测试技术与信号分析 · 2020. 10. 23. · (1) ntc. 热敏电阻....
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广东工业大学机电工程学院第二部分 信号的检测
测试技术与信号分析
广东工业大学
2019.06
机电液智能测控课题组
网站:http://ceshi.gdut.edu.cn/
测试技术与信号分析
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2.3 常见物理量的测量
2.3.1 温度的测量
2.3.2 流体参量的测量
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2.3.1.1 概述
1. 温度: 表示物体受热程度或其热状态程度的量
2.3.1 温度的测量
温度的变化会影响到物体的尺寸、体积、密度、硬度、弹性 系数、电导率、磁导率、热容量等属性值
3.温标:表示(或测量)温度的标准。
摄氏和华氏温标:利用水银体积随温度变化的特性来定义温度
2. 温度的影响:
热力学(开尔文)温标:以分子运动状况随温度变化特性来定义温度
以分子停止运动的温度(-273.150C)为基点,单位符号为K
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3.温标
摄氏温度(t)与热力学温度(T) 分度相同,基点不用
273.15T t
4.温度的测量方法
(1)接触式测量
(2)非接触式测量
结构简单、工作稳定可靠、精确度高。有热膨胀式温度 计、热电阻温度计等。
温度高、不干扰被测物温度。但精确度不高,如辐射式温 度计。
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2.3.1.2 热膨胀式温度计
定义: 利用物体受热体积膨胀的性质而制成的温度计
1.玻璃管液体温度计
1)结构:玻璃泡、带刻度毛细玻璃管、测温液体
2)原理: 利用玻璃和测温液体的温度体积膨胀特性的差异
分类:玻璃管液体温度计、双金属温度计和压力式温度计等
3)分类:
测温液体的沸点和 凝固点决定了可测 温度的上限和下限
(1) 根据测温液 体来分
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3) 分类:
工业用温度计、实验室用温度计、标准水银温度计及指示 小温差的贝克曼温度计。
(2) 根据用途来分
4)特点:
(1)缺点:范围不宽,精确度不高,响应速度较慢,而 且温度计必须与被测物充分接触,只能现场测量。
(2)优点:直观、结构简单、稳定性好、价格低廉。
5)应用:被测温度波动范围不大的场合。
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2. 双金属温度计
1) 结构:两种膨胀系数不同的金属牢固结合而成的,一端 固定,另一端自由。
2)原理:温度变化时,由于两种金属伸缩不一致而发生弯曲, 自由端就产生位移。
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双金属片温度计常用膨胀系数低的镍铁合金和膨胀 系数高的黄铜来制作。
温度升高时,会向膨胀系数 小的一侧弯曲;
温度下降时,会向膨胀系数 大的一侧弯曲。
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3) 特点
(1) 优点:结构简单、成本低、牢固耐用、耐震、可靠性高。
(2) 应用:
广泛地应用于工农业生产的温度检测、控制及报警。
(3) 缺点:
测温范围不宽,热响应速度较慢;温度计必须插入被 测介质一定深度;只能用于现场测量。
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3. 压力式温度计
原理:封闭容器中的工作介质的压力随着温度变化而变化, 压力值就反映了温度的数值。
根据工作介质不同,可分为 液体、气体、蒸汽 压力温度计
测温包放在被测介质中,测温 包内的工作介质因温度变化而 使压力变化,经毛细管传给弹 簧管压力表,其指示机构指示 出相应的温度数值。
工作介质温度体积膨胀系数大, 则压力变化大,灵敏度就高,测 量范围就大。
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2.3.1.3 热电阻温度传感器
敏感元件:热电阻。
转换原理:热电阻效应(阻值随温度变化而变化的现象)。
金属热电阻:热电阻。
半导体热电阻:热敏电阻。1. 热电阻
1)铂热电阻
2 30
20
[1 ( 100)] 200 0
[1 ] 0 850t
R At Bt Ct t C t CR
R At Bt C t C
结构:电阻体、绝缘套管、保护套和接线盒等。
(1)特性方程
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1)铂热电阻
★性能稳定、精确度高、重复性好(10-4 oC)。最佳材料,用 做标准温度计。测量范围-200~850 oC。
(2) 特点
★ 100(100)
0
RWR
(100) 1.387 ~ 1.390W 工业铂热电阻:
标准铂热电阻: (100) 1.3925W
★测还原性气体时需要加保护套。
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2)铜热电阻
(1) 特性方程
在-50~100
oC的测量范围内
0 (1 )tR R t α为铜的电阻温度系数,一般为 3 1(4.25 ~ 4.28) 10 C
(2) 特点
优点: 线性度好、电阻温度系数高、易于提纯、价格便宜
缺点: 电阻率小、易氧化。
应用:只适合用在低温和无侵蚀性的介质中。
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3) 低温和超低温热电阻
(1)铟电阻
用99.99%高纯度的铟丝绕制而成,精确度高(±0.001K) ,灵敏度高(比铂高10倍),范围为-269~258 oC 。
缺点:材料软、复现性差。
(2)锰电阻
范围为-271~210 oC ,灵敏度高。
缺点:材料脆,难以拉制成丝。
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2. 热敏电阻
★由某些金属氧化物按不同的配方比例烧结而成的。
1) 结构
★可制成珠状、圆片状、片状、杆状等各种形状★由热敏元件、引线和壳体组成。
2) 分类
负温度系数型(NTC型,曲线1)
临界温度系数型(CTC型,曲线2)正温度系数型(PTC型,曲线3)
曲线4为铂电阻
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2) 分类
(1) NTC热敏电阻
★由锰、钴、镍、铁、铜等过渡金属氧化物混合烧结而成。
★温度低时,载流子(电子和孔穴)数目少,故阻值高; 温度升高时,载流子数目增加,故阻值降低。
★温度-电阻特性方程
0
1 1273 273
0
Bt t
tR R e
★分类低温型(-60~300oC)、中温型(-60~300oC)、高温型(-60~300oC)。
★特点:精确度高、可靠性高、体积小、响应快、成本低 。
★应用:工业、农业、科技、医学、通信、家电等领域 。
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2) 分类
(2) CTR热敏电阻
★剧变型温度特性,开关特性。
★温度高于居里点Tc时,阻值会减小到临界状态。
(3) PTR热敏电阻
★以钛酸钡掺合稀土元素烧结而成的半导体元件,具有 正的温度系数。
★以三氧化二钒与钡、硅等氧化物,在磷、硅氧化物的弱 还原气氛中烧结而成。
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3) 特点
