机电一体化系统设计第四章

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1、第四章第四章 检测系统设计检测系统设计本章主要学习内容：本章主要学习内容：第一节第一节 检测系统概述检测系统概述第二节第二节 检测系统中常用转换电路检测系统中常用转换电路第三节第三节 模拟信号检测系统设计模拟信号检测系统设计第四节第四节 数字式传感器信号的检测数字式传感器信号的检测第一节 检测系统概述一、检测系统的功用及组成一、检测系统的功用及组成 检测系统是机电一体化系统五大结构要素之一，用于实现计测功能。没有检测系统，机电一体化设备就无法实现高精度、高性能、自动化。检测系统对于机电系统，就像人的感官对于人一样的重要。检测系统的性能直接影响机电系统的性能。测不准就控不准。 检测系统的构成：

2、传感器（感受并转换各种物理量）；转换电路（变换、放大、调制解调、滤波、运算 等）；数据采集转换；计算机数据处理（显示、控制）。这就组成检测系统二、机电一体化对检测系统的要求二、机电一体化对检测系统的要求对检测系统的要求是：精度、灵敏度和分辨率高；精度、灵敏度和分辨率高；线性、稳定性和重复性好；线性、稳定性和重复性好；静、动态特性好；静、动态特性好；抗干扰能力强。抗干扰能力强。这些要求归纳出是三方面的要求：精度高、动态特精度高、动态特性好、精度保持性好。性好、精度保持性好。另外，体积小、质量轻、成本低、便于使用维修等也是照例要求。三、检测系统设计的主要内容三、检测系统设计的主要内容 检测系统的设

3、计内容就是根据系统的组成，采用理论和实践相结合的方法设计各组成部分，并使各组成部分之间匹配，达到要求。具体的设计内容：1、根据检测要求和条件选择合适的传感器。2、根据传感器和检测要求选择或设计检测电路（包括基本转换电路、信号预处理电路等）3、根据精度和速度要求设计计算机数据采集和数据处理系统（包括计算机接口电路，数字信号预处理，线性、增益、零位补偿等，显示控制）检测系统设计内容图示检测系统设计内容图示选择合适的传感器选择或设计转换电路设计计算机数据采集、处理系统（接口和数据处理）四、检测系统设计步骤四、检测系统设计步骤 检测系统的设计方法一般采用实验分析法：理论分析计算和实验测试相结合。检测系

4、统设计一般步骤：1、设计任务和技术要求分析（精度、方法、条件等）2、系统方案选择（传感器、电路、数据采集方法等）3、系统总体框图（反映各环节的要求、方案和参数等）4、各环节设计、实验5、总装调试、实验分析6、系统运行考核第四章第四章 检测系统设计检测系统设计本章主要学习内容：本章主要学习内容：第一节第一节 检测系统概述检测系统概述第二节第二节 检测系统中常用转换电路检测系统中常用转换电路第三节第三节 模拟信号检测系统设计模拟信号检测系统设计第四节第四节 数字式传感器信号的检测数字式传感器信号的检测 第二节 检测系统中常用转换电路 转换电路用于对传感器信号进行转换、传送、调理，是检测系统中重要环

5、节，是影响检测系统性能的主要环节。转换电路包括变换、放大、调制解调、滤波、运算 、整形等电路。 根据两大类传感器：模拟量传感器、脉冲量传感器有许多不同种类的转换电路，但大多为模拟量转换电路，因为模拟量传感器的种类多、数量大。但是在数控机床领域内应用光栅、光电编码盘等脉冲量传感器占主流。对此，也要有所了解。i1基尔霍夫电压定理基尔霍夫电压定理基尔霍夫电压定理基尔霍夫电压定理i1+i2i1i22 2、差动电路、差动电路a)a)b)b)c)c)0Vi=Ui/2Z0+iZ=0.5Ui0-iZ=-0.5Uid)d)3、非差动桥式电路、非差动桥式电路a)-0.5Ui0.5Uib)-0.5Ui相角相角幅值幅

