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第四章检测系统设计本讲稿第一页，共七十四页一、概述1 检测系统的功用及组成 对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测,将其变成系统可识别的电信号,传递给信息处理单元。温度、力、转矩、流量等环境参数 电信号检测系统电压、电流、频率传感器本讲稿第二页，共七十四页 检测系统的组成检测系统的组成 传感器及相应的信号检测与处理电路构成机电一体传感器及相应的信号检测与处理电路构成机电一体化产品的检测系统。化产品的检测系统。本讲稿第三页，共七十四页如力、温度、距离、变形、位置、功率等环境参数传感器感官电压、电流、频率CPU放大解调放大器解调器 转换电路（A/D）接口电路滤波滤波器 转换显示控制对象运算、处理、发出控制信号本讲稿第四页，共七十四页2、检测系统的基本要求灵敏度及分辨率灵敏度及分辨率。系统的绝对灵敏度S=y/x。系统xxyy分辨率是指 系统能检测到的被检测量的最小变化，一般情况下，系统灵敏度越高，其分辨率就越强，而分辨率高也意味着系统具有高的灵敏度。本讲稿第五页，共七十四页精确度。表示检测系统所获得的检测结果与被测量真值的一致程度。注意：在设计检测系统时，应尽可能保持各环节具有相同或相近的精确度。若不能保持各环节具有相同的精确度，应该按前面环节精度高于后面环节的原则布置系统。选择一个检测系统的精确度，应从检测系统的最终目的和经济情况两方面综合考虑。本讲稿第六页，共七十四页系统的频率响应特性要求快速响应 一个系统对外界输入信号作出反应的快慢。（4）稳定性避免或减小漂移（5）线性特性用非线性度来表示 系统的线性特性反映了系统的输入输出能否象理想系统那样保持常值的比例关系。它可用系统的非线性度来表示。非线性度是指在有效 量程范围内，测量值与测量值拟合成的直线间最大相对误差。静、动态特性好 本讲稿第七页，共七十四页三、检测系统设计的任务、方法和步骤 随着材料科学的发展和固体物理效应的不断发现，目前传感器技术已形成了一个新型科学技术领域，建立了完整的独立科学体系，即传感器工程学。传感器技术已成为各国公认的重大关键技术，并投入大量资金和人力争相开发各种新型传感器。传感器已形成专业化生产，市场上有各种各样的传感器可供选用。本讲稿第八页，共七十四页1、检测系统设计的任务 根据使用要求合理选用传感器，并设计或选用相应的信号检测与处理电路以构成检测系统，对检测系统进行分析与调试，使之在机电一体化产品中实现预期的计测功能。本讲稿第九页，共七十四页 检测系统设计的主要方法是实验分析法，即理论分析和计算与实验测试相结合的方法。2、检测系统设计的方法由于检测系统中所用到的传感器及各种电子元器件的物理或化学性能的复现性和复制性，往往难于保证实际设计出的系统的性能与理论分析和计算结果的一致性，而且检测系统在工作中会受到来自周围环境的各种各样的干扰，这些干扰是很难通过理论分析和计算而预先确定的，因而必须通过实验测试为理论分析提供依据，并对所设计的检测系统进行修正，以满足其性能指标要求。本讲稿第十页，共七十四页3、检测系统设计的步骤设计任务分析系统方案选择系统构成框图设计环节设计与制造总装调试及实验分析系统运行及考核本讲稿第十一页，共七十四页二、模拟式传感器信号的检测1 模拟信号检测系统的组成典型模拟信号检测系统本讲稿第十二页，共七十四页相当于人的感官，直接感受被检测量。传感器基本检测电路（C、R、L）（U、Q、I）放大器传感器的微弱信号进行适当放大。将放大后的电信号进行适当的预处理，并将其转换为信息系统可以接受的数字信号。A/D。