第五章傳感器與信號(hào)處理(wzg)

1、 光 、 聲 、 位 移 、 壓 力 、 磁 等非 電 量信 號(hào)轉(zhuǎn) 換 成電 信 號(hào)模 擬電 信 號(hào)傳 輸 、 運(yùn) 算放 大切 換 、 存 儲(chǔ)處 理電 信 號(hào)數(shù) 字轉(zhuǎn) 換 成電 信 號(hào)驅(qū) 動(dòng) 光 、 聲 、 位 移 、 文 字 等被 測(cè) 物 理 量傳 感 器以 計(jì) 算 機(jī) 為 中 心 的 電 信 號(hào) 處 理 系 統(tǒng)執(zhí) 行 設(shè) 備圖 2-1 典型機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路電量被測(cè)量傳感器 計(jì)數(shù)型（二值型+計(jì)數(shù)器） 電壓，電流型（熱電偶,Cds電池） 電感，電容型（可變電容）有接點(diǎn)型(微動(dòng)開關(guān)，接觸開關(guān)， 行程開關(guān)) 按輸出信號(hào) 電阻型（電位器，電阻應(yīng)變片）非電量型二值型電量無(wú)

2、接點(diǎn)型(光電開關(guān)，接近開關(guān))模擬型數(shù)字型代碼型（旋轉(zhuǎn)編碼器，磁尺）100%maxFSyL xyS0yFSHm0 xFSyx圖2-2 遲滯特性 %100FSmyHH100%FSmRyR 1322nyyyiFSRyFS0 xFSxRm1yRm2圖2-3 重復(fù)特性( )32411.標(biāo) 尺 光 柵 2.指 示 光 柵3.光 電 元 件 4.光 源光柵產(chǎn)品ddffddBffddW/2WddW/2指示光柵標(biāo)尺光柵X*wX*B標(biāo)尺光柵指示光柵莫爾條紋WWB2sin2U0UW/2oUm2W3W/2WxWxUUUm2sin0差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器整形器整形器方向判別門電路可逆計(jì)數(shù)器正向脈沖反向脈沖控制回路光電池組

3、abcd4W標(biāo)尺光柵聚光鏡光源指示光柵圖2-7 光柵測(cè)量系統(tǒng)4cos360cos2ssKUxKUUosin360sin2ccKUxKUUosincos222csKUKUUUUxx2360)(otmsUUsintUUmccos222UUU)sin(sincoscossintKUtKUtKUmmmox360tmUUssinsintmUUcsincostKUUUUmsin)sin(222tVVmssintkVkVVmsBsinsinsin 應(yīng)用電磁感應(yīng)原理的幅值smVV圖2-13 兩極旋轉(zhuǎn)變壓器Z12ZDD21UD13U24DZ3U3Z41 1 0 00 0 1 10 1 0 10 1 1 00 1

4、 1 10 1 0 01 0 1 01 0 0 11 0 0 01 0 1 11 1 1 10 0 0 10 0 1 00 0 0 01 1 1 01 1 0 11 1 0 00 0 1 10 1 0 10 1 1 00 1 1 10 1 0 01 0 1 01 0 0 11 0 0 01 0 1 11 1 1 10 0 0 10 0 1 00 0 0 01 1 1 01 1 0 11 0 0 10 1 1 11 1 1 10 1 0 00 1 0 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 0 1 01 0 1 10 0 0 10 1 1 00 0 1 00 0 1 00 0 1 10

5、0 0 01 0 0 00 1 0 01 1 0 11 1 1 111101 0 1 01 1 0 01 0 1 00 1 1 10 1 1 00 0 1 00 0 1 11 0 1 11 0 0 01 0 0 10 0 0 00 0 0 1MI0RLV0 x00ett光電池?fù)醢錠速度測(cè)量0e微分電路txV/透鏡光源光電器件帶縫隙圓盤指示縫隙盤tZNn60Zfn60應(yīng)變片m懸臂梁Z (t)0Z (t)1充以阻尼液體的殼體引 出 線3質(zhì) 量 塊1 殼 體壓 電 晶 片m4 2 3241C12C金屬電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)應(yīng)變片電橋電路)(43214231RRRRRRRRE電橋輸出計(jì)算公式：)21( RR

