《现代检测技术》PPT课件.ppt
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1、第6章 现代检测技术,现代检测技术定义是:指采用先进的传感技术、信息处理技术、建模与推理等技术实现用常规仪表、方法和手段无法直接获取的对待测参数的检测。特点:从待测参数的性质看,主要用于非常见的参数的测量。从应用的领域(对象)看,主要用于复杂设备(对象)、复杂过程的影响性能质量等方面的综合性参数的测量,如高速运动机械的故障分析、油品质量的检测等。从使用的技术或方法看,主要利用了新型的传感技术或传感器。,Contents,传感器的补偿与标定,6.1,检测信号的调理电路,6.2,抗干扰技术,6.3,传感检测新技术,6.4,图6.1 实际传感器的几种典型输入输出特性曲线,6.1传感器的补偿与标定,6
2、.1.1 传感器的补偿传感器使用中的一个问题就是线性化及其补偿。线性化及补偿就是在使用传感器进行实际测量时,对传感器的输入-输出特性进行补偿,也称线性化处理。典型的输入-输出特性曲线图6.1为几种典型的输入-输出特性曲线,6.1.1 传感器的补偿,电桥电路传感器的补偿图6.3使用了反馈式线性补偿方法,可从图6.2a可知电桥输入电压为:,图6.2 电桥电路a)电桥有一个桥臂电路 b)电桥有两个桥臂电路,图6.3 利用反馈技术影响传感器电桥输入电压的原理电路图,(6-1),式中,X为传感器电阻的变化量。放大器的输出电压为:,(6-2),(6-6),再由 得:则 可消除非线性误差。,6.1.2 传感
3、器的标定,6.1.2 传感器的标定传感器的标定,是指在明确输入和输出关系的前提下,利用某种标准或标准器对传感器进行刻度。如温度传感器的标定。晶体管温度传感器的输出具有好的线性关系,原则上只要做两点定标即可。晶体管温度传感器具有非线性,要进行线性化补偿。经常选用的定标温度有水冰点0(273。15K)、沸点100(373。15K)和室温(300K)。,6.2 检测信号的调理电路,6.2.1 测量电桥按照电桥所采用的电源不同可分为:直流电桥和交流电桥 按照输出测量方式不同可分为:不平衡电桥和平衡电桥,6.2.1 测量电桥,直流电桥(1)电桥的工作原理图6.4是直流电桥的基本形式。、称为桥臂电阻,为供
4、桥直流电压源。当电桥输出端、接入输入阻抗较大的仪表或放大器时,可视为开路,此时桥路电流:a、b之间与a、d之间的电位差:输出电压:,图6.4 直流电桥,(6-7),(6-8),(6-9),(6-10),(6-11),6.2.1 测量电桥,满足 直流电桥的平衡。当桥臂电阻(如电阻应变片)产生 变化时,输出电压:当 时称为全等臂电桥。此时式(6-13)可写成:一般情况下,忽略分母中的 项,则:,(6-12),(6-13),(6-14),(6-15),6.2.1 测量电桥,电桥在初始时处于平衡状态,当各桥臂电阻发生不同程度的微小变化时,电桥失去平衡,此时输出电压:为电桥输出电压与各桥臂电阻变化量的一
5、般关系式。由于,忽略分母中的 项和分子中的 高次项,对于最常用的全等臂电桥,可写为:,(6-16),(6-17),6.2.1 测量电桥,(2)直流电桥主要的特点:所需的高稳定度直流电源较易获得;电桥输出是直流量,可以用直流仪表测量,精度较高;对传感器至测量仪表的连接导线要求较低;电桥的预调平衡电路简单,仅需对纯电阻加以调整即可。但直流放大器比较复杂,易受零漂和接地电位的影响。(3)电桥的连接方式电桥分为单臂电桥、差动半桥和差动全桥三种连接方式,如图6-5所示。,6.2.1 测量电桥,图6.5 直流电桥的连接方式a)单臂电桥 b)差动电桥 c)差动全桥,6.2.1 测量电桥,单臂电桥:如图6.5
