1、第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計 一、概述二、模擬式傳感器信號的檢測三、數(shù)字式傳感器信號的檢測四、檢測信號的采集和預(yù)處理一、概述1 檢測系統(tǒng)的功用及組成 對系統(tǒng)運行中所需的自身和外界環(huán)境參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測,將其變成系統(tǒng)可識別的電信號,傳遞給信息處理單元。溫度、力、轉(zhuǎn)矩、流量等環(huán)境參數(shù) 電信號檢測系統(tǒng)電壓、電流、頻率傳感器 檢測系統(tǒng)的組成 傳感器及相應(yīng)的信號檢測與處理電路構(gòu)成機(jī)電一體化產(chǎn)品的檢測系統(tǒng)。如力、溫度、距離、變形、位置、功率等環(huán)境參數(shù)傳感器感官電壓、電流、頻率CPU放大解調(diào)放大器解調(diào)器 轉(zhuǎn)換電路（A/D）接口電路濾波濾波器 轉(zhuǎn)換顯示控制對象運算、處理、發(fā)出控制信號2、檢測系統(tǒng)的基本要求靈敏度及分辨

2、率。 系統(tǒng)的絕對靈敏度S=y/x。系統(tǒng)xxyy分辨率是指 系統(tǒng)能檢測到的被檢測量的最小變化，一般情況下，系統(tǒng)靈敏度越高，其分辨率就越強(qiáng)，而分辨率高也意味著系統(tǒng)具有高的靈敏度。精確度。 表示檢測系統(tǒng)所獲得的檢測結(jié)果與被測量真值的一致程度。注意： 在設(shè)計檢測系統(tǒng)時，應(yīng)盡可能保持各環(huán)節(jié)具有相同或相近的精確度。 若不能保持各環(huán)節(jié)具有相同的精確度，應(yīng)該按前面環(huán)節(jié)精度高于后面環(huán)節(jié)的原則布置系統(tǒng)。 選擇一個檢測系統(tǒng)的精確度，應(yīng)從檢測系統(tǒng)的最終目的和經(jīng)濟(jì)情況兩方面綜合考慮。系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性要求快速響應(yīng) 一個系統(tǒng)對外界輸入信號作出反應(yīng)的快慢。（4） 穩(wěn)定性避免或減小漂移（5）線性特性用非線性度來表示 系統(tǒng)的線

3、性特性反映了系統(tǒng)的輸入輸出能否象理想系統(tǒng)那樣保持常值的比例關(guān)系。它可用系統(tǒng)的非線性度來表示。非線性度是指在有效 量程范圍內(nèi)，測量值與測量值擬合成的直線間最大相對誤差。靜、動態(tài)特性好 三、檢測系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)、方法和步驟 隨著材料科學(xué)的發(fā)展和固體物理效應(yīng)的不斷發(fā)現(xiàn)，目前傳感器技術(shù)已形成了一個新型科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，建立了完整的獨立科學(xué)體系，即傳感器工程學(xué)。傳感器技術(shù)已成為各國公認(rèn)的重大關(guān)鍵技術(shù)，并投入大量資金和人力爭相開發(fā)各種新型傳感器。傳感器已形成專業(yè)化生產(chǎn)，市場上有各種各樣的傳感器可供選用。1、檢測系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù) 根據(jù)使用要求合理選用傳感器，并設(shè)計或選用相應(yīng)的信號檢測與處理電路以構(gòu)成檢測系統(tǒng)，對檢測

4、系統(tǒng)進(jìn)行分析與調(diào)試，使之在機(jī)電一體化產(chǎn)品中實現(xiàn)預(yù)期的計測功能。 檢測系統(tǒng)設(shè)計的主要方法是實驗分析法，即理論分析和計算與實驗測試相結(jié)合的方法。2、檢測系統(tǒng)設(shè)計的方法由于檢測系統(tǒng)中所用到的傳感器及各種電子元器件的物理或化學(xué)性能的復(fù)現(xiàn)性和復(fù)制性，往往難于保證實際設(shè)計出的系統(tǒng)的性能與理論分析和計算結(jié)果的一致性，而且檢測系統(tǒng)在工作中會受到來自周圍環(huán)境的各種各樣的干擾，這些干擾是很難通過理論分析和計算而預(yù)先確定的，因而必須通過實驗測試為理論分析提供依據(jù)，并對所設(shè)計的檢測系統(tǒng)進(jìn)行修正，以滿足其性能指標(biāo)要求。3、檢測系統(tǒng)設(shè)計的步驟設(shè)計任務(wù)分析系統(tǒng)方案選擇系統(tǒng)構(gòu)成框圖設(shè)計環(huán)節(jié)設(shè)計與制造總裝調(diào)試及實驗分析系統(tǒng)運行

