第四章 传感器及其接口技术精选文档.ppt

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1、第四章第四章 传感器及其接口传感器及其接口技术技术本讲稿第一页，共六十二页n n4.1.1 传感器的定义传感器的定义n n传感器：传感器是一种以一定的精确度将被测量(如位移、力、加速度等如位移、力、加速度等)转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量(如电量如电量)的测量部件或装置。本讲稿第二页，共六十二页n n4.1.2 组成组成n n 组成：敏感元件、转换元件、电子线路等组成。n n 1 1 敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件 直接感受被测量、并以确定关系输出物理量。直接感受被测量、并以确定关系输出物理量。如弹性敏元件将力转换为位移或应变输出。如弹性敏元件将力转换为位移或应变

2、输出。n n 2 2 转换元件转换元件转换元件转换元件 将敏感元件输出的非电物理量将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应如位移、应变、光强等变、光强等)转换成电量参数转换成电量参数(如电阻、电感、电容等如电阻、电感、电容等)等。等。n n 3 3 基本转换电路基本转换电路基本转换电路基本转换电路 将电路参数量转换成便于测量的电量，将电路参数量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。如电压、电流、频率等。n n直接转换与间接转换直接转换与间接转换本讲稿第三页，共六十二页传感器的组成传感器的组成 本讲稿第四页，共六十二页4.1.3 传感器的特性传感器的特性n n传感器比较常用的性能指标有以下几

3、种传感器比较常用的性能指标有以下几种n n1.1.关于输入量的特性：关于输入量的特性：关于输入量的特性：关于输入量的特性：n n(1)(1)量程或测量范围量程或测量范围量程或测量范围量程或测量范围n n 传感器预期要测量的被测量值的范围，一般用传传感器预期要测量的被测量值的范围，一般用传感器允许测量的上下极限值来表示，其中上限值也称感器允许测量的上下极限值来表示，其中上限值也称为满量程为满量程FSFS。n n(2)(2)过载能力过载能力过载能力过载能力n n 传感器允许承受的最大输入量传感器允许承受的最大输入量(被测量被测量),),通常用一个最通常用一个最大允许值或满量程的百分比来表示。大允许

4、值或满量程的百分比来表示。本讲稿第五页，共六十二页n n2.2.关于输入输出关系的静态特性关于输入输出关系的静态特性n n(1)(1)精度精度n n表示测量结果与被测的表示测量结果与被测的“真值真值”的接近程度。一般用的接近程度。一般用“极限误差极限误差”或极限误差与满量程的比值按百分数给出。或极限误差与满量程的比值按百分数给出。n n(2)(2)重复性重复性n n反映传感器在工作条件不变的情况下，重复地输入某一相反映传感器在工作条件不变的情况下，重复地输入某一相同的输入值，其输出值的一致性，其意义与精度类似。同的输入值，其输出值的一致性，其意义与精度类似。n n(3)(3)线性度线性度n n

5、 也称非线性，表示传感器输出与输入之间的关系曲线也称非线性，表示传感器输出与输入之间的关系曲线与选定的工作曲线的靠近程度，采用工作直线与实际工与选定的工作曲线的靠近程度，采用工作直线与实际工作曲线之间的最大偏差值与满量程输出之比来表示。作曲线之间的最大偏差值与满量程输出之比来表示。本讲稿第六页，共六十二页本讲稿第七页，共六十二页n n(4)灵敏度n n传感器输入增量与输出增量之比；n n(5)(5)稳定性稳定性(温度漂移，时间零漂温度漂移，时间零漂)n n时间零漂时间零漂:在规定的时间内，在温度不变的条件下，在规定的时间内，在温度不变的条件下，零输出的变化；零输出的变化；n n温度漂移温度漂移

6、:当温度发生变化时，其输出特性的变化，通当温度发生变化时，其输出特性的变化，通常用零点输出变化值表示，也可以用它与满量程的比常用零点输出变化值表示，也可以用它与满量程的比值来表示。值来表示。本讲稿第八页，共六十二页n n3.3.动态响应特性动态响应特性n n 在被测量的物理量随时间变化的情况下，传感器的输出在被测量的物理量随时间变化的情况下，传感器的输出能否很好地追随输入量的变化是一个很重要的问题。有的传能否很好地追随输入量的变化是一个很重要的问题。有的传感器尽管其静态持性非常好，但由于不能很好追随输入量的感器尽管其静态持性非常好，但由于不能很好追随输入量的快速变化而导致严重误差，这种动态误差

