系统设计的几个问题.ppt

1、第四章 系统设计的几个问题,本章对系统设计中的几个主要问题给于介绍。,4-1 传感器的选择 4-2 非线性特性线性化 4-3 温度补偿技术 4-4 智能化技术 4-5 可靠性问题 4-6 抗干扰技术,4-1传感器的选择,一、对传感器的要求 由于传感器的精度高低、性能好坏直接影响到整个自动测试系统的品质和运行状态。一般说来，对传感器的要求是全面的、严格的，它们是选用传感器的依据。 1技术指标要求 （1）静态特性要求。线性度及测量范围、灵敏度、分辨率、精确度和重复性等。 （2）动态特性要求。快速性和稳定性等。 （3）信息传递要求。形式和距离等。 （4）过载能力要求。机械、电气和热的过载。,2使用环

2、境要求 温度、湿度、大气压力、振动、磁场、电场、附近有无大功率用电设备、加速度、倾斜、防火、防爆、防化学腐蚀以及不有害于周围材料寿命及操作人员的身体健康等。 3电源的要求 电源电压形式、等级、功率及波动范围；频率及高频干扰等。 4基本安全要求 绝缘电阻、耐压强度及接地保护等。 5可靠性要求 抗干扰、寿命、无故障工作时间等。 6维修及管理要求 结构简单、模块化、有自诊断能力、有故障显示等。,上述要求又可分成两类： 一类共同的，如线性度及测量范围、动态特性、精确度、工作温度等； 另一类是特殊要求，如过载能力、防火及防化学腐蚀要求等。 对于一个具体的传感器，仅满足上述部分要求即可。,二、选择传感器的

3、一般原则 一个自动测试系统的质量优劣，关键在于传感器的选择。选择传感器总的原则是，在满足对传感器所有要求的情况下，成本低廉、工作可靠和易维修，即所谓性能价格比要大。 选择传感器的一般原则可按下列步骤进行： (1)借助于传感器分类表，按被测量的性质，从典型应用中可以初步确定几种可供选用的传感器的类别。 (2)借助于几种常用传感器比较表，按被测量的范围、精度要求、环境要求等确定传感器的类别。 (3)借助于传感器的产品目录、选型样本，最后查出传感器的规格、型号和性能、尺寸。 以上三步不是绝对的，仅供经验少的工程技术人员对一般常用传感器选择时参考。,4-2非线性特性线性化,一、概述 在自动测试系统中，

4、应用大多数传感器的输入与输出之间并非绝对线性关系。这是由于不少传感器转换原理并非线性，其次是由于采用电路的非线性。对于这些问题的解决，常采用三种办法： 1.缩小测量范围，取近似值； 2.采用非线性指示刻度； 3.加非线性校正环节。 但在目前，由于数字显示技术广泛使用，以及测量范围和测量精度的不断提高，对非线性校正的要求显得更为迫切。,二、非线性校正的方法,测量仪表静态特性非线性的校正方法通常有两种：一种是开环节式非线性校正法，另一种是非线性反馈校正法。这里着重介绍前一种方法。 具有开环式非线性校正的测量仪表，其结构原理可用以下框图表示。 传感器将被测量物理量转换成电量u，这种转换通常不是绝对非

5、线性的。电量u1经放大器放大后成为电量u2，放大器一般是线性的。引入线性化器的作用是利用它本身的非线性补偿传感器的非线性，从而使整台仪表的输出u和输入之间具有线性关系。这里解决的关键问题显然有两个： 一是在给定u线性关系的前提下，根据已知的u非线性关系和u线性关系求出线性化器应当具有的u1u2非线性关系。 二是设计适当电路实现线性化器的非线性特性。工程上求取线性化器非线形特性的方法有两种。,1.解析计算法 设传感器特性解析式为 放大器特性的解析式为 要求测量工具有的刻度方程为 将以上三式联立，消去中间变量u1和x，就得到线性化器非线性特性的解析式 根据上式即可设计线性化器的具体电路。,2 .图

6、解法 当传感器等环节的非线性特性用解析式表示比较复杂或比较困难时，可用图解法求取线性化器的输入-输入特性曲线。图解法的步骤如下。 1)将传感器特性曲线作于直角坐标的第一限，u1=f1(x)。 2)将放大器线性特性作于第二限，u2=Ku1。 3) 将整台测量仪表的线性特性作与第四象限，u0=sx。 4)将x轴n段，段数n由精度要求决定。由点1、2、3、n各作x轴垂线，分别与u1=f(x)曲线及第四象限中的u0=sx直线交于11、12、13、1n及41、42、43、4n各点。以后以第一象限中这些点作x轴平行线与第二象限u2=Ku1直线交于21、22、23、2n各点。 5)由第二象限各点作x轴垂线，

