传感器及数据采集技术.doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上能力拓展训练任务书题 目: 传感器及数据采集技术 能力拓展训练目的：能力拓展训练的主要目的是安排学生进行与专业有关的综合性设计和研究，开展专题调研与研究活动，培养学生综合应用所学知识分析问题、解决问题的能力；锻炼学生查询文献资料、灵活运用知识、有效开展科学研究的能力；提高学生的综合素质。根据本专业需求和特点，需要在通信专业知识、实验技能方面进行综合提高，使学生对常用的数据分析与处理原理及方法有较为全面的了解，能够运用相关软件进行模拟分析。能力拓展训练内容和要求：要求学生根据所选方向，对某相关课题和问题进行调研，查阅资料，分析问题，设计和比较方案，进行综合分析、实验或仿

2、真并得出结论，写出研究报告。初始条件：（1）鉴主15楼“通信实验室一”MBC-5W移动通信实验箱，鉴主13楼THEX-1型现代通信原理与技术实验平台；（2）Matlab，Protel等；（3）武汉理工大学图书馆及图书馆网站上的“电子资源导航”。时间安排：序号训练内容所用时间1布置任务05天2项目设计实践4天3答辩05天合 计5天指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日专心-专注-专业目 录摘要国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是： “ 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 ” 。传感器是一种检测装置，能感

3、受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。AbstractThe national standard GB7665-87 of sensor definition is: can feel the provisions is meas

4、ured according to certain rules and converted into usable signal, usually by the device or device sensitive components and conversion components. Sensor is a detection device, can feel the information is measured, and can feel of the information, test according to certain rule transformation become

5、electrical signals or other forms of information output needed to meet information transmission, processing, storage, display, record and control requirements. It is the realization of automatic detection and automatic control of the first link. In the wider use of computer today, the importance of

6、data collection is very significant. It is computer and external physical world connection of the bridge. Various types of signal acquisition and how easy it is to the difference is very big. The actual collected, noise can also bring some trouble. Data collection, there are some basic principle to

7、pay attention, and more practical problems to solve. 1.传感器1.1传感器的定义 国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是： “ 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 ” 。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 1.2传感器的分类目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种： 1按传感器的物理量

8、分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。2按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅热电偶等传感器。 3按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（ “ ” 和 “ ” 或 “ 开 ” 和 “ 关 ” ）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。1.3传感器的特性1.3.1传感器的静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标

9、而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。 1.3.2传感器的动态特性 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。1.3.3传感器的迟滞特性 迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出 - 一输入特

10、性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值 MAX 与满量程输出 FS的百分比表示，迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。1.4 传感器参数1.4.1 传感器的线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。 1.4.2 传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作

11、情况下输出量变化 y 对输入量变化 x 的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度 S 是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。 灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化 1mm 时，输出电压变化为 200mV ，则其灵敏度应表示为 200mV/mm 。 当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。 提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。1.4.3 传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输

12、入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。 通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。 1.5传感器种类1.5.1 压电传感器1. 压电效应有些晶体或半导体，当受到外力作用而发生变形时，表面上会产生电荷。称为压效应（顺压电效应），用于测定压力，振动等。反之，在压电材料上施加交变电场，材料会发生机械变形，称为逆压电效应。来作为超声波发生器。例：石英经过处理后，是六面

13、体的棱柱体 x轴为电轴 y轴为机械轴 z轴为光轴特性：沿x轴作用力Fx，在垂直于x轴表面产生压电效应后为纵压效应，(+)沿y轴方向作用力Fy，在垂直于x轴的两面产生大小相等，符号相反的电荷。称横向压力效应(-)电荷场产生在垂直于x轴的表面上，其电荷为 (图2个) (K-压电系数，与材料有关) (灵敏)反之，在交变电场作用下，沿Y轴方向的机械变形最明显，称逆压电效应。2压电传感输出的电荷是与所施加的压力成正比。能测量力，压力，速度，振动等物理量。一般内二片以上压电元件组成，于有极性，有串联和并联联接方式串联(图) 特点：输出V大，C小，时间常数小，瞬态。并联(图) 特点：输出Q大，C大，大，缓变