7、若不注意加以控制，快速变化而导致严重误差，这种动态误差若不注意加以控制，可以高达百分之几十其至百分之百。在被测信号变化速度较可以高达百分之几十其至百分之百。在被测信号变化速度较快的情况下要求我们要认真注意传感器的动态响应持性。快的情况下要求我们要认真注意传感器的动态响应持性。n n 频率响应特性频率响应特性n n 幅频特性幅频特性n n 相频特性相频特性n n 阶跃响应特性阶跃响应特性n n 时间常数时间常数n n 上升时间上升时间n n 过冲量过冲量(超调量超调量)n n 固有频率固有频率n n 阻尼比阻尼比(对数减缩对数减缩)本讲稿第九页，共六十二页n n4.1.4 传感器的分类分类n n

8、 传感器的分类方法有多种;n n1、按被测物理量的性质分；位移传感器、温位移传感器、温度传感器、压力传感器等等；度传感器、压力传感器等等；n n2、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、电阻式、电感式、电容式、光电式；光电式；n n3、按照输出信号的性质分类；可分为开关型可分为开关型(二值型二值型)、数字型和模拟型，如下图所示：、数字型和模拟型，如下图所示：本讲稿第十页，共六十二页本讲稿第十一页，共六十二页n n1 开关型开关型n n开关型传感器的二值就是“1”和“0”或开(ON)和关(OFF)。这种“l”和“0”数字信号可直接传送到微机进行处理，使用方便。本讲稿第十二页，共六十二页n n特性

9、曲线中如果设输出状态特性曲线中如果设输出状态从断到通时的输入值为从断到通时的输入值为INonINon，而从通到断时的输入值为，而从通到断时的输入值为INoffINoff，则特性满足，则特性满足n n INoff INoffINonINonn nINoffINoff与与INonINon的差称为磁滞宽的差称为磁滞宽度或瞬动度或瞬动(snap)(snap)宽度。宽度。二值型传感器的实用特性本讲稿第十三页，共六十二页n n2 2 数字型数字型数字型数字型n n 数字型传感器有计数型和代码型两大类。数字型传感器有计数型和代码型两大类。n n其中其中计数型又称脉冲数字型计数型又称脉冲数字型；n n它可以是

10、任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加它可以是任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数，如可用来检测通过输送带上的产品上计数器就可对输入量进行计数，如可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量。这时执行机构每移动一定距个数，也可用来检测执行机构的位移量。这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发生一个脉冲信号，例如增量式光电码盘和检离或转动一定角度就会发生一个脉冲信号，例如增量式光电码盘和检测光栅就是如此。测光栅就是如此。n n 代码型传感器又称编码器代码型传感器又称编码器，它输出的信号是数，它输出的信号是数字代码，

11、每一代码相当于一个一定的输入量之值。字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。本讲稿第十四页，共六十二页n n3 3 模拟型模拟型模拟型模拟型n n 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。输入与输出可以是线性的应的连续变化的电量。输入与输出可以是线性的也可以是非线性的。也可以是非线性的。本讲稿第十五页，共六十二页n n4.1.5 4.1.5 机电一体化系统对传感器的基本要求机电一体化系统对传感器的基本要求机电一体化系统对传感器的基本要求机电一体化系统对传感器的基本要求n n1.1.精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；精度和

12、灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；n n2.2.体积小、重量轻、对整机的适应性好；体积小、重量轻、对整机的适应性好；n n3.3.安全可靠、寿命长；安全可靠、寿命长；n n4.4.便于与计算机连接；便于与计算机连接；n n5.5.不易受被测对象性不易受被测对象性(如电阻、导磁率如电阻、导磁率)的影响，也的影响，也不影响外部环境；不影响外部环境；n n6.6.对环境条件适应能力强对环境条件适应能力强;n n7.7.现场处理简单、操作性能好；现场处理简单、操作性能好；n n8.8.价格便宜。价格便宜。本讲稿第十六页，共六十二页n n4.1.6 4.1.6 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统

