传感器与计算机接口

机电系统及生产过程自动化第一章机电一体化概论第二章精密机械技术第三章工业控制计算机第四章基于单片机的控制器第五章可编程序控制器第六章传感器与计算机接口第七章动力驱动及其计算机控制第八章机电一体化系统设计方法与实例控制器(IPC/PLC/MCU等)输入接口输出接口驱动执行机构(电机、电磁阀等)被控对象(各种机械参数)传感检测装置(各类传感器等)反馈量被控量设定值＋—机电一体化系统的组成机电一体化系统的组成第六章传感器与计算机接口概述机电一体化系统中的常用传感器传感器与计算机接口技术第六章传感器及其接口概述传感检测装置在机电一体化系统中的作用传感检测装置的组成机电一体化系统中的常用传感器传感器与计算机接口技术传感检测装置在机电一体化系统中的作用传感检测装置作为机电一体化系统的感觉器官，用来获取两方面信息：•系统内部的信息：如力的大小，工件的位置、位移等。•系统外部即环境参数：如温度、湿度等。把信息作适当处理（变换、放大、滤波），检测出有用信息，送到显示或处理装置。传感检测装置在机电一体化系统中的作用主机(工控机或普通计算机)显示器打印机交互设备(键盘鼠标等)报警存储设备(硬盘光盘等)接口电路A/D多路开关接口电路接口电路接口电路D/A开关量输入开关量输出多路开关…变送器传感器变送器传感器……传感检测输入通道驱动执行…被控对象(压力、速度等机械参数)传感检测装置的组成电量电量被测对象输入装置中间变换装置输出非电量通常是各类传感器非电量电测法：利用各种电子测量线路和仪器对非电物理量进行测量的方法，相对于机械测量法、光学测量法。第六章传感器及其接口概述机电一体化系统中的常用传感器传感器的定义与分类机电一体化系统中的常用传感器智能传感器传感器与计算机接口技术传感器的定义广义：将被测物理量转换成与之对应的，容易检测、传输或处理的信号的装置，称之为传感器，也叫变换器、换能器。狭义：指工程中使用的各类传感器。传感器的分类传感器的分类方法有多种，主要有以下三种分类：•按被测物理量：位移、位置传感器力、力矩传感器速度、加速度传感器温度、湿度、酸度传感器•按工作原理：电阻式、电容式、电感式磁电式、光电式、压电式、热电式谐振式•按输出量：模拟型数字型注意：在机械工程中使用的传感器有很多，一种传感器可以测量多种物理量，一种物理量也可以由多种传感器测量得到。第六章传感器及其接口概述机电一体化系统中的常用传感器传感器的定义与分类机电一体化系统中的常用传感器智能传感器传感器与计算机接口技术机电一体化系统中的常用传感器位置传感器位移传感器速度、加速度传感器力、压力、力矩传感器温度传感器视觉传感器位置传感器图6-2微动式限位开关结构示意图1—推杆；2—弯形片状弹簧；3—常开触点4—常闭触点；5—复位弹簧12534接触式位置传感器位置传感器非接触式位置传感器R1R2VoutVcc图6-4光电式接近开关(a)透射式(b)反射式有障碍物：低无障碍物：高R1R2VoutVcc有物体靠近：低无物体靠近：高R3位置传感器电容式接近开关电感式、霍尔式接近开关位移传感器绝对式码盘（格雷码）增量式码盘(ABZ)位移传感器旋转轴编码盘发光二极管光敏二极管放大整形辨向计数图6-9由增量式光电编码盘构成的角度-数字转换系统n位移传感器码盘式位移传感器速度传感器非接触式速度传感器nn电涡流传感器霍尔元件图6-11电涡流式转速测量原理图6-12霍尔式转速测量原理NS速度传感器非接触式速度传感器接触式速度传感器—测速电机加速度传感器图6-13电阻应变式加速度计充有阻尼液体的传感器壳体m电阻应变片am传感器壳体压电元件图6-14压电式加速度传感器加速度传感器普通加速度传感器集成半导体式加速度传感器力传感器柱式梁式轮辐式应变片式力传感器力传感器FF(a)柱式FF(b)环式F(c)梁式adcbUIUO+-+-(d)转换电路（直流电桥）图6-18各式力传感器结构及转换电路R1R2R4R3压力传感器应变片式压电式压阻式力矩传感器温度传感器热电阻、热敏电