傳感器第八章

傳感器第八章課件第一頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.1自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與步驟8.2傳感器的合理選用8.3自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的性能估計(jì)8.4自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例——在線微量水分測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8.5啤酒瓶殘留清洗液在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.6空氣壓縮機(jī)的曲軸工作應(yīng)力測(cè)試第二頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.1自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與步驟

8.1.1自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言首先要保證所設(shè)計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能和技術(shù)指標(biāo)；要滿足系統(tǒng)在可靠性、可維護(hù)性方面的要求，如平均無故障工作時(shí)間、故障率、失效率、平均壽命等指標(biāo)；要充分考慮到用戶操作方便，注意提供良好的人機(jī)界面；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)規(guī)范化、模塊化；降低成本，提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比。第三頁，共七十七頁，2022年，8月28日

自頂向下的設(shè)計(jì)方法，即從總體到局部、再到細(xì)節(jié)。先考慮整體目標(biāo)，明確任務(wù)，把整體分解為多個(gè)子任務(wù)，并充分考慮子任務(wù)之間的聯(lián)系。

自底向上的設(shè)計(jì)方法為了完成某個(gè)檢測(cè)任務(wù)，可以利用現(xiàn)有的模塊、儀器，綜合成一個(gè)滿足要求的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)雖然未必是最簡(jiǎn)單、最優(yōu)化的方案，但只要能完成檢測(cè)任務(wù)，仍不失為快速、高效解決問題的方法。第四頁，共七十七頁，2022年，8月28日

“硬件軟化”為降低硬件成本，將某些硬件功能用軟件實(shí)現(xiàn)。例如計(jì)數(shù)器、運(yùn)算器等硬件設(shè)備所具有的計(jì)數(shù)、運(yùn)算功能可用軟件完成，從而節(jié)省了硬件設(shè)備。但是硬件軟化后運(yùn)行速度比硬件低得多。如果檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)速度要求不高，可以采用這種方法。

“軟件硬化”近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了“軟件硬化”的趨勢(shì)，即將軟件實(shí)現(xiàn)的功能用硬件實(shí)現(xiàn)。其中最典型的是數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP。過去進(jìn)行快速傅里葉變換都用軟件程序?qū)崿F(xiàn)，現(xiàn)在利用DSP進(jìn)行FFT運(yùn)算，可以大大減輕軟件的工作量，提高信號(hào)處理速度。第五頁，共七十七頁，2022年，8月28日

