【文章內(nèi)容簡介】 . 應(yīng)用： 當單片機的 ，發(fā)光二極管處于截止狀態(tài)，不發(fā)光，所以光電耦合器無電流輸出；當 ，發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)光，光信號使光敏三極管產(chǎn)生電流輸出。通過光電耦合器，可以間接地控制電路的開與斷，達到了隔離的目的。 3. 2 繼電器 當系統(tǒng)需要對負荷比較大的設(shè)備進行啟動或停止操作時，光電耦合器的負載能力就不能滿足要求了。此時便可以選擇使用繼電器來控制，這是因為繼電器的負載能力遠大于光電耦合器。 繼電器是一種電子控制組件，通常用于自動控制系統(tǒng)當中。在工作時是利用較小的電流去控制較大的電流。一般在驅(qū)動大型設(shè)備時，往往利用繼電氣作為測控系統(tǒng)輸出至輸出驅(qū)動級之間的第一級執(zhí)行機構(gòu)。通過該級繼電器輸出，可完成從低壓電流到高壓電流的過渡。 1. 工作原理： 繼電器主要由鐵芯、線圈、銜鐵、觸電、彈簧等組成。當在線圈兩端加上一定的電壓使線圈中形成一定方向的電流，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象會產(chǎn)生相應(yīng)的磁場，該磁場吸引銜鐵，使銜鐵克服彈簧的拉力與靜觸電吸合，使電路導(dǎo)通。當線圈兩端電壓消失后，電流產(chǎn)生的磁場也隨之消失，由于沒有了吸引力，因此銜鐵在彈簧力的作用下將與觸電分開，使電路斷開。 2. 應(yīng)用 ： 圖為帶有光電耦合器的繼電器接口電路。使用光電耦合器可以進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在圖中，當 ，繼電器 K吸合；而當 為高電平時，繼電器 K釋放。 K~ 2 2 0 VKRTVC CD5 VP 1 . 01 k ΩVC C1 0 k Ω3 k Ω帶有光電耦合器的繼電器接口電路 3 固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器 (SSR)是近年發(fā)展起來的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，用 TTL、 HTL、CMOS 等集成電路或加簡單的輔助電路就可直接驅(qū)動，因此，它適宜于在微機測控系統(tǒng)中作為輸出通道的控制元件；它其輸出利用晶體管或晶閘管驅(qū)動，無觸點。 與普通的電磁式繼電器和磁力開關(guān)相比，它具有無機械噪聲、無抖動和回跳、開關(guān)速度快、體積小、重量輕、壽命長、工作可靠等特點，并且耐沖力、抗潮濕、抗腐蝕。因此，在微機測控等領(lǐng)域中， SSR已逐步取代了傳統(tǒng)的電磁式繼電器和磁力開關(guān)作為開關(guān)量輸出的控制元件。 固態(tài)繼電器的內(nèi)部邏輯圖如圖所示。固態(tài)繼電器由光電耦合電路、觸發(fā)電路、開關(guān)電路、過零控制電路和吸收電路 5部分構(gòu)成。這 5部分被封裝在一個 6面體外殼內(nèi)，成為一個整體，外面有 4個引腳 (圖中的 A、 B、 C、D)。如果是過零型 SSR，就包括“過零控制電路”部分，而非過零型 SSR則沒有這部分電路。 AB輸 入光 電 耦 合 電 路受光觸 發(fā)電 路開 關(guān)電 路吸 收電 路CD電 源過 零 控 制 電 路負 載 晶閘管 晶閘管又稱可控硅，是一種大功率半導(dǎo)體器件，不但具有整流功能，還具有開關(guān)作用。利用晶閘管可以使用較小的功率控制較大的功率。同時，由于晶閘管的響應(yīng)時間很短，遠小于繼電器，所以比較適用于高速系統(tǒng)。 晶閘管本省體積小、重量輕、效率高，使用十分廣泛。常用的晶閘管有單向晶閘管與雙向晶閘管兩類，還有光控晶閘管等。 1. 單向晶閘管： 單向晶閘管由 3個 PN結(jié)組成。當晶閘管的 A、 K兩端為反向電壓時，晶閘管本身不會導(dǎo)通；當晶閘管的 A、 K兩端接正向電壓時，如果 G端出現(xiàn)信號使 G、 K兩端也為正向電壓時，單向晶閘管將導(dǎo)通。需要注意的是，由于單向晶閘管導(dǎo)通后，并不以 G端電平作為維持條件，所以 G端可以作為觸發(fā)信號。另外，單向晶閘管沒有自我關(guān)斷能力，在導(dǎo)通之后，只有當 A、 K兩端的電壓下降到不足以使其導(dǎo)通時單向晶閘管才會回到截止狀態(tài)。 AKG應(yīng)用： 圖示驅(qū)動脈沖直流負載的光電耦合 — 單向晶閘管接口電路。 當 =0時，光電耦合導(dǎo)通，三極管 T1截止，晶閘管 T2導(dǎo)通，直流負載加電；反之， =1時，由于工作電源是脈沖直流，所以T2關(guān)斷，直流負載斷電。 LD為指示燈。 