【正文】 第 1章 檢測技術基礎知識 量程自動切換及標度變換 1． 當被測信號的幅值變化范圍很大時 ， 為了保證測量精度的一致性 ， 可采用程控放大器進行量程自動切換 。 通過控制放大器的增益 ， 對幅值小的信號用大增益 ， 對幅值大的信號用小增益 ， 使 A／ D轉換器信號滿量程達到均一化 。 程控放大器的反饋回路中包含一個精密梯形電阻網(wǎng)絡或權電阻網(wǎng)絡 ， 使其增益可按二進制或十進制的規(guī)律進行控制 。 一個具有三條增益控制線 A0、 A A2的程控放大器 ， 具有 8種可能的增益 。 若無需 8種增益 ， 用 2條控制線可實現(xiàn) 4種增益 ， 1條控制線可實現(xiàn) 2種增益 ，不用的控制線接固定電平 。 用程控放大器進行量程自動切換的原理如圖 112所示 。 在圖 112中放大器采用兩種增益 ， 由微機系統(tǒng)控制 。 第 1章 檢測技術基礎知識 圖 112 程控放大器量程切換原理圖 第 1章 檢測技術基礎知識 現(xiàn)舉例說明這種量程切換方案的適用性。設圖 112中傳感器為一個壓力傳感器．最大測量范圍為 o～ 1MPa，相對精度為177。 ％，如把測量范圍壓縮到 0～ ．其相對精度仍可達士 ％。在這種情況下，采用程控放大器來充分發(fā)揮這種傳感器的性能?，F(xiàn)在 A／ D轉換器選用 位，量程分為兩部分：0～ 1MPa和 0～ 。小量程時，傳感器輸出變小，通過程控放大器的增益來補償，使單位數(shù)字量所代表的壓力減小，從而提高數(shù)字計算的分辨力。 213第 1章 檢測技術基礎知識 在 0～ 1MPa量程時，程控放大器增益為 1，控制線 A2A1A0＝000B，當被測壓力為最大值時， A／ D轉換器輸出為 1999。在這一量程內(nèi)，一旦 A／ D轉換器的輸出小于 200，則經(jīng)軟件判斷后自動輸入小量程檔 0～ ，并使放大器的增益提高到 8,即令控制線 A2A1A0=011B。當量程檔內(nèi)若 A／ D轉換器的輸出大于200小于 200 8＝ 1600時，軟件判斷后自動轉入大量程檔，增益恢復為 1。其軟件流程圖如圖 113所示。圖中 F0為標志位。 第 1章 檢測技術基礎知識 圖 113 程控放大器實現(xiàn)量程切換的流程圖 第 1章 檢測技術基礎知識 2． 自動切換不同量程的傳感器 圖 114是另一種不同量程的切換方案 ， 由微機系統(tǒng)通過多路轉換器進行切換 。 1＃傳感器的最大測量范圍為 M1， 2＃ 為 M2，且 M1＞ M2． 設它們的滿量程輸出是相同的 。 量程切換的控制流程圖如圖 115所示。啟動時，總是 1＃傳感器先進入工作， 2＃處于過載保護，待軟件判別確認量程后，再置標志位．選取 M1或 M2。若傳感器價貴、則用這種方案實現(xiàn)量程切換的成本較高。 第 1章 檢測技術基礎知識 圖 114 不同傳感器的量程切換 第 1章 檢測技術基礎知識 圖 115 傳感器自動切換量程控制流程圖 第 1章 檢測技術基礎知識 標度變換 因為被測對象的各種數(shù)據(jù)的量綱與 A／ D轉換器的輸入值是不一樣的 ， 例如 ， 壓力的單位是 Pa， 流量的單位是 m3／ h， 溫度的單位是 ℃ 等 。 這些參數(shù)經(jīng)傳感器和 A／ D轉換后得到一系列的數(shù)碼 ， 這些數(shù)碼值并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值 ， 它僅僅對應于參數(shù)值相對量的大小 ， 故必須把它轉換成帶有量綱的數(shù)值后才能運算和顯示 ， 這種轉換便是標度變換 。 標度變換有各種類型 ， 它取決于被測參數(shù)及傳感器的傳輸特性 ， 實現(xiàn)的辦法也有多種 ， 應根據(jù)實際要求來選用適當?shù)臉硕茸儞Q方法 。 