机电一体化技术与系统-第2版课件第3-4章.pptx

1、第三章 检测技术机电一体化技术与系统第三章 机电一体化技术与系统传感器01位移测量传感器02速度传感器03位置传感器04目录/CONTENTSCONTENTS传感器0 1 位移测量传感器0 2 速度传感器0 3 位置传感器0 4 目录传感器前级信号处理05传感器接口技术06传感器非线性补偿处理07数字滤波08目录/CONTENTSCONTENTS传感器前级信号处理0 5 传感器接口技术0 6 传感器非线性补偿处理传感器01传感器0 1传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的装置。它获取的信息，可以是各种物理量、化学量和生物量，而且转换后的信息形式也是不尽相同

2、。当今电信号是最易于处理和便于传输的，所以目前大多数的传感器将获取的信息转换为电信号。传感器的应用领域十分广泛，在国防、航空、航天、交通运输、能源、机械、石油、化工、轻工、纺织等工业部门和环境保护、生物医学工程等方面都大量地采用各种各样的传感器。一、传感器技术第一节 传感器传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定规律将它转用于测量与控制的传感器种类繁多，同一被测量，可以用不同的传感器来测量;而同一原理的传感器，通常又可测量不同类型的被测量。因此，分类的方法也又很多。通常有两种方法来分类:一种是以被测参量来分，另一种是以传感器的工作原理来分。表3-1列出了目前的一些分类方法二、传感器的

3、分类及要求第一节 传感器接触式传感器接触式传感器用于测量与控制的传感器种类繁多，同一被测量，可以用不同的传感第一节 传感器表表3-13-1传感器的分类传感器的分类分分 类类 法法形式形式说明说明按构成原理分按构成原理分结构型物性型以其转换元件结构参数变化实现信号转换以其转换元件物理特性变化实现信号转换按基本效应分按基本效应分物理型、化学型、生物型等分别以转换中的物理效应、化学效应等命名分分 类类 法法形式形式说明说明按能量关系分按能量关系分能量转换型(自源型)能量控制型(外源型)传感器输出量直接由被测量能量转换而得传感器输出量能量有外源供给，但受被测输入量控制按作用原理分按作用原理分应变式、电

4、容式、压电式、热电式以传感器对信号转换的作用原理命名按输入量分按输入量分位移、压力、温度、流量、气体等以被测量命名，也就是按用途来分类的按输出量分按输出量分模拟式数字式输出量为模拟信号输出量为数字信号第一节 传感器表3-1 传感器的分类分 类 法形式传感器的输入输出特性即是传感器的基本特性，由于输入信息的状态不同，传感器所表现的基本特性也不同，存在所谓的静态特性和动态特性。（1）传感器的静态特性 传感器在静态信号作用下，其输入输出关系称为静态特性，如图3-1所示。衡量传感器静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。三、传感器性能与选用原则第一节 传感器1.传感器的性能传感器的输入输出特

5、性即是传感器的基本特性，由于输入信息的状第一节 传感器图图3-13-1传感器的静态特性传感器的静态特性a)a)理想传感器特性曲线理想传感器特性曲线b)b)只包含偶次项的特性曲线只包含偶次项的特性曲线c)c)只包含奇次项的特性曲线只包含奇次项的特性曲线第一节 传感器图3-1 传感器的静态特性1)线性度传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差(线性度)，如图3-2、图3-3所示。第一节 传感器图图3-23-2输出输出输入的非线性输入的非线性图图3-33-3线性度示意图线性度示意图11实际曲线实际曲线22理想曲线理想曲线1)线性度传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感

6、2)灵敏度灵敏度是指传感器在静态信号输入情况下，输出变化对输入变化的比值s，即:第一节 传感器对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，非线性传感器的灵敏度为一变量。一般希望传感器的灵敏度高一些，并且在满量程范围内是恒定的，即传感器的输入输出特性为直线。2)灵敏度灵敏度是指传感器在静态信号输入情况下，输出变化3)迟滞性迟滞性表明传感器在正(输入量增大)、反(输入量减少)行程期间输入输出特性曲线不重合的程度，如图3-4所示。产生迟滞性现象的主要原因是机械的间隙、摩擦或磁滞等因素。第一节 传感器图图3-43-4迟滞特性迟滞特性3)迟滞性迟滞性表明传感器在正(输入量增大)、反(输入量4)重复

