传感器课件13传感器在现代检测系统中的应用.ppt

第十三章第十三章 传感器在现代传感器在现代检测系统中的应用检测系统中的应用 本章学习本章学习传感器在现代检测系统中传感器在现代检测系统中的综合应用的综合应用，以及，以及如何组成测控系统如何组成测控系统，对对现代检测系统现代检测系统、计算机接口计算机接口、虚拟仪虚拟仪器器等在检测系统中的应用作了介绍。并等在检测系统中的应用作了介绍。并简单介绍简单介绍检测系统中常用的硬件检测系统中常用的硬件。2/26/20231传感器在控制系统中的综合应用传感器在控制系统中的综合应用举例举例 一个现代化火力发电厂需要一个现代化火力发电厂需要多台计算机联网，多台计算机联网，来来快速地测量快速地测量锅炉、汽轮机、发电机上许多重要部位的锅炉、汽轮机、发电机上许多重要部位的温度、压力、流量、液位温度、压力、流量、液位、燃烧状况、转速、振动、燃烧状况、转速、振动、位移、应力等位移、应力等热工、机械参数热工、机械参数，还必须测量发电机的，还必须测量发电机的电压、电流、功率、功率因数电压、电流、功率、功率因数以及各种辅机的运行状以及各种辅机的运行状态，然后进行综合处理，将各被监测的重要参数进行态，然后进行综合处理，将各被监测的重要参数进行数字或模拟显示数字或模拟显示，自动，自动调整运行工况调整运行工况，对某些超限参，对某些超限参数进行数进行声光报警声光报警或采取紧急措施。在上述这个系统中，或采取紧急措施。在上述这个系统中，需要数百个不同的传感器将各种机械、热工量转换成需要数百个不同的传感器将各种机械、热工量转换成电量，供计算机采样和运算。电量，供计算机采样和运算。2/26/20232现代化火力发电厂及其控制系统现代化火力发电厂及其控制系统火力发电厂火力发电厂控制室控制室火力发电厂机组火力发电厂机组汽轮机汽轮机发电机发电机励磁机励磁机2/26/20233n检测控制系统：传感器与计算机、控制电路，机械传动部件组成的综合系统，达到某种设定的目的。2/26/20234第一节第一节 现代检测系统的基本结构现代检测系统的基本结构 现代检测系统可分为三种基本结构体系：现代检测系统可分为三种基本结构体系：1.1.智能仪器智能仪器 2.2.个人仪器个人仪器 3.3.自动测试系统自动测试系统 1.1.智能仪器：智能仪器：将诸如微处理器、存储器、将诸如微处理器、存储器、接口等芯片与传感器融合在一起，可组成智能接口等芯片与传感器融合在一起，可组成智能仪器。它有仪器。它有专用的小键盘、开关、按键及显示专用的小键盘、开关、按键及显示屏屏等，等，多使用汇编语言，体积小，专用性强。多使用汇编语言，体积小，专用性强。2/26/20235智能仪器的芯片及模块智能仪器的芯片及模块51系列单片机芯片系列单片机芯片2/26/2023651系列单片机数据采集模块系列单片机数据采集模块2/26/20237各种智能仪器各种智能仪器最低最低温度温度最高最高温度温度手持式频谱仪和手持式频谱仪和示波器示波器2/26/202382.2.个人仪器个人仪器 个人仪器又称个人仪器又称个人计算机仪器系统个人计算机仪器系统。它是以个人计算机（必须它是以个人计算机（必须符合工控要求符合工控要求）配以适当的硬件电路与传感器组合而成的配以适当的硬件电路与传感器组合而成的检测系统检测系统。组装个人仪器时，组装个人仪器时，将传感器信号传送到将传感器信号传送到相应的接口板（或接口盒）中相应的接口板（或接口盒）中，再，再将接口板将接口板插到工控机总线扩展槽中或将接口盒的插到工控机总线扩展槽中或将接口盒的USB插头插入计算机相应的插座上插头插入计算机相应的插座上，编写相应的编写相应的软件就可以完成自动检测功能软件就可以完成自动检测功能。2/26/20239一体化工作站一体化工作站平板式平板式工作站工作站（带触摸屏）（带触摸屏）军用便携式军用便携式工作站工作站2/26/202310一体化工作站（续）一体化工作站（续）2/26/202311工业计算机（工控机）机箱工业计算机（工控机）机箱工工控控机机的的抗抗电电磁磁干干扰扰能能力力、防防振振、防防潮潮、防防尘尘能能力力均均较较强强，有有较较多多的的扩扩展展槽槽，它它的的电电源源系系统统有有较较好好的的抗抗电电磁磁干干扰扰能能力力。