傳感器檢測(cè)及其接口電路

第3章傳感器檢測(cè)及其接口電路3.1概述3.2位移檢測(cè)3.3速度、加速度檢測(cè)3.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測(cè)3.5傳感器前級(jí)信號(hào)處理3.6傳感器接口技術(shù)3.7傳感器非線性補(bǔ)償處理思考題3.1概述 3.1.1檢測(cè)系統(tǒng)的組成 (1)把各種非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào),這就是傳感器的功能,傳感器又稱為一次儀表。 (2)對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,并進(jìn)行放大、運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、記錄、指示、顯示等處理,這叫作電信號(hào)處理系統(tǒng),通常被稱為二次儀表。 非電量檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如圖3-1所示。

圖3-1非電量檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式 3.1.2傳感器的概念及基本特性 1.傳感器的構(gòu)成 傳感器一般由敏感元件、傳感元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成,如圖3-2所示。圖3-2傳感器的組成框圖 （1）敏感元件:是一種能夠?qū)⒈粶y(cè)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的物理量的預(yù)變換裝置,其輸入、輸出間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系（最好為線性）。如彈性敏感元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出。 （2）傳感元件：將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（如電阻、電感、電容等）形式。 （3）基本轉(zhuǎn)換電路：將電信號(hào)量轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量,如電壓、電流、頻率等。計(jì)數(shù)型（二次型+計(jì)數(shù)型）

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(kāi)關(guān)，接觸開(kāi)關(guān)，行程開(kāi)關(guān))

傳感器電阻型（電位器，電阻應(yīng)變片）非電量型二值型電量無(wú)接點(diǎn)型(光電開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān))模擬型數(shù)字型代碼型（旋轉(zhuǎn)編碼器，磁尺）2傳感器的靜態(tài)特性 （1）線性度。傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下,利用一定等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,對(duì)傳感器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測(cè)試,得到的輸入/輸出特性（列表或畫(huà)曲線）。通常希望這個(gè)特性（曲線）為線性,這對(duì)標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來(lái)方便。但實(shí)際的輸出與輸入特性只能接近線性,與理論直線有偏差,如圖3-3所示。圖3-3傳感器的線性度示意圖直線擬合方法a)理論擬合b)過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合c)端點(diǎn)連線擬合d)端點(diǎn)連線平移擬合設(shè)擬合直線方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘擬合法最小二乘法擬合y=kx+b若實(shí)際校準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)有n個(gè)，則第i個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上響應(yīng)值之間的殘差為最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值，即Δi=yi-(kxi+b)對(duì)k和b一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，求出a和k的表達(dá)式即得到k和b的表達(dá)式將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Lmax即為非線性誤差。 線性度可用下式計(jì)算： 式中：;

γL——線性度(非線性誤差)；

Δmax——最大非線性絕對(duì)誤差；

yFS——輸出滿度值。 （2）靈敏度。傳感器在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下,輸出變化對(duì)輸入變化的比值稱為靈敏度,用S0表示,即（3-1） 對(duì)于線性傳感器來(lái)說(shuō),它的靈敏度S0是個(gè)常數(shù)。 （3）遲滯。傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸出/輸入特性曲線的不重合程度稱為遲滯,遲滯誤差一般以滿量程輸出yFS的百分?jǐn)?shù)表示：

式中: ΔHm——輸出值在正、反行程間的最大差值。(3-2)(3-3) 遲滯特性一般由實(shí)驗(yàn)方法確定,如圖3-3所示。圖3-4遲滯特性 （4）重復(fù)特性。傳感器在同一條件下,被測(cè)輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測(cè)量時(shí),所得的輸出/輸入曲線不一致的程度,稱為重復(fù)特性,如圖3-5所示。重復(fù)特性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,即 式中:

ΔRm——最大重復(fù)性誤差。 重復(fù)特性也由實(shí)驗(yàn)方法確定,常用絕對(duì)誤差表示,如圖3-5所示。(3-4)圖3-5重復(fù)特性分辨力用絕對(duì)值表示,用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱為分辨率。在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。

5．分辨力與閾值分辨力是指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量。有些傳感器,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí),輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯”所代表的輸入量的大小。

6．穩(wěn)定性測(cè)試時(shí)先將傳感器輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，相隔4h、8h或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。它可用相對(duì)誤差表示,也可用絕對(duì)誤差表示。穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟陂L(zhǎng)時(shí)間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時(shí)稱為長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移。測(cè)試時(shí)先將傳感器置于一定溫度(如20℃),將其輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，使溫度上升或下降一定的度數(shù)(如5℃或10℃),再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。8．抗干擾穩(wěn)定性7．溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指?jìng)鞲衅髟谕饨鐪囟认螺敵隽堪l(fā)生的變化。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干℃的絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示,每℃引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。指?jìng)鞲衅鲗?duì)外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動(dòng)的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場(chǎng)干擾的能力等。評(píng)價(jià)這些能力比較復(fù)雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問(wèn)題具體分析。

9．靜態(tài)誤差取2σ和3σ值即為傳感器的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差也可用相對(duì)誤差來(lái)表示，即靜態(tài)誤差的求取方法如下：把全部輸出數(shù)據(jù)與擬合直線上對(duì)應(yīng)值的殘差,看成是隨機(jī)分布,求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差,即靜態(tài)誤差是指?jìng)鞲衅髟谄淙砍虄?nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論值的偏離程度。yi—各測(cè)試點(diǎn)的殘差；n一測(cè)試點(diǎn)數(shù)。

10、精確度與精確度有關(guān)指標(biāo)：精密度、準(zhǔn)確度和精確度(精度)準(zhǔn)確度：說(shuō)明傳感器輸出值與真值的偏離程度。如,某流量傳感器的準(zhǔn)確度為0.3m3/s，表示該傳感器的輸出值與真值偏離0.3m3/s。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志，準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小。同樣，準(zhǔn)確度高不一定精密度高。精密度：說(shuō)明測(cè)量傳感器輸出值的分散性，即對(duì)某一穩(wěn)定的被測(cè)量，由同一個(gè)測(cè)量者，用同一個(gè)傳感器，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量多次，其測(cè)量結(jié)果的分散程度。例如，某測(cè)溫傳感器的精密度為0.5℃。精密度是隨即誤差大小的標(biāo)志，精密度高，意味著隨機(jī)誤差小。注意：精密度高不一定準(zhǔn)確度高。精確度：是精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準(zhǔn)確度都比較高。在最簡(jiǎn)單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。機(jī)器的常以測(cè)量誤差的相對(duì)值表示。

