第三章 - 测量模块
发布时间：2020-02-28 09:33来源：未知
第三章 测量模块
一、复习建议
本章在历年考试中，分数为12分，建议学员全面掌握,重点复习。从题型来讲包括单项选择题、计算题和简单应用，对于一些公式、概念要加以重视。
二、本章考核知识点
1）传感器测量装置在机电一体化系统中的作用，机械量测量传感器分类；
2）常用机械量测量传感器及霍尔电流传感器；
3）传感器测量装置基本特性—静态特性和动态特性；
4）信号调理电路—前置放大器和滤波器；
5）常用数据采集系统—转速、转角或位移数据采集系统。
本章近几年考试分值：
选择题 简答题 计算题 简单应用 综合应用 合计
1（2） 5（4） 6（8） 12
1（3） 5（） 6（9） 12
1（2） 5（4） 6（3） 12
1（3） 5（4） 6（8） 12
1（2） 5（4） 6（9） 12
1（7） 5（4） 6（9） 12
在机电一体化产品中，无论是机械电子化产品（如数控机床），还是机电相互融合的高级产品（如机器人），都离不开检测与传感器这个重要环节。若没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的自动检测，那么信号转换、信息处理、正确显示、控制器的最佳控制等，都是无法进行和实现的。
第一节 传感器的分类
传感器的分类及发展趋势
传感器发展方向：集成化，多功能化，微型化和智能化
第二节 传感器特性
在机电一体化系统中有各种不同的物理量需要监测和控制，这就要求传感器能感受被测非电量并将其转换成与被测量有一定函数关系的电量。传感器所测量的非电量是处在不断的变化之中，传感器能否将这些非电量的变化不失真地转换成相应的电量，取决于传感器的输入—输出特性。传感器这一基本特性可用静态特性和动态特性来描述。
1.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。
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
式中 ——线性度；
——最大非线性绝对误差；
——输出满度值。
用最小二乘法拟合非线性是最好的方法。
2）灵敏度
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
式中 ——灵敏度；
——输出量的变化量；
——输入量的变化量。
对于线性传感器来说，其灵敏度是个常数。
3）迟滞
传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出——输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，如图所示。迟滞误差一般以满量程输出 的百分数表示
式中 ——输出值在正、反行程间的最大差值。
迟滞特性一般由实验方法确定。
4）重复性
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—输入曲线的不一致程度，称重复性，如图所示。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即
近似计算
精确计算
式中 ——输出最大重复性误差；
——第i次测量值；
——测量值的算术平均值；n——测量次数。
重复性特性也用实验方法确定，常用绝对误差表示。
5）分辨力：传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。
6）零漂
传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。
2.传感器的动态特性
传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。传感器能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。
1）时域
上升时间tr：响应曲线从零时刻首次到达稳态值的时间。
峰值时间tp：响应曲线从零时刻到达最大峰值的时间。
最大超调量Mp：响应曲线最大峰值与稳态值的差与稳态值之比。单位阶跃输入时，即是响应曲线最大峰值与稳态值的差。
调整时间ts：响应曲线达到并一直保持在允许误差范围内的最短时间。
延迟时间td：响应曲线从零上升到稳态值的50%所需要的时间。
振荡次数：在调整时间内ts内响应曲线振荡的次数。
上升时间，峰值时间，调整时间和延迟时间反映快速性，最大超调量和振荡次数反映相对稳定性。
2）频域
——谐振角频率； ——谐振频率； ——复现频率，即在幅值允许误差范围内最高工作频率，0- 称为复现带宽； ——闭环截止频率
实际使用中，还可以采取某些措施改变传感器性能，如
1）差动技术—可消除零位输出和偶次非线性项，抵消共模干扰，减小非线性
2）平均技术—常用的平均技术有误差平均效应和数据平均处理。误差平均效应是利用n个传感器同时感受被测量，其输出是这些单元输出的总和。数据平均处理是在相同条件下测量重复n次，然后取平均值，多数情况下平均技术会使随机误差近似减小 倍。
3）稳定性处理4）屏蔽和隔离5）闭环技术
第三节 位移传感器
旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。它主要用于坐标变换、三角运算和角度数据传输，也可以作为两相移相器用在角度--数字转换装置中。
一、旋转变压器的工作原理
由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子(旋转一周)之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律，因此，当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电势。
旋转变压器一般采用正弦绕组的绕组形式,可以保证定子和转子之间的气隙磁通呈正余弦规律分布。当激磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势。根据互感原理工作，平行时互感最大，感应电动势最大；垂直时互感为零，感应电动势最小。单极情况下，输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间中的位置。
当 ，
当 ，
式中: E 2—转子绕组感应电势； V1—定子绕组励磁电压 V1=Vmsinωt；
Vm—电压信号幅值； α—定、转子绕组轴线间夹角； K—变压比
（即绕组匝数比）
1.鉴相方式
正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差90º的正弦交流电压
旋转变压器感应电势与定子绕组中的激励电压为相同频率、相同幅值、但位差相差α。
2.鉴幅方式
正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压
感应电势（E2）是以ω为角频率、以 为幅值的交变电压信号。若电气角α电已知，只要测出E2 幅值(利用E2 =0)，便可间接的求出机械角α机 ，从而得出被测角位移。