虽虽然然工工控控机机的的价价格格比比个个人人电电脑脑贵贵，但但可可靠靠性性强强得得多多，性性能能价价格格比比高高，适适合合在在工工业业现现场场条条件较恶劣的场合使用件较恶劣的场合使用。2/26/202312工业级底板工业级底板（参考研祥智能科技有限公司资料）（参考研祥智能科技有限公司资料）底板上的扩展槽用于底板上的扩展槽用于 插接各种插接各种数据采集卡数据采集卡PCI扩展槽扩展槽ISA扩展槽扩展槽2/26/202313各种数据采集卡各种数据采集卡ISA数据采集卡数据采集卡ISA数据采集卡的插脚间隔为数据采集卡的插脚间隔为2.54mm（0.1英寸）英寸）2/26/202314各种数据各种数据 采集卡（续）采集卡（续）PCI数据采集数据采集传输卡传输卡2/26/202315ISA槽与槽与PCI槽的外形区别槽的外形区别ISA槽槽PCI槽槽将功能卡插到将功能卡插到ISA槽中槽中功能卡的镀金脚功能卡的镀金脚2/26/202316端子板与功能卡的连接端子板与功能卡的连接端子板作为功能卡的扩展附件，端子板作为功能卡的扩展附件，用于连接传感器信号用于连接传感器信号光耦光耦25芯排线芯排线数据锁存器数据锁存器去计算机去计算机ISA槽槽传感器信号线接线端子传感器信号线接线端子2/26/202317端子板与功能卡的连接端子板与功能卡的连接37芯排线芯排线端子板端子板PCI数据采集、数据采集、控制卡控制卡传感器信号线接线端子传感器信号线接线端子输出信号接线端子输出信号接线端子去计算机去计算机PCI槽槽2/26/202318其他端子扩展板其他端子扩展板34芯排线插座芯排线插座37芯排线插座芯排线插座2/26/202319数据采集便携式工控整机数据采集便携式工控整机2/26/202320笔记本电脑数据笔记本电脑数据采集整机采集整机信号从信号从USB 端口输入端口输入2/26/202321笔记本电脑数据采集笔记本电脑数据采集 USB接口盒接口盒及信号电缆及信号电缆利用利用USB扩展分线器可扩展分线器可配接多个配接多个接口盒接口盒信号输入信号输入2/26/202322USB接口卡及接口卡及USB电缆电缆2/26/202323嵌入式计算机数据采集系统嵌入式计算机数据采集系统 传感器信号采集卡可多层叠合，插入到传感器信号采集卡可多层叠合，插入到嵌入式计算机的总线接口中，就可以构成数嵌入式计算机的总线接口中，就可以构成数据采集系统。据采集系统。2/26/202324各种嵌入式计算机数据采集卡各种嵌入式计算机数据采集卡2/26/202325自动测试系统自动测试系统 自动测试系统是自动测试系统是以工控机为核心以工控机为核心，以，以标标准接口总线为基础准接口总线为基础，以，以可程控的多台智能仪器可程控的多台智能仪器为下位机为下位机组合而成的一种现代检测系统。一个组合而成的一种现代检测系统。一个自动测试系统还可以通过各种标准总线成为其自动测试系统还可以通过各种标准总线成为其它级别更高的自动测试系统的子系统。许多自它级别更高的自动测试系统的子系统。许多自动测试系统还可以动测试系统还可以作为服务器工作站加入到作为服务器工作站加入到Internet网络中网络中，成为网络化测试子系统，从，成为网络化测试子系统，从而而实现远程监测、远程控制、远程实时调试实现远程监测、远程控制、远程实时调试等。等。2/26/202326网络化仪表示意图网络化仪表示意图工业总线工业总线2/26/202327网络化仪表网络化仪表工业总线工业总线局域网局域网2/26/202328钢厂自动化监控系统实例钢厂自动化监控系统实例2/26/202329粮食温湿度测控系统实例粮食温湿度测控系统实例上位机（内插上位机（内插CANCAN通信卡）通信卡）温度分线器温度分线器CANCAN总线总线通风机械通风机械测湿探头测湿探头测温电缆测温电缆智能分机智能分机通风控制器通风控制器湿度分线器湿度分线器2/26/202330带计算机的检测系统简介带计算机的检测系统简介 一、带计算机的检测系统的一、带计算机的检测系统的特点及功能特点及功能1.1.性能价格比高；性能价格比高；2.2.设计灵活性高；设计灵活性高；3.3.操作方便；操作方便；4.4.有强大的运算功能；有强大的运算功能；5.5.具有记忆功能；具有记忆功能；6.6.有自校准功能；有自校准功能；7.7.能进行自动故障诊断。能进行自动故障诊断。