1、第4章 自动检测系统设计,4.1 自动检测系统的设计原则与步骤 4.1.1 自动检测系统的设计原则,*系统结构应规范化、模块化； *降低成本，提高系统的性能价格比,*首先要能够实现所要求的功能和技术指标；,*要满足系统在可靠性、可维护性方面的要求 如平均无故障工作时间、故障率、失效率、平均寿命等,*考虑到用户操作方便，提供良好的人机界面,自底向上的设计方法 为了完成某个检测任务，可以利用现有的模块、仪器，综合成一个满足要求的系统。这种系统虽然未必是最简单、最优化的方案，但只要能完成检测任务，仍不失为快速、高效解决问题的方法。,自顶向下的设计方法 即从总体到局部、再到细节。先考虑整体目标，明确任
2、务，把整体分解为多个子任务，并充分考虑子任务之间的联系。,“硬件软化” 为降低硬件成本，将某些硬件功能用软件实现。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。,“软件硬化” 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 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。 软件可完成许多复杂运
3、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。 多使用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。 大批量投产时，软件的易复制性可以降低成本。 工作速度允许的情况下，应该尽量多利用软件。 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。,4.1.2 自动检测系统的设计步骤,1 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,（2) 进行总体设计,2 硬件和软件的研制在开发过程中，硬件和软件应同时进行
4、。 (1) 硬件电路的设计、功能模板的研制和调试,(2) 软件框图的设计、程序的编制和调试,3 系统总调、性能测试,4.1.2 自动检测系统的设计步骤,1 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 明确系统需要完成的测量任务； 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、输入信号的通道数； 明确测量速度、精度、分辨率； 明确测量结果的输出方式、显示器的类型； 明确输出接口的设置。 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。 综合考虑上述各项，提出系统设计的初步方案。,（2) 进行总体设计 通过调研对所提出的
5、系统初步设计方案，进行论证，完成系统总体设计。 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 之后针对子任务去进行具体的设计。,2 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 根据总体设计，将整个系统分成若干个功能块，分别设计各个电路，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。 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。,(2
6、) 软件框图的设计、程序的编制和调试 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。 编写程序一般用汇编语言建立用户源程序。 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。 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存空间尽量小、执行速度尽量快。,3 系统总调、性能测试 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。 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。,4.2 传感器的合理选用,1、确定传感器的类型,2、线性范围和量程,3、灵敏度
7、的选择,4、精度,5、频率响应特性,6、稳定性,1 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： 量程的大小； 被测空间对传感器体积的要求； 测量方式为接触式测量还是非接触式测量； 信号的传输方法，是有线传感还是无线传感； 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。,2 线性范围和量程 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。 任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性范围是相对的。 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
8、作线性传感器。,3 灵敏度的选择 希望传感器的灵敏度越高越好。但传感器的灵敏度高，外界噪声也容易混入，也会被测量系统的放大器放大，影响测量精度。 要求传感器本身应具有较高的信噪比。,4 精度 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。 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。 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。,5 频率响应特性必须保证在整个被测量频率范围内满足不失真测量条件。,4.2.6 稳定性 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。 影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的
9、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。 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。,4.3 自动检测系统的性能估计,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。 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，同时又不过分的超过预先规定的指标。 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。,4.3.1 检测系统分辨力与量程的预估,在设计过程
10、中，指标分配与合成往往需要反复进行。 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。 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。 办法之一是设置多种增益，被测量值较小时用增益大的档，测量值大时自动切换为增益小的档； 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 动态性能的预估,1 模拟部分,传感器为二阶系统，放大器为一阶系统,2 数字部分 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
11、持器的孔径时间与孔径抖动时间。 （1） AD转换器转换时间的选取,（2） 采样保持器孔径时间与孔径抖动时间的选取 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总的说来，测量系统动态性能主要受传感器的限制。,4.3.3 静态性能的预估,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。 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。 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.
