器二、光电式速度传感器n n 差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速度。其工作原理如下图所示。差动变压器式的原度。其工作原理如下图所示。差动变压器式的原度。其工作原理如下图所示。差动变压器式的原度。其工作原理如下图所示。差动变压器式的原边线圈同时供以直流和

63、交流电流，即边线圈同时供以直流和交流电流，即边线圈同时供以直流和交流电流，即边线圈同时供以直流和交流电流，即三、差动变压器式速度传感器三、差动变压器式速度传感器 当差动变压器以被测速度当差动变压器以被测速度当差动变压器以被测速度当差动变压器以被测速度VV=dxdx/ /dtdt移动时，在移动时，在移动时，在移动时，在其副边两个线圈中产生感应电势，将它们的差值通其副边两个线圈中产生感应电势，将它们的差值通其副边两个线圈中产生感应电势，将它们的差值通其副边两个线圈中产生感应电势，将它们的差值通过低通滤波器滤除励磁高频角频率后，则可得到与过低通滤波器滤除励磁高频角频率后，则可得到与过低通滤波器滤除励

64、磁高频角频率后，则可得到与过低通滤波器滤除励磁高频角频率后，则可得到与速度速度速度速度v v（m/sm/s）相对应的电压输出，即）相对应的电压输出，即）相对应的电压输出，即）相对应的电压输出，即 差动变压器漂移小，其主要性能为：测量范围差动变压器漂移小，其主要性能为：测量范围差动变压器漂移小，其主要性能为：测量范围差动变压器漂移小，其主要性能为：测量范围102000mm/s102000mm/s（可调），输出电压（可调），输出电压（可调），输出电压（可调），输出电压10V10V（maxmax），输出电流），输出电流），输出电流），输出电流10mA10mA（maxmax），），），），频带宽度频带

65、宽度频带宽度频带宽度500Hz500Hz。三、差动变压器式速度传感器三、差动变压器式速度传感器n n 作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转所产生的惯性力而造成的各种物理

66、效应，进一步转化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应变片式和压电式等。变片式和压电式等。变片式和压电式等。变片式和压电式等。 四、加速度传感器四、加速度传感器n n 电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成

67、。当有加速重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体

68、作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。之用。这一系统的固有频率可以做得很低。之用。这一系统的固有频率可以做得很低。之用。这一系统的固有频率可以做得很低。四、加速度传感器四、加速度传感器n n 压电加速度传感压电加速度传感压电加速度传感压电加速度传感器结构原理如右图器结构原理如右图器结构原理如右图器结构原理如右图所示。使用时，传所示。使用时，传所示。使用时，传所示。使用时，传感器固定在被测物感器固定在被测物感器固定在被测物感器固定在被测物体上，感受该物体体上，感受该物体体上，感受该物体体上，感受该物体的振动，惯性质量的振动，惯性质量的振动，惯性质量的振动，惯性质量块产生惯性力，使块产生惯

69、性力，使块产生惯性力，使块产生惯性力，使压电元件产生变形。压电元件产生变形。压电元件产生变形。压电元件产生变形。压电元件产生压电元件产生压电元件产生压电元件产生四、加速度传感器四、加速度传感器n n的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。n n 压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、被测机构的影响就

70、小。压电加速度传感器的频率范围广、被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。n n 下下图为一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该传感器采图为一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该传感器采图为一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该传感器采图为一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该传感器采用差动式结构，有两个固定电极，两极板之间有一用弹簧支用差动式结构，有两个固定电极，两极板之间有一用弹簧支用差动式结构，

71、有两个固定电极，两极板之间有一用弹簧支用差动式结构，有两个固定电极，两极板之间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两端经过磨平抛光后作为可动极板。撑的质量块，此质量块的两端经过磨平抛光后作为可动极板。撑的质量块，此质量块的两端经过磨平抛光后作为可动极板。撑的质量块，此质量块的两端经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使两固定极相对质量块产生位移，使电容使两固定极相对质量块产生位移，使电容使两固定极相对