6、值当当 时，时，c)相角相角幅值幅值当当 时，时，4、调频电路、调频电路电容传感器电容传感器5、脉冲调宽电路、脉冲调宽电路比较器比较器参考电压参考电压（二）信号放大电路（二）信号放大电路各种放大电路是检测转换电路中最频繁采用的电路，放大电路的性能对检测精度具有直接影响。对放大电路的要求：输入阻抗高、抗噪声干扰（高的共模抑制比、减小热噪声）等。1、高输入阻抗放大器1 1、高输入阻抗放大器、高输入阻抗放大器( (续）续）2 2、高共模抑制比放大器（差动放大器）、高共模抑制比放大器（差动放大器）2 2、高共模抑制比放大器（差动放大器）、高共模抑制比放大器（差动放大器）UrUr2 2、高共模抑制比放大

7、器（差动放大器）、高共模抑制比放大器（差动放大器）UaUaUbUc差动放大器（续）差动放大器（续）仪表放大器仪表放大器电容传感器电容传感器4 4、线性化放大器、线性化放大器4 4、线性化放大器、线性化放大器( (续续) )5 5、可变增益放大器、可变增益放大器6 6、电荷放大器、电荷放大器用于压电式传感器把电荷数转换成电压。（三）信号调制与解调电路（三）信号调制与解调电路 调制解调电路在通讯中主要用于信号区分和传送。而在检测电路中主要用于信号变换，比如接入传感器的交流电桥电路就是调幅电路对传感器信号进行变换-电参量转换成电压量。调制信号最后还要进行解调信号还原。调制有幅值调制、频率调制、相位调

8、制。-被测信号的变化规律调制（调节）载波的幅值。-被测信号的变化规律调制（调节）载波的频率。-被测信号的变化规律调制（调节）载波的相位。已调制波形已调制波形1 1、调幅与解调电路、调幅与解调电路幅度调制与解调过程（波形分析幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)Vin（1 1）调幅电路（交流电桥）调幅电路（交流电桥） 交流电桥是 乘法器V0=x(t) Vin =xm(t)为调幅波信号， Vin为载波。VinVoR1R3R2R4（2 2）调幅解调电路（二极管包络检波）调幅解调电路（二极管包络检波）（2 2）调幅解调

9、电路（三极管包络检波）调幅解调电路（三极管包络检波）四个特性相同的二极管D1D4组成电桥形式。变压器A输入调幅波信号eo。变压器B接有参考信号ex， ex与载波信号的相位和频率均相同，用作极性识别的标准。 R1为负载电阻。当调制信号与参考信号相位相同时，由下图可以看出相敏检波器中电流当调制信号与参考信号相位相同时，由下图可以看出相敏检波器中电流i1流过负载流过负载R1的方向，即此时输出电压的方向，即此时输出电压eo1为正值。为正值。当调制信号与参考信号相位相差当调制信号与参考信号相位相差180度时（调幅波度时（调幅波eo相对于载波相对于载波ex的极性的极性正好相差正好相差180），电流），电流

10、i1流过负载流过负载R1的方向与之前相反，即此时输出电的方向与之前相反，即此时输出电压压eo1为负值。为负值。 载波；被调制信号调制后的信号相敏检波后滤波后2 2、调频与解调、调频与解调 调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波。 （1 1）调频电路）调频电路 若采用电容传感器，若采用电容传感器，C1为为传感器电容；传感器电容； 若采用电阻式传感器，若采用电阻式传感器，Rb为传感器电阻为传感器电阻（2 2）微分鉴频电路）微分鉴频电路微分后通过检测幅值的变化，即可获得调制信号微分后通过检测幅值的变化，即可获得调制信号幅值幅

11、值 CD与晶体管与晶体管VT发射结正向电阻构成微分电路；发射结正向电阻构成微分电路；VT与与RL构成包络检波电路；二极管一方面提供偏压，一方构成包络检波电路；二极管一方面提供偏压，一方面对面对CD放电。放电。3 3、调相与解调、调相与解调调相是由传感器信号影响或控制某高频载波的相位。（1）调相（2 2）鉴相（比相）鉴相（比相）鉴相的方法有：异或门鉴相、RS触发器鉴相、脉冲采样鉴相等，基本方法是将调相信号与基准信号比相。fcf(四四)滤波电路滤波电路滤波器具有对信号的选频特性，作用：滤除信号中的噪声与干扰信号、滤除调制信号中的载波等。滤波器按选择的频率范围分有四种：低通滤波器、高通滤波器、带通滤