14、信号。压电晶片的绝缘电阻很高，置于两级之间含连接导线，可能为是电容器。压电传感器内阻抗非常高，输出信号位于微弱，需经电荷放大器放大，并可转换为电压信号。设单片 组合后为Q 、V、C压电传感的能量以电压或电荷两种电量形式输出的电压灵敏度 电荷 为提高压电晶体的灵敏度，可选用K值大的材料，C小的导线作为输出线。要求自振频率高，质量小，刚度大，装配的时加预紧力消除间隙。要求好的绝缘性能，用无水酒精擦洗，在120摄氏度烘和内烘3小时(一般用电吹风)。高温时要求外部冷却。3测量电路 测量电路采用电荷放大器，传感器，导线、电荷 放大器一同稳定标定时：直流电压表,往复式压力针。1.5.2电阻式传感器电阻式传

15、感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。复杂构件用电算不能解决将零件变形参数(非电量)转换成电压(或电流)变化参数(电量)有变阻式(改变导体长度)、压阻式(改变内部接触电阻)、电阻应变式(改变内部应力)、热敏电阻式(由于温度变化引起电阻变化)测量位移、转角、力、应力、压力、温度等。1.工作原理如金属电阻丝电阻 当电阻丝受拉伸式压缩后，几何尺寸变化，电阻值也变化 ，由材料力学可知：(纵向应变)，(横向应变)， (泊桑比) ： ， (体积变化率) 对于某一金属 电阻丝镍铬合金，

16、康铜合金应变率灵敏系数半导体电阻丝以上 即 2.结构 (图) 丝式应变片 易于粘贴；耐热、耐湿性差；制造简单，价格便宜；半导体应变片灵敏度高；对环境温度变化敏感箔式应变片(经光刻技术，腐蚀等工序制成厚度为0.0030.010)精度高，适应性好，广泛应用3.温度补偿从两个方面考虑：电阻丝本身R=f(T)电阻丝本身与试件或弹性元件的膨胀系数不同引起的 若 式中K电阻丝灵敏系数电阻丝电阻温度系数；试件、电阻丝线膨胀系数；电阻温度系数。1.5.3电容式传感器电容式传感器具有可变参数的传感器，通常以空气为介质，二个多属平板作电极电容量： 式中：S极板间相互覆盖的工作面积。(4-1图) 两极板的距离介质介

17、电常数1) 变间距式：S、不变，改变 呈反比为双曲线非线性能否用传感器？(图) 对于差动式线性度提高，工作范围扩大，灵敏度提高一倍。过小，易电容击穿，一般数量元母片(固体介质) 由于分线中增加了一项常数项，且初始间隙比减小，使线性得到一定改善(4-2图)2) 变面积式 直线位移() O 为线性灵敏度= (4-3图) 角位移 线性3) 变介电常数(P73)(5-2图)(5-1图)4)测量电路常用位于调制与解调电路(介电常数与环境温度有关，需在测量电路中进行温度补偿)1.5.4电感传感器电感传感器是将非电量的位移、转角、压力、振动等转换为电感的变化量接入电桥电路，再变为电压输出、1.自感式(线圈式

18、)(5-3图) 式中人W线圈匝数；磁路的总磁阻(S)铁芯衔铁的磁阻空气隙的磁阻 (空气的导磁系数) 同理： 可用差动式测量电路：调制和解调电路 电感 电压(P70图4-6)2.互感式(变压器式)差动式 将被测量转换为线圈的互感变化量，内两个铁芯和一个公用衔铁组成。 衔铁偏差中心位置，单个次级线圈的感应电压；衔铁处于中心位置，单个次级线圈珠互感电压；互感变化量。测量电路：差动整流电路。1.5.5磁电式传感器用于测量转速、振幅、位移、加速度、转矩等物理量。1.线圈运动式 直线位移（P75图4-13a） 感应电势：式中：线圈运动方向与磁场方向的夹角；每匝导线线圈的长度；气隙处磁感应强度（高斯）；匝数