13、常用传感器机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器n n1.1.位移检测传感器位移检测传感器位移检测传感器位移检测传感器n n 位移测量是直线位移测量和角位移测量的总称，位移测量是直线位移测量和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛，这不位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛，这不仅因为在各种机电一体化产品户常需位移测量，而仅因为在各种机电一体化产品户常需位移测量，而且还因为速度、加速度力、压力、扭矩等参数的测且还因为速度、加速度力、压力、扭矩等参数的测量都是以位移测量位移为基础的。量都是以位移测量位移为基础的。n n 直线位移传感器直线位移传感器主要有：电感传感器、

14、差动变压主要有：电感传感器、差动变压器传感器、电容传感器、感应同步器和光栅传感器。器传感器、电容传感器、感应同步器和光栅传感器。n n 角位移传感器角位移传感器主要有：电容传感器、旋转变压器和主要有：电容传感器、旋转变压器和光电编码盘等。光电编码盘等。本讲稿第十七页，共六十二页n n2.2.速度、加速度传感器速度、加速度传感器速度、加速度传感器速度、加速度传感器n n 检测检测转速的传感器转速的传感器转速的传感器转速的传感器有测速发电机、有测速发电机、光电、磁电式光电、磁电式光电、磁电式光电、磁电式转速传感器。转速传感器。转速传感器。转速传感器。n n 检测加速度可用检测加速度可用电容式或压电

15、式加速度传感器电容式或压电式加速度传感器电容式或压电式加速度传感器电容式或压电式加速度传感器。n n 检测直线运动速度时，可以将直线运动变换成检测直线运动速度时，可以将直线运动变换成回转运动，然后再用转速传感器检测。采用数字型回转运动，然后再用转速传感器检测。采用数字型传感器检测位移时，也可同时检测运动速度。传感器检测位移时，也可同时检测运动速度。n n 对于计数型传感器，可通过检测其脉冲频率来对于计数型传感器，可通过检测其脉冲频率来得到运动速度的数据。代码型传感器，则可通过检得到运动速度的数据。代码型传感器，则可通过检测其代码变换周期来确定运动的速度。测其代码变换周期来确定运动的速度。本讲稿

16、第十八页，共六十二页n nn=60N/Ztn nn转速 r/minn nt 测量时间 sn nN-t内的脉冲个数n nZ-圆盘上的缝隙个数本讲稿第十九页，共六十二页n n3.力、力矩传感器力、力矩传感器n n 利用应变片可以制成应力传感器、力传感器和力利用应变片可以制成应力传感器、力传感器和力矩传感器，还可将应变片直接贴在被检测部分来检矩传感器，还可将应变片直接贴在被检测部分来检测力、压力和力矩的大小，所使用的应变片有电阻测力、压力和力矩的大小，所使用的应变片有电阻丝式、金属箔式和半导体式。丝式、金属箔式和半导体式。本讲稿第二十页，共六十二页n n4 位置传感器位置传感器n n 位置传感器和位

17、移传感器不一样，它所测量的不位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到某是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一位置。因此，它只需要产生能反映某种状态的开关量一位置。因此，它只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。就可以了。n n 位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触式传位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否己接触的信息的一种传感感器就是能获取两个物体是否己接触的信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某物体的一种传感器。物体的一种传

18、感器。本讲稿第二十一页，共六十二页n n(1)接触式位置传感器接触式位置传感器n n这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成，它分以这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成，它分以下两种下两种n na.a.由微动开关制成的位置传感器由微动开关制成的位置传感器本讲稿第二十二页，共六十二页n n二维矩阵式配置的位置传感器n n1、柔软电极 2、柔软绝缘体本讲稿第二十三页，共六十二页n n(2)(2)接近式位置传感器接近式位置传感器接近式位置传感器接近式位置传感器n n接近式位置传感器按其工作原理主要分：接近式位置传感器按其工作原理主要分：电磁式；电磁式；光电式；光电式；静电容式；静电容式；超声

19、波式；超声波式；气压式等。其基气压式等。其基本工作原理可用下图表示出来。本工作原理可用下图表示出来。n n 接近式位置传感器的工作原理接近式位置传感器的工作原理 本讲稿第二十四页，共六十二页n n5 视觉传感器视觉传感器n n 视觉传感器在机电一体化系统中的作用有：视觉传感器在机电一体化系统中的作用有：视觉传感器在机电一体化系统中的作用有：视觉传感器在机电一体化系统中的作用有：1 1、确定对象物的位置与姿势；确定对象物的位置与姿势；确定对象物的位置与姿势；确定对象物的位置与姿势；n n2 2、图像识别：确定对象物的特征、图像识别：确定对象物的特征、图像识别：确定对象物的特征、图像识别：确定对象

