《传感器检测技术及仪表》第13章PPT
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22
重复性
图1-4所示为校正曲线的重复特性。
正行程的最大重复性偏差为△Rmax1, 反行程的最大重复 性偏差为△Rmax2，重复性误差取这两个最大偏差中之较 大者为△Rmax，再以满量程输出的百分数表示，即
rR
Rmax yFS
100%
（1-15）
式中 △Rmax----输出最大不重复误差。
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现代人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术。例 如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、空气新鲜度、防火、 防盗和防尘等的测试控制，以及由有视觉、听觉、嗅觉、触 觉和味觉等感觉器官，并有思维能力机器人来参与各种家庭 事务管理和劳动等，都需要各种检测技术。
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34
自动检测系统的基本组成
自动检测系统是自动测量、自动资料、自动保护、自动 诊断、自动信号处理等诸系统的总称，基本组成如图1-7。
图1-10 微差法测量稳压电源输出电压的微小变化
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44
误差处理 主要内容
• 一、误差与精确处理 • 二、测量数据的统计处理 • 三、间接测量中误差的传递 • 四、有效数字及其计算法则
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45
误差与精确处理
主要内容
(1)绝对误差与相对误差 (2)系统误差、偶然误差和疏失误差 (3)基本误差和附加误差 (4)常见的系统误差及降低其对测量结果影响的方法
（1-17）
由于种种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵 敏度误差用相对误差来表示
k10% 0 sk
（1-18）
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25
分辨率
分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量。 分辨率可用绝对值表示，也可以用满量程的百分比表 示。
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电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被 测量转化为电感量的一种装置。常用来测量位移、 压力、流量、振动等物理参数。
分类:
电感式传感器
自感型
可变磁阻型
互感型
涡流式
第1页/共59页
6.1 自感式电感传感器
1、工作原理——可变磁阻式
原理:电磁感应
L W 20A 2
第2页/共59页
自感L与气隙δ
成反比，而与 气隙导磁截面 积A成正比。
在将被测信号调制，并将它和噪声分离，放大等 处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测 量值的测量信号，这一过程称为解调。
第18页/共59页
1)目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题， 提高被测信号抗干扰能力。
常用的调制方法 ——载波信号为高频正弦信号（幅值、频率、相位）, 即调幅、调频和调相； ——载波信号为脉冲信号（宽度等），即脉冲调宽。
uo
u 2
L L0
输出电压的大小和极性反 映了被测量的性质（如位 移的大小及方向）。
第17页/共59页
交流电桥的调制与解调 被测量经传感器变换输出的电信号多为低频缓变
的微弱信号，还往往有各种噪声信号。 为了将测量信号从含有噪声的信号中分离出来，
往往给被测信号赋予一定特征——调制的主要功用。
调制就是用被测信号（称为调制信号）去控制载 波信号，让后者的某一特征参数按前者变化。
第25页/共59页
幅值调制装置实质上是一个乘法器，在实际应用中经 常采用交流电桥作调制装置，以高频振荡电源供给电 桥作为载波信号，则电桥的输出为调幅波。
被测信号的频率为 0～10Hz
载波的频率为f0 >100 Hz； f0 ＝3000 Hz
放大器的通频带应 为2990～3010 Hz
分类:
电感式传感器
自感型
可变磁阻型
互感型
涡流式
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6.1 自感式电感传感器
1、工作原理——可变磁阻式
原理:电磁感应
L W 20A 2
第2页/共59页
自感L与气隙δ
成反比，而与 气隙导磁截面 积A成正比。
在将被测信号调制，并将它和噪声分离，放大等 处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测 量值的测量信号，这一过程称为解调。
第18页/共59页
