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1、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
2、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
3、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,选择合适的传感器,选择或设计转换电路,设计计算机数据采集、处理系统（接口和数据处理）,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
4、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
5、分压电路,基尔霍夫电压定理,i1+i2,i1,i2,（d）光电分压电路,2、差动电路,a),b),c),0V,i=Ui/2Z,0+iZ=0.5Ui,0-iZ=-0.5Ui,d),3、非差动桥式电路,a),-0.5Ui,0.5Ui,b),-0.5Ui,相角,幅值,当 时，,c),相角,幅值,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,
6、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）,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）,Ua,Ua,Ub,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
7、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。,5、可变增益放大器,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
8、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。,已调制波形,1、调幅与解调电路,幅度调制与解调过程（波形分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x m(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),Vin,（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）调幅解调电路（二极管包络检波）,（2）调幅解调电路（三极管包络检波）,机电一体化系统设计,（2）解调电路（相敏检波电路）,四个特性相同的二极管D1D4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
9、率均相同，用作极性识别的标准。R1为负载电阻。,（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。,机电一体化系统设计,载波；,被调制信号,调制后的信号,相敏检波后,滤波后,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
10、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,微分后通过检测幅值的变化，即可获得调制信号,幅值,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。,（2）窄脉冲鉴频电路,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。,fc,f,(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
11、、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,1、无源滤波器,（1）一阶RC低通滤波器,f0,1、无源滤波器,（2）一阶RC高通滤波器,1、无源滤波器,（3）RC带通滤波器,无源滤波器带负载能力差，且易与前后相关电路耦合，实际滤波效果差，有源滤波器可克服。,（2）有源滤波器,1)一阶低通滤波器,ur,0V,0V,（2）有源滤波器,1)二阶低通滤波器,二阶系统具有更好的倍频程特性。其它电路自行推导,五、运算电路,运算电路主要有：加、减、乘、除、微分、积分、指数、对数等电路，在检测电路中信号运算、变换、提取等环节中起作用。主要利用运算放大器集成电路
12、和外接元件构成。,加法运算电路,Ur,减法运算电路,Ur,乘除运算电路,场效应管,漏极 D,源极 S,栅极 G,漏极 D,源极 S,栅极 G,积分运算电路,ur,微分运算电路,六、数字电路中的常见电路,数字或脉冲电路中的电路有：逻辑电路、时序电路（触发器、计数器）、运算电路、电平转换电路、振荡电路（波形发生器）、整形电路、驱动电路等,过零比较器用于波形整形，如正弦波整成方波,电路说明：,1、以上所列举的电路仅是原理性阐述，有些是示意图，如果完整的实际电路要经参数调试。2、常用的转换电路大多都有集成电路，有些集成电路把多种电路集成在一起，应用时要根据参数选用集成电路，连接所需的外围元件，经调试确
