现代数字测量技术_绪论

现代测试技术程明霄2009.8第一章概述§1-1课程主要内容一.现代数字测试技术的目的在于保证产品质量，提高生产效率，实现柔性生产自动化。1.产品质量：要去高精度测量以达到高精度产品生产过程的高精度检测与检别产品的检测（可看作开环大系统）2.生产的高效率：生产过程系统的能测，能观，能控性生产设备系统的高性能，自动化程度测量作系统反馈环节，直接关系系统性能（控制）（可看作闭环大系统）3.柔性生产：以电子技术，计算机技术为核心的生产特征：自动化，自适应，智能化要求：测量检测数字化，数据处理的智能化二.现代数字测试技术的普遍性，广泛性信息技术社会以信息作为特征与载体（主体）测量技术是信息获取的主要重要方法高新技术发展有赖于测量技术的发展现代生活的方方面面都离不开测量技术数字测量技术及其测检系统（测控电路）三.涉及各种物理量，化学量，信息的获取，即不涉及已有数字是数据领域。信息获取的手段——传感器信息获取的转移——测量电路信息获取的量化——数字化信息获取的传输——计算机化四.课程安排1.测量手段及测量回路——传感器及测量一般传感器，质量分析传感器，信号处理电路2.数字测量（测控系统）数字转换，嵌入式计算机，卡式（板式）计算机，总线结构计算机，虚拟仪器3.软测量及其他数字处理技术软测量，抗干扰，误差分析§1-2数字测试技术的主要要求——精快灵可靠性经济性一.精度要求：1.确保数字测量的分辨率转化器的位指标：二进制位16位12位10位8位20位24位;十进制位3½位,4½位,6½位量化误差指标：LSB+-1+-1/2原始信息量量程与数字测量的分辨率例：利用位移传感器测长0-100mm→数字量为16位0-65536LSB1测长（理论）分辨率100/65536=数字测量分辨率超过传感器灵敏区信号处理电路的精度2.测量回路的传感器的精度A.低噪声抗干扰能力B.低漂移，高稳定性能C.线性度1）测量回路本身为线性2）测量回路对非线性传感器的线性化3)保真度：波形不失真，即良好的频率特性4)输入阻抗与输出阻抗匹配原则inin=sRUUsRRin0UinUsUin△→RinRsi)i)Rin太大，干扰Ug，影响也大，防干扰ii)效率传递，要求Rin≈Rs二.响应1.确保数字测量的响应速度快慢影响控制系统的响应a.A/D.D/A器件的响应要求与位指标有一定联系在线测量要求快，转换速率：0.1μs~10ms离线测量要求相对慢，转换速率:100ms～1sb.数字信号的处理和计算：均值非线性处理复杂函数计算神经网络计算μc的速度：单片196系列可达24兆51系列;12兆（2兆）DSP：可达40兆～60兆ARM：可达100兆以上专用芯片模糊芯片神经网络芯片（均有一定限度范围）2.测量回路和传感器的响应速度（硬伤）三.转换灵活1.数字测量的转换（测量变化信息→物理量信息的转换）a.模数（A/D）输入数模（D/A）输出多路（单路）输入输出b.量程转换：系统性测量范围最大量化值/最小量化值可达106～1012可由软控硬（测量电路）解决：程控放大器c.数字计算中对信号处理的影响：要求一定的频带宽度2.测量回路和传感器的信号转换a.信号形成的转换（传感）无源信息→有源信息（数字测量）标准A/D转换输入电压范围0～+5V+-5V0~+10V(传感)有源信息→频率变化（石英传感器）→有源信息（数字测量）(传感)有源信息→微压变化（压敏器件）→有源信息（数字测量）(传感)有源信息→电荷变化（电荷器件）→有源信息（数字测量）频率—电压转换电压—电流转换电流—电压转换b.信号选取测量回路的频率选择性频带选择测量回路的抗干扰能力四.可靠性与经济性1.