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1、2019/5/21,1,机电类 自动检测技术 第十三章（上，第1、2节） 多媒体课件 统一书号：ISBN 978-7-111-40710-2 课程配套网站 www.sensor- 或 2013年1月版,第十三章 传感器在现代 检测系统中的综合应用,本章介绍传感器在现代检测系统中的综合应用，以及如何组成测控系统，对现代检测系统、虚拟仪器、LabVIEW、DAQ等在检测系统中的应用作了介绍。并简单介绍检测系统中常用的硬件。,13.1 现代检测系统的基本结构 13.2 基于虚拟仪器的检测系统 传感器在汽车中的应用、传感器在数控机床中的应用、传感器在机器人中的应用、传感器在智能楼宇中的应用： 见十三章
2、（下）,第十三章传感器在现代检测系统中的应用 目 录,传感器在控制系统中的综合应用举例,一个现代化火力发电厂需要多台计算机联网，来快速地测量锅炉、汽轮机、发电机上许多重要部位的温度、压力、流量、液位、燃烧状况、转速、振动、位移、应力等热工、机械参数，还必须测量发电机的电压、电流、功率、功率因数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数字或模拟显示，自动调整运行工况，对某些超限参数进行声光报警或采取紧急措施。在上述这个系统中，需要数百个不同的传感器将各种机械、热工量转换成电量，供计算机采样、运算和记录。,现代化火力发电厂及其控制系统,火力发电厂控制室,火力发电厂机组,汽
3、轮机,发电机,励磁机,第一节 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 （智能仪器、.个人仪器、自动测试系统）,1.智能仪器：将诸如微处理器、存储器、接口等芯片与传感器融合在一起，可组成智能仪器。它有专用的小键盘、开关、按键及显示屏等，多使用汇编语言，体积小，专用性强。,智能传感器的硬件结构图,智能传感器的特点,“Intelligent Sensor”或“Smart Sensor”称为智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器，具有类似于人工智能的作用。它将微处理器、存储器、接口芯片与传感器融合在一起，组成的检测系统，有专用的小键盘、开关、按键及显示器（如
4、数码管）等，多使用汇编语言，体积小，专用性强，性价比高。,智能仪器的单片机芯片及模块,51系列单片机芯片,智能仪器的数字信号处理DSP芯片,51系列单片机数据采集模块,各种智能仪器,最低温度,最高温度,手持式频谱仪和 示波器,2.个人仪器,个人仪器又称个人计算机仪器系统。它是以个人计算机（必须符合工控要求）配以适当的硬件电路与传感器组合而成的检测系统。,组装个人仪器时，将传感器信号传送到相应的接口板（或接口盒）中，再将接口板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，编写相应的软件就可以完成自动检测功能。,个人仪器的硬件结构框图,利用个人计算机本身所具有的完整配置来取
5、代智能仪器中的微处理器、开关、按键、显示数码管、串行口、并行口等，充分利用了个人计算机的软硬件资源，并保留了个人计算机原有的许多功能。传感器信号送到相应的接口板上，再将接口板插到工控机总线扩展槽中或专用的接口箱中，配以相应的软件就可以完成自动检测功能。开发者的重点在于程序的编写。,一体化工作站,平板式工作站 （带触摸屏）,军用便携式工作站,一体化工作站（续）,工业计算机（工控机）机箱,工控机的抗电磁干扰能力、防振、防潮、防尘能力均较强，有较多的扩展槽，它的电源系统有较好的抗电磁干扰能力。虽然工控机的价格比个人电脑贵，但可靠性强得多，性能价格比高，适合在工业现场条件较恶劣的场合使用。,工业级底板