优点:与金属热电阻相比,热敏电阻具有如下优点:
缺点:互换性差,发散性严重。
(1) 电阻温度系数大(约为热电阻的10倍),灵敏度高;(2) 结构简单,体积小,热惯性小;(3) 利用半导体掺杂技术,可测42~100K之间的温度;(4) 使用寿命长。
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2.3.1.4 热电偶
1.热电偶的基本工作原理。
热电效应:被测温度的变化→电压信号输出 。
优点:测量精确度高、测量范围广(100~1500oC)、构造简单、 使用方便。
(1)结构
★两种不同材料的导体A和B组成一个闭合电路。
当T≠T0 时,回路中会产生电动势的现象。产生的
电动势称为热电动势,仅与测量端的温度T有关。
(2)热电效应
★两个接点:测量端或热端(T),参比端或冷端(T0
)
0 0( , ) ( ) ( )ABE T T f T f T
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(3)热电动势
由两种导体间的接触电动势和单一导体的温差电动势组成
接触电动势:指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电动势。
接触电动势与导体的电子密度差有关,并和接触区的温度成正比。
eAB (T) 、eAB (T0 ) 。
是因为自由电子密度不同。接触时,密度高的失去电子带正电,密
度低的得到电子带负电。从而在接触面形成电场。
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(3)热电动势
由两种导体间的接触电动势和单一导体的温差电动势组成
温差电动势:由于两端温度不同而在两端间产生的电动势。
高温端的电子能量高,运动速度快,电子将从速度快的高温端向速度慢
的低温端扩散,使高温端失去电子而带正电,低温端由于获得电子而带
负电,从而在导体两端形成温差电动势。
导体A:eA (T,T0 ), 导体B:eB (T,T0 )
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(3)热电动势 由两种导体间的接触电动势和单一导体的温差电动势组成
0 0 0 0( , ) ( ) ( , ) ( ) ( , )AB AB A AB BE T T e T e T T e T e T T
温差电动势比接触电动势小,故 eAB (T)是最主要的 。
当导体A、B的材料一定时,总电动势仅与两接点处的温度有关 ,即
0 0( , ) ( ) ( )ABE T T f T f T
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2.热电偶的基本定律
1)均质导体定律
2)中间导体定律
由同一种匀质(电子密度处处相同)导体或半导体组成的闭合回路,都
不能产生热电势 。
热电偶回路中接入第三种金属导体C,只要该金属导体C两端的温度
相同,则对热电偶回路总电动势没有影响。
3)
中间温度定律
4)标准电极定律
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3.常用的热电偶
1) 铂铑10 -铂热电偶
(1) 正极是90%铂、10%铑的合金,负极为纯铂。
(2)精确度高、稳定好、抗氧化性好。
(3) 1300℃以下可长期工作,短期可测1600℃的高温。
(4)适合在氧化或中性气氛介质中使用。
如各种高温加热炉、热处理炉及钢水的温度测量。
(5)缺点:价格昂贵,热电动势小,灵敏度低,在高温还 原性介质中容易被侵蚀和污染,而失去测量精确度。
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2)铂铑30 -铂铑6 热电偶
(1)正极是70%铂、30%铑的合金,负极是94%铂、6% 铑的合金
(2)测量精确度高、稳定好和更强的抗氧化性能 。
(3) 1600℃以下可长期工作,短期可测1800℃的高温。
(4)缺点:热电动势小,且价格昂贵 。
3)镍铬-考铜热电偶
(1)正极是90%镍、10%铬的合金,负极是44%镍、56%铜的合金 。
(2)热电势大、测量精确度高、灵敏度高、抗氧化性好及价格低 。
(3)适用于还原性或中性介质 。
(4)长期适用温度在600℃以下,短期可测800℃的温度。
(5)缺点:测量范围低,考铜合金易氧化而失去测量精确度。
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4)镍铬-镍硅热电偶
(1)正极是90%镍、(9~10)%铬、0.4%硅的合金,负极 是90%镍、(2.5~3)% 硅、0.6%钴的合金
(2)热电势大、线性好、价格便宜、化学稳定性高
(3)氧化性或中性介质中,可长时间测量900℃以下的温 度,短期可测1200℃的高温
;还原性介质中,则会很快
被腐蚀,只能用于测量500℃以下的温度 。
(4)能满足大多数工业测量要求,是工业测量中最常用的热电偶之一
(4)能满足大多数工业测量要求,是工业测量中最常用的热电偶之一
5)其它热电偶
超高温热电偶(测温可达2000℃)、低温热电偶(可在2~273K)
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2.3.1.5 辐射式温度计
1. 工作原理
利用辐射原理测温,即利用热接收器接收被测物体在不同 温度下辐射能量的不同来确定对象的温度 。
2.工业上应用的有:光学高温计、辐射高温计、光电高温计 、比色高温计、红外辐射测温仪等
(1) 非接触测量,测量上限高、寿命长,易安装;
3.特点:
(2) 适合测量运动物体表面的温度;
(3) 响应快,灵敏度高,便于实现遥控及自动检测;
(4) 准确度不高,不如接触式测温仪表。
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2.3.2.1 概述
1.压力
2.3.2 流体参量的测量
2)分类:
1)定义:压强
流体的压力和流量
单位:帕斯卡(Pa, N/m2)
相对压力和绝对压力
真空度和表压力
绝对真空和大气压
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2.流量
体积流量qv:单位时间内流过管道某一截面处流体的体积
1)定义和分类
质量流量qm:单位时间内流过管道某一截面处流体的质量
3.压力和流量的测量大都属于间接测量
将流体的压力和流量转换为中间转换元件的某一个 量的变化,在用响应的传感器器将中间机械量转换 为电量输出。
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2.3.2.2 流体压力的测量
弹性变形法:利用弹性元件来感受压力,将压力转换为弹性 元件的变形,该变形在通过机械装置直接指示出压力值, 或借助于其它传感器转换为电信号输出。
有波登管、波纹管、膜片和薄壁圆筒等。
1. 常用的压力敏感元件
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1) 波登管
1. 常用的压力敏感元件
弹簧管
由于管壁内外侧的压力差(外侧一般为大气压力),管的截面 力图变成圆形截面,截面的短轴力图伸长 。
一端固定, 另一端活动
自由端便产生了位移(线位移或角位移)。利用管的曲率变化或扭转变形将压力变化转换为自由端的
位移量,从而实现压力的测量。
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1) 波登管
应用:指针式压力计或压力传感器的敏感元件。
特点: 精确度高,尺寸大、固有频率低、滞后大
;故只适 合静态测量。
材料: 黄铜(小于20MPa),不锈钢或其它高强度合金(高于 20MPa).