一般來說，標度變換的類型和方法應根據(jù)傳感器的傳輸特性和儀表的功能要求來確定。常見的有硬件實現(xiàn)法、軟件實現(xiàn)法、實物標定法和復合實現(xiàn)法。 第 1章 檢測技術基礎知識 1. 硬件實現(xiàn)法 硬件實現(xiàn)法在智能儀表測量信號的標度變換中較為常見 ， 通常采用的辦法是利用精密電位器來調(diào)整前向通道某一放大器的放大倍數(shù) 。 其優(yōu)點是簡單 、 直觀 。 其缺點是將增加硬件的費用 ， 占用線路板的面積 ， 被標度變換的信號不很準確 ， 阻值受溫度 、 濕度等環(huán)境的變化而漂移 ， 使用上有很大的局限性 。 若輸出信號與測量數(shù)值不成線性關系 ， 則此方法將無能為力 。 第 1章 檢測技術基礎知識 2. 軟件實現(xiàn)法 1) 線性變換公式 這種標度變換的前提是參數(shù)值與 A／ D轉換結果成線性關系，是最常用的變換方法。它的變換公式如下 m i nm i nm i nm i nm i nm a x ))(( YNNNXYYY ????? () 式中： Y為參數(shù)測量值； Ymax為參數(shù)量程最大值； Ymin為參數(shù)量程最小值； Nmax為 Ymax對應的 A／ D轉換后的輸入值； Nmin為量程起點 Ymin對應的 A／ D轉換后的輸入值； X為測量值 Y對應的 A／ D轉換值。 第 1章 檢測技術基礎知識 例 某煙廠用計算機采集煙葉發(fā)酵室的溫度變化數(shù)據(jù) ， 該室溫度測量范圍是 20～ 80℃ ， 所得模擬信號為 1～ 5 V， 采用鉑熱電阻 (線性傳感元件 )測溫 。 用 8位 A／ D轉換器進行轉換數(shù)字量 ． 轉換器輸入 0～ 5V時輸出是 00H— 0FFH。 某 — 時刻計算機采集到的數(shù)字量為 0B7H， 用計算機作工程量線性轉換 。 解 : 在溫度為 20℃ 時 ， 檢測所得模擬電壓是 1V， 所以相應的數(shù)字量為 5151255m i n ???N第 1章 檢測技術基礎知識 由給定條件得則 Ymin＝ 20℃ ， Ymax＝ 80℃ ，而且當 Ymin＝20℃ 時， Nmin＝ 51，當 Ymax＝ 80℃ 時， Nmax=0FFH=255，X=0B7H=183，則對測量數(shù)字量 0B7H的工程量線性轉換結果為 51255)51183)(2080())((m i nm i nm a xm i nm i nm a x???????????? YNNNXYYY（ 150） 一般情況下，在編寫程序時， Ymax， Ymin， Nmax， Nmin都是已知的，因而可把式 ()變成如下形式： Y＝ aX＋ b （ 151） 第 1章 檢測技術基礎知識 式中： a， b為一次多項式的二個系數(shù)， a為擴大因子 (比例因子 )； b取決于零點值。使用式 ()進行標度變換時，僅需進行一次乘法和一次加法。如直接按式 ( )計算，則需要進行四次加減法、一次乘法、一次除法。若按照這種方法編寫程序，不但浪費微處理器的運行時間，而且還浪費存儲器的存儲空間。所以在編寫程序時，應根據(jù) Ymax， Ymin， Nmax， Nmin先算出 a和 b，然后編寫出按 X計算 Y的程序。其中 a和 b一般為固定值，可放于程序中。如果 a和 b的值允許改變，則將其放入帶掉電保護的RAM或 EEPROM中，使其永久保存。 第 1章 檢測技術基礎知識 2) 公式轉換法 有些傳感器的傳輸特性與參數(shù)測量值不是線性關系，它們是由傳感器和測量方法決定的函數(shù)關系，并且這些函數(shù)關系可以用解析式表示，此時的標度變換則可根據(jù)解析表達式計算。例如當用差壓變送器來測量流量信號時，由于差壓與流量的平方成正比，這樣實際流量 Y與差壓變送器并經(jīng) A／ D轉換后的測量值 X成平方根關系。