6、,底板上的扩展槽用于 插接各种数据采集卡,PCI扩展槽,ISA扩展槽,各种数据采集卡,ISA数据采集卡,ISA数据采集卡的插脚间隔为2.54mm（0.1英寸）,各种数据 采集卡（续）,PCI数据采集传输卡,ISA槽与PCI槽的外形区别,ISA槽,PCI槽,将功能卡插到ISA槽中,功能卡的镀金脚,端子板与功能卡的连接,端子板作为功能卡的扩展附件，用于连接传感器信号,光耦,25芯排线,数据锁存器,去计算机ISA槽,传感器信号线接线端子,端子板与功能卡的连接,37芯排线,端子板,PCI数据采集、控制卡,传感器信号线接线端子,输出信号接线端子,去计算机PCI槽,其他端子扩展板,34芯排线插座,37芯排
7、线插座,USB 数据采集系统卡（盒）,USB数据采集电缆,数据 接线端子,数据采集便携式工控整机,笔记本电脑数据采集整机,信号从USB 端口输入,笔记本电脑数据采集,USB接口盒及信号电缆,利用USB扩展分线器可配接多个接口盒,信号输入,USB接口卡及USB电缆,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，插入到嵌入式计算机的总线接口中，就可以构成数据采集系统。,各种嵌入式计算机数据采集卡,自动测试系统,自动测试系统是以工控机为核心，以标准接口总线为基础，以可程控的多台智能仪器为下位机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它级别更高的自动测试系统的子
8、系统。许多自动测试系统还可以作为服务器工作站加入到Intern 网络中，成为网络化测试子系统，从而实现远程监测、远程控制、远程实时调试等。,自动测试系统的原理框图,以工控机为核心,以标准总线接口为基础,以可程控的多台智能仪器为下位机组合而成的一种现代检测系统。 在现代检测系统中，往往要安装上百个传感器，都通过各自的通用接口总线,与上位机连接。上位机利用测试软件,对每一台智能仪器进行参数设置、数据读写，控制整个系统的运行。 许多自动测试系统还可以作为服务器工作站,加入到互联网络中,实现远程监测、远程控制、远程实时调试.,网络化仪表示意图,工业总线,网络化仪表,工业总线,局域网,钢厂自动化监控系统
9、实例,粮食温湿度测控系统实例,上位机(内插CAN通信卡),温度分线器,CAN总线,通风机械,测湿探头,测温电缆,智能分机,通风控制器,湿度分线器,测温电缆,测温电缆多采用数字式温度传感器，还包括导线、抗拉钢丝绳及护套组成的。测温电缆内包含一组温度传感器，有些能监测到整个被测区域最高的温度。不论包含多少个温度传感器芯片，内芯线只需23条总线。在传感器位置，有突出的保护节，间隔几米，计算机能确定温度异变的区域。测温电缆可以实现计算机远程监测定多地点、大范围温度群，可以应用于各类仓储业、农业、矿业、隧道、供电电缆等。,带计算机的检测系统简介,一、带计算机的检测系统的 特点及功能,1.性能价格比高；
10、2.设计灵活性高； 3.操作方便； 4.有强大的运算功能； 5.具有记忆功能； 6.有自校准功能； 7.能进行自动故障诊断。,二、带计算机的检测系统的工作流程,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码器写入准备采样的传感器地址，由译码器接通该地址对应的采样开关，所要采样的信号被连接到放大器，放大后的信号经A/D转换器转换成数字量，计算机通过数据总线接受该数字信号。 一个采样点采样结束后，计算机转而发送第二个采样地址，对第二个传感器采样，直至全部被测点均被采样完毕为止。计算机不可能在同一时刻读取所有传感器来的信号，而是分时但快速地轮流读取所有的被测量，这种采样方式称为“巡回检测
11、”。,8通道巡回检测数据采集器,8个传感器信号 输入端口,信号噪声的滤波电路,许多检测系统都用于慢速变化的非电量测量，例对如温度和压力传感器的模拟数据进行采样。 在许多情况下，传感器噪声会使原本缓慢波动的数据跳动不止。为了降低高频噪声，经常会在传感器和采样模/数转换器级之间接一个模拟RC低通滤波器。但是，要获得分钟级的时间常数，就需要非常大的R、C值，而不易做到。,简易数字滤波技术,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准确度快速多次采样，然后先舍去不稳定的第一个采样值，再舍去若干个最大值和最小值，将余下的几个中间值求算术平均值，该算术平均值可以认为是排除了干扰
