現(xiàn)代測量技術PPT課件.ppt

2020 3 27 模塊十現(xiàn)代測量技術 科技發(fā)展的腳步越來越快 人類已經(jīng)置身于信息時代 而作為信息獲取最重要和最基本的技術 傳感器技術 也得到了極大的發(fā)展 傳感器信息獲取技術已經(jīng)從過去的單一化漸漸向集成化 微型化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展 促進現(xiàn)代測量技術手段更快 更廣泛發(fā)展 測量技術將在網(wǎng)絡時代發(fā)生革命性變化 1 2020 3 27 模塊十現(xiàn)代測量技術 課題一智能傳感器課題二總線式傳感器 2020 3 27 2 2020 3 27 任務導入 據(jù)調(diào)查統(tǒng)計表明 每年有26萬起交通事故是由于輪胎故障引起的 而75 的輪胎故障是由輪胎氣壓不足或滲漏造成的 爆胎造成的經(jīng)濟損失巨大 有鑒于此 多數(shù)新型汽車都要安裝輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng) 主要用于汽車行駛過程中實時監(jiān)測輪胎氣壓 并對輪胎漏氣和低氣壓進行報警 預防爆胎 以保障行車安全 課題一智能傳感器 3 2020 3 27 4 2020 3 27 本課題的任務就是用智能壓力傳感器來監(jiān)測輪胎壓力 確保行車安全 什么是智能傳感器 智能傳感器如何來實現(xiàn)自動監(jiān)測 駕駛者如何直觀地了解各個輪胎的溫度 氣壓狀況 5 2020 3 27 知識點 了解智能傳感器的概念和組成 技能點 掌握智能傳感器的適用范圍 6 2020 3 27 一 智能傳感器 所謂智能傳感器就是一種帶有微處理機的兼有信息檢測 信息處理 信息記憶 邏輯思維與判斷功能的傳感器 使之具備了某些人工智能 它將機械系統(tǒng)及結構 電子產(chǎn)品和信息技術完美結合 使傳感器技術有了本質(zhì)性的提高 智能傳感器必須具備通信功能 不具備通信功能 就不能稱之為智能傳感器 相關知識 7 2020 3 27 智能傳感器主要由四部分構成 電源 敏感元件 信號處理單元和通信接口 敏感元件將被測物理量轉(zhuǎn)換為電信號 通過放大 A D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 再經(jīng)過微處理器進行數(shù)據(jù)處理 校準 補償 濾波 最后通過通信接口 與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行交換 完成測量與控制功能 8 2020 3 27 美國通用公司的智能傳感器NPXII代表了世界上最新一代的遠程輪胎壓力監(jiān)測傳感器 NPXII傳感器集成了一個硅壓力傳感器 加速度傳感器 溫度傳感器 電壓傳感器和低功耗8位微處理器 以及一個低頻觸發(fā)輸入級 以靈活滿足客戶的特殊解決方案和降低成本的需要 9 2020 3 27 10 2020 3 27 輪胎壓力監(jiān)測傳感器安裝在汽車的四個輪胎中高靈敏的智能傳感器 在汽車行駛狀態(tài)下實時 動態(tài)地監(jiān)測輪胎溫度和壓力 然后將數(shù)據(jù)通過無線數(shù)字信號發(fā)射到主機 接收器 進行處理 并在主機液晶顯示屏上以數(shù)字加圖案的形式同時顯示出四個輪胎中的溫度和氣壓值 駕駛者可以直觀地了解各個輪胎的溫度氣壓狀況 當出現(xiàn)輪胎氣壓過低 過高 漏氣或溫度過高等異常情況時 系統(tǒng)都能夠自動報警 從而使駕駛員及時發(fā)現(xiàn)問題 避免輪胎非正常損傷 有效預防爆胎 保障行車安全 11 2020 3 27 智能傳感器NPXII具有適合輪胎監(jiān)測應用的獨特優(yōu)勢 1 帶加速度傳感器的智能傳感器 使用者可以任意設定啟動監(jiān)測輪胎壓力系統(tǒng)的速度 2 更加安全智慧的氣壓檢測算法 當車子時速超過設定速度時 傳感器發(fā)射輪胎信息 時速越高檢測次數(shù)也隨之增加 3 靜態(tài)智能檢測 當車輛靜止時 如果輪胎充放氣或溫度發(fā)生變化 也可觸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng) 4 發(fā)射傳感器電池容量監(jiān)測 對發(fā)射傳感器電池容量直接監(jiān)測 如電池容量過低 顯示器會有信息通知用戶更換電池 確保安全 5 智能識別碼設置 系統(tǒng)自動接收并顯示各個發(fā)射傳感器的識別碼和狀態(tài) 12 2020 3 27 二 智能傳感器的功能 智能傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比 最突出特征是數(shù)字化 智能化 陣列化 微小型化和微系統(tǒng)化 1 它具有邏輯思維與判斷 信息處理功能 可對檢測數(shù)值進行分析 修正和誤差補償 提高了傳感器的測量準確度 2 它具有自診斷 自校準功能 提高了可靠性 3 它可以實現(xiàn)多傳感器多參數(shù)復合測量 可同時測量介質(zhì)的溫度 流速 壓力和密度的復合傳感器等 4 它內(nèi)部設有存儲器 檢測的數(shù)據(jù)可以存取 5 它具有數(shù)字通信接口 能與計算機直接聯(lián)機 