第四章--检测系统设计.课件.ppt

1、第四章 检测系统设计第一节 概述 一、检测系统的功用及组成 功能：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。 组成： 二、机电一体化对检测系统的基本要求 1. 精度、灵敏度和分辨率高 2.线性、稳定性和重复性好; 3.抗干扰能力强； 4.静、动态特性好等。 三、检测系统设计的任务、方法和步骤 主要任务：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，使之在机电一体化产品中实现预期的计测功能。 主要方法：实验分析法，即理论分析和计算与实验测试相结合的方法。 设计步骤：（1）设计任务分析（2）体统方案选择（3）系统构成框图设计

2、（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振荡器：对传感器信号进行调制，并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的需要解调器：将已调制信号恢复成原有形式滤波器：滤除无用干扰信号并取出代表被测物理量的有效信号运算电路：处理各种信号，获得所需物理量，对信号进行模数转化并有计算机实现计算机：将有关信息显示 二、基本转换电路 （一）分压式 a式：最简单的分压电路 b式:串联谐振式分压电路 c式：并联谐振式分压电路 d式：光电分压电路 （二）差动电路 主要用于差动式传感器信号的转换 a式：利用传感器

3、的一对差动阻抗Z1和Z2构成分压器 b式：采用对称电源供电电路 c式：采用一种桥式差动电路 d式：采用变压器配成桥式差动电路 （三）非差动桥式电路 a式：传感器是非差动式的 b式：一种阻容相位电桥 c式：阻感相位电桥 （四）调平电路 一种适用于电容式传感器的调频电路 关系式： （五）脉冲调宽电路 是一种将传感器的电容C或电阻R的变化转换成输出信号U 关系式： 三、信号放大电路 信号放大电路，亦称放大器，用于将传感器或经基本转换电路输出的微弱信号不是真的加以放大，以便进一步加工处理。（一）减少噪声和提高稳定性的方法 抑制放大器噪声的措施：压缩放大器宽度 减小信号源电阻 选用低噪声放大器件 减小接

4、线电缆电容影响及各种干扰因素的影响 提高放大器稳定性的措施：采用高稳定度的无源元件或引用直流负反馈稳定静态工作点 采用集成运算放大器及深度负反馈稳定放大倍数 采用电容电阻进行相位补偿妥善接地与屏蔽 采取散热与均热措施，减小热漂移 （二）高输入阻抗放大器 为了与传感器电路或基本转换电路相匹配 同相输入放大器高输入阻抗差动放大器高输入阻抗反相放大器 高输入阻抗交流放大器 （3）高共模抑制比放大器 在检测系统中，采用具有高共模抑制能力的差动放大器，在对所感兴趣的两被测信号的差值进行放大的同时，抑制来自环境的共模干扰。 在图4-11a中 若取R1=R2,R3=R4,则 若只有共模信号输入，即Ui1=U

5、i2=Ui3，则 为便于增益调整，且保持高共模抑制比，采取图4-12同相输入并串联差动放大器 当R1=R2,Rf1=Rf2=Rf3时，电路输出为驱动电缆的差动放大器 可以避免由于传感器信号要经过较长的屏蔽线送到放大器输入端，两路信号电缆的电阻和电容不同而引起附加差模输入信号。 （四）参量放大器 功能：使电参数的变化引起输出电压的变化。有利于简化电路。 电容参量放大器 输出电压： 桥式参量放大器 a： b： （五）线性化放大器 是指通过放大器的作用，使包括传感器及信号检测电路在内的整个检测系统的输出与输入之间具有良好的线性。 有图4-16得 当A0足够大时得 图a：反馈环节的特性要求 图b：具体

6、实现电路 （六）放大器增益切换 作用：在检测系统中，即可满足测量范围的需要，又能保证足够的线性度和灵敏度。四、信号调制与解调电路四、信号调制与解调电路 调制与解调方法被广泛应用于通信中，以便给不同的信号赋予不同的特征，将他们相互区别开来。 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，其中前三种又分别称为调幅、调相和调频。对应不同的信号调制方法需采用不同的方法来解调。（一）幅值调制与解调1.幅值调制 幅值调制的基本思想是让一个具有特定角频率wc的高频信号的幅值随被测量x而变化。幅值调制的信号波形如图4-21所示：2.包络检波 包络检波是一种对调幅信号进行解调的方法，其原理是利用二极