72、质量块产生位移，使电容使两固定极相对质量块产生位移，使电容C1C1、C2C2中一个增中一个增中一个增中一个增大，另一个减小，它们的差值正比于被测加速度。这种加速大，另一个减小，它们的差值正比于被测加速度。这种加速大，另一个减小，它们的差值正比于被测加速度。这种加速大，另一个减小，它们的差值正比于被测加速度。这种加速度传感器的精度较高，频率响应范围宽，可以测得很高的加度传感器的精度较高，频率响应范围宽，可以测得很高的加度传感器的精度较高，频率响应范围宽，可以测得很高的加度传感器的精度较高，频率响应范围宽，可以测得很高的加速度值。速度值。速度值。速度值。四、加速度传感器四、加速度传感器n n（一）

73、柱式弹性元件（一）柱式弹性元件（一）柱式弹性元件（一）柱式弹性元件n n 柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下图所示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主图所示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主图所示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主图所示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉( (压压压压) )力

74、传感器。力传感器。力传感器。力传感器。2.5 测力传感器测力传感器n n2. 2. 悬臂梁式弹性元悬臂梁式弹性元悬臂梁式弹性元悬臂梁式弹性元n n其特点是结构简单、其特点是结构简单、其特点是结构简单、其特点是结构简单、加工方便、应变片粘加工方便、应变片粘加工方便、应变片粘加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高。贴容易、灵敏度较高。贴容易、灵敏度较高。贴容易、灵敏度较高。主要用于小载荷、高主要用于小载荷、高主要用于小载荷、高主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感精度的拉、压力传感精度的拉、压力传感精度的拉、压力传感器中。可测量器中。可测量器中。可测量器中。可测量0.010.01牛顿到几千牛顿的拉、牛

75、顿到几千牛顿的拉、牛顿到几千牛顿的拉、牛顿到几千牛顿的拉、压力。在同压力。在同压力。在同压力。在同2.5 测力传感器测力传感器n n一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴的对称表面上。若梁的自由端有一被测力的对称表面上。若梁的自由端有一被测力的对称表面上。若梁的自由端有一被测力的对称表面上。若梁的自由端有一被测力P P，则应变，则应变，则应变，则应变与与与与P P力的关系为：力的关系为：力的关系为：力的关系为：件件件件2.6 传感器的正确选择和使用传感器的正

76、确选择和使用n n一、传感器的选择一、传感器的选择n n二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用n n 1.1.测试要求和条件。测量目的、被测物理量选测试要求和条件。测量目的、被测物理量选测试要求和条件。测量目的、被测物理量选测试要求和条件。测量目的、被测物理量选择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。量精度要求、测量所需时间要求等。量精度要求、测量所需时间要求等。量精度要求、测量所需时间要求等。n n 2.2.传感器特性。精度、稳定性

77、、响应速度、输传感器特性。精度、稳定性、响应速度、输传感器特性。精度、稳定性、响应速度、输传感器特性。精度、稳定性、响应速度、输出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保护等。期、输入端保护等。期、输入端保护等。期、输入端保护等。n n 3.3.使用条件。安装条件、工作场地的环境条件使用条件。安装条件、工作场地的环境条件使用条件。安装条件、工作场地的环境条件使用条件。安装条件、工作场地的环境条件（温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率（温度、湿度、振动等）

78、、测量时间、所需功率（温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率（温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。一、传感器的选择一、传感器的选择n n1.1.线性化处理与补偿线性化处理与补偿线性化处理与补偿线性化处理与补偿n n 在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的输量进行显

79、示时，总是希望传感器及检测电路的输量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的输量进行显示时，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，使测量对象在整个刻出和输入特性呈线性关系，使测量对象在整个刻出和输入特性呈线性关系，使测量对象在整个刻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，以便于读数及对系统进行度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。分析处理。分析处理。分析处理。n n2.2.传感器的标定传感器的标定传感器的标定传感器的标定n n 传感器的标定，就是利用精度高一级的标

80、准量传感器的标定，就是利用精度高一级的标准量传感器的标定，就是利用精度高一级的标准量传感器的标定，就是利用精度高一级的标准量具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。传感器使用前要进行标定，条件下的误差关系。传感器使用前要进行标定，条件下的误差关系。传感器使用前要进行标定，条件下的误差关

81、系。传感器使用前要进行标定，使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性能是否满足原设计指标。能是否满足原设计指标。能是否满足原设计指标。能是否满足原设计指标。 二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用n n3.3.抗干扰措施抗干扰措施抗干扰措施抗干扰措施n n 传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往是不可预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因是不可预料

