第3章

測量模塊第三章測量模塊考點（一）概念：1．傳感器的性能。2．位移傳感器，速度傳感器，加速度傳感器。3．信號調(diào)理電路：前置放大器，濾波電路。（二）計算：1．光柵的計算。2．直流測速發(fā)電機，碼盤式測速。（三）簡單應(yīng)用：1．低通濾波，高通濾波。2．電位器位移測量，加速度傳感器。機電一體化系統(tǒng)對檢測系統(tǒng)要求精度、靈敏度和分辨率高，線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好，抗干擾能力強，靜、動態(tài)特性好。傳感器及其檢測系統(tǒng)提出了一些特殊要求，如體積小、重量輕、價格便宜、便于安裝與維修、耐環(huán)境性能好等。機電一體化系統(tǒng)常用傳感器本章的學(xué)習(xí)內(nèi)容：1傳感器的分類及特性2位移傳感器3速度傳感器4加速度傳感器5力、壓力和扭矩傳感器6位置傳感器1傳感器的分類及特性一、機械量傳感器分類傳感器通常是非電物理量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量輸出的器件或裝置。按被測物理量分為：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感、力傳感器、溫度傳感器等。溫度傳感器壓力傳感器扭矩傳感器角位移傳感器位移傳感器按傳感器工作的物理原理分為：電阻式、電感式、電容式、光電式等等。壓電式加速度傳感器激光位移傳感器光纖式位移傳感器超聲波位移傳感器傳感器電感式位移傳感器二、傳感器的特性1、靜態(tài)響應(yīng)特性當(dāng)被測量的數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸出－輸入特性。包括：非線性度、遲滯、靈敏度、精度、分辨力、測量范圍、死區(qū)。非線性度遲滯靈敏度2、動態(tài)特性動態(tài)特性反映了被測量快速變化的性能，可以利用系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)來描述。調(diào)整時間Ts峰值時間最大超調(diào)量a1振蕩次數(shù)延遲時間上升時間Tr1）時域指標(biāo)2）頻域指標(biāo)可以用幅頻特性和相頻特性描述二階系統(tǒng)的脈沖輸入和響應(yīng)

二階系統(tǒng)的階躍輸入和響應(yīng)

兩種典型的輸入響應(yīng)：2位移傳感器一、旋轉(zhuǎn)變壓器

1.旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)二、光柵數(shù)字傳感器

1、工作原理光柵是在透明的玻璃上，均勻地刻出許多明暗相間的條紋，或在金屬鏡面上均勻地刻化出許多間隔相等的條紋，通常線條和間隙和寬度是相等的。測量裝置中由標(biāo)尺光柵和指示光柵組成，兩者的光刻密度相同，但體長相差很多。把指示光柵平行地放在標(biāo)尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜一個很小的角度，這時在指示光柵上就出現(xiàn)幾條較粗的明暗條紋，稱為莫爾條紋。它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列。2、測量系統(tǒng)光柵移動時產(chǎn)生的莫爾條紋明暗信號可用光電元件接受，如圖中的是四塊光電池，光電池產(chǎn)生的信號，相位彼此差90o，對這些信號進行適當(dāng)?shù)奶幚砗螅纯勺兂晒鈻盼灰屏康臏y量脈沖。三、感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來測量位移的高精度檢測元件，有直線式和圓盤式兩類。當(dāng)給滑尺的正余弦繞組同時加勵磁電壓，則在定尺上感應(yīng)的總電動勢為：四、光電編碼器這種碼盤有兩個通道與B（即兩組透光和不透光部分），其相位差90°，相對于一定的轉(zhuǎn)角得到一定的脈沖，將脈沖信號送入計數(shù)器。則計數(shù)器的計數(shù)值就反映了碼盤轉(zhuǎn)過的角度。3速度傳感器一、直流測速發(fā)電機用于自動控制中測量轉(zhuǎn)速或速度負反饋校正元件。分為永磁式和電磁式，常用的是永磁式。測速發(fā)電機的輸出電壓：直流測速發(fā)電機（簡單應(yīng)用）直流測速發(fā)電機實際上是一臺微型的直流發(fā)電機，其輸出是與轉(zhuǎn)速成正比的直流電壓測速發(fā)電機的輸出特性：二、碼盤式轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)感器測量碼盤脈沖頻率法：該方法測量精度與測量速度有關(guān)，當(dāng)測量低速時碼盤脈沖頻率過低測速誤差大。測量碼盤脈沖周期法：這種方法測速精度高，測量誤差指示正負一個時鐘脈沖，在測量高速時一般以測量多個脈沖間隔來提高精度，這種方法有能力檢測速度的瞬時變化。4加速度傳感器

