現(xiàn)代數(shù)字測(cè)量技術(shù)緒論課件

現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)

2009.8

第一章概述§1-1課程主要內(nèi)容一.現(xiàn)代數(shù)字測(cè)試技術(shù)的目的在于保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)自動(dòng)化。

1.產(chǎn)品質(zhì)量：要去高精度測(cè)量以達(dá)到高精度產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的高精度檢測(cè)與檢別產(chǎn)品的檢測(cè)（可看作開(kāi)環(huán)大系統(tǒng)）

2.生產(chǎn)的高效率：生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)的能測(cè)，能觀，能控性生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)的高性能，自動(dòng)化程度測(cè)量作系統(tǒng)反饋環(huán)節(jié)，直接關(guān)系系統(tǒng)性能（控制）（可看作閉環(huán)大系統(tǒng)）

3.柔性生產(chǎn)：以電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的生產(chǎn)特征：自動(dòng)化，自適應(yīng)，智能化要求：測(cè)量檢測(cè)數(shù)字化，數(shù)據(jù)處理的智能化二.現(xiàn)代數(shù)字測(cè)試技術(shù)的普遍性，廣泛性信息技術(shù)社會(huì)以信息作為特征與載體（主體）測(cè)量技術(shù)是信息獲取的主要重要方法高新技術(shù)發(fā)展有賴于測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代生活的方方面面都離不開(kāi)測(cè)量技術(shù)數(shù)字測(cè)量技術(shù)及其測(cè)檢系統(tǒng)（測(cè)控電路）三.涉及各種物理量，化學(xué)量，信息的獲取，即不涉及已有數(shù)字是數(shù)據(jù)領(lǐng)域。信息獲取的手段——傳感器信息獲取的轉(zhuǎn)移——測(cè)量電路信息獲取的量化——數(shù)字化信息獲取的傳輸——計(jì)算機(jī)化§1-2數(shù)字測(cè)試技術(shù)的主要要求

——

精快靈可靠性經(jīng)濟(jì)性

一.精度要求：

1.確保數(shù)字測(cè)量的分辨率轉(zhuǎn)化器的位指標(biāo)：二進(jìn)制位16位12位10位8位20位24位;十進(jìn)制位3

?位,4?位,6?位量化誤差指標(biāo)：LSB+-1+-1/2原始信息量量程與數(shù)字測(cè)量的分辨率例：利用位移傳感器測(cè)長(zhǎng)

0-100mm→數(shù)字量為16位0-65536LSB1

測(cè)長(zhǎng)（理論）分辨率100/65536=

數(shù)字測(cè)量分辨率超過(guò)傳感器靈敏區(qū)信號(hào)處理電路的精度2.

測(cè)量回路的傳感器的精度低噪聲抗干擾能力低漂移，高穩(wěn)定性能線性度

1）測(cè)量回路本身為線性

2）測(cè)量回路對(duì)非線性傳感器的線性化

3)保真度：波形不失真，即良好的頻率特性

4)輸入阻抗與輸出阻抗匹配原則i)

i)Rin太大，干擾Ug，影響也大，防干擾

ii)效率傳遞，要求Rin≈Rs三.轉(zhuǎn)換靈活1.數(shù)字測(cè)量的轉(zhuǎn)換（測(cè)量變化信息→物理量信息的轉(zhuǎn)換）a.模數(shù)（A/D）輸入數(shù)模（D/A）輸出多路（單路）輸入輸出b.量程轉(zhuǎn)換：系統(tǒng)性測(cè)量范圍最大量化值/最小量化值可達(dá)106～1012

可由軟控硬（測(cè)量電路）解決：程控放大器c.數(shù)字計(jì)算中對(duì)信號(hào)處理的影響：要求一定的頻帶寬度2.測(cè)量回路和傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換a.信號(hào)形成的轉(zhuǎn)換（傳感）無(wú)源信息→有源信息（數(shù)字測(cè)量）標(biāo)準(zhǔn)A/D轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍0～+5V+-5V0~+10V(傳感)有源信息→頻率變化（石英傳感器）→有源信息（數(shù)字測(cè)量）(傳感)有源信息→微壓變化（壓敏器件）→有源信息（數(shù)字測(cè)量）(傳感)有源信息→電荷變化（電荷器件）→有源信息（數(shù)字測(cè)量）頻率—電壓轉(zhuǎn)換電壓—電流轉(zhuǎn)換電流—電壓轉(zhuǎn)換b.信號(hào)選取測(cè)量回路的頻率選擇性頻帶選擇測(cè)量回路的抗干擾能力四.可靠性與經(jīng)濟(jì)性1.可靠性的計(jì)算原則系統(tǒng)可靠性=部件可靠性部件可靠性=組成器件可靠性例如：系統(tǒng)總可靠性要求為0.99，由四個(gè)部件組成，則

