機電一體化技術(shù)檢測系統(tǒng)資料PPT學習教案

1、會計學1 機電一體化技術(shù)檢測系統(tǒng)資料機電一體化技術(shù)檢測系統(tǒng)資料 一、基本功能及分類 1、功能 對系統(tǒng)運行中所需的自身及外界環(huán)境參數(shù)與狀態(tài)進行檢測，并將其變換成系統(tǒng)可識別的電信號傳遞給信息處理單元。 第1頁/共62頁 2、分類 1）根據(jù)被檢測物理量的性質(zhì) (a)運動學參數(shù)檢測系統(tǒng) (b)力學參數(shù)檢測系統(tǒng) (c)圖像檢測系統(tǒng) (d)其它物理量檢測系統(tǒng) 2）根據(jù)被檢測信號的性質(zhì) (a)模擬信號檢測系統(tǒng) (b)數(shù)字信號檢測系統(tǒng) 第2頁/共62頁 二、檢測系統(tǒng)的基本特性 1、靈敏度與分辨率 2、精確度 3、頻率響應(yīng)特性 4、穩(wěn)定性 5、線性特性 第3頁/共62頁 三、檢測系統(tǒng)的檢測方式 接觸式檢測 非接

2、觸式檢測 在線檢測 非在線檢測 四、檢測系統(tǒng)的組成 傳感器 測量電路輸出單元 被測量輸出量 第4頁/共62頁 測量電路： 輸出單元： 把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號，使之能在輸出單元的指示儀上指示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統(tǒng)的檢測或反饋信號。 指示儀、記錄儀、累加器、報警器、數(shù)據(jù)處理電路等。 第5頁/共62頁 （2）開發(fā)新型傳感器。 （3）開發(fā)傳感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工藝。 （4）微電子技術(shù)、微型計算機技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)與儀器儀表和傳感器的結(jié)合，構(gòu)成新一代智能化測試系統(tǒng)，使測量精度、自動化水平進一步提高。 （5）研究集成化、多功能和智能化傳感器或測試系統(tǒng)。 五、檢

3、測技術(shù)的發(fā)展趨勢 第6頁/共62頁 1）體積小、重量輕，對整機的適應(yīng)性好。 2）精度和靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、信噪比高。 3）安全可靠、壽命長。 4）便于與計算機連接。 5）不易受被測的影響，也不影響外部環(huán)境。 6）對環(huán)境條件適應(yīng)能力強。 7）現(xiàn)場處理簡單，操作性能好，價格便宜。 機電一體化系統(tǒng)對檢測傳感器的基本要求 第7頁/共62頁 一、傳感器的選用原則 表示傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關(guān)系 希望輸出與輸入具有確定的對應(yīng)關(guān)系，且呈線性關(guān)系。 1）靜特性參數(shù)的選用 n nx axaxaxaay 3 3 2 210 y-輸出量x-輸入量 a0-零輸出 a1-理論靈敏度a2、an-非

4、線性項的待定系數(shù) 理想狀態(tài)下a0、a2、an均為零。 第8頁/共62頁 a)線性度 %100)( M FSaxLL y 最大非線性誤差 非線性誤差或線性度 滿量程輸出 理想特性 實際特性 x Hmax Y 第9頁/共62頁 線性度反映了被測值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系曲線對擬合直線的接近程度。 選用原則：選用線性度小的為宜。 傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為其靜態(tài)靈敏度。 表征傳感器對輸入量變化的反應(yīng)能力。 xyk （b）靈敏度 第10頁/共62頁 線性傳感器 非線性傳感器 傳感器的靈敏度 選用原則： 在量程范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度越高越好，但要注意外界噪聲的

5、影響。 第11頁/共62頁 正反行程間輸出的最大差值。 HMAX %100)(21 ( FSHMAXH y (c)遲滯 x Hmax Y 第12頁/共62頁 磁性材料的磁滯，結(jié)構(gòu)材料受力變形的滯后、摩擦等是產(chǎn)生遲滯誤差（回程誤差）的原因。 選用原則：遲滯誤差越小越好。 x Y (d)重復性 傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。 第13頁/共62頁 正行程的最大重復性偏差 反行程的最大重復性偏差 1MaxR 2MaxR 取較大者為 MaxR %100)( Max FSRR y x Rmax1 Rmax2 y 反映了傳感器的離散性。 第14頁/共62頁 2）動特性 測量交

