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1、检测与控制电路基础检测与控制电路基础第第3 3章章 传感器与测试系统传感器与测试系统Unit2 Unit2 测控系统数据预处理测控系统数据预处理模块化设计模块化设计电阻类传感器测试关键技术电阻类传感器测试关键技术1. 1. 数据预处理技术数据预处理技术（1 1）限幅滤波：当采样信号由于随机干扰而）限幅滤波：当采样信号由于随机干扰而引起严重失真时采用。引起严重失真时采用。优点：优点：能有效克服因偶然因能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰素引起的脉冲干扰缺点缺点：无法抑制那种周期性：无法抑制那种周期性的干扰的干扰平滑度差平滑度差（2 2）. .中值滤波中值滤波中值滤波对脉冲噪声有良好中值滤波对脉冲噪
2、声有良好的滤除作用，特别是在滤除噪的滤除作用，特别是在滤除噪声的同时，能够保护信号的边声的同时，能够保护信号的边缘，使之不被模糊。这些优良缘，使之不被模糊。这些优良特性是线性滤波方法所不具有特性是线性滤波方法所不具有的。此外，中值滤波的算法比的。此外，中值滤波的算法比较简单，也易于用硬件实现。较简单，也易于用硬件实现。对温度、液位的变化缓慢的对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果被测参数有良好的滤波效果缺点：缺点：对流量、速度等快对流量、速度等快速变化的参数不宜速变化的参数不宜MatlabMatlab命令：命令：medfilter1medfilter1（3 3）. .算术平均滤波算术
3、平均滤波N N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低N N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高N N值的选取：一般流量，值的选取：一般流量，N=12N=12；压力：；压力：N=4N=4优点：优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波, ,这这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动近上下波动缺点：缺点：对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用时控制不适用比较
4、浪费比较浪费RAMRAM（3 3）. .平滑滤波：白噪声处理平滑滤波：白噪声处理滑动平均滤波法滑动平均滤波法MatlabMatlab命令：命令：smoothsmooth优点：优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高适适用于高频振荡的系统用于高频振荡的系统缺点：缺点： 灵敏度低灵敏度低 对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差 不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 不适用于脉冲干扰比较严重的场合不适用于脉冲干扰比较严重的场合 比较浪费比较浪费RAMRAM（4 4）. .复合滤波复合滤
5、波例例1 1：防脉冲扰动平均值滤波算法：综合算术平均与：防脉冲扰动平均值滤波算法：综合算术平均与中值滤波中值滤波无论对缓慢变化的过程变量，还是对快速变化的量，无论对缓慢变化的过程变量，还是对快速变化的量，都有较好的滤波效果都有较好的滤波效果例例2 2：限幅平均滤波算法：限幅滤波：限幅平均滤波算法：限幅滤波+ +滑动平均滑动平均（5 5）. .一阶滞后滤波一阶滞后滤波取取a=01 y(k)=a=01 y(k)=（1-a1-a）* *x(k)x(k) +a*x(k-1)+a*x(k-1) 优点：优点： 对周期性干扰具有良好的抑制作用对周期性干扰具有良好的抑制作用 适用于波动频率较高的场合适用于波动
6、频率较高的场合 缺点：缺点： 相位滞后，灵敏度低相位滞后，灵敏度低 滞后程度取决于滞后程度取决于a a值值大小大小 不能消除滤波频率高于采样频率的不能消除滤波频率高于采样频率的1/21/2的干扰的干扰信号信号 （5 5）. .消抖滤波消抖滤波设置一个滤波计数器，将每次采样值与当前有效值比较：设置一个滤波计数器，将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值当前有效值，则计数器清零；如果采样值当前有效值，则计数器清零； 如果采样值如果采样值当前有效值，则计数器当前有效值，则计数器+1+1，并判断计数器，并判断计数器是否是否=上限上限N(N(溢出溢出) ) 如果计数器溢出如果计数器溢出, ,则将本次值替