1)目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题， 提高被测信号抗干扰能力。
常用的调制方法 ——载波信号为高频正弦信号（幅值、频率、相位）, 即调幅、调频和调相； ——载波信号为脉冲信号（宽度等），即脉冲调宽。
uo
u 2
L L0
输出电压的大小和极性反 映了被测量的性质（如位 移的大小及方向）。
第17页/共59页
交流电桥的调制与解调 被测量经传感器变换输出的电信号多为低频缓变
的微弱信号，还往往有各种噪声信号。 为了将测量信号从含有噪声的信号中分离出来，
往往给被测信号赋予一定特征——调制的主要功用。
调制就是用被测信号（称为调制信号）去控制载 波信号，让后者的某一特征参数按前者变化。
第25页/共59页
幅值调制装置实质上是一个乘法器，在实际应用中经 常采用交流电桥作调制装置，以高频振荡电源供给电 桥作为载波信号，则电桥的输出为调幅波。
被测信号的频率为 0～10Hz
载波的频率为f0 >100 Hz； f0 ＝3000 Hz
放大器的通频带应 为2990～3010 Hz
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传感器与检测技术
第一篇 基础知识引论
1 绪论
1.1 检测仪表控制系统 1.2 基本概念 1.3 检测仪表技术发展趋势
检测技术
检测≠测量 检测技术是实验科学的一部分，主要研究各
种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。
智能楼宇控制
图示为某公司楼宇自动化 系统。该系统分为：安全 监测、照明控制、空调控 制、水/废水管理等。
滞环效应分析
同一输入，对应多个输出值，出现误差。
1.2.6 滞环、死区和回差
死区： – 死区效应，例如传动机构 的摩擦和间隙。 – 实际上升曲线和实际 下降曲线不重合。 – 仪表输入小到一定范围后不 足以引起输出的任何变化。
死区效应分析
1.2.6 滞环、死区和回差
综合效应： – 既有储能效应，也具有 死区效应。 – 各种情况下，实际上升曲 线和实际下降曲线间的差 值称为回差或变差。
误差函数的有关符号：
– 1）y f x
：误差x发生的概率密度
– 2）p x f x dx ：误差为x的概率，称为概率元
– 3）p a x b b f x dx ：误差在a与b之间的概率 a
– 4）p x f x dx 1 ： 检测值存在或检测误差存在的概率为1
(a) 线性传感器
(b) 非线性传感器
作图法求灵敏度过程
y
Δy
切点
传感器 特性曲线
x1
0
K y
Δx
x
xmax x
两者关系
灵敏度高的仪表一定分辨率高（充分条件） 分辨率高的仪表不一定灵敏度高（非必要条件）
原因：分辨率高的仪表，如量程也很小，则灵 敏度也不高。
灵敏度具有可传递性，首尾串联的多仪表系统 总灵敏度是各仪表灵敏度的乘积。
第一篇 基础知识引论
1 绪论
1.1 检测仪表控制系统 1.2 基本概念 1.3 检测仪表技术发展趋势
检测技术
检测≠测量 检测技术是实验科学的一部分，主要研究各
种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。
智能楼宇控制
图示为某公司楼宇自动化 系统。该系统分为：安全 监测、照明控制、空调控 制、水/废水管理等。
滞环效应分析
同一输入，对应多个输出值，出现误差。
1.2.6 滞环、死区和回差
死区： – 死区效应，例如传动机构 的摩擦和间隙。 – 实际上升曲线和实际 下降曲线不重合。 – 仪表输入小到一定范围后不 足以引起输出的任何变化。
死区效应分析
1.2.6 滞环、死区和回差
综合效应： – 既有储能效应，也具有 死区效应。 – 各种情况下，实际上升曲 线和实际下降曲线间的差 值称为回差或变差。
误差函数的有关符号：
– 1）y f x
：误差x发生的概率密度
– 2）p x f x dx ：误差为x的概率，称为概率元
– 3）p a x b b f x dx ：误差在a与b之间的概率 a
– 4）p x f x dx 1 ： 检测值存在或检测误差存在的概率为1
(a) 线性传感器
(b) 非线性传感器
作图法求灵敏度过程
y
Δy
切点
传感器 特性曲线
x1
0
K y
Δx
x
xmax x
两者关系
灵敏度高的仪表一定分辨率高（充分条件） 分辨率高的仪表不一定灵敏度高（非必要条件）
原因：分辨率高的仪表，如量程也很小，则灵 敏度也不高。
灵敏度具有可传递性，首尾串联的多仪表系统 总灵敏度是各仪表灵敏度的乘积。
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11
第二节 差动变压器式传感器
电源中用到的“单相变压器”有一个一次线圈（又称为初 级线圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈 加全上波交整流流激电磁路电中压，两Ui后个，二将次在线二圈次串线联圈，中总产电生压感等应于电两压个U二O。次在线 圈的电压之和。
＋
请将单相变压 器二次线圈N21、 N22的有关端点按 全波整流电路的要 求正确地连接起来。
（参考中原量仪股份有限公司资料）
滑道
轴承滚子外形
分选仓位
2020/11/29
24
