第七章--自动检测系统的设计

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1、第七章 自动检测系统的设计v第一节 自动检测系统及设计原则v第二节 自动检测系统的设计步骤v第三节 加热炉温度测控系统设计第一节 自动检测系统及设计原则v自动检测系统的首要环节就是获取原始被测量的传感器或 有关的敏感元件，实现一次变换。考虑到它们的敏感、变 换原理或特性的限制以及外界影响，一次变换后的信号通 常满足不了测量与控制的要求。因此总要经过一些中间环 节进行处理，实现信号放大、阻抗匹配、干扰抑制、滤波 等功能。这样可以按照一定的规律或方式构成开环或闭环 检测系统。一、开环检测系统开环检测系统又称直接变换型检测系统，其特点是信号的流 动只沿着从输入到输出的一个方向(正向)进行，如图71所

2、 示。开环检测系统是由一系列环节串联而成的。v图中，Gl、G2 、G3、Gn分别为各环节的传送函数,则该系统的传递 函数为： GGlG2G3Gnv若各环节的静态灵敏度分别为K1、K2、Kn，则该系统的静态灵敏度 K为各个环节的灵敏度的乘积，即v KKlK2K3Knv 如果各个环节本身的相对误差为1、2、3、n，则该系 统输出端的相对误差为各个环节的相对误差之和，即v 1+2+3+n=v因此，为了减小开环测量系统的误差，必须减小各个环节的误差。 可见，开环检测系统结构简单。易于实现,但开环检测系统各环节的 误差以及由它们引入的干扰都将直接影响检测结果，因此对每一个 环节的准确度和抗干扰能力都要求

3、较高。为此，发展了闭环检测系 统。二、闭环检测系统图7-2 闭环检测系统示意图如图7-2所示，正向通路各组成环节的传递函数为Kl、K2 Kn，反馈回 路各组成环节的传递函数为1、2、m若分别考虑正向通路的传递 函数K和反馈回路的传递函数，则可分别写作K=K1K2Kn=12m闭环系统的传递函数Kf为：闭环检测系统又称平衡变换型测量系 统，其结构特点是除了一个正向变换 通路之外还有一个反馈回路。v当K1时，由上式可得：由此可知，正向通道各环节的误差对测量系统的输出基本没有什么影响 ，系统输出端的误差主要由反馈回路的误差所决定。因此，只要反馈回 路具有较高的精度，即可保证整个系统具有较高的精度。结论

4、：对于闭环式检测系统，由于反馈回路内的各环节特性不全或很少造 成测量误差，因此采用大回路闭环，使更多的电路置于闭环中会更有 利。对于开环检测系统，容易造成误差的部分应考虑采用闭环方法。 因此，对检测精度要求较高的检测系统，应将开环系统与闭环系统巧 妙地组合在一起加以应用，才能提高自动检测系统的精度。闭环检测系统是按偏差进行控制的，其特点是不论什么原因，使输出量偏离期望值而 出现偏差时，必定会产生一个响应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被测量与真 值趋于一致，具有抑制任何内、外扰动对输出量产生影响的能力，有较高的检测精度 。但这种系统使用的元件多、线路复杂，特别是系统性能分析的设计较复杂。尽管

5、如 此，它仍是一种重要的并被广泛应用的检测方式。三、自动检测系统设计原则v1、设计要求：（1）性能稳定：即系统的各个环节具有时间稳定性。 （2）精度符合要求：精度主要取决于传感器、信号调节采集 器等模拟变换部件。 （3）有足够的动态响应：现代检测中，高频信号成分迅速增 加，要求系统必须具有足够的动态响应能力。 （4）具有实时和事后数据处理能力：能在实验过程中处理数 据，便于现场实时观察分析，及时判断实验对象的状态和性 能。实时数据处理的目的是确保实验安全、加速实验进程和 缩短实验周期。系统还必须有事后处理能力，待试验结束后 能对全部数据做完整、详尽的分析。 （5）具有开放性和兼容性：主要表现为

