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第四章 检测系统设计. 本章主要学习内容: 第一节 检测系统概述 第二节 检测系统中常用转换电路 第三节 模拟信号检测系统设计 第四节 数字式传感器信号的检测. 第一节 检测系统概述. 一、检测系统的功用及组成 检测系统是机电一体化系统五大结构要素之一,用于实现计测功能。没有检测系统,机电一体化设备就无法实现高精度、高性能、自动化。检测系统对于机电系统,就像人的感官对于人一样的重要。检测系统的性能直接影响机电系统的性能。测不准就控不准。 检测系统的构成:
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第四章 检测系统设计 本章主要学习内容: 第一节 检测系统概述 第二节 检测系统中常用转换电路 第三节 模拟信号检测系统设计 第四节 数字式传感器信号的检测
第一节 检测系统概述 一、检测系统的功用及组成 检测系统是机电一体化系统五大结构要素之一,用于实现计测功能。没有检测系统,机电一体化设备就无法实现高精度、高性能、自动化。检测系统对于机电系统,就像人的感官对于人一样的重要。检测系统的性能直接影响机电系统的性能。测不准就控不准。 检测系统的构成: 传感器(感受并转换各种物理量);转换电路(变换、放大、调制解调、滤波、运算 等);数据采集转换;计算机数据处理(显示、控制)。这就组成检测系统
二、机电一体化对检测系统的要求 对检测系统的要求是: 精度、灵敏度和分辨率高; 线性、稳定性和重复性好; 静、动态特性好; 抗干扰能力强。 这些要求归纳出是三方面的要求:精度高、动态特性好、精度保持性好。 另外,体积小、质量轻、成本低、便于使用维修等也是照例要求。
三、检测系统设计的主要内容 检测系统的设计内容就是根据系统的组成,采用理论和实践相结合的方法设计各组成部分,并使各组成部分之间匹配,达到要求。 具体的设计内容: 1、根据检测要求和条件选择合适的传感器。 2、根据传感器和检测要求选择或设计检测电路(包括基本转换电路、信号预处理电路等) 3、根据精度和速度要求设计计算机数据采集和数据处理系统(包括计算机接口电路,数字信号预处理,线性、增益、零位补偿等,显示控制)
检测系统设计内容图示 设计计算机数据采集、处理系统(接口和数据处理) 选择合适的传感器 选择或设计转换电路
四、检测系统设计步骤 检测系统的设计方法一般采用实验分析法:理论分析计算和实验测试相结合。 检测系统设计一般步骤: 1、设计任务和技术要求分析(精度、方法、条件等) 2、系统方案选择(传感器、电路、数据采集方法等) 3、系统总体框图(反映各环节的要求、方案和参数等) 4、各环节设计、实验 5、总装调试、实验分析 6、系统运行考核
第四章 检测系统设计 本章主要学习内容: 第一节 检测系统概述 第二节 检测系统中常用转换电路 第三节 模拟信号检测系统设计 第四节 数字式传感器信号的检测
第二节 检测系统中常用转换电路 一、转换电路的作用 转换电路用于对传感器信号进行转换、传送、调理,是检测系统中重要环节,是影响检测系统性能的主要环节。转换电路包括变换、放大、调制解调、滤波、运算 、整形等电路。 根据两大类传感器:模拟量传感器、脉冲量传感器有许多不同种类的转换电路,但大多为模拟量转换电路,因为模拟量传感器的种类多、数量大。但是在数控机床领域内应用光栅、光电编码盘等脉冲量传感器占主流。对此,也要有所了解。
二、模拟信号转换电路 (一)基本转换电路 1、分压电路 a)电阻分压电路
(b)串联谐振分压电路 负载开路且不考虑漏磁 i1 基尔霍夫电压定理
(c)并联谐振分压电路 i1+i2 i1 i2 基尔霍夫电压定理
c) 0+iZ=0.5Ui i=Ui/2Z 0V 0-iZ=-0.5Ui
a) 0.5Ui -0.5Ui
b) 幅值 相角 -0.5Ui 当 时,
c) 幅值 相角 当 时,
4、调频电路 电容传感器
5、脉冲调宽电路 比较器 参考电压
