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1、现代数字测量技术高效应用绪论1-1 1-1 课程主要内容程主要内容一一. .现代数字代数字测试技技术的目的在于保的目的在于保证产品品质量，提高生量，提高生产效率，效率，实现柔性生柔性生产自自动化。化。 1.产品质量： 要去高精度测量以达到高精度产品 生产过程的高精度检测与检别 产品的检测 （可看作开环大系统） 2.生产的高效率： 生产过程系统的能测，能观，能控性 生产设备系统的高性能，自动化程度 测量作系统反馈环节，直接关系系统性能（控 制） （可看作闭环大系统） 3.柔性生产：以电子技术，计算机技术为核心的生产 特征：自动化，自适应，智能化 要求：测量检测数字化，数据处理的智能化二二. 现代
2、数字代数字测试技技术的普遍性，广泛性的普遍性，广泛性信息技术社会以信息作为特征与载体（主体）测量技术是信息获取的主要重要方法高新技术发展有赖于测量技术的发展现代生活的方方面面都离不开测量技术数字测量 技术及其测检系统（测控电路）三三. 涉及各种物理量，化学量，信息的涉及各种物理量，化学量，信息的获取，即不涉及取，即不涉及已有数字是数据已有数字是数据领域。域。信息获取的手段传感器信息获取的转移测量电路信息获取的量化数字化信息获取的传输计算机化四四. 课程安排程安排1. 测量手段及测量回路传感器及测量 一般传感器，质量分析传感器，信号处理电路2. 数字测量（测控系统） 数字转换，嵌入式计算机，卡式
3、（板式）计算机，总线结构计算机，虚拟仪器3. 软测量及其他数字处理技术 软测量，抗干扰，误差分析 1-2 数字测试技术的主要要求 精 快 灵 可靠性 经济性 一一. 精度要求：精度要求： 1. 确保数字测量的分辨率l转化器的位指标：二进制位 16位 12位 10位 8位 20位 24位; 十进制位 3 位,4 位,6 位l量化误差指标：LSB +-1 +-1/2l原始信息量量程与数字测量的分辨率 例：利用位移传感器测长 0-100mm数字量为16位 0-65536 LSB 1 测长（理论）分辨率 100/65536= 数字测量分辨率超过传感器灵敏区 信号处理电 路的精度 2. 测量回路的传感器
4、的精度A.低噪声抗干扰能力B.低漂移，高稳定性能C.线性度 1）测量回路本身为线性 2）测量回路对非线性传感器的线 性化 3) 保真度：波形不失真，即良好的 频率特性 4) 输入阻抗与输出阻抗匹配原则 i) i) Rin太大，干扰Ug，影响也大，防干扰 ii)效率传递，要求RinRs二二. . 响响应1. 确保数字测量的响应速度快慢影响控制系统的响应a. A/D.D/A器件的响应要求与位指标有一定联系 在线测量要求快，转换速率：0.1s10ms 离线测量要求相对慢，转换速率:100ms1s b. 数字信号的处理和计算： 均值 非线性处理 复杂函数计算 神经网络计算 c的速度： 单片196系列可
5、达24兆 51系列;12兆（2兆） DSP：可达40兆60兆 ARM：可达100兆以上 专用芯片 模糊芯片 神经网络芯片（均有一定限 度范围）2. 测量回路和传感器的响应速度（硬伤）三三.转换灵活灵活1. 数字测量的转换（测量变化信息物理量信息的转换）a. 模数（A/D）输入 数模（D/A）输出 多路（单路）输入输出b. 量程转换： 系统性测量范围 最大量化值/最小量化值可达 1061012 可由软控硬（测量电路）解决：程控放大器c. 数字计算中对信号处理的影响：要求一定的频带宽度2. 测量回路和传感器的信号转换a. 信号形成的转换（传感）无源信息有源信息（数字测量）标准A/D转换输入电压范围
6、 0+5V +-5V 0+10V(传感)有源信息频率变化（石英传感器）有源信息（数字测量）(传感)有源信息微压变化（压敏器件）有源信息（数字测量）(传感)有源信息电荷变化（电荷器件）有源信息（数字测量）频率电压转换 电压电流转换 电流电压转换b. 信号选取测量回路的频率选择性 频带选择测量回路的抗干扰能力四四. 可靠性与可靠性与经济性性1. 可靠性的计算原则系统可靠性=部件可靠性 部件可靠性=组成器件可靠性例如：系统总可靠性要求为0.99，由四个部件组成，则 K系统=K1*K2*K3*K4,显然个部件的可靠性均应大于0.9999 如单个部件为IC电路，含有1万个晶体管的大规模IC，则Ki=K器