這時可根據(jù)式 ()計算： mi nmi nma xmi nmi nma x)()( YNNNXYYY ?????? （ 152） 第 1章 檢測技術基礎知識 式中各參數(shù)的意義與式 ()相同。在實際編寫程序時，這個公式也象前面一樣，變換成容易計算的式 ()。 cbXaY ???? （ 153 式中： a， b及 c均由 Ymax， Ymin， Nmax及 Nmin按式 ()計算得出。 第 1章 檢測技術基礎知識 3) 許多傳感器輸出的數(shù)據(jù)與實際的參數(shù)為非線性關系 ， 且它們的函數(shù)關系無法用一個簡單的式子表示 ， 或者該解析式難以直接計算 ， 這時可采用多項式來進行非線性標度變換 。 例如 ，對一個熱敏電阻來說 ， 它的溫度特性一般是非線性的 ， 這時可根據(jù)它的溫度特性表 (一般由生產(chǎn)熱敏電阻廠商提供 )求出一個插值多項式 ， 然后在程序中按這個多項式進行計算 。 第 1章 檢測技術基礎知識 進行非線性標度變換時 ， 應先根據(jù)所需要的逼近精度決定多項式的次數(shù) N， 然后選取 N＋ 1個測量點 ， 測出這時的實際參數(shù)值 Yi與傳感器輸出值 (經(jīng) A／ D轉換后 )xi(i＝ 0～ N)， 再使用插值多項式計算程序求出各個參數(shù) ， 最后使用多項式計算子程序來完成實際的標度變換 。 這種標度變換是最簡單 、 最實用的一種非線性變換方法 ， 它適用于大多數(shù)應用場合 。 在實際使用時 ， 可根據(jù)需要采用分段變換以降低多項式次數(shù)和提高變換精度；并且還可以采用二次變換 ， 即第一次采用線性變換 ， 其系數(shù) a和 b可以任意修改 ， 以修正傳感器或其他電路的偏差 。 因為即使對兩個同型號的傳感器來說 ， 它們的傳輸特性也可能不完全一致 ， 故需要先用修改 a和 b來補償更換傳感器的差異 ， 然后再進行非線性標度變換 。 第 1章 檢測技術基礎知識 3 實物標定法 實物標定法的使用前提條件是傳感器的傳輸特性與參數(shù)測量值須滿足 Y＝ kX的關系，對于具有 Y＝ kX＋ b的特性，可通過硬件線路處理或軟件處理，使其滿足 Y＝ kX的條件。實現(xiàn)的辦法是給定一己知的 Xi，則有一對應的 Yi，從而可計算出 k值。此k值放于程序中，或將其放入帶掉電保護的 RAM或 EEPROM中。比較常見的此類方法是靜態(tài)電子衡器中的砝碼標定 (動態(tài)電子衡器中的鏈碼標定 )，即屬于這方面的應用。 第 1章 檢測技術基礎知識 根據(jù)儀表測量信號的具體特性，把上面介紹的幾種方法結合起來，取長補短。例如，有時在設計一智能儀表時，在傳感器傳輸特性滿足線性的情況下，便可把硬件實現(xiàn)方法和軟件實現(xiàn)方法結合起來，使標度系統(tǒng)更準確。 第 1章 檢測技術基礎知識 思考與練習題 1. 綜述并舉例說明檢測技術在現(xiàn)代化建設中的作用 。 2. 檢測系統(tǒng)通常由哪幾部分組成 ， 自動檢測系統(tǒng)的結構形式通常可分成哪幾類 ? 3. 非電學量電測法具有哪些特點 ? 4. 通過查閱文獻綜述當前檢測技術的研究熱點和發(fā)展趨勢 。 5． 說明測量的概念 ， 試述數(shù)值測量和符號化測量各有什么特點 。 6． 常用的測量方法分為哪幾類？說明各類測量方法的原理及特點。 第 1章 檢測技術基礎知識 7． 檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標有哪些 ？ 說明它們的意義和表示方法 。 8. 說明傳遞函數(shù) 、 頻率響應函數(shù) 、 脈沖響應函數(shù)相互之間的關系和在分析系統(tǒng)動態(tài)特性時的作用 。 9. 說明誤差的概念和減小誤差的方法 。 10. 說明量程自動切換和標度變換的目的及具體實現(xiàn)方法。