第20章傳感器與檢測技術(shù)

第20章傳感器與檢測技術(shù)第一頁，共33頁。知識單元與知識點自動檢測系統(tǒng)的組成（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、輸入輸出通道、自動檢測系統(tǒng)的軟件）；自動檢測系統(tǒng)的基本設(shè)計方法（系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)總體設(shè)計、采樣速率的確定、標度變換、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)的集成與維護）；典型自動檢測系統(tǒng)舉例；自動檢測系統(tǒng)的發(fā)展。能力點了解自動檢測系統(tǒng)的組成；把握自動檢測系統(tǒng)的基本設(shè)計方法；會分析典型的自動檢測系統(tǒng)；了解自動檢測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。重難點重點：自動檢測系統(tǒng)的基本設(shè)計方法。難點：A/D轉(zhuǎn)換器的選擇、標度變換。學習要求了解自動檢測系統(tǒng)的組成；掌握自動檢測系統(tǒng)的基本設(shè)計方法（包括傳感器的選型、微處理器及A/D轉(zhuǎn)換器的選擇、采樣速率的確定、標度變換的方法）；會設(shè)計簡易的自動檢測系統(tǒng)；了解自動檢測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。第二頁，共33頁。能夠在沒有人或只有較少人參與情況下完成整個信息采集處理過程的系統(tǒng)稱為自動檢測系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng)集成了傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、總線技術(shù)等現(xiàn)代檢測技術(shù)，具有自動完成信號檢測、傳輸、處理、顯示與記錄等功能，能夠完成復雜的、多變量的檢測任務(wù)，極大地方便了信號檢測的實現(xiàn)，是目前檢測技術(shù)發(fā)展的主要方向。自動檢測系統(tǒng)的各項檢測任務(wù)是在計算機控制下自動完成的，自動檢測系統(tǒng)通常具有測試速度快、測試準確度高、測試功能多、測試結(jié)果表現(xiàn)形式豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)自檢、自校和自診斷，操作簡單方便等特點

第三頁，共33頁。20.1自動檢測系統(tǒng)的組成自動檢測系統(tǒng)由硬件、軟件兩大部分組成。硬件主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微處理器、輸入輸出接口等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成第四頁，共33頁。前置放大器前置放大器的主要作用是將傳感器輸出的微弱信號放大到系統(tǒng)所要求的電平信號電平太低，如果直接進行濾波、采樣保持和通道切換將會帶來較大的誤差，故必須先經(jīng)前置放大器放大到較高的電平再作濾波、采樣等處理，以提高系統(tǒng)的準確度和抗干擾能力目前，已有許多高性能的專用前置放大器芯片出現(xiàn)，如AD521、AD522等，它們比普通運算放大器性能優(yōu)良、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低弱信號放大到系統(tǒng)所要求的電平。第五頁，共33頁。采樣/保持器原理圖由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的轉(zhuǎn)換時間，在此期間輸入信號電壓如有變化，則會產(chǎn)生較大的誤差，因此，在A/D轉(zhuǎn)換器之前需接入采樣／保持器。在通道切換前，使其處于采樣狀態(tài)，在切換后的A/D轉(zhuǎn)換周期內(nèi)使其處于保持狀態(tài)，以保證在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入到A/D的信號不變采樣／保持器由模擬開關(guān)、保持電容和控制電路等組成A1和A2為同相跟隨器，其輸入阻抗和輸出阻抗分別趨于無窮大和0。