機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)03傳感器

1、第二章第二章 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 傳感器的定義定義：是一種以一定的精確度將被測(cè)量（如定義：是一種以一定的精確度將被測(cè)量（如位移、力、加速度等）轉(zhuǎn)換為與之能確定對(duì)位移、力、加速度等）轉(zhuǎn)換為與之能確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的，易于精確處理和測(cè)量的某種物理應(yīng)關(guān)系的，易于精確處理和測(cè)量的某種物理量（如電量）的測(cè)量部件或裝置。量（如電量）的測(cè)量部件或裝置。2.2 傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成轉(zhuǎn)換電路三部分組成轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路基本轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量被測(cè)量被測(cè)量被測(cè)量電量電量?jī)蓚€(gè)功能：敏感作用（被測(cè)對(duì)象 信號(hào)拾?。┳儞Q作用（被測(cè)

2、非電量 電量輸出）v敏感元件：直接感受被測(cè)量，并以確定關(guān)系輸出某一物理量，如彈性敏感元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出，光敏、熱敏、氣敏、濕敏、溫敏、磁敏等v轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量（如位移、應(yīng)變、光強(qiáng)等）轉(zhuǎn)換成電參數(shù)（如電阻、電感、電容等）v基本轉(zhuǎn)換電路：將電路參數(shù)量轉(zhuǎn)換成便與測(cè)量的電量，如電壓、電流、頻率等 按輸出信號(hào)性質(zhì)分類按輸出信號(hào)性質(zhì)分類壓阻式液位傳感器光敏傳感器溫度傳感器壓力傳感器液位傳感器電阻式遠(yuǎn)傳壓力表感應(yīng)式流量表稱重傳感器CCD傳感器風(fēng)力參數(shù)傳感器地震檢波器反射式光敏傳感器磁、氣、力敏傳感器超聲傳感器測(cè)量的目的；測(cè)定量的選定；測(cè)量的范圍；輸入信號(hào)的帶寬；要求的精度；測(cè)量

3、所需時(shí)間等精度；響應(yīng)速度；穩(wěn)定性；模擬還是數(shù)字信號(hào)；輸出量及電平；被測(cè)對(duì)象特征的影響；校準(zhǔn)周期；過載輸入保護(hù)等放置的場(chǎng)所；環(huán)境（溫度、濕度、振動(dòng)）；測(cè)量的時(shí)間（壽命周期）；傳輸距離；與設(shè)備連接方式；供電電源；價(jià)格傳感器千差萬別，測(cè)量同一種測(cè)定量，可以采用不同工作原理的傳感器，注意以下幾個(gè)方面：2.3 傳感器的基本特性傳感器的基本特性v1. 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：線性度線

4、性度、靈敏度靈敏度、遲滯遲滯和和重復(fù)性重復(fù)性等。等。二、傳感器的基本特性二、傳感器的基本特性v(1)、線性度、線性度 傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鲗?shí)際輸出傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鲗?shí)際輸出輸入輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即值之比，即100%maxFSyL 幾種直線擬合方法幾種直線擬合方法 (a) 理論擬合 (b) 過零旋轉(zhuǎn)擬合 (c) 端點(diǎn)連線擬合 (d) 端點(diǎn)平移擬合 即使是同類傳感器, 擬合直線不同, 其線性度也是不同的。 選取擬合直線的方法很多, 用最小二乘法求取的擬合直線的擬合精度最高。擬合直線方程 y=k+b x 設(shè)有n對(duì)

5、測(cè)量數(shù)據(jù)（xi,yi）, 用直線方程y= k +bx擬合, 根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)值, 求方程中系數(shù)k 、b的最佳估計(jì)值。 可應(yīng)用最小二乘法原理, 使各測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)yi與直線輸出偏差的平方和為最小。 二、傳感器的基本特性二、傳感器的基本特性 xyS0可見，傳感器輸出曲線的斜率斜率就是其靈敏度。對(duì)線性特性的傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度k是一常數(shù)，與輸入量大小無關(guān)。二、傳感器的基本特性二、傳感器的基本特性 %100FSmyHH 遲滯大小用最大偏差或最大偏差的一半與滿量程輸出值的百分比表示 %100)/)(2/1 (maxFSHHy 遲滯現(xiàn)象反應(yīng)了傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)和制造工藝上的缺陷，如軸承摩擦，間隙，

