第2章　傳感檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　傳感檢測(cè)系統(tǒng)

2.1.1　傳感檢測(cè)系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)

傳感檢測(cè)系統(tǒng)是智能裝備系統(tǒng)的感受環(huán)節(jié)，是控制系統(tǒng)的信息入口，其主要任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中所需的本身和外界的各種參數(shù)及狀態(tài)（非電量）進(jìn)行檢測(cè)，并轉(zhuǎn)成與被測(cè)量有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理電路傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的信息處理單元，經(jīng)過分析處理后，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。系統(tǒng)對(duì)測(cè)量模塊的要求是不失真地反映被測(cè)物理參數(shù)的時(shí)間變化曲線，這里包含分辨率、精度、線性范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等一系列技術(shù)指標(biāo)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展以及高速度、高精度A/D轉(zhuǎn)換器和其他功能電路的產(chǎn)生，將檢測(cè)技術(shù)推向一個(gè)新的發(fā)展階段，利用微機(jī)來輔助檢測(cè)，使得數(shù)據(jù)采集、處理和控制融為一體。高性能的傳感檢測(cè)系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如表22-2-1所示。

2.1.2　傳感檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

2.1.2.1　非電量的特征

在生產(chǎn)過程和科學(xué)研究中所接觸到的被測(cè)量大多數(shù)是非電物理量。例如，機(jī)械量（如位移、力、轉(zhuǎn)速和扭矩）、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)參數(shù)（如應(yīng)力、流量和振動(dòng)）、氣象火箭探測(cè)量（如溫度、氣壓、風(fēng)速和空氣密度）等。可見，非電量種類繁多，特性千差萬別，了解非電信號(hào)的特點(diǎn)，有利于對(duì)各種各樣的非電量檢測(cè)進(jìn)行分析。

2.1.2.2　傳感檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.1.2.3　傳感檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成

2.1.2.4　傳感檢測(cè)系統(tǒng)的軟件組成

軟件通常分為應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件兩大類。

應(yīng)用軟件是針對(duì)檢測(cè)目的而編寫的所有程序。應(yīng)用程序要由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者自己編寫，應(yīng)用程序的開發(fā)占軟件開發(fā)工作量的大部分，應(yīng)用程序的優(yōu)劣將會(huì)給系統(tǒng)的精度和效率帶來很大影響。

系統(tǒng)軟件一般包括操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、程序設(shè)計(jì)語言、編譯程序及調(diào)試查錯(cuò)程序等。如果測(cè)控系統(tǒng)采用制造商提供的成品計(jì)算機(jī)，則可有相應(yīng)配套的系統(tǒng)軟件提供。為更適合應(yīng)用目的，可以適當(dāng)修改或補(bǔ)充已有的系統(tǒng)軟件。如果從硬件模塊級(jí)開始組裝系統(tǒng)，往往系統(tǒng)軟件也需要自行編制。

2.1.3　傳感器信號(hào)的處理

根據(jù)傳感器輸出信號(hào)形式的不同和系統(tǒng)的功能要求，可以將信號(hào)處理電路分為模擬量測(cè)量電路、開關(guān)量測(cè)量電路和編碼測(cè)量電路三種類型，見表22-2-5。

2.1.4　信號(hào)傳輸

在有些場(chǎng)合，傳感器采集的信號(hào)需要送到遠(yuǎn)處的主控系統(tǒng)。為了增強(qiáng)傳輸?shù)目垢蓴_能力，通常采用電流環(huán)來傳輸信號(hào)。有兩種傳輸方式，一種是模擬信號(hào)的直接傳輸；另一種是先把信號(hào)轉(zhuǎn)變成為數(shù)字量，然后傳輸。電流環(huán)的最大優(yōu)點(diǎn)是低阻的傳輸線對(duì)電氣噪聲不敏感。傳感信號(hào)傳輸?shù)姆绞揭姳?2-2-6。

