第七章自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

第七章自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第一節(jié)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)原則第二節(jié)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟第三節(jié)加熱爐溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)第四節(jié)在線微量水分測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五節(jié)啤酒瓶殘留清洗液在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第六節(jié)空氣壓縮機(jī)的曲軸工作應(yīng)力測(cè)試第一節(jié)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)原則自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)就是獲取原始被測(cè)量的傳感器或有關(guān)的敏感元件，實(shí)現(xiàn)一次變換?？紤]到它們的敏感、變換原理或特性的限制以及外界影響，一次變換后的信號(hào)通常滿足不了測(cè)量與控制的要求。因此總要經(jīng)過(guò)一些中間環(huán)節(jié)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大、阻抗匹配、干擾抑制、濾波等功能。這樣可以按照一定的規(guī)律或方式構(gòu)成開(kāi)環(huán)或閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)。一、開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)又稱直接變換型檢測(cè)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是信號(hào)的流動(dòng)只沿著從輸入到輸出的一個(gè)方向(正向)進(jìn)行，如圖7—1所示。開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)是由一系列環(huán)節(jié)串聯(lián)而成的。

圖7-1開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖圖中，Gl、G2

、G3、…Gn分別為各環(huán)節(jié)的傳送函數(shù),則該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：G＝GlG2G3．．．Gn若各環(huán)節(jié)的靜態(tài)靈敏度分別為K1、K2、…Kn，則該系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度K為各個(gè)環(huán)節(jié)的靈敏度的乘積，即

K＝KlK2K3…Kn

如果各個(gè)環(huán)節(jié)本身的相對(duì)誤差為δ1、δ2、δ3、…δn，則該系統(tǒng)輸出端的相對(duì)誤差δ為各個(gè)環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差之和，即δ＝δ1+δ2+δ3+…δn=因此，為了減小開(kāi)環(huán)測(cè)量系統(tǒng)的誤差，必須減小各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差?？梢?jiàn)，開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。易于實(shí)現(xiàn)、可靠性較高。但開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的誤差以及由它們引入的干擾都將直接影響檢測(cè)結(jié)果，因此對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確度和抗干擾能力都要求較高。為此，發(fā)展了閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)。二、閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)圖7-2閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖7-2所示，正向通路各組成環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為Kl、K2…Kn，反饋回路各組成環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為β1、β2、…βm．若分別考慮正向通路的傳遞函數(shù)K和反饋回路的傳遞函數(shù)β，則可分別寫作K=K1K2…Kn=β＝β1β2…βm＝閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Kf為：當(dāng)Kβ〉〉1時(shí)，由上式可得：由此可知，正向通道各環(huán)節(jié)的誤差對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的輸出基本沒(méi)有什么影響，系統(tǒng)輸出端的誤差主要由反饋回路的誤差所決定。因此，只要反饋回路具有較高的精度，即可保證整個(gè)系統(tǒng)具有較高的精度。結(jié)論：對(duì)于閉環(huán)式檢測(cè)系統(tǒng)，由于反饋回路內(nèi)的各環(huán)節(jié)特性不全或很少造成測(cè)量誤差，因此采用大回路閉環(huán)，使更多的電路置于閉環(huán)中會(huì)更有利。對(duì)于開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)，容易造成誤差的部分應(yīng)考慮采用閉環(huán)方法。因此，對(duì)檢測(cè)精度要求較高的檢測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)將開(kāi)環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)巧妙地組合在一起加以應(yīng)用，才能提高自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的精度。三、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則1、設(shè)計(jì)要求：（1）性能穩(wěn)定：即系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)具有時(shí)間穩(wěn)定性。（2）精度符合要求：精度主要取決于傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)采集器等模擬變換部件。（3）有足夠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)：現(xiàn)代檢測(cè)中，高頻信號(hào)成分迅速增加，要求系統(tǒng)必須具有足夠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。（4）具有實(shí)時(shí)和事后數(shù)據(jù)處理能力：能在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中處理數(shù)據(jù)，便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)觀察分析，及時(shí)判斷實(shí)驗(yàn)對(duì)象的狀態(tài)和性能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的目的是確保實(shí)驗(yàn)安全、加速實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和縮短實(shí)驗(yàn)周期。系統(tǒng)還必須有事后處理能力，待試驗(yàn)結(jié)束后能對(duì)全部數(shù)據(jù)做完整、詳盡的分析。（5）具有開(kāi)放性和兼容性：主要表現(xiàn)為檢測(cè)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性和兼容性?？梢愿鶕?jù)需要擴(kuò)展系統(tǒng)硬件和軟件，便于使用和維護(hù)。2、設(shè)計(jì)原則：（1）環(huán)節(jié)最少原則：組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)元件或單元通常稱為環(huán)節(jié)。（2）精度匹配原則：在對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行精度分析的基礎(chǔ)上．根據(jù)各環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)精度影響程度的不同和實(shí)際可能，分別對(duì)各環(huán)節(jié)提出不同的精度要求和恰當(dāng)?shù)木确峙?，做到恰到好處，這就是精度匹配原則。(3)阻抗匹配原則：如前所述，測(cè)量信息的傳輸是靠能量流進(jìn)行的。因此，設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)的一條重要原則是要保證信息能流最有效的傳遞。這個(gè)原則是由四端網(wǎng)絡(luò)理論導(dǎo)出的，亦即檢測(cè)系統(tǒng)中兩個(gè)環(huán)節(jié)之間的輸入阻抗與輸出阻抗相匹配的原則。