模擬開關(guān)S接通時，信號對保持電容迅速充電達到輸入電壓Vi的幅值，充電電壓Vc同時對Vi進行跟蹤（采樣階段）模擬開關(guān)斷開時，理想狀態(tài)下電容器上的電壓Vc保持不變，并通過A2送到A/D進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，保證在轉(zhuǎn)換期間輸入電壓穩(wěn)定不變（保持階段）第六頁，共33頁。多路開關(guān)多路開關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要部件之一，其作用是切換各路輸入信號，完成由多路輸入到一路輸出的轉(zhuǎn)換多路開關(guān)的技術(shù)指標要求導通電阻越小越好（小于100歐），斷開電阻越大越好（109歐）；對其導通或斷開的切換時間要求與被傳輸信號的變化速率相適應，一般在1us左右；各輸入通道之間要有良好的隔離，防止互相串擾第七頁，共33頁。多路開關(guān)的分類機械觸點式和半導體集成式（電子式）機械觸點式（常用舌簧繼電器）：結(jié)構(gòu)簡單、導通阻抗小、斷開阻抗高、工作壽命長，但切換速度慢，適合大電流、高電壓、低速高精度數(shù)據(jù)采集半導體集成式：體積小、壽命長、切換速度快、耗電小、易控制，但導通電阻大，輸入電壓電流容量有限，適用于小電流、低電壓、高速切換場合單向和雙向單向：信號按一個方向流動，做多路開關(guān)或反多路開關(guān)雙向：信號可兩個方向流動，可同時做多路開關(guān)和反多路開關(guān)按模擬輸入通道可分為4路、8路、16路等。第八頁，共33頁。單向多路開關(guān)AD7501芯片結(jié)構(gòu)及管腳第九頁，共33頁。差分4通道模擬開關(guān)AD7502芯片結(jié)構(gòu)及管腳功能第十頁，共33頁。多路開關(guān)的選用在模擬信號電平較低時，應選用低電壓型多路開關(guān)，并注意在電路中采用嚴格的抗干擾措施。在數(shù)據(jù)采集速率高、切換路數(shù)多的情況下，宜選用集成多路開關(guān)，并盡量選用單片多路開關(guān)，以保證各路通道參數(shù)一致。在信號變化慢且要求傳輸精度高的場合，如利用鉑電阻測量緩變溫度場，可選用機械觸點式開關(guān)。在進行高精度采樣系統(tǒng)設(shè)計時，應特別注意多路開關(guān)的傳輸精度，特別是開關(guān)漂移特性。第十一頁，共33頁。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

采用分時轉(zhuǎn)換，各路被測信號共用一個采樣/保持器和一個A/D轉(zhuǎn)換器在某一時刻，多路開關(guān)只能選擇一路輸入信號，把它接入采樣/保持器的輸入端。采樣完成后A/D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換期間，多路開關(guān)將下一路信號接到采樣/保持器的輸入端。系統(tǒng)這樣不斷重復操作，實現(xiàn)對多路信號的數(shù)據(jù)采集?；拘徒Y(jié)構(gòu)形式簡單，適用于信號變化速率不高、對采樣信號不要求同步的場合。基本型第十二頁，共33頁。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

每一路通道都有一個采樣/保持器，可以在同一個指令控制下對各路信號同時進行采樣，得到各路信號在同一時刻的瞬時值。多路開關(guān)分時地將各路采樣/保持器接到A/D轉(zhuǎn)換器上進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。這些同步采樣的數(shù)據(jù)有助于描述各路信號的相位關(guān)系。各路信號仍然串行地共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，因此其速度依然較慢同步型第十三頁，共33頁。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

