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第8章 自动检测系统设计 控制科学与工程学院 陈振学 博士后 telemail: 目录 8.1 自动检测系统的设计原则与步骤 8.2 传感器的合理选用 8.3 自动检测系统的性能估计 8.4 自动检测系统设计举例在线微量 水分测量系统设计 8.5 啤酒瓶残留清洗液在线检测系统设计 8.6 空气压缩机的曲轴工作应力测试 8.1 自动检测系统的设计原则与步骤 8.1.1 自动检测系统的设计原则 对自动检测系统的设计者而言 首先要保证所设计的自动检测系统能够实现所 要求的功能和技术指标； 要满足系统在可靠性、可维护性方面的要求， 如平均无故障工作时间、故障率、失效率、平均 寿命等指标； 降低成本，提高系统的性能价格比。 自顶向下的设计方法， 即从总体到局部、再到细节。先考虑整体 目标，明确任务，把整体分解为多个子任务 ，并充分考虑子任务之间的联系。 自底向上的设计方法 为了完成某个检测任务，可以利用现有的 模块、仪器，综合成一个满足要求的系统。 这种系统虽然未必是最简单、最优化的方案 ，但只要能完成检测任务，仍不失为快速、 高效解决问题的方法。 “硬件软化” 为降低硬件成本，将某些硬件功能用软件实现。 但是硬件软化后运行速度比硬件低得多。如果检测 系统对速度要求不高，可以采用这种方法。 “软件硬化” 近年来随着半导体技术的发展，又出现了“软件 硬化”的趋势，即将软件实现的功能用硬件实现。 其中最典型的是数字信号处理芯片dsp。 软硬件折衷 智能检测系统中有些功能必须靠硬件实现， 而另外有些功能利用软件或硬件都可完成。 软件可完成许多复杂运算，修改方便，但速 度比硬件慢。硬件成本高，组装起来以后不 易改动。 8.1.2 自动检测系统的设计步骤 1 确定任务、拟定设计方案 （1) 根据要求确定系统的设计任务、功能、指标 明确系统需要完成的测量任务； 明确被测信号的特点、被测量类型、被测量变化 范围、被测量的数量、输入信号的通道数； 明确测量速度、精度、分辨率； 明确测量结果的输出方式、显示器的类型。 （2) 进行总体设计 通过调研对所提出的系统初步设计方案， 进行论证，完成系统总体设计。 在完成总体设计之后，便可进行设计任务 分解，将系统的研制任务分解成若干子任务 之后针对子任务去进行具体的设计。 2 硬件和软件的研制 在开发过程中，硬件和软件应同时进行。 (1) 硬件电路的设计、功能模板的研制和调试 根据总体设计，将整个系统分成若干个功能块， 分别设计各个电路，如输入通道、输出通道、信 号调理电路、接口、单片机及其外围电路等。 在完成电路设计之后，即可制作相应功能模板。 (2) 软件框图的设计、程序的编制和调试 将软件总框图中的各个功能模块具体化， 逐级画出详细的框图，作为编制程序的依据 。 编写程序一般用汇编语言建立用户源程序 。 3 系统总调、性能测试 在硬件、软件分别完成后，即可进行联合 调试，即系统总调，测试系统的性能指标。 若有不满足要求之处，需要仔细查找原因 ，进行相应的硬、软件改进，直到满足要求 为止。 目录 8.1 自动检测系统的设计原则与步骤 8.2 传感器的合理选用 8.3 自动检测系统的性能估计 8.4 自动检测系统设计举例在线微量 水分测量系统设计 8.5 啤酒瓶残留清洗液在线检测系统设计 8.6 空气压缩机的曲轴工作应力测试 8.2 传感器的合理选用 根据具体的测量目的、测量对象、测量环 境合理的选用传感器，是进行自动检测系统 设计需要解决的首要问题。 检测系统设计的成败，在很大程度上取决 于传感器的选用是否合理。 8.2.1 确定传感器的类型 全面考虑被测量的特点和传感器的使用条件， 包括： 量程的大小； 被测空间对传感器体积的要求； 测量方式为接触式测量还是非接触式测量； 信号的传输方法，是有线传感还是无线传感； 传感器的来源，是购买商品化的传感器还是自 行研制传感器，是购买国产传感器还是购买进口 传感器。 8.2.2 线性范围和量程 当传感器的种类确定之后，首先要看其量程和 线性范围能否满足要求。 任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性范 围是相对的。 根据不同的测量精度要求，可将非线性误差较 小的传感器近似看作线性传感器。 8.2.3 灵敏度的选择 希望传感器的灵敏度越高越好。 但传感器的灵敏度高，外界噪声也容易混入， 也会被测量系统的放大器放大，影响测量精度。 