6、a所示,当 时,电桥输出电压:差动半桥:如图6.5b所示,当、且,电桥输出电压:差动全桥:如图6.5c所示 当、,且,电桥输出电压:定义电桥的灵敏度为电桥的输出电压与电桥一个桥臂的电阻变化率之比值,即,(6-18),(6-19),(6-20),(6-21),图6.7 电桥连接方式,图6.6 用补偿块实现温度补偿a)试件 b)补偿块,6.2.1 测量电桥,(4)电桥的加减特性与应用 例6-1 桥路温度补偿。图6.6采用两片相同的应变片 和。贴在试件的测点上和补偿块上。和 处于相同温度场中,并按图6.7接入电桥的相邻臂上。当试件受力且环境温度变化 时,应变片 的电阻变化率:,6.2.1 测量电桥,
7、应变片(为温度补偿片)只有受温度变化引起的电阻变化率 因为 由式(6-17)可知 结果消除了温度的影响,减少了测量误差。这种桥路补偿法在常温测量中经常采用。,例6-2 利用加减特性提高半桥测量的灵敏度。测量如图6.8所示的纯弯试件时,应变片 和 分别贴于试件上下两表面,并按图6.7所示电桥接线。弯矩 作用下:和 由温度引起的电阻变化率相同 由式(6-17)可得,图6.8 半桥测量,6.2.1 测量电桥,6.2.1 测量电桥,例6-3 图6.9a对例6-2改进,应变片和贴在上表面,和贴在对称于中性层的下表面,并按图6.9b组成全等臂电桥。试件受弯矩作用并考虑环境温度变化,则各桥臂的电阻变化率 代
8、入式(6-17)得 不仅实现了温度补偿,而且电桥 的输出为单臂电桥测量时的4倍,大 大提高了测量的灵敏度。,图6.9 全桥测量a)应变片粘贴位置 b)电桥连接方式,6.2.1 测量电桥,2.交流电桥 交流电桥电路如图6.10所示,其激励电压采用交流方式。桥臂的阻抗、电流和电压都用复数表示,则交流电桥平衡时必须满足复阻抗中包含有幅度及相位信息:得:则:式(6-24)表明,交流电桥平衡必须满足两个条件:相对两臂阻抗之模的乘积应相等,并且它们的阻抗角之和也必须相等,前者称为交流电桥模的平衡条件,后者称为相位平衡条件。,图6.10 交流电桥,(6-22),(6-23),(6-24),图6.11 电容电
9、桥,6.2.1 测量电桥,图6.11是一种常用电容电桥,、是电容介质的等效电阻,由式(6-24)得电桥平衡条件为:,(6-25),(6-26),图6-12是一种常用电感电桥,、为电感线圈的等效电阻,由式(6-24)可得平衡条件为:,图6.12 电感电桥,(6-27),(6-28),6.2.1 测量电桥,图6.13 电阻交流电桥的分布电容,对于纯电阻交流电桥,即使各桥臂均为电阻,但由于导线间存在分布电容,相当于每个桥臂上都并联了一个电容(如图6.13),因此,除了电阻平衡外,还须考虑电容平衡。,图6.14是一种用于动态应变仪中的具有电阻和电容预调平衡的纯电阻电桥。,图6.14 具有电阻电容平衡的
10、交流电阻电桥,6.2.1 测量电桥,3.感应耦合臂电桥 带感应耦合臂的电桥是将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成电桥,一般有图6-15中a、b两种形式。,图6.15 带感应耦合臂的电桥a)变压器电桥 b)差动变压器式电桥,6.2.2 检测信号的放大与变换,6.2.2 检测信号的放大与变换比例放大器 反相比例放大器电路如图6.16a所示。根据“虚短”和“虚断”的概念,反相放大器的放大倍数为 当 为反相跟随器。反相比例放大器存在的问题是输入电阻较低,通常只有几千欧。采用图6.16b的电路,即同相比例放大器,可以得到较高的输入电阻。其放大倍数为,图6.16 运算放大器a)反相比例放大器 b)同相比例放
11、大器,(6-29),(6-30),6.2.2 检测信号的放大与变换,仪表放大器仪表放大器,又称测量放大器,则是专对于输出阻抗大、共模电压高的输入信号而设计的高输入阻抗和共模抑制比的差动放大器。典型的三运放仪表放大器电路如图6.17所示。,图6.17 典型的三运放仪表放大器电路,根据运算放大器的特点和基本分析方法,在图6.17中,有若、则 是用于调节放大器放大倍数的外接电阻。,6.2.2 检测信号的放大与变换,(6-31),(6-32),(6-33),(6-34),6.2.2 检测信号的放大与变换,电压电流变换器 1.010mA电压/电流变换电路电压/电流变换电路的作用是将电压信号变换为标准的电
