《機電一體化導(dǎo)論》課件-第8章 機電一體化產(chǎn)品檢測技術(shù)

第8章機電一體化產(chǎn)品

的檢測技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)：1.檢測系統(tǒng)的組成和分類；2.檢測信號的變換。能力目標(biāo)：1.概括總結(jié)所學(xué)知識的能力；2.分析問題、解決問題的能力；學(xué)習(xí)重、難點學(xué)習(xí)重點：

1.檢測系統(tǒng)的組成；

2.檢測系統(tǒng)的信號變換。學(xué)習(xí)難點：

1.檢測系統(tǒng)組成方式；

2.檢測中的信號變換。本章主要內(nèi)容檢測技術(shù)的地位和作用

8.1檢測系統(tǒng)的組成8.2檢測系統(tǒng)的分類

8.3檢測系統(tǒng)的信號變換8.4小結(jié)課后作業(yè)檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢8.58.1檢測技術(shù)的地位與作用檢測概念：是指在各類生產(chǎn)、科研、試驗及服務(wù)等各個領(lǐng)域為及時獲得被測、被控對象的有關(guān)信息而實時或非實時地對一些參量進行定性檢查和定量測量。檢測的地位：必不可少。檢測的作用：在工業(yè)生產(chǎn)、軍工、日常生活等方面對提高生產(chǎn)效率、安全、產(chǎn)品精度、生活質(zhì)量等發(fā)揮重要作用。8.2檢測系統(tǒng)的組成8.2.1模擬信號檢測系統(tǒng)模擬式傳感器是目前應(yīng)用最多的傳感器。其檢測系統(tǒng)的基本組成如圖8.1所示。圖8.1模擬信號檢測系統(tǒng)的基本組成振蕩器：調(diào)制傳感器信號，為解調(diào)提供參考信號；量程變換電路：避免放大器飽和并滿足不同測量范圍需要；放大器：放大信號；解調(diào)器：將已調(diào)制信號恢復(fù)成原有形式；濾波器：濾除干擾信號，取出有效信號；運算電路：處理信號，正確獲得所需的物理量；模/數(shù)轉(zhuǎn)換器：將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；計算機：進一步處理信號，提供控制或顯示信號；顯示、執(zhí)行機構(gòu)：顯示或打印輸出有關(guān)信息，執(zhí)行相關(guān)操作命令。8.2.2數(shù)字信號檢測系統(tǒng)

數(shù)字檢測系統(tǒng)首先通常由各種傳感器（變送器）將非電被測物理或化學(xué)成分參量轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)信號調(diào)理（信號轉(zhuǎn)換、信號檢波、信號濾波、信號放大等）、數(shù)據(jù)采集、信號處理、信號顯示、信號輸出以及系統(tǒng)所需的交、直流穩(wěn)壓電源和必要的輸入設(shè)備(如撥動開關(guān)、按鈕、數(shù)字撥碼盤、數(shù)字鍵盤等)便組成了一個完整的檢測（儀器）系統(tǒng)，其各部分關(guān)系如圖8.2所示。圖8.2

數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的基本組成1．傳感器傳感器是檢測系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的器件或裝置。它的作用是感受指定被測參量的變化并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成一個相應(yīng)的便于傳遞的輸出信號。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換部分組成；其中，敏感元件為傳感器直接感受被測參量變化的部分，轉(zhuǎn)換部分作用通常是將敏感元件輸出轉(zhuǎn)換為便于傳輸和后續(xù)處理的電信號。對傳感器有如下要求：

(1)準(zhǔn)確性：傳感器的輸出信號必須準(zhǔn)確地反應(yīng)其輸入量，即被測量變化。因此，傳感器的輸出與輸入關(guān)系必須是嚴(yán)格的單值函數(shù)關(guān)系，最好是線性關(guān)系。

(2)穩(wěn)定性：傳感器的輸入、輸出的單值函數(shù)關(guān)系最好不隨時間和溫度而變化，受外界其他因素的干擾影響亦應(yīng)很小，重復(fù)性要好。

