自动检测第八章课件PPT文档格式.ppt

1、例如计数器、运算器等硬件设备所具有的计数、运算功能可用软件完成，从而节省了硬件设备。但是硬件软化后运行速度比硬件低得多。如果检测系统对速度要求不高，可以采用这种方法。“软件硬化”n近年来随着半导体技术的发展，又出现了“软件硬化”的趋势，即将软件实现的功能用硬件实现。其中最典型的是数字信号处理芯片DSP。过去进行快速傅里叶变换都用软件程序实现，现在利用DSP进行FFT运算，可以大大减轻软件的工作量，提高信号处理速度。软硬件折衷n智能检测系统中有些功能必须靠硬件实现，而另外有些功能利用软件或硬件都可完成。n软件可完成许多复杂运算，修改方便，但速度比硬件慢。硬件成本高，组装起来以后不易改动。n多使用

2、硬件可以提高仪器的工作速度，减轻软件负担，但结构较复杂；使用软件代替部分硬件会简化仪器结构，降低硬件成本，但同时也增加了软件开发的成本。n大批量投产时，软件的易复制性可以降低成本。n工作速度允许的情况下，应该尽量多利用软件。n必须根据具体问题，分配软件和硬件的任务，决定系统中哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现，确定软件和硬件的关系。8.1.2 8.1.2 自动检测系统的设计步骤自动检测系统的设计步骤1 1 确定任务、拟定设计方案确定任务、拟定设计方案（1）根据要求确定系统的设计任务、功能、指标n明确系统需要完成的测量任务；n明确被测信号的特点、被测量类型、被测量变化范围、被测量的数量、输入

3、信号的通道数；n明确测量速度、精度、分辨率；n明确测量结果的输出方式、显示器的类型；n明确输出接口的设置。n考虑系统的内部结构、外形尺寸、面板布置、研制成本、可靠性、可维护性及性能价格比等。n综合考虑上述各项，提出系统设计的初步方案。n（2）进行总体设计n通过调研对所提出的系统初步设计方案，进行论证，完成系统总体设计。n在完成总体设计之后，便可进行设计任务分解，将系统的研制任务分解成若干子任务n之后针对子任务去进行具体的设计。2 2 硬件和软件的研制硬件和软件的研制 在开发过程中，硬件和软件应同时进行。（1）硬件电路的设计、功能模板的研制和调试n根据总体设计，将整个系统分成若干个功能块，分别设

4、计各个电路，如输入通道、输出通道、信号调理电路、接口、单片机及其外围电路等。n在完成电路设计之后，即可制作相应功能模板。要保证技术上可行、逻辑上正确，注意布局合理、连线方便。先画出电路图，基于电路图制成布线图 基于布线图加工成印刷电路板 将元器件安装、焊接在印刷电路板上 仔细校核、调试。n（2）软件框图的设计、程序的编制和调试n将软件总框图中的各个功能模块具体化，逐级画出详细的框图，作为编制程序的依据。n编写程序一般用汇编语言建立用户源程序。n在开发系统机上，利用汇编软件对输入的用户源程序进行汇编，变为可执行的目标代码。n在程序设计中还必须进行优化工作，利用各种程序设计技巧，使编出的程序占用内

5、存空间尽量小、执行速度尽量快。n3 3 系统总调、性能测试系统总调、性能测试n在硬件、软件分别完成后，即可进行联合调试，即系统总调，测试系统的性能指标。n若有不满足要求之处，需要仔细查找原因，进行相应的硬、软件改进，直到满足要求为止。8.2 8.2 传感器的合理选用传感器的合理选用 n根据具体的测量目的、测量对象、测量环境合理的选用传感器，是进行自动检测系统设计需要解决的首要问题。n检测系统设计的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。n8.2.1 8.2.1 确定传感器的类型确定传感器的类型 全面考虑被测量的特点和传感器的使用条件，包括：n量程的大小；n被测空间对传感器体积的要求；n测

6、量方式为接触式测量还是非接触式测量；n信号的传输方法，是有线传感还是无线传感；n传感器的来源，是购买商品化的传感器还是自行研制传感器，是购买国产传感器还是购买进口传感器。考虑上述问题，确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。n8.2.2 8.2.2 线性范围和量程线性范围和量程n当传感器的种类确定之后，首先要看其量程和线性范围能否满足要求。n任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性范围是相对的。n根据不同的测量精度要求，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性传感器。n8.2.3 8.2.3 灵敏度的选择灵敏度的选择n希望传感器的灵敏度越高越好。n但传感器的灵敏度高，外界噪声也容

7、易混入，也会被测量系统的放大器放大，影响测量精度。n要求传感器本身应具有较高的信噪比。n8.2.4 8.2.4 精度精度n传感器的选用原则并非精度越高越好。传感器的精度越高，其价格越昂贵。n传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。n应在满足同一测量目的的诸多传感器中选择最便宜、最简单、最可靠的传感器。n8.2.5 8.2.5 频率响应特性频率响应特性n对传感器频率响应特性的要求取决于被测量的频率范围。n必须保证在整个被测量频率范围内满足不失真测量条件。n8.2.6 8.2.6 稳定性稳定性n传感器使用一段时间后，其性能保持稳定的能力称为稳定性。n影响传感器长期稳定性的因