5、及考核二、模擬式傳感器信號的檢測1 模擬信號檢測系統(tǒng)的組成典型模擬信號檢測系統(tǒng)相當(dāng)于人的感官，直接感受被檢測量。傳感器基本檢測電路（C、R、L） （U、Q、I）放大器傳感器的微弱信號進(jìn)行適當(dāng)放大。將放大后的電信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，并將其轉(zhuǎn)換為信息系統(tǒng)可以接受的數(shù)字信號。A/D。轉(zhuǎn)換電路解調(diào)器用于將已調(diào)制信號恢復(fù)成原有形式接口電路負(fù)責(zé)檢測系統(tǒng)與信息處理系統(tǒng)的連接，一方面接受信息處理系統(tǒng)的控制，另一方面將檢測系統(tǒng)的信號傳給信息處理系統(tǒng)。接口電路振蕩器用于對傳感器信號進(jìn)行調(diào)制，并為解調(diào)提供參考信號。量程切換電路避免放大器飽和并滿足不同測量范圍的需要。將無用的干擾信號濾除，并取出代表被測物理量的有效信

6、號濾波器3 數(shù)字式傳感器信號的檢測傳感器放大整形CPU接口電路（1）組成光柵位移傳感器、編碼位移傳感器、限位開關(guān)觸點等輸出都為脈沖信號。四、檢測信號的采集和預(yù)處理信號的預(yù)處理： 信號被采入計算機(jī)后由于含有部分干擾信號，因此，在計算機(jī)對信號進(jìn)行分析、運算前必須去除混雜在有用信號中的這部分干擾信號，這個過程就是信號的預(yù)處理。預(yù)處理的目的：去干擾預(yù)處理的對象： 預(yù)處理既可以對模擬信號直接進(jìn)行，也可以先將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后再對信號進(jìn)行（數(shù)字濾波）處理。前者稱為模擬信號預(yù)處理，后者稱為數(shù)字信號預(yù)處理。在實際中要根據(jù)實際情況選擇合適的預(yù)處理方法。預(yù)處理的方法： （1）模擬信號輸人方式、采樣方式及其采

7、樣頻率的選擇。（2）數(shù)字信號的預(yù)處理（3）檢測系統(tǒng)的非線性處理。（4）零位誤差、增益誤差的補償和修正等。 其目的是消除各種干擾信號，提高信噪比，以利于對信號的檢測。1 模擬信號的預(yù)處理(1)模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式。傳感器A/D三態(tài)緩沖器CPU總線若所選用的A/D內(nèi)部帶有三態(tài)緩沖器，則省略 該圖是一種最簡單的輸入方式：適用于一路或n路檢測信號的場合。n所選用的A/D所具有的通道數(shù)。 ADC0809（n=8）可以對n路信號進(jìn)行巡檢。ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)START EOC CLK OED7D0VREF(+) VREF(-)ADDCADDBADDAALEIN0IN7比較器8路模擬開關(guān)樹狀開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)三

8、態(tài)輸出鎖存器時序與控制地址鎖存及譯碼D/A8個模擬輸入通道8選1逐位逼近寄存器SAR傳感器放大模擬多路開關(guān)采樣/保持控制器A/D總線多路檢測信號共用一個AD轉(zhuǎn)換器，通過模擬多路開關(guān)依次對各路信號進(jìn)行采樣，一般用于多通道緩變信號的采樣。由于A/D的采樣速率要平均分配給多路信號，使具體到每路信號的采樣速率低，不能獲得同一瞬時的信號。因此，不能用于在時間上對各路信號要求同步的場合。模擬多路開關(guān)傳感器緩沖器采樣/保持A/D總線控制器傳感器采樣/保持可獲得同一瞬時的信號，但采樣速率仍然較低?？色@得同一瞬時的信號，采且樣速率較高。(2)多路模擬開關(guān)。 模擬開關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的主要部件之一，它的作用是切換