电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）
汽缸
直径测微装置
控制键盘
长度测微装置
滑道
2020/11/29
25
三、电感式不圆度计原理
该圆度计采用旁向式电感测微头
2020/11/29
26
电感式不圆度测试系统
旁向式电感测微头
2020/11/29
如果在输出电压送到指示仪前，经过一 个能判别相位的检波电路，则不但可以反映 位移的大小（的幅值），还可以反映位移的 方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检 波电路。
2020/11/29
10
图3-7 相敏检波输出特性曲线
a）非相敏检波 b）相敏检波
2020/11/29 1—理想特性曲线 2—实际特性曲线
上节回顾:
1.电容传感器
本节主要内容:
1.电感传感器
2020/11/29
1
第4章 电感式传感器
本章学习自感式传感器和差 动变压器的结构、工作原理、测 量电路以及他们的应用，掌握一 次仪表的相关知识。
2020/11/29
2
第一节 自感式传感器
先看一个实验：
传感器技术 传感器与检测技术 PPT课件
学习本课程之前，要求先修《大学物理》、《电路理论》、《模拟电 子技术》、《数字电子技术》、《电气测量技术》，本课程也是《过 程控制系统及仪表》的先修课程。
本课程的性质及适应对象
本课程为电子信息工程专业选修课程。
本科教学计划安排
章次
内容
1 绪论
2 电阻式传感器原理与应用
3 变阻抗式传感器原理与应用
4 光电式传感器原理与应用
基础知识
定义、分类 发展趋势 选用原则 一般特性
检测电路 现代检测系统
传感器原理 检测技术
参考网站
[1]传感器课程 [2]仪表技术与传感器 [3]传感器世界 [4]中国传感器 [5]传感器技术 [6]21IC中国电子网 [7]传感技术学报网
[8]传感器资讯网
参考文献
1．王化祥,张淑英.传感器原理及应用（第3版）[M].天津:天津 大学出版社, 2007
2．杨万海.多传感器数据融合及其应用[M].西安:西安电子科技 大学出版社,2004
思考题与习题
第7章 流量检测
7.1 流量的基本概念 7.2 差压式流量计 7.3 电磁流量计 7.4 涡轮流量计 7.5 涡街流量计 7.6 超声流量计 7.7 质量流量计
思考题与习题
第8章 成分检测
8.1 概述 8.2 热导式气体分析仪 8.3 磁性氧量分析仪 8.4 氧化锆氧量分析仪 8.5 红外气体分析仪 8.6感器概述 1.3 测量误差与数据处理 1.4 传感器的一般特性 1.5 传感器的标定和校准
思考题与习题
第2章电阻式传感器原理与应用
2.1 应变式传感器 2.2 电阻式传感器
思考题与习题
第3章 变阻抗式传感器原理与应用
本课程的性质及适应对象
本课程为电子信息工程专业选修课程。
本科教学计划安排
章次
内容
1 绪论
2 电阻式传感器原理与应用
3 变阻抗式传感器原理与应用
4 光电式传感器原理与应用
基础知识
定义、分类 发展趋势 选用原则 一般特性
检测电路 现代检测系统
传感器原理 检测技术
参考网站
[1]传感器课程 [2]仪表技术与传感器 [3]传感器世界 [4]中国传感器 [5]传感器技术 [6]21IC中国电子网 [7]传感技术学报网
[8]传感器资讯网
参考文献
1．王化祥,张淑英.传感器原理及应用（第3版）[M].天津:天津 大学出版社, 2007
2．杨万海.多传感器数据融合及其应用[M].西安:西安电子科技 大学出版社,2004
思考题与习题
第7章 流量检测
7.1 流量的基本概念 7.2 差压式流量计 7.3 电磁流量计 7.4 涡轮流量计 7.5 涡街流量计 7.6 超声流量计 7.7 质量流量计
思考题与习题
第8章 成分检测
8.1 概述 8.2 热导式气体分析仪 8.3 磁性氧量分析仪 8.4 氧化锆氧量分析仪 8.5 红外气体分析仪 8.6感器概述 1.3 测量误差与数据处理 1.4 传感器的一般特性 1.5 传感器的标定和校准
思考题与习题
第2章电阻式传感器原理与应用
2.1 应变式传感器 2.2 电阻式传感器
思考题与习题
第3章 变阻抗式传感器原理与应用
传感器与检测技术 PPT课件
• 检测技术随着科学技术的发展而发展。现代工业经历了从手工作坊到机械 化、 自动化的历程，并从自动化向自治化、智能化的目标演化。随着生产设备机 械化、自动化水平的提高，控制对象日益复杂，由于系统中表征设备工作状 态的 状态参数多、参数变化快、子系统不确定性大等特点，从而对检测技术 的要求不 断提高，促进了检测技术水平的不断提高。
• 在测量装置和某些分类机械中，检测是装置和设 备的核心。例如自动分拣机要实现将工件按重量 分别放在不同位置的功能，就必须具有重量检测 单元（见下图）。
2.设备运行状态检测与故障诊断
• 为了保证机电设备安全可靠地运行，经常要求对 主要参数进行监测，如对电源电压、电机功耗或 负载电流、润滑油温度的监测等，其目的是防止 过载造成损 坏。这是一种保护性检测。但是随着 预防性维修的发展，对一些大型关键设备 要求进 行以故障诊断为目的的状态检测，例如，利用检 测振动信号，可监视动力 机械轴承或齿轮的故障， 并通过频率分析确定故障的部位，区分出轴承内 环、外 环或滚珠的故障。数控加工机床可利用切 削力信号、振动信号或声发射信号监 测刀具的工 作状态，当刀具破损或发生严重磨损时，及时发 出报警。
