检测系统设计

第四章检测系统设计•第一节概述•第二节模拟式传感器信号的检测•第三节数字式传感器信号的检测第一节概述•一、检测系统的功用及组成•二、机电一体化对检测系统的基本要求•三、检测系统设计的任务、方法和步骤一、检测系统的功用及组成•检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能。•机电一体化产品中，传感器用于检测外界环境及自身状态的各种物理量及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的预处理(变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路)将有用的信号检测出来，反馈给控制装置或送去显示。•传感器及相应的信号检测与处理电路是机电一体化产品中的检测系统。•传感器及其检测系统不仅是机电一体化产品必不可少的组成部分，而且已成为机与电有机结合的一个重要纽带。二、机电一体化对检测系统的基本要求•机电一体化对检测系统在性能方面的基本要求：1.精度、灵敏度和分辨率高，线性、稳定性和重复性好；2.抗干扰能力强，静、动态特性好。3.要求检测系统体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修、耐环境性能好等，并满足机电一体化设计的需要。三、检测系统设计的任务、方法和步骤•检测系统设计的主要任务是：根据使用要求合理选用传感器，并设计或选用相应的信号检测与处理电路以构成检测系统，对检测系统进行分析与调试，使之实现预期的计测功能。•检测系统设计的主要方法是实验分析法，即理论分析和计算与实验测试相结合的方法。由于检测传感器物化性能的复现性和复制性，不能保证实际设计出的系统的性能与理论分析和计算结果的一致，且检测系统易受到多种干扰，它很难通过理论分析和计算而预先确定，必须通过实验测试为理论分析提供依据，并对所设计的检测系统进行修正，以满足其性能指标要求。检测系统设计的步骤•(1)设计任务分析•(2)系统方案选择•(3)系统构成框图设计•(4)环节设计与制造•(5)总装调试及实验分析•(6)系统运行及考核第二节模拟式传感器信号的检测•一、模拟信号检测系统的组成•二、基本转换电路•三、信号放大电路•四、信号调制与解调电路•五、滤波器•六、运算电路一、模拟信号检测系统的组成二、基本转换电路•(一)分压电路•(二)差动电路•(三)非差动桥式电路•(四)调频电路•(五)脉冲调宽电路(一)分压电路iUZZZU1000iURCjLjMjU120iURCjrLjRLCLjrU)1()1(20ixURRRU0(二)差动电路iiUZZZUZZZU0021202iUZZU00iUZZU002iUZZU002(三)非差动桥式电路iUZZZU2400CR1arctan2LRarctan2(四)调频电路与脉冲调宽电路fffCCffCfdCCfdLLfdfLCf0002)21(21即有关的常数是与其中iRUUkkRCB/三、信号放大电路•(一)减小噪声和提高稳定性的方法•(二)高输入阻抗放大器•(三)高共模抑制比放大器•(四)参量放大器•(五)线性化放大器(一)减小噪声的方法•放大电路中常见的噪声有热噪声、散粒噪声和低频噪声等，对于这些噪声必须采取措施加以抑制，以免有用信号被淹没在噪声中。常用的抑制放大器噪声的措施有：①压缩放大器带宽，滤除通带以外的各种噪声信号。②减小信号源电阻，并尽量使其与放大器的等效噪声电阻相等，以实现噪声阻抗匹配。③选用低噪声放大器件，以减少噪声的产生。④减小接线电缆电容的影响及各种干扰因素的影响。(一)提高稳定性的方法•放大器的稳定性是指其在环境、输入信号或电路中某些参数发生变化时能够稳定工作的能力。提高放大器稳定性的措施有：①采用具有高稳定度的无源元件或引入直流负反馈来稳定静态工作点。