机电一体化原理及应用第二章.ppt

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1、第二章 传感器及其接口处理技术,2.1 概述,在机电一体化系统中有各种不同的物理量(如位移、压力、速度等)需要测量与控制，如果没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的检测，那么对机电产品的各种控制是无法实现的。因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为机电一体化系统中不可缺少的组成部分。作为一个独立器件，传感器的发展正进入集成化、智能化研究阶段。把传感器件与信号处理电路集成在一个芯片上，就形成了信息型传感器；若再把微处理器集成到信息型传感器的芯片上，就是所谓的智能型传感器。,2.1.1 传感器的定义传感器：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)转换为与之有确定对应关

2、系的、易于精确处理和测量的某种物理量(如电量)的测量部件或装置。,2.1.2 组成 组成：敏感元件、转换元件、电子线路等组成。1 敏感元件 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。2 转换元件 将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电量参数(如电阻、电感、电容等)等。3 基本转换电路 将电路参数量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。直接转换与间接转换,传感器的组成,2.1.3 传感器的特性,传感器比较常用的性能指标有以下几种1.关于输入量的特性：(1)量程或测量范围 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

3、值来表示，其中上限值也称为满量程FS。(2)过载能力 传感器允许承受的最大输入量(被测量),通常用一个最大允许值或满量程的百分比来表示。,2.关于输入输出关系的静态特性(1)精度表示测量结果与被测的“真值”的接近程度。一般用“极限误差”或极限误差与满量程的比值按百分数给出。(2)重复性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。(3)线性度 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作曲线之间的最大偏差值与满量程输出之比来表示。,(4)灵敏度传感器输入增量与输出增量之比；(5)稳定性(温度

4、漂移，时间零漂)时间零漂:在规定的时间内，在温度不变的条件下，零输出的变化；温度漂移: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值来表示。,3.动态响应特性 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快的情况下要求我们要认真注意传感器的动态响应持性。频率响应特性 幅频特性 相频特性 阶跃响应特性 时间常数 上升时间 过冲量(超调量)固有频率

5、 阻尼比(对数减缩),2.1.4 传感器的分类 传感器的分类方法有多种;1、按被测物理量的性质分；位移传感器、温度传感器、压力传感器等等；2、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、光电式；3、按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二值型)、数字型和模拟型，如下图所示：,1 开关型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。,特性曲线中如果设输出状态从断到通时的输入值为INon，而从通到断时的输入值为INoff，则特性满足 INoffINonINoff与INon的差称为磁滞宽度或瞬动(snap)宽度。,二值型传感器

6、的实用特性,2 数字型 数字型传感器有计数型和代码型两大类。其中计数型又称脉冲数字型；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测光栅就是如此。代码型传感器又称编码器，它输出的信号是数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。,3 模拟型 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也可以是非线性的。,2.1.5 机电一体化系统对传感器的基本要求1.精度和灵敏

7、度高、响应快、稳定性好、信噪比高；2.体积小、重量轻、对整机的适应性好；3.安全可靠、寿命长；4.便于与计算机连接；5.不易受被测对象性(如电阻、导磁率)的影响，也不影响外部环境；6.对环境条件适应能力强;7.现场处理简单、操作性能好；8.价格便宜。,2.1.6 机电一体化系统常用传感器1.位移检测传感器 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、扭矩等参数的测量都是以位移测量位移为基础的。直线位移传感器主要有：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。

8、角位移传感器主要有：电容传感器、旋转变压器和光电编码盘等。,.1自感、互感型位移传感器,可变磁阻式电感传感器。改变铁心与活动衔铁之间的距离。涡流式传感器 改变涡流线圈与被测量之间的距离。差动变压器式电感传感器 改变衔铁位置实现位移测量。电容式位移传感器 极距变化、面积变化导致电容量变化。,.2电蜗流位移传感器,基本结构：由探头（线圈、骨架、壳体、射频电缆和射频插头）、与前置器构成。测量原理：前置放大器 高频信号激励 线圈 产生高频磁场 金属表面会感应出涡流 涡流损耗 线圈磁感应强度变化 经前置器转换成电压信号 距离（线性关系）,电蜗流位移传感器,特点：非接触式测量线性范围宽，080mm动态响应

