第二章 检测与传感器.pdf

第二章检测与传感器 2.1概述-2.2线位移检测传感器-2.3角位移检测传感器.4速度、加速度传感器 总s-Jhl办传感器 2.6传感器的正确选择和使用 2，检测信号的采集与处理2.1概述 一、定义及分类：T、定灯神器是将力；温度、位移；速度等量转换成电信号的元件T专感器技术是机电一体化的第一基础”2、分类 物理传感器 按能量变换的功能分7 Y匚化学传感器 按输出的信号分:非电量型（有接点型（微动开关，接触开关，一代.行程开关）传感器,r 一值型I无接点型（光电开关，接近开关）一 电阻型（电位器，电阻应变片）一_I由黯 I，模拟型 电压，电流型（热电偶Rs电池）【电感，电容型（可变电容）r计数型（二次型+计数型）I数字型1/代码型（旋转编码器，磁尺）:、传感器的基本特性以传感器的静特性工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着I（）.线性度r 传感器的线性度是指隹感器实际输出一输入特 wa与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即Amxl00%ys:、传感器的基本特性（2）,灵敏度j感器的灵敏度是指传感彝在稳定标准条件里厂 输出量的变化量号输入量的变火量之曲Q _ AyS o.迟滞传感器在正（输入量增大）反7输入量减小）行 程中叶输出=输入特性曲线不重合的程度称为底 滞，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示Yh=土Mxioo%yps八传感器的基本特性(4).重复性传感器在同一条件下;被测输入量按同一方作全 基程连续多次重复测量留，脐薄输加一输入峥电 示一致程度祢重复函|重复衽误差帚满量程输畸 有分数表示卜即近似计算”=血义io。Is精确计算加=y，&-7仙T)八传感器的基本特性5,分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨加 在输入 零点附近的分辨力称为阈值。6.零漂 一一晟器在零输入状态聿-输出值的变化称为零漂L 零漂局用相对误差表亲，也司楠维对误差表示。八传感器的基本特性 2.传感器的动态特性产伐感器能测量动态备号南能力南动点特性就 示。一动态特性是指隹感器测量动态信或 对输入的响应特性J传感器动窸特性的性能指标F以通过时域、频域以次试验分析的方法确定广 其动态特性参数如二-fcM调量、时间、调 整时间、频率响应范围、临界频率等。三、传感器的发展方向-1.新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律,由此舄发人们进一隹发靓新现象、来霸新原一一 理、另发新材料、采Jt新工艺制出具有 新原建的新型物性型传感器，这是发展高住能、多T能、卷成本和小型化传感器的重要途径兔名一 思感器正经历着从以结构型;为主转向以物性型为主三、传感器的发展方向 2.传感器的集成化和多功能化r随着微制除微细笳工技术和集成福工艺等 方面图发展F出现了多利集成化传感器这类传 感器，或是同题能的多个排列成线 性、面型的阵列型隹感器；翅多种不同功能的 敏感元件集成N体e为可同时进行多种参数测 量的挂感翳或是挂感器与放大、运臬温度许 偿等电路集成一体具有多种功能实现了横向 和纵向的多功能。三、传感器的发展方向 3.传感器的智能化电五官”与|电脑驾怫合感器的智 能化J智能化榜感器不仅喷信野检测、黄换斑 能F府还具有记忆、存储、解析、统带处理及 自诊断、自校淮、自适应等功能。帼I步露阴 感器与计算机的这昼功能集成铜一芯片三，就 成为智能传感器。BACK2.2线位移检测传感器 一、光栅位移传感器-岸撼向孤n一-三、磁传感器1.标尺光栅2.指示光栅|3.光电元、光栅位移传感器 2、工作原理把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间 有较小的夹新这时光栅生叁亩现若干条明暗相间的条 纹，这种条纹称莫名条签 图的沿着与光栅条纹几乎垂直的 方向排列，如图所示。、光栅位移传感器莫尔条纹具有如下特点：眄|莫尔条线的杜移耆光栅用移动成出例一光栅每 移动过野栅距一莫尔条纹就移动过一个条_纹间距B _叼莫森纹具有位移放大作用;国麻亥葡距Fw光栅条纹夹角之间关系为-B=卬2 sin 2 3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。