6、變信號時，傳感器在其所測頻率范圍內(nèi)，保持信號不失真的測量特性。 在信號的所測頻率范圍內(nèi)，要求傳感器的幅頻特性是平直的，而要求相頻特性是線性的或是不變的。 第15頁/共62頁 C SS r 0 S 1、 電容式傳感器 二、 常見傳感器 （2） 結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強 （3） 動態(tài)響應(yīng)好 （4） 可以實現(xiàn)非接觸測量 （1）溫度穩(wěn)定性好 （5）輸出阻抗高、負載能力差 （6）寄生電容影響大 第16頁/共62頁 變極距(）型: (a)、(e) 變面積型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 變介電常數(shù)( )型: （i）(l) 第17頁/共62頁 差動變壓器是把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈互

7、感量的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動的形式連接，故稱之為差動變壓器式傳感器。 2、差動變壓器 第18頁/共62頁 0 1 1 2 2 U W W U 0 1 1 22 U W WU K 差動變壓器輸出特性 理想特性 實際特性 （）供電電源首先要穩(wěn)定，電源幅值的適當提高可以提高靈敏度K值; （）增加W2/W1的比值和減少0都能使靈敏度K值提高; 第19頁/共62頁 3、 光柵傳感器 是非接觸式傳感器，由光柵與光電組件構(gòu)成。當光柵與光電組件產(chǎn)生相對位移時，光電元件感應(yīng)相應(yīng)信號并產(chǎn)生脈沖信號，通過檢測電路對產(chǎn)生的脈沖進行計數(shù)，從而確定相對的位移量。 第20頁/共62

8、頁 1）光柵傳感器光源）光柵傳感器光源 半導體發(fā)光器件 轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)特征快速。 輸出功率較大，工作范圍較寬（-40到+130）與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機械振動和沖擊條件下工作時，使用壽命將降低。 光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。 第21頁/共62頁 一般地： a+b=W，a=b=W/2 a柵線寬度 b線間寬度 W光柵柵距 （光柵常數(shù)） 光柵條紋密度一般為每毫米25、50、100、250條等。 第22頁/共62頁 光柵分類 1）根據(jù)檢測位移性質(zhì)分 直線式光柵 回轉(zhuǎn)式光柵 2）根據(jù)制造光柵的材料分 金屬光柵 玻璃光柵 包括有光電池和光敏三極管等部分

9、。 第23頁/共62頁 光路 光源 聚光鏡 主光柵 指示光柵 光電元件 莫爾條紋信號 第24頁/共62頁 2 tantan 橫向莫爾條紋的斜率 莫爾條紋間距 WWBC ABBH 2 sin2 2 sin 莫爾條紋的寬度BH由 光柵常數(shù)與光柵夾角決定 莫爾條紋的形成 第25頁/共62頁 （1）精度高。 測長度精度可達0.53m，分辨力可達0.1m。 測角度精度可達0.15，分辨力可達0.1，甚至更高。 （2）用于高分辨力大量程測量。 （3）可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化。 （4）具有較強的抗干擾能力。 第26頁/共62頁 模擬信號的檢測 傳感器 測量 電路 放大器解調(diào)器濾波器 轉(zhuǎn)

10、換 電路 接口 電路 振蕩器 第27頁/共62頁 1、基本測量電路 把傳感器感應(yīng)到的非電量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量參數(shù)。 (1) 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 )(2 1 2 1 01 CCCCLLC f i 第28頁/共62頁 當被測信號為零時，C=0，振蕩器有一個固有振蕩頻率f0 )(2 1 01 0 CCCL f i 當被測信號不為零時，c0，此時頻率為 ff CCCCL f i 0 01 )(2 1 具有較高的靈敏度，可測至0.01m級位移變化量 易于用數(shù)字儀器測量，并與計算機通訊，抗干擾能力強 第29頁/共62頁 (2) 運算放大器式電路運算放大器式電路 Cx是傳感器電容 u C - Cx u0 C是固定

