chap01_测控绪论

1、测控电路测控电路第1章 绪论 1.1 1.1 测控电路的测控电路的作用作用1.2 1.2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求1.3 1.3 测控电路的输入信号与输出信号测控电路的输入信号与输出信号* *1.4 1.4 测控电路的类型与组成测控电路的类型与组成* *1.5 1.5 测控电路的发展趋势测控电路的发展趋势1.6 1.6 课程的性质、内容与学习方法课程的性质、内容与学习方法2022-4-20-2-1.1 1.1 测控电路的作用测控电路的作用 1.1.1 1.1.1 测控电路的作用测控电路的作用衡量生产过程优劣的两项主要指标衡量生产过程优劣的两项主要指标产品质量和生产产品质量和生产

2、的效率，都需要由测量和控制来保证。的效率，都需要由测量和控制来保证。( (狭义狭义) )生产过程和生产的自动化。数控机床加工过程生产过程和生产的自动化。数控机床加工过程产品的质量由控制来保证，由测量来检测（人工加工也产品的质量由控制来保证，由测量来检测（人工加工也是如此）是如此）在科学研究中的作用。实验在科学研究中的作用。实验/ /实践是检验真理的唯一标实践是检验真理的唯一标准准 没有测量就没有科学，至少是没有真正的科学、精确的科学。没有测量就没有科学，至少是没有真正的科学、精确的科学。 - -门得列捷夫门得列捷夫测控在高新科技的应用测控在高新科技的应用 神舟飞船神舟飞船/ /探月工程探月工程

3、现代生活现代生活 食品、药品食品、药品/ /智能楼宇智能楼宇/ /汽车汽车/ /医疗医疗/ /环境环境/ /2022-4-20-3-1.1.2 1.1.2 测控系统的组成测控系统的组成 对测控电路来讲对测控电路来讲 输入：传感器是敏感元件，检测被测参数的变化。一般将输入：传感器是敏感元件，检测被测参数的变化。一般将非电量转换为电量。非电量转换为电量。-传感器技术传感器技术 输出：执行机构将测控电路输出的功率电量信号转换为非输出：执行机构将测控电路输出的功率电量信号转换为非电量，如电量，如伺服阀伺服阀将控制信号转换为阀的位移信号，将控制信号转换为阀的位移信号，伺服电伺服电机机将控制信号转换为角位

4、移等将控制信号转换为角位移等传感器传感器 测量控制测量控制电路电路执行机构执行机构2022-4-20-4-测控电路在测控系统中的作用测控电路在测控系统中的作用 传感器的输出信号一般都很微弱，还可能伴随着传感器的输出信号一般都很微弱，还可能伴随着各种噪声各种噪声 测控电路将其放大，滤波（信号分离）测控电路将其放大，滤波（信号分离） 将信号进行运算、转换，功率放大将信号进行运算、转换，功率放大, ,输出能控制机输出能控制机构动作的信号构动作的信号 测控电路是测控系统中最灵活的部分，起着十分测控电路是测控系统中最灵活的部分，起着十分关键的作用。（现代测控技术：硬件关键的作用。（现代测控技术：硬件+

5、+软件，硬件软件，硬件是基础，软件是灵魂）是基础，软件是灵魂）2022-4-20-5-1.2 1.2 对测控电路的主要要求对测控电路的主要要求 对测控电路的要求，是由测量任务提出的。可概对测控电路的要求，是由测量任务提出的。可概括为精度高，响应快，转换灵活（精、快、灵），括为精度高，响应快，转换灵活（精、快、灵），此外还有此外还有稳定性，可靠性稳定性，可靠性，经济性等要求。，经济性等要求。一、精度高一、精度高二、响应快二、响应快三、转换灵活三、转换灵活四、可靠性与经济性四、可靠性与经济性2022-4-20-6-1.2.1 1.2.1 精度高（影响测量精度的因素）精度高（影响测量精度的因素） 1

