第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第四章 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一節(jié) 概述 一、檢測系統(tǒng)的功用及組成 功能：是機(jī)電一體化產(chǎn)品中的一個(gè)重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)測功能。 組成： 二、機(jī)電一體化對(duì)檢測系統(tǒng)的基本要求 1. 精度、靈敏度和分辨率高 2.線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好; 3.抗干擾能力強(qiáng)； 4.靜、動(dòng)態(tài)特性好等。 三、檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)、方法和步驟 主要任務(wù)：根據(jù)使用要求合理選用傳感器，并設(shè)計(jì)或選用相應(yīng)的信號(hào)檢測與處理電路以構(gòu)成檢測系統(tǒng)，對(duì)檢測系統(tǒng)進(jìn)行分析與調(diào)試，使之在機(jī)電一體化產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)預(yù)期的計(jì)測功能。 主要方法：實(shí)驗(yàn)分析法，即理論分析和計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測試相結(jié)合的方法。 設(shè)計(jì)步驟：（1）設(shè)計(jì)任務(wù)分析（2）體統(tǒng)方案選擇（3）系統(tǒng)構(gòu)成框圖設(shè)計(jì)

2、（4）環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)與制造（5）總裝調(diào)試及實(shí)驗(yàn)分析（6）系統(tǒng)運(yùn)行及考核第二節(jié) 模擬式傳感器信號(hào)的檢測 一、模擬信號(hào)檢測系統(tǒng)的組成振蕩器：對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并為解調(diào)提供參考信號(hào)量程變換電路：避免放大器飽和并滿足不同測量范圍的需要解調(diào)器：將已調(diào)制信號(hào)恢復(fù)成原有形式濾波器：濾除無用干擾信號(hào)并取出代表被測物理量的有效信號(hào)運(yùn)算電路：處理各種信號(hào)，獲得所需物理量，對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化并有計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)：將有關(guān)信息顯示 二、基本轉(zhuǎn)換電路 （一）分壓式 a式：最簡單的分壓電路 b式:串聯(lián)諧振式分壓電路 c式：并聯(lián)諧振式分壓電路 d式：光電分壓電路 （二）差動(dòng)電路 主要用于差動(dòng)式傳感器信號(hào)的轉(zhuǎn)換 a式：利用傳感器

3、的一對(duì)差動(dòng)阻抗Z1和Z2構(gòu)成分壓器 b式：采用對(duì)稱電源供電電路 c式：采用一種橋式差動(dòng)電路 d式：采用變壓器配成橋式差動(dòng)電路 （三）非差動(dòng)橋式電路 a式：傳感器是非差動(dòng)式的 b式：一種阻容相位電橋 c式：阻感相位電橋 （四）調(diào)平電路 一種適用于電容式傳感器的調(diào)頻電路 關(guān)系式： （五）脈沖調(diào)寬電路 是一種將傳感器的電容C或電阻R的變化轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)U 關(guān)系式： 三、信號(hào)放大電路 信號(hào)放大電路，亦稱放大器，用于將傳感器或經(jīng)基本轉(zhuǎn)換電路輸出的微弱信號(hào)不是真的加以放大，以便進(jìn)一步加工處理。（一）減少噪聲和提高穩(wěn)定性的方法 抑制放大器噪聲的措施：壓縮放大器寬度 減小信號(hào)源電阻 選用低噪聲放大器件 減小接

4、線電纜電容影響及各種干擾因素的影響 提高放大器穩(wěn)定性的措施：采用高穩(wěn)定度的無源元件或引用直流負(fù)反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn) 采用集成運(yùn)算放大器及深度負(fù)反饋穩(wěn)定放大倍數(shù) 采用電容電阻進(jìn)行相位補(bǔ)償妥善接地與屏蔽 采取散熱與均熱措施，減小熱漂移 （二）高輸入阻抗放大器 為了與傳感器電路或基本轉(zhuǎn)換電路相匹配 同相輸入放大器高輸入阻抗差動(dòng)放大器高輸入阻抗反相放大器 高輸入阻抗交流放大器 （3）高共模抑制比放大器 在檢測系統(tǒng)中，采用具有高共模抑制能力的差動(dòng)放大器，在對(duì)所感興趣的兩被測信號(hào)的差值進(jìn)行放大的同時(shí)，抑制來自環(huán)境的共模干擾。 在圖4-11a中 若取R1=R2,R3=R4,則 若只有共模信號(hào)輸入，即Ui1=U

