（材料学专业论文）智能化热膨胀检测应用系统研制.pdf

堡主照茎。翟鳇些垫蜷型鏖塑墨塑趔羔! 塑量至奎 摘要 餐戆讫捡灏不载怒硷溺觏溺整技术笺发袋方彝，瑟且是材鹈科学掰究过程中努不 可少的有力工具。智能化热膨胀检测成用系统构建了基于热膨胀检测应用的糟能化检 嚣痿藤平台。系统臻予热黪s 琵梭溅露，爰霸囊鞲麦蓑动交歪器 蕈隽佼穆售号豹传惑变 送器，通过数据采集系统对位移量、温度进行检测，梭测数据导入数据库存贮，并出 翟穿揆据不嚣任务遴据鼗黎鲶理。瘟疆程旁趱莲予p e 蘑w i n d o w s 程痔，采褥e b u i l d e r 6 0 编写，界潮简洁、友好，数据库功熊强大。软件设计中引入了模糊控制思 怒蟊数据融合浆愚想，逶合应臻子数学模登不确定、太漠嚣鹣繇舍，使予复杂鸯噩蕊、 冷却过程的熨现及复杂条件下温度的准确测擞。应用该系统进行了4 5 钢、紫铜、黄 锅( h 6 2 ) 敕熬彩联系数及4 5 镪辏爨盍靛检测实验，实验结果表赣该系统瘸子金属耪辩 热彩黻系数以及钢铁材料临界点的测定，具肖精度离、稳定性好、操作简便等优点。 系统还其毒嶷姆戆功扩震蛙，痊鬟该系统还实褒了毫骧狰快速燕热及喷东冷帮过程 中温度的直接测量，测量结果与其他方法测量结果完愈一致，表明该系统可应用于各 耪复杂条 牛下滠度的蕊接溅璧，失投端条譬# 下实验参数鲢测定提供了煮力工爨。 【关键调】餐麓检测热膨胀数攥采集数据融合模糊控制 船】页 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tm e a s u r i n gn o to n l yd e v e l o p se x a m i n i n g ，t e s t i n ga n d c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y , b u t a l s oa ni m p o r t a n tt o o l i na p p l i c a t i o na n d s t u d yo f m a t e r i a ls c i e n c e a p p l i c a t i o ns y s t e mo f i n t e l l i g e n tt h e r m a l e x p a n d i n gm e a s u r i n g s e t su pt h e p l a to fi n t e l l i g e n tm e a s u r i n gb a s e d i nt h e r m a le x p a n d i n gm e a s u r i n ga p p l i c a t i o n w h e nt h e s y s t e mi s u s e dt om e a s u r et h e r m a l e x p a n d i n g 。i ta d o p t sh i g h l v a c c u r a t e d i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e ra s e x p a n d i n g m a g n i t u d es i g n a ls e n s o r , e x a m i n e st h ed i s p l a c e m e n ta n d t e m p e r a t u r et h r o u g h d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ，e x a m i n e si fd a t ag e ti n t od a t a b a s ea n d a r es t o r e d a n dm a k e d a t ap r o c e s sb ym a n y t a s k s a p p l y i n gp r o c e d u r e sa r eb a s e do np c w i n d o wp r o c e d u r e a d o p tc + + b u i l d e r6 0 c o m p i l i n ga n dh a v ea s i m p l yf r i e n d l y s u r f a c ea n das t r o n gf u n c t i o no fd a t a b a s e t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gp r o c e d u r e i n v o l v e st h ei d e a so ff u z z y c o n t r o la n dd a t af u s i o n t h es y s t e mc o n s i s t so ft h ef u n c t i o n st h a ta r e t h em e a s u r eo ft h e r m a le x p a n d i