《机电一体化导论》课件-第8章 机电一体化产品检测技术

第8章机电一体化产品

的检测技术学习目标知识目标：1.检测系统的组成和分类；2.检测信号的变换。能力目标：1.概括总结所学知识的能力；2.分析问题、解决问题的能力；学习重、难点学习重点：

1.检测系统的组成；

2.检测系统的信号变换。学习难点：

1.检测系统组成方式；

2.检测中的信号变换。本章主要内容检测技术的地位和作用

8.1检测系统的组成8.2检测系统的分类

8.3检测系统的信号变换8.4小结课后作业检测技术的发展趋势8.58.1检测技术的地位与作用检测概念：是指在各类生产、科研、试验及服务等各个领域为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。检测的地位：必不可少。检测的作用：在工业生产、军工、日常生活等方面对提高生产效率、安全、产品精度、生活质量等发挥重要作用。8.2检测系统的组成8.2.1模拟信号检测系统模拟式传感器是目前应用最多的传感器。其检测系统的基本组成如图8.1所示。图8.1模拟信号检测系统的基本组成振荡器：调制传感器信号，为解调提供参考信号；量程变换电路：避免放大器饱和并满足不同测量范围需要；放大器：放大信号；解调器：将已调制信号恢复成原有形式；滤波器：滤除干扰信号，取出有效信号；运算电路：处理信号，正确获得所需的物理量；模/数转换器：将模拟信号转换成数字信号；计算机：进一步处理信号，提供控制或显示信号；显示、执行机构：显示或打印输出有关信息，执行相关操作命令。8.2.2数字信号检测系统

数字检测系统首先通常由各种传感器（变送器）将非电被测物理或化学成分参量转换成电信号，然后经信号调理（信号转换、信号检波、信号滤波、信号放大等）、数据采集、信号处理、信号显示、信号输出以及系统所需的交、直流稳压电源和必要的输入设备(如拨动开关、按钮、数字拨码盘、数字键盘等)便组成了一个完整的检测（仪器）系统，其各部分关系如图8.2所示。图8.2

数字信号检测系统的基本组成1．传感器传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置。它的作用是感受指定被测参量的变化并按照一定规律转换成一个相应的便于传递的输出信号。传感器通常由敏感元件和转换部分组成；其中，敏感元件为传感器直接感受被测参量变化的部分，转换部分作用通常是将敏感元件输出转换为便于传输和后续处理的电信号。对传感器有如下要求：

(1)准确性：传感器的输出信号必须准确地反应其输入量，即被测量变化。因此，传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，最好是线性关系。

(2)稳定性：传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随时间和温度而变化，受外界其他因素的干扰影响亦应很小，重复性要好。

(3)灵敏度：即要求被测参量较小的变化就可使传感器获得较大的输出信号。

(4)其他：如耐腐蚀性好、低能耗、输出阻抗小和售价相对较低等。2．信号调理信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续处理或显示。对信号调理电路的一般要求是：

(1)能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号。

(2)信噪比高，抗干扰性能要好。3．数据采集数据采集（系统）在检测系统中的作用是对信号调理后的连续模拟信号离散化并转换成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数值信息，同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储。4．信号处理信号处理模块是现代检测仪表、检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节。信号处理模块通常以各种型号的单片机、微处理器为核心来构建，对高频信号和复杂信号的处理有时需增加数据传输和运算速度快、处理精度高的专用高速数据处理器（DSP）或直接采用工业控制计算机。5．信号显示显示器是检测系统与人联系的主要环节之一，显示器一般可分为指示式（模拟式）、数字式和屏幕式三种。（1）指示式显示：被测参量数值大小由光指示器或指针在标尺上的相对位置来表示。(2)数字式显示：以数字形式直接显示出被测参量数值的大小。

(3)屏幕显示：类似电视显示方法，具有形象性和易于读数的优点，又能同时在同一屏幕上显示一个被测量或多个被测量的(大量数据式)变化曲线，有利于对它们进行比较、分析。6．信号输出在许多情况下，检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的瞬时值后除送显示器进行实时显示外，通常还需把测量值及时传送给控制计算机、可编程控制器（PLC）或其他执行器、打印机、记录仪等，从而构成闭环控制系统或实现打印（记录）输出。7．输入设备用于输入设置参数、下达有关命令等。最常用的输入设备是各种键盘、拨码盘、条码阅读器等。8．稳压电源一个检测仪表或检测系统往往既有模拟电路部分，又有数字电路部分，通常需要多组幅值大小要求各异但均需稳定的电源。8.3检测系统的分类1．按被测参量分类常见的被测参量可分为以下几类：(1)电工量：电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁场强度、磁通密度等。(2)热工量：温度、热量、比热、热流、热分布，压力、压差、真空度，流量、流速，物位、液位、界面等。(3)机械量：位移、形状，力、应力、力矩，重量、质量，转速、线速度，振动、加速度、噪声等。(4)物性和成分量：气体成分、液体成分、固体成分、酸碱度、盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等。(5)光学量：光强、光通量、光照度、辐射能量等。(6)状态量：颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量等。2．按被测参量的检测转换方法分类被测参量通常是非电物理或化学成分量，通常需用某种传感器把被测参量转换成电量，以便于作后续处理。被测量转换成电量的方法很多，最主要的有下列几类提供:(1)电磁转换：电阻式、应变式、压阻式、热阻式、电感式、互感式(差动变压器)、电容式、阻抗式(电涡流式)、磁电式、热电式、压电式、霍尔式、振频式、感应同步器、磁栅。(2)光电转换：光电式、激光式、红外式、光栅、光导纤维式。(3)其他能/电转换：声/电转换（超声波式）、辐射能/电转换（X射线式、β射线式、r射线式）、化学能/电转换（各种电化学转换）。3．按使用性质分类检测仪表按使用性质通常可分为标准表、实验室表和工业用表等三种。“标准表”顾名思义是各级计量部门专门用于精确计量、校准送检样品和样机的标准仪表。“实验室表”，多用于各类实验室中，它的使用环境条件较好，故往往无特殊的防水、防尘措施。“工业用表”是长期安装使用于实际工业生产现场上的检测仪表与检测系统。8.4检测系统的信号变换在机电一体化产品中，控制和信息处理功能多数采用计算机来实现。因此，检测信号一般都需要被采集到计算机中做进一步处理，以便获得所需的信息。模拟式传感器输出的是连续信号，首先必须将其转换成能够被计算机接收的数字信号，然后才送入计算机进行处理。8.4.1模拟量的输入转换

