测量系统的智能化优秀课件.ppt

《测量系统的智能化优秀课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测量系统的智能化优秀课件.ppt（52页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、测量系统的智能化第1页，本讲稿共52页智能化特征：n就智能化仪表和装置来说，则应该具有以下特征：（1）能自动完成某些测量任务或在程序指导下完成预定动作；（2）具有进行各种复杂计算和修正误差的数据处理能力；（3）具有自校准、自检测、自诊断功能；（4）便于通过标准总线组成个多种仪表的复杂系统，实现复杂的控制功能，并能灵活地改变和扩展功能”。第2页，本讲稿共52页 意义：意义：实现测量系统、仪器的智能化，建立具有智能化功能的测量系统、仪器，是克服测量系统自身不足，获得高稳定性、高可靠性、高精度以及提高分辨率与适应性的必然趋势。方法：方法：以微型计算机、微处理器为核心的数据采集系统与传感器相结合的测量

2、系统、仪器，可以在最少硬件条件基础上，采用强大的软件优势，“赋予”测量系统、仪器智能化功能。智能化功能：智能化功能：非线性自校正、自校零与自校准、自动量程切换、自补偿功能是最常用的智能化功能。第3页，本讲稿共52页n温度变化对检测系统的影响：（1）传感器材料具有线膨胀系数；（2）检测系统的电子电路中大量采用的半导体器件工作点、增益随温度变化；（3）电阻、电容性能随温度改变。第4页，本讲稿共52页温度补偿基本原理n温度补偿就是利用检测系统自身的几个环节受温度影响产生的变化相反而相互抵消的作用，或在检测系统中附加一个环节、一个电路或一段程序，用它去控制检测系统的输出值，使之不随环境温度的变化而变化

3、或控制在测量误差允许的范围之内。第5页，本讲稿共52页自身补偿方式是利用检测系统自身的几个环节或传感器的几个部件受温度影响产生的变化互相抵消，显然必须对这些环节或部件受温度影响而变化的规律性有充分的了解之后才能做到恰当的配合,而使之互消。自补偿应变片 1、自身补偿式温度补偿方式第6页，本讲稿共52页并联式温度补偿是在检测系统原有持性的基础上，人为地加上一个补偿环节，构成方式如图所示。从这个结构框图上看，被补偿环节与补偿环节成并联形式，故称并联式温度补偿，如差动传感器。2、并联式温度补偿方式第7页，本讲稿共52页反馈式温度补偿是应用负反馈原理，通过自动调整过程，保持检测系统的零点和灵敏度不随环境

4、温度而变化，其原理如图所示：3、反馈式温度补偿方式第8页，本讲稿共52页传感器温度误差修正的基本思路是：在传感器内靠近对温度敏感的部件处，安装一个测温元件，用以检测传感器所在环境的温度。把测温元件的输出经过多路开关与信号同一路径送入处理器，根据温度误差的数学模型去补偿被测信号，以达到精确测量的目的，如图所示。4、检测系统中温度漂移的软件补偿法第9页，本讲稿共52页n一般希望测量仪表的输出量y与输入量x(被测量)之间关系yf(x)呈线性关系。以保证仪表在整个测量范围内灵敏系数为常数，有利于读数和分析，也便于处理测量读数和分析，也便于处理测量结果结果。但在实际检测中，利用传感器把许多物理量转换成电

5、量时，大多数传感器的输出电量与被测物理量之间的关系不是线性的。非线性误差非线性误差第10页，本讲稿共52页产生非线性的原因:n一方面是由于传感器变换原理的非线性；一方面是由于传感器变换原理的非线性；n另一方面是由于转换电路的非线性。另一方面是由于转换电路的非线性。因此，为了保证测量仪表的输出与输入之间具有线性关系，除了对传感器本身在设计和制造工艺上采取一定措施外，还必须对输入参量的非线性进行补偿，或称线性化处理。线性化处理的方法很多，目前经常使用的可分成两大类：一类是模拟线性化模拟线性化：另一类是数字线性数字线性化。化。第11页，本讲稿共52页模拟量线性化技术 在模拟量中采用的线性化技术，包括

6、采用小范围线性化、差动结构补偿、最佳参数选择和加入非线性校正环节等。(1)小范围线性化 当被测量x在大范围内变化时，传感器或检测系统的输出y和输入x之间的函数关系呈非线性,但着缩小x的变化范围，在较小范围内可把一小段曲线近似成直线。第12页，本讲稿共52页(2)采用差动结构补偿 通常总把传感器设计成差动结构工作方式，二个特性完全相同的传感器，一个接受x的正变化(+x)一个接受负变化(-x)，以二个传感器输出之差y1y2来反映x，比起单个工作不仅会使灵敏度提高，而且线性也有明显改善。第13页，本讲稿共52页(3)最佳参数选择 最佳参数选择是指用线性特性替代实际的非线性特性时，选择合适的参数使二者