9、各路輸入信號。在測控系統(tǒng)中，被測物理量經(jīng)常是幾個或幾十個。為了降低成本和減小體積，系統(tǒng)中通常使用公共的采樣保持器、放大器及AD轉(zhuǎn)換器等器件，因此，需要使用多路開關(guān)輪流把各路被測信號分時地與這些公用器件接通。多路開關(guān)主要有電力機(jī)械開關(guān)和集成模擬電子開關(guān)。電力機(jī)械開關(guān)中最常用的是繼電器。CD4051組成： CD4051八選一模擬開關(guān)主要由8路CMOS開關(guān)、譯碼電路和電平轉(zhuǎn)換電路三部分組成。電平轉(zhuǎn)換電路作用： 為了適應(yīng)不同電平，設(shè)有電平轉(zhuǎn)換電路?？蓪⑤斎氲腡TL電平的控制信號轉(zhuǎn)換為CMOS電平。使的CD4051的控制信號可以是TTL電平也可以是CMOS電平。譯碼電路作用： 譯碼電路控制各模擬開關(guān)的開

10、啟，將輸入的控制信號進(jìn)行譯碼后，選出相應(yīng)的通道，使之閉合。A0、Al、A2是各開關(guān)的數(shù)字控制信號輸入端，A0、Al、A2000111時，可分別選通開關(guān)通道07。INH為禁止端，當(dāng)其為高電平時，各通道的信號均被阻斷。注意： （1）模擬多路開關(guān)按照信號的傳輸方向可分為單向開關(guān)和雙向開關(guān)。 （2）選擇模擬開關(guān)時，首先應(yīng)考慮路數(shù)，常用的有：CD4051（8選1），CD4067（16選1）。一 多 (3)模擬信號采樣與保持。采樣，就是連續(xù)信號的離散化。采樣周期采樣時間時間上離散的模擬信號香儂(Shannon)采樣定理合理選擇采樣頻率 為了保證在采樣過程中不丟失原來信號中所包含的信息，采樣頻率必須按照香儂

11、(Shannon)采樣定理來確定，即要求 fs2fmax 式中 fmax 為被采原信號f(t)的最高有效頻率。在實際應(yīng)用中，常取fs (510) fmax 采樣保持電路 AD轉(zhuǎn)換過程需要一定時間，在這段時間內(nèi)外部信號會發(fā)生變化，從而使得AD的結(jié)果與實際會產(chǎn)生誤差，為了防止產(chǎn)生誤差，要求在此期間內(nèi)保持采樣信號不變。實現(xiàn)這一功能的電路稱為采樣保持電路。 由模擬開關(guān)、保持電容和運算放大器組成。采樣開關(guān)保持電容 運算放大器N1和N2接成跟隨器，作緩沖器用。當(dāng)控制信號Uc為高電平時場效應(yīng)管VF導(dǎo)通，對輸入信號采樣。輸入信號ui通過N1和VF向電容C充電，并通過N2輸出uo。由于N1的輸出阻抗很小，N2的

12、輸出阻抗很大，因而在VF導(dǎo)通期間uo = ui。當(dāng)Uc為低電平時，VF截止，電容C將采樣器間的信號電平保持下來，并經(jīng)N2緩沖后輸出。適用場合：采樣信號速率高或要求各路信號嚴(yán)格要求 同步。對于機(jī)械部件所對應(yīng)信號多為緩變信號，一般不需要采樣保持器。目前大多數(shù)的A/D中本身帶有多路開關(guān)和采樣保持器。四 數(shù)字信號的預(yù)處理預(yù)處理任務(wù)：去干擾干擾周期干擾隨機(jī)干擾數(shù)字濾波方法消除（軟件方法）選用積分為干擾信號周期整數(shù)倍的雙積分A/D（硬件方法）數(shù)字濾波優(yōu)點： 數(shù)字濾波器實質(zhì)上是一種程序濾波(軟濾波)，它與模擬濾波器相比具有如下優(yōu)點：（1）數(shù)字濾波過程是計算機(jī)的運算過程，不需要額外的硬件設(shè)備，不存在阻抗匹配等