②采用集成运算放大器及深度负反馈来稳定放大倍数。③采用电容和电阻进行相位补偿，以消除由寄生电容或其它寄生耦合所引起的自激振荡。④妥善接地与屏蔽，以减小寄生电容、寄生耦合等因素的影响。⑤采取散热与均热措施，以保证温度稳定，减小热漂移。(二)高输入阻抗放大器ifURRU)1(10))(1(12420UURRUfiffifURRURUuRuUuuII)1(0010011整理：阻很大，由于运算放大器输入内iiUURRUURRU2)2()(02101120(三)高共模抑制比放大器(四)参量放大器(五)线性化放大器(五)线性化放大器与放大器增益切换放大器增益切换四、信号调制与解调电路•信号调制的方法有幅值调制、相位调制、频率调制和脉宽调制等。•(一)幅值调制与解调•(二)相位调制与解调•(三)频率调制与解调(一)幅值调制与解调1汽车及工程机械类其转速传感器的结构如图所示，励磁线圈W1和输出线圈W2绕在铁芯1上，十字轮2与被测轴相连，其转速n(r/min)即为被测轴转速。十字轮由铁磁材料制成。(2)给出输出信号e0的频率f与被测轴转速n的关系。(3)当励磁线圈施加电压ei分别是直流和交流时，其输出信号e0的波形有何区别?为什么?(1)请说明该传感器在励磁线圈施加直流电压时的工作原理。fnHznf15)(604或者解：(1)这是—种电磁感应式转速传感器。当W1中通入直流电流后，铁芯中产生方向固定的磁通Φ；十字轮位置影响Φ的大小。在图示位置磁阻最小，十字轮转450时磁阻最大，因此Φ就会发生变化，W2中感应电动势也会发生变化。被测轴每转一周，输出信号e0会周期性变化四次，有四个峰值。(2)输出电动势的频率f与被测轴转速的关系式为；(3)W1通入交流电压时，e0变为调幅波，当十字轮如图所示位置时输出为波峰，当十字轮转450时输出为波谷；而W1通入直流电压时，e0近似为正弦波。如图所示的周期性方波信号，让它通过一理想带通滤波器，该滤波器的增益为0dB带宽B=30Hz，中心频率f0=20Hz，试求滤波器输出波形的幅频谱。(已知该周期方波的三角函数展开式为为信号的基频。，0000...)5sin513sin31(sin4)(tttAty24/2,12/1,24/12/20TTT）周期延拓，方波周期（。，即滤波器增益为则）依题意（解1,0)/lg(201:0x0xAAdBAA)24(sin4)(sin4)()(363,12/135,z5,30202,z20,30...),5sin513sin31(sin4)()3(00021122100000tAtAtytyHzHzTfHzfHfffBfffHfHzBtttAtycccccc故，滤波器的输出为，波的谐波全部衰减掉。的基波输出，而高于基因此，滤波器仅能使对应的频率为对应的频率结合题意，解之得则中心频率带宽函数展开为周期性方波信号的三角(二)相位调制与解调(三)频率调制与解调五、滤波器•(一)滤波器的功用、分类及基本参数•(二)无源RC滤波器•(三)有源RC滤波器(一)滤波器的功用、分类及基本参数•滤波器是一种具有选频功能的装置，其功用：①滤除在信号放大和传输出过程引入的噪声和干扰。②滤除在信号调制过程中的载波等无用信号。③将不同频率的有用信号分开。④对系统频率特性进行补偿。滤波器的分类(一)滤波器的基本参数描述滤波器的性能的基本参数：•1．截止频率•2．带宽ωb•3．品质因数Q•4．倍频程选择性(二)无源RC滤波器1.RC低通滤波器2.RC高通滤波器3.RC带通滤波器(三)有源RC滤波器有源滤波器采用RC网络和运算放大器组成，其中运算放大器既可起到级间隔离作用，又可起到对信号的放大作用而RC网络则通常作为运算放大器的负反馈网络。1.有源低通滤波器2.有源高通滤波器3.有源带通滤波器4.有源带阻滤波器1.有源低通滤波器10/1)2/(1RRRCff放大器增益为：10/)2/(1RRCRfff放大器增益为：一阶滤波器的倍频程选择性仅为4dB，因此其频率选择能力较差。