转换电路解调器用于将已调制信号恢复成原有形式本讲稿第十三页，共七十四页接口电路负责检测系统与信息处理系统的连接，一方面接受信息处理系统的控制，另一方面将检测系统的信号传给信息处理系统。接口电路振荡器用于对传感器信号进行调制，并为解调提供参考信号。量程切换电路避免放大器饱和并满足不同测量范围的需要。将无用的干扰信号滤除，并取出代表被测物理量的有效信号滤波器本讲稿第十四页，共七十四页3 数字式传感器信号的检测传感器放大整形CPU接口电路（1）组成光栅位移传感器、编码位移传感器、限位开关触点等输出都为脉冲信号。本讲稿第十五页，共七十四页四、检测信号的采集和预处理信号的预处理：信号的预处理：信号被采入计算机后由于含有部分干扰信号，信号被采入计算机后由于含有部分干扰信号，因此，在计算机对信号进行分析、运算前必须去因此，在计算机对信号进行分析、运算前必须去除混杂在有用信号中的这部分干扰信号，这个过除混杂在有用信号中的这部分干扰信号，这个过程就是信号的预处理。程就是信号的预处理。预处理的目的：去干扰本讲稿第十六页，共七十四页预处理的对象：预处理的对象：预处理既可以对模拟信号直接进行，也可以先将预处理既可以对模拟信号直接进行，也可以先将模拟信号转化成数字信号后再对信号进行（数字滤模拟信号转化成数字信号后再对信号进行（数字滤波）处理。前者称为模拟信号预处理，后者称为数波）处理。前者称为模拟信号预处理，后者称为数字信号预处理。在实际中要根据实际情况选择合适字信号预处理。在实际中要根据实际情况选择合适的预处理方法。的预处理方法。本讲稿第十七页，共七十四页预处理的方法：预处理的方法：（1 1）模拟信号）模拟信号输人方式输人方式、采样方式采样方式及其及其采样频率采样频率的的选择。选择。（2 2）数字信号的预处理）数字信号的预处理（3 3）检测系统的非线性处理。）检测系统的非线性处理。（4 4）零位误差、增益误差的补偿和修正等。）零位误差、增益误差的补偿和修正等。其目的是消除各种干扰信号，提高信噪比，以利于其目的是消除各种干扰信号，提高信噪比，以利于对信号的检测。对信号的检测。本讲稿第十八页，共七十四页1 模拟信号的预处理(1)(1)模拟量的转换输入方式。模拟量的转换输入方式。传感器A/D三态缓冲器CPU总线若所选用的A/D内部带有三态缓冲器，则省略 该图是一种最简单的输入方式：适用于一路或n路检测信号的场合。n所选用的A/D所具有的通道数。ADC0809（n=8）可以对n路信号进行巡检。本讲稿第十九页，共七十四页ADC0809内部结构内部结构START EOC CLK OED7D0VREF(+)VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器比较器8路模路模拟开关拟开关树状开关树状开关电阻网络电阻网络三态输三态输出锁存出锁存器器时序与控制时序与控制地址锁地址锁存及存及译码译码D/A8个个模模拟拟输输入入通通道道8选选1逐位逼近寄存器逐位逼近寄存器SAR本讲稿第二十页，共七十四页传感器放大模拟多路开关采样/保持控制器A/D总线多路检测信号共用一个AD转换器，通过模拟多路开关依次对各路信号进行采样，一般用于多通道缓变信号的采样。由于A/D的采样速率要平均分配给多路信号，使具体到每路信号的采样速率低，不能获得同一瞬时的信号。因此，不能用于在时间上对各路信号要求同步的场合。本讲稿第二十一页，共七十四页模拟多路开关传感器缓冲器采样/保持A/D总线控制器传感器采样/保持可获得同一瞬时的信号，但采样速率仍然较低。本讲稿第二十二页，共七十四页可获得同一瞬时的信号，采且样速率较高。本讲稿第二十三页，共七十四页(2)多路模拟开关。模拟开关是数据采集系统中的主要部件之一，它的作用是切换各路输入信号。