7、换当前有效值则将本次值替换当前有效值, ,并清计数并清计数器器优点：优点：对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果, ,可避免可避免在临界值附近控制器的反复开在临界值附近控制器的反复开/ /关跳动或显示器上数值抖动关跳动或显示器上数值抖动缺点：缺点：对于快速变化的参数不宜对于快速变化的参数不宜如果在计数器溢出的那一如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值次采样到的值恰好是干扰值, ,则会将干扰值当作有效值导入系则会将干扰值当作有效值导入系统统模块化产品模块化产品计算机计算机3.3 测试系统模块化设计1.1.产品配置全产品配置全2.2.维护性强维护性强3
8、.3.供货周期短供货周期短4.4.大幅降低成本大幅降低成本5.5.提升产品品质提升产品品质如何设计一个如何设计一个“好好”的智能测控系统的智能测控系统硬件设计：硬件设计：约束条件，系统模块设计技术，系统设计技约束条件，系统模块设计技术，系统设计技术。术。软件设计：软件设计：尽可能用软件替代硬件。尽可能用软件替代硬件。网络互联规范：网络互联规范：统一的机械特性，统一的电气标准，统统一的机械特性，统一的电气标准，统一的指令系统。一的指令系统。抗干扰技术：抗干扰技术：误差修正，数据处理技术，电路抗干扰技误差修正，数据处理技术，电路抗干扰技术。术。硬件设计原则硬件设计原则（1）约束条件约束条件对象特点
9、对象特点、测量系统测量系统需求：功能、性能需求：功能、性能（功耗、功耗、精度精度、响应速度、响应速度、可靠性）、研发成本、产品成本、开发周期可靠性）、研发成本、产品成本、开发周期（2）系统系统模块模块设计设计（3）系统设计系统设计技术技术硬件硬件设计尽可能通用化、标准化、组件化设计，采用标准总线和通设计尽可能通用化、标准化、组件化设计，采用标准总线和通用模块用模块单元单元采用采用软件组态开发平台，如软件组态开发平台，如LabView、Labwindow/CVI、组态王、组态王等等。软件设计原则软件设计原则包括检测程序、控制程序、数据处理程序、数据库管理程包括检测程序、控制程序、数据处理程序、数
10、据库管理程序、系统界面序、系统界面程序程序，模块化分层设计，模块化分层设计设计设计时在满足程序运行速度和存储容量要求的前提下，尽时在满足程序运行速度和存储容量要求的前提下，尽可能的用软件代替硬件，简化系统配置，数据处理程序可能的用软件代替硬件，简化系统配置，数据处理程序（量程转换、误差分析、插值、滤波、（量程转换、误差分析、插值、滤波、FFT、数据融合等、数据融合等）网路互联规范网路互联规范统一的电气标准（信号线的定义、传输方式、传输速度、统一的电气标准（信号线的定义、传输方式、传输速度、逻辑电平、输入阻抗和驱动能力等）逻辑电平、输入阻抗和驱动能力等）统一的机械特性（接插件的结构，尺寸、引脚数
11、目，定义）统一的机械特性（接插件的结构，尺寸、引脚数目，定义）统一的指令系统（统一和兼容的指令系统）统一的指令系统（统一和兼容的指令系统）统一的编码格式和协议（总线协议）统一的编码格式和协议（总线协议）模块化设计的原则模块化设计的原则1.1.独立性原则：独立存在的单元独立性原则：独立存在的单元可拆卸、部件级可拆卸、部件级2.2.功能性原则：具有特定的功能功能性原则：具有特定的功能功能单一、独立功能单一、独立3.3.标准化原则：典型性、通用性、兼容性标准化原则：典型性、通用性、兼容性接口标准化、尺寸标准化接口标准化、尺寸标准化4.4.可扩展性原则：通用接口可扩展性原则：通用接口可组合，通信功能可
12、组合，通信功能3.3 测试系统模块化设计3.3.2 测试系统的模块化设计3.4.1 3.4.1 电阻式传感器检测电路电阻式传感器检测电路各种电子秤第3章 传感器与测试系统传感器的基本概念测试的主要名词及概念典型传感器电阻抗式传感器的检测电路电阻抗式传感器的检测电路电阻的测量电阻的测量电抗的测量电抗的测量惠斯通电桥与开尔文电桥惠斯通电桥与开尔文电桥实验设计与结果分析电阻式传感器的检测电路传感器的总电阻线性传感器x的变化范围？的变化范围？应变电阻检测电路的选用及参数设计必须具有针对性检测电路的选用及参数设计必须具有针对性-1,0可能大于1000线性电位计式传感器热敏电阻电阻式传感器的检测电路两项基