(4)經(jīng)濟(jì)原則：在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要處理好所要求的精度與儀表制造成本之間的矛盾。要盡量采用合理的結(jié)構(gòu)型式與合理的工藝要求，恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行各環(huán)節(jié)的靈敏度分配和誤差分配，盡量以最少的環(huán)節(jié)、最低的成本建立起高精度的檢測(cè)系統(tǒng)。(5)標(biāo)準(zhǔn)化與通用性原則：為縮短研制周期．便于大批量生產(chǎn)和使用過(guò)程中的維修，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用已有的標(biāo)準(zhǔn)零部件，對(duì)新設(shè)計(jì)的零部件也要考慮到今后在其他方面可能使用的通用性問(wèn)題。第二節(jié)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的分析自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成一、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的分析檢測(cè)系統(tǒng)的分析是確定系統(tǒng)的功能、技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)任務(wù)，是設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)總方向的重要階段，主要是對(duì)要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)和方法進(jìn)行全面的分析和研究，以便明確對(duì)本設(shè)計(jì)課題提出了哪些要求和限制，了解被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)、所要求的技術(shù)指標(biāo)和使用條件等等。(1)首先明確檢測(cè)系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)的功能和需要完成的測(cè)量任務(wù)。包括被測(cè)參數(shù)的定義和性質(zhì)、被測(cè)量的數(shù)量、輸入信號(hào)的通道數(shù)、測(cè)量結(jié)果的輸出形式等。(2)了解設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定的性能指標(biāo)。為了明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)了解對(duì)于被測(cè)參數(shù)的測(cè)量精度、測(cè)量速度、極限變化范圍和常用測(cè)量范圍、分辨率、動(dòng)態(tài)特性、誤差等方面的要求，以及對(duì)于儀器儀表的檢測(cè)效率、通用程度和可靠性等要求。(3)了解測(cè)量系統(tǒng)的使用條件和應(yīng)用環(huán)境。首先應(yīng)當(dāng)了解在規(guī)定的使用條件下，存在哪些影響被測(cè)參數(shù)的其他因素，以便在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)法消除其影響。二、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)1、確定系統(tǒng)的控制方式自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的控制方式根據(jù)被測(cè)對(duì)象測(cè)試要求確定，其控制方式如果按照信號(hào)傳輸方式可分為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)，或是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。按實(shí)現(xiàn)方式可以分為：手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和半自動(dòng)控制。2、輸入、輸出通道及外圍設(shè)備的選擇自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中與計(jì)算機(jī)相連的輸入輸出通道，通常根據(jù)被測(cè)對(duì)象參數(shù)的多少來(lái)確定，并根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模及要求，配以適當(dāng)?shù)耐鈬O(shè)備，如打印機(jī)、CRT、磁盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀等。選擇時(shí)應(yīng)考慮以下一些問(wèn)題。

（1）被測(cè)對(duì)象參數(shù)的數(shù)量；（2）各輸入、輸出通道是串行操作還是并行操作；（3）各通道數(shù)據(jù)的傳輸速率；（4）各通道數(shù)據(jù)的字長(zhǎng)及選擇位數(shù)；（5）對(duì)顯示、打印有何要求3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮散熱、電磁兼容性、防沖振、維護(hù)性等。創(chuàng)造使設(shè)備正常、可靠地工作的良好環(huán)境。具體要求如下。（1）充分貫徹標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化、模塊化要求；（2）人機(jī)關(guān)系諧調(diào)，符合有關(guān)人機(jī)關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)，使操作者操作方便、舒適、準(zhǔn)確；（3）設(shè)備具有良好的維護(hù)性，需經(jīng)常維修的單元必須具有良好的可拆性；（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足設(shè)備對(duì)強(qiáng)度要求，盡量減少重量，縮小體積；（5）盡量采用成熟技術(shù)，采用成熟、可靠的結(jié)構(gòu)形式和零、部件；（6）造型協(xié)調(diào)、美觀、大方、色彩宜人。根據(jù)使用場(chǎng)地和用途的不同需求，可采用固定機(jī)柜式、移動(dòng)方艙式和便攜機(jī)箱式等多種結(jié)構(gòu)形式。4、畫出系統(tǒng)原理圖基于以上方案選擇之后，要畫出一個(gè)完整的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖；其中包括各種傳感器、變送器、外圍設(shè)備、輸入輸出通道及微型計(jì)算機(jī)。它是整個(gè)系統(tǒng)的總圖，要求簡(jiǎn)單，清晰，明了。三、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)1、微型計(jì)算機(jī)的選擇微型計(jì)算機(jī)是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，對(duì)系統(tǒng)的功能、性能價(jià)格以及研發(fā)周期等起著至關(guān)重要的作用。一般根據(jù)系統(tǒng)要求的硬件和軟件功能選擇計(jì)算機(jī)類型。為了加快設(shè)計(jì)速度，縮短研制周期，應(yīng)盡可能采用熟悉的機(jī)型或利用現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。目前自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用較廣的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品種類很多，常用的有PC機(jī)和單片機(jī)兩種。在選擇時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)具體要求，確定是采用現(xiàn)成的微機(jī)系統(tǒng)或者是采用某種微處理器芯片研制專用系統(tǒng)。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的許多功能與主機(jī)的字長(zhǎng)、尋址范圍、指令功能、處理速度、中斷能力以及功耗都有著密切關(guān)系，因此，在選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能要求選擇最適合的微型計(jì)算機(jī)作為主機(jī)，提高整個(gè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比。2、檢測(cè)元件的選擇