軟硬件折衷智能檢測(cè)系統(tǒng)中有些功能必須靠硬件實(shí)現(xiàn)，而另外有些功能利用軟件或硬件都可完成。軟件可完成許多復(fù)雜運(yùn)算，修改方便，但速度比硬件慢。硬件成本高，組裝起來以后不易改動(dòng)。多使用硬件可以提高儀器的工作速度，減輕軟件負(fù)擔(dān)，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；使用軟件代替部分硬件會(huì)簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，降低硬件成本，但同時(shí)也增加了軟件開發(fā)的成本。大批量投產(chǎn)時(shí)，軟件的易復(fù)制性可以降低成本。工作速度允許的情況下，應(yīng)該盡量多利用軟件。必須根據(jù)具體問題，分配軟件和硬件的任務(wù)，決定系統(tǒng)中哪些功能由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件實(shí)現(xiàn)，確定軟件和硬件的關(guān)系。第六頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.1.2自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟1確定任務(wù)、擬定設(shè)計(jì)方案（1)根據(jù)要求確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)、功能、指標(biāo)明確系統(tǒng)需要完成的測(cè)量任務(wù)；明確被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)、被測(cè)量類型、被測(cè)量變化范圍、被測(cè)量的數(shù)量、輸入信號(hào)的通道數(shù)；明確測(cè)量速度、精度、分辨率；明確測(cè)量結(jié)果的輸出方式、顯示器的類型；明確輸出接口的設(shè)置。考慮系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形尺寸、面板布置、研制成本、可靠性、可維護(hù)性及性能價(jià)格比等。綜合考慮上述各項(xiàng)，提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步方案。第七頁，共七十七頁，2022年，8月28日（2)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)通過調(diào)研對(duì)所提出的系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行論證，完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。在完成總體設(shè)計(jì)之后，便可進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)分解，將系統(tǒng)的研制任務(wù)分解成若干子任務(wù)之后針對(duì)子任務(wù)去進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。第八頁，共七十七頁，2022年，8月28日2硬件和軟件的研制在開發(fā)過程中，硬件和軟件應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。(1)硬件電路的設(shè)計(jì)、功能模板的研制和調(diào)試根據(jù)總體設(shè)計(jì)，將整個(gè)系統(tǒng)分成若干個(gè)功能塊，分別設(shè)計(jì)各個(gè)電路，如輸入通道、輸出通道、信號(hào)調(diào)理電路、接口、單片機(jī)及其外圍電路等。在完成電路設(shè)計(jì)之后，即可制作相應(yīng)功能模板。要保證技術(shù)上可行、邏輯上正確，注意布局合理、連線方便。先畫出電路圖，基于電路圖制成布線圖基于布線圖加工成印刷電路板將元器件安裝、焊接在印刷電路板上仔細(xì)校核、調(diào)試。第九頁，共七十七頁，2022年，8月28日(2)軟件框圖的設(shè)計(jì)、程序的編制和調(diào)試將軟件總框圖中的各個(gè)功能模塊具體化，逐級(jí)畫出詳細(xì)的框圖，作為編制程序的依據(jù)。編寫程序一般用匯編語言建立用戶源程序。在開發(fā)系統(tǒng)機(jī)上，利用匯編軟件對(duì)輸入的用戶源程序進(jìn)行匯編，變?yōu)榭蓤?zhí)行的目標(biāo)代碼。在程序設(shè)計(jì)中還必須進(jìn)行優(yōu)化工作，利用各種程序設(shè)計(jì)技巧，使編出的程序占用內(nèi)存空間盡量小、執(zhí)行速度盡量快。第十頁，共七十七頁，2022年，8月28日3系統(tǒng)總調(diào)、性能測(cè)試在硬件、軟件分別完成后，即可進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，即系統(tǒng)總調(diào)，測(cè)試系統(tǒng)的性能指標(biāo)。若有不滿足要求之處，需要仔細(xì)查找原因，進(jìn)行相應(yīng)的硬、軟件改進(jìn)，直到滿足要求為止。第十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.2傳感器的合理選用