在测控系统中，被测物理量经常是几个或几十个。为了降低成本和减小体积，系统中通常使用公共的采样保持器、放大器及AD转换器等器件，因此，需要使用多路开关轮流把各路被测信号分时地与这些公用器件接通。多路开关主要有电力机械开关和集成模拟电子开关。电力机械开关中最常用的是继电器。本讲稿第二十四页，共七十四页本讲稿第二十五页，共七十四页本讲稿第二十六页，共七十四页CD4051组成：CD4051八选一模拟开关主要由8路CMOS开关、译码电路和电平转换电路三部分组成。电平转换电路作用：为了适应不同电平，设有电平转换电路。可将输入的TTL电平的控制信号转换为CMOS电平。使的CD4051的控制信号可以是TTL电平也可以是CMOS电平。本讲稿第二十七页，共七十四页译码电路作用：译码电路控制各模拟开关的开启，将输入的控制信号进行译码后，选出相应的通道，使之闭合。A0、Al、A2是各开关的数字控制信号输入端，A0、Al、A2000111时，可分别选通开关通道07。INH为禁止端，当其为高电平时，各通道的信号均被阻断。本讲稿第二十八页，共七十四页注意：（1）模拟多路开关按照信号的传输方向可分为单向开关和双向开关。（2）选择模拟开关时，首先应考虑路数，常用的有：CD4051（8选1），CD4067（16选1）。一 多本讲稿第二十九页，共七十四页(3)模拟信号采样与保持。采样，就是连续信号的离散化。采样周期采样时间时间上离散的模拟信号本讲稿第三十页，共七十四页香侬(Shannon)采样定理合理选择采样频率 为了保证在采样过程中不丢失原来信号中所包含的信息，采样频率必须按照香侬(Shannon)采样定理来确定，即要求 fs2fmax 式中 fmax 为被采原信号f(t)的最高有效频率。在实际应用中，常取fs (510)fmax 本讲稿第三十一页，共七十四页采样保持电路 AD转换过程需要一定时间，在这段时间内外部信号会发生变化，从而使得AD的结果与实际会产生误差，为了防止产生误差，要求在此期间内保持采样信号不变。实现这一功能的电路称为采样保持电路。由模拟开关、保持电容和运算放大器组成。本讲稿第三十二页，共七十四页采样开关保持电容 运算放大器运算放大器N N1 1和和N N2 2接成跟随器，作缓冲器用。当控制信号接成跟随器，作缓冲器用。当控制信号U Uc c为为高电平时场效应管高电平时场效应管VFVF导通，对输入信号采样。输入信号导通，对输入信号采样。输入信号u ui i通过通过N N1 1和和V VF F向电容向电容C C充电，并通过充电，并通过N N2 2输出输出u uo o。由于。由于N N1 1的输出阻抗很小，的输出阻抗很小，N N2 2的输的输出阻抗很大，因而在出阻抗很大，因而在V VF F导通期间导通期间u uo=o=u ui i。当。当U Uc c为低电平时，为低电平时，V VF F截截止，电容止，电容C C将采样器间的信号电平保持下来，并经将采样器间的信号电平保持下来，并经N N2 2缓冲后输出。缓冲后输出。本讲稿第三十三页，共七十四页适用场合：适用场合：采样信号速率高或要求各路信号严采样信号速率高或要求各路信号严格要求格要求 同步。对于机械部件所对应信号多为缓变同步。对于机械部件所对应信号多为缓变信号，一般不需要信号，一般不需要采样保持器采样保持器。目前大多数的。目前大多数的A/DA/D中本身带有多路开关和采样保持器。中本身带有多路开关和采样保持器。