每個通道都有獨自的采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)經(jīng)過接口電路直接送到計算機中，數(shù)據(jù)采集速度很快。這種結(jié)構(gòu)使用的硬件多、成本高；適用于高速、分散系統(tǒng)。并行型第十四頁，共33頁。20.1.2輸入輸出通道輸入輸出通道的基本任務(wù)是實現(xiàn)人機對話，包括輸入或修改系統(tǒng)參數(shù)，改變系統(tǒng)工作狀態(tài)，輸出測試結(jié)果，動態(tài)顯示測控過程，實現(xiàn)以多種形式輸出、顯示、記錄、報警等功能輸入通道：傳感器與微處理器間的接口通道，將傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準電壓或電流信號，如0～±5V、4～20mA輸出通道：將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換成易顯示記錄的信號形式，或用于驅(qū)動執(zhí)行機械的控制信號第十五頁，共33頁。20.1.3自動檢測系統(tǒng)的軟件開發(fā)出友好的自動檢測系統(tǒng)操作使用平臺，使系統(tǒng)具有良好的可管理特性、可控制特性，很大程度上依賴于系統(tǒng)的軟件設(shè)計自動檢測系統(tǒng)的軟件配置取決于檢測系統(tǒng)的硬件支持和計算機配置、實時性與可靠性要求以及檢測功能的復雜程度從實現(xiàn)方式和功能層次來劃分，自動檢測系統(tǒng)的軟件一般可分為主程序、中斷服務(wù)程序和應用功能程序第十六頁，共33頁。20.2自動檢測系統(tǒng)的基本設(shè)計方法自動檢測系統(tǒng)的一般設(shè)計過程第十七頁，共33頁。20.2.1系統(tǒng)需求分析確定系統(tǒng)的功能、技術(shù)指標和設(shè)計任務(wù)主要是對被設(shè)計系統(tǒng)運用系統(tǒng)論的觀點和方法進行全面的分析和研究，以明確對本設(shè)計提出哪些要求和限制，了解被測對象的特點、所要求的技術(shù)指標和使用條件等重點是分析被測信號的形式與特點；被測量的數(shù)量、變化范圍；輸入信號的通道數(shù)、性能指標要求；激勵信號的形式和范圍要求；測試系統(tǒng)所要完成的功能；測量結(jié)果的輸出方式及輸出接口配置；對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、面板布置、尺寸大小、研制成本、應用環(huán)境等的要求第十八頁，共33頁。20.2.2系統(tǒng)總體設(shè)計總體設(shè)計是一個事關(guān)全局的概要設(shè)計系統(tǒng)總體設(shè)計應考慮性能穩(wěn)定、精度符合要求、具有足夠的動態(tài)響應、具有實時與事后數(shù)據(jù)處理能力、具有開放性和兼容性等要求從整體到局部的設(shè)計原則環(huán)節(jié)最少原則經(jīng)濟性原則可靠性原則精度匹配原則抗干擾能力標準化與通用性原則第十九頁，共33頁。20.2.3采樣速率的確定

必須正確選擇采樣速率，才能保證獲得最佳的性價比香農(nóng)采樣定理指出：只有采樣頻率大于原始信號頻譜中最高頻率的兩倍，采樣結(jié)果才能恢復原始信號的特征實際使用中一般取采樣頻率為輸入信號最高頻率的35倍第二十頁，共33頁。20.2.4標度變換

不同的傳感器的測量結(jié)果有不同的量綱和數(shù)值，這些參數(shù)經(jīng)傳感器和A/D轉(zhuǎn)換后得到一系列的數(shù)碼，這些數(shù)碼值不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，它只是對應被測參數(shù)的一個相對量值，往往還要轉(zhuǎn)換成人們熟悉的工程值，即轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才具有參考意義和應用價值，這種轉(zhuǎn)換就是標度變換標度變換有多種類型，取決于被測參數(shù)和傳感器的傳輸特性，常用硬件實現(xiàn)法和軟件實現(xiàn)法第二十一頁，共33頁。線性標度變換線性標度變換適用于線性儀器，即測量得到的參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間成線性關(guān)系，其變換公式為：