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2) 波纹管
(1)结构:表面上有许 多同心环状波纹的 薄壁圆筒。
一端开口且被固定,另一端封闭却处于自由状态。
(2)工作原理:
从开口端注入压力流体,波纹管在轴向产生与压力成 正比的伸长量。
(3)特点:灵敏度高,可测压力低。
(4)应用:
用做测量和控制压力的弹性元件。测量小压力和压差。
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3) 膜片和膜盒
膜片:弹性材料制成的圆 形薄片。 3种。
膜盒:由两个膜片边缘对焊 起来。
(2)工作原理:
膜盒的灵敏度要高于膜片。
采用位移传感器来感测膜片中心因压力到导致的位置变 化;在膜片表面粘贴应变片来感测其表面应变。
(1) 结构
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4) 薄壁圆筒
(1)结构
壁厚一般小于圆筒直径的二十 分之一。
(2)工作原理
通入压力流体时,筒壁均匀受力,并均匀地向外扩张, 于是筒壁将产生应变。
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1) 应变式流体压力传感器
2.常用的流体压力传感器
工作原理:压力变化→弹性元件的弹性变形→应变片的变形 → 应变片的电阻值变化→ 测量电路(如电桥)的输出电量变化
(1) 平膜片型
体积小、重量轻、精确 度高、测量范围宽(几帕 ~500MPa),且耐压、抗 振,因而应用广泛。
介绍应变式、压阻式、压电式、电容式等几种
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(2) 圆筒型
高压测量
筒内压力大于筒外压力 时,
发生变化,电桥输
出相应的电信号。
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(3)组合型应变式流体压力传感器
借助某种传递机构将感压元件的弹性变形传递给粘贴有应变 片的其他弹性元件。
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2) 压阻式流体压力传感器
在硅膜片上扩散长条形的 具有压阻效应的半导体应 变片
体积可以做得很小(直径可小至1.5~3mm),动 态特性好(0~几百千赫)。
灵敏度很高。由于电阻直接扩散到膜片上,没有 粘贴层,因此零漂小、灵敏度高、重复性好。
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3) 压电式流体压力传感器
测量范围宽(几百帕至 几百兆帕)、体积小、 重量轻、安装方便,具 有非常高的灵敏度和固 有频率,适用于动态压 力或冲击压力的测量, 不适于静态压力的测量
压电效应
需要电荷放大器
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4) 电容式流体压力传感器
在流体压力p作用下膜片 产生变形,改变了膜片 与球形极板之间的距离 ,从而引起电容器电容 的变化。
灵敏度高、频响好、抗 干扰能力强;但只适合 低压测量,线性度较差.
提高灵敏度和改善线性度,可采用差动式。
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2.3.2.3 流体流量的测量
体积流量的测量的原理:将流量转换成压差、位移、转速、 力等参量,然后再将这些参量转换成电量输出。
1. 压差式流量计
流量-压差转换法由压差产生装置和检测
装置组成 。
0 1 22 ( )v dq C A p p
占整个流量仪表70%的市场 份额,精确度远低于2%。
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2. 浮子流量计
压差与环形节流缝隙的通流面积的平 方成反比,与流量的平方成正比。
流量变大时,压差变大,浮子上移, 环形节流缝隙的通流面积变大,压差 下降,直至平衡(浮力等于重力)。
流量不同,浮子的位置也就不同 ,差动变压器的输出也就不同。
一般应用于小流量测量场合
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3. 靶式流量计
流量不同,圆耙上的 受力F1也就不同。
一般先测F2
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4. 涡轮流量计
涡轮的转速与流量成 一定的函数关系。
磁阻式磁电传感器输 出的脉冲电压频率与 涡轮转速成正比。
响应特性好 (2~10ms),可 用来测瞬变或脉动流量。
涡轮叶片为导磁材料
精确度可达0.25%~1.0%。
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5. 容积式流量计利用精密的标准容器,对被测流体进行连续测量。又称为量
斗型或直接测量型流量计流量计排量,流量等于排量与输出轴转速的乘积。
有椭圆齿轮、腰形转子和螺旋转子流量计等几种。
计准确度高、工作稳定可靠。工业流量计量的标准仪表。
结构简单、磨损小,广泛应用于医疗技术、食品工业、精密化工等领域
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6.超声波流量计
1) 原理:超声波在流体中的传播将受到流体流速的影响。
有传播时差法和多普勒法两种测量方法。
2)传播时差法超声波流量计
通过求出超声波顺流传播 和逆流传播的时间差,就 可以求出流体的速度.