2.2　傳感器及其應(yīng)用

2.2.1　傳感器的組成與分類

2.2.2　傳感器的主要性能指標(biāo)

2.2.3　各種用途的常用傳感器

2.2.4　基于各種工作原理的常用傳感器

2.2.4.1　電阻式傳感器

電位器式傳感器的傳感元件是電位器，它能將機(jī)械線位移或角位移轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。電位器的基本作用是作為變阻器和分壓器使用。

電位器式傳感器的種類較多，按其結(jié)構(gòu)形式可分為線繞式、薄膜式、導(dǎo)電塑料式和光電式等。具體結(jié)構(gòu)與工作原理見表22-2-18。

電阻應(yīng)變片式傳感器是利用傳感器的彈性元件感受所測(cè)的物理量并轉(zhuǎn)化為應(yīng)變，用粘貼于彈性元件上的應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變并轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)的傳感器，常用于測(cè)量力、壓力、加速度等物理量，見表22-2-19。

2.2.4.2　電容式傳感器

2.2.4.3　電感傳感器

電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)量電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈的自感或互感變化的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。它常用來檢測(cè)位移、振動(dòng)、力、應(yīng)變、流量、密度等物理量。

電感式傳感器的種類很多，根據(jù)傳感器轉(zhuǎn)換原理不同，可分為自感式、互感式、渦流式、壓磁式和感應(yīng)同步器等；據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，可分為氣隙式和螺管式兩種；據(jù)改變的參數(shù)不同，又分為變氣隙厚度式、變氣隙面積式、變鐵芯磁導(dǎo)率式三種。

2.2.4.4　壓電傳感器

2.2.4.5　磁電傳感器

2.2.4.6　磁致伸縮傳感器

（1）磁致伸縮位移傳感器

（2）磁致伸縮扭矩傳感器

（3）磁致伸縮力傳感器

2.2.4.7　熱電式傳感器

熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器，它利用測(cè)溫敏感元件的電參數(shù)隨溫度變化的特性，通過測(cè)量電量變化來檢驗(yàn)溫度。

2.2.4.8　霍爾式傳感器

2.2.4.9　光纖傳感器

2.2.4.10　光電傳感器

光敏傳感器是能對(duì)光信號(hào)的變化做出迅速反應(yīng)，并將被測(cè)量變化通過光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，又稱為光電式傳感器。光電式傳感器具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、不受電磁輻射影響及本身也不輻射電磁波的特點(diǎn)。

具有檢測(cè)光信號(hào)功能的材料稱為光敏材料，利用這種材料做成的器件稱光敏（光電）器件。光電器件的工作原理是利用光電效應(yīng)。光照射在某些物質(zhì)上，使該物質(zhì)吸收光能后，電子能量和電特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)可分為兩大類，即外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。

外光電效應(yīng)是指，在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)是指，當(dāng)光線照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象；入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)；光照射時(shí)物體中能產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。

2.2.4.11　紅外線傳感器

紅外線傳感器可分為紅外熱成像遙感技術(shù)、紅外搜索（跟蹤目標(biāo)、確定位置、紅外制導(dǎo)）、紅外輻射測(cè)量、通信、測(cè)距、紅外測(cè)溫等多種形式。紅外傳感器主要由紅外輻射源和紅外探測(cè)器兩部分組成。

2.2.4.12　激光式傳感器

激光檢測(cè)具有精度高、測(cè)量范圍大、檢測(cè)時(shí)間短、非接觸式等優(yōu)點(diǎn)。

按激光檢測(cè)技術(shù)形成的原理，其可以分為兩類：一類是同頻率，同振動(dòng)方向，相位差恒定的單色波相互干涉，按光程差測(cè)量長度、位移、振動(dòng)和密度等；相應(yīng)的儀器有激光比長儀、激光應(yīng)變儀、激光干涉定位儀等；另一類是頻率稍有不同的兩束單色波相互干涉，按兩束單色波的頻率差的變化產(chǎn)生拍，由拍的頻率測(cè)出速度、轉(zhuǎn)速、流速和振動(dòng)等。相應(yīng)的儀器有激光干涉測(cè)速儀、激光多普勒測(cè)速儀等。激光干涉儀還可引申測(cè)出平面、球面、螺距、折射率和波像差等各種物理量參數(shù)，其用途非常廣泛。