直 流負 載7 4 L S 2 4 4T 2R 1T 1脈 動 直流 電 源L D+ 5 VVC C+ 5 VP 1 . 0R 2R 3R 4+2. 雙向晶閘管： 如圖 1所示。主電極 T T2無論加正向電壓還是反向電壓，其控制 G的觸發(fā)信號無論是正向還是反向，它都能被觸發(fā)導(dǎo)通。一般用于交流控制。 圖 2所示是驅(qū)動交流負載的光電耦合 — 雙向晶閘管接口電路。 T2為雙向晶閘管。其工作原理同上。 直 流負 載7 4 L S 2 4 4T 2R 1T 1~ 2 2 0 VL D+ 5 VVC C+ 5 VP 1 . 0R 2R 3R 4+T 2C 1C 2第 4章 信號的測量與分析算法 一般在計算機應(yīng)用系統(tǒng)的輸入信號中，均含有種種噪聲和干擾，它們來自被測信號源本身、傳感器、外界干擾等。為了進行準確測量和控制，必須消除被測信號中的噪聲和干擾。噪聲有兩大類：一類為周期性的；另一類為不規(guī)則的。前者的典型代表為 50Hz的工頻干擾。對于這類信號，采用積分時間等于 20ms的整數(shù)倍的雙積分 A/D轉(zhuǎn)換器，可有效的清除其影響。后者為隨機信號，可以用數(shù)字濾波方法予以削弱或濾除。 退出 數(shù)字濾波 一般概念 數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比有以下幾個優(yōu)點： 1．數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加設(shè)備，所以可靠性高、穩(wěn)定性好。 2．數(shù)字濾波可以對頻率很低 (如 )的信號實行濾波，具有靈活、方便、功能強的特點。 由于數(shù)字濾波具有以上優(yōu)點，所以數(shù)字濾波在微機應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 ?（一）算術(shù)平均值法 ? 算術(shù)平均值法適用于對一般的具有隨機干擾的信號濾波。它特別適于信號本身在一數(shù)值范圍附近上下波動的情況，如流量、液平面等信號的測量。 ? 算術(shù)平均值法是要按輸入的 N個采樣數(shù)據(jù) xi(i=1N)，尋找 y，使 y各采樣值間的偏差的平方和為最小： ? 算術(shù)平均值法對信號的平滑濾波程度完全取決于 N。當N較大時，平滑度高，但靈敏度低，即外界信號的變化對測量計算結(jié)果 y的影響小，當 N較小時，平滑度較低，但靈敏度高，應(yīng)按具體情況選取 N，如對流量測量， N可取 816，對壓力等測量，可取 N=4。 （二）滑動平均值法 算術(shù)平均值法，每計算一次數(shù)據(jù)，需測量 N次。對于測量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計算速率較高的實時系統(tǒng)，該方法是無法使用的。例如 A/D數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣速率為每秒 10次，而要求每秒輸入 4次數(shù)據(jù)時，則 N不能大于 2?；瑒悠骄捣ㄖ恍柽M行一次測量，就能得到一個新的算術(shù)平均值。 滑動平均值法采用隊列作為測量數(shù)據(jù)存儲器，隊列的長度固定為 N，每進行一次新的測量，把測量結(jié)果放人對尾，而扔掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，這樣在隊列中始終有 N個“最新”的數(shù)據(jù)。計算平均值時，只要把隊列中的 N個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均，就可得到新的算術(shù)平均值。這樣每進行一次測量，就可計算得到一個新的算術(shù)平均值。 ?（三） 防脈沖干擾平均值法 ? 在工業(yè)控制等應(yīng)用場合中，經(jīng)常會遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象。干擾通常只影響個別采樣點的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與其他采樣點的數(shù)據(jù)相差比較大。如果采用一般的平均值法，則干擾將“平均”到計算結(jié)果上去，故平均值法不易消除由于脈沖干擾而引起的采樣值的偏差。 ? 為此，可采取先對 N個數(shù)據(jù)進行比較，去掉其中最大值和最小值，然后計算余下的 N2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。即可以濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機干擾。 ? 在實際應(yīng)用中， N可取任何值，但為了加快測量計算速度，一般 N不能太大，常取為 4，為四取二再取平均值法。