交換信息 這是智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器的關鍵區(qū)別之一 6 最新智能傳感器還增加了傳感器故障檢測功能 7 一些智能傳感器還增加了靜電保護電路 智能傳感器的輸入端一般可承受1000 4000V的靜電放電電壓 13 2020 3 27 三 智能傳感器的適用場所 1 在分布式多點測試 集中控制采集 測試現(xiàn)場遠離集中控制中心的場合 如果采用傳統(tǒng)的傳感器 將造成技術復雜 設備成本高 數(shù)據(jù)傳輸易受干擾 測量精度低 系統(tǒng)誤差大等缺點 而智能傳感器便能解決上述問題 2 安裝現(xiàn)場受空間條件限制的場所 如埋入大型電機繞線內(nèi)部 通風道內(nèi)部 電子組合件內(nèi)部 如果采用傳統(tǒng)的傳感器 需要定期校驗 檢測 但是由于空間的限制很難完成 而智能傳感器具有自檢測 自診斷 定期自動零點復位 消除零位誤差等功能 獨立的內(nèi)部診斷功能可避免代價高昂的拆機 校驗 從而迅速收回投資 14 2020 3 27 3 在自動化程度高 規(guī)模大的自動化生產(chǎn)線上 如 工業(yè)生產(chǎn)過程控制 發(fā)電廠 熱電廠 大型中央空調(diào)設備用戶端等 在這些場合 測量 控制點多 遠距離分散 數(shù)據(jù)量大 人工處理不現(xiàn)實 采用智能傳感器即可解決這一錯綜復雜的問題 能從測量過程中收集大量的信息以提高控制質(zhì)量 4 在經(jīng)常無人看守 但需要檢測的場合 如農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖場 溫棚 溫室 干燥房 糧食倉庫等 屬于遠距離 分散式 多點測試 采用智能傳感器能監(jiān)視自身及周圍的環(huán)境 然后再決定是否對變化進行自動補償或?qū)ο嚓P人員發(fā)出警告 15 2020 3 27 輪胎壓力監(jiān)測可以有兩種方案 方案一 間接式輪胎壓力監(jiān)測 可以通過汽車ABS的輪速傳感器來比較各個輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別 以達到監(jiān)視胎壓的目的 其缺點是無法對兩個以上輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100公里 小時的情況進行判斷 方案二 直接式輪胎壓力監(jiān)測 以鋰離子電池為電源 利用安裝在每一個輪胎里的的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓 通過無線調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上 監(jiān)視器隨時顯示各輪胎氣壓 駕駛者可以直觀地了解各個輪胎的氣壓狀況 當輪胎氣壓太低 滲漏 太高 或溫度太高時 系統(tǒng)就會自動報警 任務實施 16 2020 3 27 經(jīng)試驗證明 直接方式提供了更為精確的輪胎壓力監(jiān)視 而且采用胎壓監(jiān)測傳感器具有體積小 安裝方便的優(yōu)點 在更換輪胎時 不需要拆除傳感器 方便了用戶 智能傳感器可應用于各種領域 各種環(huán)境的自動化測試和控制系統(tǒng) 使用方便靈活 測試精度高 優(yōu)于任何傳統(tǒng)的數(shù)字化 自動化測控設備 17 2020 3 27 任務導入 課題二總線式傳感器 現(xiàn)代汽車中所使用的電子控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)越來越多 如發(fā)動機的電控系統(tǒng) 自動變速器的控制系統(tǒng) 防抱死制動系統(tǒng) ABS 自動巡航系統(tǒng) ACC 和車載多媒體系統(tǒng)等 這些系統(tǒng)之間 系統(tǒng)和汽車儀表之間均需要進行數(shù)據(jù)交換 如此巨大的數(shù)據(jù)交換量 如采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的方法 一個中級轎車就需要電纜插頭300個左右 電纜總長超過1 6Km 不但裝配復雜 占用空間大 而且故障率會很高 因此 用串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 即現(xiàn)場總線系統(tǒng) 可以解決上述矛盾 18 2020 3 27 19 2020 3 27 所有參加現(xiàn)場總線 CAN總線 的分系統(tǒng)都可以通過其控制單元上的現(xiàn)場總線接口進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收 數(shù)據(jù)在串聯(lián)總線上可以一個接一個的傳送 現(xiàn)場總線是一個多路傳輸系統(tǒng) 當某一單元出現(xiàn)故障時不會影響其他單元的工作 數(shù)據(jù)總線如何能實現(xiàn)多路傳輸?shù)哪?