7、再由第四象限各点作x轴平行线，两者在第三象限的交点连线即为校正曲线u0=f2(u2)。这也是线形化器的非线性特性曲线。,对测量仪表中非线性环节的校正还可以采用非线性反馈补偿法，其原理如图。,三、非线性校正电路 当我们用解析法或图解发求出线性化器的输入-输出特性曲线之后，接下来的问题就是如何用适当的电路来实现它。显然在这类电路中需要有非线性元件或者利用某种元件的非线性区域，例如将二极管或三极管置于运算放大器的反馈回路中构成的对数运算放大器就能对输入信号进行对数运算，构成非线性函数运算放大器，它可以用于射线测厚仪的非线性校正电路中。目前最常用的是利用二极管组成非线性电阻网络，配合运算放大器产生折线

8、形式的输入-输出特性曲线。由于折线可以分段逼近任意曲线，从而就可以得非线性校正环节（线性化器）所需要的特性曲线。,折线逼近法如图所示。 将非线性校正环节所需要的特 性曲线用若干有限的线段代替， 然后根据各转折点xi和各段折 线的斜率ki来设计电路。,四、非线性特性软件线性化处理 对测量系统非线性环节的线性化处理，除了采用硬件电路来实现外，在有微机的智能化检测系统中可利用软件功能方便地实现非线性的线性变化。这种方法精度高，成本低，应用灵活。 设某传感器非线性校正曲线如图所示。它是一个非线性函数关系。我们将输入量x按一定要求分为N个区间，每个xk都对应一个输出yk。把这些（xk,yk）编制成表格存

9、贮起来。实际的输入量xi一定会落在某个区间（xk-1，xk）内，即xk-1xi xk.软件法的含义是用一段直线近似地代替这段区间里的实际曲线，然后通过近似插值公式计算出yi这种方法称为线性插值法。 由图可以看出，通过M1、M2两点的直线斜率k为： ；而yi的计算公式为：,软件线性插值法的线性化精度由折线的段数决定，所分段数越多，精度越高，但数表所占内存越多。具体分段数，可视非线性特性曲线形状而顶，可以是等分的，也可以是不等分的。右图为此法程序框图，由该图可知，当xi确定后首先通过查表确定xi所在区间，查出后顺序取出区间两端点xk-1，xk及其对应的yk-1，yk,然后利用式计算出yi。这样，得

10、到的输出量yi和传感器所检测的被测量之间成线性关系。,4-3温度补偿技术,一、概述 测试系统的基本环节特性随温度变化，必然造成整个测试系统的特性随环境温度而变化。为了满足生产对测试系统性能在温度方面的要求，就需要在测试系统的研究、设计、制造过程中采取一系列具体的技术措施，以抵消或削弱环境温度变化对测试系统特性的影响，从而保证其特性基本上不随环境温度而变化。这些技术措施为温度补偿技术。 二、温度补偿原理 并联式温度补偿原理 并联式温度补偿原理就是人为地附加一个温度补偿环节，该补偿环节与被补偿自动测试系统(或组成环节)并联，目的是使被补偿后的自动测试系统静特性基本上不随环境温度变化。 并联式温度补

11、偿在测试系统设计中已获得较广泛的应用。例如热偶冷端温度补偿、直流放大器的差分对输入级的温度补偿等。,4-4智能化技术,一、智能化的基本概念 目前人们习惯用智能传感器这个词来称呼用传感器和微型计算机组成的新一代的自动测试系统。 这种新型的自动测试系统，具有下列三方面的突出特征： 1提高了测量精度 利用微型计算机操作多次测量和求均值的办法可削弱随机误差的影响。 利用微型计算机进行系统误差补偿。 利用辅助温度传感器和微型计算机进行温度补偿。 利用微型计算机实现线性化，可以减少非线性误差。 利用微型计算机进行测量前的零点调整、放大系数调整和工作中周期调整零点、放大系数。,2增加了功能 利用记忆功能对被

12、测量进行最大值和最小值测量。 利用计算功能对原始信号进行数据处理，可获得新的量值。 利用多个传感器和微型计算机数据处理功能，可以测量场和空间等的新量值。 用软件的办法完成硬件功能，经济并减小体积。 对数字显示可有译码功能。 可用微型计算机对周期信号特征参数进行测量。 对诸多被测量可有记忆存储功能。,3提高了自动化程度 可实现误差自动补偿。 可实现检测程序自动化操作。 可实现越限自动报警和故障自动诊断。 可实现量限自动变换。 可实现自动巡回检测。,二、单片微机的选择 按对传感器智能化具体内容的要求，可以进行单片微机的选择。选择的原则是：在满足技术要求的情况下，价格最低、结构最简单、性能价格比最高