根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象、測(cè)量環(huán)境合理的選用傳感器，是進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決的首要問題。檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。第十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.2.1確定傳感器的類型全面考慮被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件，包括：量程的大?。槐粶y(cè)空間對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式測(cè)量還是非接觸式測(cè)量；信號(hào)的傳輸方法，是有線傳感還是無線傳感；傳感器的來源，是購買商品化的傳感器還是自行研制傳感器，是購買國(guó)產(chǎn)傳感器還是購買進(jìn)口傳感器。考慮上述問題，確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。第十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.2.2線性范圍和量程當(dāng)傳感器的種類確定之后，首先要看其量程和線性范圍能否滿足要求。任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性范圍是相對(duì)的。根據(jù)不同的測(cè)量精度要求，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性傳感器。8.2.3靈敏度的選擇希望傳感器的靈敏度越高越好。但傳感器的靈敏度高，外界噪聲也容易混入，也會(huì)被測(cè)量系統(tǒng)的放大器放大，影響測(cè)量精度。要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比。第十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.2.4精度傳感器的選用原則并非精度越高越好。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴。傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。應(yīng)在滿足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇最便宜、最簡(jiǎn)單、最可靠的傳感器。8.2.5頻率響應(yīng)特性對(duì)傳感器頻率響應(yīng)特性的要求取決于被測(cè)量的頻率范圍。必須保證在整個(gè)被測(cè)量頻率范圍內(nèi)滿足不失真測(cè)量條件。第十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.2.6穩(wěn)定性傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持穩(wěn)定的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)研，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p小環(huán)境的影響。第十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.3自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的性能估計(jì)將傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成為一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的基本原則是使測(cè)量系統(tǒng)的基本功能、靜態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能均達(dá)到預(yù)先規(guī)定的要求。集成過程中很重要的一項(xiàng)工作就是所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)性能的估計(jì)，亦即以子系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的性能指標(biāo)估計(jì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。原則是采用預(yù)選的環(huán)節(jié)組成測(cè)量系統(tǒng)后，經(jīng)過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，其性能既要達(dá)到規(guī)定的要求，同時(shí)又不過分的超過預(yù)先規(guī)定的指標(biāo)。預(yù)估過程是一個(gè)反復(fù)設(shè)定、權(quán)衡調(diào)整直至最后確定的過程，在誤差理論中屬于誤差分配與合成問題。第十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日?qǐng)D8-1現(xiàn)代測(cè)量系統(tǒng)基本形式的鏈形結(jié)構(gòu)框圖第十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.3.1檢測(cè)系統(tǒng)分辨力與量程的預(yù)估式(8-1)既適于指標(biāo)分配，也適于指標(biāo)合成。在設(shè)計(jì)過程中，指標(biāo)分配與合成往往需要反復(fù)進(jìn)行。通常按檢測(cè)系統(tǒng)分辨力與量程的要求，先初步確定傳感器的靈敏度值S1，然后再進(jìn)行放大器增益S2與A／D轉(zhuǎn)換器分度值S3的權(quán)衡。在被測(cè)量范圍較大的情況下，初定的S2、S3往往不能既滿足分辨力又同時(shí)滿足量程兩方面的要求。此時(shí)有兩種解決辦法。辦法之一是設(shè)置多種增益，被測(cè)量值較小時(shí)用增益大的檔，測(cè)量值大時(shí)自動(dòng)切換為增益小的檔；辦法之二是固定放大器的增益值而選用多位A／D轉(zhuǎn)換器，如10位、12位、14位A／D轉(zhuǎn)換器等。第十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.3.2動(dòng)態(tài)性能的預(yù)估1模擬部分動(dòng)態(tài)(幅值)誤差表達(dá)式傳感器與放大器均為一階系統(tǒng)第二十頁，共七十七頁，2022年，8月28日傳感器為二階系統(tǒng)，放大器為一階系統(tǒng)第二十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日2數(shù)字部分?jǐn)?shù)字部分與動(dòng)態(tài)誤差有關(guān)的指標(biāo)是A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間以及采樣保持器的孔徑時(shí)間與孔徑抖動(dòng)時(shí)間。（1）A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間的選取第二十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日（2）采樣／保持器孔徑時(shí)間與孔徑抖動(dòng)時(shí)間的選取如果公式(8-7)的關(guān)系不能滿足，則A／D轉(zhuǎn)換器前面必須有采樣／保持器，一般說來可以通過軟件提前下達(dá)指令的措施消除孔徑時(shí)間的延時(shí)影響，故被測(cè)信號(hào)的頻率最大值受限于孔徑抖動(dòng)時(shí)間總的說來，測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能主要受傳感器的限制。

第二十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.3.3靜態(tài)性能的預(yù)估靜態(tài)性能的預(yù)估就是按總誤差的限定值對(duì)組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行誤差分配的問題。它包括誤差預(yù)分配、綜合調(diào)整、再分配、再綜合，直至選定環(huán)節(jié)的靜態(tài)性能滿足系統(tǒng)靜態(tài)性能的要求。以某壓力測(cè)量系統(tǒng)為例，要求該系統(tǒng)在(20±5)℃環(huán)境溫度內(nèi)引用誤差不大于1.0%，當(dāng)工作于上限溫度60℃時(shí)溫度附加誤差不大于2.5%，試確定壓阻式壓力傳感器、放大器、數(shù)采系統(tǒng)的靜態(tài)性能。第二十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日由于x是被測(cè)量，被認(rèn)為是不變化的，也可認(rèn)為它的變化是不屬于測(cè)量系統(tǒng)本身的，故令=0