6、检测设备的标准化。 计算机和操作系统具有良好的开放性和兼容性。可以根据需 要扩展系统硬件和软件，便于使用和维护。自动检测系统主要用于对生产设备和工艺过程进行自动 监视和自动保护，并且无论是传统的检测系统，还是 自动检测系统，均包含一定的硬件系统和软件系统， 但是根据检测任务不同，对检测系统的要求也不一样， 但在设计、综合和配置检测系统时，应考虑以下要求：2、设计原则：v（1）环节最少原则：组成自动检测系统的各个元件或单元通常称为环节 。 v（2）精度匹配原则：在对检测系统进行精度分析的基础上根据各环节 对系统精度影响程度的不同和实际可能，分别对各环节提出不同的精度要 求和恰当的精度分配，做到恰

7、到好处，这就是精度匹配原则。v(3)阻抗匹配原则：，测量信息的传输是靠能量流进行的。因此，设计检测 系统时的一条重要原则是要保证信息能流最有效的传递。这个原则是由四 端网络理论导出的，亦即检测系统中两个环节之间的输入阻抗与输出阻抗 相匹配的原则。v (4)经济原则：在设计过程中，要处理好所要求的精度与仪表制造成本之 间的矛盾。要尽量采用合理的结构型式与合理的工艺要求，恰当地进行各 环节的灵敏度分配和误差分配，尽量以最少的环节、最低的成本建立起高 精度的检测系统。 v(5)标准化与通用性原则：为缩短研制周期便于大批量生产和使用过程中 的维修，在设计中应尽量采用已有的标准零部件，对新设计的零部件也

8、要 考虑到今后在其他方面可能使用的通用性问题。开环检测系统的相对误差为各个环节的相对 误差之和，故环节愈多，误差放大。因此在 设计检测系统时，在满足检测要求的前提下， 应尽量选用较少的环节。对丁闭环测量系统， 由于检测系统的误差主要取决了反馈回路， 所以在设计此类检测系统时，应尽量减少反 馈环节的数量。如果把信息传输通道中的前一个环节视为信号源， 下一个环节视为负载，则可以用负载的输入阻抗 ZL对信号源的输出阻抗ZO之比|ZL|/|ZO|来 说明这两个环节之间的匹配程度。当1或 |ZL|ZO|时，检测系统可以获得传送信息的 最大传输效率。应当指出，在实际设计时为了照顾 测量装置的其他性能，匹配

9、程度常常不得不偏离 最佳值l，一般允许在35范围内。第二节 自动检测系统的设计步骤v自动检测系统的分析v自动检测系统总体方案的设计v自动检测系统硬件的设计v自动检测系统软件的设计v系统集成一、自动检测系统的分析v检测系统的分析是确定系统的功能、技术指标及设计任务，是设计检 测系统总方向的重要阶段，主要是对要设计的系统运用系统论的观点 和方法进行全面的分析和研究，以便明确对本设计课题提出了哪些要 求和限制，了解被测对象的特点、所要求的技术指标和使用条件等等 。v(1)首先明确检测系统必须实现的功能和需要完成的测量任务。包括被测参数的定义和性质、被测量的数量、输入信号的通道数、测量结果 的输出形式

10、等。 v(2)了解设计任务所规定的性能指标。为了明确设计目标，应当了解对于被测参数的测量精度、测量速度、极限变化范围和常用测量范围、 分辨率、动态特性、误差等方面的要求，以及对于仪器仪表的检测效 率、通用程度和可靠性等要求。v(3)了解测量系统的使用条件和应用环境。首先应当了解在规定的使用条件下，存在哪些影响被测参数的其他因素，以便在设计时设法消除 其影响。 从能量的观点考虑，被测参数的性质可以分为两种，一种是压力、流量、液位、温度、电流之类建接与能源相关的有源参数；另一种是长度、浓度、电阻等与能源没有直接关系的无源参数。在检测有源参数时，一般可直接利用被测对象本身的能源，但当被测对象本身不具

11、有足够大的能量时，容易产生测量误差，这时必须注意选择适当的检测方法。在检测无源参数时，需要从外部供给必要的能源，而且通常采用零位法或比较法等检测方法。二、自动检测系统总体方案的设计v1、确定系统的控制方式v 自动检测系统的控制方式根据被测对象测试要求确定，其控制 方式如果按照信号传输方式可分为开环系统还是闭环系统，或是数 据处理系统。按实现方式可以分为：手动控制、自动控制和半自动 控制。v2、输入、输出通道及外围设备的选择v 自动检测系统中与计算机相连的输入输出通道，通常根据被测 对象参数的多少来确定，并根据系统的规模及要求，配以适当的外 围设备，如打印机、CRT、磁盘驱动器、绘图仪等。选择时