不阻碍流体流动,安装方便 ,适测流体种类多;尤其适 合测大口径管道的流量。
价格较贵。
多用在不适合采用其它流量计的测量场合
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广东工业大学机电工程学院第二部分 信号的检测
测试技术与信号分析
广东工业大学
2019.06
机电液智能测控课题组
网站:http://ceshi.gdut.edu.cn/
测试技术与信号分析
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2.4 计算机测试系统和虚拟仪器
2.4.0 序
2.4.1 计算机测试系统的基本组成
2.4.2 计算机测试系统的总线技术
2.4.3 虚拟仪器
2.4.4 网络化测试仪器
2.4.5 计算机采集实例
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计算机测试系统:
智能仪器、总线仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性 虚拟仪器等微机化仪器及其自动测试系统;
计算机与现代仪器设备间的界限日渐模糊,配以相应软件和硬 件的计算机实质上相当于一台多功能的通用测量仪器。
计算机与现代仪器设备日渐趋同,两者间已表现出全局意义上 的相通性。
2.4.0 序
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2.4.1 计算机测试系统的基本组成
2.4.1.1 计算机测试系统的框图
被测对象
传感器
信号调理
多路模拟开关
采样保持
A/D
计算机总线
D/A低通滤波
激励装置
功率放大
CPU
ROM
RAM
键盘
显示
控制逻辑
… … …
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2.4.1.2 多路模拟开关
优点:功耗低,体积小,易于集
成,速度快,且没有机械 式开关的抖动现象;
译码器A0A1A2
OUT
S0
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
CMOS场效应模拟电子开关的导通电阻一般在200 以下, 关断时漏电流一般可达纳安级甚至皮安级,开关时间通常 为数百纳秒。
缺点:导通电阻受电源、模拟信
号电平和环境温度变化的 影响。
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2.4.1.3 A/D转换与D/A转换
概念
将模拟量转换成与其对应的数字量的过程称为模/数 (A/D)转换,反之,则称为数/模(D/A)转换。
实现上述过程的装置分别称为A/D转换器和D/A转换器。
A/D转换
A/D转换过程采样:连续时间信号离散化量化:连续幅值离散化编码:离散幅值数字化
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采样x(t)
模拟信号
取样信号
s(t)
0 t
s(t)
xs (t) 量化 编码
数字信号x(n)
0 t
x(t)
0 t
x(nt)
t
t 0
q
x(n)
000001010011
n
x(nt)
A/D转换过程
t:采样周期q: 量化当量或量化步长,q=A/dA: 信号x(t)取值区间的大小d: 信号x(t)取值等间隔分割的数目
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量化误差
经过量化和编码后得到的数字信号其幅值必然带来误差, 这种误差称为量化误差。
量化误差的大小一般取决于二进制编码的位数,因为它 决定了幅值被分割的间隔数量d。如采用8位二进制编码 时 , d = 2 8 = 2 5 6 , 即 量 化 当 量 为 最 大 可 测 信 号 幅 值
的1/256。
当采用舍入量化时,最大量化误差为 q/2,而采用截尾 量化时,最大量化误差为q。
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A/D转换的实现
直接比较型A/D转换器
将输入模拟电压信号直接与作为标准的参考电压信 号相比较,得到相应的数字编码。
如逐次逼近式A/D转换器通过将待转换的模拟输入 量Vi 与一个推测信号VR 相比较,根据比较结果调节
VR 以向Vi 逼近。该推测信号VR 由D/A转换器的输出获得,当VR 与Vi
相等时,D/A转换器的输入数字量即为A/D转换的结果。
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D/A转换器 比 较 器
D0D1
Dn-1Dn
数据输出
数据锁存器
…
…
移位寄存器…
控制逻辑
时钟
STARTEOC
VREF Vi
VR
逐次逼近式A/D原理框图
直接型A/D转换器 属于瞬时比较,转 换速度快,常作为 数字信号处理系统 的前端,但缺点是 抗干扰能力差。
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广东工业大学机电工程学院第二部分 信号的检测
间接比较型A/D转换器
将输入的模拟信号与参考信号转换为某种中间变量 (如时间、频率、脉冲宽度等),然后再对其比较 得到相应的数字量输出。
如双积分式A/D转换器先对输入模拟电压Vi 进行固 定时间的积分,然后通过控制逻辑转为对标准电 压VREF 进行反向积分,直至积分输出返回起始值,
这样对标准电压积分的时间T将正比于Vi 。Vi 越大,反向积分时间越长。若用高频标准时钟测量时间T,即可得到与Vi 相应的数字量。
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广东工业大学机电工程学院第二部分 信号的检测
数字量输出
积 分 器
比 较 器
Vi
VREF
控制逻辑
时钟 计数器
t
积分输出
TT1
T2
A
B
斜率固定
(a) (b)双积分A/D转换原理
间接型A/D转换器抗干扰 能力强,但转换速度慢, 常用于数字显示系统中。
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广东工业大学机电工程学院第二部分 信号的检测 计算机测试系统的基本组成
D/A转换
D/A 转换器将输入的数字量转换为模拟电压或电流信 号输出,其基本要求是输出信号A与输入数字量D成正 比,即
A=qD
其中q为量化当量,即数字量的二进制码最低有效位所 对应的模拟信号幅值。
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广东工业大学机电工程学院第二部分 信号的检测
D/A转换的基本原理
00
11
22
11 2222 aaaaD n
nn
n
式中:ai (i=0,1,…,n-1)等于0或1,表示二进制 数的第i位。即二进制数可表示为an-1 an-2 …a2 a1 a0 。
根据二进制计数方法,一个数是由各位数码组合而成 的,每位数码均有确定的权值,即
为了将数字量表示为模拟量,应将每一位代码按其权 大小转换成相应的模拟量,然后根据迭加原理将各位 代码对应的模拟分量相加,其和即为与数字量成正比 的模拟量,即实现了D/A转换。
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T型电阻解码网络D/A转换器
VR
2R 2R 2R 2R
R R 2R
RF
Vo
R
2R
…
a0 an-2an-3 an-1
T0 Tn-3 Tn-2 Tn-1
abc
R0R22R1o 2
121
21 VaVaVaV nnn DV
n2R
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D/A转换器
低通滤波器
n
x(n)
t
x'(t)
t
x(t)
x(n) x'(t) x(t)
D/A转换过程
从D/A转换器得到的输出 Vo 是转换指令来到时刻的一次瞬时值,要 恢复为连续时域模拟信号,还须通过保持电路进行波形复原。
保持电路相当于模拟存储器,其作用是在转换间隔的起始时刻接收 D/A转换输出的模拟电压脉冲,并保持到下一转换间隔的开始(零 阶保持器)。保持电路一般通过对输入数字信号进行锁存实现。