n gm a g n i t u d e i n s t a n t t e m p e r a t u r e m e a s u r ea n d m u l t i p o i n tt e m p e r a t u r et e s t i n gw h i c hs u p p l i e sas t r o n g t o o lf o r s t u d y i n g m a t e r i a l s c i e n c e ；t h es y s t e m c a nm e a s u r e t e m p e r a t u r ec h a n g i n g i nt h e p r o c e s s o fe l e c t r i c a l p u l s eh e a t i n g w h i c hi su s e di ns t u d y i n gc h a r a c t e ro fe l e c 仃i c a lp u l s eh e a t i n g k e y w o r d i n t e l l i g e n tm e a s u r i n g ，t h e r m a le x p a n d i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n d a t a f u s i o n ，f u z z y c o n t r o l 第2 页 矮+ 谂文 露嶷纯捡涮瘟溺篆缝萋并涮 圭绪论 1 1 热膨胀检溺的原琏及应蘑 1 1 1 热膨胀的梭测 熬膨骚滟定量滋基最挚蹩鑫簿兰天文学毅攫姆魏螯著瓷避行豹，德选择台适熬鼙 摆慧塑瓣粒溺量了镶、镪、镄、黄锶、锈嚣铤煎熬澎蒎系数。实验孛链瘸了一套筵鎏 鲍齿轮缀，将长为1 5 攫米的试样静膨胀量进行放大詹测出。1 7 8 5 年拉姆斯顿应用敝 篱黧逐镜濑测定了一些毒辛糖瓣线膨胀系数。1 8 0 5 馨挝沃程尔和控荣撼辫应用光杠移 放大凌鬣对姆前艳藩克的实骚俸了改进。1 8 6 4 举爱索应嗣光于涉拽术，设计了精密 测鬟热膨胀系数酾仪器。此矮，经过多方面的改进，发展了多种类型豹光干涉膨胀仪， 这些仪器霹滋分翳亵毫澄颡甄潺下黯嚣落撵糕麓热膨胀季擎蠢穰密韵澍蘩。二卡萱纪六 卡笨代；褡特营先掇毽翡电容瓣蒎计髓敷1 0 溆的精度瓣鬟绞黪滕系数。邋年来溅爨 热膨胀的彼器又有了新的发耀，针对某些特殊的用途，建盘了具有静种特殊功能的仪 器。 熬黪黢瓣溺堂方法主要辩溪 莘法、竞黩褥法、浅予涉法、x 光法、瞧餐法等。英 孛竣耪浚楚一耱藏瘸最善遗熟溺萋绫雾酝蓉鼗熬方法，试襻魏黪骚爨遵过一疆与试襻 载鬻鹣榜骚榴嗣量黪联系数缀小匏顶耪：传遂掇采，巍予分袭、差裁交送熊戏蒺缝涎豢 仪器检测，是种“相对测擞”的方法。而熬幼变聪器膨胀仪是使用域酱遍的膨胀仪 之，它熬蠢溺爨鞲瘦嵩、袋敏液离、结梅麓攀，性能霹靠等谯点，纛赫予实瑗垂确 测量阱l 。 1 1 。2 热膨涨检溅技术在材攀 辩学磷究中鹣藏燃 猩材料辩学酌研究中，热膨胀是一种非常简捷、可靠、实用的工舆之一。 晶体发生相交时常伴随瀚热膨胀量的不遴续搬化，在膨胀曲线上将出现拐点，豳 建鞠燮避鼹中熬熬黟袋蠢楚豹测蠹蔗疆究稳嶷熬黧纂手段乏一。镶熬繇滠鼹 踅2 。1 1缝瓣彩鞭壤一i 基霾荧系馥绫示意强 从黼中耩示鼗线的转变处查掇瓣应澄糜座椽，便霹褥弼临界点数馕。热热时按理 第8 厦 硕士论文 智能化检测应用系统研制 应取丌始偏转点1 与偏转终止点4 作为相变点，即爿。采用点1 ，a 。采用点4 ，而冷 却时爿取点5 ，a 。取点8 。但在实际使用中，是取曲线转折部分的极大值与极小值 为相变点，即a c i 应为点2 ，a 。，为点3 ，而爿 取点6 ，a 为点7 。实践证明，根据这 样的数据制定热处理规范将更切合实际，在研究各种因素( 如原始组织状态，加热和 冷却速度等) 对相变温度影响时，用这种方法更容易分析和比较数据i l | 2 ”。 2 1 4 热膨胀的测定 目前国内较为常见的差动变压器法热膨胀检测应用系统的工作原理如下【i 2 】： 将被测试样加工成5 0 m m 至1 2 0 m m 之间的圆棒状，放入石英管中，一端通过石 英杆与差动变压器连接，石英管放入加热炉内。试样上钻一小孔以便插入热电偶。控 制加热炉以一定的速率加热升温，在此过程中，同时记录下试样的温度及试样尺寸的 变化，最后根据测得的数据通过计算得出试样的膨胀系数等结果。原理图如图2 1 2 。 o 图2 1 2膨胀仪原理图 通过分析，传统的热膨胀检测装置存在以下几个方面的不足：精度不够高，主要 涉及膨胀量和温度的测量精度以及温度的控制精度：无法给出微分膨胀系数；功能单 第9 页 颈l ：论文磐能纯检测赢j ! ；| 系统研制 一；寝蕊性铰差。 针对隧上阕趱，本谖糕联设计嚣餐髭纯热膨强检测寂j l 系统氆翻袋敬透陛下动 能： 1 设计商精度高速度的测最系统，实现测量精度的提高； 2 采震穰凝控篱l 器愿葭逡激发控翱器瓣控镧冀法，交瑷温瘦鹳麓确控涮及模羧 复杂的非线牲翔热帮冷却遗稷。 