chap01_測控緒論

1、測控電路測控電路第1章 緒論 1.1 1.1 測控電路的測控電路的作用作用1.2 1.2 對測控電路的主要要求對測控電路的主要要求1.3 1.3 測控電路的輸入信號與輸出信號測控電路的輸入信號與輸出信號* *1.4 1.4 測控電路的類型與組成測控電路的類型與組成* *1.5 1.5 測控電路的發(fā)展趨勢測控電路的發(fā)展趨勢1.6 1.6 課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學習方法課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學習方法2022-4-20-2-1.1 1.1 測控電路的作用測控電路的作用 1.1.1 1.1.1 測控電路的作用測控電路的作用衡量生產(chǎn)過程優(yōu)劣的兩項主要指標衡量生產(chǎn)過程優(yōu)劣的兩項主要指標產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)

2、的效率，都需要由測量和控制來保證。的效率，都需要由測量和控制來保證。( (狹義狹義) )生產(chǎn)過程和生產(chǎn)的自動化。數(shù)控機床加工過程生產(chǎn)過程和生產(chǎn)的自動化。數(shù)控機床加工過程產(chǎn)品的質(zhì)量由控制來保證，由測量來檢測（人工加工也產(chǎn)品的質(zhì)量由控制來保證，由測量來檢測（人工加工也是如此）是如此）在科學研究中的作用。實驗在科學研究中的作用。實驗/ /實踐是檢驗真理的唯一標實踐是檢驗真理的唯一標準準 沒有測量就沒有科學，至少是沒有真正的科學、精確的科學。沒有測量就沒有科學，至少是沒有真正的科學、精確的科學。 - -門得列捷夫門得列捷夫測控在高新科技的應(yīng)用測控在高新科技的應(yīng)用 神舟飛船神舟飛船/ /探月工程探月工程

3、現(xiàn)代生活現(xiàn)代生活 食品、藥品食品、藥品/ /智能樓宇智能樓宇/ /汽車汽車/ /醫(yī)療醫(yī)療/ /環(huán)境環(huán)境/ /2022-4-20-3-1.1.2 1.1.2 測控系統(tǒng)的組成測控系統(tǒng)的組成 對測控電路來講對測控電路來講 輸入：傳感器是敏感元件，檢測被測參數(shù)的變化。一般將輸入：傳感器是敏感元件，檢測被測參數(shù)的變化。一般將非電量轉(zhuǎn)換為電量。非電量轉(zhuǎn)換為電量。-傳感器技術(shù)傳感器技術(shù) 輸出：執(zhí)行機構(gòu)將測控電路輸出的功率電量信號轉(zhuǎn)換為非輸出：執(zhí)行機構(gòu)將測控電路輸出的功率電量信號轉(zhuǎn)換為非電量，如電量，如伺服閥伺服閥將控制信號轉(zhuǎn)換為閥的位移信號，將控制信號轉(zhuǎn)換為閥的位移信號，伺服電伺服電機機將控制信號轉(zhuǎn)換為角位

4、移等將控制信號轉(zhuǎn)換為角位移等傳感器傳感器 測量控制測量控制電路電路執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)2022-4-20-4-測控電路在測控系統(tǒng)中的作用測控電路在測控系統(tǒng)中的作用 傳感器的輸出信號一般都很微弱，還可能伴隨著傳感器的輸出信號一般都很微弱，還可能伴隨著各種噪聲各種噪聲 測控電路將其放大，濾波（信號分離）測控電路將其放大，濾波（信號分離） 將信號進行運算、轉(zhuǎn)換，功率放大將信號進行運算、轉(zhuǎn)換，功率放大, ,輸出能控制機輸出能控制機構(gòu)動作的信號構(gòu)動作的信號 測控電路是測控系統(tǒng)中最靈活的部分，起著十分測控電路是測控系統(tǒng)中最靈活的部分，起著十分關(guān)鍵的作用。（現(xiàn)代測控技術(shù)：硬件關(guān)鍵的作用。（現(xiàn)代測控技術(shù)：硬件+