9、好，0-10kHz长期连续可靠工作，抗干扰能力强在水、油等恶劣环境条件下工作可长线传输直接与A、D接口相连配计算机使用,2.速度、加速度传感器 检测转速的传感器有测速发电机、光电、磁电式转速传感器。检测加速度可用电容式或压电式加速度传感器。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。采用数字型传感器检测位移时，也可同时检测运动速度。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，则可通过检测其代码变换周期来确定运动的速度。,n=60N/Ztn转速 r/mint 测量时间 sN-t内的脉冲个数Z-圆盘上的缝隙个数,转速及角位移传感器,编码器

10、就是近年来出现的一种新型的高精度、数字化、大尺寸测量元件，用作旋转轴和线性轴的反馈装置。用途：用于数控机床、木工机械、机器人和装卸设备、纺织机械、绘图仪和仿形装置，测量和测试设备。特点：(1)能借助于微电子技术，达到足够高的精度，没有人为的读数误差；(2)易于实现系统的快速、自动和数字化；(3)测量系统量程大，长度可以达数米甚至更长，角度可以在360范围内进行测量；(4)体积小，重量轻，结构紧凑，测量系统安全方便，使用和维护简单，工作可靠。,转速及角位移传感器,1绝对式旋转编码器可直接从分度盘的编码图案中得出角度位置，然后转换成编码信号。即使电源有瞬间掉电，只要主轴转速在允许范围内，都能通过控

11、制器或计算机编译成编码信号。2增量式旋转编码器以脉冲形式输出，被测物体每走过一个当量距离，编码器就输出一个脉冲。,3.力、力矩传感器 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。,电阻应变计电阻应变计是根据应变电阻效应，将给测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。它不仅直接作为应力、应变测量的传感器而且可以与弹性元件组合构成力、压力、称重、位移、扭矩、振动、加速度等多种专用式传感器，广泛应用于机械、交通、建筑、化工和电力等行业。,电阻应变计的结构电阻应变计主要由电阻敏感栅、基底和面

12、胶（或覆盖层）、粘结剂、引出线五部分组成。电阻应变计的结构如图所示。,图3-9 电阻应变计的构造 1敏感栅；2引出线；3粘结剂（未示出）；4覆盖层；5基底,3、应变计的类型电阻应变计的分类方法很多，常用的是按应变计的制造材料、温度以及用途的不同来分类。（1）按敏感栅的制造方法分类1）金属丝式应变计,箔式应变计箔式应变计的敏感栅是利用照相制版或光刻腐蚀技术制成的，箔栅厚度一般为0.002mm0.005mm,最薄的达0.00035mm。箔式应变计，工艺上能保证敏感栅尺寸的准确，线条均匀，适应不同的测量要求，传递试件应变性能好、横向效应小和散热性能好，因此得到了广泛的应用，现在已经基本上取代金属丝应

13、变计。金属薄膜应变计所谓薄膜是指厚度在0.1um以下的膜，它是采用真空的溅射或真空沉积等方法制成的。通过按规定的图形制成的掩膜版，在基底材料上溅射或沉积一层电阻材料的薄膜，从而制成金属薄膜应变计。,4、电阻应变计的应用电阻应变计主要有以下两种应用方式：（1）应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力后的应力分析或所产生的应变，为结构设计、应力校正或分析结构在使用中产生破坏的原因提供试验数据，如电阻应变仪。在测量齿轮轮齿弯矩或立柱应力时，也常在被测位置处直接粘贴应变片进行测量，如图所示。,图3-11 构件应力测定的应用,（2）将应变片粘贴在弹性元件上，进行标定后作为测量力、压力、位移等物理量的

14、传感器。,1质量块；2应变梁；3应变片；4阻尼液；5密封圈；6接线板；7底座 图 3-12 应变式加速度传感器,4 位置传感器 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。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。,(1)接触式位置传感器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a.由微动开关制成的位置传感器,二维矩阵式配置的位置传感器1、柔软电极 2、柔软绝缘体