6、螺釘松動(dòng)，元件腐蝕及灰塵等 。式中: Hmax正反行程輸出值間的最大差值。 重復(fù)性指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變動(dòng)多次所得特性曲線的不一致性。重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差, 常用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示, 也可用正反行程中的最大偏差表示, 即 %100) 32(FSRYr%10021maxFSRYRrv 傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過時(shí)域響應(yīng)特性。傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過時(shí)域、頻域以及試驗(yàn)分析的方

7、法確定，其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍：最大超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。、臨界頻率等。 2. 傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性 動(dòng)特性中輸出量與輸入量的關(guān)系不是一個(gè)定值，而是時(shí)間的函數(shù)。輸出量隨輸入量的頻率的變化而變化。表征傳感器動(dòng)特性輸入量與輸出量的關(guān)系方法是微分方程和傳遞函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)輸入有三種：經(jīng)常使用的是前兩種。u正弦變化的輸入u階躍變化的輸入u線性輸入2.4 傳感器的基本轉(zhuǎn)換電路1.電阻型1）分壓電路用得極為廣泛。分壓電路控制的自動(dòng)燈光啟閉系統(tǒng)2) 橋式電路阻抗Z1，Z2，當(dāng)測(cè)量發(fā)生變

8、化時(shí)，Z1變化，此時(shí)用控制器控制Z2變化，使輸出為零，可以實(shí)現(xiàn)電腦自動(dòng)測(cè)量。3) 信號(hào)放大電路(3) 高輸入阻抗放大器 虛短，虛斷，”虛地”為保證共模抑制比，要配出（U2-U1）的因子項(xiàng))(1 (/12424211UURRURRRRfoff(4) 高共模抑制比放大器 0)(,121321iifofUURRURRRR1123231)1 (ififoURRURRRRRU當(dāng)只有共模信號(hào)，共模抑制比無窮大 211111023232)2() 1 (UURUURUUURRRUifi2U1U半波調(diào)幅全波調(diào)幅v包絡(luò)檢波信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路 濾波器濾波器 v功能與類型功能與類型v一階有源濾波器一階有源濾波器

9、v二階有源濾波器二階有源濾波器1、 濾波器的功能：對(duì)頻率進(jìn)行選擇濾波器的功能：對(duì)頻率進(jìn)行選擇, ,過濾掉過濾掉噪聲和干擾信號(hào)，保留下有用信號(hào)。噪聲和干擾信號(hào)，保留下有用信號(hào)。 濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種不同信號(hào)的功能。 濾波器的用途濾波器的用途 濾波器主要用來濾除信號(hào)中無用的頻率成分，濾波器主要用來濾除信號(hào)中無用的頻率成分，例如，有一個(gè)較低頻率的信號(hào)，其中包含一些較高例如，有一個(gè)較低頻率的信號(hào)，其中包含一些較高頻率成分的干擾。頻率成分的干擾。 濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號(hào)順利的通過，而另外一部分頻率的信號(hào)則受到較大的抑制，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電

10、路。 濾波器中，把信號(hào)能夠通過的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶；反之，信號(hào)受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率；理想濾波器在通帶內(nèi)的電壓增益為常數(shù)，在阻帶內(nèi)的電壓增益為零；實(shí)際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍的過渡帶。 2 2、類型：、類型： 按處理信號(hào)形式處理信號(hào)形式分：模擬濾波器和數(shù)字濾波器 按電路組成電路組成分：LC無源、RC無源、由特殊元件構(gòu)成的無源濾波器、RC有源濾波器 按電路性質(zhì)電路性質(zhì)分：有源濾波器、無源濾波器 按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)微分方程階數(shù)分：一階、二階、高階 由無源元件R、C、L等構(gòu)成的濾波器稱為無源濾波器 。它是利用電容和

11、電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。 無源元件（一般用R和C）及有源器件（如工作在線性區(qū)的集成運(yùn)放）構(gòu)成的濾波器稱為有源濾波器。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽（由于不使用電感元件）；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件（如集成運(yùn)算放大器）的帶

