第四章检测系统设计精选文档.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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T
12、TL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
13、,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
14、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
15、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
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