为提高频率选择能力，并使通频带以外的频率成分尽快衰减，以提高滤波器的阶次。4-43a)(21,1,,11)(11)(2121222222211111nnffRRKCRsRRsGCRssG4-43b,11)(11)(2222121111CRsRRsGCRssGff)/1/1/1(/,1,211222121fffnfRRRCCRRCCRRRRK结论从二阶滤波器的幅频和相频特性可知，为了在低频区获得比较平坦的幅频特性，常取ζ=0.707，ω0=ωn，其倍频程选择性为7.4dB，显然高于一阶低通滤波器的倍频程选择性，因此二阶滤波器比一阶滤波器具有较强的频率选择特性。2.有源高通滤波器2132221223213212)1(,1,1CCRRCRCRCRKCCRRRRKnf321321321312,1,CCRRCCCCCRRCCKffn2222)(nnssKssG3.有源带通滤波器4.有源带阻滤波器同相端输入的二阶有源滤波器中，其电路中都引入了正反馈，因此元件参数的变化容易引起滤波器性能的变化。这类滤波器对运算放大器的要求不高，主要用于对品质因数要求不高的场合。在设计或选用这类滤波器时，运算放大器的增益不宜选得过大，以保证阻尼比为正值，使滤波器工作在稳定状态。在其余的二阶有源滤波器中，不存在稳定性问题，且由于多路负反馈的作用，使元件参数变化对滤波器性能影响较小，故多用于对品质因数要求较高的场合。六、运算电路•运算电路是能对信号运算处理的电路，根据信号形式的不同可分为模拟和数宇运算电路两种。数字运算电路的优点比较多，应用较广。但模拟运算电路具有直接、简单、运算速度快等特点，一些较简单运算仍采用模拟运算电路来实现。•(一)线性加、减运算电路•(二)积分与微分运算电路•(三)参量控制式乘除运算电路•(四)峰值运算电路(一)线性加法运算电路132133221100)1111()()1(pfRRRRRRURURURRRU其中，)(3322110RURURURUf(二)减法与积分运算电路)(120UURRUf)()(21430UUUUUdtuRCdtiCuuicc110dtuCRui102(三)微分与参量控制式乘除运算电路(四)峰值运算电路第三节数字式传感器信号的检测•一、数字信号检测系统的组成•二、多路信号采集细分与辨向•三、电阻链移相细分与辨向•四、锁相倍频细分与辨向•五、脉冲填充细分与辨向一、数字信号检测系统的组成•在机电一体化产品中许多复杂的信号处理都采用微型机来完成，这样模拟信号往往需先经模／数转换后，再采入微型机进行处理，这将增加系统的复杂性和成本，而且模拟信号的检测精度较低，易受干扰影响，不便于远距离传输。数字式传感器可直接将被测量转换成数字信号输出，既可提高检测精度、分辨率及抗干扰能力，又易于信号的运算处理、存储和远距离传输，因此，尽管目前数字式传感器品种还不很多，但却得到了越来越多的应用。检测系统的典型组成•常见的数字式传感器有光栅、磁栅、容栅、感应同步器、光电编码器及激光干涉仪等，主要用于几何位置、速度等的测量。其输出的信号都是增量码形式的数字信号。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。—该数字信号检测系统的组成。二、多路信号采集细分与辨向光栅数字传感器通常由光源、聚光镜、计量光栅、光电器件及测量电路等部分组成。计量光栅由标尺光栅(主光栅)和指示光栅组成，因此计量光栅又称光栅副，它决定了整个系统的测量精度。一般主光栅和指示光栅的刻线密度相同，但主光栅要比指示光栅长得多。测量时主光栅与被测对象连在一起，并随其运动，指示光栅固定不动，因此主光栅的有效长度决定了传感器的测量范围。二、多路信号采集细分与辨向1,WBKWB莫尔条纹的移动与光栅的移动具有对应关系莫尔条纹具有位移放大作用莫尔条纹具有