（a）準(zhǔn)確度高而精密度低（b）準(zhǔn)確度低而精密度高（c）精確度高在測(cè)量中我們希望得到精確度高的結(jié)果。

動(dòng)態(tài)特性指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。被測(cè)量隨時(shí)間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其輸出量也將是時(shí)間的函數(shù)。通常研究動(dòng)態(tài)特性是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸入特性來(lái)考慮傳感器的響應(yīng)特性。標(biāo)準(zhǔn)輸入有三種：經(jīng)常使用的是前兩種。正弦變化的輸入階躍變化的輸入線性輸入3.傳感器的動(dòng)態(tài)特性 3.1.3信號(hào)傳輸與處理電路 傳感器信號(hào)處理電路內(nèi)容的選擇所要考慮的問(wèn)題主要包括： （1）傳感器輸出信號(hào)形式,如是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào),是電壓還是電流。 （2）傳感器輸出電路形式,是單端輸出還是差動(dòng)輸出。 （3）傳感器電路的輸出能力,是電壓還是功率,輸出阻抗的大小如何等。 （3）傳感器的特性,如線性度、信噪比、分辨率。

3.1.4傳感器的選用原則

快速、準(zhǔn)確、可靠、經(jīng)濟(jì)的獲取信號(hào)。傳感器的選擇所要考慮的問(wèn)題主要包括： 1）足夠的量程；2）與測(cè)量或控制系統(tǒng)匹配、轉(zhuǎn)換靈敏度高；3）精度適當(dāng)、穩(wěn)定性高；4）反應(yīng)速度快、工作可靠；5）實(shí)用性和適應(yīng)性強(qiáng)；6）使用經(jīng)濟(jì)；1、電子秤使用的測(cè)力裝置：力傳感器力傳感器的應(yīng)用——電子秤2、常見(jiàn)的一種力傳感器：金屬梁應(yīng)變片應(yīng)變片是一種敏感元件，多用半導(dǎo)體材料制成3、力傳感器的工作原理：金屬梁U2U1兩個(gè)應(yīng)變片的形變引起電阻變化，致使兩個(gè)應(yīng)變片的電壓差變化，力F越大，電壓差就越大。拉伸R1變大壓縮R2變小固定溫度傳感器的應(yīng)用——電熨斗1、電熨斗中的溫度傳感器對(duì)溫度的控制：1）達(dá)到設(shè)定溫度后將不再升溫；2）使用中溫度降低后自動(dòng)升溫到設(shè)定溫度；3）根據(jù)衣物不同設(shè)定不同的溫度。2、電熨斗中的傳感器：雙金屬片溫度傳感器3、電熨斗的結(jié)構(gòu)：上層金屬片的熱膨脹系數(shù)大于下層的金屬片。溫度傳感器的應(yīng)用——電飯鍋1、電飯鍋中的溫度傳感器：主要元件是感溫鐵氧體2、感溫鐵氧體是用氧化錳MnO2、氧化鋅ZnO和氧化鐵Fe2O3粉末混合燒結(jié)而成，特點(diǎn)是常溫下具有鐵磁性，能夠被磁體吸引；升溫后，約達(dá)103℃

(稱為居里溫度或居里點(diǎn))時(shí)，就會(huì)失去磁性，不能被磁體吸引。3、電飯鍋的結(jié)構(gòu)：光傳感器的應(yīng)用——火災(zāi)報(bào)警器1、天花板上的火災(zāi)報(bào)警器：是利用煙霧對(duì)光的散射來(lái)工作的2、如圖所示，帶孔的罩子內(nèi)裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管(特性：強(qiáng)光下電阻將變小)和不透明的擋板。平時(shí)，因擋板的作用，光電三極管收不到LED發(fā)出的光，電阻較大；當(dāng)有煙霧進(jìn)入罩內(nèi)，由于煙霧對(duì)光的散射，使部分光線照射到光電三極管上，導(dǎo)致其電阻變小。與之相連的電路檢測(cè)到這種變化，就會(huì)發(fā)出警報(bào)。加速度計(jì)如圖所示為一個(gè)加速度傳感器，質(zhì)量為m的滑塊2可以在光滑的框架1中平移，滑塊兩側(cè)用彈簧3拉著，R為滑動(dòng)變阻器，4是滑動(dòng)片，它與電阻器任一端間的電阻值都與它到這端的距離成正比，兩個(gè)電池E的電壓相同，電壓表指針的零點(diǎn)調(diào)在中央，當(dāng)P端的電勢(shì)高于Q端時(shí)，指針向零點(diǎn)右側(cè)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)物體具有圖示方向的加速度a時(shí)，電壓表的指針將向哪個(gè)方向偏轉(zhuǎn)？1、滑動(dòng)片4指在變阻器正中央時(shí)，P、Q等勢(shì)，電壓表指在中央零刻度；2、如圖滑動(dòng)片4向左端滑動(dòng)，左端電阻小，電流流過(guò)時(shí)電勢(shì)降落小，故Q點(diǎn)電勢(shì)高于P，電壓表指針向零點(diǎn)左側(cè)偏；且加速度越大，偏轉(zhuǎn)越大。機(jī)械式鼠標(biāo)器的工作原理鼠標(biāo)器移動(dòng)時(shí)，滾球運(yùn)動(dòng)通過(guò)滾軸帶動(dòng)兩個(gè)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，紅外接收管就收到斷續(xù)的紅外線脈沖，輸出相應(yīng)的電脈沖信號(hào).計(jì)算機(jī)分別統(tǒng)計(jì)x、y兩個(gè)方向的脈沖信號(hào)，處理后就使屏幕上的光標(biāo)產(chǎn)生相應(yīng)的位移。