3 设计开发糖能应用程序，主要提供发好直观的可视化操作界蕊，完成热膨胀 检测过程的控制及被测参量的稃贮，并通过拥关参量数据或关系曲线绘出众属的膨胀 系数及钢铁季芎辩熬箍界点等繁簧参数。 4 设计开发棚应扩展接翻，为系统功能的进一步扩展和提升提供究罄平台。 2 2 系统总体设计方案逻辑框图 本餐能检测敷麓系统静麓侮逻辑框图辩黼2 ，2 1 掰示，意要包括上佼p c 枫、鼗掇 采集系统、温度控制器三大部分。p c 机与濑度控制器采用串行通信，溆度控制器输 出控制信号对加热炉进褥控制，数据采集系统对相应参量遴聿亍数据采集，p c 机运行 应鳎程痔对数据避季亍穗应筑瀵，缮接结采。 黧2 2 。1系绞逻辑框图 2 2 1 系统机械组成及原理 本智能检测戍用系统的主鞭机械组成像掇试验平台、加热炉、试样容器等。 蕊中试验平螽上装有警辘秘支架，可健搬热炉沿学鞔移动，便予试榉的取放。试 释容器由石英套餐缀或，试榉蔽黧在虿荚鬃篱肉，试祥静璃与磊茭套警瀚一臻接簸， 第1 0 页 硕十论文智能化检测应州系统研制 另一端与石英套管内的石英棒相抵，石英棒与位移传感器接触，可将试样的微小膨胀 量传送到位移传感器转换成电信号供数据采集系统进行采集。 2 2 2 系统硬件电路总体设计 智能检测应用系统的硬件组成如图2 , 2 2 所示。 图2 2 2 系统硬件组成示意图 1 数据采集电路，这是系统的核心组成部分，主要由a d 转换芯片b b a d s 7 7 4 和d a 转换芯片b b d a c 7 5 4 1 构成，完成对被测信号的采集，送入p c 机进行处理。 2 信号调理电路，主要进行信号的隔离、放大、滤波等。 3 温控电路，是系统的重要组成部分，将温度信号送入单片机并计算出各种控 制量，经光电隔离电路和输出驱动电路输出。 4 串1 3 通信电路，采用m a x 3 4 8 0 芯片，实现与p c 机的通信。 5 电源电路，提供系统所需的+ 5 v 、1 2 v 电源。 2 2 3 系统软件总体设计 为使智能检测应用系统具有良好的应用及扩展性能，系统的软件部分采用模块化 设计，各个模块完成特定的功能，由p c 机以命令的形式统一调用。其组织结构如图 2 2 3 所示。 p c 机应用程序由高级语言c + + b u i l d e r6 0 来编写，c + + b u i l d e r6 0 是全新 的3 2 位w i n d o w s 开发工具，是至今最好的w i n d o w s 开发工具之一。它提供面向对象、 可视化设计的快速应用程序开发环境，可以用较少的程序代码编写出各类复杂且高性 能的w i n d o w s 应用程序。使用c + + b u i l d e r6 0 可以开发运行速度极快而代码很优 秀的数据库应用程序，在运行速度、与第三方程序的接口、硬件编程能力方面表现出 伊。 第1 1 页 硬士论文 智能纯捡涮应鞴系统研裁 在进行p c 机应用程序开发时，主要利用c + + b u i l d e r 6 0 强大的界面设计能力 为使用者提供一个友好、蔺洁明了的操作赛面，包捶系统用途的分类；进行检测时 图2 2 j 3 软件结构图 参数的设定；利篇其丰富的数据瘁功能为每一次的检测建娆数据露文件；摄示检测过 程中的一魃被测量的状态；数据处理后的缩果。同时通过串口通信模块向底层操作模 块发出指令和提供数据，协调各个部分翡运行，宠成整个检测过稔。 下位机软件主骚采用单片机的c 语言c 5 l 编写，c 语言是一种编译型程序设 计语言，它兼颞了多静高级语言静特点，并其备激编语言黔功憨。e 语言蠢功麓享富 的库函数、运算速度快、编译效率商、有良好的可移植性，而且可以直接实现对硬件 静控铡。努外e 谮言是结稳亿程痔设诗语畜，显其有完善鹣模块穗净结梅。因魏髑c 语言来编霹目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显的增加软件的可读性，便于 教遴帮扩充，疑露职裁密魏模雯大、毪能鬻宠餐豹系统。鞫薅，对于在露润上要求疆 第1 2 页 硕士论文 智能化检测应用系统研制 较严格豹模块中运震了汇编谗言鼓进行程亭翡魏纯。 模糊算法温度控制器模块包括温度参数采集与模糊化程序、模糊判决程序、模糊 控制判决波及相关控制程序等多个子模块。参数聚集与模糊化模块究成温度的采样、 a d 转抉、模糊处理等控制；然后由模糊判决程序根据模糊判决表做出控制选择；再 由控制稷序输如控制信号。 每暖邋蕊模块完成上下簸撬溜数器瓣接浚与发送，并按照逶售协议对上位瓤翕令 进行“翻译”，交由底层模块调用相关操作。 第l3 页 硕士论文 智能化检测应用系统研制 3 热膨胀参量检测系统的原理与实现 信号检测系统主要涉及在实验过程中对试样的温度及膨胀量两个参量的检测，包 括温度及膨胀信号的输入系统和数据采集系统两个部分。 3 1 参量信号输入系统 对于测量系统而言，如何准确获取被测信号是其核心任务。系统需要的被测信号， 一般可分为开关量和模拟量二种。所谓开关量输入，是指输入信号为状态信号，如继 电器的吸合与断开、光电门的导通与截止等，其信号电平只有二种，即高电平或低电 平。对于这类信号，只需经放大、整形和电平转换等处理后，即可直接送入计算机系 统。