(3)靈敏度：即要求被測參量較小的變化就可使傳感器獲得較大的輸出信號。

(4)其他：如耐腐蝕性好、低能耗、輸出阻抗小和售價相對較低等。2．信號調(diào)理信號調(diào)理在檢測系統(tǒng)中的作用是對傳感器輸出的微弱信號進行檢波、轉(zhuǎn)換、濾波、放大等，以方便檢測系統(tǒng)后續(xù)處理或顯示。對信號調(diào)理電路的一般要求是：

(1)能準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定放大、可靠地傳輸信號。

(2)信噪比高，抗干擾性能要好。3．?dāng)?shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集（系統(tǒng)）在檢測系統(tǒng)中的作用是對信號調(diào)理后的連續(xù)模擬信號離散化并轉(zhuǎn)換成與模擬信號電壓幅度相對應(yīng)的一系列數(shù)值信息，同時以一定的方式把這些轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)及時傳遞給微處理器或依次自動存儲。4．信號處理信號處理模塊是現(xiàn)代檢測儀表、檢測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和各種控制的中樞環(huán)節(jié)。信號處理模塊通常以各種型號的單片機、微處理器為核心來構(gòu)建，對高頻信號和復(fù)雜信號的處理有時需增加數(shù)據(jù)傳輸和運算速度快、處理精度高的專用高速數(shù)據(jù)處理器（DSP）或直接采用工業(yè)控制計算機。5．信號顯示顯示器是檢測系統(tǒng)與人聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)之一，顯示器一般可分為指示式（模擬式）、數(shù)字式和屏幕式三種。（1）指示式顯示：被測參量數(shù)值大小由光指示器或指針在標(biāo)尺上的相對位置來表示。(2)數(shù)字式顯示：以數(shù)字形式直接顯示出被測參量數(shù)值的大小。

(3)屏幕顯示：類似電視顯示方法，具有形象性和易于讀數(shù)的優(yōu)點，又能同時在同一屏幕上顯示一個被測量或多個被測量的(大量數(shù)據(jù)式)變化曲線，有利于對它們進行比較、分析。6．信號輸出在許多情況下，檢測儀表和檢測系統(tǒng)在信號處理器計算出被測參量的瞬時值后除送顯示器進行實時顯示外，通常還需把測量值及時傳送給控制計算機、可編程控制器（PLC）或其他執(zhí)行器、打印機、記錄儀等，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)打?。ㄓ涗洠┹敵觥?．輸入設(shè)備用于輸入設(shè)置參數(shù)、下達有關(guān)命令等。最常用的輸入設(shè)備是各種鍵盤、撥碼盤、條碼閱讀器等。8．穩(wěn)壓電源一個檢測儀表或檢測系統(tǒng)往往既有模擬電路部分，又有數(shù)字電路部分，通常需要多組幅值大小要求各異但均需穩(wěn)定的電源。8.3檢測系統(tǒng)的分類1．按被測參量分類常見的被測參量可分為以下幾類：(1)電工量：電壓、電流、電功率、電阻、電容、頻率、磁場強度、磁通密度等。(2)熱工量：溫度、熱量、比熱、熱流、熱分布，壓力、壓差、真空度，流量、流速，物位、液位、界面等。(3)機械量：位移、形狀，力、應(yīng)力、力矩，重量、質(zhì)量，轉(zhuǎn)速、線速度，振動、加速度、噪聲等。(4)物性和成分量：氣體成分、液體成分、固體成分、酸堿度、鹽度、濃度、粘度、粒度、密度、比重等。(5)光學(xué)量：光強、光通量、光照度、輻射能量等。(6)狀態(tài)量：顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏、表面質(zhì)量等。2．按被測參量的檢測轉(zhuǎn)換方法分類被測參量通常是非電物理或化學(xué)成分量，通常需用某種傳感器把被測參量轉(zhuǎn)換成電量，以便于作后續(xù)處理。被測量轉(zhuǎn)換成電量的方法很多，最主要的有下列幾類提供:(1)電磁轉(zhuǎn)換：電阻式、應(yīng)變式、壓阻式、熱阻式、電感式、互感式(差動變壓器)、電容式、阻抗式(電渦流式)、磁電式、熱電式、壓電式、霍爾式、振頻式、感應(yīng)同步器、磁柵。(2)光電轉(zhuǎn)換：光電式、激光式、紅外式、光柵、光導(dǎo)纖維式。(3)其他能/電轉(zhuǎn)換：聲/電轉(zhuǎn)換（超聲波式）、輻射能/電轉(zhuǎn)換（X射線式、β射線式、r射線式）、化學(xué)能/電轉(zhuǎn)換（各種電化學(xué)轉(zhuǎn)換）。3．按使用性質(zhì)分類檢測儀表按使用性質(zhì)通?？煞譃闃?biāo)準(zhǔn)表、實驗室表和工業(yè)用表等三種。“標(biāo)準(zhǔn)表”顧名思義是各級計量部門專門用于精確計量、校準(zhǔn)送檢樣品和樣機的標(biāo)準(zhǔn)儀表?！皩嶒炇冶怼保嘤糜诟黝悓嶒炇抑?，它的使用環(huán)境條件較好，故往往無特殊的防水、防塵措施?！肮I(yè)用表”是長期安裝使用于實際工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場上的檢測儀表與檢測系統(tǒng)。8.4檢測系統(tǒng)的信號變換在機電一體化產(chǎn)品中，控制和信息處理功能多數(shù)采用計算機來實現(xiàn)。因此，檢測信號一般都需要被采集到計算機中做進一步處理，以便獲得所需的信息。模擬式傳感器輸出的是連續(xù)信號，首先必須將其轉(zhuǎn)換成能夠被計算機接收的數(shù)字信號，然后才送入計算機進行處理。8.4.1模擬量的輸入轉(zhuǎn)換