K系統(tǒng)=K1*K2*K3*K4,顯然個(gè)部件的可靠性均應(yīng)大于0.9999

如單個(gè)部件為IC電路，含有1萬(wàn)個(gè)晶體管的大規(guī)模IC，則Ki=K器10000要求其可靠性達(dá)0.999999992.在線測(cè)量：可靠性，穩(wěn)定性將是重要指標(biāo)，連續(xù)無(wú)故障運(yùn)行表示數(shù)字測(cè)量的核心IC的要求則非常高3.經(jīng)濟(jì)性：器件可靠性分類軍品→工業(yè)→民用可靠性→高價(jià)格高←a.Ⅱ部分的基本組成為放大器電路：放大倍數(shù)+（微流放大器）調(diào)制解調(diào)：用于傳感器信息獲取采用調(diào)制信號(hào)的均合信號(hào)分離：模擬濾波器運(yùn)算電路：模擬信息的非線性性校正（線性化）如指數(shù)，對(duì)數(shù)，高階函數(shù)的模擬處理b.Ⅲ部分為現(xiàn)代測(cè)量的重要組成（智能化）多路轉(zhuǎn)換，多路傳感器信息的集中處理數(shù)模信號(hào)隔離多路轉(zhuǎn)換器保持電路A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換PC(μc)數(shù)字信息處理主要：待測(cè)物理量生成：傳感器經(jīng)測(cè)量電路生成的模擬信號(hào)所表征的物理量信息。上述兩類信息間的非線性轉(zhuǎn)換。數(shù)字濾波海量數(shù)據(jù)采集

海量數(shù)據(jù)采集海量數(shù)據(jù)中的信息識(shí)別和信息提取(獲取)2.數(shù)字測(cè)量電路傳感器的輸出為編碼信息（數(shù)字量）a.脈沖計(jì)數(shù)是該電路的核心計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)輸入（辨別脈沖最快的個(gè)數(shù)，計(jì)數(shù)頻率10N～400M）b.傳感器脈沖輸出的各種采樣，形成各種需求c.整形電路：采用施密特電路，細(xì)分甚高頻傳感器信息內(nèi)插細(xì)分測(cè)量的特征電路：脈沖當(dāng)是變換電路辨向電路：増量碼的變化方向d.Ⅱ，Ⅲ部分的實(shí)現(xiàn)方式

Ⅱ放大器+整形+特殊電路+計(jì)數(shù)器+鎖定器

Ⅲ從鎖存器中讀取數(shù)據(jù)信息DCS系統(tǒng)PC系統(tǒng)特殊電路+計(jì)數(shù)+鎖存器+指令+μc(計(jì)算機(jī)的測(cè)量檢測(cè))3.數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)b.數(shù)字量信號(hào)i)増量碼信號(hào)（光柵，激光干涉法等）特點(diǎn)：被測(cè)物理量的變化與傳感器輸出信號(hào)的變化周期數(shù)成正比，類似調(diào)頻式（或非線性增量關(guān)系）ii)絕對(duì)碼信號(hào)：伺服電流測(cè)量轉(zhuǎn)速的編碼器特點(diǎn)：每一角度對(duì)應(yīng)一組編iii)開(kāi)關(guān)信號(hào)：0，1狀態(tài)如：行程開(kāi)關(guān)，觸發(fā)頭，光電開(kāi)關(guān)等?！?-4現(xiàn)代數(shù)字測(cè)試技術(shù)的發(fā)展一.集成化技術(shù)模擬測(cè)量IC器件的集成化，體積小，功耗低如：程控放大器IC，微電流放大器IC