15、,(2)接近式位置传感器接近式位置传感器按其工作原理主要分：电磁式；光电式；静电容式；超声波式；气压式等。其基本工作原理可用下图表示出来。接近式位置传感器的工作原理,接近传感器,1接近传感器概述用途：属无触点接近开关，用于导电、导磁金属材料的限位置、固体料位和液体液位检测等常用的接近传感器：感应式接近传感器，电容式接近传感器，及电磁式接近传感器高精度的接近传感器，还能检测金属薄板及渡层的厚度。优点：不直接接触被测物体，开关及被测物均没有机械磨损，使寿命很长，可适用于高速检测。原理：但当被测物体进入接近开关的灵敏区时，就会发出一个脉冲信号。灵敏区形状：探头附近的一个近似半球区域。,.5感应式接近

16、传感器,适用：空间有限情况的金属的非接触接近测量探头结构分类：有屏蔽的、无屏蔽的两种。后者测量距离较前者为大。结构：振荡器、感应线圈、斯密特电路及输出电路组成。工作原理：振荡器在探头端部产生磁场作用区，当金属进入该作用区时，引起振荡器停振。,感应式接近传感器,图2-12-1感应式接近传感器的工作原理,.6电容式接近传感器,适用：非接触、空间有限。如各种管道内流体的测量、料位测量及对金属物品测量。结构：由振荡器、斯密特电路及输出电路组成，电容器的一个电极是传感电极，另一个电极是大地。原理：加电后，两极间产生电场，当与大地连接的金属物体靠近电容器时引起振荡器停振。,电容式接近传感器,图2-12-2

17、电容式接近传感器的电路结构及工作原理,.7电磁式接近传感器,适用：非接触式导磁材料测量结构：内部有4个磁铁和一个常开触点的干簧继电器。原理：导磁材料外界物体 靠近电磁式接近开关诱导面 磁场失去平衡 干簧继电器的触点闭合,5温度传感器,分类：高温传感器（热电偶、铂电阻以及红外辐射测温计）；常温传感器（热敏电阻、铜电阻等）；低温传感器（铜电阻等）。,热敏电阻,说明：热敏电阻是一种电阻值随温度变化的半导体元件。特点：体积小，灵敏度高，价格崐低，所以应用最为广泛。分类：一类电阻值随温度升高而增加（正的温度系数），一类随温度升高而降低（负的温度系数，常用）。特性：热电特性、伏安特性。,热敏电阻的热电特性

18、,定义：电阻值随温度变化的关系，以坐标图表示它是一条指数曲线：式中：RT温度为T时的电阻值；T绝对温度，K；A、B由材料及制造工艺决定的系数热敏电阻材料：铁、镍、锰、钼、钛、镁、铜等氧化物做成。改变这些混合物的成分，就可以改变热敏电阻的测量范围、阻值及A、B值。,热敏电阻的热电特性,图2-14-1热敏电阻的热电特性图 图2-14-2热敏电阻的伏安特性图,热敏电阻伏安特性,说明：热敏电阻的伏安特性是指通过热敏电阻的电流与其两端电压之间的关系。原理：当热敏电阻的电流很小时，热敏电阻的伏安特性遵循欧姆定律；但当电流大到一定程度时，流过热敏电阻的电流使其自身温度升高，因而其阻值减小。因此在使用热敏电阻

19、伏安特性时应防止电流过大。,热电偶温度传感器,说明：是较早的一种接触式温度传感器，测量可从室温至1800。所以至今仍是应用最广的温度传感器。发展趋势：标准化（我国已8个品种）、小型化（最小的铠装热电偶直径为24mm）。测温原理：热电效应。将不同的导体或半导体A、B组成闭合回路，使两个接点处于不同的温度，回路中就产生电动势。,热电偶温度传感器,输出电动势：与两种材料的性质及两接点的温度差有关，与导体的大小，接触面积及连接方式无关。其输出电势为：EAB(t，t0)=fAB(t)-fAB(t0)如果使热电偶的一个接点温度t0保持不变，设fAB(t0)=C，则上式可写成：EAB(t，t0)=fAB(t