本讲稿第三十四页，共七十四页四 数字信号的预处理预处理任务：去干扰干扰周期干扰随机干扰数字滤波方法消除（软件方法）选用积分为干扰信号周期整数倍的双积分A/D（硬件方法）本讲稿第三十五页，共七十四页数字滤波优点：数字滤波器实质上是一种程序滤波(软滤波)，它与模拟滤波器相比具有如下优点：（1 1）数字滤波过程是计算机的运算过程，不需要额外）数字滤波过程是计算机的运算过程，不需要额外的硬件设备，不存在阻抗匹配等问题，可靠性高，稳定的硬件设备，不存在阻抗匹配等问题，可靠性高，稳定性好；性好；本讲稿第三十六页，共七十四页（2 2）可以对频率很低或很高的信号实现滤波；）可以对频率很低或很高的信号实现滤波；（3 3）可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数。）可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数。但不能代替模拟滤波器？输入信号很小、且有干扰；混叠现象本讲稿第三十七页，共七十四页(1)中值滤波。适用场合：中值滤波方法对缓慢变化的信号中由于偶然因素引起的脉冲干扰具有良好的滤除效果。中值滤波原理：对信号连续进行n次采样。然后对采样值排序，并取序列中位值作为采样有效值。采样次数n一般取为大于3的奇数。本讲稿第三十八页，共七十四页(2)算术平均滤波。算术平均滤波方法的原理：对信号连续进行n次采样，以其算术平均值作为有效采样值。适用场合：该方法对压力、流量等具有周期脉动特点的信号具有良好的滤波效果。采样次数n越大，滤波效果越好，但灵敏度也越低，一般为便于运算处理，常取n4，8，16。本讲稿第三十九页，共七十四页(3)滑动平均滤波。在中值滤波和算术平均滤波方法中，每获得一个有效的采样数据，必须连续进行n次采样，当采样速度较慢或信号变化较快时，系统的实时性往往得不到保证。为了避免这一缺点，可采用滑动平均滤波的方法。本讲稿第四十页，共七十四页滑动平均滤波方法的原理：该方法采用循环队列作为采样数据存储器，队列长度固定为n，每进行一次新的采样，把采样数据放队尾，扔掉原来队首的一个数据。这样，在队列中始终有n个最新的数据。对这n个最新数据求取平均值，作为此次采样的有效值。特点：这种方法每采样一次，便可得到一个有效采样值，因而速度快，实时性好，对周期性干扰具有良好的抑制作用。本讲稿第四十一页，共七十四页(4)低通滤波。适用场合：当被测信号变化缓慢时，可采用数字低通滤波的方法去除干扰。数字低通滤波器利用软件算法来模拟硬件低通滤波器的功能，实现对信号的低通滤波。本讲稿第四十二页，共七十四页从电容取电压为低通滤波，从电阻取电压为高通滤波频率响应曲线：反应频率与幅值或相位间的关系。幅（相）频特性曲线：幅值（或相位）与频率的曲线图u0ui高通滤波器RCuiu0 低通滤波器RC本讲稿第四十三页，共七十四页求解频率响应曲线的步骤：（1）列出电路方程（2）对方程两边进行拉氏变化本讲稿第四十四页，共七十四页（3）求传递函数（4）将传递函数中的S用 来替换本讲稿第四十五页，共七十四页（5）求出复数方程的幅值和相位本讲稿第四十六页，共七十四页（6）作出曲线图本讲稿第四十七页，共七十四页 在设计低通滤波器时，应使截止频率大于有用信号的频率。截止频率为：截止角频率为：适当改变电路中的R或C的取值，会改变截止频率。本讲稿第四十八页，共七十四页数字低通滤波器 数字低通滤波器是用软件算法来模拟硬件低通滤波器的功能。当被测信号缓慢变化时，可采用数字低通滤波的方法去除干扰本讲稿第四十九页，共七十四页在上式中用X ui，Y u0，并整理得模拟硬件低通滤波器的电路方程为：式中，是滤波器的时间常数，t是采样周期；X(n)是本次采样值；Y(n)和Y(n-1)分别是本次和上次的滤波器输出值。本讲稿第五十页，共七十四页取则 滤波器的本次输出值主要取决于其上次输出值，本次采样值对滤波输出仅有较小的修正作用，因此该滤波算法相当于一个具有较大惯性的一阶惯性环节，模拟了低通滤波器的功能。