13、定参数。比如集成调幅、放大、解调、滤波功能的AD598芯片，就是直接用于LVDT传感器的集成电路。,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,第三节 模拟信号检测系统设计,一、模拟信号检测系统的特点 模拟信号检测系统相对于脉冲两值量的数字量检测系统具有两个突出的特点：1、信号微弱易受干扰、信号受环境影响产生漂移，因此必须采取相应的措施。2、经数据采集、A/D转换才能进入计算机，数据采集必按一定的参数工作。所以在模拟量检测系统中必须有抗干扰环节、正确选择数据采集参数、设置针对信号漂移的补偿
14、措施等。,二、模拟信号检测系统的组成环节,*信号预处理：作用是滤除信号中的不需要信号（包括噪声或其它不需要的信号），因此，由滤波电路构成。这个环节也称硬件滤波。*采样保持和A/D转换构成计算机数据采集环节。*数字信号预处理：进入计算机的数字信号还需进行滤波处理软件滤波，进一步滤除信号中的噪声。*补偿环节：计算机软件对非线性、零位、增益进行补偿。,三、数据采集,数据采集是把模拟量转换成数字量存入计算机这一过程的总称。由采样、保持、A/D转换三个环节构成。1、采样过程 采样过程就是把模拟信号离散化的过程。计算机对连续信号的进行数字量转换，只对连续信号的某些取值点进行。,采样器,模拟信号,脉冲信号,
15、1、采样过程（续）,怎样选取这些点呢？计算机一般采取等间隔取信号的方法，即每隔t采集一点，1/t=fs称为采样频率。,（1）采样频率确定,采样定理,为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率fs必须至少为原信号中最高频率成份fmax的2倍。这是采样的基本法则，称为Shannon(香侬）采样定理。,fs2fmax,一般应用常取fs（510）fmax,如果被测信号的最高频率为1000Hz，则采样频率至少为2000Hz。,（2）采样保持,A/D转换需要一定的时间，为防止产生转换误差，必须在采样期间保持采样值（即送A/D转换的值）不变。实现该功能的电路称采样保持电路。,采样保持电路原理
16、,电压跟随器,电压跟随器,场效应管,采样保持电路原理,UC高电平，S闭合，采样，uo=ui;UC低电平，S断开，保持，uo=uiUD，对开关保护。,2、A/D转换,(1)A/D转换原理量化把采样信号经过舍入变为只有有限个有 效数字的数，这一过程称为量化,编码将经过量化的值变为二进制数字的过程。,（2）A/D转换芯片参数,1)分辨率 用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。,2)转换速度 指完成一次转换所用的时间，如:1ms(1KHz)；10us(100kHz),(3)模拟信号的输入范围 如，5V，+/-5V，10V，+/-10V等。
17、,（3）A/D转换芯片参数选择,分辨率选择-根据所要求检测精度，比如检测精度要求0.1%，则A/D转换的分辨率1/2N 0.1%。转换速度选择-转换速度要大于采样速度fs。模拟信号电压输入范围-根据信号预处理输出的电压范围选择匹配的A/D转换芯片，或根据A/D转换芯片的电压输入范围，调理输入的电压范围。芯片转换精度-高于检测精度,3、数据采集系统的结构形式,多路模拟信号采用一个采样保持、一个A/D转换。多路信号选择用多路模拟开关（集成电路开关）,3、数据采集系统的结构形式（续1),集成模拟开关,3、数据采集系统的结构形式（续2),四、数字信号预处理,虽然在模拟信号进入数据采集之前已经经过滤波环
18、节，但是由于干扰信号的种类很多，仍有一定噪声信号被采集，因此，数字信号首先也要进行预处理才被作为有效信号。数字信号预处理即软件滤波或程序滤波，不需要硬件，使用可靠、稳定。可对低频和高频信号进行滤波。可根据不同信号形式选择不同种类的滤波方式。灵活、功能强、柔性好。数字滤波方式有多种适合不同的信号场合：,1、中值滤波,原理：对信号的每点采样转换多次，多次的转换值中进行大小比较，把几个数中处于中间值的数作为有效数。采样次数一般为3、5、7等奇数次。适合：缓慢变化信号中存在偶然因素引起的脉冲干扰的场合。,2、算术平均滤波,原理：对信号采样转换N次，求出N次转换值的平均值作为有效数。采样次数一般为8、1
19、6、32。采样次数越多滤波效果越好，但灵敏度越差。适合：对信号中具有周期干扰信号的场合。,3、滑动平均滤波,原理：求出N次转换值的平均值作为有效数，但每采样一次，作为新值，去掉最先采样值，进行平均值计算。适合：采用算术平均滤波系统的实时性达不到要求的场合。,4、低通滤波,原理：用软件方法模拟硬件低通滤波器。转换滤波器微分方程为差分方程，根据差分数学模型编程实现。适合：缓慢变化的信号滤除干扰信号。,差分代替微分,五、传感器信号的非线性补偿(解决被测量定值问题）,被测量和传感器或转换电路的输出关系是非线性，就会给测量带来误差。人们总是希望按输入和输出之间精确的对应关系确定被测量的取值，因此采用的方