7、性重复性表示传感器在输入量按同一方向作全程多次测试时所得特性曲线的不一致程度，如图3-5所示。第一节 传感器图图3-53-5重复特性重复特性4)重复性重复性表示传感器在输入量按同一方向作全程多次测试 (2)传感器的动态特性在传感器测试工作中，大量的被测信号是动态信号，不仅需要精确地测量信号幅值的大小，而且需要测量和记录信号的变化过程，这就要求传感器能迅速准确地测出信号幅值的大小和不失真的再现被测信号随时间变化的实时、准确波形。传感器的动态特性是指传感器对输入信号响应的特性，一个动态特性好的传感器其输出能再现输入变化规律(变化曲线)，但实际上除了具有理想的比例特性的环节外，输出信号不可能与输入信

8、号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入之间的差异叫做动态误差。第一节 传感器 (2)传感器的动态特性在传感器测试工作中，传感器是测量与控制系统的重要环节，通常应该具有快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本要求，即:1)足够的容量传感器的工作范围或量程足够的大;具有一定过载的能力。2)与测量或控制系统的匹配性好，转换灵敏度高要求其输出信号与被测输入信号成确定关系(通常为线性)，且比值要大。第一节 传感器2.传感器的选用原则传感器是测量与控制系统的重要环节，通常应该具有快速、准确、可3)精度适当，且稳定性高传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求，并且长期稳定。4)反应速度快，工作可靠

9、性好。5)适用性和适应性强动作能量小，对被测对象的状态影响小;内部噪声小又不易受外界干扰的影响，使用安全等。6)使用经济成本低，寿命长，且易于使用、维修和校准。在实际的传感器的选用过程中，能完全满足上述要求的传感器是很少的，因此应根据应用的目的、使用环境、被测对象情况、精度要求和信号处理等具体条件做全面综合考虑。第一节 传感器3)精度适当，且稳定性高传感器的静态响应与动态响应的准确位移测量传感器02位移测量传感器0 2位移测量传感器是直线位移和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛。常用的直线位移测量传感器有:电感传感器、差动传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器等;常用

10、角位移测量传感器有:电容传感器、光电编码盘等。第二节 位移测量传感器位移测量传感器是直线位移和角位移测量的总称，位移测量在机电一电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构简单、分辨力高、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。由物理学知识可以知道由绝缘介质分开的两个平行金属板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数0(8.85410-12Fm-1)、极板间介质的相对介电常数r、极板的有效面积A以及两极板间的距离有关一、电容传感器第二节 位移测量传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器被测量的变化式中、A A、r r

11、三个变量中任意一个发生变化，都会引起电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。第二节 位移测量传感器C=0rA (3-1)被测量的变化式中、A、r 三个变量中任意一个发生变化，都会第二节 位移测量传感器1.变极距型电容传感器图图3-63-6变极距型电容传感器原理图变极距型电容传感器原理图图图3-73-7电容式位移传感器结构电容式位移传感器结构 第二节 位移测量传感器1.变极距型电容传感器图当动极板因被测量变化而产生移动，使0减小0时，电容量增大C，即第二节 位移测量传感器(3-2)可见，传感器输出特性C=f()是非线性的。电容相

12、对变化量为(3-3)当动极板因被测量变化而产生移动，使 0 减小 0 时，电容量增如果满足条件(/0)1，可按级数展开第二节 位移测量传感器(3-4)略去高次(非线性)项，可得近似的线性关系和灵敏度S分别为(3-5)(3-6)如果满足条件(/0)1，可按级数展开第二节 如果考虑级数展开式中的线性项及二次项，则 第二节 位移测量传感器(3-7)因此，以式(3-3)为传感器的特性使用时，其相对非线性误差ef为(3-8)如果考虑级数展开式中的线性项及二次项，则 第二节 由上讨论可知:(1)变极距型电容传感器只有在/0很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出;(2)灵敏度S与初始极距的平方成正比，故可

13、用减小0的办法来提高灵敏度。由式(3-8)可见，0的减小会导致非线性误差增大;0过小还可能引起电容器击穿或短路。为此，极板间可采用高介电常数的材料作介质。第二节 位移测量传感器由上讨论可知:(1)变极距型电容传感器只有在 /0 很小(变面积型电容传感器原理、结构如图3-8所示，它与变极距型不同的是被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。设动极板相对定极板沿长度l0方向平移l时，则电容为第二节 位移测量传感器2.变面积型电容传感器图图3-83-8变面积型电容传感器原理图变面积型电容传感器原理图变面积型电容传感器原理、结构如图3-8 所示，它与变极距型不同式中，C0