在確定方案的同時(shí)，必須選擇好被測(cè)參數(shù)的測(cè)量元件。如何根據(jù)具體的檢測(cè)目的、檢測(cè)對(duì)象以及檢測(cè)環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。傳感器必須根據(jù)一下原則進(jìn)行選擇。（1）靈敏度傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小，即被測(cè)量稍有微小變化，傳感器即有較大的輸出。但靈敏度越高，與測(cè)量信號(hào)無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，并且噪聲也會(huì)被放大。因此，對(duì)傳感器往往要求有較大的信噪比。（2）線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。（3）響應(yīng)特性傳感器的響應(yīng)特性必須在所測(cè)頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真。實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，但延遲時(shí)間越短越好。（4）穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性是指經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。為了保證穩(wěn)定性，在選用傳感器之前應(yīng)對(duì)使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，以選擇合適的傳感器類型。（5）精確度傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測(cè)量真值的對(duì)應(yīng)程度。因?yàn)閭鞲衅魈幱跈z測(cè)系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否真實(shí)地反映被測(cè)量，對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)具有直接影響。然而，傳感器的精確度也并非越高越好，因?yàn)檫€要考慮到經(jīng)濟(jì)性。傳感器精確度愈高，價(jià)格越昂貴，因此應(yīng)從實(shí)際出發(fā)來(lái)選擇傳感器?？傊艘陨线x用原則以外，還應(yīng)盡可能兼顧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維修和便于更換等條件。3、模擬量輸入通道的設(shè)計(jì)（1）數(shù)據(jù)采集通道的結(jié)構(gòu)形式在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，選擇何種結(jié)構(gòu)形式采集數(shù)據(jù)，是進(jìn)行模擬量輸入通道設(shè)計(jì)中首先要考慮的問(wèn)題。圖7-3所示給出兩種結(jié)構(gòu)形式。圖7-3兩種模擬量輸入通道兩者的比較：（a）圖由于各參數(shù)是串行輸入的，所以轉(zhuǎn)換時(shí)間比較長(zhǎng)。但它的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省硬件開(kāi)銷。這是目前應(yīng)用最多的一種模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)形式。（b）圖中，每個(gè)模擬量輸入通道都增加了一個(gè)S/H。其目的是可以采用同一時(shí)刻的各個(gè)參數(shù)，以便進(jìn)行比較。（2）A/D轉(zhuǎn)換器的選擇一般根據(jù)被測(cè)對(duì)象的實(shí)際要求選擇A/D轉(zhuǎn)換器。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(dòng)態(tài)范圍，也很大程度影響采集電路的轉(zhuǎn)換精度。因此，應(yīng)根據(jù)對(duì)采集電路轉(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)。（3）采樣/保持器的選擇為了保證A/D轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定輸出，要求在A/D轉(zhuǎn)換期間其被轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)保持不變，因此，在A/D轉(zhuǎn)換器前必須加設(shè)采樣/保持器。由于采樣/保持器在保持階段一直保持著采樣階段結(jié)束時(shí)刻的輸入模擬信號(hào)的瞬時(shí)值，因此，A/D轉(zhuǎn)換器只要在采樣/保持器的保持階段內(nèi)進(jìn)行和完成A/D轉(zhuǎn)換，就能得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的數(shù)字輸出。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路可以先采用某種信號(hào)作為激勵(lì)，然后通過(guò)檢查電路能否得到預(yù)期的響應(yīng)來(lái)驗(yàn)證電路是否正常。但是檢測(cè)系統(tǒng)的硬件電路功能的調(diào)試沒(méi)有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序很難實(shí)現(xiàn)。通常采用的方法是編制一些小的調(diào)試程序，分別對(duì)相應(yīng)的各硬件單元電路的功能進(jìn)行檢查，而整各系統(tǒng)的硬件功能必須在硬件和軟件設(shè)計(jì)完成之后才能進(jìn)行。4、硬件調(diào)試四、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的正確使用和效率。軟件的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試及維護(hù)常要花費(fèi)巨大的精力和時(shí)間。一個(gè)好的軟件應(yīng)具有正確性、可靠性、可測(cè)試性、易使用性及易維護(hù)性等多方面的性能。1、軟件的總體結(jié)構(gòu)當(dāng)明確軟件設(shè)計(jì)的總?cè)蝿?wù)之后，即可進(jìn)入軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一般采用模塊化結(jié)構(gòu)自頂向下把任務(wù)從上到下逐步細(xì)分，一直分到可以具體處理的基本單元為止，如圖7-4所示。圖7-4模塊化結(jié)構(gòu)模塊的劃分有很大的靈活性，但也不能隨意劃分，劃分時(shí)應(yīng)遵循以下原則：（1）每個(gè)模塊應(yīng)具有獨(dú)立的功能，能產(chǎn)生明確的結(jié)果；（2）模塊之間應(yīng)盡量相互獨(dú)立，以限制模塊之間的信息交換，以便利于模塊的調(diào)試；（3）模塊長(zhǎng)度適中。若模塊太長(zhǎng)，分析和調(diào)試比較困難；若過(guò)短則模塊的連接太復(fù)雜，信息交換太頻繁，附加開(kāi)銷太大。2、軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