6、a)PPb)P1R4R2R4R1R2RR3R3Pc)RR1R3A1RD R3R42B4R2CR1RR2R4(R )(R )R13bR43lhAR1PD3RR2CBEbhPL26單個(gè)CCD柵極電壓變化對(duì)耗盡區(qū)的影響圖5-44 對(duì)于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅耳透鏡將其聚焦后加至兩個(gè)探測(cè)元上，因此傳感器會(huì)輸出探測(cè)信號(hào)電壓。顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器量程變換電路傳感器振 蕩 器放大器運(yùn)算電路解調(diào)器濾波器計(jì)算機(jī)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器量程變換電路傳感器振 蕩 器放大器運(yùn)算電路解調(diào)器濾波器計(jì)算機(jī)放大整形光電轉(zhuǎn)換傳感器糾錯(cuò)電路碼制變換顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)譯碼器傳感器脈沖當(dāng)量變換電路

7、放大器細(xì)分電路整形電路寄存器計(jì)數(shù)器計(jì)算機(jī)顯示執(zhí)行辨向電路 傳感器的輸出多數(shù)為正弦波信號(hào)，需先經(jīng)放大、整形后變成傳感器的輸出多數(shù)為正弦波信號(hào)，需先經(jīng)放大、整形后變成數(shù)字脈沖信號(hào)。但在多數(shù)情況下，為提高分辨率，常采用細(xì)分電數(shù)字脈沖信號(hào)。但在多數(shù)情況下，為提高分辨率，常采用細(xì)分電路使傳感器信號(hào)每變化路使傳感器信號(hào)每變化1/n個(gè)周期計(jì)一個(gè)數(shù)，其中個(gè)周期計(jì)一個(gè)數(shù)，其中n稱為細(xì)分?jǐn)?shù)。稱為細(xì)分?jǐn)?shù)。辨向電路用于辨別被測(cè)量的變化方向。當(dāng)脈沖信號(hào)所對(duì)應(yīng)的被測(cè)辨向電路用于辨別被測(cè)量的變化方向。當(dāng)脈沖信號(hào)所對(duì)應(yīng)的被測(cè)量不便讀出和處理時(shí)，需進(jìn)行脈沖當(dāng)量變換。計(jì)算機(jī)可對(duì)信號(hào)進(jìn)量不便讀出和處理時(shí)，需進(jìn)行脈沖當(dāng)量變換。計(jì)算機(jī)

8、可對(duì)信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算處理，并將結(jié)果直接送去顯示或打印輸出，或求取行復(fù)雜的運(yùn)算處理，并將結(jié)果直接送去顯示或打印輸出，或求取控制量去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制量去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳感器傳感器傳感器采樣/保持采樣/保持多路模擬開關(guān)控制器A/D緩沖器總線A/D總線傳感器多路模擬開關(guān)總線放大采樣/保持控制器A/D采樣/保持A/D采樣/保持A/D采樣/保持A/D總線傳感器輸入并行輸入口a)b)c)d). 三態(tài)緩沖器開 關(guān) 地 址 輸 入 端開 關(guān) 控 制 與 驅(qū) 動(dòng) 電 路選 通 信 號(hào)5模擬輸入通道7862431S0S4S6S7S5S1S2S3A/D轉(zhuǎn) 換 器. A D 7501A2譯 碼 驅(qū) 動(dòng)電 平 轉(zhuǎn) 換