14、=0rl0b0/0为初始电容。电容的相对变化量为第二节 位移测量传感器(3-9)很明显，这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。它的灵敏度为(3-10)式中，C 0=0 r l 0 b 0/0 为初始电容。电容的相对变须指出，上述讨论只在初始极距0精确保持不变时成立，否则将导致测量误差。为减小这种影响，可以使用图中所示中间极移动的结构。变面积型电容传感器与变极距型相比，灵敏度较低。因此，在实际应用中，常采用差动式结构，以提高灵敏度。第二节 位移测量传感器(3-11)须指出，上述讨论只在初始极距 0 精确保持不变时成立，否则将导电感式传感器是把

15、被测量变化转换成线圈自感或互感变化的装置。利用磁场作媒介或利用铁磁体的转换性能，使线圈绕组自感系数或互感系数变化是这类传感器的基本特征。电感式传感器结构简单、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强，但它的动态响应慢，不宜作快速动态测试。二、电感式传感器第二节 位移测量传感器电感式传感器是把被测量变化转换成线圈自感或互感变化的装置。利由物理学磁路知识，线圈的自感系数为第二节 位移测量传感器1.自感式传感器原理L=WL=W2 2/R/RMM(3-12)式中W线圈匝数;RM磁路总磁阻。如图3-9所示，当铁心与衔铁之间有一很小空气隙时，可以认为气隙间磁场是均匀的，磁路是封闭的。不考虑磁路损失时，总磁阻为

16、图图3-93-9自感式传感器原理图自感式传感器原理图 a)a)气隙型气隙型b)b)截面型截面型11线圈线圈22铁心铁心33衔铁衔铁 44测杆测杆55被测件被测件由物理学磁路知识，线圈的自感系数为第二节 位移测量第二节 位移测量传感器(3-13)式(3-13)中，第一项为铁磁材料的磁阻;第二项为气隙的磁阻;式中 li铁磁材料各段长度;Si相应段的截面积;i相应段的磁导率;气隙厚度;S气隙截面积;0真空磁导率，空气磁导率近似等于真空磁导率。第二节 位移测量传感器(3-1 3)式(3-1 3)考虑到铁磁材料的磁导率i比空气磁导率0大得多，计算总磁阻时，式(3-13)中第一项可忽略不计，则第二节 位移

17、测量传感器(3-14)此时线圈的自感系数为(3-8)RM2/0S由式(3-15)可见，自感系数L与气隙厚度成反比，有非线性误差;自感系数L与截面积S成正比，呈线性关系。另外利用某些铁磁材料的压磁效应改变磁导率，可设计成压磁式传感器。考虑到铁磁材料的磁导率 i 比空气磁导率 0 大得多，计算总磁阻第二节 位移测量传感器第二节 位移测量传感器图3-9 a为变气隙式电感传感器示意图。由式(3-15)，当气隙减少时，使电感值L增加L。一般取=0.10.5mm=0.10.5mm。由此可得第二节 位移测量传感器2.变气隙式电感传感器(3-16)图图3-93-9自感式传感器原理图自感式传感器原理图 a)a)

18、气隙型气隙型b)b)截面型截面型11线圈线圈22铁心铁心33衔铁衔铁 44测杆测杆55被测件被测件图3-9 a 为变气隙式电感传感器示意图。由式(3-1 5)，当显然，/1/1，利用幂级数展开式，有第二节 位移测量传感器(3-17)去掉高次项，作线性化处理，有显然，/110dB(G=1000);低噪声:1.5V(P-P)(0.1100Hz);低失调电压:100V等特点，因而可用于许多12位数据采集系统中。图3-26为AD522的典型接法。图图3-263-26AD522AD522典型接法典型接法第五节 传感器前级信号处理A D 5 2 2 主要可用于恶劣第五节 传感器前级信号处理AD522的一个

19、主要特点是设有数据防护端，用于提高交流输入时的共模抑制比。对远处传感器送来的信号，通常采用屏蔽电缆传送到测量放大器，电缆线上分布参量RG会使其产生相移，当出现交流共模信号时，这些相移将使共模抑制比降低。利用数据防护端可以克服上述影响(见图3-27)。对于无此端子的仪器用放大器，如AD524，AD624等，可在RG2端取得共模电压，再用一运算放大器作为它的输出缓冲屏蔽驱动器。运算放大器应选用具有很低偏流的场效应管运算放大器，以减少偏流流经增益电阻时对增益产生误差。第五节 传感器前级信号处理A D 5 2 2 的一个主要特点第五节 传感器前级信号处理图图3-273-27AD522AD522典型应用