7、10000要求其可靠性达0.999999992. 在线测量：可靠性，稳定性将是重要指标，连续无故障运行表示数字测量的核心IC的要求则非常高3. 经济性：器件可靠性分类 军品工业民用 可靠性 高 价格 高 1-3 数字测试技术的电路类型及组成 数字测量电路的组成随被测参数信号类型与系统功能和要求的不同而异。一一. 数字数字测量量电路的基本路的基本组成成1. 模拟式测量：（比较多） 传感器的输出为电量（电压，电流） a. 部分的基本组成为放大器电路：放大倍数+ （微流放大器）调制解调：用于传感器信息获取采用调制信号的均合信号分离：模拟滤波器运算电路：模拟信息的非线性性校正（线性化） 如指数，对数，
8、高阶函数的模拟处理b. 部分为现代测量的重要组成（智能化）多路转换，多路传感器信息的集中处理数模信号隔离多路转换器保持电路A/D模数转换PC(c)数字信息处理 主要：待测物理量生成：传感器经测量电路生成的模拟信号所表征的物理量信息。上述两类信息间的非线性转换。数字滤波海量数据采集 海量数据采集 海量数据中的信息识别和信息提取(获取) C . 电源（对提高整个系统的性能具有重要作用）电源技术数字电源：与数字量相关部件的电源供给。+5V +3.3V +2.2V纹波系数：直流电源上附加的交流分量2.数字数字测量量电路路传感器的输出为编码信息（数字量）a.脉冲计数是该电路的核心 计数器计数输入（辨别脉
9、冲最快的个数，计数频率10N400M）b.传感器脉冲输出的各种采样，形成各种需求c.整形电路：采用施密特电路，细分甚高频传感器信息内插细分 测量的特征电路：脉冲当是变换电路 辨向电路：増量码的变化方向d.，部分的实现方式 放大器+整形+特殊电路+计数器+锁定器 从锁存器中读取数据信息 DCS系统 PC系统 特殊电路+计数+锁存器+指令+c(计算机的测量检测)3. 数字数字测量系量系统的的输入入输出信号出信号 a. a. 模模拟式信号式信号 i)非调制信号：如热电偶，热电阻信号（输入）传递过程中（干扰影响）记录仪，示波器，伺服电机等（输出） ii)调制信号：提高信息传输过程中的抗干扰能力，用于精
10、密测量。如工件轮廓测量，桥梁变形，地中衡。调幅调制：变化信号+载波信号（频率固定）调幅信号调频调制：变化信号载波频率调频信号相位调制：变化信号+载波信号相位相位调制信号输出：伺服电机（调幅）加热器件（相位调节，可检验触发式移相 b.数字量信号数字量信号i) 増量码信号（光栅，激光干涉法等）特点：被测物理量的变化与传感器输出信号的变化周期数成正比，类似调频式（或非线性增量关系）ii)绝对码信号：伺服电流测量转速的编码器特点：每一角度对应一组编iii)开关信号：0，1状态如：行程开关，触发头，光电开关等。1-4 现代数字测试技术的发展一. 集成化技术 模拟测量IC器件的集成化，体积小，功耗低 如：
11、程控放大器IC，微电流放大器IC 特点：有源器件集成化容易，各类晶体管，电阻，低值电容 无源器件集成化困难，如：电感，变压器，电容。另外参数精 确度较难，但产品一直性能好。二数字化技术：成为测量技术的主要部分，但模拟测量不可能完全代替。三通用化，模块化：柔性生产的需求四测控一体化：闭环系统的要求五自动化，智能化，具有自学习，系诊断，自适应，要求数字测量c化。六嵌入式计算机技术： 单片机技术发展性能强，已逼近PC机（ARM 主频已达1G，32位），存储器的微型化，大容量（片内已达256KB），功耗低3.3V,10mw14 现代测量技术的发展趋势 科学技科学技术的快速的快速发展和生展和生产实践践领
12、域的不断域的不断扩大，大，对测试技技术提出了越来越高的要求因此也促提出了越来越高的要求因此也促进了了测试技技术的迅速的迅速发展。展。现代代测试技技术除了除了进一步提高一步提高测试的精度和可靠性外，的精度和可靠性外，总的的发展展趋势是是测试系系统的小型化、智能化、多功能化以及无接触化，其的小型化、智能化、多功能化以及无接触化，其特点主要表特点主要表现在下述几个方面。在下述几个方面。绪论14 现代测量技术的发展趋势(1)测试仪器器应用范用范围的的扩大大 随着科学技随着科学技术的不断的不断发展，展，对测试仪器的性能要求也在不断提高，特器的性能要求也在不断提高，特别是是对生生产实际和科学研究和科学研究