11、電容 u0是輸出電壓信號 第30頁/共62頁 由運算放大器工作原理可知 u j C j C u C C u x x 0 1 1 / () / () / ) ( SC x u uC S 0 u C - Cx u0 第31頁/共62頁 ADC (Analog / Digital Converter)0809 輸入通道 輸出端 基準參考電壓 輸出允許信號 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 啟動轉(zhuǎn)換信號時鐘信號輸入端 地址線 禁止端 電源端 接地端 （1）基本結(jié)構(gòu) 2、轉(zhuǎn)換電路 第32頁/共62頁 （2）轉(zhuǎn)換過程 CPU 地址碼（A、B、C） ALE指令 SC信號，開始轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換結(jié)束 鎖存 EOC信號 OE信號，讀取數(shù)據(jù)

12、 第33頁/共62頁 第34頁/共62頁 一、模擬信號的預(yù)處理 1）模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式 （1）單通道直接型 特點: 最簡單的形式。只用一個A/D轉(zhuǎn)換及緩沖器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并輸入微機。受轉(zhuǎn)換電壓幅度與速度的限制，應(yīng)用范圍窄。 第35頁/共62頁 (2)多通道一般型 特點: 依次對每個模擬通道進行采樣保持和轉(zhuǎn)換，節(jié)省元、部件，速度低，不能獲得同一瞬時的各通道的模擬信號。 第36頁/共62頁 (3)多通道同步型 特點: 各采樣/保持同時動作，可測得在同一瞬時各傳感器輸出的模擬信號。 第37頁/共62頁 (4)多通道并行輸入型 特點: 各通道直接進行轉(zhuǎn)換，送入微機或信號通道。靈活性大，抗干擾

13、能力強。根據(jù)傳感器輸出信號的特點可采用采樣/保持或不同的ADC。 第38頁/共62頁 2）多路模擬開關(guān) 有選擇地切換各路輸入信號。 譯 碼 器 電 平 轉(zhuǎn) 換 電 路 INHCB A 0 1 2 3 4 5 6 7 I/O 第39頁/共62頁 地址碼地址碼 選中通道選中通道 C B A 0 0 0IN0 0 0 1IN1 0 1 0IN2 0 1 1IN3 1 0 0IN4 1 0 1IN5 1 1 0IN6 1 1 1 IN7 地址編碼表 第40頁/共62頁 3）模擬信號的采樣與保持 采樣 保持器 A/D 轉(zhuǎn)換器 數(shù)字 調(diào)節(jié)器 D/A 轉(zhuǎn)換器 保持器 y (t)y *(t)y (kT)u (

14、kT)u *(t)u (t) y (t)y *(t)y (kT) 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 u (kT) 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 u *(t)u (t) 第41頁/共62頁 (1)采樣： 把模擬信號變成一系列不連續(xù)的脈沖時間序列的過程。 y (t) t y *(t) t a)采樣過程 y (t)y *(t) 采樣開關(guān) 第42頁/共62頁 b)采樣信號特征 時間軸上離散，函數(shù)軸上連續(xù)，是一個離散的模擬信號。 (2)保持： 采樣信號在進入A/D轉(zhuǎn)換前，要在一定時間內(nèi)保持不變，從而為A/D轉(zhuǎn)

15、換提供充分的時間，防止產(chǎn)生誤差。 y *(t) t 第43頁/共62頁 (3)采樣/保持電路 第44頁/共62頁 二、數(shù)字信號的預(yù)處理 數(shù)字濾波 （1）模擬電路 uiuo R C i o o o o oiu dt du u dt du RCuiRu 第45頁/共62頁 （2）頻率特性 uiuo R C i Rcj U cj cj R U cj IjXIU ii cO 1 1 . 1 1 )( . . 傳遞函數(shù) Rcarctg Rc Rcj U U i o 2 . . )(1 1 1 1 第46頁/共62頁 令： )()()( . . TjT U U i O 則： 2 )(1 1 )( Rc U