開(kāi)發(fā)環(huán)境的任務(wù)是提供用戶編寫程序代碼，編譯和連接程序并生成可執(zhí)行程序的環(huán)境。根據(jù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成形式不同，其軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境也不盡相同。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)總線檢測(cè)系統(tǒng)，只需選擇一種高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程，所以可以直接采用現(xiàn)有的商品程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，如LabVIEW、VC++、VB等，對(duì)于單片機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，需要選擇匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。3、軟件程序設(shè)計(jì)軟件程序設(shè)計(jì)是按照“自頂向下”的方法，不管檢測(cè)儀器或系統(tǒng)的功能怎樣復(fù)雜，分析設(shè)計(jì)工作都能有計(jì)劃有步驟地進(jìn)行。并且為了使程序便于編寫、調(diào)試和排除錯(cuò)誤，也為了便于檢驗(yàn)和維護(hù)，總是設(shè)法把程序編寫成一個(gè)個(gè)結(jié)構(gòu)完整、相對(duì)獨(dú)立的程序段，這就是所謂的一個(gè)程序模塊?！白皂斚蛳隆钡能浖O(shè)計(jì)方法編寫程序模塊應(yīng)遵守下列原則。（1）適當(dāng)劃分模塊。對(duì)于每一個(gè)程序模塊，應(yīng)明確規(guī)定其輸人、輸出和模塊的功能；（2）模塊功能獨(dú)立。一旦認(rèn)定一部分問(wèn)題能夠歸入一個(gè)模塊之內(nèi)，就不要再進(jìn)一步設(shè)想如何來(lái)實(shí)現(xiàn)它，即不要糾纏細(xì)枝末節(jié)；（3）對(duì)每一個(gè)模塊作出具體定義，包括解決某問(wèn)題的算法、允許的輸入輸出值范圍；（4）在模塊中只有循環(huán)、順序、分支三種基本程序結(jié)構(gòu)；（5）可利用已有的成熟的程序模塊。如加、減、乘、除、開(kāi)方、延時(shí)程序、顯示程序等。4、軟件調(diào)試為了驗(yàn)證編制出來(lái)的軟件無(wú)錯(cuò)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間調(diào)試，有時(shí)調(diào)試工作量比編制軟件本身所花費(fèi)的時(shí)間還長(zhǎng)。軟件調(diào)試也是先按模塊分別調(diào)試，直到每個(gè)模塊的預(yù)定功能完全實(shí)現(xiàn)，然后再鏈接起來(lái)進(jìn)行總調(diào)。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件不同于一般的計(jì)算和管理軟件，需要和硬件密切相關(guān)，因此只有在相應(yīng)的硬件系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試才能最后證明其正確性。5、軟件的運(yùn)用、維護(hù)和改進(jìn)

經(jīng)過(guò)測(cè)試的軟件仍然可能隱含著錯(cuò)誤。同時(shí)用戶的要求也經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化。實(shí)際上，用戶在儀表或整個(gè)系統(tǒng)未正式運(yùn)行之前，往往并沒(méi)有把所有的要求都提完全。當(dāng)投運(yùn)后，用戶常常會(huì)改變?cè)瓉?lái)的要求或提出新的要求。此外．儀表或系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境也會(huì)發(fā)生變化，所以在運(yùn)行階段需要對(duì)軟件進(jìn)行維護(hù)，即繼續(xù)排錯(cuò)、修改和擴(kuò)充。另外，軟件在運(yùn)行中，設(shè)計(jì)者常常會(huì)發(fā)現(xiàn)某些程序模塊雖然能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，但在算法上不是最優(yōu)的或在運(yùn)行時(shí)間占用內(nèi)存等方面還有改進(jìn)的必要，也需要修改程序，使其更完善。.五、系統(tǒng)集成

經(jīng)過(guò)硬件、軟件單獨(dú)調(diào)試后，即可進(jìn)入硬件、軟件系統(tǒng)集成，即將硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)集成在一起進(jìn)行聯(lián)調(diào)，找出硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間不相匹配的地方，反復(fù)修改和調(diào)試，直至排除所有錯(cuò)誤并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)室調(diào)試工作完成以后，即可組裝成機(jī)，移至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)行和進(jìn)一步調(diào)試，并根據(jù)運(yùn)行及調(diào)試中的問(wèn)題反復(fù)進(jìn)行修改。第三節(jié)加熱爐溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與組成溫度測(cè)控系統(tǒng)的硬件電路溫度測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)一、溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與組成1、溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：（1）該系統(tǒng)被控對(duì)象為用燃燒天然氣加熱的8座退火爐。則具有8爐模擬量輸入通道和8路模擬量輸出通道。（2）能夠進(jìn)行恒溫控制，也能按照一定的升溫曲線控制，溫度測(cè)量范圍為0～1000°C。（3）采用大林算法，可以實(shí)現(xiàn)滯后一階系統(tǒng)沒(méi)有超調(diào)量或有很少超調(diào)量。（4）采用4位LED數(shù)碼管顯示，一位顯示通道數(shù)，三位顯示溫度。（5）具有超限報(bào)警功能。超限時(shí)，將發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。（6）有掉電保護(hù)功能，以防止在突發(fā)掉電事故時(shí)，能及時(shí)地保護(hù)重要的系統(tǒng)參數(shù)不丟失。（7）具有16個(gè)鍵碼，10個(gè)數(shù)字鍵，6個(gè)功能鍵。2、溫度測(cè)控系統(tǒng)的組成與工作原理圖7-5退火爐溫控系統(tǒng)原理圖（1）組成系統(tǒng)由主機(jī)、輸入通道、輸出通道、鍵盤、顯示器及報(bào)警裝置組成。

被測(cè)參數(shù)溫度值由熱電偶測(cè)量后得到mV信號(hào)，經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成0～5V電壓信號(hào)；由多路開(kāi)關(guān)把8座退火爐的溫度測(cè)量信號(hào)分時(shí)地送到采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量通過(guò)I/O接口傳入到處理器。在CPU中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（數(shù)字濾波，標(biāo)度變換和數(shù)字控制計(jì)算）后，一方面送去顯示，并判斷是否需要報(bào)警；另一方面與給定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)偏差值進(jìn)行控制計(jì)算?？刂破鬏敵鼋?jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)，以帶動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。當(dāng)采樣值大于給定值時(shí)，把天然氣閥門關(guān)小，反之將開(kāi)大閥門。這樣，通過(guò)控制退火爐的天然氣的流量，達(dá)到控制溫度的目的。（2）測(cè)控系統(tǒng)工作原理二、溫度測(cè)控系統(tǒng)的硬件電路1、主機(jī)電路圖7-6主電路線圖圖主機(jī)電路由8031、存儲(chǔ)器和I/O接口電路組成，擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量的大小與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與控制功能有關(guān)，設(shè)計(jì)還要留有一定的裕量。因此，選用了2764作為程序存儲(chǔ)器，容量為8K，6264作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，容量為8K。系統(tǒng)還必須配備鍵盤、顯示以及報(bào)警裝置，因此擴(kuò)展了I/O接口電路8255，增加了系統(tǒng)的I/O口功能。