12、寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。 無源濾波器種類很多，適用工作頻率不同。有：無源濾波器種類很多，適用工作頻率不同。有：vRCRC濾波器濾波器 （低頻）（低頻）vLCLC濾波器濾波器 （高頻）（高頻）v 將無源將無源RCRC濾波元件與運(yùn)算放大器結(jié)合，組濾波元件與運(yùn)算放大器結(jié)合，組成有源濾波器，主要用于低頻信號(hào)處理。成有源濾波器，主要用于低頻信號(hào)處理。 低通濾波器（低通濾波器（LPF）：）：它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過，抑它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。制高頻分量或干擾和噪聲。 高通濾波器（高通濾波器（HPF）：）

13、：它允許信號(hào)中的高頻分量通過，抑制低頻它允許信號(hào)中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量?；蛑绷鞣至?。 帶通濾波器（帶通濾波器（BPF）：）：它允許一定頻段的信號(hào)通過，抑制低于或它允許一定頻段的信號(hào)通過，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。 帶阻濾波器（帶阻濾波器（BEF）：）：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過。外的信號(hào)通過。 按功能功能分： |A|0C通帶通帶阻帶阻帶A0|A|0CA0阻帶阻帶|A|0C1A0阻阻阻阻C2通通|A|0C1A0阻阻C2通通通通 各種各種濾波器理想的幅頻特性：濾波器理想的幅頻特性：（

14、1）低通）低通（2）高通）高通（1）帶通）帶通（1）帶阻）帶阻通帶通帶濾波器的串濾波器的串/ /并聯(lián)并聯(lián) 低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。理想濾波器若濾波器的頻率響應(yīng)H(f)滿足條件則稱為理想濾波器。 0020ftjeAfHcff 其它f00f(f) fH0Acfcf02 tcfcf脈沖響應(yīng)函數(shù)在頻域?yàn)榫匦未昂瘮?shù)的“理想”低通濾波器的時(shí)域脈沖響應(yīng)函數(shù)是sinc函數(shù)。如無相角滯后，即 ，則h(t)具有對(duì)稱的圖形。00t tftfAfthccc

15、22sin2f0 fHcf0AcfA02cf21cf21cf1cf1cf理想濾波器是不能實(shí)現(xiàn)的。 因?yàn)閔(t)是濾波器在(t)作用下的輸出，其圖形卻表明，在輸入(t)到來之前，即t0, 濾波器就有了與輸入相對(duì)應(yīng)的輸出。顯然，這違背了因果關(guān)系，任何現(xiàn)實(shí)的濾波器不可能有這種預(yù)知未來的能力，所以理想低通濾波器是不可能存在的。可以推論，理想的高通、帶通、帶阻濾波器都是不存在的。無源濾波器無源濾波器1、紋波幅度d 2、截止頻率 幅頻特性值 等于 所對(duì)應(yīng)的頻率。3、帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q值上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬。中心頻率 和帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。0/2dA0/2A0fA(f)f

16、ff0c1c2.dd0A02A實(shí)際濾波器主要參數(shù)4 4 倍頻程選擇性倍頻程選擇性W W 指在上截止頻率指在上截止頻率fcfc2 2與與2fc2fc2 2之間幅頻特性的衰之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。 倍頻程衰減量以倍頻程衰減量以dB/octdB/oct表示（表示（Octave，倍頻程）。，倍頻程）。衰減越快（即衰減越快（即W W值越大），濾波器的選擇性越好。值越大），濾波器的選擇性越好。信號(hào)濾波器信號(hào)濾波器 典型應(yīng)用：典型應(yīng)用：鋼管無損探傷鋼管無損探傷濾除信號(hào)中的零漂和低頻晃動(dòng)，便于門限報(bào)警濾除信號(hào)中的零漂和低頻晃動(dòng)，便于門限報(bào)警1

17、. 一階一階RC低通濾波器低通濾波器(無源無源)一一. 低通有源濾波器低通有源濾波器CjRCjuuAiO 11 RCj 11H11 j 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：RC1H截止頻率：截止頻率：幅頻特性：幅頻特性：2)(11HA+-i+uRC+uo-此電路的缺點(diǎn)：此電路的缺點(diǎn)：1、帶負(fù)載能力差。、帶負(fù)載能力差。2、無放大作用。、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。、特性不理想，邊沿不陡。幅頻特性：幅頻特性：2)(11HA+-i+uRC+uo-0.707 H截止頻率截止頻率0 1|A| 一.電路圖電路的傳遞函數(shù)頻率特性 二. 畫出電路的幅頻特性 三. 根據(jù)定義求出主要參數(shù)有源濾波電路的分析方法: 2.一