(b)(a)(c)(d)圖8.3模擬量輸入轉(zhuǎn)換方式1.模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式模擬量的輸入轉(zhuǎn)換方式主要有四種，如圖8.3所示。圖8.3（a）是最簡單的一種方式。傳感器輸出的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過三態(tài)緩沖器送入計算機總線。這種方式僅適用于只有一路檢測信號的場合。第二種方式如圖8.3（b）所示，多路檢測信號共用一個A/D轉(zhuǎn)換器，通過多路模擬開關(guān)依次對各路信號進行采樣，其特點是電路簡單，節(jié)省元器件，但信號采集速度低，不能獲得同一瞬時的各路信號。第三種方式如圖8.3（c）所示，它與第二種方式的主要區(qū)別是信號的采集/保持電路在多路開關(guān)之前，因而可獲得同一瞬時的各路信號。圖8.3（d）所示為第四種方式，其中各路信號都有單獨的采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換通道，可根據(jù)檢測信號的特點，分別采用不同的采樣/保持電路或不同精度的A/D轉(zhuǎn)換器，因而靈活性大，抗干擾能力強，但電路復(fù)雜，采用的元器件較多。2.多路模擬開關(guān)多路模擬開關(guān)又稱為多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，簡稱多路開關(guān)，其作用是分別或依次把各路檢測信號與A/D轉(zhuǎn)換器接通，以節(jié)省A/D轉(zhuǎn)換器件。