第七章智能传感器（4学时） • 概述 • 智能传感器的系统构成 • 智能传感器的集成技术 • 智能传感器实现的方法 • 智能仪器实例 第八章 传感器信号处理（2学时） • 测量放大器 • 信号的调制与解调 • 滤波器 • 传感器信号的非线性校正
第九章自动检测系统 （4学时） • 自动检测系统的组成 • 模拟量数据采集系统 • 数据采集系统输入接口器件 • 主要特性指标及测定方法 • 虚拟仪器
3.制造质量检测与控制
• 在机械制造过程中，为了保证加工零件的质量而 进行的检测，例如材质检 测、缺陷检测、尺寸及 表面质量检测。基于质量控制的检测又分为在线 检测与离 线检测。离线检测是在加工或装配完成 后对零件或产品进行检测，确定加工零 件是否合 格，剔除不合格零件，或者通过绘制控制图发现 加工过程的异常趋势。 在线检测是在加工或装配 过程中进行检测，例如，外圆磨削自动检测仪可 在磨削 过程中利用气动量仪或电感测头自动检测 工件尺寸，输出检测信息，以对机床进 行补充调 节或供显示报警。
• 在测量装置和某些分类机械中，检测是装置和设 备的核心。例如自动分拣机要实现将工件按重量 分别放在不同位置的功能，就必须具有重量检测 单元（见下图）。
2.设备运行状态检测与故障诊断
• 为了保证机电设备安全可靠地运行，经常要求对 主要参数进行监测，如对电源电压、电机功耗或 负载电流、润滑油温度的监测等，其目的是防止 过载造成损 坏。这是一种保护性检测。但是随着 预防性维修的发展，对一些大型关键设备 要求进 行以故障诊断为目的的状态检测，例如，利用检 测振动信号，可监视动力 机械轴承或齿轮的故障， 并通过频率分析确定故障的部位，区分出轴承内 环、外 环或滚珠的故障。数控加工机床可利用切 削力信号、振动信号或声发射信号监 测刀具的工 作状态，当刀具破损或发生严重磨损时，及时发 出报警。
第七章智能传感器（4学时） • 概述 • 智能传感器的系统构成 • 智能传感器的集成技术 • 智能传感器实现的方法 • 智能仪器实例 第八章 传感器信号处理（2学时） • 测量放大器 • 信号的调制与解调 • 滤波器 • 传感器信号的非线性校正
第九章自动检测系统 （4学时） • 自动检测系统的组成 • 模拟量数据采集系统 • 数据采集系统输入接口器件 • 主要特性指标及测定方法 • 虚拟仪器
3.制造质量检测与控制
• 在机械制造过程中，为了保证加工零件的质量而 进行的检测，例如材质检 测、缺陷检测、尺寸及 表面质量检测。基于质量控制的检测又分为在线 检测与离 线检测。离线检测是在加工或装配完成 后对零件或产品进行检测，确定加工零 件是否合 格，剔除不合格零件，或者通过绘制控制图发现 加工过程的异常趋势。 在线检测是在加工或装配 过程中进行检测，例如，外圆磨削自动检测仪可 在磨削 过程中利用气动量仪或电感测头自动检测 工件尺寸，输出检测信息，以对机床进 行补充调 节或供显示报警。
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L 2H 2R 2S 2
.
1.3测量误差与数据处理基础
测量的定义：以确定量值为目的的一组操作，此 操作可以通过手动或自动的方式来进行。从计量学 的角度来讲，测量就是利用实验手段，把待测量与 已知的同类量进行直接或间接的比较，将已知量作 为计量单位，求得比值的过程。
.
例如： ①在实验室为确定各种机械工件、光学材料及电子器件等 的属性，对反映它们特定的物理化学属性的量值进行精密 测量；在工厂车间对产品性能的检验； ②在商贸部门对商品的检验； ③在部队靶场对武器系统的性能进行的试验和测试； ④在计量部门对测量量具与仪器的检定、校准、比对，对 标准物质和标准器具的定值，乃至对整个测量设备的计量 确认活动，以及对整个实验室的认可活动。
xmin 100% YFS
.
6．稳定性。稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器常用长期 稳定性描述其稳定性。所谓传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长 的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。因此，通常又 用其不稳定度来表征传感器输出的稳定程度。
7．漂移。传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时 间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结 构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。
.
1.3.1测量误差及其分类
误差的定义
测量误差(error of measurement)是指测得值与被
测量真值之差，可用下式表示： 测量误差=测得值-真值
若定义中的测得值是用测量方式获得的被测量的测
量结果，则得到测量误差的定义为：测量误差=测量结果-真
值
若定义中的测得值是指计量仪器的示值，则得到计
4、电量测量和非电量测量 根据被测量的属性。
.