干涉儀的主要用途與相應(yīng)的干涉儀簡單歸納于表22-2-45。

2.2.4.13　數(shù)字式傳感器

數(shù)字式傳感器是把輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器，它有以編碼方式產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的代碼型和將輸出的連續(xù)信號(hào)經(jīng)過簡單的整理、微分電路處理輸出離散脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)型兩種。

代碼型數(shù)字式傳感器輸出的信號(hào)是數(shù)字代碼，每一個(gè)代碼相當(dāng)于一個(gè)一定量的輸入值。常用來檢測(cè)執(zhí)行元件的位置或速度，如絕對(duì)式光電脈沖編碼器、接觸式碼盤等。

計(jì)數(shù)型數(shù)字式傳感器可以是任何一種脈沖發(fā)生器，所發(fā)生的脈沖數(shù)與輸入量成正比，加上計(jì)數(shù)器就可對(duì)輸入量進(jìn)行計(jì)數(shù)，可用來檢測(cè)通過輸送帶上的產(chǎn)品個(gè)數(shù)，也可用來檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量。如增量式光電脈沖編碼器和光柵傳感器等。

簡單的數(shù)字式傳感器就是編碼器，主要由編碼和讀碼兩部分所組成，其分辨率取決于碼道的多少。編碼器包括光柵、磁柵、感應(yīng)同步器、球柵和容柵等柵式測(cè)量系統(tǒng)，都是應(yīng)用了重復(fù)周期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2.4.14　氣敏傳感器

2.2.5　智能傳感器

2.2.6　微傳感器

2.2.6.1　定義特點(diǎn)及分類

微傳感器一般是指采用MEMS技術(shù)制作的、芯片的特征尺寸為微米級(jí)的各類傳感器的總稱，它利用微細(xì)加工技術(shù)，把電子、機(jī)械、光學(xué)等部件集成在微小空間內(nèi)，形成具有一定智能的優(yōu)化復(fù)雜系統(tǒng)。

微傳感器的主要特點(diǎn)如下。

①微型化與集成化。敏感元件的尺寸是微米級(jí)甚至亞微米級(jí)；MEMS傳感器的體積可小至亞微米以下，其尺寸精度可達(dá)納米級(jí)，質(zhì)量可達(dá)納克量級(jí)。

②高精度與長壽命。

③低成本和低功耗。功耗可降至毫瓦乃至更低水平。

④快速響應(yīng)。微傳感器和微執(zhí)行器之間不存在信號(hào)延遲等問題。

微傳感器的分類方法有許多種，主要有以下幾種。

①按敏感元件的轉(zhuǎn)換原理，分為物理微傳感器、化學(xué)微傳感器、生物微傳感器等。

②按被測(cè)量的性質(zhì)，分為壓力微傳感器、加速度微傳感器，體積分?jǐn)?shù)微傳感器、離子濃度微傳感器等。

③按制備技術(shù)和使用材料，分為薄膜微傳感器、半導(dǎo)體微傳感器、陶瓷微傳感器等。

④按應(yīng)用領(lǐng)域，分為汽車用微傳感器、醫(yī)用微傳感器、航空航天用微傳感器等。

⑤按微傳感器的組成方式，又可以分成陣列式微傳感器、網(wǎng)絡(luò)化微傳感器等。

2.2.6.2　機(jī)械量微傳感器

2.2.6.3　基于MEMS技術(shù)的氣體微傳感器

與物理量傳感器不同的是，氣體微傳感器的敏感元件上需要有可以與被檢測(cè)分子產(chǎn)生相互作用的物質(zhì)。MEMS技術(shù)將傳感器與IC電路集成在一起，具有精度高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低、選擇性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，且器件的互換性好，可批量生產(chǎn)。