19、；线圈运动的线速度。 施转运动（P75图4-13 b 用于测量转角、测速） D线圈直径2.铁芯运动式(P76 图4-14,用于测转角,测速)式中：z匝数；n的r/mm；气隙中最大磁通量；感应电势的频率正比于被测转速 如匝数为z=60 ,则 轴速表=频率计 为求系数，加速度接入须分，积分电路，求出 1.5.6 霍尔效应传感器某半导体元件在垂直于共薄片上穿过磁力线B，1-2通以控制电流 ，3-4输出电压霍尔常数；元件厚度；磁电感应强；霍尔效应灵敏系数；结构简单，噪声小，频响宽，非接解式；位移、力、压力、开关控制元件。1.6传感器的选用传感器千差万别，即便对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传

20、感器，因此，要根据需要选用最适宜的传感器。 (1) 测量条件 如果误选传感器，就会降低系统的可靠性。为此，要从系统总体考虑，明确使用的目的以及采用传感器的必要性，绝对不要采用不适宜的传感器与不必要的传感器。测量条件列举如下，即测量目的，测量量的选定，测量的范围，输入信号的带宽，要求的精度，测量所需要的时间，过输入发生的频繁程度。 (2) 传感器的性能 选用传感器时，要考虑传感器的下述性能，即精度，稳定性，响应速度，模拟信号或者数字信号，输出量及其电平，被测对象特性的影响，校准周期，过输人保护。 (3) 传感器的使用条件 传感器的使用条件即为设置的场所，环境 ( 湿度、温度、振动等 ) ，测量的

21、时间，与显示器之间的信号传输距离，与外设的连接方式，供电电源容量。1.7 传感器的应用传感器应用的一般模式示意图。2力传感器的应用电子秤应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电学量。3声传感器的应用话筒动圈式话筒的工作原理是电磁感应现象。膜片接收到声波后引起振动，连接在膜片上的线圈随着一起振动，线圈在永磁体的磁场里振动从而产生感应电流（电信号），感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化都由声波决定，这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。3温度传感器的应用电熨斗温度传感器是应用最广泛的传感器之一，它能把温度的高低转变成电信号，通常是利用物体的某一物理性质随温

22、度的变化而改变的特性制成的电熨斗就是靠温度传感器来控制温度的。2. 数据采集技术2.1概述在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。2.1.1采样频率、抗混叠滤波器和样本数假设现在对一个模拟信号x(t) 每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/t 被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t=0, t ,2t ,3t 等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0),x(t),x(2t )都

23、是采样值。这样信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示：如果对信号x(t)采集N个采样点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示：这个数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。注意这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率（或t）的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x(t)的频率。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。2.2 数据采集系统的构成图数据采集系统结构上图表示了数据采集的结构。在数据采集之前，

24、程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。需要注意的两个问题是：是否使用Buffer？是否使用外触发启动、停止或同步一个操作。 2.3模入信号类型数据采集前，必须对所采集的信号的特性有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统配置。任意一个信号是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载信息是很广泛的，比如：状态（state）、速率(rate)、电平(level)、形状(shape)、频率成分(frequency content)。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟或数字信号。数

25、字(二进制)信号分为开关信号和脉冲信号。模拟信号可分为直流、时域、频域信号。2.3.1 数字信号第一类数字信号是开-关信号。一个开-关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。TTL信号就是一个开-关信号，一个TTL信号如果在2.0到5.0V之间，就定义它为逻辑高电平，如果在0到0.8V之间，就定义为逻辑低电平。第二类数字信号是脉冲信号。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。安装在马达轴上的光学编码器的输出就是脉冲信号。有些装置需要数字输入，比如一个步进式马达就需要一系列的数字脉冲作为输入来控制位置和速度。2.3.2 模拟直流信号

