检测系统设计PPT课件

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1、第一节 概 述 一、检测系统的功用及组成 二、机电一体化对检测系统的基本要求 三、检测系统设计的任务、方法和步骤第1页/共90页一、检测系统的功用及组成 检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能。 机电一体化产品中，传感器用于检测外界环境及自身状态的各种物理量及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的预处理(变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路)将有用的信号检测出来，反馈给控制装置或送去显示。 传感器及相应的信号检测与处理电路是机电一体化产品中的检测系统。 传感器及其检测系统不仅是机电一体化产品必不可少的组成部分，而且已成为机与电有机结合的一个重要纽带。第2

2、页/共90页二、机电一体化对检测系统的基本要求 机电一体化对检测系统在性能方面的基本要求： 1.精度、灵敏度和分辨率高，线性、稳定性和重复性好； 2.抗干扰能力强，静、动态特性好。 3.要求检测系统体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好等，并满足机电一体化设计的需要。第3页/共90页三、检测系统设计的任务、方法和步骤 检测系统设计的主要任务是：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，使之实现预期的计测功能。 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。由于检测传感器物化性能的复现性

3、和复制性，不能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，且检测系统易受到多种干扰，它很难通过理论分析和计算而预先确定，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。第4页/共90页检测系统设计的步骤 (1)设计任务分析 (2)系统方案选择 (3)系统构成框图设计 (4)环节设计与制造 (5)总装调试及实验分析 (6)系统运行及考核 第5页/共90页第二节 模拟式传感器信号的检测 一、模拟信号检测系统的组成 二、基本转换电路 三、信号放大电路 四、信号调制与解调电路 五、滤波器 六、运算电路第6页/共90页一、模拟信号检测系统的组成第7页/共

4、90页二、基本转换电路 (一)分压电路 (二)差动电路 (三)非差动桥式电路 (四)调频电路 (五)脉冲调宽电路第8页/共90页(一)分压电路iUZZZU1000iURCjLjMjU120iURCjrLjRLCLjrU)1 ()1 (20ixURRRU0第9页/共90页(二)差动电路iiUZZZUZZZU0021202iUZZU00iUZZU002iUZZU002第10页/共90页(三)非差动桥式电路iUZZZU2400CR1arctan2LRarctan2第11页/共90页(四)调频电路与脉冲调宽电路fffCCffCfdCCfdLLfdfLCf0002)21(21即有关的常数是与其中iRUU

5、kkRCB/第12页/共90页第13页/共90页三、信号放大电路 (一)减小噪声和提高稳定性的方法 (二)高输入阻抗放大器 (三)高共模抑制比放大器 (四)参量放大器 (五)线性化放大器第14页/共90页(一)减小噪声的方法 放大电路中常见的噪声有热噪声、散粒噪声和低频噪声等，对于这些噪声必须采取措施加以抑制，以免有用信号被淹没在噪声中。常用的抑制放大器噪声的措施有：压缩放大器带宽，滤除通带以外的各种噪声信号。减小信号源电阻，并尽量使其与放大器的等效噪声电阻相等，以实现噪声阻抗匹配。选用低噪声放大器件，以减少噪声的产生。减小接线电缆电容的影响及各种干扰因素的影响。 第15页/共90页(一) 提

6、高稳定性的方法 放大器的稳定性是指其在环境、输入信号或电路中某些参数发生变化时能够稳定工作的能力。提高放大器稳定性的措施有：采用具有高稳定度的无源元件或引入直流负反馈来稳定静态工作点。采用集成运算放大器及深度负反馈来稳定放大倍数。采用电容和电阻进行相位补偿，以消除由寄生电容或其它寄生耦合所引起的自激振荡。妥善接地与屏蔽，以减小寄生电容、寄生耦合等因素的影响。采取散热与均热措施，以保证温度稳定，减小热漂移。第16页/共90页(二)高输入阻抗放大器ifURRU)1(10)(1(12420UURRUfiffifURRURUuRuUuuII)1 (0010011整理：阻很大，由于运算放大器输入内iiU