20、)-C,热电偶温度传感器,表明：产生的热电势EAB(t，t0)只与温度t有关，成为温度的单值函数。实际：使t端与工作介质接触，进行测温，称为工作端，t0端称为热电偶自由端或参考端或冷端。冰点槽装置：用于在工作中将自由端保持0恒温，然后将工作端的温度与电势关系列成表格，供测量人员使用。,热电偶温度传感器,图2-14-3热电偶效应图 2-14-4冰点槽装置,6视觉传感器 视觉传感器在机电一体化系统中的作用有：1、确定对象物的位置与姿势；2、图像识别：确定对象物的特征(识别符号、读出文字、识别物体)；3、形状、尺寸检验：检查零件形状和尺寸方面的缺陷。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

21、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CMOS型(金属氧化物集成电路)、CCD型(电荷耦合器件)以及CMOS和CCD混合型等。,图像传感器,在机电控制、机器人的领域中起着重要的作用，尤以CCD图像传感器和红外线图像传感器应用最为广泛。CCD图像传感器：典型例，日本KEYENCE公司生产的VH系列图像显微检测仪。红外线图像传感器：典型例，AVIONICS公司生产的TVS-2000系列热图像系统。,CCD图像传感器,命名：CCD(Charge couple Device)即电荷耦合器件的简称，是一种金属氧化物半导体(MOS)集成电路的简称。结构：由感光部和CCD移位寄存器组成

22、。原理：成像在CCD上的景物 感光部电信号 电子图像 CCD移位寄存器 放大器 输出分类：中按结构和信号电荷传送方式，又可分为线阵(一维)和面阵两种。,1线阵CCD图像传感器,中间是一列感光单元（光电二极管阵），两侧分别设置了CCD移位寄存器。感光单元按位置的奇偶性，分别把其所存储的电荷向两侧移位寄存器传送，最后在输出部汇合输出。在其感光部和两侧CCD移位寄存器之间设有转移栅。移位寄存器停顿时，转移栅开放，光电二极管所积累的电荷可以送到两侧的CCD移位寄存器中。接着转移栅关闭，感光部的光电二极管开始进行下一次读出的电荷积累。线阵CCD图像传感器广泛应用于传真等场合。,1线阵CCD图像传感器,图

23、2-16-2048位线阵CCD图像传感器结构,2面阵CCD图像传感器,分类：按构成分为两种：帧传送方式和行间传送方式。在帧传送方式垂直消影期中，感光部所积累的信号电荷快速转送到存储部，然后由输出寄存器顺次读出。在行间传送方式中积累的电荷一次转送到邻接的垂直移位寄存器，以后从输出移位寄存器中读出信号。400500像素和800500像素的CCD图像传感器适用于工业监视及工业机器人。1024800的CCD图像传感器也已用于TV摄像机。,2面阵CCD图像传感器,图2-16-2帧传送面阵CCD图像传感器的结构 图2-16-3行间传送面阵CCD图像传感器的结构,红外图像传感器,功能：把波长为220m的红外

24、图像TV时间系列扫描信号。构成：红外传感（量子型和热型）和电子扫描两部分。分类：量子型红外图像传感器、热型红外图像传感器两大类。量子型红外图像传感器：采用固体电子扫描，如单片型CCD、混合型CCD或肖特基势垒型CCD等。热型红外图像传感器：采用热电光导摄像管式的电子扫描 或 采用热电红外CCD型的固体电子扫描。,1热电光导摄像管,特征：靶电极用热电材料，采用镍铬和黄金黑体等吸收红外线的材料，其窗口采用能透过红外线的玻璃。原理：基于热电效应。景物 透镜 成像在热电光导摄像管上 红外热图像 在靶面上感应出相应的电压分布 被电子束拾取 做为时间序列信号读出,2红外CCD,特征：是采用固体电子扫描的原