為了使各個(gè)接口能正常工作，系統(tǒng)采用了譯碼電路對(duì)所有端口進(jìn)行地址分配。根據(jù)系統(tǒng)中接口的數(shù)量，采用74LS154（4-16譯碼器）作為本系統(tǒng)的譯碼電路。其接口電路如圖7-7所示。圖7-7譯碼接口電路2、檢測(cè)元件及溫度變送器根據(jù)退火爐的溫度測(cè)量范圍為0～1000°C，檢測(cè)元件選用鎳鉻－鎳鋁熱電偶（分度號(hào)為K），其對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)為0～41.2643mV。溫度變送器選用集成一體化變送器，在0～1010°C時(shí)對(duì)應(yīng)輸出為0～5V。根據(jù)要求本系統(tǒng)使用12位A/D轉(zhuǎn)換器，因此，采樣分辨度為1010/4096≈0.250C/LSB。其溫度－數(shù)字量對(duì)照如表7-1所示。溫

度0C01002003004005006007008009001010熱電偶輸出（mV）04.108.1412.2116.4020.6524.9029.1333.2937.3341.66變送器輸出（V）00.490.981.471.972.482.993.504.004.485.00A/D輸出（H）0001913224B364E7F0991B33CCDE56FFF表7-1溫度－數(shù)字量對(duì)照表3、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)采樣圖7-8數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)采用12位A./D轉(zhuǎn)換器AD574與8031的接口電路，如圖7-8所示。由8031數(shù)據(jù)總線經(jīng)74LS175控制多路開(kāi)關(guān)的選擇控制端C,B,A以及禁止鎖存端INH，選擇一路被測(cè)參數(shù)通過(guò)CD4051，送到采樣/保持器的輸入端。采樣/保持器的工作狀態(tài)由A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志STS的狀態(tài)控制。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時(shí)，STS輸出高電平，經(jīng)反相后，變?yōu)榈碗娖剑偷絊/H的邏輯控制端，使S/H處于保持狀態(tài)，此時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器開(kāi)始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量由8031的數(shù)據(jù)總線分兩次讀到CPU寄存器。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，STS由高電平變?yōu)榈碗娖?，反相后程高電平，因而使S/H進(jìn)入采樣狀態(tài)。