12、应考虑以 下一些问题。（1）被测对象参数的数量；（2）各输入、输出通道是串行操作还是并行操作；（3）各通道数据的传输速率；（4）各通道数据的字长及选择位数；（5）对显示、打印有何要求 在检测系统分析的基础上，明确设计目标之后，即可 进行总体方案的构思与设计。 所谓总体设计，是从总体角度出发对自动检测系统 的带有全局性的重要问题进行全面考虑、分析和 设计计算。总体设计包括系统的控制方式选择、 输入输出通道及外围设备的选择、系统结构 等几个方面。3、系统结构选择自动检测系统结构设计需要综合考虑散热、电磁兼容性、防 冲振、维护性等。创造使设备正常、可靠地工作的良好环境。具 体要求如下。（1）充分贯彻

13、标准化、通用化、系列化、模块化要求；（2）人机关系谐调，符合有关人机关系标准，使操作者操作方便 、舒适、准确；（3）设备具有良好的维护性，需经常维修的单元必须具有良好的 可拆性；（4）结构设计必须满足设备对强度要求，尽量减少重量，缩小体 积；（5）尽量采用成熟技术，采用成熟、可靠的结构形式和零、部件 ；（6）造型协调、美观、大方、色彩宜人。根据使用场地和用途的不同需求，可采用固定机柜式、移动 方舱式和便携机箱式等多种结构形式。v4、画出系统原理图v基于以上方案选择之后，要画出一个完整的自动检测系统原理框图；其中包括各种传感器、变送器、外围设备、输入输出通道及微型计算机。它是整个系统的总图，要求

14、简单，清晰，明了。三、自动检测系统硬件的设计v1、微型计算机的选择微型计算机是自动检测系统的核心，对系统的功能、性 能价格以及研发周期等起着至关重要的作用。一般根据系统 要求的硬件和软件功能选择计算机类型。为了加快设计速度 ，缩短研制周期，应尽可能采用熟悉的机型或利用现有系统 进行改进。目前自动化领域应用较广的计算机产品种类很多，常用 的有PC机和单片机两种。在选择时，首先应根据系统具体要 求，确定是采用现成的微机系统或者是采用某种微处理器芯 片研制专用系统。 自动检测系统的许多功能与主机的字长、寻址范围、指 令功能、处理速度、中断能力以及功耗都有着密切关系，因 此，在选择时应根据系统功能要求

15、选择最适合的微型计算机 作为主机，提高整个系统的性能价格比。2、检测元件的选择在确定方案的同时，必须选择好被测参数的测量元件。如何根据具体 的检测目的、检测对象以及检测环境合理地选用传感器，是在进行某个 量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量 方法和测量设备也就可以确定了。传感器必须根据一下原则进行选择。（1）灵敏度传感器的灵敏度越高，可以感知的变化量越小，即被测量稍有微小变 化，传感器即有较大的输出。但灵敏度越高，与测量信号无关的外界噪 声也容易混入，并且噪声也会被放大。因此，对传感器往往要求有较大 的信噪比。（2）线性范围任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输

16、出与输入成比例关 系。线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。（3）响应特性传感器的响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不失真。实际传感 器的响应总有一定延迟，但延迟时间越短越好。v（4）稳定性传感器的稳定性是指经过长期使用以后，其输出特性不发 生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。为了 保证稳定性，在选用传感器之前应对使用环境进行调查，以选 择合适的传感器类型。（5）精确度传感器的精确度表示传感器的输出与被测量真值的对应 程度。因为传感器处于检测系统的输入端，因此，传感器能否 真实地反映被测量，对整个检测系统具有直接影响。然而，传 感器的精确度也并非越高越好，因为还要考虑到经济性。传感 器精确度愈高，价格越昂贵，因此应从实际出发来选择传感器 。v 总之，除了以上选用原则以外，还应尽可能兼顾结构简 单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修和便于更换等条件 。3、模拟量输入通道的设计v（1）数据采集通