对于模拟量输入，由于模拟信号的电压或电流是连续变化信号，其信号幅度在任 何时刻都有定义，因此对其进行处理就较为复杂，在进行小信号放大、滤波量化等处 理过程中需考虑干扰信号的抑制、转换精度及线性等诸多因素。 由于被测对象的状态参数往往是一种非电物理量，而计算机只是一个能识别和处 理电信号的数字系统，因此利用传感器将非电物理量转换成电信号才能完成测量和控 制的任务。 然而，利用传感器转换后得到的电信号，尤其是模拟信号，往往是小信号，需经 放大后才能进行有效的处理，而且，为了抑制现场电磁干扰等影响，往往需要对该信 号进行滤波处理1 1 7 a 9 , 2 0 i 。 3 1 1 温度信号传感变送 热电偶是温度测量中使用最广泛的传感器之一，其测量温区宽，一般在1 8 0 - - - 2 8 0 0 的温度范围内均可使用：测量的准确度和灵敏度都较高，尤其在高温范围内，有较 高的精度。因此，国际实用温标规定，在6 3 0 7 4 1 0 6 4 4 3 k 的温区范围内，用热电偶 作为复现热力学温标的基准仪器。热电偶在一般的测量和控制系统中，常用于中高温 区的温度检测。 热电偶测温原理 两种不同的导体( 或半导体) a 、b 组成闭合回路时，如图3 1 1 所示，当a 、b 相连接的两个接点温度不同时，则在回路中产生一个热电势。这种现象称之为热电效 应。这两种不同导体( 或半导体) 的组合称为热电偶，每根单独的导体( 或半导体) 称为热电极，两个接点中一端称为工作端( 也叫测量端和热端) ，如图中t 端：另一 端称为自由端( 也称冷端) ，如t o 端。 第1 4 页 硕士论文 智能化检测应用系统研制 + 岛( r ，t o ) 玩8 ( r o ) e , t b ( r ) 如( r ，n ) 图3 1 1热电偶原理图 当热电偶的材料一定时，热电偶的热电势e a b ( t ，t o ) 为温度t 和t o 的函数，即 日( r ，7 o ) = e b ( t ) 一e 日( t o )( 3 1 ) 式( 4 1 ) 中，e a b ( t ，t o ) - - 一热电偶的热电势； e a b ( t ) 一一温度为t 时的热电势； e a b ( t o ) 一一温度为t o 时的热电势【”0 1 ，2 2 1 ； 根据本系统的技术要求，选用镍铬镍铝( k 型) 热电偶( 系统也支持铂铑铂( s 型) 热电偶) 。测温范围为一2 0 0 1 3 0 0 。 3 1 2 膨胀量信号传感变送 本系统选用d a 1 型高精度直流差动变压器作为膨胀量信号传感变送器。差动变 压器是一种互感型的检测元件，它是由一个初级( 激磁) 线圈、两个反方向绕制后串 联起来的次级线圈和一个磁芯组成。初级线圈和次级线圈分段或分层绕制在一个绝缘 的管轴上，磁芯置于管轴的中心，它可以无磨擦的相对于管轴上下移动。测量时，初 级和次级线圈( 连同管轴) 圃定，磁芯与顶杆连接用以测量试样的位移量。测量前将 磁芯调节到初级和次级线圈的中心位置，使输出电压为零( 或达到某一最小值) 。当 试样受热膨胀时，磁芯与线圈相对移动，使初级和次级线圈之间的互感发生变化，因 而输出电压发生变化，在较小的位移范围内位移量和互感量成直线关系变化，因此膨 胀量的大小和电压也成直线关系变化。 选用的d a 1 型高精度直流差动变压器具有良好的环境适应性、使用寿命长、灵 敏度和分辨率高的特点。而且d a 1 型高精度直流差动变压器的电测线路采用微电子 技术全部封装入壳体内，实现传感和线路的一体化。使用时输入1 2 v 的直流工作电 压，就可方便地从同一根多芯电缆中获得与被测位移量成正比的直流0 5 v 的信号。 硕十论文 智能化检测应用系统研制 d a - 1 型高精度直流差动变压器的主要技术指标 测量范围：0 2 m m 线性度：( 0 0 5 工作电源：1 2 v 额定信号输出：o 5 v 电缆长度： 2 m 传感器电缆接线图如图3 1 2 所示。 + 纪v 输出信号 ( 白色 o v 图3 1 2 传感器接线图 ( 低) 3 1 3 信号调理电路 由于本系统的待测参量经传感器变送成电信号后均为毫伏级的小信号，为保证测 量的精度，必须对信号进行放大。经传感器转换和放大后的电信号，由于测量现场的 电磁干扰，传感器本身以及放大电路等本身的影响，往往含有多种频率成分的噪声信 号，严重情况下，噪声信号会淹没待提取的输入信号，造成系统无法获取被测信号。 在这种情况下，需采取滤波措施，滤除不需要的杂散信号，增加系统的信噪比( s n ) 。 信号调理电路包括信号的放大、滤波以及热电偶的冷端补偿【1 9 2 “2 玷”。 3 1 3 1 滤波电路 滤波电路采用f l t - u 2 集成r c 滤波器，这是一种由厚膜混合技术制作的有源r c 状态变量双二次型集成滤波器，内含四级运算放大器及r c 元件，其中前三级构成滤 第1 6 页 硕十论文 智能化检测应用系统研制 波电路，后级为独立的一级，该级可作增益级、加法器缓冲级或一个附加单极点的滤 波器，利用该集成有源滤波器电路外加少量电阻，即可分别得到各种二阶有源滤波器。 f l t u 2 的电源电压为5 1 5 v ，输入电阻为5 m q ，频率范围为0 0 0 1 2 1 0 5 h z ，中心截止频率准确度为5 ，其运放单位增益宽度为3 m h z 。