在光電鼠標(biāo)內(nèi)部有一個(gè)發(fā)光二極管，通過(guò)該發(fā)光二極管發(fā)出的光線，照亮光電鼠標(biāo)底部表面（這就是為什么鼠標(biāo)底部總會(huì)發(fā)光的原因）；然后將光電鼠標(biāo)底部表面反射回的一部分光線，經(jīng)過(guò)一組光學(xué)透鏡（下圖），傳輸?shù)揭粋€(gè)光感應(yīng)器件（微成像器）內(nèi)成像。這樣，當(dāng)光電鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)軌跡便會(huì)被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像，最后利用光電鼠標(biāo)內(nèi)部的一塊專用圖像分析芯片（DSP，即數(shù)字微處理器）對(duì)移動(dòng)軌跡上攝取的一系列圖像進(jìn)行分析處理，通過(guò)對(duì)這些圖像上特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分析，來(lái)判斷鼠標(biāo)的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離，從而完成光標(biāo)的定位。 3.2.1模擬式位移傳感器3.2位移檢測(cè)1電容式位移傳感器以電容器為敏感元件，將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。電容傳感器的形式很多，常使用變極距式電容傳感器和變面積式電容傳感器進(jìn)行位移測(cè)量。

(1).變極距式電容傳感器

圖2是空氣介質(zhì)變極距式電容傳感器的工作原理圖。圖中一個(gè)電極板固定不變，稱為固定極板，另一極板間距離d響應(yīng)變化，從而引起電容量的變化。因此，只要測(cè)出電容量的變化量⊿C，便可測(cè)得極板間距變化量，即動(dòng)極板的位移量⊿d。

(1)變極距式電容傳感器變極距電容傳感器的初始電容Co可由下式表達(dá)，即

式中：ε——真空介電常數(shù)（8.85×10-12F/m）

A——極板面積（m2）

do——極板間距初始距離（m）

傳感器的這種變化關(guān)系呈非線性，如圖所示。

(1)變極距式電容傳感器(1)變極距式電容傳感器當(dāng)極板初始距離由do減少⊿d時(shí)，則電容量相應(yīng)增加⊿C，即

電容相對(duì)變化量⊿C/Co為

由于

，在實(shí)際使用時(shí)常采用近似線性處理，即

(1)變極距式電容傳感器

此時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)非線性誤差γo為

這種處理的結(jié)果，使得傳感器的相對(duì)非線性誤差增大，如圖4所式。(1)變極距式電容傳感器為改善這種情況，可采用差動(dòng)變極距式電容傳感器，這種傳感器的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。它有三個(gè)極板，其中兩個(gè)固定不動(dòng)，只有中間極板可產(chǎn)生移動(dòng)。當(dāng)中間活動(dòng)極板處于平衡位置時(shí)，即d1=d2=do，則C1=C2=Co，如果活動(dòng)極板向右移動(dòng)⊿d,則d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似線性處理方法，可得傳感器電容總的相對(duì)變化，為

傳感器的相對(duì)非線性誤差γo為

(1)變極距式電容傳感器(2)變面積式電容傳感器

圖6是變面積式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，它由兩個(gè)電極構(gòu)成，其中一個(gè)為固定極板，另一個(gè)為可動(dòng)極板，兩極板均成半圓形。假定極板間的介質(zhì)不變（即電介質(zhì)常數(shù)不變），當(dāng)兩極板完全重疊時(shí)，其電容量為

Co=⊿A/d

當(dāng)動(dòng)極板繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)α角時(shí)，兩極板的對(duì)應(yīng)面積要減小⊿A，則傳感器的電容量就要減小⊿C。如果我們把這種電容量的變化通過(guò)諧振電路或其它回路方法檢測(cè)出來(lái)，就實(shí)現(xiàn)了角位移轉(zhuǎn)換為電量的電測(cè)變換。

電容式位移傳感器的位移測(cè)量范圍在1um—10mm之間，變極距式電容傳感器的測(cè)量精度約為2%。變面積式電容傳感器的測(cè)量精度較高，其分辨率可達(dá)0.3um。 2.可變磁阻式電感傳感器 典型的可變磁阻式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-6所示,它主要由線圈、鐵心和活動(dòng)銜鐵組成。圖3-6可變磁阻式電感傳感器 當(dāng)線圈通以激磁電流時(shí),其自感L與磁路的總磁阻Rm有關(guān),即 （3-5） 式中: W——線圈匝數(shù)；

Rm——總磁阻。 如果空氣隙δ較小,而且不考慮磁路的損失,則總磁阻為（3-6） 式中:;

L——鐵心導(dǎo)磁長(zhǎng)度（m）；

μ——鐵心導(dǎo)磁率（H/m）；

A——鐵心導(dǎo)磁截面積（m2）,

A=a×b;

δ——空氣隙(m),δ=δ0+Δδ;

μ0——空氣磁導(dǎo)率（H／m）,μ0=2π×10-7;