1.3测量误差与数据处理基础
测量的定义：以确定量值为目的的一组操作，此 操作可以通过手动或自动的方式来进行。从计量学 的角度来讲，测量就是利用实验手段，把待测量与 已知的同类量进行直接或间接的比较，将已知量作 为计量单位，求得比值的过程。
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例如： ①在实验室为确定各种机械工件、光学材料及电子器件等 的属性，对反映它们特定的物理化学属性的量值进行精密 测量；在工厂车间对产品性能的检验； ②在商贸部门对商品的检验； ③在部队靶场对武器系统的性能进行的试验和测试； ④在计量部门对测量量具与仪器的检定、校准、比对，对 标准物质和标准器具的定值，乃至对整个测量设备的计量 确认活动，以及对整个实验室的认可活动。
xmin 100% YFS
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6．稳定性。稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器常用长期 稳定性描述其稳定性。所谓传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长 的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。因此，通常又 用其不稳定度来表征传感器输出的稳定程度。
7．漂移。传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时 间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结 构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。
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1.3.1测量误差及其分类
误差的定义
测量误差(error of measurement)是指测得值与被
测量真值之差，可用下式表示： 测量误差=测得值-真值
若定义中的测得值是用测量方式获得的被测量的测
量结果，则得到测量误差的定义为：测量误差=测量结果-真
值
若定义中的测得值是指计量仪器的示值，则得到计
4、电量测量和非电量测量 根据被测量的属性。
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第13章 智能检测仪表
13.1智能仪表的基本组成
13.1.1智能仪表的硬件组成
13.1.2 智能仪表的软件结构
13.2 测量通道的总体设计
13.2.1 测量通道的基本组成与类型 一、基本组成
二、基本类型
１、集中采集式
多路被测信号分别经各自的传感器和信号调理电路组成的通道分时地进入 共用的数据采集电路，依次转换成数字并送入微机。
“采样”状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号， “保持”状态下，电路输出保持着采样结束时刻的输入信号的瞬时值。
2）采样/保持器的设置原则
①被测量若是静态或变化缓慢，则A/D转换器前无需加设采样/保持器。 ②被测量若是变化的，则A/D转换器前必需加设采样/保持器， A/D转换器在采样/保持器的保持阶段内进行和完成A/D转换。
二、采集电路组成方案的选择
1、集中采集电路的组成方案
集中式采集电路组成方案的选择
被测信号为静态信号就不需要设置采样/保持器 各路信号幅值相同就不需要设置程控增益放大器PGA
13-2-8 两类测量通道的对比
两类测量通道的对比
13.2.5 测量通道与微机的接口 一、A/D与微机接口 1、A/D与模拟电路连接：
２、分散采集式
每一路信号各用一个数据采集电路，采集的数据按一定顺序输入计算机。
13.2.2传感器的选用
1、传感器应适应于测量对象与测量环境；
2、传感器的转换范围（幅度范围、频率范围）与要求的测量范围一致；
3、传感器的转换精度一般应为整机总精度（相对误差）的十分之一； 4、传感器应满足用户对可靠性和可维护性的要求。
动态信号须接S/H 静态信号不接S/H
2、A/D与微机连接：
A/D与微机联络方式：
中断方式 查询方式 定时方式
二、脉冲信号与微机接口
图13-2-9 脉冲信号与8031单片机的接口
13.3 量程自动切换与超限自动报警
13.3.1 量程自动切换 一、量程判别方法――与数字式仪表相同
1、采用模拟比较或数字比较 2、利用A/D转换器的“过量程”和“欠量程”指示信号
2、前置放大器的作用——减小等效输入噪声
3、对前置放大器的要求：
（1）低噪声 ： （2）放大倍数： 在保证A/D 不溢出前提下尽可能取大些 （3）位置――应放在RC有源滤波器前面