式中，y－參數(shù)的測量值；y0－量程最小值；ym－量程最大值；N0－y0所對應的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量；Nm－ym所對應的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量；x－測量值所對應的A/D轉(zhuǎn)換值。第二十二頁，共33頁。例題-線性變換某煙廠用計算機采集煙葉發(fā)酵室的溫度變化數(shù)據(jù)，該室的溫度變化范圍為20～80℃，采用鉑熱電阻（線性傳感元件）測量溫度，所得模擬信號為1～5V。用8位A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換器輸入0～5V時輸出是000H～0FFH。某一時刻計算機采集到的數(shù)字量為0B7H，試作標度變換。解：根據(jù)題意，溫度20℃時檢測得到的模擬電壓是1V，因此，其對應的數(shù)字量為：N0=255*1/5=51溫度80℃時檢測得到的模擬電壓是5V，因此，其對應的數(shù)字量為：Nm=0FFH＝255因此，對應數(shù)字量0B7H＝183的標度轉(zhuǎn)換結(jié)果為：y=20+(80-20)*(183-51)/(255-51)=58.82℃第二十三頁，共33頁。20.2.5硬件設(shè)計一般包括以下幾個步驟：自頂向下的設(shè)計、技術(shù)評審、設(shè)計準備工作、硬件的選型、電路的設(shè)計與計算、試驗板的制作、組裝連線電路板、編寫調(diào)試程序、利用仿真器進行調(diào)試、制作印刷電路板、硬件調(diào)試等。硬件設(shè)計的內(nèi)容主要包括傳感器的選型、微處理器或計算機的選型、輸入輸出通道設(shè)計以及需要自行完成的硬件設(shè)計硬件設(shè)計是在系統(tǒng)總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)確定的電氣連接形式、控制方式、系統(tǒng)總線等以及檢測參數(shù)的數(shù)量、特點、要實現(xiàn)的檢測功能等來進行硬件選型或電路設(shè)計，使整個系統(tǒng)構(gòu)成完整、協(xié)調(diào)第二十四頁，共33頁。傳感器的選型選用傳感器一般要遵循三大原則，即遵從測量系統(tǒng)整體設(shè)計需要原則、高可靠性原則和高性價比原則。在進行傳感器選型時，通常應考慮以下四個方面。測試條件測試條件包括測量目的、被測量的選擇、被測量的特性、測量范圍、輸入信號的幅值和頻帶寬度、測量精度要求、測量所需要的時間、測量成本要求等。傳感器性能指標傳感器性能指標包括傳感器的靜態(tài)特性指標和動態(tài)特性指標，如精度、靈敏度、穩(wěn)定性、響應速度、頻率響應特性、線性范圍、輸出量形式（模擬量或數(shù)字量）、輸出幅值、對被測對象產(chǎn)生的負載效應、校正周期、超標準過大的輸入信號保護等。測量環(huán)境測量環(huán)境包括測量場地環(huán)境（如溫度、濕度、振動等），安裝現(xiàn)場條件及情況，信號傳輸距離，所需提供的電源及要求，與其他設(shè)備的連接要求等。購買與維修因素包括價格、零配件的儲備、服務(wù)與維修制度、保修時間、交貨日期等。除了以上四個大的方面外，還應盡可能兼顧結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等條件。第二十五頁，共33頁?？梢灾乜紤]以下幾個方面1)根據(jù)測量對象、測量方法與測量環(huán)境確定傳感器的類型確定適宜傳感器的類型主要取決于以下幾個因素：被測對象的特點、量程大小、精度要求；被測位置對傳感器體積的要求；信號的引出方法；接觸式或非接觸式測量；傳感器來源（國產(chǎn)、進口或自行研制）；可接受的成本范圍等。基于這些因素可確定傳感器的類型及其性能指標。2)頻率響應特性傳感器的頻率響應特性將決定被測量的頻率范圍，傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬；在所測頻率范圍內(nèi)，傳感器的響應特性必須滿足不失真測量條件。傳感器的實際響應總有一定程度的延遲，而且機械系統(tǒng)存在的慣性較大，希望傳感器的延遲時間愈短愈好，以免產(chǎn)生過大的誤差。