(电子称)自动检测技术综合

自动检测技术第一节自动检测系统及设计原则自动检测系统的首要环节就是获取原始被测量的传感器或有关的敏感元件，实现一次变换。考虑到它们的敏感、变换原理或特性的限制以及外界影响，一次变换后的信号通常满足不了测量与控制的要求。因此总要经过一些中间环节进行处理，实现信号放大、阻抗匹配、干扰抑制、滤波等功能。这样可以按照一定的规律或方式构成开环或闭环检测系统。自动检测系统设计自动检测技术一、开环检测系统二、闭环检测系统自动检测技术三、自动检测系统设计原则在设计、综合和配置检测系统时，应考虑以下要求：1、性能稳定2、精度符合要求3、有足够的动态响应4、具有实时和事后数据处理能力5、具有开放性和兼容性基于以上要求，在设计自动检测系统时，应当遵循一系列的原则，以保证测量精度和满足所规定的使用性能要求。自动检测技术1、环节最少原则自动检测系统的设计原则组成自动检测系统的各个元件或单元通常称为环节。开环检测系统的相对误差为各个环节的相对误差之和，故环节愈多，误差放大。因此在设计检测系统时，在满足检测要求的前提下，应尽量选用较少的环节。2、精度匹配原则在对检测系统进行精度分析的基础上，根据各环节对系统精度影响程度的不同和实际可能，分别对各环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配，做到恰到好处，这就是精度匹配原则。自动检测技术3、阻抗匹配原则测量信息的传输是靠能量流进行的，因此，设计检测系统时的一条重要原则是要保证信息能量流最有效的传递。这个原则是由四端网络理论导出的，亦即检测系统中两个环节之间的输入阻抗与输出阻抗相匹配的原则。4、经济原则要尽量采用合理的结构型式与合理的工艺要求，恰当地进行各环节的灵敏度分配和误差分配，尽量以最少的环节、最低的成本建立起高精度的检测系统。自动检测技术5、标准化与通用性原则为缩短研制周期，便于大批量生产和使用过程中的维修，在设计中应尽量采用已有的标准零部件，对新设计的零部件也要考虑到今后在其他方面可能使用的通用性问题。自动检测技术第二节自动检测系统的设计步骤自动检测系统设计的一般步骤包括：自动检测系统的分析、系统总体方案的设计、系统硬件设计、系统软件设计、系统集成等。设计题目：电子称设计自动检测技术(1)首先明确检测系统必须实现的功能和需要完成的测量任务一、自动检测系统的分析(2)了解设计任务所规定的性能指标。(3)了解测量系统的使用条件和应用环境。设计一种小型、简便、精确度高的电子平台秤，量程20Kg，分度值为20g，它用一个显示窗口来显示所称物体的重量。基本功能：置零、超重报警可选功能：去皮、标定自动检测技术•置零：在开机或称重过程中，仪表显示偏离零点且在称重范围内，则可按[置零]键，显示零值并零点指示灯亮。•去皮：在称重显示状态下，按[去皮]键，则显示零值并去皮指示灯亮；在去皮状态下，拿掉皮重物时按[去皮]键，可以清除皮重值。•标定功能：为保证仪器预定精度的可靠性和合法性，仪器必须定期校准，为用户提供一种方便的自动校准方式。自动检测技术二、自动检测系统总体方案设计在检测系统分析的基础上，明确设计目标之后，即可进行总体方案的构思与设计。所谓总体设计，是从总体角度出发对自动检测系统的带有全局性的重要问题进行全面考虑、分析和设计计算。总体设计包括系统的控制方式选择、输入输出通道及外围设备的选择、系统结构等几个方面。–物理重量指示表数值电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器【设计思想】自动检测技术1．电子秤的基本结构电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数、或特性。不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：电子秤的基本结构自动检测技术自动检测技术（1）承重、传力复位系统它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。(2)称重传感器即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。自动检测技术(3)测量显示和数据输出的载荷测量装置即处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电流源或电压源、调节器、补尝元件、保护线路等）和指示部件（如显示、打印、数据传输和存贮器件等）。这部分习惯上称载荷测量装置或二次仪表。在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、滤滤、运算、变换、计数、寄存、控制和驱动显示等环节。自动检测技术系统总体设计方案比较与论证此方案利用数码管显示物体重量，简单可行，可以采用内部带有模数转换功能的单片机。缺点是：不能实现外部数据的输入，无法根据实际情况灵活地设定各种控制参数。由于数码管只能实现简单的数字和英文字符的显示，不能显示汉字以及其他的复杂字符，不能达到显示购物清单的要求。电子秤的功能过于单一，达不到设计的标准。方案一自动检测技术方案二此方案设计的电子秤，可以实现称物计价功能，但是局限于数码管的功能，在显示时只能显示单价、购物总额以及简单的货物代码等。在显示重量时，如果数码管没有足够的位数，那么称量物体重量的精度必受到限制，所以此方案需要较多的数码管接入电路中。这样在处理输入输出接口时需要另行扩展足够多的I/O接口供数码管使用，比较麻烦。自动检测技术方案三前端信号处理时，选用放大、信号转换等措施，尤其在显示方面采用具有字符图文显示功能的LCD显示器。这种方案不仅加强了人机交换的能力，而且满足设计要求，可以显示购物清单、所称量的物体信息等相关内容。1、微型计算机的设计（选择）由于该系统所处的工作环境并不是恶劣的条件，而且本电子秤的设计并不太复杂，单片机完全能实现所需功能，所以在具体设计时，采用了第三种设计方案。