本讲稿第五十一页，共七十四页截止频率为 如取 132，t05s，即每秒采样两次，则fc 001Hz。说明该方法可用于频率相当低的信号的滤波。本讲稿第五十二页，共七十四页5 传感器的非线性补偿 许多实际传感器的传输特性是非线性的，直接影响信号的检测精度。在机电一体化产品中，常采用软件方法对此非线性传输特性进行补偿，以降低对传感器的要求。与硬件补偿方法相比，软件补偿方法灵活，不需要额外的硬件投资，因而应用广泛。软件补偿方法很多，概括起来有计算法和查表法两大类。本讲稿第五十三页，共七十四页代数插值法 代数插值法以多项式作为插值函数，因而又称为多项式插值法。采用这种方法进行非线性补偿时，首先需根据传感器的标定数据建立插值多项式，这是问题的关键。本讲稿第五十四页，共七十四页（1）通过标定数据 设传感器的输入信号为y，输出信号为x(x也就是被计算机采入的数据)，输入与输出的函数关系为yf(x)，通过标定可得到对应于n+1个相异的输出值x0 x1 xn的传感器输入值yif(xi)，(i0，1，2，n)。本讲稿第五十五页，共七十四页 设法用个多项式pn(x)去逼近f(x)，并使pn(xi)f(xi)则pn(x)就称为f(x)的插值多项式，xi 称为插值节点。在pn(x)确定后，可根据传感器的输出值x，用 pn(x)代替f(x)去计算传感器的输入值y，从而实现非线性补偿。可见，代数插值法的关键是确定插值多项式pn(x)。设pn(x)是次数不超过n的代数多项式，即本讲稿第五十六页，共七十四页 由于在xi(i0，1，n)处应满足pn(xi)f(xi)，则将xi代入上式可得到关于系数aj(j0，1，n)的n+l元一次方程组。本讲稿第五十七页，共七十四页 在实际应用中，pn(x)的阶次n需根据要求的逼近精度来确定。一般来讲，n值越大，逼近精度越高，但计算工作量也越大。阶次n还与被逼近的函数f(x)的特性有关，若f(x)接近于线性，可取n1，即用一次多项式逼近；若f(x)接近于抛物线，可取n2，即用二次多项式逼近。为便于计算，实际中最常用的是线性多项式插值方法，这时，nl，式(4-82)变为本讲稿第五十八页，共七十四页 采用线性插值方法，相当于在传感器的两个相邻标定点(xi，yi)和(xi+1，yi+1)之间用直线入p1(x)相连，在区间xi，xi+1内用p1(x)代替f(x)去计算传感器的输入值y。若传感器有n+1个标定点，则可建立n个区间(区间长度可相等，也可不等)，各区间上的线性插值多项式为本讲稿第五十九页，共七十四页 在采用线性插值法对传感器的非线性进行补偿时，应先根据传感器的标定值按上式，求出系数a1i、a0i，然后将a1i、a0i 做成表格，编在程序里。程序运行时，先判断采样值x位于哪个区间，然后取出该区间对应的系数ali和a0i，按式即可求得对应于x的传感器输入值(即被测量)y。本讲稿第六十页，共七十四页6 零位误差和增益误差的补偿 在检测系统中，由于传感器、测量电路和放大电路等不可避免地存在温度漂移和时间漂移，这样就引起了零位误差和增益误差。这类误差属于系统误差，当误差较大时会对系统的精度产生很大影响，所以必须对它们进行补偿，常用软件方法进行补偿。本讲稿第六十一页，共七十四页（1）零位误差补偿被测信号基准信号检测及放大电路多路开关A/D微型机UR零信号输入 采用软件对零位误差进行补偿的方法又称数字调零，其原理如下图所示。本讲稿第六十二页，共七十四页零位误差补偿原理：模拟多路开关可在微型机控制下将任一路被测信号接通，并经测量及放大电路和AD转换器后，将信号采入微型机。在测量时，先将多路开关接通某一被测信号，然后将其切换到零信号输入端，由微型机先后对被测量和零信号进行采样。