20、物的特征(识别符号、读出文字、识别符号、读出文字、识别符号、读出文字、识别符号、读出文字、识别物体识别物体识别物体识别物体)；n n3 3、形状、尺寸检验：检查零件形状和尺寸方面的缺、形状、尺寸检验：检查零件形状和尺寸方面的缺、形状、尺寸检验：检查零件形状和尺寸方面的缺、形状、尺寸检验：检查零件形状和尺寸方面的缺陷。陷。陷。陷。n n 在机电一体化系统中采用的视觉传感器有光导摄像在机电一体化系统中采用的视觉传感器有光导摄像在机电一体化系统中采用的视觉传感器有光导摄像在机电一体化系统中采用的视觉传感器有光导摄像管摄像机、固体半导体摄像机、激光视觉传感器等。固管摄像机、固体半导体摄像机、激光视觉传

21、感器等。固管摄像机、固体半导体摄像机、激光视觉传感器等。固管摄像机、固体半导体摄像机、激光视觉传感器等。固体半导体摄像器件有体半导体摄像器件有体半导体摄像器件有体半导体摄像器件有CMOSCMOS型型型型(金属氧化物集成电路金属氧化物集成电路金属氧化物集成电路金属氧化物集成电路)、CCDCCD型型型型(电荷耦合器件电荷耦合器件电荷耦合器件电荷耦合器件)以及以及以及以及CMOSCMOS和和和和CCDCCD混合型等。混合型等。混合型等。混合型等。本讲稿第二十五页，共六十二页4.2传传感器与微机的接口技感器与微机的接口技术术 输入到微型机的信息必须是微型机能够处理的数字量信息。传感器的输出形式可分为模

22、拟量、数字量和开关量。与此相应的有三种基本接口方式，见下表。本讲稿第二十六页，共六十二页n n4.2.1 4.2.1 数字量、开关量的接口数字量、开关量的接口n n 可以通过缓冲器直接输入到计算机数据总线上。可以通过缓冲器直接输入到计算机数据总线上。n n4.2.2 4.2.2 模拟量的接口模拟量的接口 1.1.模拟量的数字化过程模拟量的数字化过程模拟量的数字化过程模拟量的数字化过程n n(1)(1)时间断续时间断续时间断续时间断续本讲稿第二十七页，共六十二页n n采样定理采样定理采样定理采样定理n n 设信号最高频率为设信号最高频率为fc,fc,在采样频率在采样频率fs fs=2=2fc f

23、c为的条件下，采样后的为的条件下，采样后的信号能无失真的恢复为原来的模拟信号。信号能无失真的恢复为原来的模拟信号。n n(2)(2)数值断续数值断续数值断续数值断续n n 数值断续的过程叫量化，所谓的量化就是把采样信号的幅数值断续的过程叫量化，所谓的量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍数比较，以最接近于采值与某个最小数量单位的一系列整数倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位的倍数来代替该幅值。最小单位叫样信号幅值的最小数量单位的倍数来代替该幅值。最小单位叫量化单位，它定义为量化器的满量程电压量化单位，它定义为量化器的满量程电压FSRFSR与与2 2n n的比值；的比

24、值；n n q=FSR/2 q=FSR/2n nn n例例 当当FSR=10V,n=8FSR=10V,n=8时时 q=39.1mv q=39.1mvn n当当FSR=10V,n=12FSR=10V,n=12时时 q=2.44mv q=2.44mvn n当当FSR=10V,n=16FSR=10V,n=16时时 q=0.15mv q=0.15mvn n完成量化的器件叫量化器，即完成量化的器件叫量化器，即A/DA/D转换器。转换器。本讲稿第二十八页，共六十二页2 模数（模数（A/D）转换器）转换器n n 模数转换器把输入的模拟信号经过量化和编模数转换器把输入的模拟信号经过量化和编模数转换器把输入的模

25、拟信号经过量化和编模数转换器把输入的模拟信号经过量化和编码后，转换成数字信号的器件。码后，转换成数字信号的器件。码后，转换成数字信号的器件。码后，转换成数字信号的器件。n n 根据比较的工作原理可分为直接比较型和间接比较根据比较的工作原理可分为直接比较型和间接比较根据比较的工作原理可分为直接比较型和间接比较根据比较的工作原理可分为直接比较型和间接比较型两大类。型两大类。型两大类。型两大类。n n(1)逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器n n结构与工作原理结构与工作原理结构与工作原理结构与工作原理 本讲稿第二十九页，共六十二页n n去留码规则，去留码规则，U UI I=U=UF F 保留保留

