機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化檢測(cè)系統(tǒng)1檢測(cè)系統(tǒng)的功能及特性2常用傳感器3檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理4檢測(cè)信號(hào)的預(yù)處理檢測(cè)系統(tǒng)的功能及特性一、基本功能及分類1、功能

對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中所需的自身及外界環(huán)境參數(shù)與狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并將其變換成系統(tǒng)可識(shí)別的電信號(hào)傳遞給信息處理單元。2、分類1）根據(jù)被檢測(cè)物理量的性質(zhì)(a)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)(b)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)(c)圖像檢測(cè)系統(tǒng)(d)其它物理量檢測(cè)系統(tǒng)2）根據(jù)被檢測(cè)信號(hào)的性質(zhì)(a)模擬信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)(b)數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)二、檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性1、靈敏度與分辨率2、精確度3、頻率響應(yīng)特性4、穩(wěn)定性5、線性特性三、檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方式接觸式檢測(cè)非接觸式檢測(cè)在線檢測(cè)非在線檢測(cè)四、檢測(cè)系統(tǒng)的組成傳感器測(cè)量電路輸出單元被測(cè)量輸出量傳感器：把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的某些物理量（通常為電量）的測(cè)量裝置。測(cè)量電路：

輸出單元：

把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號(hào)，使之能在輸出單元的指示儀上指示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統(tǒng)的檢測(cè)或反饋信號(hào)。指示儀、記錄儀、累加器、報(bào)警器、數(shù)據(jù)處理電路等。1）體積小、重量輕，對(duì)整機(jī)的適應(yīng)性好。2）精度和靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高。3）安全可靠、壽命長(zhǎng)。4）便于與計(jì)算機(jī)連接。5）不易受被測(cè)的影響，也不影響外部環(huán)境。6）對(duì)環(huán)境條件適應(yīng)能力強(qiáng)。7）現(xiàn)場(chǎng)處理簡(jiǎn)單，操作性能好，價(jià)格便宜。機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)傳感器的基本要求第二節(jié)常用傳感器一、傳感器的選用原則

表示傳感器在被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出輸入關(guān)系希望輸出與輸入具有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且呈線性關(guān)系。1）靜特性參數(shù)的選用y-輸出量x-輸入量a0-零輸出a1-理論靈敏度a2、…、an-非線性項(xiàng)的待定系數(shù)理想狀態(tài)下a0、a2、…、an均為零。a)線性度最大非線性誤差非線性誤差或線性度滿量程輸出理想特性實(shí)際特性xΔHmaxY

線性度反映了被測(cè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系曲線對(duì)擬合直線的接近程度。選用原則：選用線性度小的為宜。

傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為其靜態(tài)靈敏度。表征傳感器對(duì)輸入量變化的反應(yīng)能力。（b）靈敏度

線性傳感器非線性傳感器

傳感器的靈敏度選用原則：

在量程范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度越高越好，但要注意外界噪聲的影響。

正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯。

—正反行程間輸出的最大差值。(c)遲滯xΔHmaxY

磁性材料的磁滯，結(jié)構(gòu)材料受力變形的滯后、摩擦等是產(chǎn)生遲滯誤差（回程誤差）的原因。選用原則：遲滯誤差越小越好。xY(d)重復(fù)性

傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度。正行程的最大重復(fù)性偏差反行程的最大重復(fù)性偏差取較大者為xΔRmax1ΔRmax2y反映了傳感器的離散性。

傳感器的動(dòng)態(tài)特性是傳感器的輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。反映了傳感器輸出值真實(shí)再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。2）動(dòng)特性

測(cè)量交變信號(hào)時(shí)，傳感器在其所測(cè)頻率范圍內(nèi)，保持信號(hào)不失真的測(cè)量特性。

在信號(hào)的所測(cè)頻率范圍內(nèi)，要求傳感器的幅頻特性是平直的，而要求相頻特性是線性的或是不變的。第三節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理模擬信號(hào)的檢測(cè)傳感器測(cè)量電路放大器解調(diào)器濾波器轉(zhuǎn)換電路接口電路振蕩器1、基本測(cè)量電路把傳感器感應(yīng)到的非電量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量參數(shù)。(1)調(diào)頻電路當(dāng)被測(cè)信號(hào)為零時(shí)，△C=0，振蕩器有一個(gè)固有振蕩頻率f0當(dāng)被測(cè)信號(hào)不為零時(shí)，△c≠0，此時(shí)頻率為

具有較高的靈敏度，可測(cè)至0.01μm級(jí)位移變化量易于用數(shù)字儀器測(cè)量，并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)

(2)運(yùn)算放大器式電路

Cx是傳感器電容uC-Cx∑～u0C是固定電容u0是輸出電壓信號(hào)

由運(yùn)算放大器工作原理可知

結(jié)論：從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性u(píng)C-Cx∑～u0ADC(Analog/DigitalConverter)0809輸入通道輸出端基準(zhǔn)參考電壓輸出允許信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)時(shí)鐘信號(hào)輸入端地址線禁止端電源端接地端（1）基本結(jié)構(gòu)2、轉(zhuǎn)換電路（2）轉(zhuǎn)換過(guò)程CPU地址碼（A、B、C）ALE指令SC信號(hào)，開始轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)束鎖存EOC信號(hào)OE信號(hào)，讀取數(shù)據(jù)第四節(jié)檢測(cè)信號(hào)的預(yù)處理一、模擬信號(hào)的預(yù)處理1）模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式（1）單通道直接型特點(diǎn):