25、理。最新的肖特基势垒型CCD图像传感器可制成灵敏度均匀的大面积图像传感器。,图2-16-4热电光导摄像管图 2-16-5 红外CCD图像传感器,2.2 传感器与微机的接口技术 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。,2.2.1 数字量、开关量的接口 可以通过缓冲器直接输入到计算机数据总线上。2.2.2 模拟量的接口 1.模拟量的数字化过程(1)时间断续,采样定理 设信号最高频率为fc,在采样频率fs=2fc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。(2)数值断续 数值断续的过程叫量化

26、，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FSR与2n的比值；q=FSR/2n例 当FSR=10V,n=8时 q=39.1mv当FSR=10V,n=12时 q=2.44mv当FSR=10V,n=16时 q=0.15mv完成量化的器件叫量化器，即A/D转换器。,2 模数（A/D）转换器 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。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。(1)逐次逼近型A/D转换器结构与工作原理,去留码规则，UI=

27、UF 保留 1 UI UF 不保留 1,置零UF=UREF(2-1a1+2-1a2.+2-nan),AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内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整的A/D转换器，其主要功能特性如下：分辨率：12位非线性误差：小于1/2LBS或1LBS 转换速率：25us 模拟电压输入范围：010V和020V，05V和010V两档四种 电源电压：15V和5V数据输出格式：12位/8位,12位逐次逼近式A/D转换器AD574

28、与单片机8051的接口电路,(2)双斜积分式A/D转换器结构与工作原理,ICL 7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分型12位A/D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度测量系统中时，可采用廉价的双积分式12位A/D转换器ICL 7109。ICL 7109主要有如下特性：(1)高精度(12位)(2)低噪声(典型值为15VP-P);(3)低漂移(1V/)；(4)高输入阻抗(典型值1012);(5)低功耗(20mW);(6)转换速度最快达30次/秒，当采用3.58MHz晶振作振源时，速度为7.5次/秒；,ICL 7109与8031接口电路

29、,3 采样/保持器 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AD转换器的孔径时间。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误差；要防止这种误差的产生，必须在AD转换开始时将信号电平保持住，而在AD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。能完成这种功能的器件叫采样/保持器，从上面分析也可知，采样/保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。,采样保持器的组成与工作原理,单片集成采样/保持电路LF198,在LF198中，采用了双极型与CMOS型混合工艺。当CH=0.01uF时，输出电压的下降率达到10-3 mv/s

30、 以下.,4 模拟多路开关 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入回路，即每一路都采用放大、采样/保持、A/D等环节，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/保持及A/D转换电路。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。,CD 4051 模拟多路开关的组成与工作原理,5 测量放大器 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模干扰，对这种信号的放大

31、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。习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。下图为三个运放组成的测量放大器，差动输入端UI1和UI2分别是两个运算放大器(A1、A2)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。A3实际上是一差动跟随器，其增益近似为1。测量放大器的放大倍数由下式确定：,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,常用的测量放大器(仪表放大器)AD620的典型应用电路,6 传感器模

32、拟量接口的几种形式(1)多通道一般型 特点：适合于中低速采样，在A/D转换器为逐次逼近式的情况下，必须加采样保持器。在采用间接比较式A/D转换器的情况下可以不加采样保持器。此方案可有效降低接口成本。结构与工作过程：,(2)多通道同时采样共享A/D转换器型特点：可以保证多路信号的相位关系，可以降低接口成本。结构与工作过程：,(3)多通道并行A/D转换型特点：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。结构与工作过程：,2.3 传感器的非线性补偿处理,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的输出和输入特性呈线性关系使测量对象在整个刻度

33、范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。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复杂性。,常用的非线性软件处理方法主要有两种：插值法和计算法,2.3.1 插值法,2.3.2 拟合计算法1、对所给的数据点，寻找一条曲线，使得在同一坐标点xi处，曲线上的点与实测的数据之间的误差平方和最小，以这种度量方法确定拟合曲线称为最小二乘原理。,2.4 传感器输出信号的数字滤波,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