二、感应同步器的工作原理
感应同步器是一种电磁感应式多极位置传感元件，利用电磁耦合原理，将位移或转角转变为电信号的位置检测元件。
感应同步器按照运动方式分为：
旋转式：用来传感和测量角度位移信号；（定子和转子）
直线式：用来传感和测量直线位移信号。（定尺和滑子）
1.旋转式感应同步器
定子和转子呈环形辐射状，定子有两相绕组（分段式）；转子绕组（连续式）。
2.直线式感应同步器
感应同步器工作原理
滑尺的两个绕组中的任一绕组通以交变激磁电压时，由于电磁效应，定尺绕组上必然产生相应的感应电势。该感应电势频率与励磁信号频率相同，大小与定尺、滑尺的相对位置有关。
1）鉴相方式
正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差90的交流电压：
分别在定尺绕组上产生感应电压：
2）鉴幅方式
正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：
感应同步器的特点
安装：
定尺与滑尺之间的间隙应控制在0.25±0.05mm范围内，间隙变化控制范围0.01mm
特点：
精度高：
测量范围大
环境适应性强
维护简单、寿命长
三、光电编码器
光电编码器有绝对编码器和增量编码器。
增量编码器结构简单，价格低，精度易于保证。增量编码器在A和B上输出一对相位差90度的近似正弦波。
【例题】增量式编码器与10cm直径的跟踪轮一起使用，编码器为2000线，确定每个脉冲的位移，以及为了测量7m距离所需计数器的位数。
【答案】
每个脉冲的位移=（3.14*10）/2000=0.0157cm/脉冲
测量7m（即700cm）所需脉冲数=700/0.0157=445859.9
取整为445860
因此所需计数器的位数为19位。
【知识点】光电编码器应用
四、光栅
光栅是一种新型的位移检测元件，可分为投射光栅和反射光栅。光栅由标尺光栅和指示光栅组成。
标尺光栅一般固定在机床活动部件上，指示光栅安装在机床固定件上。
指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个角度θ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置，在光源的照射下，位于几乎垂直栅纹上，形成明暗相间的条纹。------莫尔条纹
莫尔条纹的放大作用:用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，θ(rad)为光栅线纹之间的夹角。
第四节 速度传感器
测量速度的传感器有测速发电机，磁电式转速表、光电式转速传感器及激光多普勒测速计等
1.直流测速发电机
是一台微型的直流发电机，输出是与转速成正比的直流电压，可分为电磁式和永磁式两种。
直流测速发电机的特性可表示为：
其中
E—测速发电机输出电压
—电动势系数
—速度（r/min）
—角速度（rad/s）
R—平均半径
B—磁场的磁通密度
N—有效导体数
L—每根导体的长度
2.码盘式转速传感器
码盘式转速传感器采用增量式编码器直接连接在转轴上，产生一系列脉冲，从而得到数字式速度信号。增量式编码器测量转速有增量码盘脉冲频率法和测量码盘脉冲周期法。
1）增量码盘脉冲频率法（定时计数）
在给定的时间范围内，测量增量式编码器所产生的脉冲数，然后根据下式求出转速。
—给定测速时间，采样时间
—在 时间内测得的编码器脉冲数
—编码器每转脉冲数。
【例题】对于5000线的光电编码器，如果采样周期为4ms，（1）决定轴的转速为1800rmp所产生的计数；（2）决定产生1018计数的速度
【答案】由题意知：N=5000
（1）
（2）
【知识点】码盘式转速传感器
2）测量码盘脉冲周期法（定数计时）
采用高频时钟脉冲，测量增量式编码器脉冲间隔时间，根据下式求出转速。
—时间测量值（通过时钟脉冲数可以求出）
—给定编码器脉冲测量数
—编码器每转脉冲数。
第五节 加速度传感器
1.力学模型
或
则
—系统自然频率
—阻尼比
如果加速度变化频率远小于系统自然频率，则
压阻式微机械加速度计是利用半导体材料的压阻效应形成的。压阻效应：当对半导体的某一晶向施加压力时，其电阻率就会发生一定变化。
压电式微机械加速度计是利用压电效应形成的。
第六节 力、转矩和压力传感器
1.电阻应变式
电阻应变式测力是利用电阻应变效应。金属电阻丝机械变形，其电阻值会发生变化，这种现象称为电阻应变效应。
全微分：
对于金属而言， 很小，略去。
因此
—材料泊松比
2.压阻式
对半导体而言，机械变形很小，略去。
—沿l方向的压阻系数
E—半导体材料的弹性模量
3.压电式
当某些晶体沿一定方向受外力作用而变形时，在其相应的两个相对表面产生极性相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。
压电元件实际上是有源电容器，弱点是高内阻和小电荷量，需采用高阻抗的前置放大器。
4.电容式
电容：
电容传感器可分为变极距、变面积和变介质三种。
5.电感式
电感式转矩传感器核心部件是一根扭杆，其扭转由一个差动式电感线圈系统获取。
第七节 霍尔式电流传感器
霍尔式电流传感器是基于霍尔效应形成的传感器。
霍尔效应：当金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场方向将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。
灵敏度系数
第八节 信号调理电路
1.前置放大器
1）电压跟随器
反馈端和反向输入端直接相连，输入接同向输入端。特点是输出电压等于输入电压，但输入阻抗大，而输出阻抗小，因此与传感器相连可以进行阻抗变换，降低对传感器的负载效应，提高传感器的转换效率。
2.电荷放大器
电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。
式中 ： uo——放大器输出电压
电路要求：
1)抗干扰能力强：由于电荷输出传感器的信号极其微弱，因此，各种外部因素，包括电缆的分布电容，电路的漏电导、噪声等都会对信号输出产生严重干扰。
2)将电荷信号转换为常规后续电路可以处理的电压或电流传号。
3)将传感器的高内阻转换为低输出阻抗，从而易于一般放大电路对其信号加以处理。
3.滤波电路
通过传感器获得的信号中，混淆有许多其他频率的干扰。由于干扰的存在，有时得到不正确的测量值，有时有用的信号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰，就要对传感器获得的信号进行滤波。
按功能分：低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器。
1）低通滤波器
低频通过，高频衰减
从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。
2) 高通滤波器
低频衰减，高频通过
与低通滤波相反，从频率f1～∞，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。
3) 带通滤波器
通带内通过，通带外衰减