A0——空氣隙導(dǎo)磁截面積（m2）。 由于鐵心的磁阻與空氣隙的磁阻相比是很小的,因此計(jì)算時(shí)鐵心的磁阻可以忽略不計(jì),故 （3-7） 將式(3-7)代入式(3-5),得（3-8） 式（3-8）表明,自感L與空氣隙δ的大小成反比,與空氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。當(dāng)A0固定不變而改變?chǔ)臅r(shí),L與δ成非線性關(guān)系,此時(shí)傳感器的靈敏度為 圖3-7為差動(dòng)型磁阻式傳感器,它由兩個(gè)相同的線圈、鐵心及活動(dòng)銜鐵組成。當(dāng)活動(dòng)銜鐵接于中間位置（位移為零）時(shí),兩線圈的自感L相等,輸出為零。當(dāng)銜鐵有位移Δδ時(shí),兩個(gè)線圈的間隙為δ0+Δδ,δ0-Δδ,這表明一個(gè)線圈的自感增加,而另一個(gè)線圈的自感減小。（3-9）圖3-7可變磁阻差動(dòng)式傳感器圖3-8可變磁阻面積型電感傳感器 如圖3-9所示,在可變磁阻螺管線圈中插入一個(gè)活動(dòng)銜鐵,當(dāng)活動(dòng)銜鐵在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí),磁阻將變化,導(dǎo)致自感L的變化。圖3-9可變磁阻螺管型傳感器 3.渦流式傳感器 渦流式傳感器的變換原理,是金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)。如圖3-10所示,金屬板置于一只線圈的附近,它們之間相互的間距為δ。 （1）高頻反射式渦流傳感器。如圖3-10所示,高頻(>1MHz)激勵(lì)電流i0產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于金屬板的表面,由于集膚效應(yīng),在金屬板表面將形成渦電流。圖3-10高頻反射式渦流傳感器 （2）低頻透射式渦流傳感器。低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖3-11所示。圖3-11低頻透射式渦流傳感器（a）原理圖；（b）曲線圖 4.互感型差動(dòng)變壓器式電感傳感器 差動(dòng)變壓器式電感傳感器是常用的互感型傳感器,其結(jié)構(gòu)形式有多種,以螺管型應(yīng)用較為普遍,其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖3-12（a）、（b）所示。圖3-12差動(dòng)變壓器式電感傳感器（a）、（b）工作原理;（c）輸出特性 圖3-13是用于小位移的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理。圖3-13差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理 圖3-13是電感測(cè)微儀所用的螺旋差動(dòng)型位移傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖3-13螺旋差動(dòng)型傳感器的結(jié)構(gòu)圖 3.2.2數(shù)字式位移傳感器 光柵由標(biāo)尺光柵和指示光柵組成,兩者的光刻密度相同,但體長(zhǎng)相差很多,其結(jié)構(gòu)如圖3-15所示。 它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列的,如圖3-16所示。圖3-15光柵測(cè)量原理圖3-16莫爾條紋示意 光柵莫爾條紋的特點(diǎn)是起放大作用,用W表示條紋寬度,P表示柵距,θ表示光柵條紋間的夾角,則有 若P＝0.01mm,把莫爾條紋的寬度調(diào)成10mm,則放大倍數(shù)相當(dāng)于1000倍,即利用光的干涉現(xiàn)象把光柵間距放大1000倍,因而大大減輕了電子線路的負(fù)擔(dān)。 光柵測(cè)量系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖3-17所示。(3-10)圖3-17光柵測(cè)量系統(tǒng)圖3-18感應(yīng)同步器原理圖滑尺表面刻有兩個(gè)繞組,即正弦繞組和余弦繞組,見(jiàn)圖3-18。

圓盤式感應(yīng)同步器如圖3-19所示,其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的滑尺,定子相當(dāng)于定尺,而且定子繞組中的兩個(gè)繞組也錯(cuò)開(kāi)1/3節(jié)距。圖3-19圓盤式感應(yīng)同步器（a）定子；（b）轉(zhuǎn)子 （1）鑒相式。所謂鑒相式,就是根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)的相位來(lái)鑒別位移量。 即uA=Umsinωt,uB=Umcosωt時(shí),則定尺上的繞組由于電磁感應(yīng)作用將產(chǎn)生與激磁電壓同頻率的交變感應(yīng)電勢(shì)。圖3-20說(shuō)明了感應(yīng)電勢(shì)幅值與定尺和滑尺相對(duì)位置的關(guān)系。

圖3-20滑尺繞組位置與定尺感應(yīng)電勢(shì)幅值的變化關(guān)系 滑尺在定尺上每滑動(dòng)一個(gè)節(jié)距,定尺繞組感應(yīng)電勢(shì)就變化了一個(gè)周期,即

eA=Ku

–Acosθ（3-11） 式中:;

K——滑尺和定尺的電磁耦合系數(shù)；

θ——滑尺和定尺相對(duì)位移的折算角。 若繞組的節(jié)距為W,相對(duì)位移為l,則 （3-12）

同樣,當(dāng)僅對(duì)正弦繞組B施加交流激磁電壓UB時(shí),定尺繞組感應(yīng)電勢(shì)為

e

B=-Ku

Bsinθ （3-13） 對(duì)滑尺上兩個(gè)繞組同時(shí)加激磁電壓,則定尺繞組上所感應(yīng)的總電勢(shì)為 e=e

A+eB=KuA

cosθ-KuBsinθ =KUmsinωtcosω-KU

m

cosωtsinω =KUmsin(ωt-θ) （3-13） 從上式可以看出,感應(yīng)同步器把滑尺相對(duì)定尺的位移l的變化轉(zhuǎn)成感應(yīng)電勢(shì)相角θ的變化。因此,只要測(cè)得相角θ,就可以知道滑尺的相對(duì)位移l： （3-15） （2）鑒幅式。在滑尺的兩個(gè)繞組上施加頻率和相位均相同,但幅值不同的交流激磁電壓uA和uB。

uA=Umsinθ-1sinωt（3-16）

uB=Umcosθ-1sinωt（3-17） 式中:θ1——指令位移角。 設(shè)此時(shí)滑尺繞組與定尺繞組的相對(duì)位移角為θ,則定尺繞組上的感應(yīng)電勢(shì)為

e=KuAcosθ-KuBsinθ=KUm(sinθ-1cosθ-cosθ-1sinθ)sinωt=KUmsin(θ1-θ)sinωt（3-18）3.3速度、加速度檢測(cè) 3.3.1直流測(cè)速機(jī)速度檢測(cè) 圖3-21所示為永磁式測(cè)速機(jī)的原理圖。圖3-21永磁式測(cè)速機(jī)的原理圖 直流測(cè)速機(jī)的輸出特性曲線如圖3-22所示。圖3-22直流測(cè)速機(jī)的輸出特性 3.3.2光電式轉(zhuǎn)速傳感器 光電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種角位移傳感器,由裝在被測(cè)軸(或與被測(cè)軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件和指示縫隙盤組成,如圖3-23所示。圖3-23光電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 根據(jù)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)N,則可測(cè)出轉(zhuǎn)速為 （3-19） 式中:

Z——圓盤上的縫隙數(shù)；

n——轉(zhuǎn)速(r／min)；

t——測(cè)量時(shí)間(s)。 一般取Z=60×10m(m＝0,1,2,…)。利用兩組縫隙間距W相同,位置相差（i／2+1／4）W（i＝0,1,2,…）的指示縫隙和兩個(gè)光電器件,就可辨別出圓盤的旋轉(zhuǎn)方向。應(yīng)變式傳感器加速度測(cè)試原理如圖3-24所示,它通過(guò)測(cè)試慣性力引起彈性敏感元件的變形換算出力的關(guān)系。