5、+軟件，硬件軟件，硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂）是基礎(chǔ)，軟件是靈魂）2022-4-20-5-1.2 1.2 對測控電路的主要要求對測控電路的主要要求 對測控電路的要求，是由測量任務(wù)提出的。可概對測控電路的要求，是由測量任務(wù)提出的?？筛爬榫雀撸憫?yīng)快，轉(zhuǎn)換靈活（精、快、靈），括為精度高，響應(yīng)快，轉(zhuǎn)換靈活（精、快、靈），此外還有此外還有穩(wěn)定性，可靠性穩(wěn)定性，可靠性，經(jīng)濟性等要求。，經(jīng)濟性等要求。一、精度高一、精度高二、響應(yīng)快二、響應(yīng)快三、轉(zhuǎn)換靈活三、轉(zhuǎn)換靈活四、可靠性與經(jīng)濟性四、可靠性與經(jīng)濟性2022-4-20-6-1.2.1 1.2.1 精度高（影響測量精度的因素）精度高（影響測量精度的因素） 1

6、 1、低噪聲與高抗干擾能力、低噪聲與高抗干擾能力原因：高精度測量時，傳感器的輸出信號往往是很微小原因：高精度測量時，傳感器的輸出信號往往是很微小的。的。措施：措施：1)1)選用低噪聲的器件，合理布線，采用適當?shù)慕舆x用低噪聲的器件，合理布線，采用適當?shù)慕拥?、隔離與屏蔽等。合理考慮第一級信號。地、隔離與屏蔽等。合理考慮第一級信號。2 2）對信號進行調(diào)制，可以有效抑制干擾）對信號進行調(diào)制，可以有效抑制干擾3)3)采用高共模抑制比差動電路。大多數(shù)干擾表現(xiàn)為共模采用高共模抑制比差動電路。大多數(shù)干擾表現(xiàn)為共模干擾。干擾。( (信號傳輸中的雙絞線信號傳輸中的雙絞線) )2022-4-20-7-精度問題精度問

7、題( (續(xù)續(xù)) ) 2 2 低漂移，高穩(wěn)定性低漂移，高穩(wěn)定性原因：大部分電子元件的特性，都會受溫度影響在一定原因：大部分電子元件的特性，都會受溫度影響在一定程度上發(fā)生變化，溫漂。程度上發(fā)生變化，溫漂。措施：措施：1)1)選擇溫漂小，選擇溫漂小， 即對溫度不敏感的元器件即對溫度不敏感的元器件2 2）減小電路中關(guān)鍵部分的溫度變化，大功率器件遠離）減小電路中關(guān)鍵部分的溫度變化，大功率器件遠離前級電路，安排散熱。前級電路，安排散熱。2022-4-20-8-精度問題精度問題( (續(xù)續(xù)) ) 3 3 線性與低失真線性與低失真( (高保真高保真) )輸入與輸出具有線性關(guān)系。輸入與輸出具有線性關(guān)系。( (萬用

8、表測量電阻，非線性萬用表測量電阻，非線性) )測量不失真，測控電路在信號所占有的頻率范圍內(nèi)，具測量不失真，測控電路在信號所占有的頻率范圍內(nèi)，具有良好的頻率特性。有良好的頻率特性。 不失真測量的條件不失真測量的條件Y= Y= kX(tkX(t) ) y=kX(t-t y=kX(t-t0 0) ) 時域時域頻域：幅頻頻域：幅頻 相頻相頻 0AtK2022-4-20-9-精度問題精度問題( (續(xù)續(xù)) ) 4 4、有合適的輸入、有合適的輸入/ /輸出阻抗輸出阻抗前級電路與后級電路互相影響前級電路與后級電路互相影響前級相當于電壓源時，前級輸出阻抗應(yīng)較小，后級輸入前級相當于電壓源時，前級輸出阻抗應(yīng)較小，后

9、級輸入阻抗應(yīng)較大阻抗應(yīng)較大( (對比理想電壓源對比理想電壓源) )。對電壓輸出，測量電路的輸入阻抗應(yīng)較大，輸出阻抗應(yīng)對電壓輸出，測量電路的輸入阻抗應(yīng)較大，輸出阻抗應(yīng)較小。對前后級電路工作有利。較小。對前后級電路工作有利。2022-4-20-10-1.2.2 1.2.2 動態(tài)特性好動態(tài)特性好 包括響應(yīng)快和動態(tài)失真小包括響應(yīng)快和動態(tài)失真小 實時動態(tài)測量已成為測量技術(shù)發(fā)展的主要方向?qū)崟r動態(tài)測量已成為測量技術(shù)發(fā)展的主要方向 對高速運動的系統(tǒng)對高速運動的系統(tǒng), ,控制的滯后可能引起系統(tǒng)振蕩控制的滯后可能引起系統(tǒng)振蕩, ,導致系統(tǒng)失去穩(wěn)定導致系統(tǒng)失去穩(wěn)定. . 例例: :雷達雷達/ /火炮防空系統(tǒng)火炮防空