、光栅位移传感器f-通过光电元件中将莫尔条纹移动时光强 的变化转换为近似1弦变就的电信号图所示。其电压为：。=。0+。机sin冬 W一、光栅位移传感器-将此矗禧号放大、整形变换为方波，分转换为脉济偏号内经辨荷电路和 计数器加数L则可用数字弦式显系出 位移量，位移量等吊脉冲与栅距乘积。测 量分辨窣等于栅距。三、感应同步器-4.感谢步器酬定尺侬基板（钢、铜）绝缘粘胶一铜箔一耐切削液涂层 一铝箔节距2 T(2mm)带距,(0.5mm)._4滑尺八感应同步器 包括定尺和滑尺,用制造印刷线路板的腐蚀方法痛定尺和滑尺上制成(节跑将L般为2m十的方 齿形线圈定尺绕组是连续的L滑尺上分布着两 个励磁绕组，芬列麻为正弦绕釉1余弦绕组。1 定穴绕组相莅留同时7余弦绕组与定 一a绕虫错显主距。滑尺.和定尺相对垩行安 装,其间保持平定可隙(0|05H0|2mrfi)o I八感应同步器12感应同步器的王作原理 r-在滑尺的绕组中卜施函频率为人（0般为一-I 2310kHz）的交变电流时，港尺绕组感应出频 率为，的底应用动势。感应电动势的次小肾滑尺和-定尺的相对位置有关。设正弦绕组供豌压为所 余弦绕组供电电压为Uc；移动距离为x,节题为了则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为U.=KUs cos 360=KUs cos 02 T二、感应同步器余痴眸aM精势 U.=KUcsin 工 360=KUc sin 0 z T由于感应同步器的磁路系统量视为线性叠加，诉以定尺卫笈质感应电势为I I!1/U2=u2+。2=KUsCOS0KUcSin0三、感应同步器式中：K定尺与滑尺之间的耦合系数；*0定娉滑良相对展移的角度聿示量角 度）8=（关）360。二竿7节距丁表示直线感座同步器的周期式直线感应同步器的节距为2mm 利用感应电压的变化可以求得位移X,从而进 行位置检测。八感应同步器 3.测量方法 根据对滑尺绕组供电方式的不同.以及对输出 电压檎测方式的不尚，感喇彝的测量方式荀和嚼翻匹藤悭【侬八感应同步器-(1)鉴相式工作法滑尺的曲个励磁绕质分期施加相一同频率和相同 幅值，但相位相差90。的两个电压，设Us=Um sin COt Uc=Um COS G)t!W U2=U2+02 乙 乙 乙=KUm sin cot cos 0+KUm cos cot sin 0-KUm sin(m+0)从工式可以看出，只要测得相角!就可以知道滑尺的相对位移X：o 丁x=-T360八感应同步器 2,鉴幅工作法早一W尺的两个励磁绿组上分别施加相同频率和一 位,但幅值不等随时交流电压Us=-Um sin。sin cot Uc=Um cos。sin cotf ff_ 贝!J：U2=U,+U?_-KUm sin（。一 0）sin cot由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。三、磁栅位移传感器-1.磁栅式位移传感器的结构0 o03a2S、NS N NNN SS NSS1o励磁电源r、6入输出信号-o71磁性膜2基体3磁尺4一磁头5铁芯6一励磁绕组7拾磁绕组三、磁栅位移传感器 2,原理：开端软磁筋料制成的铁理绕有两个绕组建个为 励磁绕纸穿L个为拾磁绕始k将高频励磁电流通人-励磁绕组时，1当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电 压为：u=Uosin2sin。/A_uQ输出电压系数；_L_LJ_J_式中：2磁尺上磁化信号的节距J/工磁头相对磁尺的位移；3励磁电压的角频率。在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向三、磁栅位移传感器 3.测量方式(1)鉴幅测量方式F翘需豳；磁头者防霸号昨出，海高频载波滤 掉后则得到相位是为聘 2轴两组信号/i=/osint/2=t/oCOS2兀x2 171X 丁 两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正(余)弦信号，经信号处理后可进行位置检 测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受 到录磁节距几的限制，若要提高分辨率就必须采 用较复杂的信频电路，所以不常采用。