自动检测系统设计

4.2 传感器的合理选用
1、确定传感器的类型 2、线性范围和量程 3、灵敏度的选择 4、精度 5、频率响应特性 6、稳定性
1 确定传感器的类型 全面考虑被测量的特点和传感器的使用条件，包括：
量程的大小； 被测空间对传感器体积的要求； 测量方式为接触式测量还是非接触式测量； 信号的传输方法，是有线传感还是无线传感； 传感器的来源，是购买商品化的传感器还是自行研
在完成总体设计之后，便可进行设计任务分解， 将系统的研制任务分解成若干子任务
之后针对子任务去进行具体的设计。
2 硬件和软件的研制 在开发过程中，硬件和软件应同时进行。 (1) 硬件电路的设计、功能模板的研制和调试 根据总体设计，将整个系统分成若干个功能块， 分别设计各个电路，如输入通道、输出通道、信 号调理电路、接口、单片机及其外围电路等。 在完成电路设计之后，即可制作相应功能模板。
要保证技术上可行、逻辑上正确， 注意布局合理、连线方便。 先画出电路图， 基于电路图制成布线图 基于布线图加工成印刷电路板 将元器件安装、焊接在印刷电路板上 仔细校核、调试。
(2) 软件框图的设计、程序的编制和调试
将软件总框图中的各个功能模块具体化，逐级 画出详细的框图，作为编制程序的依据。
编写程序一般用汇编语言建立用户源程序。
大批量投产时，软件的易复制性可以降低成本。
工作速度允许的情况下，应该尽量多利用软件。
必须根据具体问题，分配软件和硬件的任务，决 定系统中哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件 实现，确定软件和硬件的关系。
4.1.2 自动检测系统的设计步骤
1 确定任务、拟定设计方案
（1) 根据要求确定系统的设计任务、功能、指标 （2) 进行总体设计 2 硬件和软件的研制
自顶向下的设计方法 即从总体到局部、再到细节。先考虑整体目标， 明确任务，把整体分解为多个子任务，并充分考 虑子任务之间的联系。
自底向上的设计方法
为了完成某个检测任务，可以利用现有的模块、 仪器，综合成一个满足要求的系统。这种系统 虽然未必是最简单、最优化的方案，但只要能 完成检测任务，仍不失为快速、高效解决问题 的方法。
2) 因显示结果要修约至估读值，故产生的修约误差为
量化误差的1/2，服从均匀分布
u32
1 2
u31
0.056%
u32 u312 u322 (0.1132 0.0562 ) 104 (0.126)2
(3)放大器标准不确定度的限定
根据整机标准不确定度的要求和已设定的传感器 及A／D转换器的标准不确定度值，由公式可解得 放大器标准不确定度为≤0.096％。达到上述要求 对一般放大器而言不是太困难。
x
ry r1 r2 r3
r1 r11 r12 r13 r2 r21 r22 r23 r3 r31 r32 r33
测量系统整机误差表达式 ry r11 r12 r13 r21 r22 r23 r31 r32 r33
恒定系统误差可以通过标定实验数据得到修正。因此， 只存在可变系统误差与随机误差，于是采用方和根法 综合，整机误差
宜、最简单、最可靠的传感器。
5 频率响应特性 必须保证在整个被测量频率范围内满足
不失真测量条件。
4.2.6 稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持稳定的能 力称为稳定性。
影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结 构外，主要是传感器的使用环境。要使传感器 具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环 境适应能力。
制传感器，是购买国产传感器还是购买进口传感器。 考虑上述问题，确定选用何种类型的传感器，
然后再考虑传感器的具体性能指标。
2 线性范围和量程
当传感器的种类确定之后，首先要看其量程和线 性范围能否满足要求。
任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性范围 是相对的。
根据不同的测量精度要求，可将非线性误差较小 的传感器近似看作线性传感器。