7、之间的误差满足设定值的要求。在非线性特性的线性标定中，寻找一条直线取代整条曲线，取代的约束条件是根据需要设定，例如要求取代后的某种误差(如相加误差、或相乘误差等)符合某种限定(如处于最小等)，依据此约束条件就能找出取代直线的最佳参数。第14页，本讲稿共52页(4)加入校正环节 在整个检测系统中加入非线性校正环节的方式，可以是串联方式接入，即开环式；也可以是作为系统的反馈回路接入，即闭环式。非线性校正环节本身的持性是非线性的，用它的非线性去补偿检测系统的非线性。非线性校正环节持性，由检测系统的非线性持性用解析法或图解法求得。第15页，本讲稿共52页第16页，本讲稿共52页第17页，本讲稿共52页

8、上面介绍的线性化方法是在模拟量的输入通道中加非线性补偿电路。在非电量电测系统中，非线性校正装置也可以放置在AD转换之后。随着计算机技术的广泛应用，尤其是微型计算机的迅速发展，人们想到了充分利用计算机处理数据的能力。数字线性化第18页，本讲稿共52页用软件进行传感器特性的非线性补偿，使输出的数字量与被测物理量之间呈线性关系。这种方法有许多优点，（1）首先它省去了复杂的补偿硬件电路，简化了）首先它省去了复杂的补偿硬件电路，简化了装置；装置；（2）可以发挥计算机的智能作用，提高了检测的）可以发挥计算机的智能作用，提高了检测的准确性和精度；准确性和精度；（3）适当改变软件内容，可对不同的传感器特性）适

9、当改变软件内容，可对不同的传感器特性进行补偿，也可利用一台微机对多个通道、多个进行补偿，也可利用一台微机对多个通道、多个参数进行补偿。参数进行补偿。第19页，本讲稿共52页 1、计算法 当传感器的输入量与输出量之间有确定的数学表达式时，就可采用计算法进行非线性补偿。计算法就是在软件中编制一段完成数学表达式的计算程序，当被测参量经过采样、滤波和变换后，直接进入计算程序进行计算，计算后的数值即为经过线性化处理的输出量。第20页，本讲稿共52页 这是一种分段线性插值法这是一种分段线性插值法。它是根据精度要求对反非它是根据精度要求对反非线性特性曲线（如图线性特性曲线（如图52）进行分段，用若干段折线逼

10、）进行分段，用若干段折线逼近曲线近曲线。将折点座标值（ui，xi）存入数据表中，测量时首先要判断输入被测量xi的电压值ui是在哪一段，然后根据那一段的斜率进行线性插值，即得输出值yi=xi。以三段为例，折点座标值为：(ul，xl），（u2，x2），(u3，x3)，(u4，x4），如图53所示。2、查表法（插值法）第21页，本讲稿共52页第22页，本讲稿共52页测量仪器、系统在输入为零时其输出往往不为零，即存在零点误差，这属于固定系统误差固定系统误差。如果在某些干扰因素如温度、电源电压波动作用下，测量系统的增益、零点发生漂移，将引入可变系统误差可变系统误差。具有自校零与自校准智能功能的测量仪器、

11、系统，在软件程序的导引下进行三步测量法三步测量法，自动校正零点以及自动消除因零点漂移、增益漂移(又称灵敏度漂移)而引入的误差，从而提高了整个系统的精度与稳定性。自校零与自校准自校零与自校准第23页，本讲稿共52页二标准值实时自校法二标准值实时自校法自校准功能实现的原理框图如图所示：第24页，本讲稿共52页 第一步校零，输入信号为零点标准值，输出值为y0a0；第二步标定，输入信号为标准值VR，输出值为yR；第三步测量，输入信号为传感器的输出Vx，输出值为yx，则被校环节的增益a1为：第25页，本讲稿共52页量程的自动切换也就是增益的自动选择，要综合考虑被测量的数值范围，以及对测量精度、分辨率的要

12、求诸因素来确定增益(含衰减)档数的设定和确定切换档的准则，这些都依具体问题而定。量程自动切换量程自动切换第26页，本讲稿共52页改变电压的量程，最简单的方法是在电压的输入电路中带有电阻衰减器，如图所示。设图中有四个量程，每个量程相差10倍。为了能自动选择合适的量程，我们在每个量程设置了两个数据限，上限称升量程限，下限称降量程限。上限通常在满刻度值附近取值，下限一般取为上限的1/10。第27页，本讲稿共52页例1 被测对象为5个电压值：6.67V，33.3V，57.7V，100V，150V，要求测量系统的相对量化误差小于0.05；试设定增益衰减档数和换挡准则。已知测量系统采用12位A/D转换器，