阻热电偶视觉传感器图像或视频数据采集理卡安装有图像或视频处理软件的计算机执行元件图6-28视觉检测系统的组成光源检测对象视觉传感器视觉传感器图6-29视觉传感器在药品生产中的应用图6-30视觉传感器在PCB生产中的应用视觉传感器第六章传感器及其接口概述机电一体化系统中的常用传感器传感器的定义与分类机电一体化系统中的常用传感器智能传感器传感器与计算机接口技术智能传感器的概念与特点一般传感器只具备信息采集、转换功能，智能化传感器是一种带微处理器的传感器，是微型计算机和传感器的结合，它兼有信息采集、转换、检测、判断和处理功能，与传统传感器相比有很多特点：•⑴有信息判断和处理功能；•⑵能对测量值进行修正、误差补偿，提高了测量精度；•⑶可实现多传感器多参数测量；•⑷有自诊断和自校准功能，提高可靠性；•⑸测量数据可存取，使用方便；•⑹通信功能：有数据通信接口，能与微型计算机通信。智能传感器的结构与传统传感器相同的部分被测量传感器预处理及接口电路微处理器输出接口显示通信与传统传感器不同的部分第六章传感器及其接口概述机电一体化系统中的常用传感器传感器与计算机的接口传感器的信号输出形式数字型传感器与计算机接口及实例模拟型传感器与计算机接口及实例传感器的信号输出形式传感器输出信号处理过程输出结果传感器类型电压模拟量模拟型传感器电流电流-电压频率频率-电压（频率/电压转换器）开关量（0/1，位式数字）数字量数字型传感器编码数字（ASCII码、BCD码，二进制）脉冲序列脉冲数-数字（计数器）第六章传感器及其接口概述机电一体化系统中的常用传感器传感器与计算机的接口传感器的信号输出形式数字型传感器与计算机接口及实例模拟型传感器与计算机接口及实例数字型传感器与计算机接口被测信号数字型传感器三态缓冲器计算机计算机数据总线接口实例M/T法测速光敏二极管输出整形后输出旋转轴编码盘发光二极管光敏二极管放大整形辨向计数由增量式光电编码盘构成的角度-数字转换系统n接口实例接口实例M/T法测速原理：同时测量检测时间和在此检测时间内计数脉冲个数，从而得到被测转速。)(60)(时间角度212121rpmpmfmrpspmfmfmpmnccc其中：m1：检测时间内得到的测速脉冲数m2：检测时间内得到的时钟脉冲数fc：时钟频率p：编码盘每转送出的脉冲数来自编码器M/T测速法接口硬件电路接口实例测速部分脉冲整形部分接口实例8253：下降沿有效的十六位减法计数器，3个计数通道都工作方式0—计数终止时中断，其方式字分别为0x30、0x70、0xB0(方式0，先低后高读写，十六进制)。LM339：过零比较器，将来自编码器的正弦信号整形成0-5V的标准测速脉冲。工作过程：8253通道0的方式字写完后，OUT0(=J)由高变低，等待测速脉冲的到来。测速脉冲的第一个上升沿使JK边沿触发器翻转，Q置高，GATE0、1、2打开，8253的3个计数通道开始下降沿减法计数，其中，通道0用于设定检测时间，在设定的检测时间到达后，通道0计数结束，OUT0由低变高，由于此时GATE1、2仍打开，计时脉冲和测速脉冲仍在计数，直到下一个测速脉冲的上升沿使JK边沿触发器翻转，Q变低，关闭GATE0、1、2，计数结束，同时产生计数结束中断给8031。8031在中断服务程序中根据计数器的设定值和当前值计算出m1和m2，从而计算出转速n。接口实例方式字写完测速脉冲OUT0GATE第一个测速脉冲设定时间t0实际时间t1时钟脉冲实际测量时间t2设定时间到最后一个测速脉冲第六章传感器及其接口概述机电一体化系统中的常用传感器传感器与计算机的接口传感器的信号输出形式数字型传感器与计算机接口及实例模拟型传感器与计算机接口及实例模拟型传感器与计算机接口模拟型传感器与计算机接口的一般形式多通道模拟信号输入A/D转换A/D转换的一般过程信号的采样与保持量化与编码A/D转换器模拟型传感器与计算机接口典型的多通道模拟信号输入接口多路模拟开关S/HA/D控制器计算机总线被测信号1被测信号N………模拟型传感器1