26、 1 1 n n U UI I U UF F 不保留不保留 1,1,置零置零n nU UF F=U=UREFREF(2(2-1-1a a1 1+2+2-1-1a a2 2.+2.+2-n-na an n)本讲稿第三十页，共六十二页本讲稿第三十一页，共六十二页n nAD574AAD574A是美国模拟数字公司（是美国模拟数字公司（是美国模拟数字公司（是美国模拟数字公司（AnalogAnalog）推出的单片）推出的单片）推出的单片）推出的单片高速高速高速高速1212位逐次比较型位逐次比较型位逐次比较型位逐次比较型A/DA/D转换器，内置双极性电路转换器，内置双极性电路转换器，内置双极性电路转换器，内

27、置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的整的整的整的A/DA/D转换器，其主要功能特性如下：转换

28、器，其主要功能特性如下：转换器，其主要功能特性如下：转换器，其主要功能特性如下：分辨率：分辨率：分辨率：分辨率：1212位位位位 n n非线性误差：小于非线性误差：小于非线性误差：小于非线性误差：小于1/2LBS1/2LBS或或或或1LBS1LBSn n 转换速率：转换速率：转换速率：转换速率：25us25usn n 模拟电压输入范围：模拟电压输入范围：模拟电压输入范围：模拟电压输入范围：0 010V10V和和和和0 020V20V，0 05V5V和和和和0 010V10V两档四种两档四种两档四种两档四种n n 电源电压：电源电压：电源电压：电源电压：15V15V和和和和5V5Vn n数据输出

29、格式：数据输出格式：数据输出格式：数据输出格式：1212位位位位/8/8位位位位本讲稿第三十二页，共六十二页12位逐次逼近式位逐次逼近式A/D转换器转换器AD574与单片机与单片机8051的接口电路的接口电路本讲稿第三十三页，共六十二页n n(2)双斜积分式A/D转换器n n结构与工作原理结构与工作原理本讲稿第三十四页，共六十二页n nICL 7109ICL 7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分型双积分型双积分型双积分型1212位位位位A/DA/D转换器。在

30、要求转换速度不太高的场转换器。在要求转换速度不太高的场转换器。在要求转换速度不太高的场转换器。在要求转换速度不太高的场合，如用于称重测力、测温度等各种传感器信号的高精合，如用于称重测力、测温度等各种传感器信号的高精合，如用于称重测力、测温度等各种传感器信号的高精合，如用于称重测力、测温度等各种传感器信号的高精度测量系统中时，可采用廉价的双积分式度测量系统中时，可采用廉价的双积分式度测量系统中时，可采用廉价的双积分式度测量系统中时，可采用廉价的双积分式1212位位位位A/DA/D转换转换转换转换器器器器ICL 7109ICL 7109。n nICL 7109ICL 7109主要有如下特性：主要有

31、如下特性：主要有如下特性：主要有如下特性：n n(1)(1)高精度高精度高精度高精度(12(12位位位位)n n(2)(2)低噪声低噪声低噪声低噪声(典型值为典型值为典型值为典型值为15VP-P);15VP-P);n n(3)(3)低漂移低漂移低漂移低漂移(1V/1V/)；n n(4)(4)高输入阻抗高输入阻抗高输入阻抗高输入阻抗(典型值典型值典型值典型值1012);1012);n n(5)(5)低功耗低功耗低功耗低功耗(20mW);20mW);n n(6)(6)转换速度最快达转换速度最快达转换速度最快达转换速度最快达3030次次次次/秒，当采用秒，当采用秒，当采用秒，当采用3.58MHz3.