三、磁栅位移传感器-2.鉴相测量方式I将一组磁头的励磁看号.相9 01 则得到输出电 压为 UinUosin21 cosoi/l/y j 丁 丁 rTC JC U 2=c/ocossm/14和电路中相加得到磁头总输出电压为丁丁 j t,(2tc U=(7 o smIX上+斯)则合成输出电压u的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置X变化而变。读出输出信号的相位，就可 确定磁头的位置。13角位移检测传感器 一、旋转变压器 野、电融器、旋转变压器 1.结构如图所示.旋转变压器鼻般做 立成防极电机的形式。子才有激磁绕组一 Ism助绕组*留*的_ 轴线相互成9 0 1茬T 痣茎E看两不输出绕组正弦输出绕组和余弦输出绕组,这两个绕组的轴线也互成90 ,一般将其中一个绕组（如Z1、Z2）短接。、旋转变压器 2.原理P-旋转变压器在结构除两痛绕组式异步电机 相似,由雪和转聚组成。召以一定频氢（频率 通常为d00Hz、500Hlz doOOHz及 5W0rmz#）的激转子绕组的电压幅指与转子转角成歪弦、余弦函 数关系；或在早定转角范围内与转角成正比关 系=种旋转变压器称为正余弦旋转变压器1 适用于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋 转变压器，适用于小角位移的相对测量。、旋转变压器 3.测量方式 当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相 差为90。的交变激磁电左舒,便髓转子嚎殖即 得到感应电势线性叠加原理；归3为 激磁电压U1和U2的感应电势之和，即U1=Um sin cotU 2=Um cos cotU3=kUisinO+kUi sin(900+0)=kUm cos(的一 9)式中：k=w.l w2旋转变压器的变压比 皿1、转子、定子绕组的匝数、旋转变压器线性旋转变压器实际 里也是是余弦旋转变压 器,不同的是线性旋转支 压器采用强建的变压比-川和接线号段，如右图。这样使得在一定转角范围 内（一般为霸0）|7其 输出电压和转子转角力两 线性关系.。一此将输出电压 为：I TU 3=kU 1sin。1+左 cos。八光电编码器 L增量式 编码器结构Z Z B B A A八光电编码器2.增量式编码器工作原理鉴向盘与主码盘平包器!I有a、b两组透明星 检测窄缝厂暂件彼此错开廿笆节距R以使A、3两 个光电变换器的输出信号在斜位上相差90。0工 作时7鉴向盘静！怀动；主码盘与转轴事起转 动上光源发出的瞿搀射到主码盘殳鉴期盘上。当 主码盘上的不透血茴正建耳鉴向盘上的透明窄缝 对齐时/光线被全部遮住，光电变换器输出田压 为最小；当主码盘上的透明囱正好与鉴向盘上的 透明窄缝对齐埠光线全部通过,光电变换器输 出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光 电变换器将输出一个近似的磔波电压，且光电 变换器A、B的输出电压相位差为90。经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方 向。八光电编码器F3腌对式编码器原理对式编码器是把被测转角通过读取码盘上 的图案诉直接转换成晅龈码的粒测褥。编 F盘割捕式、接触式和电藏式号神。一一；一光靶式码盘是目前应用较多的鼻机 它是在透明材料的圆盘更精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道厂在同一个码道上 印制黑白等间隔图案，形成一套编码二、光电编码器黑色不透光区和白 色透光包胡IJ代表二 进制的国弼和1。在 一个四应光电码盘 上圈数字码 道“每个码道表示 二迸制的四检，里侧 是高位厂外侧是低位，在360。范围内可编数码数为2 4=16 个。八光电编码器 工作时，码盘的一 侧放置电源一铲法 放置光电接受装置，每个码道都对应有一 一光电管及放大、整 a路。潮盘转到不同位置，光电完件接 受光信号应的电信号、经放大 整形后，成为相应数 码电信号。三、光电编码器 II绝对式编码器非单值性误差的消除（1）.循环码盘 I-（或称格雷码盘）I-右图所示为四位二 I-进制循环码。