7、URRUURRU2)2()(02101120第17页/共90页(三)高共模抑制比放大器第18页/共90页(四)参量放大器第19页/共90页(五)线性化放大器第20页/共90页(五)线性化放大器与放大器增益切换第21页/共90页放大器增益切换第22页/共90页四、信号调制与解调电路信号调制的方法有幅值调制、相位调制、频率调制和脉宽调制等。(一)幅值调制与解调(二)相位调制与解调(三)频率调制与解调第23页/共90页(一)幅值调制与解调第24页/共90页1第25页/共90页 汽车及工程机械类其转速传感器的结构如图所示，励磁线圈W1和输出线圈W2绕在铁芯1上，十字轮2与被测轴相连，其转速n(r/mi

8、n)即为被测轴转速。十字轮由铁磁材料制成。 (2)给出输出信号e0的频率f与被测轴转速n的关系。 (3)当励磁线圈施加电压ei分别是直流和交流时，其输出信号e0的波形有何区别?为什么?(1)请说明该传感器在励磁线圈施加直流电压时的工作原理。fnHznf15)(604或者 解：(1)这是种电磁感应式转速传感器。当W1中通入直流电流后，铁芯中产生方向 固定的磁通；十字轮位置影响的大小。在图示位置磁阻最小，十字轮转450时磁阻最大，因此就会发生变化，W2中感应电动势也会发生变化。被测轴每转一周，输出信号e0会周期性变化四次，有四个峰值。 (2)输出电动势的频率f与被测轴转速的关系式为； (3)W1通

9、入交流电压时，e0变为调幅波，当十字轮如图所示位置时输出为波峰，当十字轮转450时输出为波谷；而W1通入直流电压时，e0近似为正弦波。 第26页/共90页 如图所示的周期性方波信号，让它通过一理想带通滤波器，该滤波器的增益为0dB带宽B=30Hz，中心频率f0=20Hz，试求滤波器输出波形的幅频谱。(已知该周期方波的三角函数展开式为为信号的基频。，0000.)5sin513sin31(sin4)(tttAty24/2,12/1,24/12/20TTT）周期延拓，方波周期（。，即滤波器增益为则）依题意（解1,0)/lg(201:0 x0 xAAdBAA)24(sin4)(sin4)()(363

10、,12/135, z5,30202, z20,30.),5sin513sin31(sin4)() 3(00021122100000tAtAtytyHzHzTfHzfHfffBfffHfHzBtttAtycccccc故，滤波器的输出为，波的谐波全部衰减掉。的基波输出，而高于基因此，滤波器仅能使对应的频率为对应的频率结合题意，解之得则中心频率带宽函数展开为周期性方波信号的三角第27页/共90页(二)相位调制与解调第28页/共90页(三)频率调制与解调第29页/共90页五、滤波器(一)滤波器的功用、分类及基本参数(二)无源RC滤波器(三)有源RC滤波器第30页/共90页 (一)滤波器的功用、分类及基

11、本参数 滤波器是一种具有选频功能的装置，其功用：滤除在信号放大和传输出过程引入的噪声和干扰。滤除在信号调制过程中的载波等无用信号。将不同频率的有用信号分开。对系统频率特性进行补偿。第31页/共90页滤波器的分类第32页/共90页 (一)滤波器的基本参数描述滤波器的性能的基本参数： 1截止频率 2带宽b 3品质因数Q 4倍频程选择性第33页/共90页(二)无源RC滤波器第34页/共90页(三)有源RC滤波器第35页/共90页1.有源低通滤波器10/1)2/(1RRRCff放大器增益为：10/)2/(1RRCRfff放大器增益为： 一阶滤波器的倍频程选择性仅为4dB，因此其频率选择能力较差。为提高

12、频率选择能力，并使通频带以外的频率成分尽快衰减，以提高滤波器的阶次。第36页/共90页4-43a)(21,1,11)(11)(2121222222211111nnffRRKCRsRRsGCRssG第37页/共90页4-43b,11)(11)(2222121111CRsRRsGCRssGff)/ 1/ 1/ 1 (/,1,211222121fffnfRRRCCRRCCRRRRK第38页/共90页结论 从二阶滤波器的幅频和相频特性可知，为了在低频区获得比较平坦的幅频特性，常取=0.707， 0=n，其倍频程选择性为7.4dB，显然高于一阶低通滤波器的倍频程选择性，因此二阶滤波器比一阶滤波器具有较强