圖8.4

多路模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)圖8.4表示一個8通道的模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖，它由模擬開關(guān)S0~S7及開關(guān)控制與驅(qū)動電路組成。8個模擬開關(guān)的接通與斷開，通過用二進制代碼尋址來指定，從而選擇特定的通道。例如當(dāng)開關(guān)地址為000時，S0開關(guān)接通，S1~S7均斷開，當(dāng)開關(guān)地址為111時，S7開關(guān)接通，其他7個開關(guān)斷開。3.信號采集與保持所謂采集，就是把時間連續(xù)的信號變成一串不連續(xù)的脈沖時間序列的過程。信號采樣是通過采樣開關(guān)來實現(xiàn)。采樣開關(guān)又稱采樣器，實質(zhì)上它是一個模擬開關(guān)，每隔時間間隔T閉合一次，每次閉合持續(xù)時間τ，其中，T稱為采樣周期，其倒數(shù)fs=1/T稱為采樣頻率，τ稱為采樣時間或采樣寬度，采樣后的脈沖序列稱為采樣信號。采樣信號是一個離散的模擬信號，它在時間軸上是離散的，但在函數(shù)軸上仍是連續(xù)的，因而還需要用A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換過程需要一定時間，為防止產(chǎn)生誤差，要求在此期間內(nèi)保持采樣信號不變。實現(xiàn)這一功能的電路稱采樣/保持電路。典型的采樣/保持電路由模擬開關(guān)、保持電容和運算放大器組成，如圖8.6所示。運算放大器N1和N2接成跟隨器，作緩沖器用。當(dāng)控制信號Uc為高電平時場效應(yīng)管VF導(dǎo)通，對輸入信號采樣。輸入信號ui通過N1和VF向電容C充電，并通過N2輸出uo。由于N1的輸出阻抗很小，N2的輸出阻抗很大，因而在VF導(dǎo)通期間uo=ui。當(dāng)Uc為低電平時，VF截止，電容C將采樣器間的信號電平保持下來，并經(jīng)N2緩沖后輸出。該電路中，場效應(yīng)管VF即為采樣開關(guān)，其關(guān)斷電阻和N2的輸入阻抗越高，C的泄漏電阻越大，uo的保持時間就越長，保持精度越好。圖8.6

采樣/保持電路圖8.7是單片集成的LF198采樣/保持電路原理圖，其中S是模擬開關(guān)，A是開關(guān)驅(qū)動電路，二極管VD1和VD2是開關(guān)保護電路。當(dāng)控制信號Uc為高電平時，S閉合，uo=ui；當(dāng)Uc為低電平時，S斷開，ui被保持在外接電容C上。在S斷開期間，若ui發(fā)生變化，N1的輸出uo′可能變化很大甚至超過開關(guān)電路所能承受的電壓，這時由二極管構(gòu)成的保護電路可將uo′嵌位在ui+UD范圍內(nèi)（UD為二極管正向電壓降）。圖8.7LF198采樣/保持電路8.4.2數(shù)字信號的預(yù)處理傳感器的輸出信號被采入計算機后往往要先進行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，其目的是去除混雜在有用信號中的各種干擾，并對檢測系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進行補償和修正。數(shù)字信號預(yù)處理一般用軟件的方法來實現(xiàn)。1.數(shù)字濾波（1）中值濾波（2）算術(shù)平均濾波（3）滑動平均濾波（4）低通濾波2.靜態(tài)誤差補償（1）非線性補償在機電一體化產(chǎn)品中，常用軟件方法對傳感器的非線性傳輸特性進行補償校正，以降低對傳感器的要求。圖8.9（a）為傳感器的非線性校正系統(tǒng)。當(dāng)傳感器及其調(diào)理電路至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入—輸出有非線性，如圖8.9（b）所示，可按圖8.9（c）所示的反非線性特性進行轉(zhuǎn)換，進行非線性的校正，使輸出y與輸入x呈理想直線關(guān)系，如圖8.9（d）所示。（a）傳感器非線性校正系統(tǒng)框圖（b）輸入x—輸出u特性（c）反非線性特性u—x

（d）校正后傳感器系統(tǒng)的輸入輸出特性（2）零位誤差補償檢測系統(tǒng)的零位誤差是由溫度漂移和時間漂移引起的。采用軟件對零位誤差進行補償?shù)姆椒ㄓ址Q數(shù)字調(diào)零。（3）增益誤差補償增益誤差同樣是由溫度漂移和時間漂移等引起的。增益誤差