一、加速度傳感器的基本力學(xué)模型是一個質(zhì)量－彈簧－阻尼二階阻尼系統(tǒng)其微分方程（簡單應(yīng)用）

如果加速度的變化頻率時5力、壓力和扭矩傳感器

一、工作原理首先由彈性元件將力、力矩、壓力等被測量轉(zhuǎn)換成位移或應(yīng)變，然后再通過轉(zhuǎn)換元件將相應(yīng)的位移或應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電信號輸出。二、彈性元件

應(yīng)變式力傳感器的測量范圍很大，可以從5N～10MN以上，測量精度可以達到0.03%～2%。鉸鏈彎曲式彈性元件梁式彈性元件受徑向載荷6.霍爾式電流傳感器

霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理形成的傳感器，它可以通過將電流、磁場、位移、壓力、壓差、速度等物理量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。工作原理霍爾式電流傳感器霍爾式電流傳感器霍爾元件直接檢測電流：該方法適用于大電流測量霍爾檢零式測量：適用于直流小電流測量7.信號調(diào)理電路前置放大器

一、電壓跟隨器的特點是輸出電壓等于輸入電壓，輸入阻抗大，輸出阻抗小。它與傳感器連接可以進行阻抗變換降低傳感器的負載效應(yīng)提高傳感器的變換效率

二、電荷放大器（重點要求會畫電路圖）信號的濾波電路

1濾波器

a)b)c)一、濾波器的功能和類型1、功能：濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種不同信號的功能。2、類型：按處理信號形式分：模擬濾波器和數(shù)字濾波器按功能分：低通、高通、帶通、帶阻按電路組成分：LC無源、RC無源、由特殊元件構(gòu)成的無源濾波器、RC有源濾波器按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)分：一階、二階、高階濾波電路—有用頻率信號通過，無用頻率信號被抑制的電路。引言按頻率特性分低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器理想濾波器的頻率特性f·f·f·f·通通通

阻

通阻通阻阻阻低通高通帶通帶阻按傳遞函數(shù)分一階濾波器二階濾波器N

階濾波器:濾波器的基本知識

c)a)b)OA(

)OA(

)OA(

)d)OA(

)1有源低通濾波電路(LPF—LowPassFilter)—通帶放大倍數(shù)···一、一階

LPFRf8CR1R··其中，

Auf=1+Rf/R1fH=1/2

RC—上限截止頻率··fH歸一化幅頻特性f·0-3-20dB/十倍頻二、二階LPF1.簡單二階LPF8CR1RCRRf···通帶增益：Auf=1+Rf/R1問題：在f=fH

附近，輸出幅度衰減大。–40dB/十倍頻-40f/fH0-10-2010-301·改進思路：在提升fH

附近的輸出幅度。2.實用二階LPF8CR1RfRCR··Q=1

/

(3-Auf)Q—等效品質(zhì)因數(shù)-40f/fn0-3-10-2010-30Q=0.707Q=1Q=2Q=51····正反饋提升了f

n附近的

Au。Good!Auf=3時Q

電路產(chǎn)生自激振蕩·–40dB/十倍頻特征頻率：當(dāng)Q=0.707時，fn=fH2

有源高通濾波電路(HPF—High

Pass

Filter)8CR1RfRCR··通帶增益：Auf=1+Rf/

R1Q=1/(3-Auf)f/fn0-3-10-2010-30-40Q=0.707Q=1Q=2Q=51·Auf=3時，Q

，電路產(chǎn)生自激振蕩二階低通、高通，為防止自激，應(yīng)使Auf<3。3

有源帶通濾波電路(BPF—BandPassFilter)構(gòu)成思路：ffHffLffLfH·f0fH>fL·8CR1RfRC1R3R2·LPFBPF要求

R3C1>RC中心頻率：等效品質(zhì)因素：Q=1/(3-Auf)通頻帶：BW=f0/Q最大電壓增益：A