圖3-24應(yīng)變式加速度傳感器圖3-25晶體的壓電原理1.壓電效應(yīng)及壓電材料 圖3-25表示晶體切片在z軸和y軸方向受壓力和拉力時(shí)電荷產(chǎn)生方向的情況。 2.壓電傳感器的結(jié)構(gòu)及特性 壓電傳感器一般由兩片或多片壓電晶體粘合而成,由于壓電晶片有電荷極性,因此接法上分成并聯(lián)和串聯(lián)兩種（如圖3-26所示)。圖3-26壓電傳感器的并聯(lián)、串聯(lián)示意圖(a)并聯(lián)；(b)串聯(lián) 3.壓電傳感器的應(yīng)用 壓電加速度測(cè)試傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-27所示。圖3-27壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)3.3力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測(cè) 3.3.1力、力矩檢測(cè) 1.柱形或筒形彈性元件 如圖3-28所示,這種彈性元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可承受較大的載荷,常用于測(cè)量較大力的拉（壓）力傳感器中,但其抗偏心載荷和測(cè)向力的能力差,制成的傳感器高度大。應(yīng)變片在柱形和筒形彈性元件上的粘貼位置及接橋方法如圖3-28所示。圖3-28柱形和筒形彈性元件組成的測(cè)力傳感器 若在彈性元件上施加一壓力p,則筒形彈性元件的軸向應(yīng)變?chǔ)臠為 用電阻應(yīng)變儀測(cè)出的指示應(yīng)變?yōu)?/p>

ε=2(1+μ)εL（3-21） 式中:;

p——作用于彈性元件上的載荷；

E——圓筒材料的彈性模量；

μ——圓筒材料的泊松系數(shù)；

A——筒體截面積,A=π(D1-D2)+2／3。其中,D1為筒體外徑,D2為筒體內(nèi)徑。(3-20) 2.梁式彈性元件 （1）懸臂梁式彈性元件。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易加工,粘貼應(yīng)變片方便,靈敏度較高,適用于測(cè)量小載荷的傳感器。圖3-29所示為一截面懸臂梁彈性元件,在其同一截面正反兩面粘貼應(yīng)變片，組成差動(dòng)工作形式的電橋輸出。圖3-29懸臂梁式測(cè)力傳感器示意圖 若梁的自由端有一被測(cè)力p,則應(yīng)變片感受的應(yīng)變?yōu)? 電橋輸出為

USC=KεU

0（3-23） 式中:;

l——應(yīng)變計(jì)中心處距受力點(diǎn)距離；

b——懸臂梁寬度；

h——懸臂梁厚度；

E——懸臂梁材料的彈性模量；

K——應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)。(3-22) （2）兩端固定梁。這種彈性元件的結(jié)構(gòu)形狀、參數(shù)以及應(yīng)變片粘貼組成橋的形式如圖3-30所示。它的懸臂梁剛度大,抗側(cè)向能力強(qiáng)。粘貼應(yīng)變片感受應(yīng)變與被測(cè)力p之間的關(guān)系為

（3-23）

它的電橋輸出與式（3-23）相同。圖3-30兩端固定式測(cè)力傳感器示意圖 （3）梁式剪切彈性元件。 與梁式彈性元件相比,它的線性好、抗偏心載荷和側(cè)向力的能力大,其結(jié)構(gòu)和粘貼應(yīng)變片的位置如圖3-31所示。圖3-31梁式剪切型測(cè)力傳感器示意圖 粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變與被測(cè)力p之間的關(guān)系近似為 （3-25） 式中:G為彈性元件的剪切模量；b和h為粘貼應(yīng)變片處梁截面的寬度和高度。 3.扭矩測(cè)量圖3-32所示為電阻應(yīng)變轉(zhuǎn)矩傳感器。它的彈性元件是一個(gè)與被測(cè)轉(zhuǎn)矩的軸相連的轉(zhuǎn)軸,轉(zhuǎn)軸上貼有與軸線成35°的應(yīng)變片,應(yīng)變片兩兩相互垂直,并接成全橋工作的電路方式。應(yīng)變片感受的應(yīng)變與被測(cè)試件的扭矩MT的關(guān)系如下式：圖3-32轉(zhuǎn)矩傳感器示意圖

MT=2GWT（3-26） 式中:G=E/2（1+μ）為剪切彈性量；WT為抗扭截面模量,實(shí)心圓軸的WT=πD+3/16,空心圓軸的WT=πD3(1-α+3)/16,α=d/D,d為空心圓柱內(nèi)徑,D為外徑。 3.3.2流體壓強(qiáng)傳感器 1.膜式壓力傳感器 它的彈性元件為四周固定的等截面圓形薄板,又稱平膜板或膜片。其一表面承受被測(cè)分布?jí)毫?另一側(cè)面貼有應(yīng)變片。應(yīng)變片接成橋路輸出,如圖3-33所示。圖3-33膜式壓力傳感器 膜片上粘貼應(yīng)變片處的徑向應(yīng)變?chǔ)舝和切向應(yīng)變?chǔ)舤與被測(cè)力p之間的關(guān)系為 式中:;

x——應(yīng)變計(jì)中心與膜片中心的距離；

h——膜片厚度；

r——膜片半徑；

E——膜片材料的彈性模量；

μ——膜片材料的泊松比。（3-27）（3-28） 為保證膜式傳感器的線性度小于3％,在一定壓力作用下,要求

2.筒式壓力傳感器 如圖3-33所示,工作應(yīng)變片R1、R3沿圓周方向貼在筒壁上,溫度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)R2、R3貼在筒底壁上,并接成全橋線路。這種傳感器適用于測(cè)量較大壓力。對(duì)于薄壁圓筒(壁厚與臂的中面曲率半徑之比<1／20),筒壁上工作應(yīng)變計(jì)處的切向應(yīng)變與被測(cè)壓力p的關(guān)系,可用下式求得：(3-29)圖3-33筒式壓力傳感器

對(duì)于厚壁圓筒（壁厚與中面曲率半徑之比大于1／20）,則有 （3-31） 式中:;

D1——圓筒內(nèi)孔直徑；

D2——圓筒的外壁直徑；

E——圓筒材料的彈性模量；

μ——圓筒材料的泊松系數(shù)。（3-30）3.4位置傳感器

3.4.1接觸式位置傳感器

1.由微動(dòng)開(kāi)關(guān)制成的位置傳感器

2.二維矩陣式配置的位置傳感器

3.4.2接近式位置傳感器

接近式位置傳感器按其工作原理主要分：電磁式、光電式、靜電容式，氣壓式和超聲波式。其基本工作原理可用圖表示出來(lái)