13、本要求：两项基本要求：电路必须为传感器电阻提供驱动电压或电流，以获得输出信号：电阻的变化本身不能提供信号输出驱动电压或电流的设计必须充分考虑到传感器的自热 ：电流通过电阻时会产生热量电阻的测量方法分类电阻的测量方法分类偏转法：偏转法：检测待测电阻两端的电压降或流过待测电阻的电流，也可以同时对两者进行检测零示法：零示法：测量电桥电阻式传感器的检测电路（1）偏转法：偏转法：恒压源供电，测量电流恒流源供电，测量电压优点：优点：输出电压与传感器电输出电压与传感器电阻的变化量呈线性关系阻的变化量呈线性关系 缺点：缺点：存在零位电压、浮地存在零位电压、浮地适合适合：如热敏电阻等如热敏电阻等 x x 变变化
14、范围较大的情况化范围较大的情况 电阻式传感器的检测电路（2）分压器法分压器法常用于测量电阻变化范围很大的传感器以及非线性传感器由于分压电路中的电流与被测电阻有关，输出电压与电阻之间不呈线性关系 电阻式传感器的检测电路（2）两电阻交换位置线性关系性关系 在在x很小时，测量效果会受到零位电压的影响很小时，测量效果会受到零位电压的影响 电阻式传感器的检测电路（2）当被测对象的当被测对象的 x 随时间迅速变化，且仅对被测随时间迅速变化，且仅对被测量的动态分量感兴趣时，即使量的动态分量感兴趣时，即使 x 很小，也可以很小，也可以考虑采用分压器法考虑采用分压器法高通耦合电阻式传感器的检测电路（2）截止频率
15、的设置应保证截止频率的设置应保证电阻式传感器的检测电路（3）单臂电桥单臂电桥惠斯通电桥惠斯通电桥零示法：调节电桥平衡偏转法令：灵敏度分析则灵敏度为：结论（1）当xk+1时，保持线性（2）k=1时 Sv最大电阻式传感器的检测电路（3）xk+1时，输出电压才与 x 的变化成正比，否则检测电路将给出非线性输出对于应变电阻而言，x很少超过0.02，电桥输出可近似视为线性对于大对于大 x 的情况：的情况：对输出信号采用模拟或数字技术进行非线性校正取k=10或者更大，牺牲灵敏度以换取线性电阻式传感器的检测电路（3）惠斯通电桥非线性原因：惠斯通电桥非线性原因：流过传感器电阻的电流与阻值有关解决方式：解决方式
16、：采用有源电路负面影响负面影响运算放大器的失调电压、输入电流及漂移等引入的测量误差微小电阻测量法微小电阻测量法微小电阻的测量在电气工程应用领域具有广泛而重要的实际工程意义。例如测控电机线圈或变压器绕组的直流电阻、分流器电阻、电力电缆电阻、继电器触头电阻、GIS 断路器回路电阻等都涉及到毫欧甚至微欧级电阻的测量。通过对这些微小电阻的测量，可对电力设备有效实施故障预警和实时维护，以保证电力设备的安全运行。在对微小电阻进行测量过程中，由于获取的信号极其微弱，常常淹没在噪声中，因此如何消除测量线路中各样噪声干扰，有效提取微小电阻的信息，是微小电阻测量研究中的难点。目前小电阻的测量方法主要主要有直流双电
17、桥、直流双电桥、脉冲法和恒流源法脉冲法和恒流源法等三种。当被测电阻阻值小于几欧，测试引线的电阻和探针与测试点的接触电阻与被测电阻相比已不能忽略不计时，若仍采用两线测试方法必将导致测试误差增大。此时常采用四线测试方式直流双电桥测量原理直流双电桥测量原理为准确测量小电阻，测量线路中的引线电阻和接触电阻对被测电阻的影响是不容忽视的。其中接触电阻是指：两个金属导体在接触面上产生的附加电阻附加电阻，这个附加电阻和导体接触面面积、接触面的平整度、导体材料有关。同时，在接触面在空气中可能形成一层导电性能较差的养护膜附着在接触面上，这也会加大接触电阻的阻值。通常人们把这种接触电阻叫做膜电阻膜电阻。 大脉冲电流
18、测量小电阻大脉冲电流测量小电阻测量微小电阻时，为了提高测量的准确度，须提高信号的信噪比，也就是说通过电阻的电流要大。而流过电阻的电流大小和时间将影响电阻的温度，进而影响电阻阻值。因此，往往采用脉冲大电流法测量微小电阻。即使得大电流通过电阻的时间很短，以保证电阻阻值的变化很小，从而保证测量结果的准确度。从理论上来说，电流应越大越好，脉宽越小越好。但在实际中电流太大，对测量装置要求就越高；脉宽太小，实现起来就越困难，所以要根据实际情况综合考虑电流的大小及脉宽。例如：测量 1 电阻，当电流脉冲宽度300s，测试电流为 100A 时，最大温升T=3.210-9K，其电阻阻值变化率R/R=3.210-12，可知其阻值几乎不变。这时可使用最小量程为 0.2V、分辨率为 10V、准确度为0.05的电压表做表头即可测量出该电阻阻值。低频交流电流测量小电阻低频交流电流测量小电阻低频交流电流法测量小电阻的原理是使一个已知频率的低频交流信号流过被测小电阻，测量出该电阻上的电压信号，从而求出电阻值。由于被测电阻较小，其两端的电压信号的信噪比较低，因此常采用锁相放大器技术，将电阻两端电压信号准确提取处理，进而获得被测电阻的阻值。大电阻的测量大电阻的测量