26、模拟直流信号是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。直流信号最重要的信息是它在给定区间内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。采集系统在采集模拟直流信号时，需要有足够的精度以正确测量信号电平，由于直流信号变化缓慢，用软件计时就够了，不需要使用硬件计时。2.3.3 模拟时域信号模拟时域信号与其他信号不同在于，它在运载信息时不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化。在测量一个时域信号时，也可以说是一个波形，需要关注一些有关波形形状的特性，比如斜度、峰值等。为了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列，序列的时间间隔也应该合适，以保证信号的有用部分被采集到。要以一定的速率进行测量，这

27、个测量速率要能跟上波形的变化。用于测量时域信号的采集系统包括一个AD、一个采样时钟和一个触发器。AD的分辨率要足够高，保证采集数据的精度，带宽要足够高，用于高速率采样；精确的采样时钟，用于以精确的时间间隔采样；触发器使测量在恰当的时间开始。存在许多不同的时域信号，比如心脏跳动信号、视频信号等，测量它们通常是因为对波形的某些方面特性感兴趣。2.3.4 模拟频域信号模拟频域信号与时域信号类似，然而，从频域信号中提取的信息是基于信号的频域内容，而不是波形的形状，也不是随时间变化的特性。用于测量一个频域信号的系统必须有一个AD、一个简单时钟和一个用于精确捕捉波形的触发器。系统必须有必要的分析功能，用于

28、从信号中提取频域信息。为了实现这样的数字信号处理，可以使用应用软件或特殊的DSP硬件来迅速而有效地分析信号。模拟频域信号也很多，比如声音信号、地球物理信号、传输信号等。上述信号分类不是互相排斥的。一个特定的信号可能运载有不只一种信息，可以用几种方式来定义信号并测量它，用不同类型的系统来测量同一个信号，从信号中取出需要的各种信息。2.4 模入信号的连接方式一个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。测量系统可以分为差分（Differential）、参考地单端（RSE）、无参考地单端（NRSE）三种类型。接地信号和浮动信号2.4.1 接地信号接地信号，就是将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的

29、地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。接地最常见的例子是通过墙上的接地引出线，如信号发生器和电源。2.4.2 浮动信号一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。一些常见的浮动信号的例子有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。2.5 测量系统分类2.5.1 差分测量系统差分测量系统中，信号输入端分别与一个模入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。图6-6描述了一个8通道的差分测量系统，用一个放大器通过模拟多路转换器进行通道间的转换。标有AIGND（模拟输入地）的管脚就是测量系统的地。图6-6差分测量系统 一个理想

30、的差分测量系统仅能测出（+）和（-）输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压。然而，实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力，数据采集卡的共模电压的范围限制了相对与测量系统地的输入电压的波动范围。共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能，可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压，以避免测量数据错误。2.4.2参考地单端测量系统(RSE) 一个RSE测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系统地AIGND。图6-7描绘了一个16通道的RSE测量系统。2.4.3无参考地单端测量系统(N

31、RSE) 在NRSE测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。图6-8说明了一个NRSE测量系统，其中AISENSE是测量的公共参考端，AIGND是系统的地。图6-7 参考地单端测量系统图6-8 无参考地单端测量系统2.5 信号调理从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，因此，除了这些通用功能，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。下面仅介绍信号调理的通用功能。1） 放大微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，

32、使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。2）隔离隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因由两个：一是从安全的角度考虑；另一个原因是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。3）滤波滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴

33、趣的最高频率以上的所有频率的信号。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。4） 激励信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。5） 线性化许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。但目前的趋势是，数据采集系统可以利用软件来解决这一问题。6） 数字信号调理即使传感器直接输出数字信号，有时也有进行调理的必要。其作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整。大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块，使得用户可以通过数据采集卡的数字I/O直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。参考文献1.传感器原理与传感器技术 贾石峰 2008 机械工业出版社2.传感器与信号处理电路 索雪松/纪建伟 2004 中国水利水电出版社3.传感器与检测技术 周润景/郝晓霞 2007 电子工业出版社4.数据采集与处理技术 马明建 2009 西安交通大学出版社5.数据采集技术与系统设计 李念强 2009 机械工业出版社6.图像采集与处理 刘光耀 2007 电子工业出版社