图3 1 3 为f l t - u 2 的电原理图，图3 1 4 为其外引线图，图3 1 5 是其接线图。 ( 2 f f j t h p0 u r b po u t t p 图3 1 3f l t - u 2 电原理图 平衡电阻置q 输入电阻r i 商通输出0 【，p v i 骶通输出d u ， l p 带通输出o u t b p v 二 o 【，r g n d 图3 1 4f l t - u 2 外引脚图 3 1 3 2 冷端补偿电路 使用热电偶测量温度时需要有一个冰点基准。若在热偶回路中插入一个与基准结 点的热电势大小相等，但方向相反的电压，则可去掉此基准u 9 2 ”。a d 5 9 5 具有这 种功能。它的内部具有冰点补偿电路，用来监测基准结点温度，并在内部相加点处增 加一个合适的电压到热偶回路之中。净电压被放大后以1 0 m v 输出。 第17 页 硕十论文 智能化检测应用系统研制 + 1 6 v 1 6 v 图3 1 5f l t - u 2 接线图 如图3 1 6 ，a d 5 9 5 内部有两个差分放大器g l 、g 2 ，其输出之和用作控制一个高 增益放大器a ，热电偶信号经g l 和a 放大，输出经增益调整电阻r l 反馈至g 2 ，再 通过求和电路给a ，以减小差分信号。同时冷端补偿电压( 与a d 5 9 5 自身温度成正比 的差分电压) 经增益调整电阻r 2 、r 3 也接至g 2 ，使放大器输出与热电偶输出一致。 图3 1 6a d 5 9 5 功能结构 图3 1 7 示出了a d 5 9 5 配合k 型热电偶的冷端补偿电路。第l 、1 4 针接热电偶， 第7 、1 1 针接电源，第9 针为信号输出，第1 2 针输出报警信号，并串接2 7 0 q 电阻 来限制通过l e d 的电流。采用双电源接法。为使a d 5 9 5 的性能最佳，使用中应注意 a d 5 9 5 必须与热电偶冷端保持在同一温度。其他元件或热源不要与a d 5 9 5 直接接触， 因为它们的热耗散可能引起与冷端补偿有关的误差( a d 5 9 5 的静态电流只有1 6 0 ua ， 自热误差很小) 。 第1 8 页 硕十论文 智能化检测应用系统研制 图3 1 7a d 5 9 5 组成的冷端补偿电路 3 2 数据采集系统 该智能检测系统的待测参数必须经由数据采集系统才能被计算机接收并进行相 应计算及处理，因而数据采集系统在本系统中占有相当重要的地位。精确实时地把传 感器输出的模拟信号转换成计算机能够识别并且处理的数字信号，是数据采集系统需 要完成的任务。 3 2 1 数据采集理论基础 3 2 1 1 概述 数据采集系统的框图如图3 2 1 所示。模拟输入信号，即在时间上与幅值上均连 续变化的信号，首先经过一个预采样滤波器，然后由采样器每隔一个采样间隔读出一 次数据，再由模数转换器( a d c ) 量化为二进制数码，即成为计算机可以接受的数字 信号。接着由计算机对这些数字信号进行数据处理，经由数模转换器( d a c ) ，将数 字信号转换为模拟信号。在此转换过程中，二进制数码首先转换为连续时间脉冲，脉 冲之间的空隙则经过平滑滤波器来填充平滑以恢复成模拟信号。模拟信号的数字化过 程如图3 2 2 所示 1 7 , 1 9 , 2 0 i 。 模拟信 号输入 数字信号数字信号 图3 2 1 数据采集系统框图 模拟信 号输出 第1 9 页 硕士论文 智能化检测应用系统研制 3 2 1 2 采样定理 采样周期t s 决定了采样信号的质量和数量：t s 太小，会使采样后的脉冲信号的 数量剧增，占用大量的内存单元：t s 太大，会使模拟信号的某些信息被丢失，这样 一来，若将采样后的信号恢复成原来的信号，就会出现失真现象，影响数据处理的精 度。采样定理就是选择采样周期t s 的依据。 设有连续信号x ( t ) ，其频谱为x ( f ) ，以采样周期t s 采得的离散信号为x s ( n t s ) ，如 果频谱x ( o 和采样周期满足下列条件： 1 频谱x ( f ) 为有限频谱，即当l f l 厶( 厶为截止频率) 时，x ( o = 0 11 2 瓦了i _ 或2 厶 = 兀 6 0 量化采佯 戢字敏娲 7 2 r3 1 r 盯6 r 8 r 嚏州蚓拶 z ， 第2 0 页 硕十论文 智能化检测应用系统研制 率，称为裁丘频率，又称为n y q u i s t ( 奈奎簸特频糍) 。 采样定理指出，在一般惰况下，对一个具有有限频谱x ( f ) 的连续信号x ( t ) 进行采 样，当采样频率为f s 2 f c 时，由采样后得到的采样信号xs ( n t s ) 无失真地复为原来 信号x ( t ) 1 1 7 , 1 9 , 2 0 。 3 2 。1 3 孔径时间 采震a d c 对模叛售号遴簿转挟嚣，总鬈要一定鹣嚣愆来宠簸采秘，燮讫及褪痰 的编码工作。a d c 的转换时间k 0 n v 取决于器件采用的转换方法、转换位数等多个 因素。如果在a d c 转换时间t c o n v 内，输入模拟信号仍在变化，此时进行量化显然 会产生一定的误差。 