12、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。,测量系统基本结构框图,测量系统整机误差表达式,式上式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,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；温度系数 ； 将上述指标数据代入u1式中，得,(2) 数据采集系统AD转换器标准不确定度的设定,(3)放大器标准不确定度的限定 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
13、公式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。 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。 注意，放大倍数的实际值偏离设计值引起的系统误差是可以消除的。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。 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。,4.4 自动检测系统设计举例在线微量水分测量系统设计 1 系统总体设计,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。 在高压电器设备中
14、，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。 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4-2 微量水分测量系统总体结构框图,2 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,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通过金层上的网孔被氧化铝的细孔壁吸附或释放，并与周围的水蒸气压迅速达到平衡。 由于水分的介电常数大，细孔壁吸附水分子后等效电容变大，即电容量随湿度变化，湿度越大电容量也越大，反之则小。 这种传感器具有响
15、应速度快、抗结露及抗污染能力强、无需加热清洗、长期使用性能稳定可靠等许多优点，测量范围 ，因此适于超微量水分测量。,3 信号调理电路设计,图8-4 差动脉冲调宽电路原理图,图8-5 差动脉冲调宽电路各点电压波形图,输出的直流电压与传感器电容和固定电容之间的差值成正比。 差动脉冲调宽电路只采用直流电源，无需振荡器，也就不存在载波波形纯度的要求；输出信号一般为10kHz1MHz的矩形脉冲，只要配置一个低通滤波器就能得到直流信号；对矩形波的纯度要求不高，也不需要相敏检波器，从而避免了伴随而来的线性问题。 前置电路的输出信号经二级有源低通滤波器滤波后得到了直流信号。为保证能对信号进行直接模数转换、提高
16、信号的抗干扰能力及仪器的灵敏度，还必须对信号进行放大处理。,放大后的直流信号通过AD转换器转换，再送入8031单片机的CPU中，处理后送显示或打印。本系统的AD转换器采用12位分辨率的模数转换器AD574A，它能使系统达到较高的测量精度。 数字系统除了核心单元8031外，还扩展了8KB的程序存储器EPROM2764和8KB的数据存储器RAM6264，并行接口芯片8255作为单片机与显示器、键盘及打印机的接口，实现参数的预置及湿度值的显示及打印。,4 微量水分测量系统的软件设计,用MCS-51汇编语言编程，经调试通过的程序固化在EPROM之中。 系统启动后，首先由主程序完成各种初始化工作，包括8