1.電磁式傳感器高頻振蕩電路在檢測(cè)部分有檢測(cè)線圈，檢測(cè)對(duì)象為金屬體。當(dāng)開(kāi)關(guān)接近金屬體時(shí)，檢測(cè)線圈的電感量發(fā)生變化，使振蕩回路停振，檢測(cè)出這一停振變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)。高頻振蕩電路金屬體檢波電路波形整形電路輸出電路

2.電容式傳感器

電容式接近開(kāi)關(guān)在檢測(cè)部分采用導(dǎo)體電極，當(dāng)電極與被測(cè)物一接近，檢測(cè)部分的導(dǎo)體電極與被測(cè)對(duì)象之間產(chǎn)生靜電電容變化。利用這一現(xiàn)象制成電容式接近開(kāi)關(guān)，檢測(cè)出這一電容量的變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)。檢測(cè)物體高頻震蕩電路檢波電路整形電路輸出電路電極板(檢測(cè)頭) 3.光電式傳感器

3.5傳感器前級(jí)信號(hào)處理 3.5.1測(cè)量放大器 圖3-35為三個(gè)運(yùn)放組成的測(cè)量放大器,差動(dòng)輸入端U1和U2分別是兩個(gè)運(yùn)算放大器(A1、A2)的同相輸入端,因此輸入阻抗很高。采用對(duì)稱電路結(jié)構(gòu),而且被測(cè)信號(hào)直接加入到輸入端上,從而保證了較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。A3實(shí)際上是一差動(dòng)跟隨器,其增益近似為1。測(cè)量放大器的放大倍數(shù)由下式確定：

如果圖3-35中左邊兩個(gè)運(yùn)放采用7650,這將是非常優(yōu)質(zhì)的放大。(3-32)(3-33)圖3-35測(cè)量放大器原理圖 AD522主要可用于惡劣環(huán)境下要求進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合。由于AD522具有低電壓漂移(2μV/℃)、低非線性(0.005％，增益為100時(shí))、高共模抑制比(>110dB,增益為1000時(shí))、低噪聲(1.5V（P-P）,0.1～100Hz)、低失調(diào)電壓(100V)等特點(diǎn),因而可用于許多12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。圖3-36為AD522的典型接法。圖3-36AD522的外圍電路 利用數(shù)據(jù)防護(hù)端可以克服上述影響（如圖3-37所示）。對(duì)于無(wú)此端子的儀器用放大器,如AD523、AD623等,可在RG2(如圖3-30所示)端取得共模電壓,再用一運(yùn)放作為它的輸出緩沖屏蔽驅(qū)動(dòng)器。運(yùn)放應(yīng)選用具有較低偏流的場(chǎng)效應(yīng)管運(yùn)放,以減少偏流流經(jīng)增益電阻時(shí)對(duì)增益產(chǎn)生的誤差。

圖3-37AD522的典型應(yīng)用 3.5.2程控增益放大器 圖3-38即為一利用改變反饋電阻的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)量程變換的可變換增益放大器電路。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合,S2和S3斷開(kāi)時(shí),放大倍數(shù)為 （3-33） 而當(dāng)S2閉合,而其余兩個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí),其放大倍數(shù)為 （3-35） 選擇不同的開(kāi)關(guān)閉合,即可實(shí)現(xiàn)增益的變換。如果利用軟件對(duì)開(kāi)關(guān)閉合情況進(jìn)行選擇,即可實(shí)現(xiàn)程控增益變換。圖3-38程控增益放大器原理圖 圖3-39為AD521測(cè)量放大器與模擬開(kāi)關(guān)結(jié)合組成的程控增益放大器,通過(guò)改變其外接電阻R的辦法可實(shí)現(xiàn)增益控制。圖3-39由AD521和模擬開(kāi)關(guān)構(gòu)成的程控增益放大器 圖3-30為AD523的結(jié)構(gòu)原理圖,其特點(diǎn)是具有低失調(diào)電壓（50mV）,低失調(diào)電壓漂移（0.5μV/℃）,低噪聲(0.3μV（P-P）,0.1～10Hz),低非線性（0.003％,增益為1時(shí)）,高共模抑制比（120dB,增益為1000時(shí),增益帶寬為25MHz),具有輸入保護(hù)等。從其結(jié)構(gòu)圖可知,對(duì)于1,10,100和1000倍的整數(shù)倍增益,無(wú)需外接電阻,在具體使用時(shí)只需一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的控制即可達(dá)到目的；對(duì)于其他倍數(shù)的增益控制,也可用外接增益調(diào)節(jié)電阻的方法來(lái)實(shí)現(xiàn),同樣也可用改變反饋電阻與D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)合、甚至改變其參考端電壓的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)程控增益。圖3-30AD523原理圖 3.5.3隔離放大器 由于隔離放大器采用了浮離式設(shè)計(jì),消除了輸入、輸出端之間的耦合,因此還具有以下特點(diǎn)： （1）能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害,防止高壓對(duì)低壓信號(hào)系統(tǒng)的損壞。 （2）泄漏電流低,對(duì)于測(cè)量放大器的輸入端無(wú)須提供偏流返回通路。 （3）共模抑制比高,能對(duì)直流和低頻信號(hào)(電壓或電流)進(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測(cè)量。