第二十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日測(cè)量系統(tǒng)整機(jī)誤差表達(dá)式第二十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日恒定系統(tǒng)誤差可以通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到修正。因此，只存在可變系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差，于是采用方和根法綜合，整機(jī)誤差按照整機(jī)性能要求，引用誤差小于1.0%，則整機(jī)的擴(kuò)展不確定度U≤1.0%。為簡(jiǎn)單起見取覆蓋因子為3，則整機(jī)標(biāo)準(zhǔn)不確定度第二十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日式(8-15)的誤差公式用標(biāo)準(zhǔn)不確定來表示(1)有關(guān)傳感器分項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的設(shè)定1)用傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)指數(shù)α進(jìn)行估算，即令2)用傳感器的分項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度來估算第二十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日——由滯后引入的不確定度分量；——由重復(fù)性引入的不確定度分量；——由電源波動(dòng)系數(shù)引入的不確定度分量；——由環(huán)境溫度變化引入的不確定度分量第二十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日設(shè)傳感器技術(shù)指標(biāo)為：滯后=0.09％；重復(fù)性=0.09％；電源波動(dòng)系數(shù)=0.03％；溫度系數(shù)；將上述指標(biāo)數(shù)據(jù)代人式(8-18)中，當(dāng)時(shí)有第三十頁，共七十七頁，2022年，8月28日(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A／D轉(zhuǎn)換器標(biāo)準(zhǔn)不確定度的設(shè)定1)由分度值進(jìn)行示值估讀的量化誤差e引入的不確定度服從均勻分布，當(dāng)選用8位A／D時(shí)2)因顯示結(jié)果要修約至估讀值，故產(chǎn)生的修約誤差為量化誤差的1/2，服從均勻分布第三十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日(3)放大器標(biāo)準(zhǔn)不確定度的限定根據(jù)整機(jī)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的要求和已設(shè)定的傳感器及A／D轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度值，由公式(8-16)可解得放大器標(biāo)準(zhǔn)不確定度為≤0.096％。達(dá)到上述要求對(duì)一般放大器而言不是太困難。放大倍數(shù)的波動(dòng)通常是環(huán)境溫度變化引起放大器的失調(diào)溫度漂移及反饋電阻阻值比的漂移。注意，放大倍數(shù)的實(shí)際值偏離設(shè)計(jì)值引起的系統(tǒng)誤差是可以消除的。在實(shí)時(shí)自校的測(cè)量系統(tǒng)中，放大倍數(shù)是由基準(zhǔn)電壓實(shí)時(shí)標(biāo)定的。因此放大器的不確定度則決定于基準(zhǔn)電壓源。同樣基準(zhǔn)電壓值的波動(dòng)通常也是受環(huán)境影響，對(duì)于2DW232系列穩(wěn)壓二極管制作的基準(zhǔn)電壓源，其溫度系數(shù)可以達(dá)到(20--5)ppm／℃。第三十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.4自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例——在線微量水分測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8.4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 任何自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)乃至任何工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)都源于實(shí)際需求。在高壓電器設(shè)備中，絕緣材料的含水率是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。必須對(duì)其中的絕緣介質(zhì)進(jìn)行干燥以降低含水量。為了對(duì)其干燥過程進(jìn)行自動(dòng)控制，達(dá)到既滿足干燥要求又能夠盡量節(jié)能、提高干燥效率的目的，就必須對(duì)干燥進(jìn)程進(jìn)行定量測(cè)量。第三十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日?qǐng)D8-2微量水分測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖第三十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.4.2傳感器選用1．金電極2．感濕膜3．Ag—Pd電極圖8-3感濕芯片外形尺寸圖第三十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日氧化鋁濕度傳感器利用氧化鋁對(duì)水分強(qiáng)的吸附性制成。工作時(shí)被測(cè)氣體中的水分子通過金層上的網(wǎng)孔被氧化鋁的細(xì)孔壁吸附或釋放，并與周圍的水蒸氣壓迅速達(dá)到平衡。由于水分的介電常數(shù)大，細(xì)孔壁吸附水分子后等效電容變大，即電容量隨濕度變化，濕度越大電容量也越大，反之則小。這種傳感器具有響應(yīng)速度快、抗結(jié)露及抗污染能力強(qiáng)、無需加熱清洗、長(zhǎng)期使用性能穩(wěn)定可靠等許多優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量范圍，因此適于超微量水分測(cè)量。第三十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.4.3信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖8-4差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路原理圖第三十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日?qǐng)D8-5差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路各點(diǎn)電壓波形圖第三十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日第三十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日輸出的直流電壓與傳感器電容和固定電容之間的差值成正比。