D/A经保持器输出的信号实际为许多矩形脉冲构成,须通过低通滤 波滤去其中的高频噪声,从而恢复出原信号。
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2.4.1.4 采样保持
在对模拟信号进行 A/D变换时,从启动变换到变换结 束,需要一定的时间,即A/D转换器的孔径时间。
当输入信号频率较高时,由于孔径时间的存在,会造 成较大的孔径误差。
孔径时间与孔径误差
为了防止孔径误差的产生,必须在 A/D转换开始时将 信号电平保持住不变,而在 A/D转换结束后又能跟踪 输入信号的变化,即对输入信号处于采样状态。能完 成上述功能的器件称为采样保持器。
采样保持器
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采样保持
采样控制信号 t
t
输出 输入x(t)
s(t)
采样保持波形
采样保持器在保持阶段相当于“模拟信号存储器”。
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实际保持电压
延时引入误差
应保持电压
采样
保持
获得时间
T
C
+–
+–
控制信号
输入
输出
(a) (b)
采样保持原理
采样期间,开关闭合,输入跟随器的输出给电容器 C快速 充电;
保持期间,开关断开,由于输出缓冲放大器的输入阻抗极 高,电容器上存储的电荷将基本维持不变,保持充电时的 最终值供A/D转换。
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采样保持器工作状态由外部控制信号控制,由于开关状 态的切换需要一定的时间,因此实际保持的信号电压会 存在一定的误差。这种时间滞后称为采样保持器的孔径 时间。
实际系统中,是否需要采样保持电路,取决于模拟信号 的变化频率和 A/D转换时间,通常对直流或缓变低频信 号进行采样时可不用采样保持电路。
采样保持器的孔径时间必须远小于A/D的转换时间,同 时也必须远小于信号的变化时间。
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2.4.1.5 多通道数据采集系统的组成方式
S/H
S/H
S/H
...
A/D
A/D
A/D
...CPU
a)
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S/H A/D
多路
开关
CPU
控制逻辑
b)
...
S/H
S/H
S/H
. . .
A/D
CPU多路
开关
c)
控制逻辑
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2.4.2 计算机测试系统的总线技术
2.4.2.1 总线的基本概念及其标准化
总线是一组互联信号线的集合,是设备与设备之间 传送信息的公用信号线,可同时挂接多个模块或设 备,计算机系统中信息的互相传递通过总线实现。
总线 bus
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总线的分类
地址总线、数据总线以及控制总线
芯片(间)总线、(系统)内总线、(系统间)外总线
并行总线和串行总线
总线标准化
信号级兼容输入和输出信号线的数量、各信号的定义、传递方式和传递速度、信号逻辑电平和波形、信号线的输入阻抗和驱动能力等。
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命令级兼容除了对接口的输入、输出信号建立统一规范外,对接
口的命令系统也建立统一规范,包括命令的定义和功能、 命令的编码格式等。
程序级兼容在命令级兼容的基础上,对输入、输出数据的定义和
编码格式也建立统一的规范。
不论在何种层次上兼容的总线,接口的机械结构都应建 立统一规范,包括接插件的结构和几何尺寸、引脚定义 和数量、插件板的结构和几何尺寸等。
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2.4.2.2 总线的通信方式
外设CPU
总线
接口
逻辑
读操作请求
读应答输入
读操作请求
读应答输出
写操作请求
写应答输入
写操作请求
写应答输出
数据 数据
CPU与外设并行应答式通信原理
对于串行总线,硬件应答线不存在,此时就必须由软件 根据规定的通信协议来实现应答信息的交互。
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2.4.2.3 测控系统内部总线
ISA/PC104/AT96总线
起源
IBM PC/XT计算机应用
面向特定CPU,8086以及Pentium。
发展
PC/XT8位
PC/ATISA 16位
PC104 AT96
EISA32位
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VME/VXI总线
VME:Versa Module EuropeVersa:Motorola公司68000处理器总线。
VMEbus:
采用高可靠的针式连接器
非复用32位异步总线,总线速度自动与器件速度适配
传输32位、16位和8位数据,具有数据块传输方式
传输单一数据时最大速率为19 MB/s,传输数据块时最 大速率为30 MB/s
VME64 将总线数据宽度提升到64位,最大数据传输 速度为 80 MB/s。VME64
总线规范将总线速度提
高到了320 MB/s。
7条菊花链中断线
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VXI:VMEbus eXtension for Instrumentation,是VME总 线在仪器领域的扩展。
是在VME总线、Eurocard标准(机械结构标准)和IEEE 488等的基础上制定的开放性仪器总线标准。
VXI 系统最多可包含 256 个装置,主要由主机箱、零槽 控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应 用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换,即插即 用组成新系统。
VXI总线组织
VXI联盟
VXI总线即插即用(VXI plug&play,VPP)系统联盟
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PCI/CompactPCI总线
PCI:Peripheral Component Interconnect,由PCISIG (PCI Special Interest Group)制定
PCI局部总线是微型机上的处理器/存储器与外围控 制部件、外围附加卡之间的互连机构,它规定了互 连机构的协议、电气、机械以及配置空间规范。在 电气方面还专门定义了5V和3.3V的信号环境。
PCI局部总线规范是当今微型机行业事实上的标准, 也是业界微型机系统及产品普遍遵循的工业标准之
一。
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PCI局部总线的主要特点
地址、数据多路复用的高性能32位或64位同步总线。
高性能和高带宽。支持猝发工作方式,在33 MHz总线 时钟、32/64位数据通路时可达到峰值132/264 MB/s的
带宽。66 MHz总线时钟下,可达到264/528 MB/s。
PCI总线独立于处理器,通用性强,适用面广。
多主能力。允许PCI总线的主设备能对等地访问总线 上的任何主设备或目标设备。
PCI的配置空间规范能保证全系统的自动配置,即插 即用。
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CompactPCI总线
PCI总线的电气规范+
标准针孔连接器(IEC-1076-4-101)+
欧洲卡规范(IEC297/IEEE 1011.1)
CompactPCI是当今最新的一种工业计算机总线标准。
CompactPCI通过改造现行的 PCI规范,使其成为无源底 版总线式的系统结构。CompactPCI 的基本系统设计成8
块卡,并可通过 PCIPCI 桥芯片进行扩展。利用桥电路 技术,也可将CompactPCI与别的总线组成混合系统。