最簡(jiǎn)單的形式。只用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換及緩沖器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并輸入微機(jī)。受轉(zhuǎn)換電壓幅度與速度的限制，應(yīng)用范圍窄。(2)多通道一般型特點(diǎn):

依次對(duì)每個(gè)模擬通道進(jìn)行采樣保持和轉(zhuǎn)換，節(jié)省元、部件，速度低，不能獲得同一瞬時(shí)的各通道的模擬信號(hào)。(3)多通道同步型特點(diǎn):

各采樣/保持同時(shí)動(dòng)作，可測(cè)得在同一瞬時(shí)各傳感器輸出的模擬信號(hào)。(4)多通道并行輸入型特點(diǎn):

各通道直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，送入微機(jī)或信號(hào)通道。靈活性大，抗干擾能力強(qiáng)。根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)可采用采樣/保持或不同的ADC。2）多路模擬開關(guān)有選擇地切換各路輸入信號(hào)。譯碼器電平轉(zhuǎn)換電路INHCBA01234567I/O地址碼選中通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7地址編碼表3）模擬信號(hào)的采樣與保持采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字調(diào)節(jié)器D/A轉(zhuǎn)換器保持器y(t)y*(t)y(kT)u(kT)u*(t)u(t)y(t)y*(t)y(kT)00001000110111101111u(kT)01001001101001100010u*(t)u(t)(1)采樣：把模擬信號(hào)變成一系列不連續(xù)的脈沖時(shí)間序列的過(guò)程。y(t)ty*(t)ta)采樣過(guò)程y(t)y*(t)采樣開關(guān)b)采樣信號(hào)特征時(shí)間軸上離散，函數(shù)軸上連續(xù)，是一個(gè)離散的模擬信號(hào)。(2)保持：

采樣信號(hào)在進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換前，要在一定時(shí)間內(nèi)保持不變，從而為A/D轉(zhuǎn)換提供充分的時(shí)間，防止產(chǎn)生誤差。y*(t)t(3)采樣/保持電路二、數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理數(shù)字濾波（1）模擬電路uiuoRCi（2）頻率特性u(píng)iuoRCi傳遞函數(shù)令：則：幅頻特性ω0----截止頻率1ω0T（ω）ω0（3）算法是常微分方程，采用尤拉格式，以差商代替導(dǎo)數(shù)。即：如果在點(diǎn)xn列出方程y’(xn)=f(xn,y(xn))則用：代替y’(xn)有：yn=y(xn)=y(xn-1)+hf(x

n-1,y(x

n-1))

對(duì)于：令：X=ui,

Y=uo即：本次采樣值本次輸出值用代替有Δt----采樣周期Y（n-1）----上次輸出值令：則：濾波平滑系數(shù)截止頻率為：（4）程序流程圖開始確定Y(n-1)收集X(n)計(jì)算αX(n），暫存于Y(n)計(jì)算(1-α)Y(n-1),累加到Y(jié)(n)結(jié)束第五節(jié)傳感器非線性補(bǔ)償處理傳感器放大器A/D數(shù)字量非線性校正電路數(shù)字處理或顯示

在機(jī)電一體化測(cè)試系統(tǒng)中，當(dāng)對(duì)被測(cè)參量進(jìn)行顯示時(shí)，希望傳感器及檢測(cè)電路的輸出和輸入特性呈線性關(guān)系，使測(cè)量對(duì)象在整個(gè)刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。

當(dāng)檢測(cè)元件存在不同程度的非線性特性時(shí)，會(huì)使較大范圍的動(dòng)態(tài)檢測(cè)存在很大的誤差，因此需要對(duì)傳感器及測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行非線性補(bǔ)償。一、計(jì)算法

當(dāng)輸出信號(hào)與傳感器的參數(shù)之間有確定的數(shù)字表達(dá)式時(shí)采用的辦法。具體措施：

在軟件中編制一段完成數(shù)字表達(dá)式計(jì)算的程序，被測(cè)參數(shù)經(jīng)過(guò)采樣、濾波和標(biāo)定變換后直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后的數(shù)值即為經(jīng)過(guò)線性化處理的輸出參數(shù)。非線性補(bǔ)償可以采用硬件電路或使用軟件來(lái)完成。具體措施：

把事先經(jīng)計(jì)算或測(cè)得的數(shù)據(jù)按一定順序編成表格，編寫查表程序，根據(jù)被測(cè)參數(shù)的值或中間結(jié)果查出最終所需要的結(jié)果。特點(diǎn)：

程序簡(jiǎn)單、執(zhí)行速度快；占用內(nèi)存單元較多，表格的編制比較麻煩。二、查表法

當(dāng)測(cè)控參數(shù)的計(jì)算非常復(fù)雜時(shí)（如一些非線性參數(shù)），不能用一般的算術(shù)運(yùn)算求出，而需要涉及到指數(shù)、對(duì)數(shù)、三角函數(shù)、積分、微分等運(yùn)算，程序編寫比較復(fù)雜，有些甚至無(wú)法建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，采用非數(shù)值計(jì)算的方法。三、插值法1、插值原理xyx0y0x1y1xiyixyXi+1yi+1xnyny=f(x)不是簡(jiǎn)單的線性方程，因此當(dāng)已知某一輸入值以后，求輸出值比較困難。把曲線分段使問(wèn)題簡(jiǎn)化。

把相鄰兩分段點(diǎn)用直線連起來(lái)，用此直線代替相應(yīng)的各段曲線,即可求出輸入值x所對(duì)應(yīng)的輸出值y。xyx0y0x1y1xiyixyXi+1yi+1xnyn