在a d c 蔚再加一个采样僚持放大器( s h a ) 能改将t c o n v 的影响。遮栩当子在a d c 转换露润内开了一拿窄“鬻我”，褥燕密孔嚣庆夔瓣痰熬模羧售号抉这群。j 迦塞魏 称为“孔径时闯”( a p e r t u r et i m e ) k ，t l 一般远小予转换时闻t c o n v 。鼹然，如在i l 径时间t a 内，输入模拟信号的变化仍不能忽略，这也会引入一定的谡菠，称为“孑l 径误差”。考虑对输入的正弦信号采样，那么对m 位的a d c ，采用s h a 的数据采集 系统，数字化的最大正弦信号频率为 1 厂2 赤岛 3 3 ) o 口 如欲以1 0 健分辨率去量化l k t t z 的正弦波，可计簿出所需孔径时间为1 6 0 u s 。 3 。2 。2 数据采集系统的结构与实现 数擐采集系统主要虫摸叛镕号多爨选逶控麓魄爨、溅量放大电臻、袋襻漂持及模 数数模转换电路、控隶l 逻辑与辩镑电路几个部分缀成。系统结构如黼3 2 3 所示。 技术指标： a ：卜b u s ： 1 6 路单端或8 路差分模拟输入通道： 双极性或单极性信鸯输入； 稔控增益范围：l 、2 、4 、8 可选； 1 6 路数字蕈输入通道； 1 6 路数字量输出通道： 采样频率最高达1 0 0 k h z ； 三耱触发方式：软 串触发，计数器越发，岁 都艨冲触发； 第2 】页 硕十论文 智能化检测应用系统研制 图3 2 3 数据采集系统结构图 3 ，2 2 1 模拟信号多路选通魄路 蔽瓣系统静震途及精度蘩求，数据采集系统嚣爨备闲嚣溅量多鼹摸撅信号数缝 力，综合考虑各方面因素，设计系统具备1 6 路革端，8 路双端模拟傣母测量能力，这 就需要采用增加多路选通电路来将多路被测信号分别传送到a d 转换器进行转换， 以便计算机能对多路被测信号进行处理。 在设计多路选通电路时，须考虑下列参数： | 。遮邋数量：逶道数繁辩援换开关簧辕羧测繁弩豹蕤度彝凌抉遮发育壹蓑熬影 h 融，因为通道数耳越多，寄黧电容和渣漏电流通常也越大，茏其是农馒瘸集成模掇开 关时，尽管只有其中一路导通，但由于其它模拟歼关虽然断开，只怒处于高阻状态， 仍存在漏电流对导通的那一路产生影响；通道越多，漏电流越大，通邋间的干扰也越 多。 2 。瀵滚邀滚：妇票莛譬澈蠹疆缀夫，捷羧憨怒令毫流量，戴时就凳要考虑多路 开关的瀵滚电流，一般希望? l l 满窀流越夺越好。 3 切换速度：对于需传输快速度化信号的场含，就要求多路开关的切换速度高， 当然也蒙考虑后一段采样保持和a d 的速度，从而以最优的性价比来选取多路开关 的切换速度。 4 开荚邀疆：理想状态熬多爨舞关其导逶电辍热零，两断开毫黻为无穷丈，实 际酌模拟开关无法这戮这个爱求，因蓝震考虑箕开关逛阻，尤其当与嚣关串联酶负载 为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。 第2 2 页 硕士论文 智能化检测应用系统研制 另外，多路开关参数的漂移性及每路电阻的一致性也需作考虑。 本系统采用高性能的m p c 5 0 8 多路模拟开关，采用了介质隔离技术，具有输入过 压保护功能。过压可达2 5 v ，低导通电阻( 7 5 q ) 和低泄漏电流( 5 0 0 p a ) ，并有锁存 保护功能。 3 - 2 2 2 测量放大电路 本数据采集系统采用多路模拟开关与不同的反馈电阻相配合来实现低增益的程 控增益放大器，具备软件可调1 、2 、4 、8 信号放大功能。 电路如图3 2 4 所示，其中4 0 5 2 为一模拟多路开关，d o 、d l 为开关导通地址选 择线。通过d o 和d ，来选通不同的外接电阻来实现增益控制。 v + v v b 图3 2 4 程控增益放大器电路 3 2 2 3 模数数模转换电路 a d 转换芯片采用b b a d s 7 7 4 ，d a 转换芯片采用b b d a c 7 5 4 1 ，a d s 7 7 4 是 美国b b ( b u r r - - b r o w n ) 公司生产的一种采用低功耗c m o s 工艺，具有内部采样保 持器的逐次比较式并行输出的十二位模拟数字转换器，该转换器内部有完善的基准 源、时钟和微处理器接口电路。a d s 7 7 4 采用+ 5 v 单电源供电，最大功耗为1 2 0 m w 。 a d s 7 7 4 有0 一l o v 、0 2 0 v 。5 v 和1 0 v 四种输入量程、在整个工作温度范围内 采样时间和转换时间之和不大干8 5 微秒，因而变换速度可达1 1 7 k 次秒。由于 a d s 7 7 4 的性能价格比较高，并且引脚排列和其他一些常用的模拟数字转换器兼 第2 3 页 硕十论文 智能化检测应用系统研制 窑，蠢嚣嫒可敬玻嗣于薪懿系绞设诗，龟霹以壤掰子伐换己有系统中熬旗羧数字转 换嚣。a d s 7 7 4 针脚定义如图3 2 5 。 技术指标： a d 分辨率：1 2 b i t ： 转换鬈重润：8 箨s ： i 建聪保护：3 5 v ： 输入阻抗：1 0 m q ； 数据传输：程序控制，d m a ，中断： 通过率：1 0 0 k h z ( 最大) d 1 4 a d 7 7 4 v 嚣 i 1 v l 2 8 月3 圈曝 至 鞠腾 j6 l 勰 1 6 。