8、素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。n在选择传感器之前，应对其使用环境进行调研，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。8.3 8.3 自动检测系统的性能估计自动检测系统的性能估计n将传感器、调理电路、数据采集系统集成为一个测量系统的基本原则是使测量系统的基本功能、静态性能、动态性能均达到预先规定的要求。n集成过程中很重要的一项工作就是所设计的测量系统性能的估计，亦即以子系统或环节的性能指标估计系统的性能指标。n原则是采用预选的环节组成测量系统后，经过标定实验，其性能既要达到规定的要求，同时

9、又不过分的超过预先规定的指标。n预估过程是一个反复设定、权衡调整直至最后确定的过程，在误差理论中属于误差分配与合成问题。图8-1 现代测量系统基本形式的链形结构框图8.3.1 8.3.1 检测系统分辨力与量程的预估检测系统分辨力与量程的预估n式（8-1）既适于指标分配，也适于指标合成。在设计过程中，指标分配与合成往往需要反复进行。n通常按检测系统分辨力与量程的要求，先初步确定传感器的灵敏度值S1，然后再进行放大器增益S2与AD转换器分度值S3的权衡。n在被测量范围较大的情况下，初定的S2、S3往往不能既满足分辨力又同时满足量程两方面的要求。此时有两种解决办法。n办法之一是设置多种增益，被测量值

10、较小时用增益大的档，测量值大时自动切换为增益小的档；n办法之二是固定放大器的增益值而选用多位AD转换器，如10位、12位、14位AD转换器等。8.3.2 8.3.2 动态性能的预估动态性能的预估n1 模拟部分模拟部分动态（幅值）误差表达式 传感器与放大器均为一阶系统 传感器为二阶系统，放大器为一阶系统n2 数字部分 n数字部分与动态误差有关的指标是AD转换器的转换时间以及采样保持器的孔径时间与孔径抖动时间。n（1）AD转换器转换时间的选取n（2）采样保持器孔径时间与孔径抖动时间的选取n如果公式（8-7）的关系不能满足，则AD转换器前面必须有采样保持器，一般说来可以通过软件提前下达指令的措施消除

11、孔径时间的延时影响，故被测信号的频率最大值受限于孔径抖动时间n总的说来，测量系统动态性能主要受传感器的限制。8.3.3 8.3.3 静态性能的预估静态性能的预估n静态性能的预估就是按总误差的限定值对组成系统的各个环节进行误差分配的问题。n它包括误差预分配、综合调整、再分配、再综合，直至选定环节的静态性能满足系统静态性能的要求。n以某压力测量系统为例，要求该系统在（205）环境温度内引用误差不大于1.0%，当工作于上限温度60时温度附加误差不大于2.5%，试确定压阻式压力传感器、放大器、数采系统的静态性能。由于x是被测量，被认为是不变化的，也可认为它的变化是不属于测量系统本身的，故令=0 测量系

12、统整机误差表达式恒定系统误差可以通过标定实验数据得到修正。因此，只存在可变系统误差与随机误差，于是采用方和根法综合，整机误差按照整机性能要求，引用误差小于1.0%，则整机的扩展不确定度U1.0%。为简单起见取覆盖因子为3，则整机标准不确定度式（8-15）的误差公式用标准不确定来表示（1）有关传感器分项标准不确定度的设定1）用传感器的准确度等级指数进行估算，即令2）用传感器的分项标准不确定度来估算由滞后引入的不确定度分量；由重复性引入的不确定度分量；由电源波动系数引入的不确定度分量；由环境温度变化引入的不确定度分量 n设传感器技术指标为：滞后=0.09；重复性=0.09；电源波动系数=0.03；

13、温度系数 ；n将上述指标数据代人式（8-18）中，当时有（2）数据采集系统AD转换器标准不确定度的设定1）由分度值进行示值估读的量化误差e引入的不确定度服从均匀分布，当选用8位AD时 2）因显示结果要修约至估读值，故产生的修约误差为量化误差的1/2，服从均匀分布 n（3）放大器标准不确定度的限定n根据整机标准不确定度的要求和已设定的传感器及AD转换器的标准不确定度值，由公式（8-16）可解得放大器标准不确定度为0.096。达到上述要求对一般放大器而言不是太困难。n放大倍数的波动通常是环境温度变化引起放大器的失调温度漂移及反馈电阻阻值比的漂移。n注意，放大倍数的实际值偏离设计值引起的系统误差是可

14、以消除的。在实时自校的测量系统中，放大倍数是由基准电压实时标定的。n因此放大器的不确定度则决定于基准电压源。同样基准电压值的波动通常也是受环境影响，对于2DW232系列稳压二极管制作的基准电压源，其温度系数可以达到（20-5）ppm。8.4 8.4 自动检测系统设计举例自动检测系统设计举例在线微在线微量水分测量系统设计量水分测量系统设计8.4.1 8.4.1 系统总体设计系统总体设计n任何自动检测系统乃至任何工程系统的设计任务都源于实际需求。n在高压电器设备中，绝缘材料的含水率是影响产品质量的重要因素之一。必须对其中的绝缘介质进行干燥以降低含水量。n为了对其干燥过程进行自动控制，达到既满足干燥要求又能够尽量节能、提高干燥效率的目的，就必须对干燥进程进行定量测量。图8-2 微量水分测量系统总体结构框图8.4.2 8.4.2 传感器选用传感器选用1金电极2感湿膜3AgPd电极图8-3 感湿芯片外形尺寸图n氧化铝湿度传感器利用氧化铝对水分强的吸附性制成。工作时被测气体中的水分子