第二章 检测系统设计 机电一体化一体化系统检测系统实质：机电一体化一体化系统检测系统实质： 非电量非电量 电量电量显示显示 2.1 传感器的定义 定义：是一种以一定的精确度将被测量（如 位移、力、加速度等）转换为与之能确定对 应关系的，易于精确处理和测量的某种物理 量（如电量）的测量部件或装置。 2.2 传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件和基本 转换电路三部分组成 转换元件基本转换电路被测量 被测量电量 两个功能： 敏感作用（被测对象 信号拾取） 变换作用（被测非电量 电量输出） v敏感元件：直接感受被测量，并以确定关 系输出某一物理量，如弹性敏感元件将力 转换为位移或应变输出，光敏、热敏、气 敏、湿敏、温敏、磁敏等 v转换元件：将敏感元件输出的非电物理量 （如位移、应变、光强等）转换成电参数 （如电阻、电感、电容等） v基本转换电路：将电路参数量转换成便与 测量的电量，如电压、电流、频率等 vv 传感器的功能及分类传感器的功能及分类 按工作原理不同分类按工作原理不同分类 按输出信号性质分类 压阻式液位 传感器 光敏传感器温度传感器 压力传感器 液位传感器 电阻 式远 传压 力表 感应式 流量表 称重 传感器 CCD 传感 器 风力参数 传感器 地震检波器 反射式光 敏传感器 磁、气、力 敏传感器 超声 传感器 测量条件测量条件 测量的目的；测定量的选定；测量的范围；输入信号的带宽；要求的精 度；测量所需时间等 传感器的性能传感器的性能 传感器的使用条件传感器的使用条件 精度；响应速度；稳定性；模拟还是数字信号；输出量及电平；被测对 象特征的影响；校准周期；过载输入保护等 放置的场所；环境（温度、湿度、振动）；测量的时间（寿命周期）； 传输距离；与设备连接方式；供电电源；价格 vv 传感器的选用传感器的选用 传感器千差万别，测量同一种测定量，可以采用不同工作原理的传感器 ，注意以下几个方面： 2.3 传感器的基本特性 v1. 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态 下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静 态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞 和重复性等。 二、传感器的基本特性 v(1)、线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出输入 特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度 值之比，即 几种直线拟合方法 (a) 理论拟合 (b) 过零旋转拟合 (c) 端点连线拟合 (d) 端点平移拟合 即使是同类传感器, 拟合直线不同, 其线性度也是不同的 。 选取拟合直线的方法很多, 用最小二乘法求取的拟合直线 的拟合精度最高。 拟合直线方程 y=k+b x 设有n对测量数据（xi,yi）, 用直线方程y= k +bx拟合, 根据测量数据值, 求方程中系数k 、b的最佳估计值。 可应用最小二乘法原理, 使各测量数据点yi与直线输 出偏差的平方和为最小。 二、传感器的基本特性 (2)(2)、灵敏度、灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下， 输出量的变化量与输入量的变化量之比，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即 可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性 特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度 k是一常数，与输入量大小无关。 二、传感器的基本特性 (3)(3)、迟滞、迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行 程中，输出程中，输出输入特性曲线不重合的程度称为迟滞输入特性曲线不重合的程度称为迟滞 ，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示 迟滞大小用最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值 的百分比表示 迟滞现象反应了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，如 轴承摩擦，间隙，螺钉松动，元件腐蚀及灰尘等 。 式中: Hmax正反行程输 出值间的最大差值。 (4)(4)、重复性、重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作 全量程连续多次重复测量时，所得输出全量程连续多次重复测量时，所得输出输入曲线输入曲线 的不一致程度，称重复性。的不一致程度，称重复性。 重复性指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围 内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。重复性误差属于随机误 差, 常用标准偏差表示, 也可用正反行程中的最大偏差表示, 即 v 传感器测量动态信号的能力用动态特性表示。 动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的 响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域 、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如 ：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围 、临界频率等。 2. 传感器的动态特性 动特性中输出量与输入量的关系不是一个定值，而是时间的函 数。输出量随输入量的频率的变化而变化。表征传感器动特性输 入量与输出量的关系方法是微分方程和传递函数。 标准输入有三种： 经常使用的是前两种。 u正弦变化的输入 u阶跃变化的输入 u线性输入 2.4 传感器的基本转换电路 1.电阻型 1）分压电路 用得极为广泛。 分压电路控制的自动灯光启闭系统 2) 桥式电路 阻抗Z1，Z2，当测量发 生变化时，Z1变化，此 时用控制器控制Z2变化 ，使输出为零，可以实 现电脑自动测量。 3) 信号放大电路 (3) 高输入阻抗放大器 虚短，虚断，”虚地” 为保证共模抑制比，要配出（U2-U1）的因子项 (4) 高共模抑制比放大器 当只有共模信号，共模 抑制比无穷大 半波调幅 全波调幅 v包络检波 信号处理电路 滤波器 v功能与类型 v一阶有源滤波器 v二阶有源滤波器 1、 滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉 噪声和干扰信号，保留下有用信号。 滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系 统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。 滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分， 例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高 频率成分的干扰。 滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的 通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它 实质上是一个选频电路。 滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为 通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制 的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为 截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在 阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之间 存在一定频率范围的过渡带。 2、类型： 按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器 按电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源 滤波器、RC有源滤波器 按电路性质分：有源滤波器、无源滤波器 按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶 由无源元件R、C、L等构成的滤波器称为无源滤波器 。它是利用电容和电感元件 的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不 需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明 显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感较大时滤波器的体积和重量都比较大 ，在低频域不适用。 无源元件（一般用R和C）及有源器件（如工作在线性区的集成运放）构成的滤 波器称为有源滤波器。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且 还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容 易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽（由于不使用电感 元件）；缺点是：通带范围受有源器件（如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流 电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。 无源滤波器种类很多，适用工作频率不同。有： vRC滤波器 （低频） vLC滤波器 （高频） v 将无源RC滤波元件与运算放大器结合，组成 有源滤波器，主要用于低频信号处理。 低通滤波器（LPF）：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制 高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器（HPF）：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频 或直流分量。 带通滤波器（BPF）：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或 高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器（BEF）：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以 外的信号通过。 按功能分： |A| 0 C 通带阻带 A0 |A| 0 C A0 阻带 |A| 0 C1 A0 阻 阻 C2 通 |A| 0 C1 A0 阻 C2 通通 各种滤波器理想的幅频特性： （1）低通（2）高通 （1）带通（1）带阻 通带 滤波器的串/并联 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形 式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。 理想滤波器 若滤波器的频率响应H(f)满足条件 则称为理想滤波器。 f0 脉冲响应函数 在频域为矩形窗函数的“理想”低通滤波器的时域脉冲响应函 数是sinc函数。 如无相角滞后，即 ，则 h(t)具有对称的图形。 理想滤波器是不能实现的。 因为h(t)是滤波器在(t)作用下的输出，其图形却表明 ，在输入(t)到来之前，即t0, 滤波器就有了与输入相对 应的输出。显然，这违背了因果关系，任何现实的滤波 器不可能有这种预知未来的能力，所以理想低通滤波器 是不可能存在的。 可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在 的。 无源滤波器 1、纹波幅度d 2、截止频率 幅频特性值 等于 所对应的频率。 3、带宽B和品质因数Q值 上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽。 中心频率 和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。 A(f) fff 0 c1c2 . dd 实际滤波器主要参数 4 倍频程选择性W 指在上截止频率fc2与2fc2之间幅频特性的衰 减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。 倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频程）。 衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。 信号滤波器 典型应用：钢管无损探伤 滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警 1. 一阶RC低通滤波器(无源) 一. 低通有源滤波器 传递函数： 截止频率： 幅频特性： 此电路的缺点： 1、带负载能力差。 2、无放大作用。 3、特性不理想，边沿不陡。 幅频特性： 0.707 H 截止频率 0 1 |A| 一.电路图电路的传递函数频率特性 二. 画出电路的幅频特性 三. 根据定义求出主要参数 有源滤波电路的分析方法: 2.一阶有源低通滤波器 传递函数： 通带增益： 截止频率： 幅频特性及幅频特性曲线 传递函数： 幅频特性： 缺点：阻带衰减慢。 H 0.707 1+Rf/R1 0 1+Rf/R1 |A| 3.二阶有源低通滤波器 传递函数： 当 Ao3