6、 1、低噪声与高抗干扰能力、低噪声与高抗干扰能力原因：高精度测量时，传感器的输出信号往往是很微小原因：高精度测量时，传感器的输出信号往往是很微小的。的。措施：措施：1)1)选用低噪声的器件，合理布线，采用适当的接选用低噪声的器件，合理布线，采用适当的接地、隔离与屏蔽等。合理考虑第一级信号。地、隔离与屏蔽等。合理考虑第一级信号。2 2）对信号进行调制，可以有效抑制干扰）对信号进行调制，可以有效抑制干扰3)3)采用高共模抑制比差动电路。大多数干扰表现为共模采用高共模抑制比差动电路。大多数干扰表现为共模干扰。干扰。( (信号传输中的双绞线信号传输中的双绞线) )2022-4-20-7-精度问题精度问

7、题( (续续) ) 2 2 低漂移，高稳定性低漂移，高稳定性原因：大部分电子元件的特性，都会受温度影响在一定原因：大部分电子元件的特性，都会受温度影响在一定程度上发生变化，温漂。程度上发生变化，温漂。措施：措施：1)1)选择温漂小，选择温漂小， 即对温度不敏感的元器件即对温度不敏感的元器件2 2）减小电路中关键部分的温度变化，大功率器件远离）减小电路中关键部分的温度变化，大功率器件远离前级电路，安排散热。前级电路，安排散热。2022-4-20-8-精度问题精度问题( (续续) ) 3 3 线性与低失真线性与低失真( (高保真高保真) )输入与输出具有线性关系。输入与输出具有线性关系。( (万用

8、表测量电阻，非线性万用表测量电阻，非线性) )测量不失真，测控电路在信号所占有的频率范围内，具测量不失真，测控电路在信号所占有的频率范围内，具有良好的频率特性。有良好的频率特性。 不失真测量的条件不失真测量的条件Y= Y= kX(tkX(t) ) y=kX(t-t y=kX(t-t0 0) ) 时域时域频域：幅频频域：幅频 相频相频 0AtK2022-4-20-9-精度问题精度问题( (续续) ) 4 4、有合适的输入、有合适的输入/ /输出阻抗输出阻抗前级电路与后级电路互相影响前级电路与后级电路互相影响前级相当于电压源时，前级输出阻抗应较小，后级输入前级相当于电压源时，前级输出阻抗应较小，后

9、级输入阻抗应较大阻抗应较大( (对比理想电压源对比理想电压源) )。对电压输出，测量电路的输入阻抗应较大，输出阻抗应对电压输出，测量电路的输入阻抗应较大，输出阻抗应较小。对前后级电路工作有利。较小。对前后级电路工作有利。2022-4-20-10-1.2.2 1.2.2 动态特性好动态特性好 包括响应快和动态失真小包括响应快和动态失真小 实时动态测量已成为测量技术发展的主要方向实时动态测量已成为测量技术发展的主要方向 对高速运动的系统对高速运动的系统, ,控制的滞后可能引起系统振荡控制的滞后可能引起系统振荡, ,导致系统失去稳定导致系统失去稳定. . 例例: :雷达雷达/ /火炮防空系统火炮防空

10、系统2022-4-20-11-1.2.3 1.2.3 转换灵活转换灵活 1)1)模模/ /数及数数及数/ /模转换模转换 A/D,D/AA/D,D/A计算机控制计算机控制 传感器传感器/ /执行机构的输入执行机构的输入/ /出为模拟信号出为模拟信号 2)2)电量参数的转换电量参数的转换直流与交流直流与交流(AC/DC),(AC/DC),电压与电流电压与电流(V/I),(V/I),电压与频率电压与频率(V/F),(V/F),信号的调制信号的调制/ /解调解调 3)3)量程的转换量程的转换万用表的使用万用表的使用.PGA(.PGA(可编程增益放大器可编程增益放大器) ) 4)4)信号的处理与运算信

11、号的处理与运算进行信号的选取进行信号的选取( (滤波滤波),),加减乘除加减乘除 微积分运算微积分运算 峰值峰值, ,平平均值均值, ,有效值有效值, ,绝对值绝对值/ /线性化处理与误差补偿线性化处理与误差补偿( (硬件硬件+ +软件软件) )2022-4-20-12-1.2.4 1.2.4 可靠性与经济性可靠性与经济性 测控电路在各种环境下的适应性测控电路在各种环境下的适应性. . ( (不仅仅是实验室环境不仅仅是实验室环境) ) 在满足性能要求的前提下在满足性能要求的前提下, ,简化电路简化电路, ,对器件的要对器件的要求不能太高求不能太高. . 合理的性价比合理的性价比. .2022-