可靠性的计算原则系统可靠性=部件可靠性部件可靠性=组成器件可靠性例如：系统总可靠性要求为0.99，由四个部件组成，则K系统=K1*K2*K3*K4,显然个部件的可靠性均应大于0.9999如单个部件为IC电路，含有1万个晶体管的大规模IC，则Ki=K器10000要求其可靠性达0.999999992.在线测量：可靠性，稳定性将是重要指标，连续无故障运行表示数字测量的核心IC的要求则非常高3.经济性：•器件可靠性分类军品→工业→民用•可靠性→高•价格高←§1-3数字测试技术的电路类型及组成数字测量电路的组成随被测参数信号类型与系统功能和要求的不同而异。一.数字测量电路的基本组成1.模拟式测量：（比较多）传感器的输出为电量（电压，电流）a.Ⅱ部分的基本组成为放大器电路：•放大倍数+（微流放大器）•调制解调：用于传感器信息获取采用调制信号的均合•信号分离：模拟滤波器•运算电路：模拟信息的非线性性校正（线性化）•如指数，对数，高阶函数的模拟处理b.Ⅲ部分为现代测量的重要组成（智能化）•多路转换，多路传感器信息的集中处理数模信号隔离多路转换器保持电路•A/D模数转换•PC(μc)数字信息处理主要：待测物理量生成：传感器经测量电路生成的模拟信号所表征的物理量信息。上述两类信息间的非线性转换。数字滤波海量数据采集•海量数据采集•海量数据中的信息识别和信息提取(获取)C.电源（对提高整个系统的性能具有重要作用）——电源技术数字电源：与数字量相关部件的电源供给。+5V+3.3V+2.2V纹波系数：直流电源上附加的交流分量2.数字测量电路传感器的输出为编码信息（数字量）a.脉冲计数是该电路的核心计数器计数输入（辨别脉冲最快的个数，计数频率10N～400M）b.传感器脉冲输出的各种采样，形成各种需求c.整形电路：采用施密特电路，细分甚高频传感器信息内插细分测量的特征电路：脉冲当是变换电路辨向电路：増量码的变化方向d.Ⅱ，Ⅲ部分的实现方式•Ⅱ放大器+整形+特殊电路+计数器+锁定器•Ⅲ从锁存器中读取数据信息DCS系统PC系统•特殊电路+计数+锁存器+指令+μc(计算机的测量检测)3.数字测量系统的输入输出信号a.模拟式信号i)非调制信号：如热电偶，热电阻信号（输入）传递过程中（干扰影响）记录仪，示波器，伺服电机等（输出）ii)调制信号：提高信息传输过程中的抗干扰能力，用于精密测量。如工件轮廓测量，桥梁变形，地中衡。调幅调制：变化信号+载波信号（频率固定）→调幅信号调频调制：变化信号→载波频率→调频信号相位调制：变化信号+载波信号相位→相位调制信号输出：伺服电机（调幅）加热器件（相位调节，可检验触发式移相b.数字量信号i)増量码信号（光栅，激光干涉法等）•特点：被测物理量的变化与传感器输出信号的变化周期数成正比，类似调频式（或非线性增量关系）ii)绝对码信号：伺服电流测量转速的编码器•特点：每一角度对应一组编iii)开关信号：0，1状态•如：行程开关，触发头，光电开关等。§1-4现代数字测试技术的发展一.集成化技术模拟测量IC器件的集成化，体积小，功耗低如：程控放大器IC，微电流放大器IC特点：有源器件集成化容易，各类晶体管，电阻，低值电容无源器件集成化困难，如：电感，变压器，电容。另外参数精确度较难，但产品一直性能好。二．数字化技术：成为测量技术的主要部分，但模拟测量不可能完全代替。三．通用化，模块化：柔性生产的需求四．测控一体化：闭环系统的要求五．自动化，智能化，具有自学习，系诊断，自适应，要求数字测量μc化。六．嵌入式计算机技术：单片机技术发展→性能强，已逼近PC机（ARM主频已达1G，32位），存储器的微型化，大容量（片内已达256KB），功耗低3.3V,10mw1．4现代测量技术的发展趋势科学技术的快速发展和生产实践领域的不断扩大，对测试技术提出了越来越高的要求．