基于MEMS的新型微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器，主要有硅基微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器與硅微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器。

硅基微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器的襯底為硅，敏感層為非硅材料，主要有金屬氧化物半導(dǎo)體、固體電解質(zhì)型、電容型、諧振器型。

硅微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器主要是金屬化合物-半導(dǎo)體-場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）型和鈀金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）二極管型。

SnO₂氧化物薄膜氣體微傳感器。在利用MEMS工藝制作的可控制溫度的電導(dǎo)敏感元件中央部位表面上，利用納米材料制作氣體敏感薄膜（如SnO₂），則該元件即成為氣體微傳感器的基礎(chǔ)元件。SnO₂氧化物薄膜對(duì)氣體的敏感特性與溫度有關(guān)的，且溫度還會(huì)引起微結(jié)構(gòu)的尺寸變化。

2.2.7　傳感器的選用

必須根據(jù)實(shí)際使用的目的、技術(shù)指標(biāo)要求、環(huán)境條件要求等，來選擇傳感器，見表22-2-53。首先要按實(shí)際需要確定適當(dāng)?shù)男阅苤笜?biāo)，不要盲目地追求高指標(biāo)。如靈敏度定得過高，那么不穩(wěn)定性就會(huì)增加，這往往成為誤動(dòng)作的原因，從而降低了系統(tǒng)的可靠性。其次是在應(yīng)考慮的因素中，要有不同側(cè)重點(diǎn)，例如：若光機(jī)電一體化產(chǎn)品是需要長時(shí)間連續(xù)使用的，應(yīng)重視選擇長期穩(wěn)定性好的傳感器；檢測(cè)時(shí)間比較短的、重復(fù)性使用的，應(yīng)選擇靈敏度和動(dòng)態(tài)特性比較好的傳感器；檢測(cè)信號(hào)要求精度高的，應(yīng)選擇高精度傳感器；當(dāng)檢測(cè)條件差、溫度高的場(chǎng)合檢測(cè)時(shí)，應(yīng)選擇具有抗高溫性強(qiáng)的傳感器。

各種傳感器的變換原理、結(jié)構(gòu)、使用目的、環(huán)境條件雖各不相同，但對(duì)其主要性能要求卻是一致的，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，確定其主要指標(biāo)參數(shù)。

2.2.8　多傳感器信息融合

2.3　模擬信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在選擇測(cè)量方法時(shí)，要綜合考慮被測(cè)量本身的特性、所要求的測(cè)量準(zhǔn)確度、測(cè)量環(huán)境和現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備等因素。

2.3.1　模擬信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成

模擬式傳感器輸出是與被測(cè)物理量相對(duì)應(yīng)的連續(xù)變化的電信號(hào)。典型的模擬信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)如圖22-2-1所示。其中，振蕩器用于對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并為解調(diào)提供參考信號(hào)；量程變換電路的作用是避免放大器飽和并滿足不同測(cè)量范圍的需要；解調(diào)器用于將已調(diào)制信號(hào)恢復(fù)成原有形式；濾波器可將無用的干擾信號(hào)濾除，并取出代表被測(cè)物理量的有效信號(hào)；運(yùn)算電路可對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種處理，以正確獲得所需的物理量；計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步運(yùn)算處理后，可獲得相應(yīng)的控制信號(hào)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而在不需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能化量儀中，計(jì)算機(jī)則將有關(guān)信息送去顯示或打印輸出。

在具體光機(jī)電一體化產(chǎn)品的檢測(cè)系統(tǒng)中，也可能沒有圖22-2-1中的某些部分或增加一些其他部分，如有些傳感器信號(hào)可不進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，而直接進(jìn)行阻抗匹配、放大和濾波等。