这种 I-编码的特点是任意 I-相邻的两个代码间 I-只有一位代码有变 I-化，即nrf变为“1-或呻变为穴）兀工I-此，在两数变换过-程中，所产生的读 I-数误差最多不超过 I“1”，只可能读成-相邻两个数中的一个数。%1O三、光电编码器（2）.带判位光电装置 的二进制循环码盘演盘最外圈露 F#位的位置fai号 状态交线错开；只 T 信号位处的光凿笆 件有楂号时才读数,这样就不会产生靠单值性误差。1000o r-Hg o00102.4速度、加速度传感器-一、直流测速发电机-二、光电式速度传感器-三、差动变压器式速度传感器-0、加速度痛感器-、直流测速发电机测速发电机的结构有多：种,但原理基本相同J图2 1 7所示为永磁式测速发电机n原理也路图。值侬磁通艇 子产毒一当转手卷磁场用旋 转时电枢绕组中野生叁 变的电势，经换向器和电刷 转换成拒比的直流电势。r 直流测速发电机在机电控制系统甲F要用作测 速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就 已安装了测速发电机。二、光电式速度传感器-光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度/通过光电池-的遮挡板砰地电池输翳阶跃电压信 FF经微分电路形成两次脉冲输出，测出两脉冲 之间的时间间隔43则可测得速度为V=Ax/A?、光电式速期感器光电式转速传感器是曲装在被测轴（或与被测轴相连接 的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光图器件和指宗缝隙留 盘组成，如力图函示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示 缝隙盘照射到光电器件上r当缝隙圆盘随被测轴转动k 圆盘每转二蚀电器件输唱圆盘缝隙数相等的电脉 冲；根据测量丽布的脉泞数忙嗣n得转速为一 60 N三、差动变压器式速度传感器动变压器式除移外干还嬴量速 度。其工作原理如下图!所易。差动变压器式的原/边线圈同时供以直流和支流电流，用丁I i(t)=/o+Zmsin cotdx dt加法器跟随器跟随器低 通 滤 波 希放大器Uv减 法 器差动变用器式速度传感器差动受压器以被测速度dxA/t陶时丁在 询两个线圈中产生感疮笆势丁将标们的留值通 过低通滤波器滤除励磁胃频角频率后)遮僵亚 速度v(m/s)相对应的电压输出，即Uv=2klov差动变压器漂移示其主要性能为：测量范围 012000取m/|s(可调),输出电压土AoV(max),输出电流土耳OmA(max),频带宽 度 2500Hz。四、加速度传感器/作为加速度检测充件的加速度传感器有多种形 式了百阿F作原理大多富稠艇康量受加速度 所限的惯性少而造成的各种物理效应进*步转 化成电量来间接度量概测加速度一最常用的有应 变片式和压电式等。四、加速度传感器喷阻返式加速度让结构原理如卞图所示F 由 重堀 悬臂梁、应变片和;阻尼液体等构成Q当有加速 度时/量块受力悬臂梁野曲,按梁上曾是的应变片 生变形便可测出力的大小卜跪知质量的情猊下即可 计算出被测通速度。壳体内灌满的粘性液体和为值星 乏用；这系统的固宥频率可以做蕾很低。l悬臂梁充以阻尼液体的壳体z0(O应变片Z1m四、加速度传感器压电加速度传感 器结构原理如右图 所示。夜用k器固定星被测物 体上！感受该物体 的振动惯性质量 块产生惯性加使 殖电元件声生变的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对 被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围 广、动态范国宽、灵敏度高、应用较为广泛。四、加速度传感器下图为兽种的阻尼的电容题速度传感器：该传感器采用差动式结构一两企固定电极两极板之间有粤用弹簧支 撑的质量块丽量块的两端经过磨平抛展后作为时动极板。当传感器测量垂直方悯的振动时T于质量块的惯性作用,使两固定极相对质量块产生位移，使电容C1、C2中一个增大T另鲁个减小；它们的差值正出于被测加速度。这种加速度传感器的精度较高，频率响应范围宽，可以测得很高的加速度值。Ci32m测力传感器（一）柱式弹性元件柱式弹性元存有圆柱形、帆筒形等隔。如下 图标。这种弹性元褥构简单、承载能薮T主 与用于中等载荷和大载苻竭达数兆牛顿）的拜 _（压）力传感器。PII 0 IIPa)BDc)2.5测力传感器-2.