13、的频率选择特性。第39页/共90页2.有源高通滤波器2132221223213212)1 (,1,1CCRRCRCRCRKCCRRRRKnf321321321312,1,CCRRCCCCCRRCCKffn2222)(nnssKssG第40页/共90页3.有源带通滤波器第41页/共90页4.有源带阻滤波器第42页/共90页 同相端输入的二阶有源滤波器中，其电路中都引入了正反馈，因此元件参数的变化容易引起滤波器性能的变化。这类滤波器对运算放大器的要求不高，主要用于对品质因数要求不高的场合。在设计或选用这类滤波器时，运算放大器的增益不宜选得过大，以保证阻尼比为正值，使滤波器工作在稳定状态。在其余的二

14、阶有源滤波器中，不存在稳定性问题，且由于多路负反馈的作用，使元件参数变化对滤波器性能影响较小，故多用于对品质因数要求较高的场合。第43页/共90页六、运算电路运算电路是能对信号运算处理的电路，根据信号形式的不同可分为模拟和数宇运算电路两种。数字运算电路的优点比较多，应用较广。但模拟运算电路具有直接、简单、运算速度快等特点，一些较简单运算仍采用模拟运算电路来实现。(一)线性加、减运算电路(二)积分与微分运算电路(三)参量控制式乘除运算电路(四)峰值运算电路第44页/共90页(一)线性加法运算电路132133221100)1111()()1 (pfRRRRRRURURURRRU其中，)(33221

15、10RURURURUf第45页/共90页(二)减法与积分运算电路)(120UURRUf)()(21430UUUUU第46页/共90页dtuRCdtiCuuicc110dtuCRui102第47页/共90页(三) 微分与参量控制式乘除运算电路第48页/共90页(四)峰值运算电路第49页/共90页第三节 数字式传感器信号的检测 一、数字信号检测系统的组成 二、多路信号采集细分与辨向 三、电阻链移相细分与辨向 四、锁相倍频细分与辨向 五、脉冲填充细分与辨向第50页/共90页一、数字信号检测系统的组成在机电一体化产品中许多复杂的信号处理都采用微型机来完成，这样模拟信号往往需先经模数转换后，再采入微型机

16、进行处理，这将增加系统的复杂性和成本，而且模拟信号的检测精度较低，易受干扰影响，不便于远距离传输。数字式传感器可直接将被测量转换成数字信号输出，既可提高检测精度、分辨率及抗干扰能力，又易于信号的运算处理、存储和远距离传输，因此，尽管目前数字式传感器品种还不很多，但却得到了越来越多的应用。 第51页/共90页检测系统的典型组成 常见的数字式传感器有光栅、磁栅、容栅、感应同步器、光电编码器及激光干涉仪等，主要用于几何位置、速度等的测量。其输出的信号都是增量码形式的数字信号。所谓增量码信号是指信号变化的周期数与被测位移成正比的信号。该数字信号检测系统的组成。第52页/共90页二、多路信号采集细分与辨

17、向第53页/共90页二、多路信号采集细分与辨向1,WBKWB莫尔条纹的移动与光栅的移动具有对应关系莫尔条纹具有位移放大作用莫尔条纹具有平均光栅误差的作用莫尔条纹的间距随着光栅刻线的交角而改变第54页/共90页光电转换 主光栅和指示光栅的相对位移产生了莫尔条纹，为了测量莫尔条纹的位移，必主光栅和指示光栅的相对位移产生了莫尔条纹，为了测量莫尔条纹的位移，必须通过光电器件须通过光电器件( (如硅光电池等如硅光电池等) )将光信号转换成电信号。将光信号转换成电信号。 在光栅的适当位置放置光电器件，当两光栅作相对移动时，光电器件上的光强在光栅的适当位置放置光电器件，当两光栅作相对移动时，光电器件上的光强