82、的，有时是极其恶劣的。各种外界因是不可预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因是不可预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信号的系统中。常采用的抗干扰措施有号的系统中。常采用的抗干扰措施有号的系统中。常采用的抗干扰措施有号的系统中。常采用的抗干扰措施有屏蔽屏蔽屏蔽屏蔽、接

83、地接地接地接地、隔离隔离隔离隔离和和和和滤波滤波滤波滤波等。等。等。等。二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用n（1）屏蔽）屏蔽n 屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传输导线、电路及组合件包围起来，以隔离内外电输导线、电路及组合件包围起来，以隔离内外电磁或电场的相互干扰。屏蔽可分为三种，即电场磁或电场的相互干扰。屏蔽可分为三种，即电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽。屏蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽。n（2）接地）接地n 电路或传感器中的地指的是一个等电位点，它电路或传感器中的地指的是一个等电位点，它是电路或传感器的基准电位点，与基准电位点相是电路或传感器的基准电

84、位点，与基准电位点相连接，就是接地。连接，就是接地。 二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用n（3）隔离）隔离n 当电路信号在两端接地时，容易形成地环路电当电路信号在两端接地时，容易形成地环路电流，引起噪声干扰。这时，常采用隔离的方法，流，引起噪声干扰。这时，常采用隔离的方法，把电路的两端从电路上隔开。隔离的方法主要采把电路的两端从电路上隔开。隔离的方法主要采用变压器隔离和光电耦合器隔离。用变压器隔离和光电耦合器隔离。n（4）滤波）滤波n 虽然采取了上述的一些抗干扰措施，但仍会有虽然采取了上述的一些抗干扰措施，但仍会有一些噪声信号混杂在检测信号中，因此检测电路一些噪声信号混杂在检测信号中，因

85、此检测电路中还常设置滤波电路，对由外界干扰引入的噪声中还常设置滤波电路，对由外界干扰引入的噪声信号加以滤除。信号加以滤除。 二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用2.7 检测信号的采集与处理检测信号的采集与处理n n一、检测系统的组成一、检测系统的组成n n二、模拟量的转换输入二、模拟量的转换输入n n三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理n n 1. 1. 模拟信号检测系统模拟信号检测系统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

86、供参考信号；提供参考信号；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；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；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；一、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，并取出代表滤波器可将无用

87、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；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；换后，由数字计算机来实现；换后，由数字计算机来实现；

88、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显示或打检测系统中，计算机则将有关信息送去显示或打检测系统中，计算机则将有关信息送去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。印输出。印输出。一、检测系统的组成一、检测系统的组成n n2. 2. 数字信号检

89、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

90、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

91、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。一、

92、检测系统的组成一、检测系统的组成 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

93、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模拟量的转换输入方式模拟量的转换输入方式(4(4种种种种) )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，其作用是多路开关，其作用是多路开关，其作用是分别或依次把各路

94、检分别或依次把各路检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测信号与测信号与A/DA/D转换器转换器转换器转换器接通，以节省接通，以节省接通，以节省接通，以节省A/DA/D转转转转换器件。换器件。换器件。换器件。 二、模拟量的转换输入二、模拟量的转换输入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

95、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

96、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 10 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无无无无二、模拟量的转换输入二、模拟量的转换输入n n3. 3. 信号采集与保持信号采集与保持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

97、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，每闭

98、合一次，每闭合一次，每闭合一次，每次闭合持续时间次闭合持续时间次闭合持续时间次闭合持续时间 ，其中，其中，其中，其中，T T称为采样周期，其倒称为采样周期，其倒称为采样周期，其倒称为采样周期，其倒数数数数fsfs=1/=1/T T称为采样频率，称为采样频率，称为采样频率，称为采样频率， 称为采样时间或采样称为采样时间或采样称为采样时间或采样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。采样信宽度，采样后的脉冲序列称为采样信号。采样信宽度，采样后的脉冲序列称为采样信号。采样信宽度，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号是一个离散的模拟信号，它在时