34、器或者外界的干扰。为了提高信号的可靠性，减小虚假信息的影响，可采用软件方法实现数字滤波。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。它与硬件滤波器相比具有以下优点：(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。(2)可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟RC滤波器由于受电容容量的限制,频率不可能太低。(3)灵活性好，可以用不同的滤波程序实现不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。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。,数字滤波的

35、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。,2.4.1 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=4。,2.4.2 中值滤波法 所谓“中值滤波法”，就是对某一个被测量连续采样n次(一般取奇数)，然后把n个采样值从小到大(或从达到小)排序，再取中间值作为本次采样的结果。X1 X2 X3 X4X5，取X3 中值滤波能有效地滤去由于偶然因素引起的波动(脉冲)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

36、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。,2.4.3 防脉冲干扰复合滤波法,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。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。,2.5 智能传感器,2.5.1 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。,2.5.2 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；自补偿能力:通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时

37、间漂移、响应时间 等进行自动补偿。,(2)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)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: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。,(5)双向通信功能:微处理器和基本传感器之间构成闭环,微处理机不但接收、处 理传感器的数据,还可将信息反馈至传感器,对测量过程进行调 节和控制。,(6)信息存储和记忆功能。,(7)数字量输出功能:输出数字信号,可方便的和计算机或接口总线相连。,目前研制的智能传感器通常

38、只具有上述功能中的一部分。传统的传感器只能作为敏感元件,检测物理量的变化,而智能传感器则包括测量信号调理(如滤波、放大、/转换等)、数据处理以及数据显示等。它几乎包括了仪器仪表的全部功能。可见智能传感器的功能已延伸到仪器的领域。随着科学技术的发展,智能传感器的功能将逐步增强,它将利用人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等),使传感器具有更高级的智能,具有分析、判断、自适应、自学习的功能,可以完成如图象识别、特征检测、多维检测等复杂任务。,2.5.3 智能传感器的组成与结构,智能传感器主要由传感器、微处理器(或微计算机)及相关电路组成,其结构框图如下图所示,智能传感器结构原理框

39、图,智能传感器的结构可以是集成的,也可以是分离式,按结构可以分为模块式、混合式和集成式三种形式。,3 集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上,集成度高,体积小。这种集成的传感器在目前的技术水平下还很难实现。,2 将传感器和微处理器、信号处理电路作在不同的芯片上,则构成混合式的智能传感器(Hybrid Smart Sensor)。,1 初级的智能传感器由许多互相独立的模块组成,如将微计算机、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内,体积较大,但在目前的技术水平下,仍不失为一种实用的结构形式。,2.5.4 智能传感器的应用 智能传感

40、器最早应用在航天领域。飞船中需要测量大量参数,有反映运行轨道的速度、加速度、姿态、方位等参数,有反映宇航员生存环境的温度、湿度、气压、空气成分等参数,因此需要大量的传感器。这些大量的原始数据若直接送到计算机中,无疑会增加主计算机的负担,影响处理速度。为了提高效率和可靠性,采用分布处理的方法,即将这些数据先经过各自的处理系统进行预处理,然后再传送至主机进行集中处理。这就是在美国宇航局开发宇宙飞船时所开发的智能传感器主要目的。由于智能传感器和多功能传感器的功能强,集成度高,体积小,因此可以大大减少传感器的数量和连接电缆线的重量,这恰是导弹、卫星、宇宙飞船等飞行器所需要的,所以它们在航空航天领域中起着非常重要的作用。,在工业生产中,随着生产过程自动化的发展,采集的数据越来越多,需要使用大量传感器和计算机。特别是需要智能传感器。智能传感器及多功能传感器在机器人等机电一体化系统中有广阔的应用前景。如视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器等。特别是智能机器人,需要根据采集的信息进行识别、判断、决策。智能传感器如同人的五官,可以使机器人具有感知功能。现在一些国家在研究开发可以识别物体形状的智能触觉传感器,分辨不同气体的智能嗅觉传感器。随着智能传感器的不断发展,它们将在工业、科技、国防等各个部门得到更广泛的应用。,