10、系統(tǒng)2022-4-20-11-1.2.3 1.2.3 轉(zhuǎn)換靈活轉(zhuǎn)換靈活 1)1)模模/ /數(shù)及數(shù)數(shù)及數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換模轉(zhuǎn)換 A/D,D/AA/D,D/A計算機控制計算機控制 傳感器傳感器/ /執(zhí)行機構(gòu)的輸入執(zhí)行機構(gòu)的輸入/ /出為模擬信號出為模擬信號 2)2)電量參數(shù)的轉(zhuǎn)換電量參數(shù)的轉(zhuǎn)換直流與交流直流與交流(AC/DC),(AC/DC),電壓與電流電壓與電流(V/I),(V/I),電壓與頻率電壓與頻率(V/F),(V/F),信號的調(diào)制信號的調(diào)制/ /解調(diào)解調(diào) 3)3)量程的轉(zhuǎn)換量程的轉(zhuǎn)換萬用表的使用萬用表的使用.PGA(.PGA(可編程增益放大器可編程增益放大器) ) 4)4)信號的處理與運算信

11、號的處理與運算進行信號的選取進行信號的選取( (濾波濾波),),加減乘除加減乘除 微積分運算微積分運算 峰值峰值, ,平平均值均值, ,有效值有效值, ,絕對值絕對值/ /線性化處理與誤差補償線性化處理與誤差補償( (硬件硬件+ +軟件軟件) )2022-4-20-12-1.2.4 1.2.4 可靠性與經(jīng)濟性可靠性與經(jīng)濟性 測控電路在各種環(huán)境下的適應(yīng)性測控電路在各種環(huán)境下的適應(yīng)性. . ( (不僅僅是實驗室環(huán)境不僅僅是實驗室環(huán)境) ) 在滿足性能要求的前提下在滿足性能要求的前提下, ,簡化電路簡化電路, ,對器件的要對器件的要求不能太高求不能太高. . 合理的性價比合理的性價比. .2022-

12、4-20-13-1.3 1.3 測控電路的輸入信號和輸出信號測控電路的輸入信號和輸出信號 1.3.1 1.3.1 模擬信號模擬信號 1,1,非調(diào)制信號非調(diào)制信號12 0 x t2022-4-20-14-模擬信號模擬信號-2 -2 已調(diào)制信號已調(diào)制信號 從輸入從輸入: :提高信號的抗干擾能力提高信號的抗干擾能力例：用電感傳感器測量工件輪廓形狀例：用電感傳感器測量工件輪廓形狀usucx2143c)ustuctb)a)O xtxO xO調(diào)制信號-輪廓形狀載波信號-供電信號輸出信號-已調(diào)信號2022-4-20-15-信號調(diào)制的概念信號調(diào)制的概念 1 1、載波頻率（、載波頻率（carrying freq

13、uency)carrying frequency)傳感器的供電頻率傳感器的供電頻率 2 2、載波信號（、載波信號（carrying signal)carrying signal)具有載波頻率的高頻信號具有載波頻率的高頻信號 3 3、調(diào)制信號（、調(diào)制信號（modulating signal)modulating signal)對載波信號進行調(diào)制的信號對載波信號進行調(diào)制的信號 4 4、已調(diào)信號（、已調(diào)信號（modulated signal)modulated signal)調(diào)制后的信號調(diào)制后的信號 5 5、調(diào)幅信號（、調(diào)幅信號（amplitude modulated signal)amplitud

14、e modulated signal)幅值受到調(diào)制幅值受到調(diào)制 調(diào)制信號調(diào)制信號( (包絡(luò)信號包絡(luò)信號)X)X載波信號載波信號( (高頻信號高頻信號)=)=已已( (經(jīng)經(jīng)) )調(diào)信號調(diào)信號2022-4-20-16-1.3.2 1.3.2 數(shù)字信號數(shù)字信號 1 1，增量碼信號，增量碼信號 輸入輸入：增量式碼盤，光柵，激光干涉法測量位移：增量式碼盤，光柵，激光干涉法測量位移 輸出輸出：步進電機：步進電機 特點：特點：1,1,（輸入）被測量值與傳感器輸出信號的變化周期（輸入）被測量值與傳感器輸出信號的變化周期數(shù)成正比數(shù)成正比 2,2,反應(yīng)變化量的信號，與被測對象的狀態(tài)無對應(yīng)關(guān)系，反應(yīng)變化量的信號，與