二、去混淆滤波器
1、 “混淆”的定义 2、去混淆滤波的位置 ——在采样开关前面 3、对去混淆滤波器的要求: 1）截止频率
软件算法的数据来源――“标定”实验：
在规定的实验条件下，给检测系统逐次加入一个个已知的标准的被测量 y1,y2…yn，并记下对应的A/D转换结果x1,x2…xn。 这样就获得n对“标定”数据(xi,yi)，(i=1,2…n)。 这些“标定”数据就是描述y=f(x)的离散形式。
13.5.1查表法
一、建表：在存储器中建立标定数据表(xi,yi)，(i=1,2…n) 二、查表： 根据A/D转换结果xi去访问该存储地址，读出该地址中存储的yi即为 被测量的显示值z，或按线性内插公式计算出显示数据z：
一、最小二乘法
设被逼近函数为f(x),逼近函数φ(x),xi为x上的离散点， 在最小二乘意义上使误差最小化
二、最佳拟合直线
13.6 温度误差的软件校正法
一、零点补偿
先把检测到的零漂值存入内存中，在每次的测量中再减去这个零漂值。
二、零漂的自动跟踪补偿――用跟踪到的零漂值对被测量的采样值进行修正
1、每次测量采样测一次零漂，将其存入内存，用于下次采样值的零漂修正 2、对每次采样值作一些比较、处理、判断，得到最新当前漂移值，用以对当 前采样值作零漂修正。
二、超限报警处理程序
图13-3-2
13.4 标度变换
13.4.1 线性测量通道的标度变换 一、 仪器校准
给仪器输入两个标准的被测量XH=X1NH和XL=X1NL(X1是X的显示单位)， 记下对应的A/D转换结果DH和DL，把这两对校准实验数据 (NH，DH)，(NL，DL)存在内存中。
二、标度变换――从A/D转换结果Di计算出被测量的数值Ni
２、A/D转换器
1）位数m的选择
取决于转换的模拟电压动态范围L和要求的转换精度δ。
2）速度的选择 取决于转换的模拟信号的最高频率fmax和A/D转换的信号道数N
低速A/D：逐次逼近型，Σ-Δ型 中速A/D：双积分型，Σ-Δ型 高速A/D：并行比较型，Σ-Δ型
3、采样/保持器
1）采样/保持器的功能
13.2.3 信号调理电路的参数设计和选择
图 13-2-2 典型调理电路的组成框图
一、前置放大器
1、电路噪声的概念
（1）输出噪声――在没有信号输入时，电路输出端输出的波动电压有效值VON （2）等效输入噪声――电路的输出噪声VON折算到该电路的输入端 （除以该电路的增益K）的电平值VIN。
电路输入端的信号幅度VIS应大于 该电路的等效输入噪声，
2、求法：
逐一确定多项式的系数a0,a1,…am。
m=1称为线性插值，m=2称为抛物线插值
13.5.2 插值法
一、线性插值
1、端基直线
13.5.2 插值法
一、线性插值
1、端基直线 2、分段折线
13.5.3拟合法
插值法 要求z=φ(x)与 y=f(x)有若干个相交点 拟合法 要求z=φ(x)与 y=f(x)的误差最小。
二、量程的切换方法――通过程序改变程控增益放大器PGA的增益
整个测量通道的总增益K （程控增益放大器的增益包括其内） 满足以下条件：
三、量程自动切换程序流程
13.3.2 超限自动报警 一、超限处理原则：
1、连续超上限n次或连续超下限n次，则报警并转手动操作； 2、超上限或超下限但未达到连续n次，只执行超限处理： 把上次采样值作为本次采样值， 将表示采样不正常的标志位FLAG置1， 系统并不报警且仍处于自动采样状态。 3、既不超上限也不超下限，按正常情况处理： 把本次采样值送入存储单元， 将表示采样不正常的标志位FLAG置0，
13.5.2 插值法 一、插值函数
1、定义：
满足以下条件的φ(x)称为f(x)的插值函数。 第一，φ(x)的表达式比较简单，便于计算机处理。 第二，z=φ(x)与 y=f(x)有若干个相交点，即满足φ(xk)=f(xk) xk称为插值节点 设φ(x)为m次多项式 从标定数据中，选取m+1个插值点 (xk,yk)(k=0,1,2,…m) ， 求解m+1个方程：
2）滤波器陡度
图 13-2-4 去混淆滤波器伯德图
3）电路结构――通常采用n阶巴特沃斯低通滤波器
13.2.4 采集电路组成模块和方案的选择
一、数据采集电路组成模块的选择
1、多路模拟开关——集成MUX （1） MUX 的功能： 采样开关
多选一开关
（2）减小串音的措施： 前面接电压跟随器 选好MUX 减少信号路数m
N N N N (D D ) D D
H H i L i L L
L
13.4.2 非线性测量通道的标度变换
一、非线性通道校正为线性通道后进行标度变换 二、利用已知的非线性转换公式进行标度变换 三、采用非线性校正软件算法进行标度变换
13.5 非线性校正软件算法
软件算法的基本思想
从A/D送入微机的原始测量数据x，计算出与被测量的“真值”y相等 或近似的数据z，作为测量结果显示出来。 要求：z=y或误差ε=｜z-y｜在允许范围之内。