99、间轴上是离散号是一个离散的模拟信号，它在时间轴上是离散号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，因而还需要用的，但在函数轴上仍是连续的，因而还需要用的，但在函数轴上仍是连续的，因而还需要用的，但在函数轴上仍是连续的，因而还需要用A/DA/D转换器将其转换成数字量。转换器将其转换成数字量。转换器将其转换成数字量。转换器将其转换成数字量。二、模拟量的转换输入二、模拟量的转换输入n n A/DA/D转换过程需要转换过程需要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，要求在此期生误差，要求在此期生

100、误差，要求在此期间内保持采样信号不间内保持采样信号不间内保持采样信号不间内保持采样信号不变。实现这一功能的变。实现这一功能的变。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电路称采样电路称采样/ /保持电路。保持电路。保持电路。保持电路。 二、模拟量的转换输入二、模拟量的转换输入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。 运算放大器运算放大器运算放大器运

101、算放大器NN1 1和和和和NN2 2接成跟随器，作缓冲器用。接成跟随器，作缓冲器用。接成跟随器，作缓冲器用。接成跟随器，作缓冲器用。当控制信号当控制信号当控制信号当控制信号UUc c为高电平时场效应管为高电平时场效应管为高电平时场效应管为高电平时场效应管VFVF导通，对输导通，对输导通，对输导通，对输入信号采样。输入信号入信号采样。输入信号入信号采样。输入信号入信号采样。输入信号u ui i通过通过通过通过NN1 1和和和和VVF F向电容向电容向电容向电容C C充充充充电，并通过电，并通过电，并通过电，并通过NN2 2输出输出输出输出u uo o。由于。由于。由于。由于NN1 1的输出阻抗很

102、小，的输出阻抗很小，的输出阻抗很小，的输出阻抗很小，NN2 2的输出阻抗很大，因而在的输出阻抗很大，因而在的输出阻抗很大，因而在的输出阻抗很大，因而在VVF F导通期间导通期间导通期间导通期间u uo o = = u ui i。当当当当UUc c为低电平时，为低电平时，为低电平时，为低电平时，VVF F截止，电容截止，电容截止，电容截止，电容C C将采样器间的将采样器间的将采样器间的将采样器间的信号电平保持下来，并经信号电平保持下来，并经信号电平保持下来，并经信号电平保持下来，并经NN2 2缓冲后输出。缓冲后输出。缓冲后输出。缓冲后输出。二、模拟量的转换输入二、模拟量的转换输入n n 传感器的

103、输出信号被采入计算机后往往要先进传感器的输出信号被采入计算机后往往要先进传感器的输出信号被采入计算机后往往要先进传感器的输出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行适当的预处理，其目的是去除混杂在有用信号行适当的预处理，其目的是去除混杂在有用信号行适当的预处理，其目的是去除混杂在有用信号中的各种干扰，并对检测系统的非线性、零位误中的各种干扰，并对检测系统的非线性、零位误中的各种干扰，并对检测系统的非线性、零位误中的各种干扰，并对检测系统的非线性、零位误差和增益误差等进行补偿和修正。数字信号预处差和增益误差等进行补偿和修正。数字信号预处差和增益误差等进行补偿和修正

104、。数字信号预处差和增益误差等进行补偿和修正。数字信号预处理一般用软件的方法来实现。理一般用软件的方法来实现。理一般用软件的方法来实现。理一般用软件的方法来实现。n n1. 1. 数字滤波数字滤波数字滤波数字滤波n n 数字滤波实质上是一种程序滤波，与模拟滤数字滤波实质上是一种程序滤波，与模拟滤数字滤波实质上是一种程序滤波，与模拟滤数字滤波实质上是一种程序滤波，与模拟滤波相比具有如下优点：波相比具有如下优点：波相比具有如下优点：波相比具有如下优点：不需要额外的硬件设备，不需要额外的硬件设备，不需要额外的硬件设备，不需要额外的硬件设备，不存在阻抗匹配问题，可以使多个输入通道共用不存在阻抗匹配问题，