2.3.2　基本轉(zhuǎn)換電路

被測(cè)物理量經(jīng)傳感器變換后，往往成為電阻、電容、電感等電參數(shù)的變化，或電荷、電壓、電流等電量的變化。當(dāng)傳感器的輸出信號(hào)是電參數(shù)形式時(shí)，需采用基本轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成電量形式，然后再送入后續(xù)檢測(cè)電路。

不同的傳感器的輸出阻抗不一樣。有的傳感器的輸出阻抗特別大，例如壓電陶瓷傳感器，輸出阻抗高達(dá)10⁸Ω；有的傳感器的阻抗比較小，如電位器式位移傳感器，總電阻為1500Ω；動(dòng)圈式傳聲器的阻抗更低，只有30～70Ω。對(duì)于高阻抗的傳感器，通常用場(chǎng)效應(yīng)管或運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)匹配；對(duì)于阻抗特別低的傳感器，在交變輸入時(shí)，往往可采用變壓器匹配。

2.3.3　信號(hào)放大電路

信號(hào)放大電路亦稱放大器，用于將傳感器或經(jīng)基本轉(zhuǎn)換電路輸出的微弱信號(hào)不失真地加以放大，以便于進(jìn)一步加工和處理。

2.3.4　信號(hào)調(diào)制與解調(diào)

調(diào)制與解調(diào)方法被廣泛應(yīng)用于通信中，以便給不同的信號(hào)賦予不同的特征，將它們相互區(qū)別開來。在光機(jī)電一體化產(chǎn)品中也常采用這種方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，以防止干擾信號(hào)對(duì)檢測(cè)精度的影響。如表22-2-44所示。例如，采用特定頻率的交流電源對(duì)電感傳感器供電，或?qū)τ蓱?yīng)變片、熱敏電阻等組成的橋路供電，其目的都是為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)在經(jīng)過放大后，還需通過解調(diào)（或稱檢波）的方法將其還原成原始信號(hào)，以獲得被測(cè)物理量及其變化的信息。信號(hào)調(diào)制的方法有幅值調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制和脈寬調(diào)制等，其中前三種又分別簡稱為調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻。對(duì)應(yīng)不同的信號(hào)調(diào)制方法，需采用不同的方法來解調(diào)。

2.3.5　濾波電路

濾波電路可以由電感、電容、電阻這些無源器件組成，成為無源濾波器；也可以將無源器件和放大器結(jié)合，組成有源濾波器。有源濾波器可以只用阻容器件實(shí)現(xiàn)，因此體積小。由于采用集成放大器，帶寬和增益控制非常方便。

濾波器通常可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等，還有用于提取寬帶信號(hào)的梳狀濾波器，由電感電容元件組成的LC濾波器等。見表22-2-58。

2.3.6　電平轉(zhuǎn)換電路

對(duì)于一些采樣器件，輸入的電壓必須限制在一定的范圍內(nèi)。所以，需要將電平調(diào)整為合適值。圖22-2-2是最基本的電平轉(zhuǎn)換電路。圖中的電位器R_P用來調(diào)整信號(hào)的電平偏移。U₁、U₂為采樣器件對(duì)輸入電平的上下限。選擇合適的A，使得信號(hào)范圍在U₁、U₂之間VD₁、VD₂用于限定輸入范圍，起到過壓保護(hù)的作用。

電平轉(zhuǎn)換電路的形式是多樣的，應(yīng)該根據(jù)具體的要求設(shè)計(jì)。

2.3.7　采樣-保持電路

采樣-保持電路通過邏輯指令控制，使電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并使電路的輸出級(jí)跟蹤輸入量。通過保持指令，使輸入量在電路中一直保留著，直到下一個(gè)新的采樣指令到來。在需要對(duì)輸入信號(hào)瞬時(shí)采樣和存儲(chǔ)的場(chǎng)合，都需要采樣保持電路，如峰值檢波、瞬時(shí)量的測(cè)量和模擬信號(hào)的采樣電路。