20、典型应用第五节 传感器前级信号处理图3-2 7 A D 5 2 2 典经过处理的模拟信号，在送入计算机进行处理前，必须进行量化，即进行模拟数字变换，变换后的数字信号才能为计算机接收和处理。当模拟信号送到模数变换器时，为减少转换误差，一般希望送来的模拟信号尽可能大。如采用A/D变换器进行模数转换时，在A/D输入的允许范围内，希望输入的模拟信号尽可能达到最大值;然而，当被测参量变化范围较大时，经传感器转换后的模拟小信号变化也较大，在这种情况下二、程控增益放大器第五节 传感器前级信号处理经过处理的模拟信号，在送入计算机进行处理前，必须进行量化，即如果单纯只使用一个放大倍数的放大器，就无法满足上述要求

21、;在进行小信号转换时，可能会引入较大的误差。为解决这个问题，工程上常采用通过改变放大器增益的方法，来实现不同幅度信号的放大，如万用表、示波器等许多测量仪器原量程变换等。然而，在计算机自动测控系统中，往往不希望、有时也不可能利用手动办法来实现增益变换，而希望利用计算机采用软件控制的办法来实现增益的自动变换，具有这种功能的放大器就叫程控增益放大器。第五节 传感器前级信号处理如果单纯只使用一个放大倍数的放大器，就无法满足上述要求;在进图3-28即为一利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。当开关S1闭合，而其余两个开关断开时，其放大倍数为第五节 传感器前级信号处理(3-28)而当

22、S2闭合，S1和S3断开时，放大倍数为(3-27)图图3-283-28程控增益放大器原理图程控增益放大器原理图图3-2 8 即为一利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换，如果利用软件对开关闭合情况进行选择，即可实现程控增益变换。利用程控增益放大器与A/D转换器组合，配合一定的软件，很容易实现输出信号的增益控制或量程变换，间接的提高输入信号的分辨率;它和D/A转换电路配合使用，可构成减法器电路;与乘法D/A转换器配合使用，可构成可编程低通滤波器电路，可以适当地调节信号和抑制干扰。因此，程控增益放大器目前有着极为广泛的应用。第五节 传感器前级信号处理选择

23、不同的开关闭合，即可实现增益的变换，如果利用软件对开关闭图3-29为利用AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器，通过改变4052的D0、D1值来改变AD521放大器2脚与14脚之间的外接电阻的办法来实现增益控制。第五节 传感器前级信号处理图图3-293-29AD521AD521构成的程控增益放大器构成的程控增益放大器图3-2 9 为利用A D 5 2 1 测量放大器与模拟开关结合组成的程控有些测量放大器，其电路中已将译码电路和模拟开关结合在一起，有的甚至将设定增益所需的电阻也集成于同一组件中，为计算机控制提供了极为便利的条件。AD524即是常用的一种集成可编程增益控制测量放大器

24、，如图3-30所示。第五节 传感器前级信号处理图图3-303-30AD524AD524原理图原理图有些测量放大器，其电路中已将译码电路和模拟开关结合在一起，有其特点是具有低失调电压(50V(50V)、低失调电压漂移(0.5V/0.5V/)、低噪声(0.3V(P-P0.3V(P-P)，0.110Hz0.110Hz)、低非线性(0.003%，增益为1时)、高共模拟制比(120dB120dB，增益为1000时)、增益带宽为25MHz5MHz、具有输入保护等;从其结构图可知，对于1，10，100，和1000倍的整数倍增益，无需外接电阻即可实现，在具体使用时只需一个模拟开关来控制即可达到目的;对于其他倍

25、数的增益控制，也可以用一般的改变增益调节电压的方法来实现程控增益。第五节 传感器前级信号处理其特点是具有低失调电压(5 0 V)、低失调电压漂移(0.5 在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道采用隔离技术。能完成这种任务、具有这种功能的放大器称为隔离放大器。一般来讲，隔离放大器是指对输入、输出和电源在电流电阻彼此隔离使之没有直接耦合的测量放大器。由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此还具有以下特点:三、隔离放大器第五节 传感器前级信号处理在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压等对测量回路的1)能保护系统元件不受高共模