105、可以使多个输入通道共用不存在阻抗匹配问题，可以使多个输入通道共用不存在阻抗匹配问题，可以使多个输入通道共用一套数字滤波程序，从而降低了仪器的硬件成本。一套数字滤波程序，从而降低了仪器的硬件成本。一套数字滤波程序，从而降低了仪器的硬件成本。一套数字滤波程序，从而降低了仪器的硬件成本。可以对频率很低或很高的信号实现滤波。可以对频率很低或很高的信号实现滤波。可以对频率很低或很高的信号实现滤波。可以对频率很低或很高的信号实现滤波。可可可可以根据信号的不同而采用不同的滤波方法或滤波以根据信号的不同而采用不同的滤波方法或滤波以根据信号的不同而采用不同的滤波方法或滤波以根据信号的不同而采用不同的滤波方法或滤

106、波参数，灵活、方便、功能强。参数，灵活、方便、功能强。参数，灵活、方便、功能强。参数，灵活、方便、功能强。 三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理n n(1).(1).中值滤波中值滤波中值滤波中值滤波n n 中值滤波方法对缓慢变化的信号中由于偶然因中值滤波方法对缓慢变化的信号中由于偶然因中值滤波方法对缓慢变化的信号中由于偶然因中值滤波方法对缓慢变化的信号中由于偶然因素引起的脉冲干扰具有良好的滤除效果。其原理素引起的脉冲干扰具有良好的滤除效果。其原理素引起的脉冲干扰具有良好的滤除效果。其原理素引起的脉冲干扰具有良好的滤除效果。其原理是，对信号连续进行是，对信号连续进行是，对信号连续进行是，对信

107、号连续进行n n次采样，然后对采样值排次采样，然后对采样值排次采样，然后对采样值排次采样，然后对采样值排序，并取序列中位值作为采样有效值。程序算法序，并取序列中位值作为采样有效值。程序算法序，并取序列中位值作为采样有效值。程序算法序，并取序列中位值作为采样有效值。程序算法就是通用的排序算法。采样次数就是通用的排序算法。采样次数就是通用的排序算法。采样次数就是通用的排序算法。采样次数n n一般取为大于一般取为大于一般取为大于一般取为大于3 3的奇数。的奇数。的奇数。的奇数。 (2).(2).算术平均滤波算术平均滤波算术平均滤波算术平均滤波n n 算术平均滤波方法的原理是，对信号连续进行算术平均滤

108、波方法的原理是，对信号连续进行算术平均滤波方法的原理是，对信号连续进行算术平均滤波方法的原理是，对信号连续进行n n次采样，以其算术平均值作为有效采样值。该次采样，以其算术平均值作为有效采样值。该次采样，以其算术平均值作为有效采样值。该次采样，以其算术平均值作为有效采样值。该方法对压力、流量等具有周期脉动特点的信号具方法对压力、流量等具有周期脉动特点的信号具方法对压力、流量等具有周期脉动特点的信号具方法对压力、流量等具有周期脉动特点的信号具有良好的滤波效果。采样次数有良好的滤波效果。采样次数有良好的滤波效果。采样次数有良好的滤波效果。采样次数n n越大，滤波效果越大，滤波效果越大，滤波效果越大

109、，滤波效果越好，但灵敏度也越低，为便于运算处理，常取越好，但灵敏度也越低，为便于运算处理，常取越好，但灵敏度也越低，为便于运算处理，常取越好，但灵敏度也越低，为便于运算处理，常取n n = 4= 4、8 8、1616。 三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理n n(3).(3).滑动平均滤波滑动平均滤波滑动平均滤波滑动平均滤波n n 该方法采用循环队列作该方法采用循环队列作该方法采用循环队列作该方法采用循环队列作为采样数据存储器，队列为采样数据存储器，队列为采样数据存储器，队列为采样数据存储器，队列长度固定为长度固定为长度固定为长度固定为n n，每进行一，每进行一，每进行一，每进行一次新的采

110、样，把采样数据次新的采样，把采样数据次新的采样，把采样数据次新的采样，把采样数据放入队尾，扔掉原来队首放入队尾，扔掉原来队首放入队尾，扔掉原来队首放入队尾，扔掉原来队首的一个数据。这样，在队的一个数据。这样，在队的一个数据。这样，在队的一个数据。这样，在队列中始终有列中始终有列中始终有列中始终有n n个最新的数个最新的数个最新的数个最新的数据。对这据。对这据。对这据。对这n n个最新数据求个最新数据求个最新数据求个最新数据求取平均值，作为此次采样取平均值，作为此次采样取平均值，作为此次采样取平均值，作为此次采样的有效值。这种方法每采的有效值。这种方法每采的有效值。这种方法每采的有效值。这种方法