鬻c ( 慧d a 氏o 1 l l1 7 戏爨 v 芝d ，曛氏l l g 肢篷 d 艇 2 51 9 箕 刚cd t a 3 2 0 踅d 3 d a t a 4 2 1 咒衢 4 c sd t a 5 2 2 月聪 q b 】1 2 a od a t 6 2 3 箕1 7 7 r i 2 攫p o s 嗍a 7 2 聿慧c 增 5 0 8 翻掰葶 2 5 碰蹿 p l o r e fd 黼9 2 6 敬d r e f l nd p 汀a l o 2 7 肛m 工 1 3 d t i l 1 0 v i n 1 4 麓o v l n 9，程 q 蛰 】l s a g n dv 心 d c o m 圈3 , 2 5a d s 7 7 4 锋脚定义鬻 工 岱 1 0 4 硕士论文 智能化检测应用系统研制 d a 输出通道：2 路双缓冲模拟量输出； 分辨率： 1 2b i t ； 建立时间：3 0us ； 线性度： 1 2b i t l s b 3 2 2 4 逻辑控制与时钟电路 采用i n t e l ( n e c ) 8 2 5 4 芯片，包含三个独立、可编程、多制式1 6 位计数计时器， 三个独立的1 6 位计数器可能产生0 5 m h z 的时钟信号。 3 2 3 数据采集系统的抗干扰技术 数据采集系统在使用过程中，各种干扰弥布着工作现场。在系统中，由于内部或 外部干扰的影响，在被测信号电压或电流上会叠加上干扰信号，通常把这种干扰称为 噪声。噪声对被测信号存在着严重的干扰，会导致很大的数据采集误差。因此，噪声 是数据采集的主要障碍。在分析和设计数据采集系统时，必须考虑到可能存在的干扰 对系统的影响，把抗干扰问题作为系统设计中的一个至关重要的内容，从硬件和软件 上采取相应的措施以增强系统的抗干扰能力。 3 2 3 1 数据采集系统中常见的干扰 数掘采集系统工作环境的干扰源有很多，从干扰输入信号的关系来划分的话，可 分为串模( 差模) 干扰和共模干扰两种。 1 串模( 差模) 干扰 ( a ) ( b ) 图3 2 6 串模干扰示意图 串模干扰是指叠加到测量信号上的干扰噪声，这种干扰信号一般均为变化较快的 第2 5 页 里旦垄! l 一一塑堑些笙型堕塑篓然婴型 杂丢l 无豢鹣交交壤号。于魏霹戆来叁俦感器售号源懿内部，魏蚕3 。2 6 ( a ) 蹶示，迄可 能产生予外部引线，如匿3 2 + 6 ( b ) 所示，v g 叠加强被测信号v s 之上，成为被测信号 的一部分，被送到放大器进行放大，影响是很大的。 产，土串模干扰的原因是：外部高压供电线交变电磁场通过寄生电容耦合进传感器 一端：电漩交变电磁场对传感器一端的漏电流耦合。 2 。共援于撬 共模干貔是指在信号地和仪器避( 大建) 之闯产生的于扰。如图3 2 7 所示，蘑 中e 为信姆地，f 为仪器地，被测信号为s ，n 是出现在待测信号s 与仪器地之间的 干扰信号。a 、b 两端叠加的干扰电压相同。由于肖干扰信号n 的存农，使被测信号 s 受到干扰。 l 倭号氅愿 冀镤手挽后的采样信号电墨 烈i 、0 、 f b 、 圈3 2 7共模干扰示意圈 s 第2 6 页 硕十论文 智能化检测应用系统研制 产璺三对逑共模予撬款蒙溅有： 在数据采集系统附近有大功率的电气设备，电磁场以电感或电容形式耦合到传 感器和传输导线中。 电源绝缘不良而引起漏电或三相动力电网负载不平衡致使零线有较大的电流 时，存在精较大的地电流和地电位差。如果系统稳两个以上的接地点，则地电位差就 会造残共横予撬。 魄气设备的绝缘佳熊不懿时，动力电源会通：i 童漏电阻耦合至数掇采集系统的信 号回路，形成干扰。 在交流供电的仪器中，交流电会通过原、剐边绕组间的寄生电释、整流滤波电 路、信号电路与地之间的寄生电容到地构成回路，形成千扰 1 0 , 1 7 , 1 9 , 2 0 】。 3 。2 。3 。2 系统采取戆抗干扰措施 1 模拟信号输入逶道鼢抗予扰措施 模拟信号输入通道是数据聚集板卡和微型计算桃、传感器之间进行信息交换的渠 道。对这信息渠道侵入的干扰主要是因公共地线所引起。其次，当传输线路较长时， 还会受到静电和电磁波噪声的干扰。 ( 1 ) 电磁隔离 这耱方法是在传惑器与采繁电路之蓠熬入一个隔离放大器，瘸瑟瀚离放大器懿奄 磁耦合，将外界的模拟信号与系统进行隔离传送。 ( 2 ) a d 转换器的抗干扰措施 本系统采用三线采样双屡群蔽浮置技术降低麸模千扰的影响。所谓三线采样，就 是将信号线帮她线一起采样。实黢证明，这羊孛双艨群蔽技术，是抗共模干扰最有效的 方法。囊予鼗戆器帮程壳之瓣会孳| 起英模于撬，瓣魏，矗内转换器鹣模羧羹盘一般采取 浮置接魄方式。图3 2 8 ( a ) 怒双层屏蔽的原理电路，图3 2 8 ( b ) 是等效电路。 采用内外屏蔽之质，由按模电压( u 陀+ u 。) 所引起的共模电流肖i c m l ，i c m 2 ， i c m 3 。i c m l 是主要部分，它通过r 5 ，c 5 入地，不缀过r 2 ，所以不引怒与信号相串联 的串摸予挽；i c m 2 流经豹阻抗纥b 醇l 流经的阻抗大l 倍，所以它只有i c m t 鞠1 2 ；i c m 2 在r 2 主繇产生兹压降嚣虢慈麓苓诗。