32、58MHz晶振晶振晶振晶振作振源时，速度为作振源时，速度为作振源时，速度为作振源时，速度为7.57.5次次次次/秒；秒；秒；秒；本讲稿第三十五页，共六十二页ICL 7109与与8031接口电路接口电路本讲稿第三十六页，共六十二页n n3 采样采样/保持器保持器n n 在对模拟信号进行模数变换时，从启动变换到变换结束在对模拟信号进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即的数字量输出，需要一定的时间，即A ADD转换器的孔径时间。转换器的孔径时间。n n 当输入信号频率提高时，由于孔径时间的存在，可能会造成较大当输入信号频率提高时，由于孔径时间的存在，可能会造成较大的转换

33、误差；要防止这种误差的产生，必须在的转换误差；要防止这种误差的产生，必须在A ADD转换开始时将信转换开始时将信号电平保持住，而在号电平保持住，而在A ADD转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样状态。对输入信号处于采样状态。n n 能完成这种功能的器件叫采样能完成这种功能的器件叫采样/保持器，从上面分析也可知，采保持器，从上面分析也可知，采样样/保持器在保持阶段相当于一个保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器模拟信号存储器”。本讲稿第三十七页，共六十二页n n采样保持器的组成与工作原理采样保持器的组成与工作原理本讲稿第三十八页，共六十二

34、页单片集成采样单片集成采样/保持电路保持电路LF198 n n在在LF198LF198中，采用了双极型与中，采用了双极型与CMOSCMOS型混合工艺。当型混合工艺。当C CHH=0.01uF=0.01uF时，时，输出电压的下降率达到输出电压的下降率达到1010-3-3 mv/s mv/s 以下以下.本讲稿第三十九页，共六十二页n n4 模拟多路开关模拟多路开关n n 在机电一体化系统中，经常对许多传感器信号在机电一体化系统中，经常对许多传感器信号进行采集和控制。如果每一路都单独采用各自的输进行采集和控制。如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、采样入回路，即每一路都采用放大、采

35、样/保持、保持、A/DA/D等等环节，不仅成本比单路成倍的增加，还会导致系统环节，不仅成本比单路成倍的增加，还会导致系统体积庞大，且由于模拟器件，阻容元件参数和特性体积庞大，且由于模拟器件，阻容元件参数和特性不一致，对系统的校准带来很多困难。因此除特殊不一致，对系统的校准带来很多困难。因此除特殊情况下，多采用公共的采样情况下，多采用公共的采样/保持及保持及A/DA/D转换电路。转换电路。要实现这种设计，往往需要采用模拟多路开关，将要实现这种设计，往往需要采用模拟多路开关，将各路信号按照一定的顺序切换到后续电路中各路信号按照一定的顺序切换到后续电路中。本讲稿第四十页，共六十二页CD 4051 模

36、拟多路开关的组成与工作原理模拟多路开关的组成与工作原理本讲稿第四十一页，共六十二页本讲稿第四十二页，共六十二页n n5 5 测量放大器测量放大器测量放大器测量放大器n n 在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包括工频、静电和电磁耦合等共往较弱，而且其中还包括工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。习的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。习惯上将具有这种特点的放大器称为惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大

37、器或仪表测量放大器或仪表测量放大器或仪表测量放大器或仪表放大器放大器放大器放大器。n n 下图为三个运放组成的测量放大器，差动输入端下图为三个运放组成的测量放大器，差动输入端UI1UI1和和UI2UI2分别是两个运算放大器分别是两个运算放大器(A1(A1、A2)A2)的同相输入端，的同相输入端，因此输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号因此输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加入到输入端上，从而保证了较强的抑制共模信号直接加入到输入端上，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。的能力。A3A3实际上是一差动跟随器，其增益近似为实际上是一差动跟随器，其增益近似为1 1。测量放大器的

38、放大倍数由下式确定：测量放大器的放大倍数由下式确定：本讲稿第四十三页，共六十二页为了提高共模抑制比和降低温飘的影响，测量放大器采用对称结构，即取R1=R2，R3=R4,R5=R6,则增益 K 可由下式计算本讲稿第四十四页，共六十二页常用的测量放大器常用的测量放大器(仪表放大器仪表放大器)AD620的典型的典型应用电路应用电路本讲稿第四十五页，共六十二页n n6 6 传感器模拟量接口的几种形式传感器模拟量接口的几种形式n n(1)(1)多通道一般型多通道一般型n n 特点：适合于中低速采样，在特点：适合于中低速采样，在A/DA/D转换器为逐次逼近转换器为逐次逼近式的情况下，必须加采样保持器。在采