采樣-保持電路主要由模擬開關(guān)、電容和緩沖器組成，如圖22-2-3所示。模擬開關(guān)在邏輯指令的控制下，用于決定當(dāng)前是采樣還是保持。電容用于存儲(chǔ)模擬信號(hào)。緩沖器放大器由射隨電路組成，提供高的輸入阻抗和低的輸出阻抗。

當(dāng)邏輯指令為采樣指令時(shí)，模擬開關(guān)接通，輸入信號(hào)U_i通過模擬開關(guān)對(duì)電容C進(jìn)行充電，電容上的電壓U_c隨著輸入電壓U_i而變化，輸出電壓U_o和U_c一致，這個(gè)過程就是采樣的過程。當(dāng)邏輯指令為保持指令時(shí)，模擬開關(guān)斷開，電容上的電壓U_c與保持指令開始時(shí)刻的輸入電壓U_i相一致。

采樣-保持電路可以用分立元件構(gòu)成，也可采用現(xiàn)成的集成電路。由于采樣和保持的狀態(tài)不是立即能夠完成的，所以在選擇電路器件時(shí)，必須注意采樣-保持電路或器件的捕獲時(shí)間和斷開時(shí)間。

2.3.8　運(yùn)算電路

運(yùn)算電路是能對(duì)信號(hào)運(yùn)算處理的電路，模擬運(yùn)算電路具有直接、簡單、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，對(duì)于一些比較簡單的運(yùn)算，仍采用模擬運(yùn)算電路來實(shí)現(xiàn)。

2.3.9　A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路是指把模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量的電路。根據(jù)采樣的原理，可以分為雙積分型、跟蹤型、逐次逼近型和并列型等，選擇時(shí)主要從速度、精度和價(jià)格上考慮。

2.3.10　數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理

檢測(cè)信號(hào)被采入計(jì)算機(jī)后，尚需經(jīng)過預(yù)處理才能交付應(yīng)用程序使用。預(yù)處理的主要任務(wù)：一是去除混雜在有用信號(hào)中的各種干擾信號(hào)；二是采用軟件方法對(duì)實(shí)際傳感器的非線性傳輸特性進(jìn)行補(bǔ)償，既降低對(duì)傳感器的要求，又不需要額外的硬件投資（表22-2-62）；三是補(bǔ)償溫度漂移和時(shí)間漂移引起的零位誤差和增益誤差（表22-2-63）。

干擾信號(hào)有周期性干擾和隨機(jī)性干擾兩類。典型的周期性干擾是50Hz的工頻干擾，采用積分時(shí)間為20ms整數(shù)倍的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，可有效地消除其影響。對(duì)于隨機(jī)性干擾，可采用數(shù)字濾波（見表22-2-61）的方法予以削弱或消除。

2.3.11　抗干擾設(shè)計(jì)

傳感器電路的設(shè)計(jì)中，必須考慮抗干擾設(shè)計(jì)。抗干擾是傳感器電路設(shè)計(jì)是否成功的關(guān)鍵。

干擾可能來自外部的電磁干擾，可能來自供電電路，也可能是由器件自身的性能引起的。通常在選取元件時(shí)，選用低噪聲的電阻、電容和放大器。除此之外，良好的電路設(shè)計(jì)有助于減少干擾。表22-2-64只介紹由傳感器及元器件引起的干擾。

2.4　數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1　數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成

由于近年來微型計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，在光機(jī)電一體化產(chǎn)品中許多復(fù)雜的信號(hào)處理都采用微型計(jì)算機(jī)來完成，因此模擬信號(hào)往往需先經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，再采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，這無疑將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，而且模擬信號(hào)的檢測(cè)精度較低，易受干擾影響，不便于遠(yuǎn)距離傳輸。數(shù)字式傳感器可直接將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，既可提高檢測(cè)精度、分辨力及抗干擾能力，又易于信號(hào)的運(yùn)算處理、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)距離傳輸。因此，盡管目前數(shù)字式傳感器品種還不是很多，但卻得到了越來越多的應(yīng)用。