17、031片内特殊功能寄存器SFR的初始化，8255等接口的初始化及数据缓冲区初始状态的设定； 然后发AD启动脉冲，采样湿度数据，经标度变换后送显示或打印。,图4-6 主程序流程图,4.5 啤酒瓶残留清洗液在线检测系统设计 4.5.1 设计任务,需要将含有残留清洗液的不合格瓶子剔除，确保实际用于灌装的瓶酒瓶清洗干净且不含清洗液残留物。 人工检验耗费工时，工人工作单调，容易造成视觉疲劳，检验的速度和精度都很有限。 分辨率为1ml碱液或4ml自来水，检测速度为72000瓶/小时，不合格瓶检出率为99.99%，合格瓶误检出率为1%。,4.5.2 设计任务难点分析,1 检测的高速性 2 检测的非接触性 3
18、 分辨率要求高且被测物质不唯一 4 自动剔除 5 较强的抗干扰能力，稳定性、可靠性要求高,4.5.3 检测原理研究,图4-7 高频残留液检测装置示意图,图4-8 有残液容器经过时两极间的等效电路,有无残留液的瓶子经过时，在接收电极上产生的电流的变化量,Z2是激励频率、耦合电容、残留液等效阻抗的函数，因此流过电极的电流的变化量是激励电压、激励频率、耦合电容、残留液等效电阻的函数。耦合电容的大小取决于残留液的体积，残留液的等效电阻取决于残留液体积和浓度，等效阻抗是残留液数量和浓度的综合体现。当激励电压和激励频率都是一定的时候，电流值只和残留液的体积和浓度有关。于是，残留液的有关信息被转换为电流的变
19、化量，实现了非电量到电量的转换。,图4-9 交流频率为4.5MHz，电压12V时, 有残留液和无残留液时的曲线对比,4.5.4 检测系统设计,1 激励电压和频率的选择,单纯从上式看来，激励电压越高，耦合电流的变化量就越大，检测系统的灵敏度也就应该越好。但通过实验发现，当激励源电压增高到一定程度时，再进一步提高该电压，噪声影响将明显增大，信噪比不仅不能提高反而下降。因此存在着激励电压的优选问题。通过实验，发现激励电压在12V18V，频率在6MHz8MHz时效果较好。,2 电极设计 主要是确定电极的形状、几何尺寸、电极间距。,检测极板的形状、几何尺寸设计原则是能够最有效的检测单个被测瓶，并且在输送
20、带上与被测瓶相邻的其他待测瓶或已测瓶不会对正在实施的针对被测瓶的检测产生干扰。 换言之，应该保证检测电极能够最有效的检测处于两检测极板之间的被检测瓶，而不会受到其前面的已经检测过的瓶子和后面的尚未进入检测区的瓶子的干扰。唯有如此，才能够对被检测瓶做出准确的判断。,将检测电极设计为长方形，其长度设计为瓶子的直径，其高度根据允许残留液的上限确定。 至于电极的厚度，则是在保证机械强度的前提下越薄越好。越薄意味着边缘效应的影响越小 检测电极之间的距离应能根据被检瓶的直径进行调整。合适的电极间距对于提高灵敏度、降低误检率等有重要作用。极板间距应该考虑多方面的因素，综合考虑，多次调试，选择最优的距离。 由
21、于极板电容边缘效应的存在，检测系统将受到来自检测极板周围的不锈钢传送带、支架的影响。这种影响不仅使传感系统灵敏度降低，而且会加重检测系统的非线性，因此应该尽量消除或减小它。检测电极无法远离传送带和支架，只能通过尽量减小电极间距、减小电极厚度、可靠接地、有效屏蔽来减小边缘效应的影响。,3 系统总体框图,图8-10 残留液检测系统的整体功能结构框图,激励源利用晶体振荡电路产生频率和电压值都很稳定的振荡信号，再经过整形和功率放大电路后变成方波，将这个方波信号作为激励信号。 从激励源出来的交流激励信号施加于电极上，当有残留液的容器处在两个电极之间的检测区域时，电极和其靠近的残留液的截面形成两个耦合电容
22、C1、C2。残留液相当于一个电阻R，该电阻连接两个耦合电容。 通过检测极板之间的等效电导，就能获取容器内残留液的信息。电容C1和电容C2的电容值的大小反映残留液的体积大小，电阻R的大小反映残留液导电能力的大小，电极之间的等效导纳是残留液体积和残留液导电能力的综合体现。从电极出来的耦合信号，经过滤波、高频放大电路放大，再经过峰值检波电路检波，变换成直流电压信号。直流电压信号经过低频放大处理，再经过运算电路变换就成了单片机能够直接进行A/D采样的电压信号。通过A/D采样，得到电压的值和设定的值进行比较判断，然后输出一个信号到剔除器，剔除器将不合格瓶子予以剔除。,4 高稳定性直流电源设计,图4-11