111、每采样一次，便可得到一个有样一次，便可得到一个有样一次，便可得到一个有样一次，便可得到一个有效采样值，因而速度快，效采样值，因而速度快，效采样值，因而速度快，效采样值，因而速度快，实时性好，对周期性干扰实时性好，对周期性干扰实时性好，对周期性干扰实时性好，对周期性干扰具有良好的抑制作用具有良好的抑制作用具有良好的抑制作用具有良好的抑制作用 三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理n n(4).(4).低通滤波低通滤波低通滤波低通滤波n n 当被测信号缓慢变化时，可采用数字低通滤波当被测信号缓慢变化时，可采用数字低通滤波当被测信号缓慢变化时，可采用数字低通滤波当被测信号缓慢变化时，可采用数字低通

112、滤波的方法去除干扰。数字低通滤波器是用软件算法的方法去除干扰。数字低通滤波器是用软件算法的方法去除干扰。数字低通滤波器是用软件算法的方法去除干扰。数字低通滤波器是用软件算法来模拟硬件低通滤波的功能。来模拟硬件低通滤波的功能。来模拟硬件低通滤波的功能。来模拟硬件低通滤波的功能。n n一阶一阶一阶一阶RCRC低通滤波器的微分方程为低通滤波器的微分方程为低通滤波器的微分方程为低通滤波器的微分方程为 三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理n n 式中式中式中式中: : = = RCRC是电路的时间常数。用是电路的时间常数。用是电路的时间常数。用是电路的时间常数。用XX替代替代替代替代uiui，Y Y

113、替代替代替代替代u uo o，将微分方程转换成差分方程，并，将微分方程转换成差分方程，并，将微分方程转换成差分方程，并，将微分方程转换成差分方程，并整理得整理得整理得整理得: :n n式中式中式中式中 采样周期；采样周期；采样周期；采样周期；XX（n n）本次采样值；本次采样值；本次采样值；本次采样值；Y Y（n n）和）和）和）和Y Y（n n1 1）本次和上次的滤波器输本次和上次的滤波器输本次和上次的滤波器输本次和上次的滤波器输出值。取出值。取出值。取出值。取 ，则式（，则式（，则式（，则式（2 24747）可改写成）可改写成）可改写成）可改写成三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理n

114、n 由上式可见滤波器的本次输出值主要取决于其由上式可见滤波器的本次输出值主要取决于其由上式可见滤波器的本次输出值主要取决于其由上式可见滤波器的本次输出值主要取决于其上次输出值，本次采样值对滤波器输出仅有较小上次输出值，本次采样值对滤波器输出仅有较小上次输出值，本次采样值对滤波器输出仅有较小上次输出值，本次采样值对滤波器输出仅有较小的修正作用，因此该滤波器算法相当于一个具有的修正作用，因此该滤波器算法相当于一个具有的修正作用，因此该滤波器算法相当于一个具有的修正作用，因此该滤波器算法相当于一个具有较大惯性的一阶惯性环节，模拟了低通滤波器的较大惯性的一阶惯性环节，模拟了低通滤波器的较大惯性的一阶惯

115、性环节，模拟了低通滤波器的较大惯性的一阶惯性环节，模拟了低通滤波器的功能，其截止频率为功能，其截止频率为功能，其截止频率为功能，其截止频率为 n n数字低通滤波程序流程图如下数字低通滤波程序流程图如下数字低通滤波程序流程图如下数字低通滤波程序流程图如下: :三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理n n2. 2. 静态误差补偿静态误差补偿静态误差补偿静态误差补偿n n(1). (1). 非线性补偿非线性补偿非线性补偿非线性补偿n n 下图为传感器的非线性校正系统。当传感器及其调理电下图为传感器的非线性校正系统。当传感器及其调理电下图为传感器的非线性校正系