5、i2=Ui3，則 為便于增益調(diào)整，且保持高共模抑制比，采取圖4-12同相輸入并串聯(lián)差動(dòng)放大器 當(dāng)R1=R2,Rf1=Rf2=Rf3時(shí)，電路輸出為驅(qū)動(dòng)電纜的差動(dòng)放大器 可以避免由于傳感器信號(hào)要經(jīng)過較長的屏蔽線送到放大器輸入端，兩路信號(hào)電纜的電阻和電容不同而引起附加差模輸入信號(hào)。 （四）參量放大器 功能：使電參數(shù)的變化引起輸出電壓的變化。有利于簡化電路。 電容參量放大器 輸出電壓： 橋式參量放大器 a： b： （五）線性化放大器 是指通過放大器的作用，使包括傳感器及信號(hào)檢測電路在內(nèi)的整個(gè)檢測系統(tǒng)的輸出與輸入之間具有良好的線性。 有圖4-16得 當(dāng)A0足夠大時(shí)得 圖a：反饋環(huán)節(jié)的特性要求 圖b：具體

6、實(shí)現(xiàn)電路 （六）放大器增益切換 作用：在檢測系統(tǒng)中，即可滿足測量范圍的需要，又能保證足夠的線性度和靈敏度。四、信號(hào)調(diào)制與解調(diào)電路四、信號(hào)調(diào)制與解調(diào)電路 調(diào)制與解調(diào)方法被廣泛應(yīng)用于通信中，以便給不同的信號(hào)賦予不同的特征，將他們相互區(qū)別開來。 信號(hào)調(diào)制的方法有幅值調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制和脈寬調(diào)制等，其中前三種又分別稱為調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻。對(duì)應(yīng)不同的信號(hào)調(diào)制方法需采用不同的方法來解調(diào)。（一）幅值調(diào)制與解調(diào)1.幅值調(diào)制 幅值調(diào)制的基本思想是讓一個(gè)具有特定角頻率wc的高頻信號(hào)的幅值隨被測量x而變化。幅值調(diào)制的信號(hào)波形如圖4-21所示：2.包絡(luò)檢波 包絡(luò)檢波是一種對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的方法，其原理是利用二極

7、管等等具有單向?qū)щ娦阅艿钠骷?，截取調(diào)幅信號(hào)的下半部，再用濾波器濾除其高頻成分，從而得到按調(diào)幅包絡(luò)線變化的調(diào)制信號(hào)，其信號(hào)檢出過程如圖4-24所示： 上述電路僅在載波信號(hào)Uc的半個(gè)周期內(nèi)有信號(hào)輸出，而在另半個(gè)周期內(nèi)輸出為零，故稱半波信號(hào)。要使載波信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)都有信號(hào)輸出，可采用圖4-23a所示的全波調(diào)幅電路。圖4-25是采用二極管VD作為整流原件的包絡(luò)檢波電路。圖4-26是采用晶體管VT作為整流元件實(shí)現(xiàn)平均值檢波的電路。圖4-27是采用運(yùn)算放大器的線性包絡(luò)檢波電路。3.相敏檢波 包絡(luò)檢波方法適用于由調(diào)幅信號(hào)上部包絡(luò)線形狀就可確定出調(diào)制信號(hào)的情況。（二）相位調(diào)制與解調(diào)1.相位調(diào)制 相位調(diào)制的基