2/26/202331二、带计算机的检测系统的工作流程二、带计算机的检测系统的工作流程 巡回检测概念巡回检测概念:计算机首先向多路采样开关阵列的选通地址译计算机首先向多路采样开关阵列的选通地址译码器写入准备采样的码器写入准备采样的传感器地址传感器地址，由译码器，由译码器接通该接通该地址对应的采样开关地址对应的采样开关，所要采样的信号被，所要采样的信号被连接到放连接到放大器大器，放大后的信号，放大后的信号经经A/D转换器转换成数字量转换器转换成数字量，计算机计算机通过数据总线接受该数字信号通过数据总线接受该数字信号。一个采样点采样结束后，计算机转而一个采样点采样结束后，计算机转而发送第二发送第二个采样地址个采样地址，对第二个传感器采样，直至全部被测，对第二个传感器采样，直至全部被测点均被采样完毕为止。计算机点均被采样完毕为止。计算机不可能在同一时刻读不可能在同一时刻读取所有传感器来的信号取所有传感器来的信号，而是，而是分时但快速地轮流读分时但快速地轮流读取所有的被测量取所有的被测量，这种采样方式称为，这种采样方式称为“巡回检测巡回检测”。2/26/2023328通道巡回检测数据采集器通道巡回检测数据采集器8个传感器信号个传感器信号 输入端口输入端口2/26/202333简易数字滤波技术概念简易数字滤波技术概念 在工业中经常采用如下软件抗干扰技术：在工业中经常采用如下软件抗干扰技术：对存在干扰和随机误差的信号进行等精度对存在干扰和随机误差的信号进行等精度快速多次采样快速多次采样，然后，然后先舍去不稳定的第一个采先舍去不稳定的第一个采样值样值，再舍去若干个最大值和最小值再舍去若干个最大值和最小值，将，将余下余下的几个中间值求算术平均值的几个中间值求算术平均值，该算术平均值可，该算术平均值可以认为是排除了干扰后的较正确的结果，这种以认为是排除了干扰后的较正确的结果，这种方法有时也被称为方法有时也被称为简易数字滤波简易数字滤波。2/26/202334三、系统中的几种重要部件三、系统中的几种重要部件 1.1.采样开关采样开关 1)1)干簧继电器：干簧继电器：干簧继电器主要由干簧继电器主要由驱动线驱动线圈圈和和干簧管干簧管组成，驱动线圈绕在干簧管外面。当组成，驱动线圈绕在干簧管外面。当线圈通以额定电流后，干簧管中的两根常开弹簧线圈通以额定电流后，干簧管中的两根常开弹簧片互相吸引而吸合。它的片互相吸引而吸合。它的耐压较高耐压较高，额定电流较额定电流较大，导通电阻接近零大，导通电阻接近零。耗电较大耗电较大、速度较慢速度较慢是干是干簧继电器的主要缺点。簧继电器的主要缺点。干簧管干簧管2/26/202335(2)CMOS模拟采样开关模拟采样开关 模拟采样开关模拟采样开关切换对象切换对象是是多路模拟信号多路模拟信号。它的。它的控制端处于控制端处于“有效有效”状态时，内部的状态时，内部的P沟道沟道MOS管管或或N沟道沟道MOS管导通，模拟开关处于导通状态，管导通，模拟开关处于导通状态，导导通电阻约几欧至几百欧通电阻约几欧至几百欧（视型号而定）。当控制端（视型号而定）。当控制端处于处于“无效无效”状态时开关截止，状态时开关截止，截止电阻大于截止电阻大于10108 8。其其优点是集成度高，动作快优点是集成度高，动作快（小于（小于1 1 s s）、）、耗电省等。耗电省等。缺点是有一定的导通电阻缺点是有一定的导通电阻、各通道间有各通道间有一定的漏电一定的漏电、击穿电压低、易损坏击穿电压低、易损坏等。等。2/26/2023362.2.放大器放大器 从从传感器来的信号有许多是传感器来的信号有许多是毫伏级的微毫伏级的微弱信号弱信号，须经放大才能进行，须经放大才能进行A/D转换。一般放转换。一般放在采样开关之后。系统对放大器的主要要求是：在采样开关之后。系统对放大器的主要要求是：精度高精度高、温漂小温漂小、共模抑制比高共模抑制比高、频带宽至直频带宽至直流流。目前常用的放大器有以下几种型式：一种目前常用的放大器有以下几种型式：一种是是高精度、低漂移的双极型放大器高精度、低漂移的双极型放大器；另一种为；另一种为隔离放大器隔离放大器，它，它带有光电隔离或变压器隔离的带有光电隔离或变压器隔离的低漂移信号放大器低漂移信号放大器，以及一个，以及一个高隔离的高隔离的DC/DC电源电源。