4、掉電檢測(cè)電路圖7-9掉電檢測(cè)電路如圖7-9所示，掉電保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)有兩種方案：①選用E2PROM，將重要數(shù)據(jù)置于其中；②加接備用電池。穩(wěn)壓電源和備用電池分別通過(guò)二極管接于存儲(chǔ)器的Ucc端，當(dāng)穩(wěn)壓電源電壓大于備用電池電壓時(shí)，電池不供電；當(dāng)穩(wěn)壓電源掉電時(shí)，備用電池工作。儀器內(nèi)還應(yīng)設(shè)置掉電檢測(cè)電路，以便一旦檢測(cè)到失電失，將斷點(diǎn)內(nèi)容保護(hù)起來(lái)。圖中CMOS555接成單穩(wěn)形式，掉電時(shí)3端輸出低電平脈沖，作為中斷請(qǐng)求信號(hào)。光電耦合器的作用時(shí)防止干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作。在掉電瞬時(shí)，穩(wěn)壓電源在大電容支持下，仍維持供電(約幾十毫秒)，這段時(shí)間內(nèi)，主機(jī)執(zhí)行中斷服務(wù)程序，將斷點(diǎn)和重要數(shù)據(jù)置入RAM。5、鍵盤/顯示接口電路圖7-10鍵盤/顯示接口電路鍵盤與顯示電路可通過(guò)可編程接口芯片8255A與8031連接，其原理電路圖如圖7-10所示。為了使系統(tǒng)能夠直觀地顯示其溫度變化，系統(tǒng)設(shè)置了4位LED顯示器。設(shè)顯示緩沖單元位28H和29H；其顯示器第一位顯示通道號(hào)；第2~4位顯示溫度，最大為9990C。為了便于操作，顯示方法設(shè)計(jì)成兩種方式：第一，自動(dòng)循環(huán)顯示，在這種方式下，計(jì)算機(jī)可自動(dòng)地把采樣的1?！?＃退火爐的溫度不間斷地依次進(jìn)行顯示；第二，定點(diǎn)顯示，即操作人員可隨時(shí)任意查看某一座退火爐的溫度，且兩種顯示方式可任意切換。由圖7-10看出，系統(tǒng)采用的是以74LS373作為鎖存器的靜態(tài)顯示方法。74LS48為共陰極譯碼/驅(qū)動(dòng)器，LED數(shù)碼管采用的是CS5137T，8255A作為顯示接口。為了便于完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、顯示方式選擇、自動(dòng)/手動(dòng)安排，以及系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止，系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)4×4矩陣鍵盤，其中，0～9為數(shù)字鍵，A～F為功能鍵。由圖7-10可知，鍵盤接口采用8255A的PA3～PA0為行掃描接口，從B口的PB3～PB0讀入列值，該系統(tǒng)鍵盤處理為中斷方式。因此，8255A的B口工作在兩種方式下：在顯示狀態(tài)下為輸出方式；在鍵盤中斷服務(wù)程序處理過(guò)程中為輸入方式。6、報(bào)警電路圖7-11報(bào)警接口電路本系統(tǒng)選用的是聲光報(bào)警電路，采用雙色發(fā)光二極管進(jìn)行安全顯示，用8255A的PA7驅(qū)動(dòng)晶體管8050，控制語(yǔ)音芯片9561帶動(dòng)喇叭發(fā)音，實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警的目的。工作原理：雙色發(fā)光二極管進(jìn)行顯示報(bào)警時(shí)，當(dāng)LAi為高電平，而LBi為低電平時(shí)，發(fā)光二極管顯示綠色；反之，當(dāng)LAi為低電平，而LBi為高電平時(shí)，發(fā)光二極管顯示紅色；若兩者均為高電平時(shí)，顯示黃色。系統(tǒng)每個(gè)發(fā)光二極管指示一座退火爐，溫度正常時(shí)顯示綠色，高于上限值時(shí)顯示紅色，低于下限值時(shí)顯示黃色。顯示顏色的控制分別由8255A的C口和8031的P1口來(lái)實(shí)現(xiàn)。7、D/A轉(zhuǎn)換電路圖7-12部分D/A轉(zhuǎn)換電路該系統(tǒng)還設(shè)有8路D/A轉(zhuǎn)換電路，分別將處理器輸出給各路的控制量轉(zhuǎn)換成模擬量，送至對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。A/D轉(zhuǎn)換器選用8路、雙緩沖的DAC0832，輸出為4～20mA電流信號(hào)。其中一路D/A轉(zhuǎn)換電路如圖7-12所示，其它7路類同。三、溫度測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的軟件采用結(jié)構(gòu)化與模塊化設(shè)計(jì)，分為主程序、中斷服務(wù)程序，以及許多功能獨(dú)立模塊。主程序主要包括初始化模塊、監(jiān)控主程序模塊、自診斷程序模塊、鍵掃描與處理模塊、顯示模塊和手動(dòng)模塊等幾部分組成。1、系統(tǒng)主程序初始化與監(jiān)控主程序、自診斷主程序、鍵掃描與處理程序的框圖分別如圖7-13、圖7-14、圖7-15所示圖7-13主程序模塊流程圖圖7-14自診斷模塊流程圖圖7-15鍵掃描處理程序流程圖系統(tǒng)上電復(fù)位之后，單片機(jī)首先進(jìn)入系統(tǒng)的初始化模塊，該模塊的主要任務(wù)是設(shè)置堆棧指針、初始化RAM工作區(qū)以及通道地址、設(shè)置中斷和開(kāi)中斷等，模塊流程如圖6-16所示。圖7-16初始化模塊流程圖然后程序進(jìn)入自診斷模塊，在該模塊中，先由程序自身設(shè)置一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)，由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，在將多路開(kāi)關(guān)、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入CPU，CPU把得到的數(shù)據(jù)與原來(lái)設(shè)定的數(shù)據(jù)相比較，如兩者的差距在允許范圍之內(nèi)，表明自診斷正常，程序可以進(jìn)行；否則出錯(cuò)，表明儀器工作不正常，發(fā)出警告，等待及時(shí)處理。2、定時(shí)采樣處理中斷服務(wù)程序定時(shí)器采樣處理中斷服務(wù)程序即5s定時(shí)中斷服務(wù)程序，主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、報(bào)警處理、顯示通道號(hào)及溫度、直接數(shù)字控制計(jì)算和控制輸出等。其流程圖如圖7-17所示。圖7-17中斷服務(wù)程序流程圖本程序的基本思想是8個(gè)通道按功能模塊一個(gè)一個(gè)地處理。如先采樣全部數(shù)據(jù)，再完成各個(gè)通道的數(shù)字濾波等等，直到控制輸出。所以采用模塊設(shè)計(jì)方法，即每一個(gè)功能設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊。這樣讓程序一是比較簡(jiǎn)單，二是采集數(shù)據(jù)存放、處理均比較方便。因此，在中斷服務(wù)程序中，只需按順序調(diào)用各功能模塊子程序即可。（1）數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集程序的主要任務(wù)是巡回檢測(cè)8個(gè)退火爐的溫度參數(shù)，并把它們存放在外部RAM指定單元。巡回檢測(cè)的方法是先把8個(gè)通道各采樣一次，然后再采樣第二次，第三次，···直到每個(gè)通道均采樣5次為止。其采樣程序流程圖如圖7-18所示。圖7-18采樣程序流程圖（2）報(bào)警處理模塊其報(bào)警程序流程圖如圖7-19所示。該程序基本思想是：設(shè)8座退火爐上、下限報(bào)警值分別與檢測(cè)值比較，并將相應(yīng)的報(bào)警標(biāo)志位置位。圖7-19溫度報(bào)警處理程序流程圖7.4在線微量水分測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7.4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 任何自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)乃至任何工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)都源于實(shí)際需求。在高壓電器設(shè)備中，絕緣材料的含水率是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。必須對(duì)其中的絕緣介質(zhì)進(jìn)行干燥以降低含水量。為了對(duì)其干燥過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，達(dá)到既滿足干燥要求又能夠盡量節(jié)能、提高干燥效率的目的，就必須對(duì)干燥進(jìn)程進(jìn)行定量測(cè)量。圖8-2微量水分測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖7.4.2傳感器選用1．金電極2．感濕膜3．Ag—Pd電極圖8-3感濕芯片外形尺寸圖氧化鋁濕度傳感器利用氧化鋁對(duì)水分強(qiáng)的吸附性制成。工作時(shí)被測(cè)氣體中的水分子通過(guò)金層上的網(wǎng)孔被氧化鋁的細(xì)孔壁吸附或釋放，并與周圍的水蒸氣壓迅速達(dá)到平衡。由于水分的介電常數(shù)大，細(xì)孔壁吸附水分子后等效電容變大，即電容量隨濕度變化，濕度越大電容量也越大，反之則小。這種傳感器具有響應(yīng)速度快、抗結(jié)露及抗污染能力強(qiáng)、無(wú)需加熱清洗、長(zhǎng)期使用性能穩(wěn)定可靠等許多優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量范圍，因此適于超微量水分測(cè)量。7.4.3信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖8-4差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖圖8-5差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖輸出的直流電壓與傳感器電容和固定電容之間的差值成正比。差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路只采用直流電源，無(wú)需振蕩器，也就不存在載波波形純度的要求；輸出信號(hào)一般為10kHz——1MHz的矩形脈沖，只要配置一個(gè)低通濾波器就能得到直流信號(hào)；對(duì)矩形波的純度要求不高，也不需要相敏檢波器，從而避免了伴隨而來(lái)的線性問(wèn)題。前置電路的輸出信號(hào)經(jīng)二級(jí)有源低通濾波器濾波后得到了直流信號(hào)。為保證能對(duì)信號(hào)進(jìn)行直接模數(shù)轉(zhuǎn)換、提高信號(hào)的抗干擾能力及儀器的靈敏度，還必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。放大后的直流信號(hào)通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，再送入8031單片機(jī)的CPU中，處理后送顯示或打印。本系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換器采用12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A，它能使系統(tǒng)達(dá)到較高的測(cè)量精度。數(shù)字系統(tǒng)除了核心單元8031外，還擴(kuò)展了8KB的程序存儲(chǔ)器EPROM2764和8KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM6264，并行接口芯片8255作為單片機(jī)與顯示器、鍵盤及打印機(jī)的接口，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的預(yù)置及濕度值的顯示及打印。7.4.4微量水分測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)用MCS-51匯編語(yǔ)言編程，經(jīng)調(diào)試通過(guò)的程序固化在EPROM之中。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先由主程序完成各種初始化工作，包括8031片內(nèi)特殊功能寄存器SFR的初始化，8255等接口的初始化及數(shù)據(jù)緩沖區(qū)初始狀態(tài)的設(shè)定；然后發(fā)A／D啟動(dòng)脈沖，采樣濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)標(biāo)度變換后送顯示或打印。圖8-6主程序流程圖7.5啤酒瓶殘留清洗液在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7.5.1設(shè)計(jì)任務(wù)需要將含有殘留清洗液的不合格瓶子剔除，確保實(shí)際用于灌裝的瓶酒瓶清洗干凈且不含清洗液殘留物。人工檢驗(yàn)耗費(fèi)工時(shí)，工人工作單調(diào)，容易造成視覺(jué)疲勞，檢驗(yàn)的速度和精度都很有限。分辨率為1ml堿液或4ml自來(lái)水，檢測(cè)速度為72000瓶/小時(shí)，不合格瓶檢出率為99.99%，合格瓶誤檢出率為1%。7.5.2設(shè)計(jì)任務(wù)難點(diǎn)分析1檢測(cè)的高速性2檢測(cè)的非接觸性3分辨率要求高且被測(cè)物質(zhì)不唯一4自動(dòng)剔除5較強(qiáng)的抗干擾能力，穩(wěn)定性、可靠性要求高7.5.3檢測(cè)原理研究圖8-7高頻殘留液檢測(cè)裝置示意圖圖8-8有殘液容器經(jīng)過(guò)時(shí)兩極間的等效電路有無(wú)殘留液的瓶子經(jīng)過(guò)時(shí)，在接收電極上產(chǎn)生的電流的變化量