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PXI总线
PXI:PCI eXtension for Instrumentation,是开放式、 模块化的仪器总线,是PCI总线在仪器领域的扩展。
PXI与CompactPCI完全兼容,PXI与CompactPCI模块 可以在同一系统中共存而不发生冲突。
PXI扩充了CompactPCI规范,对提供优异的机械完整 性及易装易卸的PCI硬件定义了坚固的结构形式。
PXI增加了触发总线、用于高速定时的系统参考时钟、 用于进行多板精确同步的星形触发总线以及相邻仪器
模块进行高速通信的局部总线。更能满足仪器用户的 需要。
PXI总线采用成熟 PC技术,与 PC100% 兼容。
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2.4.2.4 测控系统外部总线
RS - 232C是美国电子工业协会EIA (Electronic Industry Association) 制定的一种串行物理接口标准。
RS - 232C总线
RS - 232C规定的数据传输速率为300b/s、600b/s、 1200b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s、19200b/s等。
RS - 232C 总线标准设有25条信号线,对于一般双工通 信,仅需几条信号线就可实现,如一条发送线、一条
接收线及一条地线。
RS - 232C 通信距离受负载电容影响。若采用 150 pF/m 的通信电缆时,最大通信距离为15 m;电容量减小,
通信距离可以增加。
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RS - 232C传输的信号电平对地对称,其逻辑0电平规定 为+5~+15 V之间,逻辑1电平规定为–5~ – 15 V之间,
因此,计算机系统采用 RS - 232C通讯时需经过电平转 换接口。
RS – 232C属单端信号传送,存在共地噪声和不能抑制 共模干扰等问题,一般用于20 m以内的通信。
RS - 232C未规定标准的连接器,同样是 RS - 232C 接 口却可能互不兼容 。
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RS - 449/RS - 423A/422A/485总线RS - 449是一种物理接口功能标准,规定了标准连接
器。其电气标准依据RS - 423A或RS - 422A以及RS - 485。RS - 423A和RS - 422A分别给出在RS - 449应用中对电
缆、驱动器和接收器的要求。RS - 423A给出采用非 平衡(单端)发送、差分接收接口;RS - 422A 采用平衡
(双端)驱动、差分接收接口。
RS - 423A/422A 比RS - 232C传输信号距离长、速度 快,最大传输率可达10 Mbps( RS - 422A 电缆长度 120米,RS - 423A电缆长度15 m)。若采用较低的传 输速率,如90 000b/s,最大距离可达1200m。
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RS - 232C、RS - 423A、RS422A电气连接图
TTL TTLRS - 232C
TTLTTL
RS - 423A+–
TTL TTLRS - 422A
+–
平衡线
非平衡式差分传输
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RS - 485是RS - 422A的变型。RS - 422A为全双工,可 同时发送与接收;RS - 485则为半双工,在某一时
刻,只能有一个发送器工作。
RS - 485是一种多发送器的电路标准,它扩展了RS - 422A的性能,允许双导线上一个发送器驱动多达32个
负载设备。负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器(发送器和接收器的组合)。
RS - 485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信 号线。应用RS - 485 可以非常方便地联网构成分布式 测控系统。
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GPIB总线
GPIB:general purpose interface bus , 是计算机和仪 器间的标准通信协议,它是最早的仪器总线,属于命 令级兼容的并行总线接口标准。
典型的 GPIB 测试系统包括一台计算机、一块GPIB接 口卡和若干台GPIB仪器。每台 GPIB 仪器有单独的地 址,由计算机控制操作。
GPIB按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号, 连接方式为总线方式,仪器设备直接并联于总线上而
不需中介单元。
GPIB 总线上最多可连接 15台设备。最大传输距离为 20 m,信号传输速度一般为 500 KB/s,最大传输速
度为1 MB/s。
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USB/IEEE-1394
USB:universal serial bus,USB1.1应用于中低速外 部设备,传输速度有低速 1.5 Mbps 和全速 12 Mbps
两种。USB2.0 兼容 USB1.1,其速度可高达480 Mbps,支持多媒体应用。USB接口支持热插拔,USB设备单独使用自己的保留
中断,为USB设计的驱动程序和应用软件可以自动启 动,无需用户干预,“即插即用”。
USB采用hub或“级联”方式,一个USB控制器理论上 可以连接多达127个外设,而每个外设间线缆长度可
达5 m。
USB接口提供内置电源。能向低压设备提供
5 V的电源,降低了设备的成本并提高了性价比。
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IEEE 1394(firewire)也是一种高效的串行接口标准。 IEEE 1394可以在一个端口上连接多达63个设
备,设备间采用树形或菊花链拓扑结构。
IEEE 1394标准定义了两种总线模式,即:backplane 模式和cable模式。其中backplane模式支持12.5、25、
50 Mbps的传输速率;cable模式支持100、200、400 Mbps的传输速率。目前正在开发1 Gb/s的版本。
IEEE 1394的主机和外设的复杂性远远高于USB系统,因而,成本也远远比USB为高。
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现场总线
field bus
现场总线是过程自动化和制造自动化现场设备或现场 仪表互连的数字通信网络。主要解决的智能化仪表、 控制器、执行机构等现场设备间的数字通信,以及这 些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。
现场总线的技术特点:
利用数字信号代替模拟信号,抗干扰性强。
开放式互连网络。 只需一对传输线(现场总线)互连,易于维护。 系统的自治性强。与 DCS相比,现场总线减少了专
用的 I/O装置及控 制站,把 DCS 控制站的功能块分散到现场设备,实现了彻底的分散控制。 降低了成本,提高了可靠性。
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常用的现场总线标准基金会现场总线FF (foundation field bus)、LonWorks (local operation network) 、Profibus (process field bus)、CAN (control area network)、HART (highway addressable remote transduscer)、DeviceNet、WorldFIP等。
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2.4.3 虚拟仪器 Virtual Instruments2.4.3.1 概述