差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路只采用直流電源，無需振蕩器，也就不存在載波波形純度的要求；輸出信號(hào)一般為10kHz——1MHz的矩形脈沖，只要配置一個(gè)低通濾波器就能得到直流信號(hào)；對(duì)矩形波的純度要求不高，也不需要相敏檢波器，從而避免了伴隨而來的線性問題。前置電路的輸出信號(hào)經(jīng)二級(jí)有源低通濾波器濾波后得到了直流信號(hào)。為保證能對(duì)信號(hào)進(jìn)行直接模數(shù)轉(zhuǎn)換、提高信號(hào)的抗干擾能力及儀器的靈敏度，還必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。第四十頁，共七十七頁，2022年，8月28日放大后的直流信號(hào)通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，再送入8031單片機(jī)的CPU中，處理后送顯示或打印。本系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換器采用12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A，它能使系統(tǒng)達(dá)到較高的測(cè)量精度。數(shù)字系統(tǒng)除了核心單元8031外，還擴(kuò)展了8KB的程序存儲(chǔ)器EPROM2764和8KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM6264，并行接口芯片8255作為單片機(jī)與顯示器、鍵盤及打印機(jī)的接口，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的預(yù)置及濕度值的顯示及打印。第四十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.4.4微量水分測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)用MCS-51匯編語言編程，經(jīng)調(diào)試通過的程序固化在EPROM之中。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先由主程序完成各種初始化工作，包括8031片內(nèi)特殊功能寄存器SFR的初始化，8255等接口的初始化及數(shù)據(jù)緩沖區(qū)初始狀態(tài)的設(shè)定；然后發(fā)A／D啟動(dòng)脈沖，采樣濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)標(biāo)度變換后送顯示或打印。第四十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日?qǐng)D8-6主程序流程圖第四十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.5啤酒瓶殘留清洗液在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8.5.1設(shè)計(jì)任務(wù)需要將含有殘留清洗液的不合格瓶子剔除，確保實(shí)際用于灌裝的瓶酒瓶清洗干凈且不含清洗液殘留物。人工檢驗(yàn)耗費(fèi)工時(shí)，工人工作單調(diào)，容易造成視覺疲勞，檢驗(yàn)的速度和精度都很有限。分辨率為1ml堿液或4ml自來水，檢測(cè)速度為72000瓶/小時(shí)，不合格瓶檢出率為99.99%，合格瓶誤檢出率為1%。第四十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.5.2設(shè)計(jì)任務(wù)難點(diǎn)分析1檢測(cè)的高速性2檢測(cè)的非接觸性3分辨率要求高且被測(cè)物質(zhì)不唯一4自動(dòng)剔除5較強(qiáng)的抗干擾能力，穩(wěn)定性、可靠性要求高第四十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.5.3檢測(cè)原理研究圖8-7高頻殘留液檢測(cè)裝置示意圖第四十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日?qǐng)D8-8有殘液容器經(jīng)過時(shí)兩極間的等效電路第四十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日有無殘留液的瓶子經(jīng)過時(shí)，在接收電極上產(chǎn)生的電流的變化量第四十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日Z2是激勵(lì)頻率、耦合電容、殘留液等效阻抗的函數(shù)，因此流過電極的電流的變化量是激勵(lì)電壓、激勵(lì)頻率、耦合電容、殘留液等效電阻的函數(shù)。耦合電容的大小取決于殘留液的體積，殘留液的等效電阻取決于殘留液體積和濃度，等效阻抗是殘留液數(shù)量和濃度的綜合體現(xiàn)。當(dāng)激勵(lì)電壓和激勵(lì)頻率都是一定的時(shí)候，電流值只和殘留液的體積和濃度有關(guān)。于是，殘留液的有關(guān)信息被轉(zhuǎn)換為電流的變化量，實(shí)現(xiàn)了非電量到電量的轉(zhuǎn)換。第四十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日?qǐng)D8-9交流頻率為4.5MHz，電壓12V時(shí),有殘留液和無殘留液時(shí)的曲線對(duì)比第五十頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.5.4檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1激勵(lì)電壓和頻率的選擇單純從上式看來，激勵(lì)電壓越高，耦合電流的變化量就越大，檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度也就應(yīng)該越好。但通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激勵(lì)源電壓增高到一定程度時(shí)，再進(jìn)一步提高該電壓，噪聲影響將明顯增大，信噪比不僅不能提高反而下降。因此存在著激勵(lì)電壓的優(yōu)選問題。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)激勵(lì)電壓在12V——18V，頻率在6MHz——8MHz時(shí)效果較好。第五十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日2電極設(shè)計(jì)