悬臂梁式弹性元件其特点是结构简单、F工卷便、摩片粘 贴容易、灵敏度软 高。一主要用于小载 荷、高精度的拉、压 力传感器中。可测量 0.01牛籁到几千牛 f的拉、任力一。在同B P0（琦Cb飞一截面正反两 对称表面上。皇 力的关系为：i唾客版先廖在阂 向自由端有一被测力产 6PLg-bh2E2-6传感器的正确选择和使用-一、传感器的选择-9、荔感器的正确使用二传感器的选择I测试要求和条件浮！I量目的、被测物理量选 持 测量范围、输入信层最大值和频带宽度、测 量精度妻求、测量麻需时语录等J 丁 if_传感器特性I精度、周定性、响应速度 输 由量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周 期、输入端保护等。3使用条件壬南地丽（温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率 容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。二、传感器的正确使用 1.线性化处理与补偿F量枳r#化测控系统荷特别是需对被测参 量进行显示时，总是希里传感器及检测电路的输 出和输入特性量残性关系使对重对象在整个刻一 周内灵敏度要致便王读数及对系统进彳匚 分析处理。rd传感器的标定 r一传感器的标定厂就是利用精度高典级的标准量 具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量 和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用 条件下的误差关系。传感器使用前要进行标定，使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性 能是否满足原设计指标。传感器的正确使用 3,抗干扰措施/一传a 器夫多要在嗫斯重什丽现场的条件往往/.不可预料的，有时蜷极其恶劣的。各种外界因 素要影响辆器的精度和性能I耳在检测系统Tii干扰曷畸重要的班式是在微弱输入信号的系统中。常采展的抗千胱措施有 地、隔离和滤波等。j ：|二、传感器的正确使用(1)屏蔽-屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传输导线、电路及组合件包围起来，以隔离内外电 磁或电场的相互干扰。屏蔽可分为三种，即电场 屏蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽。(2)接地-电路或传感器中的地指的是一个等电位点，它是电路或传感器的基准电位点，与基准电位点相 连接，就是接地。K传感器的正确使用(3)隔禺 当电路信号在两端接地时，容易形成地环路电流，引起噪声干扰。这时，常采用隔离的方法，把电路的两端从电路上隔开。隔离的方法主要采 用变压器隔离和光电耦合器隔离。(4)滤波 虽然采取了上述的一些抗干扰措施，但仍会有一些噪声信号混杂在检测信号中，因此检测电路 中还常设置滤波电路，对由外界干扰引入的噪声 信号加以滤除。2W检测信号的采集与处理-一、检测系统的组或一早模拟量的转换利人 三、数字信号W预处理一、检测系统的组成 1.模拟信号检测系统 振荡器用手对传感器信募进行调制，并为解调 提供参考信号J if Tn V T尸 量卷变换至路的作用是避免放大器饱和并满足 不能懂危围的需要；:_ _IT解调器用竽将已麻硝恢复成原有形式；振荡器一、检测系统的组成 滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表 被测物理量的普效信号v运算电路可对信号进符各种处理,以正确获得Tf需的物理基 其功能也用在对信号进彳手模/数转 换jf,i数字*算机来展现尸 亍侬现皿回lw豺酝的信号去控制执行机构n在不需要执行机构的 检测系统中，计算机则将有关熊送去显示或明 印输出心.S检测系统的组成OI数字信号检测系统显示、执行机构一 译码器一码制变换一 纠错电路+放大整形.光电转换一传感器数字信号检测系统心蹒砒砥麒码数字/器输出的编码骞被测h当传感有三I里对应称为绝对码。绝对码检测系统如右图所示L每一码道的状态由相应光电元件读曲经光电转换和放大整形后得到与被测量相对应的编码。纠错电路纠正由于各个码道刻划误差而可能造成的粗大误差。采用循环码（格雷码）传感器时则先转换为 二进制码，再译码输出。