13.7.2 MAX134配单片机构成智能万用表
图13-7-1 MAXl34配8031单片机构成的智能万用表原理框图
MAXl34和8031单片机的连接方式
图13-7-3 智能万用表主程序流程图
三、传感器的温度误差修正
1、简单的温度误差修正模型 yc=y(1+a1Δθ)+a0Δθ 2、较精确的温度误差修正模型 y c=y(1+a0Δθ+a1Δθ２)+a2Δθ+a3Δθ２
13.7 微机化仪表实例——智能万用表
13.7.1 数字万用表集成芯片MAX134
MAX134是专配微处理器的数字万用表（DMM）集成芯片。 只需配上4位、8位或16位微处理器就可构成智能万用表或 其它智能仪表。 芯片内部包含A／D转换器和衰减器量程开关、蜂鸣驱动器、 电池电量不足检测器、有源滤波器、模拟电源与数字电源等 辅助电路。 MAX134不能单独使用。在构成智能仪器仪表时，前面应 接模拟电路(如基准电压源、AC／DC转换器、分压器、分 流器等)，后面则应接微处理器(μP)。MAX134具有完善 的数字接口，带BCD 输出。配微处理器(μP)后能实现多 达20种功能。 MAX134采用多重积分式A／D转换，最大计数值通常取 ±39999(4-3/4位)。测量单极性信号时可提高到79999。
13.1智能仪表的基本组成
13.1.1智能仪表的硬件组成
13.1.2 智能仪表的软件结构
13.2 测量通道的总体设计
13.2.1 测量通道的基本组成与类型 一、基本组成
二、基本类型
１、集中采集式
多路被测信号分别经各自的传感器和信号调理电路组成的通道分时地进入 共用的数据采集电路，依次转换成数字并送入微机。
“采样”状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号， “保持”状态下，电路输出保持着采样结束时刻的输入信号的瞬时值。
2）采样/保持器的设置原则
①被测量若是静态或变化缓慢，则A/D转换器前无需加设采样/保持器。 ②被测量若是变化的，则A/D转换器前必需加设采样/保持器， A/D转换器在采样/保持器的保持阶段内进行和完成A/D转换。
二、采集电路组成方案的选择
1、集中采集电路的组成方案
集中式采集电路组成方案的选择
被测信号为静态信号就不需要设置采样/保持器 各路信号幅值相同就不需要设置程控增益放大器PGA
13-2-8 两类测量通道的对比
两类测量通道的对比
13.2.5 测量通道与微机的接口 一、A/D与微机接口 1、A/D与模拟电路连接：
２、分散采集式
每一路信号各用一个数据采集电路，采集的数据按一定顺序输入计算机。
13.2.2传感器的选用
1、传感器应适应于测量对象与测量环境；
2、传感器的转换范围（幅度范围、频率范围）与要求的测量范围一致；
3、传感器的转换精度一般应为整机总精度（相对误差）的十分之一； 4、传感器应满足用户对可靠性和可维护性的要求。
动态信号须接S/H 静态信号不接S/H
2、A/D与微机连接：
A/D与微机联络方式：
中断方式 查询方式 定时方式
二、脉冲信号与微机接口
图13-2-9 脉冲信号与8031单片机的接口
13.3 量程自动切换与超限自动报警
13.3.1 量程自动切换 一、量程判别方法――与数字式仪表相同
1、采用模拟比较或数字比较 2、利用A/D转换器的“过量程”和“欠量程”指示信号
2、前置放大器的作用——减小等效输入噪声
3、对前置放大器的要求：
（1）低噪声 ： （2）放大倍数： 在保证A/D 不溢出前提下尽可能取大些 （3）位置――应放在RC有源滤波器前面
二、去混淆滤波器
1、 “混淆”的定义 2、去混淆滤波的位置 ——在采样开关前面 3、对去混淆滤波器的要求: 1）截止频率
软件算法的数据来源――“标定”实验：
在规定的实验条件下，给检测系统逐次加入一个个已知的标准的被测量 y1,y2…yn，并记下对应的A/D转换结果x1,x2…xn。 这样就获得n对“标定”数据(xi,yi)，(i=1,2…n)。 这些“标定”数据就是描述y=f(x)的离散形式。
13.5.1查表法
一、建表：在存储器中建立标定数据表(xi,yi)，(i=1,2…n) 二、查表： 根据A/D转换结果xi去访问该存储地址，读出该地址中存储的yi即为 被测量的显示值z，或按线性内插公式计算出显示数据z：
一、最小二乘法
设被逼近函数为f(x),逼近函数φ(x),xi为x上的离散点， 在最小二乘意义上使误差最小化
二、最佳拟合直线
13.6 温度误差的软件校正法
一、零点补偿
先把检测到的零漂值存入内存中，在每次的测量中再减去这个零漂值。
二、零漂的自动跟踪补偿――用跟踪到的零漂值对被测量的采样值进行修正
1、每次测量采样测一次零漂，将其存入内存，用于下次采样值的零漂修正 2、对每次采样值作一些比较、处理、判断，得到最新当前漂移值，用以对当 前采样值作零漂修正。