18、随莫尔条纹移动，光强变化为正弦曲线。随莫尔条纹移动，光强变化为正弦曲线。 )22sin(0WxUUUm第55页/共90页 磁栅式位移传感器测量位移时，其输出电动势为EEmsin( t+ )，磁尺剩磁信号的波长=2.0mm，求： (1)若E=10sin(100t+0.96)V，此时所测得的位移量L? (2)在一个测量周期内此传感器所能测量的最大位移量Lmax。L2mmLL0 . 2,22maxmax即)2sin(LtEEm解:(1)根据题意，输出电动势为：)96. 0sin(tEEm由已知条件知：mmLL96. 00 . 248. 0296. 0,96. 02即由上两式得： L为磁头相对于磁尺的

19、位移，即为所测位移量。 (2)在一个测量周期内，所能测量的最大位移量对应的相位移为2，所以 第56页/共90页辨向与细分电路 (1)(1)辨向电路 无论测量直线位移还是测量角位移，都必须能够根据传感器的输出信号判别移动的方向，即判断是正向移动还是反向移动，是顺时针旋转还是逆时针旋转。 为了辨别方向，通常采用在相隔1/41/4莫尔条纹间距B B的位置上安放两个光电器件，获得相位差为90900 0的两个信号，然后送到辨向电路进行处理。 第57页/共90页辨向电路差动放大电路差动放大电路: :去掉直流分量去掉直流分量整形整形: :使正弦波变为矩形波使正弦波变为矩形波微分微分: :在上升沿触发尖脉冲在

20、上升沿触发尖脉冲反向反向: :在下降沿触发尖脉冲信号信号2 2没有微分目的获得开门没有微分目的获得开门第58页/共90页通过整形电路，将正弦信号转变成方波脉冲信号，则每经过一个周期输出一个方波脉冲，这样脉冲总数N就与光栅移动的栅距数柑对应，因此光栅的位移为:栅距等分n，则分辨率：小数部分为：WNxmnW /第59页/共90页1.差动放大器 隔直2.整形 产生矩形脉冲（开门电平）3.微分 产生尖脉冲4.反向 实现高低电平的转换第60页/共90页三、电阻链移相细分与辨向第61页/共90页212221121arctansinRRRRRRRR2111121|tan|1|tan|tan|iiiiiiii

21、iiiiiRRRRRRRRRR)sin(221112120mUuRRRuRRRu第62页/共90页四、锁相倍频细分与辨向 如果被测信号的变化频率为fi，通过锁相倍频电路使输出信号的频率为f0=n fi。如果对输出信号进行计数，则输入信号每变化一个周期，在输出信号可计n个数，从而实现n细分。第63页/共90页1 耦合电容C2的作用：一是隔掉uc1的直流分量；二是与电阻R2构成另一个积分电路，用以对输出信号Ud进行积分。其优点是Ud可直接送到压控振荡器，而不必再另加起积分作用的滤波器。第64页/共90页2第65页/共90页3第66页/共90页4第67页/共90页五、脉冲填充细分与辨向第68页/共9

22、0页第四节 检测信号的采集和预处理第69页/共90页一、模拟量的转换输人方式单路模数转换、多路模数转换（同瞬时）、多路同时采样模数转换第70页/共90页二、模拟多路开关第71页/共90页三、信号采样与保持 (一)信号采样 (二) 采样保持第72页/共90页(一)信号采样第73页/共90页(二) 采样保持第74页/共90页四、数字信号的预处理第75页/共90页数字滤波数字滤波实质上是一种程序滤波，与模拟滤波相比具有如下优点： 不需要额外的硬件设备，不存在阻抗匹配问题，可靠性高，稳定性好。 可以对频率很低或很高的信号实现滤波。 可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，灵活、方便、功能强。第

23、76页/共90页数字滤波常用方法(一)中值滤波(二)算术平均滤波(三)滑动平均滤波(四)低通滤波第77页/共90页五、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，其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。第78页/共90页六、零位误差和增益误差的补偿在检测系统中不可避免地存在温度漂移和时间漂移，并引起零位误差和增益误差。当误差较大时，常采用软件方法对其进行补偿。(一)零位误差补偿(二)增益误差

24、补偿第79页/共90页(一)零位误差补偿 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p.132图479所示。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。 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，又降低了对元器件的要求。第80页/共90页(二)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，可每隔一定时间自动校准一次。第81页/共90页 结束第82页/共90页第83页/共90页第84页/共90页第85页/共90页第86页/共90页第87页/共90页第88页/共90页第89页/共90页感谢您的观看。第90页/共90页