39、用间接比较式式的情况下，必须加采样保持器。在采用间接比较式A/DA/D转换器的情况下可以不加采样保持器。此方案可有效降低转换器的情况下可以不加采样保持器。此方案可有效降低接口成本。接口成本。n n 结构与工作过程：结构与工作过程：本讲稿第四十六页，共六十二页n n(2)(2)多通道同时采样共享多通道同时采样共享多通道同时采样共享多通道同时采样共享A/DA/D转换器型转换器型转换器型转换器型n n特点：可以保证多路信号的相位关系，可以降低接特点：可以保证多路信号的相位关系，可以降低接特点：可以保证多路信号的相位关系，可以降低接特点：可以保证多路信号的相位关系，可以降低接口成本。口成本。口成本。口

40、成本。n n结构与工作过程：结构与工作过程：本讲稿第四十七页，共六十二页n n(3)(3)多通道并行多通道并行多通道并行多通道并行A/DA/D转换型转换型转换型转换型n n特点：适合于高速、超高速信号转换，能够保证各路特点：适合于高速、超高速信号转换，能够保证各路特点：适合于高速、超高速信号转换，能够保证各路特点：适合于高速、超高速信号转换，能够保证各路信号的相位，成本较高。信号的相位，成本较高。信号的相位，成本较高。信号的相位，成本较高。n n结构与工作过程结构与工作过程结构与工作过程结构与工作过程：本讲稿第四十八页，共六十二页4.3 4.3 传感器的非线性补偿处理传感器的非线性补偿处理传感

41、器的非线性补偿处理传感器的非线性补偿处理 n n 在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行测量、显示时，总是希望传感器及检测电路量进行测量、显示时，总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系使测量对象在整个的输出和输入特性呈线性关系使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。分析处理。n n 以往在使用模拟电路组成检测回路时，为了进行以往在使用模拟电路组成检测回路时，为了进行非线性补偿，通常用硬件电路组成各种补偿回路。非线性补偿，通常用硬件电路组成各种补偿回路。n n 非

42、线性补偿完全可以用计算机的软件来完成，其补非线性补偿完全可以用计算机的软件来完成，其补偿过程较简单，精确度也很高，又减少了硬件电路的偿过程较简单，精确度也很高，又减少了硬件电路的复杂性。复杂性。本讲稿第四十九页，共六十二页常用的非线性软件处理方法主要有两种：插值法和计常用的非线性软件处理方法主要有两种：插值法和计常用的非线性软件处理方法主要有两种：插值法和计常用的非线性软件处理方法主要有两种：插值法和计算法算法算法算法 n n4.3.1 4.3.1 插值法插值法插值法插值法 本讲稿第五十页，共六十二页n n4.3.2 4.3.2 拟合计算法拟合计算法n n1 1、对对所所给给的的数数据据点点，

43、寻寻找找一一条条曲曲线线，使使得得在在同同一一坐坐标标点点x xi i处处，曲曲线线上上的的点点与与实实测测的的数数据据之之间间的的误误差差平平方方和和最最小小，以以这这种种度度量量方方法法确确定定拟拟合合曲曲线线称称为为最最小小二乘原理。二乘原理。本讲稿第五十一页，共六十二页4.4 传感器输出信号的数字滤波传感器输出信号的数字滤波 n n 在机电一体化测控系统的输入信号中，一般都含有各种干扰信号，它在机电一体化测控系统的输入信号中，一般都含有各种干扰信号，它们主要来自被测信号本身、传感器或者外界的干扰。为了提高信号的可们主要来自被测信号本身、传感器或者外界的干扰。为了提高信号的可靠性，减小虚

44、假信息的影响，可采用软件方法实现数字滤波。靠性，减小虚假信息的影响，可采用软件方法实现数字滤波。n n 数字滤波就是通过一定算法程序的计算或判断来剔除或减少干扰信号成分，数字滤波就是通过一定算法程序的计算或判断来剔除或减少干扰信号成分，提高信噪比。提高信噪比。n n 它与硬件滤波器相比具有以下优点：它与硬件滤波器相比具有以下优点：n n (1)(1)数字滤波是用软件程序实现的，不需要增加任何硬件设备，也不存在阻抗数字滤波是用软件程序实现的，不需要增加任何硬件设备，也不存在阻抗匹配问题，可以多个通道共用，不但节约投资，还可提高可靠性、稳定性。匹配问题，可以多个通道共用，不但节约投资，还可提高可靠