软硬件折衷
智能检测系统中有些功能必须靠硬件实现，而另 外有些功能利用软件或硬件都可完成。
软件可完成许多复杂运算，修改方便，但速度比 硬件慢。硬件成本高，组装起来以后不易改动。
多使用硬件可以提高仪器的工作速度，减轻软件 负担，但结构较复杂；使用软件代替部分硬件会 简化仪器结构，降低硬件成本，但同时也增加了 软件开发的成本。
r2y r112 r122 r132 r212 r222 r232 r312 r322 r332
按照整机性能要求，引用误差小于1.0%，则整机的扩 展不确定度U≤1.0%。为简单起见取覆盖因子为3，则 整机标准不确定度
urc
U ky
பைடு நூலகம் 0.33%
式上式的误差公式用标准不确定来表示
预估过程是一个反复设定、权衡调整直至最后 确定的过程，在误差理论中属于误差分配与合 成问题。
4.3.1 检测系统分辨力与量程的预估
在设计过程中，指标分配与合成往往需要反复进行。
通常按检测系统分辨力与量程的要求，先初步确定 传感器的灵敏度值S1，然后再进行放大器增益S2与A ／D转换器分度值S3的权衡。
8.3.2 动态性能的预估
1 模拟部分
动态(幅值)误差表达式
r W ( j) WN ( j) 100% WN ( j)
传感器与放大器均为一阶系统
r
1
1
1
1 (1)2 1 (2 )2
传感器为二阶系统，放大器为一阶系统
r
1
1
1
[1 ( )2 ]2 (2 )2 1 (2 )2
0
0
2 数字部分
测量系统基本结构框图
S
y x
u x
v u
y v
S1S2 S3
y S1S2S3x
ln y ln S1 ln S2 ln S3 ln x
dy dS1 dS2 dS3 dx y S1 S2 S3 x
由于x是被测量，被认为是不变化的，也可认为
它的变化是不属于测量系统本身的，故令
dx
=0
数 0 4.9 104 / C ；S 5.1104 / C
t 5 C
将上述指标数据代入u1式中，得
u1 0.293%
(2) 数据采集系统A／D转换器标准不确定度的设定
1) 由分度值进行示值估读的量化误差e引入的不确
定度服从均匀分布，当选用8位A／D时
u31
1 3
1 2
1 28
0.113%
在开发过程中，硬件和软件应同时进行。 (1) 硬件电路的设计、功能模板的研制和调试
(2) 软件框图的设计、程序的编制和调试
3 系统总调、性能测试
4.1.2 自动检测系统的设计步骤
1 确定任务、拟定设计方案 （1) 根据要求确定系统的设计任务、功能、指标 明确系统需要完成的测量任务； 明确被测信号的特点、被测量类型、被测量变化
在被测量范围较大的情况下，初定的S2、S3往往不 能既满足分辨力又同时满足量程两方面的要求。此 时有两种解决办法。
办法之一是设置多种增益，被测量值较小时用增益 大的档，测量值大时自动切换为增益小的档；
办法之二是固定放大器的增益值而选用多位A／D转 换器，如10位、12位、14位A／D转换器等。
11 fH π 2n1 TAJ
总的说来，测量系统动态性能主要受传感器的 限制。
4.3.3 静态性能的预估
静态性能的预估就是按总误差的限定值对组成 系统的各个环节进行误差分配的问题。
它包括误差预分配、综合调整、再分配、再综 合，直至选定环节的静态性能满足系统静态性 能的要求。
以某压力测量系统为例，要求该系统在 (20±5)℃环境温度内引用误差不大于1.0%， 当工作于上限温度60℃时温度附加误差不大于 2.5%，试确定压阻式压力传感器、放大器、数 采系统的静态性能。
4.1 自动检测系统的设计原则与步骤
4.1.1 自动检测系统的设计原则
*首先要能够实现所要求的功能和技术指标； *要满足系统在可靠性、可维护性方面的要求
如平均无故障工作时间、故障率、失效率、平均寿命等
*考虑到用户操作方便，提供良好的人机界面
*系统结构应规范化、模块化； *降低成本，提高系统的性能价格比
在开发系统机上，利用汇编软件对输入的用户 源程序进行汇编，变为可执行的目标代码。
在程序设计中还必须进行优化工作，利用各种 程序设计技巧，使编出的程序占用内存空间尽 量小、执行速度尽量快。
