機電一體化技術與應用 課件 第4章 機電一體化系統(tǒng)檢測技術（7-9節(jié)）

機電一體化技術與應用第1章

機電一體化概述第2章

機電一體化系統(tǒng)數學建模第3章

機電一體化系統(tǒng)自動控制技術第4章

機電一體化系統(tǒng)檢測技術第5章

機電一體化驅動系統(tǒng)第6章

機電一體化系統(tǒng)計算機控制技術第7章

機電一體化系統(tǒng)通信技術第8章

機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術第9章

機電一體化系統(tǒng)工程實例目

錄第4章機電一體化系統(tǒng)檢測技術4.1概述4.2傳感器測量誤差4.3傳感器一般特性4.4常用傳感器介紹4.5新型傳感器4.6傳感器的選型4.7傳感器的信號調理4.8數字濾波技術4.9傳感器非線性補償處理2024/10/9-3-4.7傳感器的信號調理4.7.1信號放大電路（1）基本放大器電路

反相與同相放大器電路是集成運算放大器兩種最基本的應用電路。2024/10/9-4-反相放大器電路：同相放大器電路：4.7傳感器的信號調理2024/10/9-5-

4.7傳感器的信號調理2024/10/9-6-（3）程控測量放大器電路

隨著數字化技術的不斷發(fā)展，各類測量儀表越來越趨于采用數字化和智能化方向。采用增益可以通過確定的程序調節(jié)控制的放大器（PGA），可以提高測量精度。通過軟件程序的控制來改變反饋電阻Rf或者輸人電阻R1，即可實現放大器增益可變。4.7傳感器的信號調理2024/10/9-7-（4）隔離放大器電路

隔離放大器應用于高共模電壓環(huán)境下的小信號測量，是一種特殊的測量放大電路。在隔離放大器中采用的隔離方式主要是采用變壓器耦合和光電耦合信號方式。隔離放大器采用浮置式(浮置電源、浮置放大器輸入端)設計。4.7傳感器的信號調理4.7.2信號轉換電路（1）電壓-電流轉換

輸出負載中的電流正比于輸入電壓的電路，稱為電壓-電流轉換。由于電路的傳輸系數是電導，所以又稱其為轉移電導放大器。當輸入電壓為恒定值時，負載中的電流為恒定值，與負載無關，則構成恒流源電路。2024/10/9-8-

4.7傳感器的信號調理（2）電流-電壓轉換

將輸入電流轉換為輸出電壓的轉換稱為電流-電壓變換。由于轉換電路的傳遞系數為電阻，所以又稱為轉移電阻放大器。光電檢測是電流-電能轉換最典型的應用。2024/10/9-9-

4.7傳感器的信號調理（3）電壓-頻率轉換

電壓-頻率轉換就是把電壓信號轉變?yōu)轭l率信號的電路，它有良好的線性度、精度和積分輸入特性。此外，它的應用電路簡單、外圍元件性能要求不高、對環(huán)境適應能力強、轉換速度不低于一般的雙積分型A/D器件，且價格較低。一般來說，電壓-頻率轉換器適用于一些非快速而需要進行遠距離信號傳輸的A/D轉換過程2024/10/9-10-4.7傳感器的信號調理（4）模擬-數字(A/D)轉換和數字-模擬(D/A)轉換

傳感器的輸出一般為模擬量，必須經過A/D轉換后才能被計算機所接受。如果需要進行計算機控制，則計算機輸出的數字信號必須經過D/A轉換后才能驅動相應的執(zhí)行機構。將模擬量轉換為數字量的器件稱為A/D轉換器(或ADC)，將數字量轉換為模擬量的器件稱為D/A轉換器(或DAC)。 A/D轉換器最重要的參數是轉換的精度,通常用輸出的數字信號的位數的多少來表示。轉換器能夠準確輸出的數字信號的位數越多，表示轉換器能夠分辨輸入信號的能力越強，轉換器的性能也就越好。2024/10/9-11-4.7傳感器的信號調理4.7.3信號濾波電路（1）信號濾波器的基本原理

設傳感器敏感元件輸出的信號為周期性信號,可以將其展開成傅里葉級數的形式,表示為：式中A0為信號的直流分量；ω0為Ui(t)的基波頻率(或者稱一次諧波頻率)；n為倍頻數,n=1,2,3，???,Ansin(nω0t+Φn)為n次諧波分量,其中Φn為n次諧波分量的初始相位；An為n次諧波分量的幅值。2024/10/9-12-4.7傳感器的信號調理