15、被測對象的狀態(tài)無對應(yīng)關(guān)系，y=y0+delta_yy=y0+delta_y 例：分辨率為例：分辨率為10001000的編碼器的編碼器, ,輸出波形（輸出波形（A A，B B相，示意）相，示意）2022-4-20-17-2 2，絕對碼信號，絕對碼信號n 絕對碼信號是一種與狀態(tài)相對應(yīng)的信號絕對碼信號是一種與狀態(tài)相對應(yīng)的信號n 例：絕對式碼盤：每個角度方位對應(yīng)一組編碼。例：絕對式碼盤：每個角度方位對應(yīng)一組編碼。n Y=Y=kxkx ( (以以4 4位編碼為例位編碼為例 k=360/k=360/（24) )24) )1111000000010010001101000101011001111000111

16、0110011011011101010012022-4-20-18-3 3，開關(guān)信號，開關(guān)信號 開關(guān)信號只有兩種狀態(tài)，開關(guān)信號只有兩種狀態(tài)，0/10/1，高，高/ /低電平，開低電平，開/ /關(guān)關(guān) 輸入：行程開關(guān)，光電開關(guān)，觸發(fā)式測頭輸入：行程開關(guān)，光電開關(guān)，觸發(fā)式測頭 輸出：繼電器，電磁鐵等輸出：繼電器，電磁鐵等 在工業(yè)中應(yīng)用很廣。（在工業(yè)中應(yīng)用很廣。（PLCPLC處理大量的開關(guān)信號，信號的處理大量的開關(guān)信號，信號的關(guān)系關(guān)系 時序邏輯復雜，數(shù)量很多時時序邏輯復雜，數(shù)量很多時, ,也是一個復雜系統(tǒng)）也是一個復雜系統(tǒng)）2022-4-20-19-1.4 1.4 測控電路的類型與組成測控電路的類型與

17、組成 1.4.1 1.4.1 測量電路的基本組成測量電路的基本組成1,1,模擬式測量電路的基本組成模擬式測量電路的基本組成2,2,數(shù)字式測量電路的基本組成數(shù)字式測量電路的基本組成 1.4.2 1.4.2 控制電路的基本組成控制電路的基本組成1,1,開環(huán)控制開環(huán)控制2,2,閉環(huán)控制閉環(huán)控制2022-4-20-20-1.4.1.1 1.4.1.1 模擬式測量電路的基本組成模擬式測量電路的基本組成電路傳 感 器量程切換電路放 大 器 解 調(diào) 器信號分離電路運 算 電 路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路計 算 機顯示執(zhí)行機構(gòu)振 蕩 器 電 源2022-4-20-21-增量碼數(shù)字式測量電路的基本組成增量碼數(shù)字式測量電路的基

18、本組成指令傳感器電路傳 感 器顯示執(zhí)行機構(gòu)計 算 機鎖 存 器計 數(shù) 器轉(zhuǎn)換電路脈沖當量放 大 器整形電路細分電路手動采樣鎖存指令辨向電路微機原理微機原理2022-4-20-22-1.4.2.1 1.4.2.1 開環(huán)控制開環(huán)控制 開環(huán)控制的典型例子是步進電機控制開環(huán)控制的典型例子是步進電機控制 系統(tǒng)能夠獲得正確的輸出是建立在輸入與輸出有系統(tǒng)能夠獲得正確的輸出是建立在輸入與輸出有確定的函數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上確定的函數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上 擾動和噪聲擾動和噪聲, ,會引起輸出的變化會引起輸出的變化 通過傳感器檢測擾動通過傳感器檢測擾動, ,進行修正進行修正2022-4-20-23-開環(huán)控制開環(huán)控制( (續(xù)續(xù))