7、管等等具有单向导电性能的器件，截取调幅信号的下半部，再用滤波器滤除其高频成分，从而得到按调幅包络线变化的调制信号，其信号检出过程如图4-24所示： 上述电路仅在载波信号Uc的半个周期内有信号输出，而在另半个周期内输出为零，故称半波信号。要使载波信号的整个周期内都有信号输出，可采用图4-23a所示的全波调幅电路。图4-25是采用二极管VD作为整流原件的包络检波电路。图4-26是采用晶体管VT作为整流元件实现平均值检波的电路。图4-27是采用运算放大器的线性包络检波电路。3.相敏检波 包络检波方法适用于由调幅信号上部包络线形状就可确定出调制信号的情况。（二）相位调制与解调1.相位调制 相位调制的基

8、本思想是让一个具有特定角频率wc的高频载波信号的相位随被测量x而变化，则已调制信号中就包含了x的全部信息。 在机电一体化产品中，常采用传感器调相的方法，以提高信号的抗干扰能力。 图4-29是能输出调相信号的扭矩传感器原理图： 在光栅式和感应同步器式位移检测系统中，也常常对信号进行相位调制。 相位调制也可在电路中进行。 在光栅式和感应同步器式位移检测系统中，也常常对信号进行相位调制。 相位调制也可在电路中进行。（三）频率调制与解调1.频率调制频率调制的基本思想是让一个高频振荡的载波信号的频率随被测量x（调制信号）而变化，则得到的已调制信号中就包含了x的全部信息。2.频率解调 频率解调又称鉴频或频

9、率检波，常用的方法有微分鉴频、斜率鉴频和相位鉴频三种。五、滤波器 功能：滤除在信号放大和传输过程中引入的噪声和干扰 滤除在信号调制过程中的载波等无用信号 将不同频率的有用信号分开 对系统频率特性进行补偿 种类：按处理信号形式不同分：模拟式、数字式 按采用元件不同分：无源、有源 按信号频率范围不同分：低通、高通、带通、带阻 按滤波器传递函数的阶次分：一阶、二阶、高阶 图4-38a、b、c、d分别为低通、高通、带通、带阻滤波器的幅频特性曲线。 基本参数：1.截止频率 2.带宽B 3.品质因数Q: 4.倍频程选择性 （二）无源RC滤波器 构成：电阻R、电容C 优点：电路简单、抗干扰能力强、有较好的低

10、频特性， 主要作为一阶滤波器使用。 缺点：频率选择性差 1.RC低通滤波器 电路微分方程： 电路传递函数： 幅频及相频特性： 截止频率： 2.RC高通滤波器 微分方程： 传递函数： 幅频及相频特征： 截止频率： 3.RC带通滤波器 幅频及相频特性： 下截止频率f01： 上截止频率f02：（三）有源滤波器 构成：RC网络、运算放大器 优点：运算放大器即可起到级间隔离作用，又可起到对信号的放大；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 a：载止频率： b：截止频率： 增益： 增益： 图4-43a其传递函数： 幅频及相频特征： 截止角频率： 图4-43b是对图4-43a所示电路的

11、改进 2.有源高通滤波器 图a：传递函数 其中 截止角频率： 图b：传递函数 其中 截止角频率： 3.有源带通滤波器 图a：传递函数： 其中 幅频特性： 通频带增益： 宽带及品质因数： 图b：传递函数： 其中 其通频带增益K、宽带B和品质因数Q与图a所示 4.有源带阻滤波器 其传递函数： 通带增益K、阻带宽度B及品质因数Q分别为： 六、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以分为模拟和数字运算电路。 （一）线性加、减运算电路 反相输入相加运算电路： 原理图： 同相输入加法运算电路： 原理图： 减法运算（差动运算）电路： 原理图： 加减运算电路： 原理图： （二）积分与微积分运算电路 图a： 图b： 微分运算： （三）参量控制式乘除运算电路图a：输出电压：图b：输出电压：若Rx=kx，则若Rx=kx，则 （四）峰值运算电路