13、。 在选择过程中要注意下列问题： 所选的单片机运算功能要满足智能传感器对数据处理运算能力的要求。 软件编程数量与内存容量要适应。 单片机所提供的IO接口形式与数量要满足智能化要求。 对便携式的智能化传感器要考虑到单片机电池供电。,4-5可靠性问题,一、测试系统的可靠性 随着科学技术的发展，对自动测试系统的可靠性要求愈来愈高。所谓可靠性，是指在规定工作条件和工作时间内，测试系统保持原有技术性能的能力。 传感器结构的小型化、微型化和复杂化，在一定程度上影响它的可靠性。近年来已研究出确定结构和个别零件寿命的实验方法。用这种方法获得的数据可以求出整个传感器或测试系统的概率寿命。这种寿命称为达到第一次损

14、坏时工作等待时间。,下面给出一些结构和传感器的寿命(h)： 小尺寸电位器式压力传感器 2000 电容器压力传感器 3000 压电传感器 3500 振动器 1500 快速动作继电器 2000 步进电机 1000 实验表明，自动测试系统损坏率随着系统中的零件数目呈指数规律增加。,传感器损坏原因分析结果如下(以表示)： 不正确的设计（不合理的结构、不恰当地选择测量元件和材料以及其它） 35 错误的操作 30 产品的缺陷 25 材料老化及其它缺陷 10 总计 100,二、可靠性的总体考虑,（一）设计过程,（二）提高仪器可靠性的措施,元器件的选择 （电阻器 、电容器 、集成电路芯片 ） 筛选 降额使用

15、可靠的电路设计 冗余设计包括并联系统和串联系统两种形式,在测量过程中，除了待测量信号外，还有各种不可见的、随机的信号可能出现在测量系统中。这些信号与有用信号叠加在一起，严重扭曲测量结果。因此，认识干扰信号，重视抗干扰设计是测试工作中不可忽视的问题。,4-6抗干扰技术,一、测试系统信号的传输和噪声源 二、噪声形成干扰作用的三要素 三、噪声耦合途径 四、测试系统的抗干扰技术,本节讲述内容：,一、测试系统信号的传输和噪声源 （一）、信号传输 信号传输有以下几种形式： 1有线传输:这是应用最普遍的形式； 2无线传输:调制信号以电磁波的形式发射与接收； 3光传输。 在有线传输中，可以采用调制式或基带式传

16、输方式。 传输信号所占有的频带称为基本频带，简称基带。把输入的信号按原有的频带予以传输的方式称为基带式传输。,在常规测试工作中，基带式传输是主要的传输方式。 基带式传输 直接式电压传输、电流传输。 直接传输具有简单、可靠、成本低的优点，其关键在于抑制噪声、抗干扰。实践表明，测试系统的噪声干扰多来自信号传输环节，因此，在信号传输环节采取措施，抑制噪声，对整个测试系统的抗干扰能力的提高是至关重要的。,（二）、噪声源 在测试系统中出现的无用电信号称为噪声。在系统中，有用信号功率与噪声信号功率的比值，以对数形式表示称为信噪比。表征一个系统干扰的主要指标是“信噪比”。 式中 PS有用信号功率； PN噪声

17、信号功率。,干扰分类 干扰的类型 机械干扰 热干扰 光干扰 湿度干扰 化学干扰 电和磁干扰 射线辐射干扰,电磁干扰的分类 从噪声产生的来源分类 1)固有噪声源 2)人为噪声源 3)自然噪声源和放电噪声 从干扰的表现形式分类 1)规则干扰 2)不规则干扰 3)随机干扰 从干扰出现的区域分类 1)内部干扰 2)外部干扰 从干扰对电路作用的形式分类 1)差模干扰 2)共模干扰,干扰与噪声源有何区别？ 噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关。干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入系统并影响其正常工作才形成干扰。 噪声与干扰是因果关系，噪声是

18、干扰之因，干扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。 干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱。,各种电子设备的噪声干扰，其产生原因多数属于放电现象。 在放电过程中会向周围空间辐射出从低频到高频的电磁波，而且会传播得很远。,1放电噪声,例如在一个大气压的空气中，对曲率半径较小的两电极间施加电压，电压慢慢升高时，最初几乎无电流流过，当电压升高到一定数值时，如果电极中介质完全被电离时(称为电晕)，电极尖端引起局部破坏，电流急剧增加，形成电晕放电；如果继续升高电压，将会经过火花放电过渡到弧光放电，此时空气击穿，同时向周围辐射出各种频率的电磁波。这种干扰电磁波几乎对各种电子设备都有影响。,1)电晕放电噪声主要来源于高压输电线，它具有间隙性，并产生脉冲电流，从而成为一种干扰噪声。伴随电晕放电过程产生的高频振荡也是一种干扰。这种噪声主要对电力线载波电话、低频