13、满量程输入电压VF.S5V。例 2 欲测量温度上限值为160，要求分辨率为0.1，采用10位A/D转换器的测量系统，是否需要换档?第28页，本讲稿共52页 测量仪表或传感器工作现场的环境条件常常是很复杂的。各种干扰通过不同的耦合方式进入测量系统，使测量结果偏离准确值，严重时甚至使测量系统不能正常工作。三、抗干扰技术三、抗干扰技术噪声：噪声：指在信号检测的领域内，检测系统检测和传输的有用信号以外的一切信号均称为噪声。干扰：干扰：指具有一定幅值和一定强度能影响检测系统正常工作的噪声为干扰。第29页，本讲稿共52页固有噪声固有噪声是指噪声由电子设备本身原因而产生的，可分为以下三种：（1）热噪声热噪声

14、 指任何电阻既使不与电源相接，在它的两端也存在着微弱的电压。这种电压是由于电阻中电子热运动由于电阻中电子热运动所形成的，故称为热噪声所形成的，故称为热噪声。由于电子热运动具有随机性质，所以电阻两端的热噪声电压也具有随机性质具有随机性质，而且它几乎覆盖整个频谱，故又称之为白噪声。1、干扰的类型第30页，本讲稿共52页（2）散粒噪声散粒噪声 散粒噪声存在于电子管和半导体两种元器件中。在电子管里，散粒噪声来自阴极电子的随机发射；在半导体内，散粒噪声是通过晶体管基区载流子的随机扩散以及电子空穴对的随机发生及其复合形成的。（3）接触噪声接触噪声接触噪声是由两种材料之间不完全接触，从而形成电导率的起伏而产

15、生的。它发生在两个导体连接的地方，如继电器的接点、电位器的滑动触点等。第31页，本讲稿共52页人为噪声源人为噪声源：人为噪声源主要是指各种电气设备所产生的噪声，主要有以下几种：工频噪声工频噪声：大功率输电线是典型的工频噪声源。低电平的信号线只要有一定长度与输电线平行，就会受到明显的干扰；即使一般室内的交流电源线，对输入阻抗和灵敏度均高的检测系统来说也全是很大的干扰源。在检测系统内部，也会因工频感应而产生交流噪声。射频噪声射频噪声：高频感应加热，高频焊接等工业电子设备以及广播、电视、雷达及通讯设备等通过电磁辐射给附近的检测系统带来干扰。第32页，本讲稿共52页电子开关电子开关：由于电子开关通断的

16、速度极快，使电路中的电压和电流发生急剧的变化，形成冲击脉冲，从而成为噪声干扰源。自然噪声源和放电噪声自然噪声源和放电噪声：自然噪声主要来自于各种自然放电现象。第33页，本讲稿共52页上述干扰的耦合方式主要有以下四种：静电耦合：即经杂散电容耦合到电路中去。电磁耦合：即经互感耦合到电路中去。共阻抗耦合：即电流经两个以上电路之间的公共阻抗耦合到电路中去。漏电流耦合：即由于绝缘不良由流经绝缘电阻的电流耦合到电路中去。干扰的耦合方式干扰的耦合方式第34页，本讲稿共52页抑制耦合电容减小输入阻抗电容耦合电容耦合第35页，本讲稿共52页互感耦合互感耦合减弱UN的主要途径是减小互感M值。电路远离干扰线绞合减少

17、接收回路面积第36页，本讲稿共52页共阻抗耦合共阻抗耦合 电源内阻抗耦合干扰第37页，本讲稿共52页抑制接地线公共阻抗，尽量缩短并加粗地线，以降低公共地线阻抗。地线阻抗耦合干扰第38页，本讲稿共52页漏电耦合漏电耦合第39页，本讲稿共52页 大功率的高频电气设备、广播、电视、通讯发射台等，不断地向外发射电磁波。检测系统若置于这种辐射场中，就会感应到与辐射电磁场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路就形成干扰。辐射电磁场耦合辐射电磁场耦合第40页，本讲稿共52页抑制干扰的两个主要方法是接地和屏蔽接地和屏蔽。用低电阻材料或高磁导率材料制成容器，将需要防护的部分包围起来，这种防止静电的或电磁的相互感