12、后的较正确的结果，这种方法有时也被称为简易数字滤波。,三、检测系统中的几种重要部件,1.采样开关 1）干簧继电器：干簧继电器主要由驱动线圈和干簧管组成，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片互相吸引而吸合。它的耐压较高，额定电流较大，导通电阻接近零。耗电较大、速度较慢是干簧继电器的主要缺点。,干簧管,干簧继电器,(2) CMOS模拟采样开关,模拟采样开关切换对象是多路模拟信号。它的控制端处于“有效”状态时，内部的P沟道MOS管或N沟道MOS管导通，模拟开关处于导通状态，导通电阻约几欧至几百欧（视型号而定）。当控制端处于“无效”状态时开关截止，截止电阻大于108。
13、 其优点是集成度高，动作快（小于1s）、耗电省等。缺点是有一定的导通电阻、各通道间有一定的漏电、击穿电压低、易损坏等。,2. 放大器,从传感器来的信号有许多是毫伏级的微弱信号，须经放大才能进行A/D转换。系统对放大器的主要要求是：准确度高、温漂小、共模抑制比高、频带宽至直流。 目前常用的放大器有以下几种型式：一种是高准确度、低漂移的双极型放大器；另一种为隔离放大器，它带有光电隔离或变压器隔离的低漂移信号放大器，以及一个高隔离度的DC/DC电源。,精密隔离放大器举例,线性误差：小于0.01% 输入阻抗：1M 隔离度：2500V/50Hz/1min 工作温度：-10+60,隔离电源,精密隔离放大器
14、电路框图,精密隔离放大器举例（续）,导轨安装式,隔离放大器用的隔离电源,典型技术指标： 封装： SIP、DIP （符合UL94-V0标准） ； 电压准确度：1%； 工作温度：-40+85 ； 效 率：80% Min（满载)； 隔离电压：1500VDC ； 80mVp-p Max ； 输出纹波/噪声（20MHz带宽)； 功率：0.1W2W（可选）,3. A/D转换器（ADC）,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。目前采用较多的A/D转换器有两大类：一类是并行A/D转换器，另一类是串行A/D转换器。 在并行A/D转换器中，又有逐位比较型和双积分型之分。前者转换速度较快
15、，有8位、12位、16位等规格。位数越高，准确度也越高，但价格也相应提高；后者转换速度较慢（每秒10次左右），不太适合巡回检测系统，常见的有3位半、4位半等规格。,A/D转换器的光耦合接口电路,4. D/A转换器（DAC）与接口电路,计算机运算处理后的数字信号经常必须转换为模拟信号，才能用于工业生产的过程控制。它的输入是计算机给出的数字量，它的输出是与数字量相对应的电压或电流。如果在计算机与D/A之间插入多路光耦合器就能较好地防止工业控制设备干扰计算机的工作。如果使用多路采样保持器，只要使用一只D/A即可进行多路D/A转换。,D/A转换器的光耦接口电路,420mA,可编程序控制器中的传感器接口
16、板,传感器与PLC的联系主要是输入接口。不同的“I/O模板”与各种不同的传感器配套： 模拟量输入模板、开关量输入模板、 温度输入控制模板等。用户只须按照说明书选购不同功能的模板即可构成完整的自动检测控制系统。,三菱系列 可编程控制器,西门子系列 可编程控制器,PLC的模拟量输入模板接线举例,热敏电阻与模拟输入模块 的四线连接图,可编程序控制器中的光耦接口电路,PLC的开关量输入电路 1现场开关盒 2传输线 3电源 4光耦合器,请分析工作过程：当现场开关S（例如行程开关）闭合时，反相器IC2的输出是高电平还是低电平？LED亮还是暗？,PLC中的开关量传感器接口电路,PLC的低电平有效无源输入电路,PLC中的开关量传感器接口电路（续）,PLC的高电平有效有源输入电路,五、带计算机的检测技术应用实例,1. 陶