116、统。当传感器及其调理电下图为传感器的非线性校正系统。当传感器及其调理电路至路至路至路至A/DA/D转换器的输入转换器的输入转换器的输入转换器的输入输出有非线性，如下图所示，可输出有非线性，如下图所示，可输出有非线性，如下图所示，可输出有非线性，如下图所示，可按下图所示的反非线性特性进行转换，进行非线性的校正，按下图所示的反非线性特性进行转换，进行非线性的校正，按下图所示的反非线性特性进行转换，进行非线性的校正，按下图所示的反非线性特性进行转换，进行非线性的校正，使输出使输出使输出使输出y y与输入与输入与输入与输入x x呈理想直线关系，如下图所示。呈理想直线关系，如下图所示。呈理想直线关系，如

117、下图所示。呈理想直线关系，如下图所示。三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理n n 软件校正非线性的方法很多，概括起来有软件校正非线性的方法很多，概括起来有软件校正非线性的方法很多，概括起来有软件校正非线性的方法很多，概括起来有计算计算计算计算法法法法、查表法查表法查表法查表法、插值法插值法插值法插值法和和和和拟合法拟合法拟合法拟合法等，下面介绍曲线等，下面介绍曲线等，下面介绍曲线等，下面介绍曲线拟合法。拟合法。拟合法。拟合法。n n 这种方法是采用这种方法是采用这种方法是采用这种方法是采用n n次多项式来逼近非线性曲线。次多项式来逼近非线性曲线。次多项式来逼近非线性曲线。次多项式来逼近非线

118、性曲线。该多项式方程的各个系数由最小二乘法确定。其该多项式方程的各个系数由最小二乘法确定。其该多项式方程的各个系数由最小二乘法确定。其该多项式方程的各个系数由最小二乘法确定。其具体步骤如下：具体步骤如下：具体步骤如下：具体步骤如下：n n a. a. 对传感器及其调理电路进行静态标定，得对传感器及其调理电路进行静态标定，得对传感器及其调理电路进行静态标定，得对传感器及其调理电路进行静态标定，得校准曲线。标定点的数据为校准曲线。标定点的数据为校准曲线。标定点的数据为校准曲线。标定点的数据为n n输入输入输入输入 xixi：x x1 1，x x2 2，x x3 3，xNxNn n输出输出输出输出

119、uiui：u1u1，u2u2，u3u3，uNuNn nNN为标定点个数，为标定点个数，为标定点个数，为标定点个数， i=1i=1，2 2，NN三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理n nb. b. 设反非线性特性拟合方程为设反非线性特性拟合方程为设反非线性特性拟合方程为设反非线性特性拟合方程为n n式中：式中：式中：式中：a a0 0，a a1 1，a a2 2，a a3 3，a an n为待定常数为待定常数为待定常数为待定常数 c. c. 求解待定常数求解待定常数求解待定常数求解待定常数a a0 0，a a1 1，a a2 2，a a3 3，a an n。根据最根据最根据最根据最小二乘法来

120、确定待定常数的基本思想是，由上式确小二乘法来确定待定常数的基本思想是，由上式确小二乘法来确定待定常数的基本思想是，由上式确小二乘法来确定待定常数的基本思想是，由上式确定的各个定的各个定的各个定的各个x xi i（u ui i）值与各个点的标定值）值与各个点的标定值）值与各个点的标定值）值与各个点的标定值x xi i之均方差之均方差之均方差之均方差应最小，即：应最小，即：应最小，即：应最小，即：三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理n n 所以对该函数求导并令它为所以对该函数求导并令它为所以对该函数求导并令它为所以对该函数求导并令它为0 0，即令，即令，即令，即令n n 从这从这从这从这n n

121、+1+1个方程中可解出，个方程中可解出，个方程中可解出，个方程中可解出， a a0 0，a a1 1， a an n 等等等等n n+1+1个系数，就可写出反非线性特性拟合方程个系数，就可写出反非线性特性拟合方程个系数，就可写出反非线性特性拟合方程个系数，就可写出反非线性特性拟合方程式。有了反非线性特性曲线的式。有了反非线性特性曲线的式。有了反非线性特性曲线的式。有了反非线性特性曲线的n n次多项式近似表次多项式近似表次多项式近似表次多项式近似表达式，就可利用该表达式编写非线性校正程序。达式，就可利用该表达式编写非线性校正程序。达式，就可利用该表达式编写非线性校正程序。达式，就可利用该表达式编