23、 以运算放大器为核心的极性变换电路,事实上，由于内容参数的离散性以及自举电路结构的影响，集成功放输出端的电压并不是绝对的VCC/2，从而造成正、负输出电压不平衡的现象。为此，将一只10100k的电位器替代原来有等值电阻构成的分压电路就可以克服这种输出电压不平衡的现象。 具体电路如图8-12所示，图中功放选用的是LM386。通过调节功放的直流输入电平，就可以在芯片的输出端得到大小非常接近的正负电压值了。该电路不仅能克服内容参数的离散性以及自举电路结构的影响，也能同时克服正、负电源的负载不对称所带来的影响。,图4-12 改进的以功率运算放大器为核心的极性变换电路,5 高频激励信号源设计,图4-15
24、 石英晶体多谐振荡器电路,6 高频传感信号放大电路设计,图4-16 高频小信号谐振放大器,7 峰值检波电路设计,图4-19 带运算放大器的峰值检波器,8 低频放大电路设计,图4-20 低频放大电路,4.5.5 数字处理单元设计,4.6 空气压缩机的曲轴工作应力测试,选用通用测量仪器组成测量系统，其一般步骤如下： 1) 对待测产品的结构和工作情况进行分析，根据有关标准和规范制定测试方案。 2) 确定测试部位，合理布置测量点。 3) 选择合适的应变计、传感器和测量仪器。 4) 进行测试，包括清理测量点、贴应变片、校准仪器、装接导线、采集测量数据并做好记录等。 5) 做好数据处理和结果分析工作，形成
25、试验报告，对产品质量给出明确评价。,压缩机工作时，电机经皮带轮驱动曲轴，再经连杆使活塞往复运动压缩气体。因此曲轴是空气压缩机的动力传动部件，事关整机运行的可靠性、稳定性，在新产品的定型过程中需对其进行应力测试。,4.6.1 曲轴材料性能及测点布置,曲轴旋转时，由连杆产生的推力和皮带轮产生的扭矩同时作用于曲轴上，靠近输入端的曲轴颈和轴臂等部位是主要承力部位。 对于旋转部件的动应力，可靠的测试方法是采用电阻应变计进行测量，信号用集流环引出。 根据曲轴的受力情况，在主要受力部位选择了21个测点曲轴的测试部位及测点布置见图8-22。图中括号里的编号表示曲轴背面的测点编号，位置与近旁的测点对应。,图4-
26、22 曲轴的局部结构及测点布置,4.6.2 应变计与测试仪的选用,应变计选用高精密级胶基箔式电阻应变计。根据应力梯度大的测区用短标距应变计、应力梯度小的测区用长标距应变计的原则，特选用两种型号的应变计。 所有测点均仔细打磨、划线、清洗，然后贴片。贴片胶为氰基丙烯酸脂粘合剂。为保护应变计和固定导线，采用703胶密封，密封胶分两层涂敷。 为引出应变计引线，在曲轴的输入端中心钻一个通孔。所有引线都从孔中引出，然后再分别接入集流环上测量。集流环用万向接头与曲轴的输入端相连。,4.6.3 测试,首先平衡好仪器，记录标定应变信号后，启动空压机，经10分钟后达到额定工作压力98.5MPa，进行记录。 停机后
27、更换接线，作第二次记录。 实测时记录带速为19.2cms,磁带记录仪记录的信号需要经过重放后显示应变波形。 重放时，选择线性度高的函数记录仪作为记录仪器，在磁带记录仪与函数记录仪之间加了低通滤波器,图4-23 滤波前后的应变,图4-24 动态应变记录曲线,4.6.4 数据处理,4.6.5 误差分析,应变电测法的误差主要受以下几个因素的影响： 1) 应变计灵敏系数误差：约为1。 2) 贴片误差：包括贴片质量和贴片方位两种误差，对熟练操作者来说，一般为12。 3) 仪器误差：因用于测试的仪器精度较高，三台仪器的综合误差不会大于l，再加上4由集流环引起的误差，总误差为1%+4。 4) 稳定性误差：稳定性引起的误差包括仪器和测量桥路两部分。由于仪器的稳定性很好，这部分误差可略去不计。两部分引起的综合稳定性误差1。,综合以上分析，若不考虑测试温度影响，最大误差为土(45)。因为误差出现是随机的，不可能都同号，其中必然有抵消的情况，所以实际误差可认为小于3。 温度和集流环引起的误差约为15，而这种误差只改变应变曲线的零线，对应变幅度没有影响。,