二、超限报警处理程序
图13-3-2
13.4 标度变换
13.4.1 线性测量通道的标度变换 一、 仪器校准
给仪器输入两个标准的被测量XH=X1NH和XL=X1NL(X1是X的显示单位)， 记下对应的A/D转换结果DH和DL，把这两对校准实验数据 (NH，DH)，(NL，DL)存在内存中。
二、标度变换――从A/D转换结果Di计算出被测量的数值Ni
２、A/D转换器
1）位数m的选择
取决于转换的模拟电压动态范围L和要求的转换精度δ。
2）速度的选择 取决于转换的模拟信号的最高频率fmax和A/D转换的信号道数N
低速A/D：逐次逼近型，Σ-Δ型 中速A/D：双积分型，Σ-Δ型 高速A/D：并行比较型，Σ-Δ型
3、采样/保持器
1）采样/保持器的功能
13.2.3 信号调理电路的参数设计和选择
图 13-2-2 典型调理电路的组成框图
一、前置放大器
1、电路噪声的概念
（1）输出噪声――在没有信号输入时，电路输出端输出的波动电压有效值VON （2）等效输入噪声――电路的输出噪声VON折算到该电路的输入端 （除以该电路的增益K）的电平值VIN。
电路输入端的信号幅度VIS应大于 该电路的等效输入噪声，
2、求法：
逐一确定多项式的系数a0,a1,…am。
m=1称为线性插值，m=2称为抛物线插值
13.5.2 插值法
一、线性插值
1、端基直线
13.5.2 插值法
一、线性插值
1、端基直线 2、分段折线
13.5.3拟合法
插值法 要求z=φ(x)与 y=f(x)有若干个相交点 拟合法 要求z=φ(x)与 y=f(x)的误差最小。
二、量程的切换方法――通过程序改变程控增益放大器PGA的增益
整个测量通道的总增益K （程控增益放大器的增益包括其内） 满足以下条件：
三、量程自动切换程序流程
13.3.2 超限自动报警 一、超限处理原则：
1、连续超上限n次或连续超下限n次，则报警并转手动操作； 2、超上限或超下限但未达到连续n次，只执行超限处理： 把上次采样值作为本次采样值， 将表示采样不正常的标志位FLAG置1， 系统并不报警且仍处于自动采样状态。 3、既不超上限也不超下限，按正常情况处理： 把本次采样值送入存储单元， 将表示采样不正常的标志位FLAG置0，
13.5.2 插值法 一、插值函数
1、定义：
满足以下条件的φ(x)称为f(x)的插值函数。 第一，φ(x)的表达式比较简单，便于计算机处理。 第二，z=φ(x)与 y=f(x)有若干个相交点，即满足φ(xk)=f(xk) xk称为插值节点 设φ(x)为m次多项式 从标定数据中，选取m+1个插值点 (xk,yk)(k=0,1,2,…m) ， 求解m+1个方程：
2）滤波器陡度
图 13-2-4 去混淆滤波器伯德图
3）电路结构――通常采用n阶巴特沃斯低通滤波器
13.2.4 采集电路组成模块和方案的选择
一、数据采集电路组成模块的选择
1、多路模拟开关——集成MUX （1） MUX 的功能： 采样开关
多选一开关
（2）减小串音的措施： 前面接电压跟随器 选好MUX 减少信号路数m
N N N N (D D ) D D
H H i L i L L
L
13.4.2 非线性测量通道的标度变换
一、非线性通道校正为线性通道后进行标度变换 二、利用已知的非线性转换公式进行标度变换 三、采用非线性校正软件算法进行标度变换
13.5 非线性校正软件算法
软件算法的基本思想
从A/D送入微机的原始测量数据x，计算出与被测量的“真值”y相等 或近似的数据z，作为测量结果显示出来。 要求：z=y或误差ε=｜z-y｜在允许范围之内。
13.7.2 MAX134配单片机构成智能万用表
图13-7-1 MAXl34配8031单片机构成的智能万用表原理框图
MAXl34和8031单片机的连接方式
图13-7-3 智能万用表主程序流程图
三、传感器的温度误差修正
1、简单的温度误差修正模型 yc=y(1+a1Δθ)+a0Δθ 2、较精确的温度误差修正模型 y c=y(1+a0Δθ+a1Δθ２)+a2Δθ+a3Δθ２
13.7 微机化仪表实例——智能万用表
13.7.1 数字万用表集成芯片MAX134
MAX134是专配微处理器的数字万用表（DMM）集成芯片。 只需配上4位、8位或16位微处理器就可构成智能万用表或 其它智能仪表。 芯片内部包含A／D转换器和衰减器量程开关、蜂鸣驱动器、 电池电量不足检测器、有源滤波器、模拟电源与数字电源等 辅助电路。 MAX134不能单独使用。在构成智能仪器仪表时，前面应 接模拟电路(如基准电压源、AC／DC转换器、分压器、分 流器等)，后面则应接微处理器(μP)。MAX134具有完善 的数字接口，带BCD 输出。配微处理器(μP)后能实现多 达20种功能。 MAX134采用多重积分式A／D转换，最大计数值通常取 ±39999(4-3/4位)。测量单极性信号时可提高到79999。