(二)信号放大电路 各种放大电路是检测转换电路中最频繁采用的电路,放大电路的性能对检测精度具有直接影响。对放大电路的要求:输入阻抗高、抗噪声干扰(高的共模抑制比、减小热噪声)等。 1、高输入阻抗放大器 Ad 差模放大倍数,Zi开环输入阻抗
1、高输入阻抗放大器(续) U2 U2 为提高共模抑制比
2、高共模抑制比放大器(差动放大器) Ur Ur 共模增益为0,共模抑制比无穷大
2、高共模抑制比放大器(差动放大器) Ub Ua Ua Uc
差动放大器(续) 仪表放大器
3、参量放大器 电参数的变化转化为电压的变化 电容传感器 由于负端无其它电流输出,电路稳定后,两电容所存储的电荷量相等 标准电容C0所存储电荷量为Q=uiC0 因而输出端电压为Q/C 为减小电缆芯线与屏蔽层间寄生电容,常采用驱动电缆技术
4、线性化放大器 某些环节,如传感器,其输入输出关系非线性。线性化放大器的作用在于,通过反馈环节,使得系统输入x与输出uo之间保持线性关系,可采用。其基本原理如下: 设
4、线性化放大器(续) 只要使得反馈环节具有与传感器相同的输入输出特性,就可实现整体线性的目标。
6、电荷放大器 用于压电式传感器把电荷数转换成电压。
(三)信号调制与解调电路 调制解调电路在通讯中主要用于信号区分和传送。而在检测电路中主要用于信号变换,比如接入传感器的交流电桥电路就是调幅电路—对传感器信号进行变换---电参量转换成电压量。调制信号最后还要进行解调—信号还原。调制有幅值调制、频率调制、相位调制。 幅值调制(调幅)---被测信号的变化规律调制(调节)载波的幅值。 频率调制 (调频)---被测信号的变化规律调制(调节)载波的频率。 相位调制(调相)---被测信号的变化规律调制(调节)载波的相位。
1、调幅与解调电路 幅度调制与解调过程(波形分析) x(t) z(t) 乘法器 x m(t) 放大器 Vin z(t) 乘法器 滤波器 x(t)
Vo R3 R1 Vin R4 R2 (1)调幅电路(交流电桥) 交流电桥是 乘法器V0=x(t) Vin =xm(t)为调幅波信号, Vin为载波。
(2)解调电路(相敏检波电路) 四个特性相同的二极管D1~D4组成电桥形式。变压器A输入调幅波信号eo。变压器B接有参考信号ex, ex与载波信号的相位和频率均相同,用作极性识别的标准。 R1为负载电阻。 机电一体化系统设计
(2)解调电路(相敏检波电路) 当调制信号与参考信号相位相同时,由下图可以看出相敏检波器中电流i1流过负载R1的方向,即此时输出电压eo1为正值。 当调制信号与参考信号相位相差180度时(调幅波eo相对于载波ex的极性正好相差180°),电流i1流过负载R1的方向与之前相反,即此时输出电压eo1为负值。
载波; 被调制信号 调制后的信号 相敏检波后 滤波后 机电一体化系统设计
2、调频与解调 调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率,或者说,调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波。
(1)调频电路 若采用电容传感器,C1为传感器电容; 若采用电阻式传感器,Rb为传感器电阻
(2)微分鉴频电路 幅值 微分后通过检测幅值的变化,即可获得调制信号 CD与晶体管VT发射结正向电阻构成微分电路;VT与RL构成包络检波电路;二极管一方面提供偏压,一方面对CD放电。
3、调相与解调 调相是由传感器信号影响或控制某高频载波的相位。 (1)调相
(2)鉴相(比相) 鉴相的方法有:异或门鉴相、RS触发器鉴相、脉冲采样鉴相等,基本方法是将调相信号与基准信号比相。 f fc
(四)滤波电路 滤波器具有对信号的选频特性,作用:滤除信号中的噪声与干扰信号、滤除调制信号中的载波等。滤波器按选择的频率范围分有四种:低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。 滤波器的特性参数:截至频率、 带宽、品质因素 倍频程选择性