18、階有源低通濾波器一階有源低通濾波器uu+A+i+uuRf1RRCoi)11(ujuH uRRuf)1(1oi1o)11)(1(ujRRuHf )11)(1 (1HfjRR)1(OHjAiOuuA傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：1fo1RRA通帶增益：通帶增益：截止頻率：截止頻率：)1(RCHRC1H幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性及幅頻特性曲線uu+A+i+uuRf1RRCo傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：iOuuA)11)(1 (1HfjRR幅頻特性：幅頻特性：21)(11)1 (HfRRA缺點(diǎn)：阻帶衰減慢。缺點(diǎn)：阻帶衰減慢。 H0.707 1+Rf/R10 1+Rf/R1|A|3.二階有源低通濾波器二階有源低通濾波

19、器uu+A+miouRfRRCCR1u+uuAuRRufO1o)1 (CjuuRuuRuuommmi1muCjRCju112OO)()j-(31CRCRAA2H2HO)j()(1QARC1HO31AQiOuuA傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： 當(dāng)當(dāng) Ao3時(shí)，濾波器可時(shí)，濾波器可以穩(wěn)定工作以穩(wěn)定工作 。 此時(shí)特性與此時(shí)特性與Q有關(guān)。當(dāng)有關(guān)。當(dāng)Q=0.707時(shí)，幅時(shí)，幅頻特性較平坦。頻特性較平坦。 當(dāng)當(dāng)ffL時(shí)，幅頻特性時(shí)，幅頻特性曲線的斜率曲線的斜率 為為-40dB/dec。 當(dāng)當(dāng)Ao3時(shí)，源濾波器自激。時(shí)，源濾波器自激。幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性及幅頻特性曲線O31AQ 222o)()(1 QAAH

20、H uAuRRufO1o)1 ()11)(1 (1LfjRR)1(OLjAiOuuA傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：1fo1RRA通帶增益：通帶增益：截止頻率：截止頻率：)1(RCL二二. . 高通有源濾波器高通有源濾波器1.一階有源高通濾波器一階有源高通濾波器uuo1+ui+f+ARRuRCii)111()1(uRCjuCjRRuRC1L幅頻特性：幅頻特性：21)(11)1 (LfRRA缺點(diǎn)：阻帶衰減太慢。缺點(diǎn)：阻帶衰減太慢。幅頻特性及幅頻特性曲線幅頻特性及幅頻特性曲線iOuuA傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：)11)(1 (1LfjRRuuo1+ui+f+ARRuRC0 1+Rf/R10.707(1+Rf/R1)

21、 L|A|2. 二階有源高通濾波器二階有源高通濾波器由此繪出頻率響應(yīng)特性曲線由此繪出頻率響應(yīng)特性曲線 (2)(2)通帶增益通帶增益1fO+1=RRAuuu+RfRiRmuCA+oR1+uC2L22L)(1-)(1QA （1 1）幅頻特性：）幅頻特性：RC1L其中：其中：O31AQ當(dāng)當(dāng)AO3時(shí)，電路自激。時(shí)，電路自激。幅頻特性曲線幅頻特性曲線 當(dāng)當(dāng) Ao3時(shí)，濾波器可時(shí)，濾波器可以穩(wěn)定工作。此時(shí)特性與以穩(wěn)定工作。此時(shí)特性與Q有關(guān)。當(dāng)有關(guān)。當(dāng)Q=0.707時(shí)，幅頻時(shí)，幅頻特性較平坦。特性較平坦。 當(dāng)當(dāng)f fL時(shí)，幅頻特時(shí)，幅頻特性曲線的斜率性曲線的斜率+40dB/dec。 可由低通和可由低通和高通串聯(lián)得到高通串聯(lián)得到1111CR A0A2A1A0阻阻帶帶通通帶帶阻阻帶帶通通帶帶OO 1 2 AA0O 2 1通通帶帶阻阻帶帶阻阻帶帶低通截止頻率低通截止頻率2221CR 高通截止頻率高通截止頻率必須滿足必須滿足12 三三. 有源帶