传感与检测技术 教学课件 ppt 作者 刘传玺 第7章 自动检测系统的设计
53页1、2019/5/25,山东科技大学,第七章 自动检测系统的设计,2019/5/25,山东科技大学,第七章 自动检测系统的设计,第一节 自动检测系统及设计原则 第二节 自动检测系统的设计步骤 第三节 加热炉温度测控系统设计,2019/5/25,山东科技大学,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(非电量到电量的变换)。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。这样可以根据信号传输的方向构成开环式和闭环式系统。,2019/5/25,山东科技大学,一、开环式检测系统,(1)系统框图和信号流图被检测量放大与调理 开环检测系统又称为直接变换检测系统,其特点是信号的流动只沿着从输入到输出的一个方向进行。如图7-1所示。 传感检测(一次变换)部分通常是由不同传感器及基本转换电路组成,把非电量的变化转化为电量;放大与调理(二次变换)部分通常由放大电路或测量电路来担任,对电量进行放大与调理;显示、记录
2、器为各种仪表、记录仪器,更加直观表示被检测量的大小及变化。,2019/5/25,山东科技大学,(2)系统结构图,开环检测系统是由许多对信号进行单向运算的方框和一些信号流向线组成,方框中写入各环节或系统的传递函数。传递函数是各环节或系统输出与输入拉氏变换之比,是以代数式的形式表征各环节式系统的传输、转换特性。因此,系统结构图也是检测系统的一种数学模型。开环检测系统的结构图如图7-2所示。,2019/5/25,山东科技大学,图中, , , 为各环节的传递函数,则该系统的传递函数为 = 对于开环检测系统,其输出 = 二、闭环检测系统 (1)系统框图和信号流图 闭环检测系统又称平衡变换型测量系统,其结构特点是除了一个正向变换通路之外还有一个反馈回路。如图7-3所示。,2019/5/25,山东科技大学,2019/5/25,山东科技大学,(2)系统结构图 闭环检测系统的结构图如图7-4所示。,2019/5/25,山东科技大学,根据自控理论知识,串联方框的等效传递函数等于各串联方框传递函数的乘积,则, = ,图7-4可简化为图7-5所示。,+,2019/5/25,山东科技大学,于是有 = = 式中
3、称为输入信号下的闭环传递函数,进一步可以求出在输入信号下系统的输出量 即,2019/5/25,山东科技大学,式中表明,系统在输入信号作用下,输出响应 取决于闭环传递函数 输入信号 。当 1时,输出变成 由此可知,整个系统的输入、输出关系将由反馈系统的特性决定,二次变换器特性的变化不会造成检测误差或造成的误差很小。因此,只要反馈回路具有较高的精度,即可保证整个系统具有较高的精度。,2019/5/25,山东科技大学,三、自动检测系统设计原则,自动检测系统主要用于对生产设备和工艺过程进行自动监视和自动保护,并且无论是传统的检测系统,还是自动检测系统,均包含一定的硬件系统和软件系统,但是根据检测任务不同,对检测系统的要求也不一样,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:即系统的各个环节具有时间稳定性。 2.精度符合要求:精度主要取决于传感器、信号调节采集器等模拟变换部件。 3.有足够的动态响应:现代检测中,高频信号成分迅速增加,要求系统必须具有足够的动态响应能力。,2019/5/25,山东科技大学,4.具有实时和事后数据处理能力:能在实验过程中处理数据,便于现场实时观察分
4、析,及时判断实验对象的状态和性能。实时数据处理的目的是确保实验安全、加速实验进程和缩短实验周期。系统还必须有事后处理能力,待试验结束后能对全部数据做完整、详尽的分析。 5.具有开放性和兼容性:主要表现为检测设备的标准化。计算机和操作系统具有良好的开放性和兼容性。可以根据需要扩展系统硬件和软件,便于使用和维护。,2019/5/25,山东科技大学,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。 (一)环节最少原则:组成自动检测系统的各个元件或单元通常称为环节。 (二)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。 (三)阻抗匹配原则:如前所述,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。,2019/5/25,山东科技大学,(四)经济原则 在设计过程中,要处理好所要求的
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