特點(diǎn)：有源器件集成化容易，各類晶體管，電阻，低值電容無(wú)源器件集成化困難，如：電感，變壓器，電容。另外參數(shù)精確度較難，但產(chǎn)品一直性能好。二．?dāng)?shù)字化技術(shù)：成為測(cè)量技術(shù)的主要部分，但模擬測(cè)量不可能完全代替。三．通用化，模塊化：柔性生產(chǎn)的需求四．測(cè)控一體化：閉環(huán)系統(tǒng)的要求五．自動(dòng)化，智能化，具有自學(xué)習(xí)，系診斷，自適應(yīng)，要求數(shù)字測(cè)量μc化。六．嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)：?jiǎn)纹瑱C(jī)技術(shù)發(fā)展→性能強(qiáng)，已逼近PC機(jī)（ARM主頻已達(dá)1G，32位），存儲(chǔ)器的微型化，大容量（片內(nèi)已達(dá)256KB），功耗低3.3V,10mw1．4現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和生產(chǎn)實(shí)踐領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)測(cè)試技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求．因此也促進(jìn)了測(cè)試技術(shù)的迅速發(fā)展?，F(xiàn)代測(cè)試技術(shù)除了進(jìn)一步提高測(cè)試的精度和可靠性外，總的發(fā)展趨勢(shì)是測(cè)試系統(tǒng)的小型化、智能化、多功能化以及無(wú)接觸化，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在下述幾個(gè)方面。１緒論1．4現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

(2)新型傳態(tài)器的研究測(cè)試技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域隨著生產(chǎn)和科學(xué)研究的發(fā)展在不斷擴(kuò)大，需要測(cè)量的參數(shù)種類也在不斷增加，如顏色、味覺(jué)、化學(xué)成分、超高溫、超低溫等，因此，促使人們不斷地探討新型的測(cè)量機(jī)理，研制新型的傳感器以及測(cè)量系統(tǒng)。這方面研究除了采用新的物理效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)以及生物功能外，還不斷地研究具有仿生功能的新型傳感器。在新型傳感器的開(kāi)發(fā)研究過(guò)程中，新型傳感器敏感元件材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用具有十分重要的意義。目前，半導(dǎo)體材料、陶瓷材料以及高分子聚合材料作為傳感器敏感元件材料的研究正在不斷深入，開(kāi)發(fā)出了仿生化、智能化以及生物化的傳感器。１緒論1．4現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

(3)多功能測(cè)試儀器的開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)的傳感器大多是進(jìn)行一個(gè)點(diǎn)的單參數(shù)測(cè)試，這已不能滿足生產(chǎn)實(shí)際和科學(xué)研究發(fā)展的需要。在有些場(chǎng)合，希望某一測(cè)量點(diǎn)測(cè)得多個(gè)參數(shù)，因此需要具有多種參數(shù)同時(shí)變換的傳感器，并且測(cè)量電路能夠?qū)⒉煌瑓?shù)的電信號(hào)同時(shí)處理和記錄，也就是要求測(cè)試系統(tǒng)的多參數(shù)測(cè)量和多功能化。例如要同時(shí)測(cè)量一點(diǎn)的溫度和濕度，就必須尋求一種能同時(shí)感受溫度和濕度的敏感元件材料，并將其制造成同時(shí)將溫度和溫度變換成不同電量的傳感器，并且互不影確。由鈦酸鋇和鈦酸鍶組成的多孔陶瓷的電容量與溫度有關(guān)，而其電阻值與濕度呈函數(shù)關(guān)系，這樣就可以通過(guò)閱量電容和電阻值間接獲得溫度和濕度的數(shù)值。１緒論1．3現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

多功能化測(cè)試系統(tǒng)的另一層含義是指除傳感器之外的其他測(cè)試部分具有普遍的通用性，即測(cè)量電路對(duì)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大以及測(cè)試系統(tǒng)的顯示和記錄可應(yīng)用于多種場(chǎng)合下不同種類參數(shù)的測(cè)量。對(duì)于不同參數(shù)的測(cè)量，只是對(duì)測(cè)試系統(tǒng)聯(lián)接相應(yīng)的合適傳感器。這樣，就使得測(cè)試系統(tǒng)的功能和應(yīng)用范圍得到了擴(kuò)大１緒論§1-5參考書(shū)籍及課程安排一.參考書(shū)籍1.

《現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)集成》劉君華等.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社2.

《現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)》李成華等,電子工業(yè)出版社3.《測(cè)控電路》天津大學(xué)，張國(guó)雄等。機(jī)械工業(yè)出版社。4.《數(shù)字化測(cè)試技術(shù)—模擬信號(hào)調(diào)理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及采集技