45、性、稳定性。n n (2)(2)可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟RCRC滤波器由于受电容容量的限制滤波器由于受电容容量的限制,频率不可能太低。频率不可能太低。n n (3)(3)灵活性好，可以用不同的滤波程序实现不同的滤波方法，或改变滤波器的参灵活性好，可以用不同的滤波程序实现不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。数。n n 正因为用软件实现数字滤波具有上述特点，所以在机电一体化测控系统中得到了越正因为用软件实现数字滤波具有上述特点，所以在机电一体化测控系统中得到了越来越广泛的应用来越广泛的应用。本讲稿第五十二页，共六十二页 数字滤波的方法有很多种，可以根

46、据不同的测量参数进行选择。下数字滤波的方法有很多种，可以根据不同的测量参数进行选择。下数字滤波的方法有很多种，可以根据不同的测量参数进行选择。下数字滤波的方法有很多种，可以根据不同的测量参数进行选择。下面介绍几种常用的数字滤波方法及程序。面介绍几种常用的数字滤波方法及程序。面介绍几种常用的数字滤波方法及程序。面介绍几种常用的数字滤波方法及程序。n n4.4.1 4.4.1 算术平均值法算术平均值法算术平均值法算术平均值法 式中:xi第i次采样值；Y数字滤波的输出；N采样次数。N的选取应按具体情况决定。若N大，则平滑度高，灵敏度低，但计算量较大。一般而言，对于流量信号，推荐取N12；压力信号取N

47、=4。本讲稿第五十三页，共六十二页n n4.4.2 4.4.2 中值滤波法中值滤波法中值滤波法中值滤波法 n n 所谓所谓“中值滤波法中值滤波法”，就是对某一个被测量连续采样，就是对某一个被测量连续采样n n次次(一般取奇数一般取奇数)，然后把，然后把n n个采样值从小到大个采样值从小到大(或从达到小或从达到小)排序，再取中间值作为本次采样的结果。排序，再取中间值作为本次采样的结果。n n X1 X2 X3 X4X5，取X3n n 中值滤波能有效地滤去由于偶然因素引起的波动中值滤波能有效地滤去由于偶然因素引起的波动(脉冲脉冲)或采样或采样器的不稳定造成的误码等引起的脉冲干扰。对缓慢变化的过程变

48、器的不稳定造成的误码等引起的脉冲干扰。对缓慢变化的过程变过采用中值滤波有效果。中值滤波不宜用于快速变化的过程参数。过采用中值滤波有效果。中值滤波不宜用于快速变化的过程参数。本讲稿第五十四页，共六十二页4.4.3 4.4.3 防脉冲干扰复合滤波法防脉冲干扰复合滤波法防脉冲干扰复合滤波法防脉冲干扰复合滤波法 n n 将算术平均值法和中值滤波法结合起来，便可得到防脉冲干扰平将算术平均值法和中值滤波法结合起来，便可得到防脉冲干扰平均值法。均值法。n n 它是先用中值滤波原理滤除由于脉外干扰引起误差的采它是先用中值滤波原理滤除由于脉外干扰引起误差的采样值，然后把剩下的采样值进行算术平均。样值，然后把剩下

49、的采样值进行算术平均。本讲稿第五十五页，共六十二页4.3 智能传感器智能传感器4.3.1 智能传感器的概念智能传感器的概念 智能传感器是由传统的传感器和微处理器(或微计算机)相结合而构成的,它充分利用计算机的计算和存储能力,对传感器的数据进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使采集的数据最佳。4.3.2 智能传感器的功能与特点智能传感器的功能与特点智能传感器的功能概括起来主要有以下7个；(1)自补偿能力自补偿能力:通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间 等进行自动补偿。(2)自校准功能自校准功能:操作者输入零值或某一标准量值后,自校准软件可以自动地对传 感器进行在线校准。(3)

50、自诊断功能自诊断功能:接通电源后,可对传感器进行自检,检查传感器各部分是否正常,并可诊断发生故障的部件。(4)数值处理功能数值处理功能:可以根据智能传感器内部的程序,自动处理数据,如进行统计 处理,剔除异常值等。本讲稿第五十六页，共六十二页(5)双向通信功能双向通信功能:微处理器和基本传感器之间构成闭环微处理器和基本传感器之间构成闭环,微处理机不但接收、处微处理机不但接收、处 理传感器的数据理传感器的数据,还可将信息反馈至传感器还可将信息反馈至传感器,对测量过程进行调对测量过程进行调 节和控制。节和控制。(6)信息存储和记忆功能信息存储和记忆功能。(7)数字量输出功能数字量输出功能:输出数字信