主要是確定電極的形狀、幾何尺寸、電極間距。檢測(cè)極板的形狀、幾何尺寸設(shè)計(jì)原則是能夠最有效的檢測(cè)單個(gè)被測(cè)瓶，并且在輸送帶上與被測(cè)瓶相鄰的其他待測(cè)瓶或已測(cè)瓶不會(huì)對(duì)正在實(shí)施的針對(duì)被測(cè)瓶的檢測(cè)產(chǎn)生干擾。換言之，應(yīng)該保證檢測(cè)電極能夠最有效的檢測(cè)處于兩檢測(cè)極板之間的被檢測(cè)瓶，而不會(huì)受到其前面的已經(jīng)檢測(cè)過的瓶子和后面的尚未進(jìn)入檢測(cè)區(qū)的瓶子的干擾。唯有如此，才能夠?qū)Ρ粰z測(cè)瓶做出準(zhǔn)確的判斷。第五十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日將檢測(cè)電極設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，其長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為瓶子的直徑，其高度根據(jù)允許殘留液的上限確定。至于電極的厚度，則是在保證機(jī)械強(qiáng)度的前提下越薄越好。越薄意味著邊緣效應(yīng)的影響越小檢測(cè)電極之間的距離應(yīng)能根據(jù)被檢瓶的直徑進(jìn)行調(diào)整。合適的電極間距對(duì)于提高靈敏度、降低誤檢率等有重要作用。極板間距應(yīng)該考慮多方面的因素，綜合考慮，多次調(diào)試，選擇最優(yōu)的距離。由于極板電容邊緣效應(yīng)的存在，檢測(cè)系統(tǒng)將受到來自檢測(cè)極板周圍的不銹鋼傳送帶、支架的影響。這種影響不僅使傳感系統(tǒng)靈敏度降低，而且會(huì)加重檢測(cè)系統(tǒng)的非線性，因此應(yīng)該盡量消除或減小它。檢測(cè)電極無法遠(yuǎn)離傳送帶和支架，只能通過盡量減小電極間距、減小電極厚度、可靠接地、有效屏蔽來減小邊緣效應(yīng)的影響。第五十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日3系統(tǒng)總體框圖圖8-10殘留液檢測(cè)系統(tǒng)的整體功能結(jié)構(gòu)框圖第五十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日激勵(lì)源利用晶體振蕩電路產(chǎn)生頻率和電壓值都很穩(wěn)定的振蕩信號(hào)，再經(jīng)過整形和功率放大電路后變成方波，將這個(gè)方波信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)。從激勵(lì)源出來的交流激勵(lì)信號(hào)施加于電極上，當(dāng)有殘留液的容器處在兩個(gè)電極之間的檢測(cè)區(qū)域時(shí)，電極和其靠近的殘留液的截面形成兩個(gè)耦合電容C1、C2。殘留液相當(dāng)于一個(gè)電阻R，該電阻連接兩個(gè)耦合電容。通過檢測(cè)極板之間的等效電導(dǎo)，就能獲取容器內(nèi)殘留液的信息。電容C1和電容C2的電容值的大小反映殘留液的體積大小，電阻R的大小反映殘留液導(dǎo)電能力的大小，電極之間的等效導(dǎo)納是殘留液體積和殘留液導(dǎo)電能力的綜合體現(xiàn)。從電極出來的耦合信號(hào)，經(jīng)過濾波、高頻放大電路放大，再經(jīng)過峰值檢波電路檢波，變換成直流電壓信號(hào)。直流電壓信號(hào)經(jīng)過低頻放大處理，再經(jīng)過運(yùn)算電路變換就成了單片機(jī)能夠直接進(jìn)行A/D采樣的電壓信號(hào)。通過A/D采樣，得到電壓的值和設(shè)定的值進(jìn)行比較判斷，然后輸出一個(gè)信號(hào)到剔除器，剔除器將不合格瓶子予以剔除。第五十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日4高穩(wěn)定性直流電源設(shè)計(jì)圖8-11以運(yùn)算放大器為核心的極性變換電路第五十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日事實(shí)上，由于內(nèi)容參數(shù)的離散性以及自舉電路結(jié)構(gòu)的影響，集成功放輸出端的電壓并不是絕對(duì)的VCC/2，從而造成正、負(fù)輸出電壓不平衡的現(xiàn)象。為此，將一只10～100kΩ的電位器替代原來有等值電阻構(gòu)成的分壓電路就可以克服這種輸出電壓不平衡的現(xiàn)象。具體電路如圖8-12所示，圖中功放選用的是LM386。通過調(diào)節(jié)功放的直流輸入電平，就可以在芯片的輸出端得到大小非常接近的正負(fù)電壓值了。該電路不僅能克服內(nèi)容參數(shù)的離散性以及自舉電路結(jié)構(gòu)的影響，也能同時(shí)克服正、負(fù)電源的負(fù)載不對(duì)稱所帶來的影響。第五十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日?qǐng)D8-12改進(jìn)的以功率運(yùn)算放大器為核心的極性變換電路第五十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日5高頻激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)圖8-15石英晶體多諧振蕩器電路第五十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日6高頻傳感信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)圖8-16高頻小信號(hào)諧振放大器第六十頁，共七十七頁，2022年，8月28日7峰值檢波電路設(shè)計(jì)第六十一頁，共七十七頁，2022年，8月28日?qǐng)D8-19帶運(yùn)算放大器的峰值檢波器第六十二頁，共七十七頁，2022年，8月28日8低頻放大電路設(shè)計(jì)圖8-20低頻放大電路第六十三頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.5.5數(shù)字處理單元設(shè)計(jì)第六十四頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.6空氣壓縮機(jī)的曲軸工作應(yīng)力測(cè)試