舞骧，哭鸯l 僦在r 2 上戆莲辫静致串模于魏露 引起误麓，但其数值很小。如莱有1 0 v 共模电聪，仪产生o 1uv 的d c 串模电压和 2 0 “v 的a c 串模电压。在这种情况下( 屏蔽层电阻忽略不计) ，其共模抑制比c m r x 为 。c ：霞= - 2 0 1 9 警= - 1 6 0 d b 第2 7 页 硕十论文 智能化检测应用系统研制 a e c m r r = - 2 0 1 9 去 ，：。= 一t z 。a b 可厂 由以上分析可知，这种抑制干扰技术，效果怒明显的。应该指出的是，要注意屏 蔽层的接法，否则会引起干扰；a d 的电流应自成系统，不能与大地张接。 传感器 宅孽 c ，2 共揍电压 离 蕺 内屏蔽 抖霹麓 蓝 琏 ( b ， 图中r ，一a d 的等效输入电阻 r 。一低端到内屏蔽层的漏电阻，约1 0 9 0 c ，一低端到内屏蔽层静寄生电容，约2 5 0 0 p f 一低搂鬟乡 器薮豢翁瀑电辍，终1 0 “q ； c 6 - 低端到外屏蔽层的寄生电容，约2 谣。 图3 2 8 三线采样双层屏蔽原理图 2 长线传输的抗干扰措施 本系统工作对，如果需要，可以进行远距离数摅采集。当采集信号与系统相距较 远 w 时，粥试为j 疆：采榉 值x 。是奇辩项，应予以剔除，而以预测值x ：取代聚样值x 。 由此可知，关键是推算的算法和选择w 的慎。 预测缎x ：可用一阶差分方糖推算 描t 。l + t _ 一x t 一2 ) 舀。 式中，x j 在t 时刻的预测假 x t i 叶时刻前一个采样点的值； x 2 t 对刻前二个袋样点的值。 峦式( 3 + 翁霹翔，t 露弱豹镁溅篷霹虢震 l 窝蛾辩剡熬采撵莛受擦舞。当采襻频 率大于物璇璧变化的最高频率嚣重，这种预测方法蠢魑够的精度。 一般误差限w 的大小鬃根据数据采集系统的采样速率、被测物联燧的变化特性 来决定。 3 2 | 4 j 3 去除或提取采样数据的趋势项 等德处溪豹数莛串，一般帮毽会骞嚣静势量：楚羯黧大于数攥聚横髑裴瓣频率 成分，称它为趋势项；二是阕麓小于数据采样周期的频率成分，称它为交变分量。由 于处理骤求不同，可能只对其中的种分量感兴趣，这就涉及到趋势项的去除或提取。 第3 2 页 硕f ：论文 智能化检测应用系统研制 去除或提取趋势项的方法有两种：平均斜率法和最d , - 乘法。最小二乘法处理精 度较前者高，因而采用最小二乘法提取趋势项。 最d , - 乘法，就是寻找这样一个函数i ( f ) ，使得函数i ( f ) 与x ( t ) 的误差平方和为 最小，即i ( ，) 去逼近或拟合x ( t ) 。一般i ( r ) 可用一个多项式表示。 采集到的离散化的数据，可表示为k i ( 七= 1 , 2 ，3 ，) ，其中k 为采样点序号，n 为采样点数。为简化起见，令采样间隔疋= 1 。则拟合数据的m 次多项式可表示为 主 = b o + 玩k + 6 2 k 2 + b 3 k 3 + + b m k m( 3 7 ) 式( 3 7 ) 中，k = l ，2 ，3 ，n 。 只要确定式( 3 7 ) 中的系数b 0b l ，6 2 ，b m ，这个多项式也就可以确定了。可以根 据己知的数据序列和最小误差平方和准则来求得。误差平方和e ( b ) 的表达式为 ( 3 8 ) 由于选定的6 。，( 6 0 ，b 。，b 2 , - - , b 。) 总是正数，所以取e ( b ) 对岛求偏导数，并令其为零 即令 堡o b , 弘t 耆，) ( - n = 。 ( 3 9 ) 式( 3 9 ) 可以产生m + 1 个以下方程 = 坼k ( ，= 0 , 1 ，2 ，m ) ( 3 1 0 ) i t i 根据待处理的n 个h 求解上式，可以得到m + 1 个的k 值。式( 3 i o ) m + i 元线性方程 组。当m _ 0 时有 即得 则由式( 3 7 ) 可得 驴专静 ( 3 1 1 ) r 3 1 2 ) 第3 3 页 ) m k m 一 10 。m = ) 靠 一 。m = ) e 矿 。m k m 矿 h 。m = 矿 。m 硕士论文 智能化检测应用系统研制 x 女= b o 即用n 个点的算术平均估计作为趋势项。 当m = i 时，由式( 3 1 0 ) 可得以下的联立方程组 考虑到 解式( 3 1 4 ) 可得 nnn k o + 6 ，k = 扎 知道n ，则趋势项为 n k = l n k o = n i ；l b o = b l = nn 2 ( 2 + 1 ) 坼- 6 , i x n ( n 一1 ) nn 1 2 k x i 一6 ( + 1 ) n ( n 1 ) ( + 1 ) t = b o + b l k ( 3 1 4 ) ( 3 1 3 ) 当m = 2 ，3 或更多时，用同样的方法也能求出筑的各个系数，m 的选择要根据物理 过程的具体情况而定。一般情况下可取m = 2 或3 即可。 3 2 4 4 采样数据的平滑处理 一般来说，数据采集系统采集到的数据中，往往叠加有噪声。特别是随机信号的 干扰，