虚拟仪器:virtual instruments,简称VI
虚拟仪器是基于计算机的自动化测试仪器系统,虚 拟仪器利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相 连接,将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为 一体,大大缩小了仪器硬件的成本和体积,并通过 计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对测量 数据的分析和显示。
软件即仪器——The software is the instrument虚拟仪器打破了传统仪器只能由生产厂家定义,用
户无法改变的模式,利用虚拟仪器,用户可以很方 便地组建自己的自动测试系统。
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2.4.3.2 虚拟仪器的出现
电子测量仪器的发展
模拟仪器:如指针式万用表、晶体管电压表等借助指针 来显示最终结果。
数字化仪器:如数字电压表、数字频率计等,将模拟信 号的测量转化为数字信号测量,并以数字方式输出 最终结果。
智能仪器:内置微处理器,既能进行自动测试又具有一 定的数据处理能力。
虚拟仪器:由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于 数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成的 测控系统由计算机操纵的模块化仪器系统。
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虚拟仪器结构
测控对象
数据采集卡
GPIB接口仪器
RS - 232C仪器
现场总线设备
其他计算机硬件
VXI仪器
PXI仪器
USB仪器
数据采集与控制
计算机
结果表达
打印
文件
图形显示
数据分析与处理
数字滤波
FFT
统计
网络输出
其他
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虚拟仪器优点
融合计算机强大的硬件和软件资源,实现了部分仪器 硬件的软件化,增加了系统灵活性。同时,突破了传 统仪器在数据处理、存储、人机交互等方面的限制。
基于计算机总线和模块化仪器总线,硬件模块化、系 列化,提高了系统的可靠性和易维护性。
基于计算机网络技术和接口技术,广泛支持各种工业 总线标准。可方便地构建自动测试系统,实现测量、 控制过程的智能化、网络化。
基于计算机的开放式标准体系结构。硬、软件均具有 开放性、可重复使用及互换性等特点。用户可根据自 己的需要,选用不同厂家的产品,使仪器系统的开发 更为灵活、效率更高,缩短了系统组建时间。
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虚拟仪器系统的体系结构
自动测试系统应用软件
DAQ驱动程序
VXI驱动程序
PXI驱动程序
GPIB驱动程序
VISA库
DAQ仪器
VXI仪器
PXI仪器
GPIB仪器
自动测试系统软件结构
自动测试系统硬件结构
VISA即虚拟仪器软件结构,是VXI plug&play联盟制定的I/O接口软件标准及其 规范的总称。VISA提供用于仪器编程的标准I/O函数库,称为VISA库。VISA函 数库驻留在计算机系统内,是计算机与仪器的标准软件通信接口,计算机通过
它来控制仪器。
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2.4.3.3 虚拟仪器的硬件
计算机硬件平台
测控功能硬件
GPIBVXIPXIPC插卡式:基于计算机标准总线的内置(如ISA、
PCI、PC/104等)或外置(如USB、 IEEE - 1394等)功能插卡,其核心主 要是DAQ(data acquisition,数据采
集)卡。
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2.4.3.4 虚拟仪器的软件
VISA(virtual instrumentation software architecture)虚拟仪器软件体系结构,实质是标准的 I/O函数库及
其相关规范的总称。一般称这个I/O函数库为VISA库。 是计算机与仪器之间的软件层连接,以实现对仪器的
程控。
仪器驱动程序
完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集,是应 用程序实现仪器控制的桥梁。
应用软件
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虚拟仪器应用软件的编制
基于通用编程软件Visual Basic,Visual C++,.net,Delphi等
专业图形化编程软件美国HP公司的VEE和HPTIG美国NI公司的LabVIEW 和Lab windows/CVI美国Tektronis公司的Ez-Test和Tek-TNS美国HEM Data公司的Snap-Marter平台软件等
应用软件还包括通用数字处理软件。如频域分析的功率谱 估计、FFT、FHT、逆FFT、逆FFT和细化分析等;时域分 析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分 积分运算和排序等;数字滤波等。
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2.4.3.5 基于LabVIEW的虚拟仪器示例
LabVIEW 提供了交互式的图形化开发环境,采用图形化 编程语言G语言,其程序表现为框图的形式。
LabVIEW程序包括以下三部分:
前面板(panel):VI的交互式用户接口。
数据流框图(diagram):相当于仪器的电路结构, 以数据流的方式实现对采集数据的处理。
图标连接端口(connector):相当于仪器中的某个集成 电路,是对子程序(subVIs)的调用形式,是VI程序 的可选部分。
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LabVIEW振动信号处理程序示例
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LabVIEW振动信号处理VI运行界面: 时域波形图
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LabVIEW振动信号处理VI运行界面: 频谱图
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2.4.3.6 虚拟仪器的发展趋势
总线与驱动程序的标准化
硬/软件的模块化
硬件模块的即插即用化
编程平台的图形化
IVI (interchangeable virtual instruments,可互换虚拟 仪器)
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2.4.4 网络化测试仪器
2.4.4.1 概述
将测得数据(信息)通过网络传输给异地的精密测 量设备或高档次的微机化仪器去分析、处理;
继“计算机就是仪器”和“软件就是仪器”概念之 后,“网络就是仪器”的概念确切地概括了仪器的 网络化发展趋势。
实现测量信息的共享;
掌握网络节点处信息的实时变化的趋势;
通过具有网络传输功能的仪器将数据传至原端即现 场。
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2.4.4.2 基于现场总线技术的网络化测控系统
现场总线接口微计算机
信号获取单元传感器
现场总线接口微计算机
信号驱动单元执行机构
现场总线接口微计算机
信号获取单元传感器
现场总线测控单元
监控计算机#1 监控计算机#N
…
……
…
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2.4.4.3 面向INTERNET的网络测控系统
INTERNET
INTRANET
用户
仪表单元1
用户 用户
决策系统
数据库系统
网关服务器
监控/管理系统 现场级网络
仪表单元2
仪表单元n
调度系统
. ..