最常見的數(shù)字式傳感器有光電編碼器、光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器及激光干涉儀等，主要用于幾何位置、速度等的測(cè)量。這些傳感器所輸出的信號(hào)都是增量碼形式的數(shù)字信號(hào)。所謂增量碼信號(hào)是指信號(hào)變化的周期數(shù)與被測(cè)位移成正比的信號(hào)。這類數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的典型組成如圖22-2-4所示。

在圖22-2-4中，傳感器的輸出多數(shù)為正弦波信號(hào)，需先經(jīng)放大、整形后變成數(shù)字脈沖信號(hào)。在精度要求不高和無需辨向時(shí)，脈沖信號(hào)可直接送入計(jì)數(shù)器和計(jì)算機(jī)，但在多數(shù)情況下，為提高分辨力，常采用細(xì)分電路，使傳感器信號(hào)每變化1/n個(gè)周期計(jì)一個(gè)數(shù)，其中n稱為細(xì)分?jǐn)?shù)。辨向電路用于辨別被測(cè)量的變化方向。當(dāng)脈沖信號(hào)所對(duì)應(yīng)的被測(cè)量不便于讀出和處理時(shí)，需進(jìn)行脈沖當(dāng)量變換。計(jì)算機(jī)可對(duì)信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算處理，并將結(jié)果直接送去顯示或打印輸出，或求取控制量去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.4.2　編碼器及光柵信號(hào)的電子細(xì)分方法

現(xiàn)代制造技術(shù)已經(jīng)可以將編碼器的分辨率提高到很高的程度，旋轉(zhuǎn)編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)可達(dá)數(shù)萬，直線編碼器的柵距已達(dá)微米級(jí)。但是這種制作能力畢竟是有極限的，要得到更高的分辨率，就要采用光學(xué)和電子的方法對(duì)現(xiàn)有信號(hào)進(jìn)行細(xì)分。

光學(xué)細(xì)分的方法有多種，其中一種是光柵倍增細(xì)分法。該方法采用細(xì)光柵作為指示光柵，而采用柵距為細(xì)光柵N倍的粗光柵作為主光柵。當(dāng)主光柵移動(dòng)一個(gè)粗光柵柵距時(shí)，莫爾條紋區(qū)某檢測(cè)位置上將通過N個(gè)莫爾條紋。這種細(xì)分方法的優(yōu)點(diǎn)是避免了制作高分辨率長光柵的難度，將重點(diǎn)放在高分辨率和高精度的指示光柵的制作上，最終得到細(xì)光柵的分辨率。

2.5　現(xiàn)代傳感檢測(cè)技術(shù)的新發(fā)展

2.6　典型傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例和檢測(cè)裝置

2.6.1　CX300型數(shù)控車銑加工中心傳感檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

數(shù)控車銑加工中心作為綜合了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、精密測(cè)量和機(jī)床等方面技術(shù)而發(fā)展起來的高效自動(dòng)化精密機(jī)床，是一種典型的光機(jī)電一體化產(chǎn)品。

2.6.2　飛鋸檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

管材、型材等軋制線的高精度連續(xù)自動(dòng)跟蹤切割技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用，其中關(guān)鍵設(shè)備飛鋸系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、高效、快速的典型光機(jī)電一體化產(chǎn)品。

2.6.3　新風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

新風(fēng)，即室外空氣，取新風(fēng)，就是想利用其優(yōu)良的物質(zhì)性和能量性。例如：在舒適性空調(diào)中，用新風(fēng)一般是取其中的氧氣供人呼吸；而在節(jié)能中，是將其作為冷源。但空氣中也有不良的成分，其中的灰塵就是有害物，必須將其去除。空氣中的水分過多或過少，也是在利用新風(fēng)時(shí)的一個(gè)重要問題。因此在采用新風(fēng)節(jié)能時(shí)，要趨利避害，就必須通過技術(shù)手段解決這些問題。