13、問題，可靠性高，穩(wěn)定性好；（2）可以對頻率很低或很高的信號實現(xiàn)濾波；（3）可根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)。但不能代替模擬濾波器？數(shù)字濾波器用于離散系統(tǒng)；模擬濾波器用于連續(xù)時間系統(tǒng)，也可以用在離散時間系統(tǒng)中輸入信號很小、且有干擾；混疊現(xiàn)象 (1)中值濾波。適用場合： 中值濾波方法對緩慢變化的信號中由于偶然因素引起的脈沖干擾具有良好的濾除效果。中值濾波原理： 對信號連續(xù)進(jìn)行n次采樣。然后對采樣值排序，并取序列中位值作為采樣有效值。采樣次數(shù)n一般取為大于3的奇數(shù)。 (2)算術(shù)平均濾波。算術(shù)平均濾波方法的原理： 對信號連續(xù)進(jìn)行n次采樣，以其算術(shù)平均值作為有效采樣值。適用場合： 該方法對

14、壓力、流量等具有周期脈動特點的信號具有良好的濾波效果。采樣次數(shù)n越大，濾波效果越好，但靈敏度也越低，一般為便于運算處理，常取n4，8，16。 (3)滑動平均濾波。 在中值濾波和算術(shù)平均濾波方法中，每獲得一個有效的采樣數(shù)據(jù)，必須連續(xù)進(jìn)行n次采樣，當(dāng)采樣速度較慢或信號變化較快時，系統(tǒng)的實時性往往得不到保證。為了避免這一缺點，可采用滑動平均濾波的方法?；瑒悠骄鶠V波方法的原理： 該方法采用循環(huán)隊列作為采樣數(shù)據(jù)存儲器，隊列長度固定為n，每進(jìn)行一次新的采樣，把采樣數(shù)據(jù)放隊尾，扔掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)。這樣，在隊列中始終有n個最新的數(shù)據(jù)。對這n個最新數(shù)據(jù)求取平均值，作為此次采樣的有效值。特點：這種方法每采樣一

15、次，便可得到一個有效采樣值，因而速度快，實時性好，對周期性干擾具有良好的抑制作用。 (4)低通濾波。適用場合： 當(dāng)被測信號變化緩慢時，可采用數(shù)字低通濾波的方法去除干擾。數(shù)字低通濾波器利用軟件算法來模擬硬件低通濾波器的功能，實現(xiàn)對信號的低通濾波。數(shù)字低通濾波器 數(shù)字低通濾波器是用軟件算法來模擬硬件低通濾波器的功能。 當(dāng)被測信號緩慢變化時，可采用數(shù)字低通濾波的方法去除干擾從電容取電壓為低通濾波，從電阻取電壓為高通濾波u0ui高通濾波器RCuiu0 低通濾波器RC低通濾波方法的原理：在上式中用X ui ，Y u0，并整理得模擬硬件低通濾波器的電路方程為：式中，是濾波器的時間常數(shù)， t是采樣周期；X(

16、n)是本次采樣值；Y(n)和Y(n-1)分別是本次和上次的濾波器輸出值。取則 濾波器的本次輸出值主要取決于其上次輸出值，本次采樣值對濾波輸出僅有較小的修正作用，因此該濾波算法相當(dāng)于一個具有較大慣性的一階慣性環(huán)節(jié)，模擬了低通濾波器的功能。截止頻率為 如取 132， t05s，即每秒采樣兩次，則fc 001Hz。 說明該方法可用于頻率相當(dāng)?shù)偷男盘柕臑V波。5 傳感器的非線性補償 許多實際傳感器的傳輸特性是非線性的，直接影響信號的檢測精度。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，常采用軟件方法對此非線性傳輸特性進(jìn)行補償，以降低對傳感器的要求。與硬件補償方法相比，軟件補償方法靈活，不需要額外的硬件投資，因而應(yīng)用廣泛。軟件補