當含有不同諧波分量的信號經過濾波器濾波后，理想情況下，濾波器允許范圍內的諧波分量可以不失真地通過，而允許范圍之外的諧波分量將衰減為零。也就是說，可以將理想濾波器看成是一個放大倍數為K的放大器，且：式中ω1和ω2為濾波器通頻范圍的上、下截止頻率，即當傳感器敏感元件輸出的信號U0(t)經過濾波器后，只保留其中ω1到ω2頻率范圍內的諧波分量。2024/10/9-13-4.7傳感器的信號調理（2）信號濾波器的基本性能參數 1）截止頻率

設K0為中頻時的放大倍數，當幅頻特性值等于0.707K0時所對應的頻率際為濾波器的截止頻率。以K0為參考值，0.707K0對應于-3dB點，即相對于K0衰減3dB。若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應的點正好是半功率點。2024/10/9-14-4.7傳感器的信號調理

2024/10/9-15-4.7傳感器的信號調理 4）倍頻程選擇性

在兩截止頻率外側，實際濾波器有一個過渡帶，這個過渡帶的幅頻特性曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰減的能力。通常，用倍頻程選擇性來表征。所謂倍頻程選擇性是指在上截止頻率ω2~2ω2之間或者在下截頻率ω1~ω1/2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。倍頻程衰減量也可以用分貝/十倍頻表示。顯然，衰減越快，濾波器的選擇性就越好。2024/10/9-16-4.7傳感器的信號調理（3）無源濾波器

無源濾波器通常由R，C和L組成的網絡來實現。 1）低通濾波器

根據電路理論可知，濾波器的傳遞函數為:2024/10/9-17-

4.7傳感器的信號調理

用s=jω代入，可得：

另外，其幅頻特性和相頻特性為：

該網絡的頻率特性如圖(b)、(c)所示。2024/10/9-18-4.7傳感器的信號調理

2024/10/9-19-4.7傳感器的信號調理

2024/10/9-20-4.7傳感器的信號調理（4）有源濾波器

有源濾波器通常由運算放大器和R，C和L元件組成，與無源器件相比有較高的增益，輸出阻抗低，易于實現各種類型的高階濾波器。2024/10/9-21-二階有源低通濾波器二階有源高通濾波器4.7傳感器的信號調理4.7.4調制與解調

當漂移信號大小接近或超過被測信號時，經過逐級放大后，被測信號會被零點漂移淹沒。為了解決這個問題，通常要將測量信號搭載于一個特定的交變信號上，也即進行調制。在測量時，則需要將測量信號從載波中還原出來，也即進行解調。

對應于信號的三要素：幅值、頻率和相位，根據載波的幅值、頻率和相位隨調制信號變化的過程，調制可以分為幅值調制、頻率調制和相位調制，簡稱為調幅、調頻和調相，其波形稱為調幅波、調頻波和調相波。2024/10/9-22-4.7傳感器的信號調理(1)幅值調制與解調

調幅是將一個高頻載波信號與被調制信號相乘，使載波信號隨被調制信號的變化而變化。

當用一低通濾波器濾去頻率大于fm的成分時,則可以復現原信號的頻譜。與原頻譜的區(qū)別在于幅值為原來的1/2，這可以通過放大來補償。這一過程稱為同步解調，同步是指解調時所乘的信號與調制時的載波信號具有相同的頻率和相位。用等式表示為：2024/10/9-23-4.7傳感器的信號調理

載波頻率f0稱為調幅波的中心頻率，f0+fm稱為上旁頻帶，f0-fm稱為下旁頻帶。調幅以后，原信號x(t)所包含的全部信息均轉移到以為f0中心，寬度為2fm的頻帶范圍之內，即將有用信號從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)。2024/10/9-24-4.7傳感器的信號調理(2)頻率調制與解調

頻率調制是利用信號電壓的幅值控制一個振蕩器，振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏移量和信號電壓成正比。信號電壓為正值時調頻波的頻率升高，為負值時調頻波的頻率則降低，信號電壓為零時，調頻波的頻率就等于中心頻率。

2024/10/9-25-4.7傳感器的信號調理

調頻波的瞬時頻率f為：

設幅值為X0、頻率為fm的余弦波，初始相位為0的調制信號x(t)為：

載波信號為：

調頻時載波的幅度Y0和初始相位角φ0不變，瞬時頻率f(t)圍繞著f0隨調制信號電壓作線性的變化，因此：頻率偏移與調制信號的幅值成正比，與調制信號的頻率無關2024/10/9-26-f0-載波頻率Δf-偏移頻率4.7傳感器的信號調理(3)相位調制與解調