12、流信号。变换电路如图6.18所示。若运算放大器的开环增益和输入阻抗足够大,则会有因此输出电流Ic与负载电阻无关。,图6.18 010mA电压/电流转换电路,(6-35),图6.19 4mA20mA电压/电流变换电路特性,图6.20 4mA20mA电压/电流变换电路,6.2.2 检测信号的放大与变换,4mA20mA电压/电流变换电路,6.2.3 信号的调制与解调 调制是指利用被测缓变信号来控制或改变高频振荡波的某个参数(幅值、频率或相位),使其按被测信号的规律变化,以利于信号的放大与传输。若控制量是高频振荡波的幅值,则称为调幅(AM);若控制量是高频振荡波的频率或相位,则称为调频(FM)或调相(
13、PM)。一般把控制高频振荡波的缓变信号称为调制波;载送缓变信号的高频振荡波称为载波;经过调制的高频振荡波称为已调波,根据调制原理不同,分别称为调幅波、调频波,如图6.21所示。解调则是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号(调制波)。,图6.21 载波、调制波及已调波,6.2.3 信号的调制与解调,6.2.3 信号的调制与解调,调幅及其解调原理 从调幅原理(图6.22)看,载波频率 必须高于原信号中的最高频率 才能使已调波仍保持原信号的频谱,不致混叠。欲减小放大电路可能引起的失真,信号的频宽()相对中心频率(载波频率)应越小越好。工程应用中,载波频率至少应数倍甚至数十倍于被测信号的最高频率。但是
14、载波频率的提高也受到放大电路截止频率的限制。,图6.22 调幅过程a)时域 b)频域,6.2.3 信号的调制与解调,调幅波的解调如图6.23所示,将调制波再次与原载波信号相乘,用低通滤波器滤去高频成分,就可以复现原信号的频谱。从时域看:,图6.23 同步解调,(6-39),6.2.3 信号的调制与解调,(2)包络检波 包络检波在时域内的流程如图6.24所示。若把调制信号 进行偏置,叠加一直流分量,使偏置后的信号 都具有正电压,然后再与高频载波相乘得到调幅波,其包络线具有调制波的形状。调幅波经过包络检波(整流、滤波)就可以恢复偏置后的信号,最后再将所加直流分量去掉,就可以恢复原调制信号。,图6.
15、24 包络检波解调,6.2.3 信号的调制与解调,(3)相敏检波 相敏检波是为了从调制后的电信号中辨识原信号的极性变化。相敏检波常用的有半波相敏检波和全波相敏检波。图6.25所示为一开关式全波相敏检波电路。,图6.25 全拨开关式相敏检波a)电路图 b)波形图,6.2.3 信号的调制与解调,图6.26为动态电阻应变仪,是电桥调幅与相敏检波的典型实例。,图6.26 动态电阻应变仪方框图,6.2.3 信号的调制与解调,调频及其解调 定义:调频是利用信号电压的幅值控制一个振荡器的振荡频率,而输出是等幅波。调频常用的方案是基于压控振荡器(VCO)原理。图6.27是一种简单的压控振荡器原理图。,图6.2
16、7 采用乘法器的压控振荡器,6.2.3 信号的调制与解调,图6.28为另一种简单的鉴频电路,即变压器耦合的谐振回路鉴频,把频率变化转换为电压幅值的变化。该变换通常分两步完成:第一步先将等幅的调频波转换为幅值随频率变化的调频调幅波;第二步检测幅值的变化,得到原调制信号。,图6.28 利用谐振振幅进行鉴频a)鉴频器 b)频率电压特性曲线,6.2.4 信号的滤波,6.2.4 信号的滤波1.概述 一般将滤波器分4类,即低通、高通、带通和带阻滤波器。图6.29为4种滤波器的幅频特性。是通带截止频率。,图6.29 四类滤波器的幅频特性a)低通滤波器 b)高通滤波器 c)带通滤波器 d)带阻滤波器,6.2.
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