3 系统总调、性能测试
在硬件、软件分别完成后，即可进行联合调试， 即系统总调，测试系统的性能指标。
若有不满足要求之处，需要仔细查找原因，进 行相应的硬、软件改进，直到满足要求为止。
“硬件软化” 为降低硬件成本，将某些硬件功能用软件实现。
例如计数器、运算器等硬件设备所具有的计数、 运算功能可用软件完成，从而节省了硬件设备。 但是硬件软化后运行速度比硬件低得多。
“软件硬化”
近年来随着半导体技术的发展，又出现了“软件硬化” 的趋势，即将软件实现的功能用硬件实现。其中最典型 的是数字信号处理芯片DSP。过去进行快速傅里叶变 换都用软件程序实现，现在利用DSP进行FFT运算，可 以大大减轻软件的工作量，提高信号处理速度。
u11
1 3
H
——由滞后
H 引入的不确定度分量；
u12
1 3
R
——由重复性 R 引入的不确定度分量；
u13
1 3
E
——由电源波动系数 E 引入的不确定度分量；
u14 (0 S )t / 3
——由环境温度变化引入的不确定度分量
设传感器技术指标为：滞后=0.09％；重复性 =0.09％；电源波动系数=0.03％；温度系
范围、被测量的数量、输入信号的通道数； 明确测量速度、精度、分辨率； 明确测量结果的输出方式、显示器的类型； 明确输出接口的设置。 考虑系统的内部结构、外形尺寸、面板布置、研
制成本、可靠性、可维护性及性能价格比等。 综合考虑上述各项，提出系统设计的初步方案。
（2) 进行总体设计
通过调研对所提出的系统初步设计方案，进行 论证，完成系统总体设计。
3 灵敏度的选择 希望传感器的灵敏度越高越好。但传感器的灵敏度 高，外界噪声也容易混入，也会被测量系统的放大 器放大，影响测量精度。 要求传感器本身应具有较高的信噪比。
4 精度 传感器的选用原则并非精度越高越好。传感器
的精度越高，其价格越昂贵。 传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要
求就可以，不必选得过高。 在满足同一测量目的的诸多传感器中选择最便
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调研， 并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或 采取适当的措施，减小环境的影响。
4.3 自动检测系统的性能估计
将传感器、调理电路、数据采集系统集成为一 个测量系统的基本原则是使测量系统的基本功 能、静态性能、动态性能均达到预先规定的要 求。
原则是采用预选的环节组成测量系统后，经过 标定实验，其性能既要达到规定的要求，同时 又不过分的超过预先规定的指标。
数字部分与动态误差有关的指标是A／D转换器 的转换时间以及采样保持器的孔径时间与孔径 抖动时间。
（1） A／D转换器转换时间的选取
fH
1 π 2n1
1 TC
fm fH
（2） 采样／保持器孔径时间与孔径抖动时间 的选取
如果公式(8-7)的关系不能满足，则A／D转换 器前面必须有采样／保持器，一般说来可以通 过软件提前下达指令的措施消除孔径时间的延 时影响，故被测信号的频率最大值受限于孔径 抖动时间
放大倍数的波动通常是环境温度变化引起放大器 的失调温度漂移及反馈电阻阻值比的漂移。
注意，放大倍数的实际值偏离设计值引起的系统 误差是可以消除的。在实时自校的测量系统中， 放大倍数是由基准电压实时标定的。
因此放大器的不确定度则决定于基准电压源。同 样基准电压值的波动通常也是受环境影响，对于 2DW232系列稳压二极管制作的基准电压源，其温 度系数可以达到(20--5)ppm／℃。
urc2 u112 u122 u132 u212 u222 u232 u312 u322 u332
(1) 有关传感器分项标准不确定度的设定 1) 用传感器的准确度等级指数α进行估算，即令
u1
1
3
%
2) 用传感器的分项标准不确定度来估算
u12 u112 u122 u132 u142
4.4 自动检测系统设计举例——在线微 量水分测量系统设计
1 系统总体设计
任何自动检测系统乃至任何工程系统的设计任 务都源于实际需求。