17、償方法很多，概括起來有計算法和查表法兩大類。代數(shù)插值法 代數(shù)插值法以多項式作為插值函數(shù)，因而又稱為多項式插值法。采用這種方法進(jìn)行非線性補償時，首先需根據(jù)傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)建立插值多項式，這是問題的關(guān)鍵。（1）通過標(biāo)定數(shù)據(jù) 設(shè)傳感器的輸入信號為y，輸出信號為x(x也就是被計算機(jī)采入的數(shù)據(jù))，輸入與輸出的函數(shù)關(guān)系為yf(x)，通過標(biāo)定可得到對應(yīng)于n+1個相異的輸出值x0 x1 xn的傳感器輸入值yif(xi)，(i0，1，2，n)。 設(shè)法用個多項式pn(x)去逼近f(x)，并使pn(xi)f(xi)則pn(x) 就稱為f(x) 的插值多項式， xi 稱為插值節(jié)點。在pn(x)確定后，可根據(jù)傳感器的輸

18、出值x，用 pn(x)代替f(x) 去計算傳感器的輸入值y，從而實現(xiàn)非線性補償。可見，代數(shù)插值法的關(guān)鍵是確定插值多項式pn(x)。設(shè)pn(x) 是次數(shù)不超過n的代數(shù)多項式，即 由于在xi(i0，1，n)處應(yīng)滿足pn(xi)f(xi) ，則將xi代入上式可得到關(guān)于系數(shù)aj(j0，1，n)的n+l元一次方程組。 在實際應(yīng)用中， pn(x) 的階次n需根據(jù)要求的逼近精度來確定。一般來講，n值越大，逼近精度越高，但計算工作量也越大。階次n還與被逼近的函數(shù)f(x) 的特性有關(guān)，若f(x) 接近于線性，可取n1，即用一次多項式逼近；若f(x) 接近于拋物線，可取n2，即用二次多項式逼近。為便于計算，實際中

19、最常用的是線性多項式插值方法，這時，nl，式(4-82)變?yōu)?采用線性插值方法，相當(dāng)于在傳感器的兩個相鄰標(biāo)定點(xi，yi)和(xi+1，yi+1)之間用直線入p1(x) 相連，在區(qū)間xi，xi+1內(nèi)用p1(x)代替f(x)去計算傳感器的輸入值y。若傳感器有n+1個標(biāo)定點，則可建立n個區(qū)間(區(qū)間長度可相等，也可不等)，各區(qū)間上的線性插值多項式為 在采用線性插值法對傳感器的非線性進(jìn)行補償時，應(yīng)先根據(jù)傳感器的標(biāo)定值按上式，求出系數(shù)a1i、a0i，然后將a1i、a0i 做成表格，編在程序里。程序運行時，先判斷采樣值x位于哪個區(qū)間，然后取出該區(qū)間對應(yīng)的系數(shù)ali和a0i，按式即可求得對應(yīng)于x的傳感器輸

20、入值(即被測量)y。6 零位誤差和增益誤差的補償 在檢測系統(tǒng)中，由于傳感器、測量電路和放大電路等不可避免地存在溫度漂移和時間漂移，這樣就引起了零位誤差和增益誤差。這類誤差屬于系統(tǒng)誤差，當(dāng)誤差較大時會對系統(tǒng)的精度產(chǎn)生很大影響，所以必須對它們進(jìn)行補償，常用軟件方法進(jìn)行補償。（1）零位誤差補償被測信號基準(zhǔn)信號檢測及放大電路多路開關(guān)A/D微型機(jī)UR零信號輸入 采用軟件對零位誤差進(jìn)行補償?shù)姆椒ㄓ址Q數(shù)字調(diào)零，其原理如下圖所示。零位誤差補償原理： 模擬多路開關(guān)可在微型機(jī)控制下將任一路被測信號接通，并經(jīng)測量及放大電路和AD轉(zhuǎn)換器后，將信號采入微型機(jī)。在測量時，先將多路開關(guān)接通某一被測信號，然后將其切換到零信號