12、4-20-13-1.3 1.3 测控电路的输入信号和输出信号测控电路的输入信号和输出信号 1.3.1 1.3.1 模拟信号模拟信号 1,1,非调制信号非调制信号12 0 x t2022-4-20-14-模拟信号模拟信号-2 -2 已调制信号已调制信号 从输入从输入: :提高信号的抗干扰能力提高信号的抗干扰能力例：用电感传感器测量工件轮廓形状例：用电感传感器测量工件轮廓形状usucx2143c)ustuctb)a)O xtxO xO调制信号-轮廓形状载波信号-供电信号输出信号-已调信号2022-4-20-15-信号调制的概念信号调制的概念 1 1、载波频率（、载波频率（carrying freq

13、uency)carrying frequency)传感器的供电频率传感器的供电频率 2 2、载波信号（、载波信号（carrying signal)carrying signal)具有载波频率的高频信号具有载波频率的高频信号 3 3、调制信号（、调制信号（modulating signal)modulating signal)对载波信号进行调制的信号对载波信号进行调制的信号 4 4、已调信号（、已调信号（modulated signal)modulated signal)调制后的信号调制后的信号 5 5、调幅信号（、调幅信号（amplitude modulated signal)amplitud

14、e modulated signal)幅值受到调制幅值受到调制 调制信号调制信号( (包络信号包络信号)X)X载波信号载波信号( (高频信号高频信号)=)=已已( (经经) )调信号调信号2022-4-20-16-1.3.2 1.3.2 数字信号数字信号 1 1，增量码信号，增量码信号 输入输入：增量式码盘，光栅，激光干涉法测量位移：增量式码盘，光栅，激光干涉法测量位移 输出输出：步进电机：步进电机 特点：特点：1,1,（输入）被测量值与传感器输出信号的变化周期（输入）被测量值与传感器输出信号的变化周期数成正比数成正比 2,2,反应变化量的信号，与被测对象的状态无对应关系，反应变化量的信号，与

15、被测对象的状态无对应关系，y=y0+delta_yy=y0+delta_y 例：分辨率为例：分辨率为10001000的编码器的编码器, ,输出波形（输出波形（A A，B B相，示意）相，示意）2022-4-20-17-2 2，绝对码信号，绝对码信号n 绝对码信号是一种与状态相对应的信号绝对码信号是一种与状态相对应的信号n 例：绝对式码盘：每个角度方位对应一组编码。例：绝对式码盘：每个角度方位对应一组编码。n Y=Y=kxkx ( (以以4 4位编码为例位编码为例 k=360/k=360/（24) )24) )1111000000010010001101000101011001111000111

16、0110011011011101010012022-4-20-18-3 3，开关信号，开关信号 开关信号只有两种状态，开关信号只有两种状态，0/10/1，高，高/ /低电平，开低电平，开/ /关关 输入：行程开关，光电开关，触发式测头输入：行程开关，光电开关，触发式测头 输出：继电器，电磁铁等输出：继电器，电磁铁等 在工业中应用很广。（在工业中应用很广。（PLCPLC处理大量的开关信号，信号的处理大量的开关信号，信号的关系关系 时序逻辑复杂，数量很多时时序逻辑复杂，数量很多时, ,也是一个复杂系统）也是一个复杂系统）2022-4-20-19-1.4 1.4 测控电路的类型与组成测控电路的类型与

17、组成 1.4.1 1.4.1 测量电路的基本组成测量电路的基本组成1,1,模拟式测量电路的基本组成模拟式测量电路的基本组成2,2,数字式测量电路的基本组成数字式测量电路的基本组成 1.4.2 1.4.2 控制电路的基本组成控制电路的基本组成1,1,开环控制开环控制2,2,闭环控制闭环控制2022-4-20-20-1.4.1.1 1.4.1.1 模拟式测量电路的基本组成模拟式测量电路的基本组成电路传 感 器量程切换电路放 大 器 解 调 器信号分离电路运 算 电 路模数转换电路计 算 机显示执行机构振 荡 器 电 源2022-4-20-21-增量码数字式测量电路的基本组成增量码数字式测量电路的基