它具有計算方便速度快，存儲量小等特點，故得到了廣泛的應(yīng)用。 信號分析處理方法 一、時間域分析： 1. 幅值域分析 :信號在幅值域上進行一些指標的 統(tǒng)計計算 :最大值、最小值、平均值、有效值、均方值、標準差、偏態(tài)系數(shù)、峰態(tài)系數(shù)。 2. 相關(guān)域分析 : (1)自相關(guān)函數(shù) (2) 互相關(guān)函數(shù) (3) 波形分析 (4)參數(shù)模型分析 二、頻域分析 : (1) 自譜分析 (2) 互譜分析 (3) 最大熵分析 (4) 倒譜分析 (5)包絡(luò)譜分析 (6)三維譜陣分析 三、時頻分析：小波變換 一、時間域分析 1. 幅值域分析 : 是信號在幅值域上進行一些指標的計算。 (1) 最大值：信號中最大的幅值（峰值）。 ? (2) 最大值時間：信號中幅值最大處的時間位置。 ? (3) 最小值：信號中最小的幅值谷值。 ? (4) 最小值時間：信號中幅值最小處的時間位置。 ? (5) 平均值 : (6) 有效值 : ? (7) 均方值 : (8) 標準差 : ? 標準差表示隨機振動圍繞均值“振蕩”的強度，因而它是描述隨機振動的重要物理參數(shù)。 ? (9) 偏態(tài)系數(shù)： ? ＞ 0，正偏態(tài)； ＜ 0，負偏態(tài)； ＝ 0，中心對稱。 ? (10) 峰態(tài)系數(shù)： ??? NttxNx11 2?)( xxR m s ???? NttxNx122 1 ???? Nt txxN12)(1???? Nt tk xNS 1 3)(1 ?kSkSkS??? Nttu xNK14)(1?? 幅域分析中常用的分析方法是振幅概率密度分布 ,它描述的是數(shù)據(jù)在幅值域的分布情況。例如軸承摩擦產(chǎn)生隨機振動。軸承平穩(wěn)和遍歷隨機振動的動態(tài)數(shù)據(jù)序列概率密度函數(shù)呈現(xiàn)出正態(tài)分布的鐘形曲線 。四種軸承摩擦狀態(tài)動態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)字特征列于表中。 ? 在正常工況下，無摩擦產(chǎn)生，測試值的概率密度函數(shù)是標準正態(tài)的， ，它表示動態(tài)數(shù)據(jù)集中在均值附近，并且變化范圍對稱于均值分布，如 4軸承；如果工況異常，分布狀態(tài)便將發(fā)生變化 。 越大，峰態(tài)越差，摩擦越嚴重，如 1軸承。 x2??ksu軸承號 平均值 標準差 1 2 3 4 kS uk0?? uk ksuK2. 相關(guān)域分析 ? (1)自相關(guān)函數(shù) 自相關(guān)函數(shù)是描述信號 x(t)一個時刻的取值與另一個時刻的取值之間的依賴關(guān)系計算公式為 ? 其中 R( ) 為相關(guān)函數(shù)， x(t) 為要分析的信號序列， 為時間延遲。 ? 工程中通常使用相關(guān)系數(shù)來描述相關(guān)性，更具有對比性和方便性。相關(guān)系數(shù)函數(shù)定義： ? ? 式中， 為均值， 為方差。 ? 根據(jù)自相關(guān)函數(shù)圖的形狀可以判斷原信號的性質(zhì)。比如周期信號的自相關(guān)函數(shù)仍為周期相同的周期函數(shù)。因此，自相關(guān)函數(shù)可用于檢測混于隨機噪聲中的確定性信號。因為周期信號或任意確定性數(shù)據(jù)在所有時間上都有其自相關(guān)函數(shù)，而隨機信號則不是。 ? ??? ?? TTx dttxtxTR 0 )()(1)( lim ??? ?22)()(xxxx R ? ???? ??x? 2x?(2) 互相關(guān)函數(shù) 互相關(guān)函數(shù)是對兩個信號 x(t)和 y(t)進行分析的，描述 x(t)一個時刻的取值與 y(t)另一個時刻的取值之間的依賴關(guān)系，可以表示為： ? 同樣互相關(guān)系數(shù)的定義如下 : ? 互相關(guān)函數(shù)利用同頻檢測技術(shù)把振動信號中感興趣的特定頻率成分的振幅和相位檢測出來，而將非同頻信號濾掉。這在對研究平穩(wěn)隨機過程的動態(tài)特性和機械系統(tǒng)傳遞特性上起著十分重要的作用。 ? ??? ?? TTxy dttytxTR 0 )()(1)( lim ??yxyxxyxyR??????? ?? )()( 二、頻域分析 ? 1. 功率譜分析 ? (1) 自譜分析 就是對一個信號進行頻譜分析， FFT 為快速傅立葉變換，定義為： ? 正變換： 逆變換： ? 其中： ， 為時域信號， F 為頻域的頻譜密度函數(shù)。 ? 自譜分析能夠?qū)崪y的復(fù)雜工程信號分解成簡