26、电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。2)泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。3)共模抑制比高，能对直流和低频信号(电压或电流)进行准确、安全的测量。第五节 传感器前级信号处理隔离放大器隔离放大器1)能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号目前，隔离放大器中采用的耦合式主要有两种:变压器耦合和光电耦合。利用变压器耦合实现载波调制，通常具有较高的线性度和隔离性能，但是带宽一般在1kHz以下。利用光电耦合方式实现载波调制，可获得10kHz带宽，但其隔离性能不如变压器耦合。上述两种方法均需对差动输入级提供隔离电源，以便达到预定的隔离性能。第五节 传感器前级信号处

27、理光电耦合器光电耦合器目前，隔离放大器中采用的耦合式主要有两种:变压器耦合和光电耦图3-31为284型隔离放大器电路结构图。为提高微电流和低频信号的测量精度，减小漂移，其电路采用调制式放大，其内部分为输入、输出和电源三个彼此相互隔离的部分，并由低泄漏高频载波变压器耦合在一起。通过变压器的耦合，将电源电压送入输入电路并将信号从输出电路送出。输入部分包括双极前置放大器、调制器;输出部分包括解调器和滤波器，一般在滤波器后还有缓冲放大器。第五节 传感器前级信号处理图3-3 1 为2 8 4 型隔离放大器电路结构图。为提高微电流和低频第五节 传感器前级信号处理图图3-313-31284284型隔离放大器

28、电路结构图型隔离放大器电路结构图第五节 传感器前级信号处理图3-3 1 2 8 4 型隔离传感器接口技术06传感器接口技术0 6当传感器将非电物理量转换成电量，并经放大、滤波等系列处理后，还需经模数变换变成数字量，才能送入计算机系统。在对模拟信号进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差;要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将信号电平保持住，而在A/D转换后又能跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样状态。能完成这种功能的器件叫采样/保持器，从上面分析也可知，采样/保持器在保

29、持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。在模拟量输出通道，为使输出得到一个平滑的模拟信号，或对多通道进行分时控制，也常采用采样/保持器。一、传感器信号的采样/保持第六节 传感器接口技术当传感器将非电物理量转换成电量，并经放大、滤波等系列处理后，第六节 传感器接口技术1.采样/保持器原理采样/保持器由存储器电容C，模拟开关S等组成，如图3-32所示。当S接通时，输出信号跟踪输入信号，称采样阶段。当S断开时，电容C两端一直保持断开的电压，称保持阶段。由此构成一个简单采样/保持器。实际上为使采样/保持器具有足够的精度，一般在输入级和输出级均采用缓冲器，以减少信号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗。在电容选

30、择时，使其大小适宜，以保证其时间常数适中并选用漏泄小的电容。图图3-323-32采样采样/保持原理保持原理第六节 传感器接口技术1.采样/保持器原理采第六节 传感器接口技术2.集成采样/保持器大规模集成电路技术的发展，目前已生产出多种集成采样/保持器，如用于一般目的AD582、AD583、LF198系列等;用于高速场合的HTS-0025、HTS-0010、HTC-0300等;用于高分辨率场合的SHA1144等。为了使用方便，有些采样/保持器的内部还设有保持电容，如AD389、AD585等。第六节 传感器接口技术2.集成采样/保持器大第六节 传感器接口技术集成采样/保持器的特点是:1)采样速度快

31、、精度高，一般在22.5s，即达到0.01%0.003%精度;2)下降速度慢，如AD585、AD348为0.5mV/ms;SD389为0.1V/ms。正因为集成采样/保持器有许多优点，因此得到了极为广泛的应用，下面以LF398为例，介绍集成采样/保持器的原理。第六节 传感器接口技术集成采样/保持器的特点是:第六节 传感器接口技术图3-33为LF398原理图。由图可知，其内部由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。图图3-333-33LF398LF398原理图原理图第六节 传感器接口技术图3-3 3 为L F 3 9 8 原理图第六节 传感器接口技术控制电路中A3主要起到比较器的作用;其中