8、本思想是讓一個(gè)具有特定角頻率wc的高頻載波信號(hào)的相位隨被測量x而變化，則已調(diào)制信號(hào)中就包含了x的全部信息。 在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，常采用傳感器調(diào)相的方法，以提高信號(hào)的抗干擾能力。 圖4-29是能輸出調(diào)相信號(hào)的扭矩傳感器原理圖： 在光柵式和感應(yīng)同步器式位移檢測系統(tǒng)中，也常常對(duì)信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制。 相位調(diào)制也可在電路中進(jìn)行。 在光柵式和感應(yīng)同步器式位移檢測系統(tǒng)中，也常常對(duì)信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制。 相位調(diào)制也可在電路中進(jìn)行。（三）頻率調(diào)制與解調(diào)1.頻率調(diào)制頻率調(diào)制的基本思想是讓一個(gè)高頻振蕩的載波信號(hào)的頻率隨被測量x（調(diào)制信號(hào)）而變化，則得到的已調(diào)制信號(hào)中就包含了x的全部信息。2.頻率解調(diào) 頻率解調(diào)又稱鑒頻或頻

9、率檢波，常用的方法有微分鑒頻、斜率鑒頻和相位鑒頻三種。五、濾波器 功能：濾除在信號(hào)放大和傳輸過程中引入的噪聲和干擾 濾除在信號(hào)調(diào)制過程中的載波等無用信號(hào) 將不同頻率的有用信號(hào)分開 對(duì)系統(tǒng)頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償 種類：按處理信號(hào)形式不同分：模擬式、數(shù)字式 按采用元件不同分：無源、有源 按信號(hào)頻率范圍不同分：低通、高通、帶通、帶阻 按濾波器傳遞函數(shù)的階次分：一階、二階、高階 圖4-38a、b、c、d分別為低通、高通、帶通、帶阻濾波器的幅頻特性曲線。 基本參數(shù)：1.截止頻率 2.帶寬B 3.品質(zhì)因數(shù)Q: 4.倍頻程選擇性 （二）無源RC濾波器 構(gòu)成：電阻R、電容C 優(yōu)點(diǎn)：電路簡單、抗干擾能力強(qiáng)、有較好的低

10、頻特性， 主要作為一階濾波器使用。 缺點(diǎn)：頻率選擇性差 1.RC低通濾波器 電路微分方程： 電路傳遞函數(shù)： 幅頻及相頻特性： 截止頻率： 2.RC高通濾波器 微分方程： 傳遞函數(shù)： 幅頻及相頻特征： 截止頻率： 3.RC帶通濾波器 幅頻及相頻特性： 下截止頻率f01： 上截止頻率f02：（三）有源濾波器 構(gòu)成：RC網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器 優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)算放大器即可起到級(jí)間隔離作用，又可起到對(duì)信號(hào)的放大；RC網(wǎng)絡(luò)則通常作為運(yùn)算放大器的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。1.有源低通濾波器 a：載止頻率： b：截止頻率： 增益： 增益： 圖4-43a其傳遞函數(shù)： 幅頻及相頻特征： 截止角頻率： 圖4-43b是對(duì)圖4-43a所示電路的改進(jìn) 2.有源高通濾波器 圖a：傳遞函數(shù) 其中 截止角頻率： 圖b：傳遞函數(shù) 其中 截止角頻率： 3.有源帶通濾波器 圖a：傳遞函數(shù)： 其中 幅頻特性： 通頻帶增益： 寬帶及品質(zhì)因數(shù)： 圖b：傳遞函數(shù)： 其中 其通頻帶增益K、寬帶B和品質(zhì)因數(shù)Q與圖a所示 4.有源帶阻濾波器 其傳遞函數(shù)： 通帶增益K、阻帶寬度B及品質(zhì)因數(shù)Q分別為： 六、運(yùn)算電路 是能對(duì)信號(hào)運(yùn)算處理的電路，根據(jù)信號(hào)形式的不同可以分為模擬和數(shù)字運(yùn)