122、写非线性校正程序。 三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理n n(2).(2).零位误差补偿零位误差补偿零位误差补偿零位误差补偿n n 检测系统的零位误差是由温度漂移和时间漂移引起的。检测系统的零位误差是由温度漂移和时间漂移引起的。检测系统的零位误差是由温度漂移和时间漂移引起的。检测系统的零位误差是由温度漂移和时间漂移引起的。采用软件对零位误差进行补偿的方法又称数字调零，其原采用软件对零位误差进行补偿的方法又称数字调零，其原采用软件对零位误差进行补偿的方法又称数字调零，其原采用软件对零位误差进行补偿的方法又称数字调零，其原理如下图所示。理如下图所示。理如下图所示。理如下图所示。 三、数字信号

123、的预处理三、数字信号的预处理n n 多路模拟开关可在微型机控制下将任一路被测多路模拟开关可在微型机控制下将任一路被测多路模拟开关可在微型机控制下将任一路被测多路模拟开关可在微型机控制下将任一路被测信号接通，并经测量及放大电路和信号接通，并经测量及放大电路和信号接通，并经测量及放大电路和信号接通，并经测量及放大电路和A/DA/D转换器后，转换器后，转换器后，转换器后，将信号采入微型机。在测量时，先将多路开关接将信号采入微型机。在测量时，先将多路开关接将信号采入微型机。在测量时，先将多路开关接将信号采入微型机。在测量时，先将多路开关接通某一被测信号，然后将其切换到零信号输入端，通某一被测信号，然后

124、将其切换到零信号输入端，通某一被测信号，然后将其切换到零信号输入端，通某一被测信号，然后将其切换到零信号输入端，由微型机先后对被测量和零信号进行采样，设采由微型机先后对被测量和零信号进行采样，设采由微型机先后对被测量和零信号进行采样，设采由微型机先后对被测量和零信号进行采样，设采样值分别为样值分别为样值分别为样值分别为x x和和和和a a0 0，其中，其中，其中，其中a a0 0即为零位误差，由微即为零位误差，由微即为零位误差，由微即为零位误差，由微型机执行下列运算：型机执行下列运算：型机执行下列运算：型机执行下列运算：y y = = x xa a0 0，就可得到经过，就可得到经过，就可得到经

125、过，就可得到经过零位误差补偿后的采样值零位误差补偿后的采样值零位误差补偿后的采样值零位误差补偿后的采样值y y。三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理n n(3). (3). 增益误差补偿增益误差补偿增益误差补偿增益误差补偿 增益误差同样是由温度漂移和时间漂移等引起增益误差同样是由温度漂移和时间漂移等引起增益误差同样是由温度漂移和时间漂移等引起增益误差同样是由温度漂移和时间漂移等引起的。增益误差补偿又称校准。校准时，在微型机的。增益误差补偿又称校准。校准时，在微型机的。增益误差补偿又称校准。校准时，在微型机的。增益误差补偿又称校准。校准时，在微型机控制下先把多路开关接地如图所示，得到采样值控

126、制下先把多路开关接地如图所示，得到采样值控制下先把多路开关接地如图所示，得到采样值控制下先把多路开关接地如图所示，得到采样值a a0 0，然后把多路开关接基准输入，然后把多路开关接基准输入，然后把多路开关接基准输入，然后把多路开关接基准输入URUR，得到采样，得到采样，得到采样，得到采样值值值值x xRR，并寄存，并寄存，并寄存，并寄存a a0 0和和和和xRxR。在正式测量时，如测得。在正式测量时，如测得。在正式测量时，如测得。在正式测量时，如测得对应输入信号对应输入信号对应输入信号对应输入信号UiUi的采样值为的采样值为的采样值为的采样值为xixi，则输入信号可按，则输入信号可按，则输入信号可按，则输入信号可按下式计算：下式计算：下式计算：下式计算： n n 采用上述校准方法可使测得的输入信号采用上述校准方法可使测得的输入信号采用上述校准方法可使测得的输入信号采用上述校准方法可使测得的输入信号UiUi与检与检与检与检测系统的漂移和增益变化无关，因而实现了增益测系统的漂移和增益变化无关，因而实现了增益测系统的漂移和增益变化无关，因而实现了增益测系统的漂移和增益变化无关，因而实现了增益误差的补偿。误差的补偿。误差的补偿。误差的补偿。 三、数字信号的预处理三、数字信号的预处理