32、7脚为参考电压，当输入控制逻辑电平高于参考端电压时，A3输出一个低电平信号驱动开关S闭合，此时输入经A1后跟随输出到A2再由A2的输出端跟随输出，同时向保持电容(接6端)充电;而当控制端逻辑电平低于参考电压时，A3输出一个正电平信号使开关断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的。因此，A1、A2是跟随器，其作用主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样/保持器的性能。与LF398结构相同的还有LF198、LF298等，它们都是由场效应管构成，具有采样速度高、保持电压下降慢以及精度高等特点。第六节 传感器接口技术控制电路中A 3 主要起到比较器第六节 传感器接口技术当作为单一

33、放大器时，其直流增益精度为0.002%，采样时间小于6s时精度可达0.01%;输入偏置电压的调整只需在偏置端(2脚)调整即可，并且在不降低偏置电流的情况下，带宽允许1MHz，其主要技术指标有:1)工作电压;518V;2)采样时间:10s;3)可与TTL、PMOS、CMOS兼容;4)当保持电容为0.01F时，典型保持步长为0.5mV;5)当输入漂移，保持状态下输入特性不变;6)在采样或保持状态时高电源抑制。第六节 传感器接口技术当作为单一放大器时，其直流增第六节 传感器接口技术图3-34为LF398外引脚图，图3-35为LF398典型应用图。在某些情况下，还可采用二级采样保持串联的方法，根据选用

34、不同的保持电容，使前一级具有较高的采样速度而后一级保持电压下降速率慢。二级结合构成一个采样速度快而下降速度慢的高精度采样/保持电路。此时的采样总时间为两个采样/保持电路时间之和。图图3-343-34LF398LF398外引脚图外引脚图图图3-353-35LF398LF398典型应用图典型应用图第六节 传感器接口技术图3-3 4 为L F 3 9 8 外引脚传感器非线性补偿处理07传感器0 7 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分析处理。但是，很多检测元件如热敏电阻

35、、光敏管、应变片等具有不同程度的非线性特性，这使较大范围的动态检测存在着很大的误差。以往在使用模拟电路组成检测回路时，为了进行非线性补偿，通常用硬件电路组成各种补偿电路，如常用的信息反馈式补偿回路使用对数放大器、反对数放大器等，这不但增加了电路的复杂性，而且也很难达到理想的补偿。第七节 传感器非线性补偿处理 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，总是这种非线性补偿完全可以用计算机的软件来完成，其补偿过程较简单，精确度也高，又减少了硬件电路的复杂性。在完成了非线性参数的线性化处理以后，要进行工程量转换，即标度转换，才能显示或打印带物理单位的数值，其框图如图3-36。第七节 传感器

36、非线性补偿处理图图3-363-36数字量非线性校正框图数字量非线性校正框图这种非线性补偿完全可以用计算机的软件来完成，其补偿过程较简单下面介绍非线性软件处理方法。用软件进行“线性化”处理，方法有三种:计算法、查表法和插值法。第七节 传感器非线性补偿处理1.计算法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。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法进行线性化处理，则可以应用数字上曲

37、线拟合的方法对被测参数和输出电压进行拟合，得出误差最小的近似表达式。下面介绍非线性软件处理方法。用软件进行“线性化”处理，方法有第七节 传感器非线性补偿处理2.查表法在机电一体化测控系统中，有些非线性参数的计算是非常复杂的，他们不是用一般算术运算就可以计算出来的，而需要涉及到指数、对数、三角函数，以及积分、微分等运算，所有这些运算用汇编语言编写程序都比较复杂，有些甚至无法建立相应的数学模型。为了解决这些问题，可以采用查表法。所谓查表法，就是把事先计算或测得的数据按一定顺利编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要的结果。第七节 传感器非线性补偿处理2.查表法在机

38、电第七节 传感器非线性补偿处理查表是一种非数值计算方法，利用这种方法可以完成数据补偿、计算、转换等各种工作。它具有程序简单、执行速度快等优点。表的排列不同，查表的方法也不同。查表的方法有:顺序查表法、计算查表法、对分搜索法等。下面只介绍顺序查表法。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律，所以只能按照顺序从第一项开始逐项寻找，直到找到所要查找的关键字为止。如在DATAHWORD单元，试用软件进行查找，若找到，则将关键字所在的内存单元地址存于R2、R3寄存器中，如未找到，将R2、R3寄存器清零。第七节 传感器非线性补偿处理查表是一种非数值计算方第七节 传