9、電 路(-15V )(+ 15V )O U TS1地VSSVD DS2321G N DVSS15A1A016E NVD DS114E NA1A2A08765411S8S7O U T1213S2S6S510S3S49 上圖是上圖是AD7501型多路模擬開關(guān)集成芯片的管腳功型多路模擬開關(guān)集成芯片的管腳功能圖，這是具有能圖，這是具有8路輸入通道、路輸入通道、1路公共輸出的多路開關(guān)路公共輸出的多路開關(guān)CMOS集成芯片。由三個(gè)地址線（集成芯片。由三個(gè)地址線（A0、A1、A2）的）的狀態(tài)及狀態(tài)及EN端來(lái)選擇端來(lái)選擇8個(gè)通道之中的一路，片上所有的邏個(gè)通道之中的一路，片上所有的邏輯輸入端與輯輸入端與TTL/D

10、TL及及CMOS電路兼容。其真值表如電路兼容。其真值表如下下:VFUcuiN1CN20uVFUcuiN1CN20u全 隊(duì) 列 數(shù) 據(jù) 求 累 加 和修 改 隊(duì) 尾 指 針新 值 放 入 隊(duì) 尾 沖 去 舊 值返 回求 平 均 值采 樣 一 次入 口o00ooiudtduudtduRCuiRu) 1()()(nYtnXttnYt) t/(t)1()1()()(nYnXnYttfC2)1 (221返 回累 加 到Y(jié)(n)中計(jì) 算 （ 1）Y(n 1)計(jì) 算X(n),暫 存 于Y(n)中將 已 有 輸 出 作 為 上 次 輸 出 Y (n 1)取 新 采 樣 值X(n)入 口0b)xiux0c)ui

11、xxia)0ud)y=xx 微型計(jì)算機(jī)/處理器傳感器及其 調(diào)理電路xA/Duy=xniniiiiuuuux.)(2210),()()(1022210211naaaFNnnNiiiiiiiiixuauauaaxux最小值0),010aaaaFn（0),110aaaaFn（0),10nnaaaaF（檢測(cè)及放大電路多路開關(guān)U零 信 號(hào) 輸 入基 準(zhǔn) 信 號(hào)RUi被 測(cè) 信 號(hào).A/D微型機(jī)檢測(cè)及放大電路多路開關(guān)U零 信 號(hào) 輸 入基 準(zhǔn) 信 號(hào)RUi被 測(cè) 信 號(hào).A/D微型機(jī)RRUaxaxUii00相乘)(tgt0cos ttgtf0cos)()( 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào):)(tg：已調(diào)信號(hào)：已調(diào)信號(hào))

12、(tf：載載波波信信號(hào)號(hào)t0cos ：載波角頻率：載波角頻率0 原理方框圖原理方框圖t tgtt0cos t ttg0cos 載載波波反反相相點(diǎn)點(diǎn)t ttgA0cos t tgA 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)載波信號(hào)載波信號(hào)抑制載波調(diào)幅抑制載波調(diào)幅調(diào)幅調(diào)幅解調(diào)解調(diào)tx(t)r(t)w(t)Or(t):r(t):半波整流信號(hào)半波整流信號(hào)w(t)w(t)：圖中得到的包絡(luò)：圖中得到的包絡(luò)x(t)x(t)：實(shí)際包絡(luò)，即：實(shí)際包絡(luò)，即A+g(t)A+g(t)CR tf twD tr2 2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器-應(yīng)變片應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效

13、應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形電阻值隨著所受機(jī)械變形( (伸長(zhǎng)或縮短伸長(zhǎng)或縮短) )的變化而發(fā)的變化而發(fā)生變化象。生變化象。 1) 1) 工作原理工作原理上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化。上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)引起電阻變化。金屬應(yīng)變片的電阻金屬應(yīng)變片的電阻R R為為AlR/應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片3) 3) 應(yīng)變片的主要參數(shù)應(yīng)變片的主要參數(shù) 4 4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、 蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。 1 1）幾何參數(shù)：表距）幾何參數(shù)：表距L L和絲柵寬度和絲柵寬度b b，制造廠常用，制造廠常用 b bL L表示。表示。2 2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。 3 3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。 3)