它的通频带在f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。
4) 带阻滤波器
通带内衰减，通带外通过
与带通滤波相反，阻带在频率f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。
实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。
在测试系统中，常用RC滤波器。因为在这一领域中，信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件，所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器是RC滤波器。
1)一阶RC低通滤波器
RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示。
一阶RC低通滤波器传递函数：
频率特性：
转折角频率
二阶有源低通滤波器
传递函数：
频率特性：
2)一阶RC高通滤波器
RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示。
当f很小时，A(f)=0，信号完全被阻挡，不能通过；当f很大时，A(f)=1，信号不受衰减的通过。
二阶有源高通滤波器
3) RC带通滤波器
带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联，其电路及其幅频、相频特性如下图所示。
极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过；只有位于频率通带内的信号频率成分能通过。
当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。
二阶有源带通滤波器
中心角频率
频带宽度
频率选择性
4）带阻滤波器
第九节 数据采集系统
传感器经过信号调理后，所得的信号可分为：数字量、计数脉冲量、模拟量
数据采集系统主要部分如下：
信号调理，采样/保持，模数转换，数模转换，其它。
1.多路开关
两种：机械式：如干簧继电器，水银继电器
电子式：晶体管、场效应管和集成电路开关
2.A/D
目前最常用的是双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器。
双积分式A/D转换器的主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜；但转换速度较慢。因此这种转换器主要用于速度要求不高的场合。另一种常用的A/D转换器是逐次逼近式的，逐次逼近式A/D转换器是一种速度较快精度较高的转换器。其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。
A/D主要技术性能：
1） 分辨率
2） 量化单位
3） 量化误差
4） 转换时间
5） 转换速率
6） 量程
【例题】若A/D转换器的位数为10，最大输入信号为2.5V，则该转换器分辨率为( )。
A.2.44mv B.2.5mv C.25V D.0.25V
【答案】A
ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺。
ADC0809的内部逻辑结构
图 ADC0809内部逻辑结构
图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对A、B、C三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，如表7.6所示。
八位A/D转换器是逐次逼近式，由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关以及256R电阻阶梯网络等组成。
输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。
ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚排列见图。
通道选择表
C B A 选择的通道
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1 IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
图 ADC0809 引脚图
对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：
（1） IN7〜IN0：模拟量输入通道
ADC0809对输入模拟量的要求主要有：信号单极性，电压范围0〜5V若信号过小还需进行放大。另外，模拟量输入在A/D转换过程中其值不应变化太快，因此对变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路。
（2） A、B、C：地址线
A为低位地址，C为高位地址，用于对模拟通道进行选择，引脚图7.39中为ADDA、ADDB和ADDC，其地址状态与通道相对应关系见表7.6。
（3） ALE：地址锁存允许信号
对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
（4） START：转换启动信号
START上跳沿时，所有内部寄存器清0；START下跳沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。
（5） D7~D0：数据输出线
为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。
（6） OE：输出允许信号
用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高电阻；OE=1，输出转换得到的数据。
（7） CLK：时钟信号
ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500kHz的时钟信号。
（8） EOC——转换结束状态信号
EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。该状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用。
（9） Vcc：+5V电源
（10） Vref：参考电源
参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V（Vref (+) =+5V,Vref(-) =0V）
3.采样保持器
基本电路
采样保持电路由保持电容器，输入输出缓冲器及控制开关组成，它有采样和保持两种模式。
采样期间，模式开关闭合，A1是高增益放大器，它的输出通过开关给保持电容快速充电，使采样保持器的输出随输入变化，保持期间，开关断开，由于A2的输入阻抗高，理想情况下，电容器将保持充电时的最高值。
本章在考试中占12分，1个选择，1个计算，1个简单应用！