16、 U T i o 幅頻特性 0-截止頻率 1 2 1 0 T（） 0 第47頁/共62頁 （3）算法 o o o o oiu dt du u dt du RCuiRu 是常微分方程，采用尤拉格式，以差商代替導數(shù)。 即： 如果在點x n列出方程 y (x n)=f (x n, y (x n ) 則用： h xyxynn)1()( 代替 y (x n) 有： y n= y (x n )=y (x n-1 )+h f (x n-1, y (x n-1) 第48頁/共62頁 o o o o oiu dt du u dt du RCuiRu 對于： 令：X=u i , Y=u o 即： YYY dt d

17、Y X )()()( nYnYnX )(nX 本次采樣值 )(nY 本次輸出值 第49頁/共62頁 t nYnY ) 1()( 用 )( nY 代替 )( ) 1()( )(nY t nYnY nX 有 )() 1()()(ntYnYnYntX ) 1()()( nY t nX t t nY t-采樣周期Y（n-1）-上次輸出值 第50頁/共62頁 ) 1()()( nY t nX t t nY t t 令： t )1 ( 則： ) 1()1 ()()(nYnXnY 濾波平滑系數(shù) )1 (22 1 2 1 tRC fc 截止頻率為： 第51頁/共62頁 （4）程序流程圖 開始 確定Y(n-1)

18、 收集X(n) 計算X(n），暫存于Y(n) 計算(1-)Y(n-1),累加到Y(jié)(n) 結(jié)束 第52頁/共62頁 傳感器放大器A/D 數(shù)字量非線 性校正電路 數(shù)字處理 或顯示 在機電一體化測試系統(tǒng)中，當對被測參量進行顯示時，希望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關(guān)系，使測量對象在整個刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對系統(tǒng)進行分析處理。 當檢測元件存在不同程度的非線性特性時，會使較大范圍的動態(tài)檢測存在很大的誤差，因此需要對傳感器及測試系統(tǒng)進行非線性補償。 第53頁/共62頁 一、計算法 當輸出信號與傳感器的參數(shù)之間有確定的數(shù)字表達式時采用的辦法。 具體措施： 在軟件中編制一段完成數(shù)字表達式

19、計算的程序，被測參數(shù)經(jīng)過采樣、濾波和標定變換后直接進入計算機程序進行計算，計算后的數(shù)值即為經(jīng)過線性化處理的輸出參數(shù)。 非線性補償可以采用硬件電路或使用軟件來完成。 第54頁/共62頁 具體措施： 把事先經(jīng)計算或測得的數(shù)據(jù)按一定順序編成表格，編寫查表程序，根據(jù)被測參數(shù)的值或中間結(jié)果查出最終所需要的結(jié)果。 特點： 程序簡單、執(zhí)行速度快；占用內(nèi)存單元較多，表格的編制比較麻煩。 二、查表法 當測控參數(shù)的計算非常復雜時（如一些非線性參數(shù)），不能用一般的算術(shù)運算求出，而需要涉及到指數(shù)、對數(shù)、三角函數(shù)、積分、微分等運算，程序編寫比較復雜，有些甚至無法建立相應(yīng)的數(shù)學模型，采用非數(shù)值計算的方法。 第55頁/共6

20、2頁 三、插值法 1、插值原理 x y x0 y0 x1 y1 xi yi x y Xi+1 yi+1 xn yn y=f(x)不是簡單的線性方程，因此當已知某一輸入值以后，求輸出值比較困難。 把曲線分段使問題簡化。 把相鄰兩分段點用直線連起來，用此直線代替相應(yīng)的各段曲線,即可求出輸入值x所對應(yīng)的輸出值y。 第56頁/共62頁 x y x0 y0 x1 y1 xi yi x y Xi+1 yi+1 xn yn 設(shè)x在（xi , xi+1)之間， 其對應(yīng)的逼近值為： )( 1 1 i ii ii i xx xx yy yy )( iii xxkyy 只要n取足夠大，即可獲得良好的精度。 第57頁/共62頁 2、插值法的計算機實現(xiàn) （1）用實驗法測出傳感