20、法称作非线性补偿。非线性补偿的硬件电路有较大局限性，采用软件的补偿方法灵活、精度高，是目前采用的主流方法。软件非线性补偿有两种方法：计算法和查表法,（1）计算法,计算法的原理是找到能够和传感器输入输出关系曲线最具相同规律的函数逼近方程或称模拟曲线方程，这样就可通过传感器的输出值计算出传感器的输入值（被测量）。常用的方法是代数插值法：即用代数多项式逼近实际定度曲线，多项式的次数越高代数多项式的逼近性越好，但是方程越复杂。因此最常用的代数插值多项式为一次多项式，称线性插值法。,（2）查表法,查表法就是把定度曲线离散化把输入输出数据以表格形式存入计算机，检测时只要根据输入计算机的值查表就可得到被测量
21、值。表格数据不能覆盖全部测量值，因此仍需要插值运算。,Xi、Yi存入计算机查表,六、零位误差补偿和增益误差补偿,零位补偿和增益补偿是解决在测量过程中信号发生的零位和增益漂移（即信号由于受到温度、湿度、时间等影响产生的变动）。实际是补偿由于传感器定度曲线、电路的输入输出关系、A/D转换的零位、线性发生的变化。,（1）零位误差补偿,零位误差补偿方法采用软件补偿又称数字调零。,Ui=Yi-a0,（2）增益误差补偿,增益误差补偿又称校准，,全系统零位和增益误差补偿,下图为包括传感器在内的全检测系统的零位和增益误差补偿原理,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
22、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,第四节 数字信号检测系统设计,一、数字信号检测系统的特点 模拟检测系统的环节相对较复杂，为了便于计算机信号处理，数字量（脉冲量）传感器应用越来越多，特别是增量码传感器（或增量式），如光栅、光电编码盘、磁栅、容栅等传感器，用于检测位置、位移。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。数字信号检测系统接口方便，可提高分辨率、提高检测精度及抗干扰能力、信号易处理和远距离传送。,二、数字信号检测系统的组成环节,*整形电路把正弦信号转换成脉冲信号。*细分电路提高脉冲分辨率。*辨向电路检测位移的方向。*计数器：计数器计数
23、脉冲数，是机电接口。增量式传感器检测系统一般采用对脉冲数计数，再把计数值传给计算机处理。,三、增量式传感器,1、直线光栅原理,2、光电编码盘（圆光栅）,四、增量脉冲的细分与辨向,增量式脉冲的一个周期对应的位移称为脉冲当量，也是位移分辨率。为提高分辨率从而提高测量精度，须采取周期细分，使得在一个周期中出现N个脉冲，计数器1/N个周期就计一个数，N为细分数。辨向使计算机检测位移或角位移的方向，方向检测在位置伺服系统中是不可缺少的。1、四细分方法与辨向 四细分的原理是利用相差90度相位A、B两路信号先通过反相器产生/A、/B，利用该四路信号的跳沿依次相差90度特性，使该四路信号分别通过微分电路取出上
24、跳沿，获得四个脉冲，再用或门电路把四个脉冲组合成一路脉冲。辨向原理利用正向和反向运动时，A、B两路脉冲的相位也发生改变的特性。,2、四细分方法与辨向（续1）,sin,cos,-sin,-cos,2、四细分方法与辨向（续2）,3、其它细分方法与辨向,（1）锁相倍频细分与辨向,（2）脉冲填充细分与辨向,（3）模拟信号软件细分,4、光栅检测系统,4、光栅检测系统(续）,4、光栅检测系统的/CPLD/FPGA实现方法,PLD（programmable logic device)可编程逻辑器件;CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件;FPGA（F
25、ieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列;三者逻辑功能通过用户编程决定。可用于开发一些具有专用功能的逻辑器件,4、光栅检测系统的/CPLD/FPGA实现方法(续),一般光栅内部已做好,一片可编程器件即可实现,4、光栅检测系统的/CPLD/FPGA实现方法(续),基本原理：用高频脉冲去扫描，每次时钟的上跳沿(或下调沿)扫描正交脉冲AB一次。,产生计数脉冲的条件(A RA.Q)or(B RB.Q)RA，RB为可编程器件中的触发器，其存储着A 和B上一次的状态。,方向的判别逻辑：(A RA.Q)and(A B)or(B RB.Q)and(A=B),4、光栅检测系统的/CPLD/FPGA实现方法(续),基本原理：用高频脉冲去扫描，每次时钟的上跳沿(或下调沿)扫描正交脉冲AB一次。,产生计数脉冲的条件(A RA.Q)or(B RB.Q)RA，RB为可编程器件中的触发器，其存储着A 和B上一次的状态。,方向的判别逻辑：(A RA.Q)and(A B)or(B RB.Q)and(A=B),4、光栅检测系统的/CPLD/FPGA实现方法(续),基本结构框图,滤波：三次中有两次成立则认为条件成立。,4、光栅检测系统的/CPLD/FPGA实现方法(续),4、光栅检测系统的/CPLD/FPGA实现方法(续),