因此也促进了测试技术的迅速发展。现代测试技术除了进一步提高测试的精度和可靠性外，总的发展趋势是测试系统的小型化、智能化、多功能化以及无接触化，其特点主要表现在下述几个方面。１绪论1．4现代测量技术的发展趋势(1)测试仪器应用范围的扩大随着科学技术的不断发展，对测试仪器的性能要求也在不断提高，特别是对生产实际和科学研究过程中掇端参数的测量，要求原有测试仪器的技术指标得以提高，以扩大其应用范围。例如连续测量液态金属的温度、连续长时间测量超高温介质的温度(2500一3000℃)．超低温温度的连续测量，超高压的测量以及超精度质量测量等。这些极端参数的测试要求测试仪器具有较大的测量范围，并且具有足够高的精度和可靠性。１绪论1．4现代测量技术的发展趋势(2)新型传态器的研究测试技术应用的领域随着生产和科学研究的发展在不断扩大，需要测量的参数种类也在不断增加，如颜色、味觉、化学成分、超高温、超低温等，因此，促使人们不断地探讨新型的测量机理，研制新型的传感器以及测量系统。这方面研究除了采用新的物理效应、化学反应以及生物功能外，还不断地研究具有仿生功能的新型传感器。在新型传感器的开发研究过程中，新型传感器敏感元件材料的开发与应用具有十分重要的意义。目前，半导体材料、陶瓷材料以及高分子聚合材料作为传感器敏感元件材料的研究正在不断深入，开发出了仿生化、智能化以及生物化的传感器。１绪论1．4现代测量技术的发展趋势(3)多功能测试仪器的开发传统的传感器大多是进行一个点的单参数测试，这已不能满足生产实际和科学研究发展的需要。在有些场合，希望某一测量点测得多个参数，因此需要具有多种参数同时变换的传感器，并且测量电路能够将不同参数的电信号同时处理和记录，也就是要求测试系统的多参数测量和多功能化。例如要同时测量一点的温度和湿度，就必须寻求一种能同时感受温度和湿度的敏感元件材料，并将其制造成同时将温度和温度变换成不同电量的传感器，并且互不影确。由钛酸钡和钛酸锶组成的多孔陶瓷的电容量与温度有关，而其电阻值与湿度呈函数关系，这样就可以通过阅量电容和电阻值间接获得温度和湿度的数值。１绪论1．3现代测量技术的发展趋势多功能化测试系统的另一层含义是指除传感器之外的其他测试部分具有普遍的通用性，即测量电路对电信号的转换和放大以及测试系统的显示和记录可应用于多种场合下不同种类参数的测量。对于不同参数的测量，只是对测试系统联接相应的合适传感器。这样，就使得测试系统的功能和应用范围得到了扩大１绪论1．4现代测量技术的发展趋势(4)测试系统的智能化随着微电子技术的发展和计算机技术在测试领域的应用，微处理器与传感器的相互结合以及与测试信号处理过程的结合使得测试系统具有一定的智能化功能。微电子处理器的信号调节与微机接口电路和信号处理电路可与传感器封装成一体，使得传感器不仅仅具有信号的检测能力，同时还可以对信号进行判断和处理，并且根据测试信号的变化自动调节信号处理电路的信号放大和传递方式。这样，可以使测量精度得到较大的提高，并且可以消除测试过程中的随机因素干扰，以得到精确的测试结果。１绪论§1-5参考书籍及课程安排一.参考书籍•1.《现代测试技术与系统集成》刘君华等.中国农业大学出版社•2.《现代测试技术》李成华等,电子工业出版社•3.《测控电路》天津大学，张国雄等。机械工业出版社。•4.《数字化测试技术—模拟信号调理，数据转换及采集技术》李永敏等。航空工业出版社。•5.《传感器技术》贾伯年等。东南大学出版社•6.《软测量技术及其在石油化工中的应用》俞金寿等,化学工业出版社。二．课程安排;主旨：传感器及测量技术，介绍一般为次，主要为新型传感器测量技术。数字处理以嵌入式为主。三．考核：1)以读书笔记形式撰写论文一篇2)书面开卷考试,2小时独立完成