设采样值分别为x和a0，其中a0即为零位误差，由微型机执行下列运算：y=x-a0就可得到经过零位误差补偿后的采样值y。本讲稿第六十三页，共七十四页优点：这种零位误差补偿方法简单、灵活，可把检测系统的零点漂移一次性地全部补偿掉，既提高了检测精度，又降低厂对元器件的要求。本讲稿第六十四页，共七十四页（2）增益误差补偿 增益误差补偿又称校准，采用软件方法可实现全自动校准，其原理与数字调零相似。在系统工作时，可每隔定时间自动校准次。被测信号基准信号检测及放大电路多路开关A/D微型机UR零信号输入本讲稿第六十五页，共七十四页优点：该方法可使测得的输入信号Ui与检测系统的漂移和增益变化无关，因而实现了增益误差的补偿。本讲稿第六十六页，共七十四页增益误差补偿原理：校准时，在微型机控制下先把多路开关接地得到样值a0，然后把多路开关接基准输入UR，得到采样值xR，并寄存a0和xR。正式测量时，如测得对应输入信号Ui的采样值为xi，则输入信号Ui可按下式计算。本讲稿第六十七页，共七十四页思考题：1、检测系统的基本特性有哪些？在设计检测系统时应如何选择灵敏度、精确度等指标?2、典型模拟信号检测系统由哪几部分组成？各部分的功能是什么？对信号调制的作用是什么？3、数字滤波的优点是什么？4、中值滤波、算术平均滤波、滑动平均滤波、低通滤波的原理和适用场合是什么？5、为何对传感器进行非线性、零位和增益误差补偿？原理是什么？6、如何求解滤波器的频率响应曲线？本讲稿第六十八页，共七十四页传感器的选择：（1）灵敏度：高灵敏度意味着被测量稍有微小变化时，传感器就有较大输出，外界干扰信号容易混入，并被放大装置放大。另外高灵敏度意味着测量范围缩小。（2）响应特性：实际传感器的响应总有一定延迟，但延迟时间愈短愈好。（3）线性范围：线性范围越大，工作量程越大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精确度的前提。例如：机械式传感器中的测力弹性元件，材料的弹性极限是测力量程的基本因素。考虑被测量的变化范围，例如变间隙型电容、电感传感器。本讲稿第六十九页，共七十四页（4）可靠性：使用过程中注意传感器规定的使用条件，减少使用条件的不良影响。例如：电阻应变式传感器，湿度影响绝缘性；温度会产生零漂。（5）精确度：要考虑经济性。非精确度越高越好。先了解测试目的是定性分析还是定量分析。例如：研究超精密度切削机床运动部件的定位精度，主轴回转误差，振动及热变形，都要求精确度在0.1-0.01um范围内。（6）测量方式：接触或非接触，在线和非在线测量。本讲稿第七十页，共七十四页例1：某工作台采用直流电机丝杠螺母机构驱动，已知工作台的位移为S=250mm，丝杠的母距为t=4mm(单头)，齿轮减速为i=5，要求测量精度为0.01mm，试确定测量方案解：实现工作台的位移测量可以有三种测量方案。方案1：高速端转角测量传感器与电机连接，通过对电机转角的测量对工作台位移进行间接测量，测量原理如下图所示。本讲稿第七十一页，共七十四页方案2:低速端转角测量本讲稿第七十二页，共七十四页方案3:工作台位移直接测量。采用直线位移传感器直接测工作台的位移，测量原理如图所示本讲稿第七十三页，共七十四页解：1传感器选择:依题意，该伺服系统属于低速系统，可以采用直流测速发电机测量电机的转速。电机的最高转速为300rpm，因此可选择的测速发电机，选70CYD-1型测速发电机。例2：某伺服工作台采用永磁式直流力矩电机直接驱动，电机的最大转速为300rpm，要求测量电机的转速，并构成数字式闭环调整系统，试选择测速传感器，并确定信号处理电路的主要参数。本讲稿第七十四页，共七十四页