第四章检测系统设计

第四章检测系统设计 本章主要学习内容：第一节检测系统概述第二节检测系统中常用转换电路第三节模拟信号检测系统设计第四节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：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 对检测系统的要求是：精度、灵敏度和分辨率高；线性、稳定性和重复性好；静、动态特性好；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 检测系统的设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 设计计算机数据采集、处理系统（接口和数据处理）选择合适的传感器选择或设计转换电路

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

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第二节检测系统中常用转换电路 一、转换电路的作用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。

二、模拟信号转换电路 （一）基本转换电路 1、分压电路 a）电阻分压电路

（b）串联谐振分压电路 负载开路且不考虑漏磁 i1 基尔霍夫电压定理

（c）并联谐振分压电路 i1+i2 i1 i2 基尔霍夫电压定理

（d）光电分压电路

2、差动电路

c) 0+iZ=0.5Ui i=Ui/2Z 0V 0-iZ=-0.5Ui

3、非差动桥式电路

a) 0.5Ui -0.5Ui

b) 幅值相角 -0.5Ui 当时，

c) 幅值相角当时，

4、调频电路 电容传感器

5、脉冲调宽电路 比较器参考电压

（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 Ad 差模放大倍数，Zi开环输入阻抗

1、高输入阻抗放大器(续） U2 U2 为提高共模抑制比

2、高共模抑制比放大器（差动放大器）

2、高共模抑制比放大器（差动放大器） Ur Ur 共模增益为0，共模抑制比无穷大

2、高共模抑制比放大器（差动放大器） Ub Ua Ua Uc

差动放大器（续） 仪表放大器

3、参量放大器 电参数的变化转化为电压的变化电容传感器由于负端无其它电流输出，电路稳定后，两电容所存储的电荷量相等标准电容C0所存储电荷量为Q=uiC0 因而输出端电压为Q/C 为减小电缆芯线与屏蔽层间寄生电容，常采用驱动电缆技术

4、线性化放大器 某些环节，如传感器，其输入输出关系非线性。线性化放大器的作用在于，通过反馈环节，使得系统输入x与输出uo之间保持线性关系，可采用。其基本原理如下：设

4、线性化放大器(续) 只要使得反馈环节具有与传感器相同的输入输出特性，就可实现整体线性的目标。

5、可变增益放大器

6、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 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、相位调制。幅值调制（调幅）---被测信号的变化规律调制（调节）载波的幅值。频率调制（调频）---被测信号的变化规律调制（调节）载波的频率。相位调制（调相）---被测信号的变化规律调制（调节）载波的相位。

已调制波形

1、调幅与解调电路 幅度调制与解调过程（波形分析） x(t) z(t) 乘法器 x m(t) 放大器 Vin z(t) 乘法器滤波器 x(t)

Vo R3 R1 Vin R4 R2 （1）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。

（2）调幅解调电路（二极管包络检波）

（2）调幅解调电路（三极管包络检波）

（2）解调电路（相敏检波电路） 四个特性相同的二极管D1~D4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。机电一体化系统设计

（2）解调电路（相敏检波电路） 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R1的方向，即此时输出电压eo1为正值。当调制信号与参考信号相位相差180度时（调幅波eo相对于载波ex的极性正好相差180°），电流i1流过负载R1的方向与之前相反，即此时输出电压eo1为负值。

载波； 被调制信号调制后的信号相敏检波后滤波后机电一体化系统设计

2、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）调频电路 若采用电容传感器，C1为传感器电容；若采用电阻式传感器，Rb为传感器电阻

（2）微分鉴频电路 幅值微分后通过检测幅值的变化，即可获得调制信号 CD与晶体管VT发射结正向电阻构成微分电路；VT与RL构成包络检波电路；二极管一方面提供偏压，一方面对CD放电。

（2）窄脉冲鉴频电路

3、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）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。 f fc

(四)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、带通滤波器、带阻滤波器。滤波器的特性参数：截至频率、带宽、品质因素倍频程选择性

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