网络化仪器
用户
网络化仪器
INTRANET
仪表单元1
决策系统
数据库系统
网关服务器
监控/管理系统 现场级网络
仪表单元2
仪表单元n
调度系统
. ..
用户网络化仪器 网络化仪器
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2.4.4.4 网络化测试仪器与系统实例
网络化智能传感器
其他网络系统
网桥/路由器计算机
控制总线网络
智能传感器节点
压力
智能传感器节点
温度
智能执行器节点
阀门
智能执行器节点
继电器
智能执行器节点
电动机
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网络化示波器和网络化逻辑分析仪
安捷伦:Agilent 16700B网络化逻辑分析仪 可实现任意 时间、任何地点对系统的远程访问,实时地获得仪器
的工作状态;通过友好的用户界面,可对远程仪器的 功能加以控制,状态进行检测;还能将远程仪器测得 的数据经网络迅速传递给本地计算机。
泰克:Tektronix TDS7000快速实时示波器 除了具有 十分直观的图形用户界面以及不受限制地使用各种与
Windows兼容的软件和硬件设备等优点外,其极强的 联网能力使其可以成为测试网络中的一个节点,与网 络连接后,使用者可以与他人共享文件、使用打印资 源、浏览网上发布的相关信息,并可直接从TDS7000
收发E-mail。
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网络化设备状态监测与故障分析诊断系统
基于WEB的远程监测与故障分析诊断系统
机组n1 机组nm
工控机m
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基于WEB的远程监测与故障分析诊断系统界面
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2.4.5 计算机采集实例
1.弹簧振子动态特性的测量
用差动变压器位移传感器检测振子的位移
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1.弹簧振子动态特性的测量
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1)差动变压器
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广东工业大学机电工程学院第二部分 信号的检测
差动变压器位移传感器LVDT
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2) USB7325A数据采集仪
USB7325A数据采集仪可同时采集16路信号,但面板上只 接出了其中10个通道。可选用其中任何一个通道来采集位移传 感器的输出。
USB7325A数据采集仪接受差动变压器输出的±10V范围内 的模拟直流电压信号,在采集仪的内部进行A/D转换之后,将
得到的数字量电压信号通过USB接口发送给计算机。
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2) USB7325A数据采集仪
(1) USB接口,即插即用。
(2) 概述
A/D:12bit,16(单)/8(双)CH,转换速率 250kHz,连续不间断采样,输入范围: 0~4V、0~5V、
0~10V、±3V、±5V、±10V、0~20mA;DI/DO:各 16CH;计数/定时/测频/脉冲输出3CH。
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(3) 主要技术指标
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2) USB7325A数据采集仪(3) 主要技术指标
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(4) 工作原理
USB7325 主要由多路模拟开关选通电路、高精度放大电 路、模数转换电路、光电隔离及 DC/DC电路、先进先出
(FIFO)缓冲存储器电路、开关量输入输出电路、定时/计数器 电路和接口控制逻辑电路、供电电路等部分组成。
高速多路模拟开关由2片ADG508(或同类产品)及跨接选 择器JP5组成。
选用B-B公司的A/D器件ADS7808(12 bit)或ADS7809 (16 bit),该器件内部自带采保和精密基准电源。
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(4) 跳线
(a) A/D量程的选择
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(4) 跳线
(b) 单端/双端方式选择
(c) 供电方式选择
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(5) 接口定义
模入:26芯扁平电缆插座J2
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(6) A/D转换结果的数据格式
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(7) A/D转换结果的数据格式
USB7325A:转换后的12位数码为二进制原码。
输入为0~10V时,其数码与模拟电压值的对应关系为:
模拟电压值=数码(12位)×10(V)/4096 (V)即: 1LSB=2.44mV
输入信号为-5~+5V时:
模拟电压值=数码×10(V)/4096-5 (V)即:1LSB=2.44mV
输入信号为-10~+10V时:
模拟电压值=数码×20(V)/4096-10 (V)即:1LSB=4.88mV
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3) USB7325数据采集仪的编程操作
(1) 动态链接库中的函数介绍
Usb7kC.dll是为USB7000 系列数据采集模块配制的工作在中 西文Windows 95/98/2000/NT环境下的一个动态链接库,它 所封装的函数可以被其它应用程序在运行时直接调用。用户可 以用任何一种可以使用 DLL 链接库的编程工具来编写。所列
函数的说明格式为 C++ 应用程序中调用 DLL 库函数时的常用 格式,无论使用哪一种开发工具,务必请注意数据格式的匹配 及函数的返回类型。
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3) USB7325数据采集仪的编程操作
(1) 动态链接库中的函数介绍
结构体介绍
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(1) 动态链接库中的函数介绍
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模拟量输入:
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lCode设备控制字
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(2) 单通道单点采样的流程
打开采集卡单通道采
集函数关闭采集卡
USB7325AIOpenUSB7kC CloseUSB7kC