Z2是激勵(lì)頻率、耦合電容、殘留液等效阻抗的函數(shù)，因此流過(guò)電極的電流的變化量是激勵(lì)電壓、激勵(lì)頻率、耦合電容、殘留液等效電阻的函數(shù)。耦合電容的大小取決于殘留液的體積，殘留液的等效電阻取決于殘留液體積和濃度，等效阻抗是殘留液數(shù)量和濃度的綜合體現(xiàn)。當(dāng)激勵(lì)電壓和激勵(lì)頻率都是一定的時(shí)候，電流值只和殘留液的體積和濃度有關(guān)。于是，殘留液的有關(guān)信息被轉(zhuǎn)換為電流的變化量，實(shí)現(xiàn)了非電量到電量的轉(zhuǎn)換。圖8-9交流頻率為4.5MHz，電壓12V時(shí),有殘留液和無(wú)殘留液時(shí)的曲線對(duì)比7.5.4檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1激勵(lì)電壓和頻率的選擇單純從上式看來(lái)，激勵(lì)電壓越高，耦合電流的變化量就越大，檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度也就應(yīng)該越好。但通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激勵(lì)源電壓增高到一定程度時(shí)，再進(jìn)一步提高該電壓，噪聲影響將明顯增大，信噪比不僅不能提高反而下降。因此存在著激勵(lì)電壓的優(yōu)選問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)激勵(lì)電壓在12V——18V，頻率在6MHz——8MHz時(shí)效果較好。2電極設(shè)計(jì)