39、感器非线性补偿处理由于待查找的是无序表格，所以只能按单元逐个搜索，根据题意可画出子程序流程图，如图3-37所示。顺序查表法虽然比较“笨”，但对于无序表格和较短的表而言，仍是一种比较常用的方法。图图3-373-37顺序查表法子程序流程图顺序查表法子程序流程图第七节 传感器非线性补偿处理由于待查找的是无序表格第七节 传感器非线性补偿处理3.查表法查表法占用的内存单元较多，表格的编制比较麻烦。所以在机电一体化测试系统中我们也常利用微机的运算能力，使用插值计算方法来减少列表点和测量次数。(1)插值原理设某传感器的输出特性曲线(例如电阻-温度特性曲线)如图3-38所示。由图可以看出，当已知某一输入值xi

40、以后，要想求出值yi并非易事，因为其函数关系式y=f(t)并不是简单的线性方程。图图3-383-38分段线性插值原理分段线性插值原理第七节 传感器非线性补偿处理3.查表法查表法为使问题简化，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(如图中虚线所示)，用此直线代替相应的各段曲线，即可求出输入x所对应的输出值y。例如，设x在(xi，xi+1)之间，则对应的逼近值为第七节 传感器非线性补偿处理(3-29)将上式进行化简，可得(3-30)为使问题简化，可以把该曲线按一定要求分成若干段，然后把相邻两其中第七节 传感器非线性补偿处理(3-31)式(3-30)是点斜式直线方程，而式(

41、3-31)为截矩式直线方程。上两式中，只要n取得足够大，即可获得良好的精度。为直线的斜率其中第七节 传感器非线性补偿处理(3-3 1)式(第七节 传感器非线性补偿处理(2)插值的计算机实现下面以点斜式直线方程(3-30)为例，介绍用计算机实现线性插值的方法。第一步，用实验法测出传感器的变化曲线y=f(x)。为准确起见，要多测几个以便求出一个比较精确的输入/输出曲线。第二步，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的方法分段。主要有两种方法:第七节 传感器非线性补偿处理(2)插值的计算机实第七节 传感器非线性补偿处理1)等距分段法等距分段法即沿x轴等距离地选

42、取插值基点。这种方法的主要优点是使式(3-29)中的xi+1-xi=常数，因而使计算变得简单。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。2)非等距分段法这种方法的特点是函数基点的分段不是等距的，通常将常用刻度范围插值距离划分小一点，而使非常用刻度区域的插值距离大一点，但非等值插值点的选取比较麻烦。第七节 传感器非线性补偿处理1)等距分段法等距第七节 传感器非线性补偿处理第三步，确定并计算出各插值点xi、yi值及两相邻插值点的拟合直线的斜率ki，并存放在存储器中。第四步，计算取出x-xi。第五步，找出

43、x所在的区域(xi，xi+1)，并取出该段的斜率。第六步，计算ki(x-xi)。第七步，计算结果y=yI+ki(x-xi)。对于非线性参数的处理，除了查表法和插值法以外，还有许多其他方法，如最小二乘拟合法、函数逼近法、数值积分法等。对于机电一体化测控系统来说，具体采用哪种方法来进行非线性计算机处理，应根据实际情况和具体被测对象要求而定。第七节 传感器非线性补偿处理第三步，确定并计算出各数 字 滤 波08数 字 滤 波0 8在机电一体化测控系统的输入信号中，一般都含各种噪声和干扰，它们主要来自被测信号本身、传感器或者外界的干扰。为了提高信号的可靠性，减少虚假信息的影响，可采用软件方法实现数字滤波

44、。数字滤波就是通过一定的计算或判断来提高信噪比，它与硬件RC滤波器相比具有以下优点:1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加任何硬件设备，也不存在阻抗匹配问题，可以多个通道共用，不但节约投资，还可提高可靠性、稳定性。第八节 数字滤波在机电一体化测控系统的输入信号中，一般都含各种噪声和干扰，它2)可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟RC滤波器由于受电容容量的限制，频率不可能太低。3)灵活性好，可以用不同的滤波程序实现不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。因为用软件实现数字滤波具有上述特点，所以在机电一体化测控系统中得到了越来越广泛的应用。数字滤波的方法有很多种，可以根据不同的测量参数进行选择。下面介