要求传感器本身应具有较高的信噪比。 8.2.4 精度 传感器的选用原则并非精度越高越好。传 感器的精度越高，其价格越昂贵。 传感器的精度只要满足整个测量系统的精 度要求就可以，不必选得过高。 应在满足同一测量目的的诸多传感器中选 择最便宜、最简单、最可靠的传感器。 8.2.5 频率响应特性 对传感器频率响应特性的要求取决于被测 量的频率范围。 必须保证在整个被测量频率范围内满足不 失真测量条件。 8.2.6 稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持稳定 的能力称为稳定性。 影响传感器长期稳定性的因素除传感器本 身结构外，主要是传感器的使用环境。要使 传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有 较强的环境适应能力。 目录 8.1 自动检测系统的设计原则与步骤 8.2 传感器的合理选用 8.3 自动检测系统的性能估计 8.4 自动检测系统设计举例在线微量 水分测量系统设计 8.5 啤酒瓶残留清洗液在线检测系统设计 8.6 空气压缩机的曲轴工作应力测试 8.3 自动检测系统的性能估计 将传感器、调理电路、数据采集系统集成为一个 测量系统的基本原则是使测量系统的基本功能、静 态性能、动态性能均达到预先规定的要求。 集成过程中很重要的一项工作就是所设计的测量 系统性能的估计，亦即以子系统或环节的性能指标 估计系统的性能指标。 图8-1 现代测量系统基本形式的链形结构框图 检测系统分辨力与量程的预估 通常按检测系统分辨力与量程的要求，先初步 确定传感器的灵敏度值s1，然后再进行放大器增 益s2与ad转换器分度值s3的权衡。 在被测量范围较大的情况下，初定的s2、s3往 往不能既满足分辨力又同时满足量程两方面的要 求。此时有两种解决办法。 办法之一是设置多种增益，被测量值较小时用 增益大的档，测量值大时自动切换为增益小的档 。 目录 8.1 自动检测系统的设计原则与步骤 8.2 传感器的合理选用 8.3 自动检测系统的性能估计 8.4 自动检测系统设计举例在线微量 水分测量系统设计 8.5 啤酒瓶残留清洗液在线检测系统设计 8.6 空气压缩机的曲轴工作应力测试 8.4 自动检测系统设计举例在线 微量水分测量系统设计 8.4.1 系统总体设计 任何自动检测系统乃至任何工程系统的设 计任务都源于实际需求。 在高压电器设备中，绝缘材料的含水率是 影响产品质量的重要因素之一。必须对其中 的绝缘介质进行干燥以降低含水量。 图8-2 微量水分测量系统总体结构框图 8.4.2 传感器选用 1金电极2感湿膜3agpd电极 图8-3 感湿芯片外形尺寸图 氧化铝湿度传感器利用氧化铝对水分强的 吸附性制成。工作时被测气体中的水分子通 过金层上的网孔被氧化铝的细孔壁吸附或释 放，并与周围的水蒸气压迅速达到平衡。 由于水分的介电常数大，细孔壁吸附水分 子后等效电容变大，即电容量随湿度变化， 湿度越大电容量也越大，反之则小。 8.4.3 信号调理电路设计 图8-4 差动脉冲调宽电路原理图 图8-5 差动脉冲调宽电路各点电压波形图 图8-6 主程序流程图 在线测量 在流水线上，边加工，边检验，可提高产 品的一致性和加工精度。 离线测量 产品质量检验 目录 8.1 自动检测系统的设计原则与步骤 8.2 传感器的合理选用 8.3 自动检测系统的性能估计 8.4 自动检测系统设计举例在线微量 水分测量系统设计 8.5 啤酒瓶残留清洗液在线检测系统设计 8.6 空气压缩机的曲轴工作应力测试 8.5 啤酒瓶残留清洗液在线检测系统设计 8.5.1 设计任务 需要将含有残留清洗液的不合格瓶子剔除 ，确保实际用于灌装的瓶酒瓶清洗干净且不 含清洗液残留物。 人工检验耗费工时，工人工作单调，容易 造成视觉疲劳，检验的速度和精度都很有限 。 8.5.2 设计任务难点分析 1 检测的高速性 2 检测的非接触性 3 分辨率要求高且被测物质不唯一 4 自动剔除 5 较强的抗干扰能力，稳定性、可靠性要 求高 8.5.3 检测原理研究 图8-7 高频残留液检测装置示意图 图8-8 有残液容器经过时两极间的等效电路 有无残留液的瓶子经过时，在接收电极 上产生的电流的变化量 图8-9 交流频率为4.5mhz，电压12v时, 有残留液和无残留液时的曲线对比 8.5.4 检测系统设计 1 激励电压和频率的选择 2 电极设计 3 系统总体框图 图8-10 残留液检测系统的整体功能结构框图 4 高稳定性直流电源设