AT89S系列单片机是继AT89C系列之后推出的功能更强的新产品。AT89S系列与AT89C系列相比，运算速度有了较大的提高，它的静态工作频率为0~33MHz，片内集成有双数据指针DPTR、定时监视器(watchdogtimer，又称看门狗)、低功耗休闲状态及关电方式、关电方式下的中断恢复等诸多功能，极大地满足了各种不同的应用要求。三、自动检测系统的硬件设计自动检测技术自动检测技术AT89S52单片机是AT89S系列中的增强型高档机产品，它片内存储器容量是AT89S51的一倍，即片内8KB的Flash程序存储器和256B的RAM。另外，它还增加了一个功能极强的、具有独特应用的16位定时／计数器2等多种功能。AT89S52是一种兼容MCS51微控制器，工作电压4.0V到5.5V，全静态时钟0Hz到33MHz，三级程序加密，32个可编程I/O口，2/3个16位定时/计数器，6/8个中断源，全双工串行通讯口，低功耗支持Idle和Power-down模式，Powerdown模式支持中断唤醒,看门狗定时器，双数据指针，上电复位标志。我们在外面扩展了32K数据存储器，以满足系统要求自动检测技术2、数据采集部分传感器的定义：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。自动检测技术方案一压电传感器压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。自动检测技术方案二电容式传感器电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容变化的一种传感器。它有结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应等优点。电容传感器可用来检测压力、力、位移以及振动学非电参量。虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素：（1）小功率、高阻抗，易受外界干扰。（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。自动检测技术方案三电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。另外，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。应变片式传感器有如下特点：（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。（3）结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。自动检测技术方案四电涡流传感器通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移及相关物理量的测量。自动检测技术通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。题目要求称重范围0～20Kg，重量误差不大于50g，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重20Kg。自动检测技术3、放大电路部分经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行A/D转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。自动检测技术方案一：测量放大器)21(1112poURRRRUUUA这种电路是由三个放大器构成的，差动输入端与是两个输人阻抗和电压增益对称的同相输入端。由于性能对称,其漂移将大大减少，加上高输入阻抗和高共模抑制比，对微小差模电压很敏感，并适于测量远距离传输信号，因而适宜与传感器配合使用。多用于热电偶、应变电桥以及微弱输出信号有较大共模干扰等场合。自动检测技术方案二：实用测量放大器目前，各模拟器件公司竞相推出了许多型号的单片专用测量放大集成电路供用户选择使用。因此，在信号处理中需对微弱信号放大时，可以不必再用通用运算放大器来构成测量放大器。采用单片测量放大器芯片显然具有性能优、体积小、电路结构简单、成本低等优点。AD521和AD522是AD公司推出的单片精密测量放大器。图4-8AD521典型接线图AD521具有高输入阻抗、低失调电压、高共模抑制比等特点。其增益可在0.1～1000之间调整，增益调整不需精密外接电阻，各种增益参数已进行了内部补偿；有输入输出保护功能,有较强的过载能力。自动检测技术经过处理的模拟信号送入微机前，必须进行量化，即A/D转换。为减少转换误差，希望模拟信号尽可能大。在A/D输入的允许范围内，输入的模拟信号尽可能达到最大值。在另一种情况下，由于被测量在较大的范围内变化，如果较小的模拟信号也放大成较大的信号，显然只使用一个放大倍数的放大器是不行的。因此，在模拟系统中，为放大不同的模拟信号，需要使用不同放大倍数。为了解决上述问题，工程上采用改变放大器放大倍数的方法解决。在微机控制的测试系统中，希望用软件控制实现增益的自动变换。具有这种功能的放大器称做程控增益放大器。方案三：程控增益放大器自动检测技术自动检测技术4、A/D转换器部分A/D转换器选用的原则：（1）A/D转换器的位数。A/D转换器决定分辨率的高低。在系统中，A/D转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。（2）A/D转换器的转换速率。不同类型的A/D转换器的转换速率大不相同。积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速