主要是確定電極的形狀、幾何尺寸、電極間距。檢測(cè)極板的形狀、幾何尺寸設(shè)計(jì)原則是能夠最有效的檢測(cè)單個(gè)被測(cè)瓶，并且在輸送帶上與被測(cè)瓶相鄰的其他待測(cè)瓶或已測(cè)瓶不會(huì)對(duì)正在實(shí)施的針對(duì)被測(cè)瓶的檢測(cè)產(chǎn)生干擾。換言之，應(yīng)該保證檢測(cè)電極能夠最有效的檢測(cè)處于兩檢測(cè)極板之間的被檢測(cè)瓶，而不會(huì)受到其前面的已經(jīng)檢測(cè)過(guò)的瓶子和后面的尚未進(jìn)入檢測(cè)區(qū)的瓶子的干擾。唯有如此，才能夠?qū)Ρ粰z測(cè)瓶做出準(zhǔn)確的判斷。將檢測(cè)電極設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，其長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為瓶子的直徑，其高度根據(jù)允許殘留液的上限確定。至于電極的厚度，則是在保證機(jī)械強(qiáng)度的前提下越薄越好。越薄意味著邊緣效應(yīng)的影響越小檢測(cè)電極之間的距離應(yīng)能根據(jù)被檢瓶的直徑進(jìn)行調(diào)整。合適的電極間距對(duì)于提高靈敏度、降低誤檢率等有重要作用。極板間距應(yīng)該考慮多方面的因素，綜合考慮，多次調(diào)試，選擇最優(yōu)的距離。由于極板電容邊緣效應(yīng)的存在，檢測(cè)系統(tǒng)將受到來(lái)自檢測(cè)極板周圍的不銹鋼傳送帶、支架的影響。這種影響不僅使傳感系統(tǒng)靈敏度降低，而且會(huì)加重檢測(cè)系統(tǒng)的非線性，因此應(yīng)該盡量消除或減小它。檢測(cè)電極無(wú)法遠(yuǎn)離傳送帶和支架，只能通過(guò)盡量減小電極間距、減小電極厚度、可靠接地、有效屏蔽來(lái)減小邊緣效應(yīng)的影響。3系統(tǒng)總體框圖圖8-10殘留液檢測(cè)系統(tǒng)的整體功能結(jié)構(gòu)框圖激勵(lì)源利用晶體振蕩電路產(chǎn)生頻率和電壓值都很穩(wěn)定的振蕩信號(hào)，再經(jīng)過(guò)整形和功率放大電路后變成方波，將這個(gè)方波信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。從激勵(lì)源出來(lái)的交流激勵(lì)信號(hào)施加于電極上，當(dāng)有殘留液的容器處在兩個(gè)電極之間的檢測(cè)區(qū)域時(shí)，電極和其靠近的殘留液的截面形成兩個(gè)耦合電容C1、C2。殘留液相當(dāng)于一個(gè)電阻R，該電阻連接兩個(gè)耦合電容。通過(guò)檢測(cè)極板之間的等效電導(dǎo)，就能獲取容器內(nèi)殘留液的信息。電容C1和電容C2的電容值的大小反映殘留液的體積大小，電阻R的大小反映殘留液導(dǎo)電能力的大小，電極之間的等效導(dǎo)納是殘留液體積和殘留液導(dǎo)電能力的綜合體現(xiàn)。從電極出來(lái)的耦合信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、高頻放大電路放大，再經(jīng)過(guò)峰值檢波電路檢波，變換成直流電壓信號(hào)。直流電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)低頻放大處理，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算電路變換就成了單片機(jī)能夠直接進(jìn)行A/D采樣的電壓信號(hào)。通過(guò)A/D采樣，得到電壓的值和設(shè)定的值進(jìn)行比較判斷，然后輸出一個(gè)信號(hào)到剔除器，剔除器將不合格瓶子予以剔除。4高穩(wěn)定性直流電源設(shè)計(jì)圖8-11以運(yùn)算放大器為核心的極性變換電路事實(shí)上，由于內(nèi)容參數(shù)的離散性以及自舉電路結(jié)構(gòu)的影響，集成功放輸出端的電壓并不是絕對(duì)的VCC/2，從而造成正、負(fù)輸出電壓不平衡的現(xiàn)象。為此，將一只10～100kΩ的電位器替代原來(lái)有等值電阻構(gòu)成的分壓電路就可以克服這種輸出電壓不平衡的現(xiàn)象。具體電路如圖8-12所示，圖中功放選用的是LM386。通過(guò)調(diào)節(jié)功放的直流輸入電平，就可以在芯片的輸出端得到大小非常接近的正負(fù)電壓值了。該電路不僅能克服內(nèi)容參數(shù)的離散性以及自舉電路結(jié)構(gòu)的影響，也能同時(shí)克服正、負(fù)電源的負(fù)載不對(duì)稱所帶來(lái)的影響。圖8-12改進(jìn)的以功率運(yùn)算放大器為核心的極性變換電路5高頻激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)圖8-15石英晶體多諧振蕩器電路6高頻傳感信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)圖8-16高頻小信號(hào)諧振放大器7峰值檢波電路設(shè)計(jì)圖8-19帶運(yùn)算放大器的峰值檢波器8低頻放大電路設(shè)計(jì)圖8-20低頻放大電路7.5.5數(shù)字處理單元設(shè)計(jì)7.6空氣壓縮機(jī)的曲軸工作應(yīng)力測(cè)試

選用通用測(cè)量?jī)x器組成測(cè)量系統(tǒng)，其一般步驟如下：1)對(duì)待測(cè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工作情況進(jìn)行分析，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范制定測(cè)試方案。2)確定測(cè)試部位，合理布置測(cè)量點(diǎn)。3)選擇合適的應(yīng)變計(jì)、傳感器和測(cè)量?jī)x器。4)進(jìn)行測(cè)試，包括清理測(cè)量點(diǎn)、貼應(yīng)變片、校準(zhǔn)儀器、裝接導(dǎo)線、