13、过程中掇端参数的程中掇端参数的测量，要求原有量，要求原有测试仪器的技器的技术指指标得以提高，得以提高，以以扩大其大其应用范用范围。例如。例如连续测量液量液态金属的温度、金属的温度、连续长时间测量超高温介量超高温介质的温度的温度(2500一一3000 )超低温温度的超低温温度的连续测量，超高量，超高压的的测量以及超精度量以及超精度质量量测量等。量等。这些极端参数的些极端参数的测试要求要求测试仪器具有器具有较大的大的测量范量范围，并且具有足，并且具有足够高的精度和高的精度和可靠性。可靠性。绪论14 现代测量技术的发展趋势 (2)新型新型传态器的研究器的研究 测试技技术应用的用的领域随着生域随着生产
14、和科学研究的和科学研究的发展在不断展在不断扩大，需要大，需要测量的参数种量的参数种类也在不断增加，如也在不断增加，如颜色、味色、味觉、化、化学成分、超高温、超低温等，因此，促使人学成分、超高温、超低温等，因此，促使人们不断地探不断地探讨新型的新型的测量机量机理，研制新型的理，研制新型的传感器以及感器以及测量系量系统。这方面研究除了采用新的物理效方面研究除了采用新的物理效应、化学反、化学反应以及生物功能外，以及生物功能外，还不断地研究具有仿生功能的新型不断地研究具有仿生功能的新型传感感器。在新型器。在新型传感器的开感器的开发研究研究过程中，新型程中，新型传感器敏感元件材料的开感器敏感元件材料的开
15、发与与应用具有十分重要的意用具有十分重要的意义。目前，半。目前，半导体材料、陶瓷材料以及高分子体材料、陶瓷材料以及高分子聚合材料作聚合材料作为传感器敏感元件材料的研究正在不断深入，开感器敏感元件材料的研究正在不断深入，开发出了仿生出了仿生化、智能化以及生物化的化、智能化以及生物化的传感器。感器。绪论14 现代测量技术的发展趋势 (3)多功能多功能测试仪器的开器的开发 传统的的传感器大多是感器大多是进行一个点的行一个点的单参参数数测试，这已不能已不能满足生足生产实际和科学研究和科学研究发展的需要。在有些展的需要。在有些场合，合，希望某一希望某一测量点量点测得多个参数，因此需要具有多种参数同得多个
16、参数，因此需要具有多种参数同时变换的的传感感器，并且器，并且测量量电路能路能够将不同参数的将不同参数的电信号同信号同时处理和理和记录，也就是要，也就是要求求测试系系统的多参数的多参数测量和多功能化。例如要同量和多功能化。例如要同时测量一点的温度和湿量一点的温度和湿度，就必度，就必须寻求一种能同求一种能同时感受温度和湿度的敏感元件材料，并将其制感受温度和湿度的敏感元件材料，并将其制造成同造成同时将温度和温度将温度和温度变换成不同成不同电量的量的传感器，并且互不影确。由感器，并且互不影确。由钛酸酸钡和和钛酸酸锶组成的多孔陶瓷的成的多孔陶瓷的电容量与温度有关，而其容量与温度有关，而其电阻阻值与湿度与
17、湿度呈函数关系，呈函数关系，这样就可以通就可以通过阅量量电容和容和电阻阻值间接接获得温度和湿度的得温度和湿度的数数值。绪论14 现代测量技术的发展趋势 (4)测试系系统的智能化的智能化 随着微随着微电子技子技术的的发展和展和计算机技算机技术在在测试领域的域的应用，微用，微处理器与理器与传感器的相互感器的相互结合以及与合以及与测试信号信号处理理过程的程的结合使得合使得测试系系统具有一定的智能化功能。微具有一定的智能化功能。微电子子处理理器的信号器的信号调节与微机接口与微机接口电路和信号路和信号处理理电路可与路可与传感器封装成感器封装成一体，使得一体，使得传感器不感器不仅仅具有信号的具有信号的检测
18、能力，同能力，同时还可以可以对信信号号进行判断和行判断和处理，并且根据理，并且根据测试信号的信号的变化自化自动调节信号信号处理理电路的信号放大和路的信号放大和传递方式。方式。这样，可以使，可以使测量精度得到量精度得到较大的大的提高，并且可以消除提高，并且可以消除测试过程中的随机因素干程中的随机因素干扰，以得到精确的，以得到精确的测试结果。果。绪论1-5 参考书籍及课程安排一. 参考书籍1. 现代测试技术与系统集成 刘君华等.中国农业大学出版社2. 现代测试技术 李成华等,电子工业出版社3.测控电路 天津大学，张国雄等。机械工业出版社。4.数字化测试技术模拟信号调理，数据转换及采集技术 李永敏等。航空工业出版社。5.传感器技术贾伯年等。东南大学出版社6. 软测量技术及其在石油化工中的应用俞金寿等,化学工业出版社。二课程安排; 主旨：传感器及测量技术，介绍一般为次，主要为新型传感器测量技术。数字处理以嵌入式为主。三考核：1)以读书笔记形式撰写论文一篇 2) 书面开卷考试,2小时独立完成