21、輸入端，由微型機(jī)先后對被測量和零信號進(jìn)行采樣。設(shè)采樣值分別為x和a0，其中a0即為零位誤差，由微型機(jī)執(zhí)行下列運算： y=x-a0就可得到經(jīng)過零位誤差補償后的采樣值y。優(yōu)點： 這種零位誤差補償方法簡單、靈活，可把檢測系統(tǒng)的零點漂移一次性地全部補償?shù)?，既提高了檢測精度，又降低對元器件的要求。（2）增益誤差補償 增益誤差補償又稱校準(zhǔn)，采用軟件方法可實現(xiàn)全自動校準(zhǔn)，其原理與數(shù)字調(diào)零相似。在系統(tǒng)工作時，可每隔定時間自動校準(zhǔn)次。被測信號基準(zhǔn)信號檢測及放大電路多路開關(guān)A/D微型機(jī)UR零信號輸入優(yōu)點： 該方法可使測得的輸入信號Ui與檢測系統(tǒng)的漂移和增益變化無關(guān)，因而實現(xiàn)了增益誤差的補償。增益誤差補償原理： 校

22、準(zhǔn)時，在微型機(jī)控制下先把多路開關(guān)接地得到采樣值a0 ，然后把多路開關(guān)接基準(zhǔn)輸入UR，得到采樣值xR，并寄存a0和xR 。正式測量時，如測得對應(yīng)輸入信號Ui的采樣值為xi，則輸入信號Ui可按下式計算。思考題：1、檢測系統(tǒng)的基本特性有哪些？在設(shè)計檢測系統(tǒng)時應(yīng)如何選擇靈敏度、精確度等指標(biāo)?2、典型模擬信號檢測系統(tǒng)由哪幾部分組成？各部分的功能是什么？對信號調(diào)制的作用是什么？3、數(shù)字濾波的優(yōu)點是什么？4、中值濾波、算術(shù)平均濾波、滑動平均濾波、低通濾波的原理和適用場合是什么？5、為何對傳感器進(jìn)行非線性、零位和增益誤差補償？原理是什么？傳感器的選擇：（1）靈敏度：高靈敏度意味著被測量稍有微小變化時，傳感器就

23、有較大輸出，外界干擾信號容易混入，并被放大裝置放大。另外高靈敏度意味著測量范圍縮小。（2）響應(yīng)特性：實際傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，但延遲時間愈短愈好。（3）線性范圍：線性范圍越大，工作量程越大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精確度的前提。例如：機(jī)械式傳感器中的測力彈性元件，材料的彈性極限是測力量程的基本因素?？紤]被測量的變化范圍，例如變間隙型電容、電感傳感器。（4）可靠性：使用過程中注意傳感器規(guī)定的使用條件，減少使用條件的不良影響。例如：電阻應(yīng)變式傳感器，濕度影響絕緣性；溫度會產(chǎn)生零漂。（5）精確度：要考慮經(jīng)濟(jì)性。非精確度越高越好。先了解測試目的是定性分析還是定量分析。例如：研究超精密度切

24、削機(jī)床運動部件的定位精度，主軸回轉(zhuǎn)誤差，振動及熱變形，都要求精確度在0.1-0.01um范圍內(nèi)。（6）測量方式：接觸或非接觸，在線和非在線測量。例1：某工作臺采用直流電機(jī)絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動，已知工作臺的位移為S=250mm，絲杠的螺距為t=4mm(單頭)，齒輪減速為i=5，要求測量精度為0.01mm，試確定測量方案解：實現(xiàn)工作臺的位移測量可以有三種測量方案。方案1：高速端轉(zhuǎn)角測量傳感器與電機(jī)連接，通過對電機(jī)轉(zhuǎn)角的測量對工作臺位移進(jìn)行間接測量，測量原理如下圖所示。方案2: 低速端轉(zhuǎn)角測量方案3:工作臺位移直接測量。采用直線位移傳感器直接測工作臺的位移，測量原理如圖所示解：1傳感器選擇:依題意，該伺服系統(tǒng)屬于低速系