S检测系统的组成当传感器输出增量码信号E信号变牝 的周期数后被测量成 正霭其增量码数字 信号检测系统的典型 组成如右图所示。显示执行一计算机一寄存器 计数器 厂.细分电路H整形电路 放大器一传感器辨向电路传感器的输出多数为正弦波信号，需先经放大、整形后变成 数字脉冲信号。但在多数情况下，为提高分辨率，常采用细分电 路使传感器信号每变化1/个周期计一个数，其中称为细分 数。辨向电路用于辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的 被测量不便读出和处理时，需进行脉冲当量变换。计算机可对信 号进行复杂的运算处理，并将结果直接送去显示或打印输出，或 求取控制量去控制执行机构。其模拟量的转换输入E模拟量的转换输入方式4种传感器一放大a)总 线传感器传感器控制器总 线传 感 器 输 入多路模总 线b)并行输入口总线二、模拟量的转换输入-2.多路模拟开关多路模拟开关又称为 多路转换开关，简称 多路开关，其作用是 别或依次把各路检 测信号与alclM换器 接通,以节省A/D转右图表示一个8通道的模拟开关的结构图，它由模拟开 关SO S7及开关控制与驱动电路组成。8个模拟开关 的接通与断开，通过用二进制代码寻址来指定，从而选 择特定的通道。2?AiENAoV DD(+15V)地。V ss(-15V)电平转换电路16 15Ao V ss14 1312 11V DDSi OUT S2AD750110 9S3 S4Ai GND EN1 2 3A24S8 S75 6S6 S57 R译码驱动OUT Si-OS2上图是AD7501型多路模拟开关集成芯片的管脚功 能图，这是具有8路输入通道、1路公共输出的多路开关 CMOS集成芯片。由三个地址线（40、41、A2）的状 态及日V端来选择8个通道之中的一路，片上所有的逻辑输入端与TTL/DTL及CMOS电路兼容。其真值表如下:-、模拟量年换输入 1 N 1EN“ON”_0_ _0-01001r 1 _ 2003-04 1-(T0i501i611011711 t/i/8XXX0无二、模拟量的转换输入 3.信号采集与保持尸丽胃采集T就糠0#连续的信号变成窜不 续的脉冲时间序列的近程。_4i号采样是通过采_ 样开关来实现。采样开关又）称采样器,实质上它T鲁个模拟开关T每隔时间忖隔稠合号次T每 次闭合持续时向,其,，摘为采样周期，其F数左二可厂Ww 样频率。称为采样时间或 与样赛购等样后的脉冲序列称为采样信号仔 样信号是一个离散的模拟信号，它若时间轴上是 离散的，但在函数轴上仍是连续的，因而还需要 用A/D转换器将其转换成数字量。K模拟量的转换输入对2转换过程需要一定时间,为防止产 生礴重求在此期 间内保持采样福舜 变。后现这期能的 电路称采样/保持电 路。bCUc。典型的采样/旗持电路由模拟升关、保持电容和运 算放大器组成如右图所示。K模拟量的转换输入运算放大器N1和N 2接成跟随器，作缓冲器当控制信号曾为高电牛时场效应管V%通,对输入蓿号采样。输入懵号的通过N阿南用容 凭电/并通过N瀚出巴）甘比于N 的输出阻抗很 尔的输出阻抗很长而在4导通期向g=4。当/为低电平时，Vf截止电容C将采样 器间的信号电平保持下来，并经N逐冲后输出oUc数字信哪预处理传感器的输出管t被采入讳算机后往往要先进 行适当的预处理其目的是去除混杂在有号 中的各种干扰/并对检测系统的非线性、熟误 差和增益误差等进行木嘴和修正数字信号预处 理一般用软件的方法来实现。1.数字滤波数字金波实质上是一种程序滤波F模拟滤 波相比具有如下优点丕需要额处的硬件设 备,不存在阻抗匹配问题，胸以使多个输入通道 共用一套数字滤波程序，从而降低了仪器的硬件 成本。可以对频率很低或很高的信号实现滤 波。可以根据信号的不同而采用不同的滤波方 法或滤波参数，灵活、方便、功能强。数字信哪预处理值滤波-中值滤波方法对缓慢变化的信号中-由于偶然困 素弓起的脉粒毛扰具有良好的滤除效隹 惠愿型 是,对信号建矍进行n次桌犀 然后对采样值排 序L并取匡烈史位便作为卷槎直效蜃程陛法 就是通用阖排序黄法。米簿次数一艘取为关争3的奇数。(2).算术平均滤波算术平均滤波方法的原理是1对信号连续进行 次采样，以其算术平均值作为有效采样值。该 史法地里力此航量等县直用理脉娟点的值号具 有良好的滤波效果。米样次数遢大，滤波效果 越好，但灵敏度也越低，为便于运算处理，常取 n=4、8、1 6 o数字信哪预处理-(3).