45、绍几种常用的数字滤波方法及程序。第八节 数字滤波2)可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟R C 滤波器由于受电第八节 数字滤波算术平均值法是寻找一个Y值式中xi第i次采样值;Y数字滤波的输出;N采样次数。N的选取应按具体情况决定。若N大，则平滑度高，灵敏度低，但计算大。一、算术平均值法第八节 数字滤波算术平均值法是寻找一个Y 值 式中一般而言，对于流量信号，推荐取N=12;压力信号取N=4。应使Y值与各采样值间误差的平方和最小。算术平均值法的程序流程如图3-39所示第八节 数字滤波图图3-3-3939算算术术平平均均值值法法程程序序流流程程一般而言，对于流量信号，推荐取N=1 2;压力信号取N

46、=4。第第八节 数字滤波中值滤波法是在三个采样周期内，连续采样读入三个检测信号X1、X2、X3，从中选择一个居中的数据作为有效信号，以算式表示为 若X1X2X3，则为有效信号。三次采样输入中有一次发生干扰，则不管这个干扰发生在什么位置，都将被剔除掉。二、中值滤波法第八节 数字滤波中值滤波法是在三个采样周期内，连续若发生的两次干扰是异向作用，则同样可以滤去。若发生的两次干扰是同向作用或三次都发生干扰，则中值滤波无能为力，中值滤波能有效地滤去由于偶然因素引起的波动或采样器的不稳定造成的误码等引起的脉冲干扰。对缓慢变化的过程，变量采用中值滤波有效果。中值滤波不宜用于快速变化的过程参数。中值滤波法程序

47、流程如图3-40所示。第八节 数字滤波图图3-3-4040中中值值滤滤波波法法程程序序流流程程若发生的两次干扰是异向作用，则同样可以滤去。若发生的两次干扰第八节 数字滤波将算术平均值法和中值滤波法结合起来，便可得到防脉冲干扰平均值法。它是先用中值滤波原理滤除由于脉冲干扰引起的误差的采样值，然后把剩下的采样值进行算术平均。若X1X2Xn，则三、防脉冲干扰平均值法(3-32)第八节 数字滤波将算术平均值法和中值滤波法结合起来第八节 数字滤波式中，3N14可以看出，防脉冲干扰平均值法兼顾了算术平均值法和中值滤波法的优点，在快、慢速系统中都能削弱干扰，提高控制质量。当采样点数为三时，它是中值滤波法。(

48、3-32)第八节 数字滤波式中，3 N 1 4 (3-3 2)第八节 数字滤波若|Xk-Xk-1|X0，则以上次采样值Xk-1为真实信号。其中，X0表示误差上、下限的允许值，X0的选择取决于采样周期T及信号X的动态响应。四、程序判断滤波法1.限幅滤波(上、下限滤波)法第八节 数字滤波若|X k-X k-1|X 0，则以第八节 数字滤波设采样时刻t1、t2、t3的采样值为X1、X2、X3。若|X2-X1|X0，则取X2为真实信号。若|X2-X1|X0，则先保留X2，再与X3进行比较，若|X3-X2|X0，则取X2为真实信号;若|X3-X2|X0，则取(X2+X3)/2为真实信号。实用中，常取X0

49、=(|X1-X2|+|X2-X3|)/2限速滤波法较为折衷，既照顾了采样的实时性，也照顾了采样值变化的连续性。2.限幅滤波(上、下限滤波)法第八节 数字滤波设采样时刻t 1、t 2、t 3 的采样值THANKS!T H A N K S!第四章 伺服传动技术机电一体化技术与系统第四章 机电一体化技术与系统概述01直流伺服系统02交流伺服系统03电液伺服系统04目录/CONTENTSCONTENTS概述0 1 直流伺服系统0 2 交流伺服系统0 3 电液伺服系统0 4概述01概述0 1伺服传动技术指执行系统和机构中的一些技术问题。伺服(Servo)的意思即“伺候服侍”，就是在控制指令的指挥下，控制

50、驱动元件，使机械系统的运动部件按照指令要求进行运动。伺服系统主要用于机械设备位置和速度的动态控制，在数控机床、工业机器人、坐标测量机以及自动导引车等自动化制造、装配及测量设备中，已经获得非常广泛的应用。第一节 概念伺服传动技术指执行系统和机构中的一些技术问题。伺服(S e r v一、伺服系统的结构组成及分类第一节 概念图图4-14-1伺服系统的组成伺服系统的组成一、伺服系统的结构组成及分类第一节 概念图4-1 伺服系控制器的主要任务是根据输入信号和反馈信号决定控制策略。常用的控制算法有PID(比例、积分、微分)控制和最优控制等。控制器通常由电子线路或计算机组成。第一节 概念1.控制器2.功率放