模拟型传感器N……此外还有单通道式、同步式和并行式等多种形式三态缓冲器模拟型传感器与计算机接口模拟型传感器与计算机接口的一般形式多通道模拟信号输入A/D转换A/D转换的一般过程信号的采样与保持量化与编码A/D转换器多通道模拟信号输入A2A1A0ENOUT0001S10011S20101S30111S41001S51011S61101S71111S8XXX0X—EN—A2—A1—A0—OUTS1—S2—S3—S4—S5—S6—S7—S8—以多通道模拟开关（数据选择器，MUX）AD7501为例：CMOS型8选1多路模拟开关，每次从8个输入端中选择一路与公共端相联，选择的通道号由输入的地址编码确定，与TTL电平兼容。对多路模拟开关的选择要求是：导通电阻小、开路电阻大、交叉干扰小、速度适应。0101S31011S601011011多通道模拟信号输入模拟型传感器与计算机接口模拟型传感器与计算机接口的一般形式多通道模拟信号输入A/D转换A/D转换的一般过程信号的采样与保持量化与编码A/D转换器A/D转换的一般过程A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程一般分为四个步骤：采样、保持、量化和编码。采样/保持量化(离散)Dn-1编码D0Dn-2…A/D转换的一般过程保持tVstVstVs信号采样/保持采样后的信号量化tVs采样香农采样定理：对于一个有限频率的连续信号，当采样频率fs≥2f信MAX时，采样函数才能不失真地恢复原来的连续信号。采样定理给出是采样的最低频率，为了保证精度，工程上通常fs＝(4-10)f信MAX。模拟型传感器与计算机接口模拟型传感器与计算机接口的一般形式多通道模拟信号输入A/D转换A/D转换的一般过程信号的采样与保持量化与编码A/D转换器信号的采样与保持⑴采样/保持电路的作用因为A/D转换需要一定的时间，为了保证转换精度，在A/D转换的过程中，要求信号的电压保持不变，在A/D转换完成后，又要能跟踪信号电压的变化。能完成这个功能的电路叫采样/保持电路（或称为采样/保持器，简称S/H，Sample/Hold）。信号的采样与保持⑵采样/保持电路采样/保持电路由存储电容CH、模拟开关T(N沟道增强型MOS管)、输入电阻RI(限流)、反馈电阻RF和运算放大器A组成，有两种工作模式：采样模式：控制信号S为高电平，T导通，输入信号vI通过RI、T向电容CH充电，若RI=RF，充电结束后，vO=vC=-vI；保持模式：控制信号S为低电平，T截止，输出电压vO由电容CH两端电压保持。集成采样/保持器：AD582、AD583(一般)、HTS-0025(高速)、SHA1144(高分辨率)等。A－＋vIvOCHRFRITS信号的采样与保持⑶对采样/保持电路的要求在采样阶段，存储电容要尽快充电，以快速跟踪信号电压；在保持阶段，存储电容漏电流必须接近于零，以保持信号电压（相当于一个模拟信号存储器）模拟型传感器与计算机接口模拟型传感器与计算机接口的一般形式多通道模拟信号输入A/D转换A/D转换的一般过程信号的采样与保持量化与编码A/D转换器量化与编码量化输入信号经采样/保持后，得到一个阶梯波（模拟量）。将阶梯波离散化，把采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，称为量化。指定的离散电平称为量化电平。量化就是将样值电压表示成量化单位电压的某一整数倍，因此，量化必然存在误差（系统误差）。量化一般有两种方法，只舍不入（类似于取整运算）和有舍有入（类似于四舍五入），前一种量化误差（1LSB）是后一种量化误差（0.5LSB）的两倍。量化与编码编码用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。量化单位电压就是两个量化电平之间的差值，二进制数码位数越多，量化单位电压就越小，量化误差就越小，精度就越高。在A/D转换中，模拟电压的输入范围一