2/26/202337精密隔离精密隔离放大器举例放大器举例 线性误差：小于线性误差：小于0.01%输入阻抗：输入阻抗：1M隔离度：隔离度：2500V/50Hz/1min工作温度：工作温度：-10+602/26/202338精密隔离精密隔离放大器举例（续）放大器举例（续）导轨安装式导轨安装式 2/26/202339隔离放大器用的隔离电源隔离放大器用的隔离电源 典型技术指标：典型技术指标：封装：封装：SIP、DIP（符合（符合UL94-V0标准）标准）；电压准确度：电压准确度：1%；工作温度：工作温度：-40+85；效效率：率：80%Min（满载（满载)；隔离电压：隔离电压：1500VDC；80mVp-pMax；输出纹波输出纹波/噪声（噪声（20MHz带宽带宽)；功率：功率：0.1W2W（可选）（可选）2/26/2023403.A/D转换器转换器（ADC）放大器放大后的模拟信号必须进行放大器放大后的模拟信号必须进行A/D转换才能由计算机进行运算处理。目前采用转换才能由计算机进行运算处理。目前采用较多的较多的A/D转换器有两大类：转换器有两大类：一类是并行一类是并行A/D转换器转换器，另一类是，另一类是串行串行A/D转换器转换器。在并行在并行A/D转换器中，又有转换器中，又有逐位比较型逐位比较型和和双积分型双积分型之分。前者转换速度较快，有之分。前者转换速度较快，有8位、位、12位、位、16位等规格。位数越高，精度也越高，位等规格。位数越高，精度也越高，但价格也相应提高；后者但价格也相应提高；后者转换速度较慢（每转换速度较慢（每秒秒10次左右），次左右），常见的有常见的有3位半、位半、4位半等规位半等规格。格。2/26/202341A/D转换器转换器的的光耦接口电路光耦接口电路 2/26/2023424.D/A转换器转换器（DAC）与接口电路与接口电路 计算机运算处理后的数字信号有时必计算机运算处理后的数字信号有时必须转换为模拟信号，才能用于工业生产的过须转换为模拟信号，才能用于工业生产的过程控制。它的程控制。它的输入是计算机送出的数字量输入是计算机送出的数字量，它的它的输出是与数字量相对应的电压或电流输出是与数字量相对应的电压或电流。如果如果在计算机与在计算机与D/A之间插入多路光耦合器之间插入多路光耦合器就能较好地就能较好地防止工业控制设备干扰计算机的防止工业控制设备干扰计算机的工作工作。如果使用多路采样保持器，只要使用。如果使用多路采样保持器，只要使用一只一只D/A即可进行多路即可进行多路D/A转换。转换。2/26/202343D/A转换器转换器的的光耦接口电路光耦接口电路 420mA2/26/202344带计算机的检测技术应用实例带计算机的检测技术应用实例 1.陶瓷隧道窑温度、压力监测控制系统陶瓷隧道窑温度、压力监测控制系统 该该系系统统涉涉及及热热工工参参数数的的测测量量，它它采采用用工工控控机机。该该系系统统将将巡巡回回数数据据采采集集电电路路及及控控制制电电路路装装在在独独立立的的接接口口箱箱中中，其其中中装装有有定定时时器器、计计数数器器、并并行行输输入入输输出出接接口口等等，接接口口箱箱与与主主机机之之间间通通过过并并行行接接口口插插卡卡与与计计算机通信算机通信。2/26/202345隧道窑外形隧道窑外形 2/26/202346隧道窑隧道窑计算机计算机检测控检测控制系统制系统框图框图 2/26/2023473.传感器在模糊控制洗衣机中的应用传感器在模糊控制洗衣机中的应用 所所谓谓模模糊糊控控制制系系统统是是模模拟拟人人智智能能的的一一种种控控制制系系统统。它它将将人人的的经经验验、知知识识和和判判断断力力作作为为控控制制规规则则，根根据据诸诸多多复复杂杂的的因因素素和和条条件件作作出逻辑推理去影响控制对像。出逻辑推理去影响控制对像。模糊洗衣机能自动判断模糊洗衣机能自动判断衣物的数量（重衣物的数量（重量）量）、布料质地（粗糙、软硬）布料质地（粗糙、软硬）、肮脏程度肮脏程度来决定来决定水位的高低水位的高低、洗涤时间洗涤时间、搅拌与水流搅拌与水流方式方式、脱水时间脱水时间等，将洗涤控制在最佳状态。等，将洗涤控制在最佳状态。不但使洗衣机省电、省水、省洗涤剂，又能不但使洗衣机省电、省水、省洗涤剂，又能减少衣物磨损。减少衣物磨损。2/26/202348模糊洗衣机的模糊洗衣机的模糊推理模糊推理 2/26/202349