圖3-31為283型隔離放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。為提高微電流和低頻信號(hào)的測(cè)量精度,減小漂移,其電路采用調(diào)制式放大,其內(nèi)部分為輸入、輸出和電源三個(gè)彼此相互隔離的部分,并由低泄漏高頻載波變壓器耦合在一起。通過(guò)變壓器的耦合,將電源電壓送入輸入電路并將信號(hào)從輸出電路送出。輸入部分包括雙極型前置放大器、調(diào)制器；輸出部分包括解調(diào)器和濾波器,一般在濾波器后還有緩沖放大器。圖3-31283型隔離放大器的電路結(jié)構(gòu)圖3.6傳感器接口技術(shù) 3.6.1傳感器信號(hào)的采樣/保持 在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)變換時(shí),從啟動(dòng)變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出,需要一定的時(shí)間,即A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間。當(dāng)輸入信號(hào)頻率提高時(shí),由于孔徑時(shí)間的存在,會(huì)造成較大的轉(zhuǎn)換誤差。要防止這種誤差的產(chǎn)生,必須在A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)將信號(hào)電平保持住,而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化,即對(duì)輸入信號(hào)處于采樣狀態(tài)。能完成這種功能的器件叫采樣/保持器。從上面的分析也可知,采樣/保持器在保持階段相當(dāng)于一個(gè)“模擬信號(hào)存儲(chǔ)器”。在模擬量輸出通道,為使輸出得到一個(gè)平滑的模擬信號(hào),或?qū)Χ嗤ǖ肋M(jìn)行分時(shí)控制時(shí),也常使用采樣/保持器。 1.采樣/保持器的原理 采樣/保持器由存儲(chǔ)電容C,模擬開(kāi)關(guān)S等組成,如圖3-42所示。圖3-42采樣/保持原理 2.集成采樣/保持器

集成采樣／保持器的特點(diǎn)是： （1）采樣速度快、精度高,一般在2~2.5s內(nèi)即可達(dá)到±0.01％～±0.003％的精度。 （2）下降速率慢,如AD585,AD338為0.5mV／ms,AD389為0.1V／ms。 正因?yàn)榧刹蓸樱３制饔性S多優(yōu)點(diǎn),因此得到了極為廣泛的應(yīng)用。下面以LF398為例,介紹集成采樣／保持器的原理。圖3-43為L(zhǎng)F398的原理圖。由圖可知,其內(nèi)部由輸入緩沖級(jí)、輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)和控制電路三部分組成。圖3-33LF398的原理圖 主要技術(shù)指標(biāo)有： （1）工作電壓：±5～±18V。 （2）采樣時(shí)間：≤10μs。 （3）可與TTL、PMOS、CMOS兼容。 （3）當(dāng)保持電容為0.01μF時(shí),典型保持步長(zhǎng)為0.5mV （5）低輸入漂移,保持狀態(tài)下輸入特性不變。 （6）在采樣或保持狀態(tài)時(shí)高電源抑制。

圖3-43為L(zhǎng)F398的外引腳圖,圖3-45為其典型應(yīng)用圖。在有些情況下,還可采取兩級(jí)采樣保持串聯(lián)的方法,選用不同的保持電容,使前一級(jí)具有較高的采樣速度而使后一級(jí)保持電壓下降速率慢,兩級(jí)結(jié)合構(gòu)成一個(gè)采樣速度快而下降速度慢的高精度采樣／保持電路,此時(shí)的采樣總時(shí)間為兩個(gè)采樣／保持電路時(shí)間之和。圖3-43LF398的外引腳圖圖3-45LF398的典型應(yīng)用圖 3.6.2多通道模擬信號(hào)輸入 1.常用多路模擬開(kāi)關(guān)集成電路 1）單端8通道 AD7501是單片集成的CMOS8選1多路模擬開(kāi)關(guān),每次只選中8個(gè)輸入端的一路與公共端接通,選通通道是根據(jù)輸入地址編碼而得到的。所有數(shù)字量輸入均可用TTL或CMOS電路。圖3-46為AD7501的外引腳圖和原理圖。 圖3-46AD7501的外引腳原理圖。 AD7501的主要參數(shù)有： (1)導(dǎo)通電阻Ron的典型值為170（-10V≤VS≤10V）,導(dǎo)通電阻溫漂為0.5％／℃,路間偏差為3％。 (2)輸入電容：3pF。 (3)開(kāi)關(guān)時(shí)間：ton=0.8μs,toff=0.8μs。 (3)極限電源電壓：UDD＝+17V,USS＝-17V。 2）單端16通道 AD7506為單端16選1多路模擬開(kāi)關(guān),圖3-37為AD7506的外引腳圖和原理圖。圖3-47AD7506的外引腳圖和原理圖 (1)導(dǎo)通電阻Ron＝300。導(dǎo)通電阻溫漂為0.5％／℃,路間偏差為3％。 (2)開(kāi)關(guān)時(shí)間：ton=0.8μs,toff=0.8μs。 (3)極限電源電壓：UDD＝＋17V,USS＝-17V。 3）差動(dòng)3通道 AD7502是差動(dòng)3通道多路模擬開(kāi)關(guān),其主要特性與AD7501的基本相同,但在同選通地址情況下有兩路同時(shí)選通。其外引腳和原理圖如圖3-38所示。圖3-38AD7502的外引腳圖和原理圖 2.多路模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)用舉例 在許多機(jī)電一體化產(chǎn)品中,都需要用到多路模擬量輸入情況,此時(shí)可采用多路模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3-39為利用AD7501組成的8路模擬量輸入通道。對(duì)于16路輸入情況,可使用兩片AD7501組合而成,見(jiàn)圖3-50。圖3-39AD75018路輸入圖3-50兩片AD7501組成16路輸入 3.多路開(kāi)關(guān)選用時(shí)的注意事項(xiàng) （1）對(duì)于傳輸信號(hào)電平較低的場(chǎng)合,可選用低壓型多路模擬開(kāi)關(guān),這時(shí)必須在電路中有嚴(yán)格的抗干擾措施,一般情況下選用常用的高壓型。 （2）對(duì)于要求傳輸精度高而信號(hào)變化慢的場(chǎng)合,如利用鉑電阻測(cè)量緩變溫度場(chǎng),就可選用機(jī)械觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)。但在輸入通道較多的場(chǎng)合,應(yīng)考慮其體積問(wèn)題。 （3）在切換速度要求高、路數(shù)多的情況下,宜選用多路模擬開(kāi)關(guān)。在選用時(shí)應(yīng)盡可能根據(jù)通道量選取單片模擬開(kāi)關(guān)集成電路,因?yàn)樵谶@種情況下每路特性參數(shù)可基本一致；在使用多片組合時(shí),也宜選用同一型號(hào)的芯片以盡可能使每個(gè)通道的特性一致。 （3）在選擇多路模擬開(kāi)關(guān)的速度時(shí),要考慮到其后級(jí)采樣保持電路和A／D的速度,只需略大于它們的速度即可,不必一味追求高速。 （5）在使用高精度采樣/保持A／D進(jìn)行精密數(shù)據(jù)采集和測(cè)量時(shí),需考慮模擬開(kāi)關(guān)的傳輸精度問(wèn)題,尤其需注意模擬開(kāi)關(guān)漂移特性。因?yàn)槿绻阅芊€(wěn)定,即使開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻較大,也可采取補(bǔ)償措施來(lái)消除影響；但如果阻值和漏電流等漂移很大,將會(huì)大大影響測(cè)量精度。3.7傳感器非線性補(bǔ)償處理 在完成了非線性參數(shù)的線性化處理以后,要進(jìn)行工程量轉(zhuǎn)換,即標(biāo)度變換,才能顯示或打印帶物理單位(如℃)的數(shù)值,其框圖如圖3-51。圖3-51數(shù)字量非線性校正框圖 下面介紹非線性軟件處理方法。 用軟件進(jìn)行“線性化”處理的方法有三種： 1.計(jì)算法 2.查表法 程序流程圖,如圖3-52所示。圖3-52順序查表法程序流程圖 3.插值法 1）插值原理 設(shè)某傳感器的輸出特性曲線（例如電阻—溫度特性曲線）如圖3-53所示。圖3-53分段先行插值原理 設(shè)x在（xi,xi+1）之間,則其對(duì)應(yīng)的逼近值為