載波的相位對其參考相位的偏離值隨調制信號的瞬時值成比例變化的調制方式，稱為相位調制，調相波可表示為：

因為調相制主要是用來作為得到調頻的一種方法，在實際使用時很少采用。2024/10/9-27-第4章機電一體化系統(tǒng)檢測技術4.1概述4.2傳感器測量誤差4.3傳感器一般特性4.4常用傳感器介紹4.5新型傳感器4.6傳感器的選型4.7傳感器的信號調理4.8數字濾波技術4.9傳感器非線性補償處理2024/10/9-28-4.8數字濾波技術

數字濾波在數字信號處理中有兩類作用：一是濾除噪聲及虛假信號，二是對傳感元件所監(jiān)測到的信號進行補償。

（1）濾除噪聲及虛假信號

常用的信號濾波方法主要分為高通濾波、低通濾波、帶通濾波和帶阻濾波。高通濾波可以保留信號的高頻部分，而濾去低頻噪聲。低通濾波則相反，它保留信號的低頻部分而濾去高頻噪聲。帶通濾波器則保留信號某一個頻段總的信號，而去除其低頻和高頻部分。帶阻又恰恰相反，僅去除信號某個頻段上的干擾信號。2024/10/9-29-4.8數字濾波技術

濾波器在使用時，應考慮傳感器的工作頻段而加以選擇，例如對于壓電敏感元件，其監(jiān)測信號一般為具有一定頻率的動態(tài)信號，因此一般后接帶通濾波器；應變電阻元件一般監(jiān)測低頻信號，一般后接低通濾波器。

（2）信號補償

數字濾波器也可用來對傳感器所監(jiān)測到的信號進行優(yōu)化。例如，對于智能壓電傳感器，可采用數字濾波器對壓電傳感器的溫度特性進行補償。2024/10/9-30-第4章機電一體化系統(tǒng)檢測技術4.1概述4.2傳感器測量誤差4.3傳感器一般特性4.4常用傳感器介紹4.5新型傳感器4.6傳感器的選型4.7傳感器的信號調理4.8數字濾波技術4.9傳感器非線性補償處理2024/10/9-31-4.9傳感器非線性補償處理

造成非線性的因素主要有兩個：一是許多傳感器的轉換原理并非線性；二是采用的測量電路的非線性。

一般情況下，如果在整個測量范圍內非線性程度不是很嚴重，或者說非線性誤差可以忽略，那么就可以簡單地采用線性逼近的方法將傳感器的輸出近似地用線性關系代替，常用的線性逼近的方法有端點法和最小二乘法等。但如果在整個測量范圍內非線性程度比較嚴重，或者說在非線性誤差不可忽略的情況下，就需要采用另外的非線性補償手段，主要是開環(huán)補償法和閉環(huán)補償法。2024/10/9-32-4.9傳感器非線性補償處理

（1）開環(huán)補償法

開環(huán)補償法就是在傳感器信號（或者經過放大了的傳感器信號）之后串接一個適當的補償環(huán)節(jié)（線性化器），將來自傳感器的非線性特性的輸入信號變換為呈線性特性的輸出信號。

圖中傳感器是非線性的，因此傳感器的輸出u1與被測量x之間的關系是非線性函數：2024/10/9-33-4.9傳感器非線性補償處理

u1經放大器放大后可獲得一個電平較高的電壓u2。設放大器的放大倍數為K，并認為放大器的線性度良好，則：

u2與x仍然是非線性關系。u2作為線性化器的輸入，從線性化器輸出的電壓u0與被測量x之間的關系則是線性的，即u0與x之間滿足：并消去中間變量u1、x，從而可得到線性化器的輸出-輸入關系式為：2024/10/9-34-4.9傳感器非線性補償處理

設計線性化器，就可以將傳感器的非線性輸出特性轉換為電路輸出電壓u0隨被測量x呈線性關系的變化。例如鉑熱電阻的電阻相對變化與溫度之間的關系為非線性的，即：

經過電橋放大器線性放大后的電壓為：

設經線性化器后，電路的輸出u0與溫度t之間滿足：2024/10/9-35-u2為橋路供電電壓4.9傳感器非線性補償處理

聯立可得線性化器的輸入-輸出關系表達式：

式中的K、E、A