滑动平均滤波-越方法采用循环区列推 为采样数据存储器T哂 固定7)-争进轴N 次新的采样，把采样数据 放入队尾来队看 的鼻个数据。这样,归队 万甲始终有万个最新的数据，:这个最新数据笔 取平均值，作为此次采样 的有效值。这种方法每采 样厂次，便可得到一个有 效采样值，因而速度快，实时性好，对周期性干扰 具有良好的抑制作用;入口 采样一次新值放入队尾冲去旧值修改队尾指针全队列数据求累加和求平均值 0 1三、数字信号的预处理(4).低通滤波雪被测高号缓慢变才时刑采用数字低通滤波 TJ方法去除毛鼠 数字裾通滤波器是用软件算泻 _来模拟硬件低通滤波的功能。I 一阶RC低通滤板器的微分方程由IIu-=iR+uo=RC+u0=t-+uo1 dt dt 数字信哪预处理 式中：7=RC是电路的时间常数。用X替代7r y替代瓦；将微分方程转换成差分方程F 整理得：-9）=总X（）+/）_式中A，采样周期；X（）本次采4口七1力今一本次和士改的滤波器输 出值。取。=At/（工+At）,则式（247）可改写成Y(几)=a X()+(1 4)丫(n-1)数字信哪预处理T一由里式可见滤波器的本次输陆值主要取好其上次输出值，一本次采样值对滤波器输出仅有较原的修正作用,因此该滤波器算法相当于一个具有 较大惯性的一阶惯性环声T模拟了低通滤波器的 功能，其截止频率为aac=1=一 X27 2 AzQ-cif)2 Az数字低通滤波程序流程图如下:量、数字信号的预处理返回a数字信号的预处理 2.静态误差补偿-(1).非线性补偿-下图为碗器的菲蝮桂校定素统？当程感器建丽电路至闻D转换器的输入输甑有腼性小(明图嘛可 按下图配示的反罪线阵特桂进横换j进横I线性的校 正 ewM与输入口理B直线关系不如希图所示、u0X:传感器及其A/n 调理电路微型计算 机/处理器XiXib)c)d)a)x二 0Uuuy=x0X数字信哪预处理软件校好线性的方法很多，概括起来有方K表延和睛值法前拟合法等。面介绍曲线拟合逼 这种方法是采用制次多项式来逼近本线性曲 T7该多项式方程的各个系数由最不二乘法桁-定。其具体步骤如下：城对传感器及其调理k路进行静态标定,得 校准曲线。标定点的数据为 输入 x/：x1,x2,x3,xN 输出 ui：u 1/u2,u3,./uN N为标定点个数,i=1,2,N三、数字信号的预处理-b.设反非线性特性拟合方程为%.(%)=%+%+a2uf.+a)xCao,a“a2,aa0为待定常数 七力求解待定常数A)1万厂前海慎 一1、三乘法来确定待定常数的基本限;想是叶由王式确定的各心i_(U1)值与各个点的标定值X1之均方差应最小，即：i I I xi(Ui)-Xi=(2o+aUi+aiuj+anu-)-Xi2i-最小值=尸(4o,i,an数字信哪预处理所以对该函数求导并令它为于即令dF(4o,_八砺 二UdF(daiJ_ qdF(danJ。几)_ Q从这/?+1个方程中可解出，a0,a1,W.an/等n+丁个系数z就可写出反非线性特性拟合方程 式。有了反非线性特性曲线的“次多项式近似表 达式，就可利用该表达式编写非线性校正程序。三、数字信号的预处理-(2).零位误差补偿-检测系统的瓢误差是由温度漂移和时商漂移引起一 的。采用软柞对零位误差进行补偿的方法又称数字调零,其原理如下图所示。匚7/多路开关检测及放大电路微 a A/D 型 机零信号输入扈、数字信哪预处理多路模拟并对胜微型机控制卡将程中路被测 信号接通,二井经测量及放/电路和虚D转换器 后！将留采入微型机L在测量时，先将多路天 关接通某悯然后那其切换到零信官输 入端，-由微型机先后对被测量和零信封进行采 样,设采样值分别为X和ag其中ao即为图像误 差由微型机执行而列运算T丁=-aOT就可得到经过零位误差补偿后的采样值y o号 信 测 被R U 号 信 准 基多路开关检测及放大电路微型机UD/A零信号输入数字信哪预处理-(3).增益误差补偿增益误差向 样是由温度漂移和时间漂移等引起的。增益误差补偿又称校准2校准时，在微型机控制可先把多路开关魁如图所示广得到采样管 ab,然后把多路而关接基准输入UR；得到采样 值xR,并寄存aO和x。在正式测量时J如测得 对应输入信号U渤采雕为Qa输入信号可按 下式计算J丁 丁一厂丁一厂丁一7一Ui=UrXr。o 采用上述校准方法可使测得的输入信号u/与检测系统的漂移和增益变化无关，因而实现了增益 误差的补偿。