(b)(a)(c)(d)图8.3模拟量输入转换方式1.模拟量的转换输入方式模拟量的输入转换方式主要有四种，如图8.3所示。图8.3（a）是最简单的一种方式。传感器输出的模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，通过三态缓冲器送入计算机总线。这种方式仅适用于只有一路检测信号的场合。第二种方式如图8.3（b）所示，多路检测信号共用一个A/D转换器，通过多路模拟开关依次对各路信号进行采样，其特点是电路简单，节省元器件，但信号采集速度低，不能获得同一瞬时的各路信号。第三种方式如图8.3（c）所示，它与第二种方式的主要区别是信号的采集/保持电路在多路开关之前，因而可获得同一瞬时的各路信号。图8.3（d）所示为第四种方式，其中各路信号都有单独的采样/保持电路和A/D转换通道，可根据检测信号的特点，分别采用不同的采样/保持电路或不同精度的A/D转换器，因而灵活性大，抗干扰能力强，但电路复杂，采用的元器件较多。2.多路模拟开关多路模拟开关又称为多路转换开关，简称多路开关，其作用是分别或依次把各路检测信号与A/D转换器接通，以节省A/D转换器件。

图8.4

多路模拟开关结构图8.4表示一个8通道的模拟开关的结构图，它由模拟开关S0~S7及开关控制与驱动电路组成。8个模拟开关的接通与断开，通过用二进制代码寻址来指定，从而选择特定的通道。例如当开关地址为000时，S0开关接通，S1~S7均断开，当开关地址为111时，S7开关接通，其他7个开关断开。3.信号采集与保持所谓采集，就是把时间连续的信号变成一串不连续的脉冲时间序列的过程。信号采样是通过采样开关来实现。采样开关又称采样器，实质上它是一个模拟开关，每隔时间间隔T闭合一次，每次闭合持续时间τ，其中，T称为采样周期，其倒数fs=1/T称为采样频率，τ称为采样时间或采样宽度，采样后的脉冲序列称为采样信号。采样信号是一个离散的模拟信号，它在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍是连续的，因而还需要用A/D转换器将其转换成数字量。A/D转换过程需要一定时间，为防止产生误差，要求在此期间内保持采样信号不变。实现这一功能的电路称采样/保持电路。典型的采样/保持电路由模拟开关、保持电容和运算放大器组成，如图8.6所示。运算放大器N1和N2接成跟随器，作缓冲器用。当控制信号Uc为高电平时场效应管VF导通，对输入信号采样。输入信号ui通过N1和VF向电容C充电，并通过N2输出uo。由于N1的输出阻抗很小，N2的输出阻抗很大，因而在VF导通期间uo=ui。当Uc为低电平时，VF截止，电容C将采样器间的信号电平保持下来，并经N2缓冲后输出。该电路中，场效应管VF即为采样开关，其关断电阻和N2的输入阻抗越高，C的泄漏电阻越大，uo的保持时间就越长，保持精度越好。图8.6

采样/保持电路图8.7是单片集成的LF198采样/保持电路原理图，其中S是模拟开关，A是开关驱动电路，二极管VD1和VD2是开关保护电路。当控制信号Uc为高电平时，S闭合，uo=ui；当Uc为低电平时，S断开，ui被保持在外接电容C上。在S断开期间，若ui发生变化，N1的输出uo′可能变化很大甚至超过开关电路所能承受的电压，这时由二极管构成的保护电路可将uo′嵌位在ui+UD范围内（UD为二极管正向电压降）。图8.7LF198采样/保持电路8.4.2数字信号的预处理传感器的输出信号被采入计算机后往往要先进行适当的预处理，其目的是去除混杂在有用信号中的各种干扰，并对检测系统的非线性、零位误差和增益误差等进行补偿和修正。数字信号预处理一般用软件的方法来实现。1.数字滤波（1）中值滤波（2）算术平均滤波（3）滑动平均滤波（4）低通滤波2.静态误差补偿（1）非线性补偿在机电一体化产品中，常用软件方法对传感器的非线性传输特性进行补偿校正，以降低对传感器的要求。图8.9（a）为传感器的非线性校正系统。当传感器及其调理电路至A/D转换器的输入—输出有非线性，如图8.9（b）所示，可按图8.9（c）所示的反非线性特性进行转换，进行非线性的校正，使输出y与输入x呈理想直线关系，如图8.9（d）所示。（a）传感器非线性校正系统框图（b）输入x—输出u特性（c）反非线性特性u—x

（d）校正后传感器系统的输入输出特性（2）零位误差补偿检测系统的零位误差是由温度漂移和时间漂移引起的。采用软件对零位误差进行补偿的方法又称数字调零。（3）增益误差补偿增益误差同样是由温度漂移和时间漂移等引起的。增益误差