18、本组成指令传感器电路传 感 器显示执行机构计 算 机锁 存 器计 数 器转换电路脉冲当量放 大 器整形电路细分电路手动采样锁存指令辨向电路微机原理微机原理2022-4-20-22-1.4.2.1 1.4.2.1 开环控制开环控制 开环控制的典型例子是步进电机控制开环控制的典型例子是步进电机控制 系统能够获得正确的输出是建立在输入与输出有系统能够获得正确的输出是建立在输入与输出有确定的函数关系的基础上确定的函数关系的基础上 扰动和噪声扰动和噪声, ,会引起输出的变化会引起输出的变化 通过传感器检测扰动通过传感器检测扰动, ,进行修正进行修正2022-4-20-23-开环控制开环控制( (续续)

19、)测量电路 控制电路 扰动量传感器放大电路输出转换电路设定电路执行机构给定机构被控对象2022-4-20-24-1.4.2.2 1.4.2.2 闭环控制闭环控制 主要特点主要特点: :用传感器直接测量输出量用传感器直接测量输出量, ,将它反馈到输入端与设定电将它反馈到输入端与设定电路的输出相比较路的输出相比较, ,进行调节进行调节. .影响精度的主要因素是传感器和比较电路的精度影响精度的主要因素是传感器和比较电路的精度. . 常用常用PIDPID校正电路校正电路P P比例环节比例环节I I积分环节积分环节, ,消除静差消除静差, ,防止振荡防止振荡D D微分环节微分环节, ,提高响应速度提高响

20、应速度2022-4-20-25-闭环控制闭环控制( (续续) ) 设定电路比较电路校正电路转换电路给定机构执行机构被控对象输出传感器扰动放大电路控制电路2022-4-20-26-1.5 1.5 测控电路的发展趋势测控电路的发展趋势 1,1,性能不断提高性能不断提高低噪声低噪声, ,高稳定性高稳定性, ,高频响高频响, ,高可靠性高可靠性. .性能不断提高性能不断提高, ,功能完善功能完善, ,价格下降价格下降.(.(摩尔定律在电子产品中表现摩尔定律在电子产品中表现明显明显) ) 2,2,集成与微型化集成与微型化集成化是微型化的重要措施集成化是微型化的重要措施. .集成电路体积小集成电路体积小,

21、 ,功耗小功耗小, ,引线短引线短, ,寄生因素小寄生因素小, ,容易达到较高精度容易达到较高精度与频响与频响. .另一特点是有源元件容易制作另一特点是有源元件容易制作, ,无源元件难以制作无源元件难以制作, ,电感电感 电容电容 变变压器等更难制作压器等更难制作. .另一特点是参数不易精确另一特点是参数不易精确, ,但一致性好但一致性好, ,因此许多时候采用差动电因此许多时候采用差动电路路2022-4-20-27-发展趋势发展趋势( (续续) ) 3,3,系统设计观点系统设计观点a)a)测量与控制电路紧密相联。测量是实现闭环控制的前测量与控制电路紧密相联。测量是实现闭环控制的前提。提。b)b

22、)测控电路与机械、光学，甚至生物、化学（生物医学测控电路与机械、光学，甚至生物、化学（生物医学仪器），计算机硬件与软件相结合。仪器），计算机硬件与软件相结合。C)C)虚拟仪器虚拟仪器VI VI （NI:NI:软件即仪器）软件即仪器） 4,4,数字化数字化数字电路易于集成，抗干扰性强，便于与计算机连接，数字电路易于集成，抗干扰性强，便于与计算机连接，但但不能完全代替模拟电路不能完全代替模拟电路，客观世界的许多参数都是模，客观世界的许多参数都是模拟量；许多前级信号需经模拟电路调理后，再转换成数拟量；许多前级信号需经模拟电路调理后，再转换成数字信号；执行机构需要模拟信号；模拟运算的速度比数字信号；执行机构需要模拟信号；模拟运算的速度比数字电路或软件要快。字电路或软件要快。2022-4-20-28-发展趋势发展趋势( (续续) ) 5,5,通用化通用化, ,模块化（复杂电路的分解）模块化（复杂电路的分解） 6,6,智能化智能化自动控制，自动故障诊断，自适应控制等。自动控制，自动故障诊断，自适应控制等。2022-4-20-29-第六节第六节 课程的性质、内容与学习方法课程的性质、内容与学习方法 课程的性质：测控技术与仪器专业的专业课。课程的性质：