選用通用測(cè)量?jī)x器組成測(cè)量系統(tǒng)，其一般步驟如下：1)對(duì)待測(cè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工作情況進(jìn)行分析，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范制定測(cè)試方案。2)確定測(cè)試部位，合理布置測(cè)量點(diǎn)。3)選擇合適的應(yīng)變計(jì)、傳感器和測(cè)量?jī)x器。4)進(jìn)行測(cè)試，包括清理測(cè)量點(diǎn)、貼應(yīng)變片、校準(zhǔn)儀器、裝接導(dǎo)線、采集測(cè)量數(shù)據(jù)并做好記錄等。5)做好數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析工作，形成試驗(yàn)報(bào)告，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量給出明確評(píng)價(jià)。第六十五頁，共七十七頁，2022年，8月28日壓縮機(jī)工作時(shí)，電機(jī)經(jīng)皮帶輪驅(qū)動(dòng)曲軸，再經(jīng)連桿使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)壓縮氣體。因此曲軸是空氣壓縮機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)部件，事關(guān)整機(jī)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性，在新產(chǎn)品的定型過程中需對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。第六十六頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.6.1曲軸材料性能及測(cè)點(diǎn)布置

編號(hào)屈服強(qiáng)度（MPa）拉伸強(qiáng)度（MPa）彈性模量E（MPa）延伸率（%）1521.5587.41704681.42523.3606.01744321.43514.7583.51597750.9平均值519.9598.41675941.23第六十七頁，共七十七頁，2022年，8月28日曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由連桿產(chǎn)生的推力和皮帶輪產(chǎn)生的扭矩同時(shí)作用于曲軸上，靠近輸入端的曲軸頸和軸臂等部位是主要承力部位。對(duì)于旋轉(zhuǎn)部件的動(dòng)應(yīng)力，可靠的測(cè)試方法是采用電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)量，信號(hào)用集流環(huán)引出。根據(jù)曲軸的受力情況，在主要受力部位選擇了21個(gè)測(cè)點(diǎn)．曲軸的測(cè)試部位及測(cè)點(diǎn)布置見圖8-22。圖中括號(hào)里的編號(hào)表示曲軸背面的測(cè)點(diǎn)編號(hào)，位置與近旁的測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)。第六十八頁，共七十七頁，2022年，8月28日?qǐng)D8-22曲軸的局部結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)布置第六十九頁，共七十七頁，2022年，8月28日8.6.2應(yīng)變計(jì)與測(cè)試儀的選用應(yīng)變計(jì)選用高精密級(jí)膠基箔式電阻應(yīng)變計(jì)。根據(jù)應(yīng)力梯度大的測(cè)區(qū)用短標(biāo)距應(yīng)變計(jì)、應(yīng)力梯度小的測(cè)區(qū)用長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變計(jì)的原則，特選用兩種型號(hào)的應(yīng)變計(jì)。所有測(cè)點(diǎn)均仔細(xì)打磨、劃線、清