18、应所采用的措施称为“屏蔽屏蔽”，屏蔽的目的是隔断“场”的耦合，即抑制各种场的干扰。干扰的抑制干扰的抑制第41页，本讲稿共52页电磁屏蔽电磁屏蔽 电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生的涡流，再利用涡流磁场抵消高频干扰磁场的影响，从而达到抗高频电磁场干扰的效果。电磁屏蔽依靠涡流产生作用，因此必须用良导体如铅、铝等做屏蔽层。考虑到高频趋肤效应，高频涡流仅在屏蔽层表面一层,因此屏蔽层的厚度只须考虑机械强度。将电磁屏蔽妥善接地后，具有电场屏蔽和磁场屏蔽两种功能。第42页，本讲稿共52页 隔离是破坏干扰途径、切断噪声耦合通道，从而达到隔离是破坏干扰途径、切断噪声耦

19、合通道，从而达到抑制干扰目的的一种技术措施。抑制干扰目的的一种技术措施。常用的电路隔离方法有变压器隔离法和光电耦合器方法。A、变压器隔离变压器隔离左图是一个两端接地的系统，地电位差Un通过地环回路对测量系统形成干扰。减小或消除类似这种干扰的一种方法是在信号传输通道中接入一个变压器，如右图所示，使信号源和放大器两个电路在电气上相互绝缘，断开地环回路从而切断了噪声电路传输通道，有效地抑制了干扰。隔离措施隔离措施第43页，本讲稿共52页两点接地的地环回路 采用隔离变压器第44页，本讲稿共52页B、光电耦合器隔离、光电耦合器隔离 光电耦合器隔离方法如图所示。它是在电路上接入一个光耦合器，即用一个光耦合

20、器代替上图中的变压器，用光作为信号传输的媒介，则两个电路之间既没有电耦合，也没有磁耦合，切断了电和磁的干扰耦合通道，从而抑制了干扰。光电耦合器广泛用于数字接口电路中的噪声抑制。但是光电耦合器广泛用于数字接口电路中的噪声抑制。但是由于它非线性特性强，所以不宜在模拟电路中使用。由于它非线性特性强，所以不宜在模拟电路中使用。第45页，本讲稿共52页 微机控制系统第46页，本讲稿共52页滤滤 波波 滤波是一种只允许某一频带范围内的信号通过或只阻止某滤波是一种只允许某一频带范围内的信号通过或只阻止某一频带范围内信号通过的抑制干扰的措施之一一频带范围内信号通过的抑制干扰的措施之一。滤波方式可分为模拟滤波和

21、数字滤波两类。模拟滤波的实现有无源和有源滤波器两种，它应用于信号滤波和电源滤波。数字滤波是依靠相应的软件程序来实现，它主要用于信号滤波。所谓数字滤波，是在检测系统中通过一定的计算机程序对所谓数字滤波，是在检测系统中通过一定的计算机程序对被采样的信号进行平滑加工以提高有用信号、消除或减小被采样的信号进行平滑加工以提高有用信号、消除或减小各种干扰和噪声，从而保证测量的准确度和系统的可靠性。各种干扰和噪声，从而保证测量的准确度和系统的可靠性。数字抗干扰措施数字抗干扰措施第47页，本讲稿共52页(1)程序判断滤波程序判断滤波当采样信号由于随机干扰、误检测或传感器不稳定而引起严重失真时，可采用程序判断滤

22、波。第48页，本讲稿共52页(2)中值滤波中值滤波 这种滤波方法是对某一个被测参数连续采样n次(n为奇数)，然后把n次的采样值从小到大(或从大到小)排队，取其中间值作为本次采样值。此种滤波对于去掉脉冲性质的干扰比较有效，对于快速变化过程的参数检测则不宜采用。n的取值越大滤波效果越好，但会使采样时间增长。一般取n5-9。第49页，本讲稿共52页(3)算术平均滤波算术平均滤波 这种滤波方法是对被测量进行N次采样后，把N个采样值相加，再取其算术平均值作为本次采样值即式中,y（k)第K个采样点的N个采样值的算术平均值 xi第K个采样点的第i次采样值；N每个采样点的采样次数。第50页，本讲稿共52页（4）复合滤波复合滤波为了增强滤波效果或特定的滤波功能，把两种以上的滤波方法结合起来使用，这种方法称之为复合滤波。例如：把中值滤波和算术平均值滤波结合起来组成复合滤波程序。其方法是把采样值首先按大小进行排队，然后去掉最大值和最小值，再把剩下的值逐个相加，最后取平均值。第51页，本讲稿共52页各种滤波方法都有自己的特点，可根据具体的检测参数进行合理的选择。一般来说，对于变化较缓慢的参数，如温度，可选用程序判断滤波较好；对于变化较快的参数，如压力、流量或脉冲参数等，可用算术平均值和加权平均滤波方法；对于要求比较高的检测系统，可选用复合滤波方法。第52页，本讲稿共52页