（3-36） 將上式進(jìn)行化簡(jiǎn),可得

y=y

i+ki(x-xi)（3-37） 或

y=yi0+k

ix（3-38） 其中,yi0=yi-k

ixi為第i段直線的斜率。 式（3-37）是點(diǎn)斜式直線方程,而式（3-38）為截矩式直線方程。上兩式中,只要n取得足夠大,即可獲得良好的精度。 2）插值法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 下邊以點(diǎn)斜式直線方程（3-37）為例,講一下用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)線性插值的方法。 第一步,用實(shí)驗(yàn)法測(cè)出傳感器的變化曲線y=f（x）。 第二步,將上述曲線進(jìn)行分段,選取各插值基點(diǎn)。 第三步,確定并計(jì)算出各插值點(diǎn)的xi、yi值及兩相鄰插值點(diǎn)間的擬合直線的斜率ki,并存放在存儲(chǔ)器中。 第四步,計(jì)算x-xi。 第五步,找出x所在的區(qū)域（xi,xi+1）,并取出該段的斜率ki。 第六步,計(jì)算ki(x-xi)。 第七步,計(jì)算結(jié)果y=yi+ki（x-xi）。 程序框圖見(jiàn)圖3-53。圖3-53先行插值計(jì)算程序流程圖3.8傳感器輸出信號(hào)的數(shù)字濾波

在機(jī)電一體化測(cè)控系統(tǒng)的輸入信號(hào)中，一般都含有各種干擾信號(hào)，它們主要來(lái)自被測(cè)信號(hào)本身、傳感器或者外界的干擾。為了提高信號(hào)的可靠性，減小虛假信息的影響，可采用軟件方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。

數(shù)字濾波就是通過(guò)一定算法程序的計(jì)算或判斷來(lái)剔除或減少干擾信號(hào)成分，提高信噪比。它與硬件濾波器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)數(shù)字濾波是用軟件程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加任何硬件設(shè)備，也不存在阻抗匹配問(wèn)題，可以多個(gè)通道共用，不但節(jié)約投資，還可提高可靠性、穩(wěn)定性。(2)可以對(duì)頻率很低的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，而模擬RC濾波器由于受電容容量的限制,頻率不可能太低。(3)靈活性好，可以用不同的濾波程序?qū)崿F(xiàn)不同的濾波方法，或改變?yōu)V波器的參數(shù)。正因?yàn)橛密浖?shí)現(xiàn)數(shù)字濾波具有上述特點(diǎn)，所以在機(jī)電一體化測(cè)控系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字濾波的方法有很多種，可以根據(jù)不同的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行選擇。下面介紹幾種常用的數(shù)字濾波方法及程序。3.8.1算術(shù)平均值法

式中:xi——第i次采樣值；Y——數(shù)字濾波的輸出；N——采樣次數(shù)。N的選取應(yīng)按具體情況決定。若N大，則平滑度高，靈敏度低，但計(jì)算量較大。一般而言，對(duì)于流量信號(hào)，推薦取N＝12；壓力信號(hào)取N=4。3.8.2中值濾波法

所謂“中值濾波法”，就是對(duì)某一個(gè)被測(cè)量連續(xù)采樣n次(一般取奇數(shù))，然后把n個(gè)采樣值從小到大(或從達(dá)到小)排序，再取中間值作為本次采樣的結(jié)果。X1<X2<X3<X4<X5，取X3中值濾波能有效地濾去由于偶然因素引起的波動(dòng)(脈沖)或采樣器的不穩(wěn)定造成的誤碼等引起的脈沖干擾。對(duì)緩慢變化的過(guò)程變過(guò)采用中值濾波有效果。中值濾波不宜用于快速變化的過(guò)程參數(shù)。3.8.3防脈沖干擾復(fù)合濾波法

將算術(shù)平均值法和中值濾波法結(jié)合起來(lái)，便可得到防脈沖干擾平均值法。它是先用中值濾波原理濾除由于脈外干擾引起誤差的采樣值，然后把剩下的采樣值進(jìn)行算術(shù)平均。

3.9智能傳感器3.9.1智能傳感器的概念

智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器(或微計(jì)算機(jī))相結(jié)合而構(gòu)成的,它充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力,對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并能對(duì)它的內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié),使采集的數(shù)據(jù)最佳。3.9.2智能傳感器的功能與特點(diǎn)智能傳感器的功能概括起來(lái)主要有以下7個(gè)；自補(bǔ)償能力:通過(guò)軟件對(duì)傳感器的非線性、溫度漂移、時(shí)間漂移、響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。(2)自校準(zhǔn)功能:操作者輸入零值或某一標(biāo)準(zhǔn)量值后,自校準(zhǔn)軟件可以自動(dòng)地對(duì)傳感器進(jìn)行在線校準(zhǔn)。(3)自診斷功能:接通電源后,可對(duì)傳感器進(jìn)行自檢,檢查傳