3)靈敏度選擇希望傳感器的靈敏度越高越好，這樣，對于被測量的微小變化也會有較大的信號輸出；但高靈敏度的傳感器對混入測量系統(tǒng)的噪聲也會有較大的靈敏度，會影響測量精度。因此，要合理地選擇傳感器的靈敏度，要求傳感器有較高的信噪比，盡量減少從外界引入干擾信號。4)線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)是保證測量精度的基本條件；傳感器的線性范圍越寬，工作量程就越大，并能保證一定的測量精度，在確定傳感器的量程時需要參考其線性范圍指標。當傳感器不能保證其絕對線性時，在許可限度范圍內(nèi)，可以在其近似線性區(qū)域內(nèi)應用。5)精度精度表明傳感器的輸出與被測量真值一致的程度。精度越高，傳感器的價格通常也越昂貴，因此，在確定傳感器的精度時，只要滿足要求能實現(xiàn)測量目的即可，不必追求過高的傳感器精度指標。6)穩(wěn)定性影響傳感器使用穩(wěn)定性的因素包括傳感器本身的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境。一方面，要根據(jù)具體的使用環(huán)境選用穩(wěn)定性較高的傳感器；另一方面，在傳感器使用一段時間后（超過使用期限），要對傳感器進行重新標定。第二十六頁，共33頁。微處理器的選擇微處理器是自動檢測系統(tǒng)的硬件核心，對系統(tǒng)的功能、性能價格以及研發(fā)周期等起著決定性的作用。單片機作為一個微小的計算機系統(tǒng)，以其性價比高、開發(fā)方便、應用成熟等優(yōu)點在自動檢測系統(tǒng)中得到了廣泛選用。目前，市場上可供選用的單片機類型很多，如美國Intel公司的8位MCS－51系列、16位MCS－96系列、PIC單片機，臺灣凌陽公司提供的8位、16位帶數(shù)字信號處理、語音處理功能的單片機等單片機的選用主要考慮CPU位數(shù)、存儲器容量、定時/計數(shù)器和通用輸入/輸出接口等。一般要求微處理器的位數(shù)和機器周期要與傳感器所能達到的精度和速度一致，輸入輸出控制特性要合適，包括有無豐富的中斷、I/O接口、合適的定時器等，微處理器的運算功能要滿足傳感器對數(shù)據(jù)處理運算能力的要求等等。第二十七頁，共33頁。A/D轉(zhuǎn)換器的選擇A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬輸入電壓或電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出的器件。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不僅決定采集電路所能轉(zhuǎn)換的模擬電壓動態(tài)范圍，也很大程度上影響采集電路的轉(zhuǎn)換精度。應根據(jù)對采集信號轉(zhuǎn)換范圍與轉(zhuǎn)換精度兩方面要求選擇A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)；在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，應盡量選用位數(shù)較低的A/D轉(zhuǎn)換器以節(jié)約成本?？傮w上說，在進行A/D轉(zhuǎn)換器選擇時，要根據(jù)信號轉(zhuǎn)換任務(wù)的精度要求、轉(zhuǎn)換速度要求、與前置環(huán)節(jié)的阻抗匹配、抑制噪聲干擾的能力、成本等綜合考慮。第二十八頁，共33頁。例：數(shù)字化測溫系統(tǒng)設(shè)計一個數(shù)字化Pt100鉑熱電阻溫度傳感器的測溫系統(tǒng)如圖20.9所示。已知鉑熱電阻溫度系數(shù)即靈敏度A＝3.85×10-3/℃；恒流源電流Io＝3.0mA；差分放大器的放大倍數(shù)為40；如果要求測溫系統(tǒng)的測溫范圍為0～160℃，分辨率不小于0.01℃,試選擇A/D轉(zhuǎn)換器。解：采用兩個完全相同的恒流源分別給測溫熱電阻RT與標準參考電阻Rf（其值為100歐）供電。調(diào)節(jié)差分放大器使得測量溫度為0℃時放大器的輸出為0V。當測量溫度為160℃時，送入差分放大器的電壓差值為：經(jīng)差分放大器放大后的輸出電壓（滿量程輸出）為：由上面的分析可知：要測量0～160℃的溫度，放大器輸出電壓范圍在0～7.392V之間。通常A/D轉(zhuǎn)換器的量程范圍為0～