19、)測量電路 控制電路 擾動量傳感器放大電路輸出轉(zhuǎn)換電路設(shè)定電路執(zhí)行機構(gòu)給定機構(gòu)被控對象2022-4-20-24-1.4.2.2 1.4.2.2 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 主要特點主要特點: :用傳感器直接測量輸出量用傳感器直接測量輸出量, ,將它反饋到輸入端與設(shè)定電將它反饋到輸入端與設(shè)定電路的輸出相比較路的輸出相比較, ,進行調(diào)節(jié)進行調(diào)節(jié). .影響精度的主要因素是傳感器和比較電路的精度影響精度的主要因素是傳感器和比較電路的精度. . 常用常用PIDPID校正電路校正電路P P比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)I I積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié), ,消除靜差消除靜差, ,防止振蕩防止振蕩D D微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié), ,提高響應(yīng)速度提高響

20、應(yīng)速度2022-4-20-25-閉環(huán)控制閉環(huán)控制( (續(xù)續(xù)) ) 設(shè)定電路比較電路校正電路轉(zhuǎn)換電路給定機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)被控對象輸出傳感器擾動放大電路控制電路2022-4-20-26-1.5 1.5 測控電路的發(fā)展趨勢測控電路的發(fā)展趨勢 1,1,性能不斷提高性能不斷提高低噪聲低噪聲, ,高穩(wěn)定性高穩(wěn)定性, ,高頻響高頻響, ,高可靠性高可靠性. .性能不斷提高性能不斷提高, ,功能完善功能完善, ,價格下降價格下降.(.(摩爾定律在電子產(chǎn)品中表現(xiàn)摩爾定律在電子產(chǎn)品中表現(xiàn)明顯明顯) ) 2,2,集成與微型化集成與微型化集成化是微型化的重要措施集成化是微型化的重要措施. .集成電路體積小集成電路體積小,

21、 ,功耗小功耗小, ,引線短引線短, ,寄生因素小寄生因素小, ,容易達到較高精度容易達到較高精度與頻響與頻響. .另一特點是有源元件容易制作另一特點是有源元件容易制作, ,無源元件難以制作無源元件難以制作, ,電感電感 電容電容 變變壓器等更難制作壓器等更難制作. .另一特點是參數(shù)不易精確另一特點是參數(shù)不易精確, ,但一致性好但一致性好, ,因此許多時候采用差動電因此許多時候采用差動電路路2022-4-20-27-發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢( (續(xù)續(xù)) ) 3,3,系統(tǒng)設(shè)計觀點系統(tǒng)設(shè)計觀點a)a)測量與控制電路緊密相聯(lián)。測量是實現(xiàn)閉環(huán)控制的前測量與控制電路緊密相聯(lián)。測量是實現(xiàn)閉環(huán)控制的前提。提。b)b

22、)測控電路與機械、光學，甚至生物、化學（生物醫(yī)學測控電路與機械、光學，甚至生物、化學（生物醫(yī)學儀器），計算機硬件與軟件相結(jié)合。儀器），計算機硬件與軟件相結(jié)合。C)C)虛擬儀器虛擬儀器VI VI （NI:NI:軟件即儀器）軟件即儀器） 4,4,數(shù)字化數(shù)字化數(shù)字電路易于集成，抗干擾性強，便于與計算機連接，數(shù)字電路易于集成，抗干擾性強，便于與計算機連接，但但不能完全代替模擬電路不能完全代替模擬電路，客觀世界的許多參數(shù)都是模，客觀世界的許多參數(shù)都是模擬量；許多前級信號需經(jīng)模擬電路調(diào)理后，再轉(zhuǎn)換成數(shù)擬量；許多前級信號需經(jīng)模擬電路調(diào)理后，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；執(zhí)行機構(gòu)需要模擬信號；模擬運算的速度比數(shù)字信號；執(zhí)行機構(gòu)需要模擬信號；模擬運算的速度比數(shù)字電路或軟件要快。字電路或軟件要快。2022-4-20-28-發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢( (續(xù)續(xù)) ) 5,5,通用化通用化, ,模塊化（復雜電路的分解）模塊化（復雜電路的分解） 6,6,智能化智能化自動控制，自動故障診斷，自適應(yīng)控制等。自動控制，自動故障診斷，自適應(yīng)控制等。2022-4-20-29-第六節(jié)第六節(jié) 課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學習方法課程的性質(zhì)、內(nèi)容與學習方法 課程的性質(zhì)：測控技術(shù)與儀器專業(yè)的專業(yè)課。課程的性質(zhì)：