本課題的任務就是了解現(xiàn)場總線技術及現(xiàn)場總線的基礎和核心 20 2020 3 27 知識點 了解現(xiàn)場總線的種類 學習現(xiàn)場總線的適用場所 技能點 掌握總線式傳感器的組網(wǎng)方法 21 2020 3 27 一 現(xiàn)場總線技術 相關知識 生產(chǎn)過程控制儀表是工業(yè)自動化中最常用的 不可缺少的一部分 多數(shù)儀表輸出多為4 20mA DC 標準信號 但是這種基于模擬信號的測量儀表 暴露出許多缺點 已不能滿足現(xiàn)場的需要 22 用戶需求 一個電站需要5000臺傳感器及其儀表 一個鋼鐵廠需要2萬臺傳感器及其儀表 大型石油化工廠需要6000臺傳感器及其儀表 大型發(fā)電機組需要3000臺傳感器及其儀表 一部汽車需要30至100臺傳感器 一架飛機需要3600臺傳感器 2020 3 27 2020 3 27 23 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點 一對一結構 信息集成能力不強 系統(tǒng)不開放 可集成性差 專業(yè)性不強 可靠性不易保證 參數(shù)不易調(diào)整 現(xiàn)場人員無法調(diào)整 控制 互換性差 可維護性不高 2020 3 27 2020 3 27 24 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)接線方式的比較 a 傳統(tǒng)的接線方式b 現(xiàn)場總線接線方式 2020 3 27 2020 3 27 25 2020 3 27 什么是現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制室主機系統(tǒng)之間的一種開放的 全數(shù)字化 雙向 多站的通信系統(tǒng) 國際電工委員會IEC1158定義為 安裝在制造或生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場測量裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式 串行 多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總線是工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡技術的代名詞 是測控領域的通信與網(wǎng)絡技術 26 基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)的優(yōu)點 一對N結構 增強了現(xiàn)場級信息集成能力 開放式 互操作性 互換性 可集成性 系統(tǒng)可靠性高 可維護性好 降低了系統(tǒng)及工程成本 每臺現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表就是一臺微處理器 并由各節(jié)點構成虛擬控制站 這要求采用先進的網(wǎng)絡技術和分布式數(shù)據(jù)庫技術 2020 3 27 2020 3 27 27 2020 3 27 二 現(xiàn)場總線的核心與基礎 1 現(xiàn)場總線類型的核心 總線協(xié)議總線協(xié)議技術是 信息時代 的高新技術 它可應用于不同的領域之中 但在各自領域中是完全獨立系統(tǒng) 如火力發(fā)電 核電 冶金 油田 石化 汽車制造 機械制造 樓宇 以及農(nóng)田企業(yè)化 節(jié)水灌溉 水電 風力發(fā)電 釀造 輕工等等 在不同的應用領域可以用不同總線協(xié)議技術 對于各類總線而言 其核心是各類 總線協(xié)議 而這些協(xié)議的本質(zhì)就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴?28 2020 3 27 2 現(xiàn)場總線的基礎 智能測量儀表現(xiàn)場測量儀表包括多類工業(yè)測量裝置 包括流量 壓力 溫度 振動 轉(zhuǎn)速等傳感器 也包括電子開關 執(zhí)行器和電子馬達等 以往的現(xiàn)場測量儀表輸出為4 20mA 便于遠距離數(shù)據(jù)傳輸 而安裝于測量現(xiàn)場的智能儀表 必須符合下列要求 1 無論是哪個公司生產(chǎn)的現(xiàn)場裝置 它必須與它所處的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有統(tǒng)一的總線協(xié)議 遵守相關的通訊規(guī)約 2 用于現(xiàn)場總線系統(tǒng)的現(xiàn)場裝置必須是多功能智能化的 正是由于現(xiàn)場裝置智能化的進步與完善 它已成為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)有力的硬件支撐 是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基礎 29 智能壓力傳感器 AIBlock模擬量輸入塊 Pressure壓力 mV OUT 2020 3 27 2020 3 27 30 現(xiàn)場總線技術給用戶帶來的好處 1 節(jié)省硬件成本 2 設計組態(tài)安裝調(diào)試簡便 3 系統(tǒng)的安全可靠性好 4 減少故障停機時間 5 用戶對系統(tǒng)配置設備選型有最大的自主權 6 系統(tǒng)維護設備更換和系統(tǒng)擴充方便 7 完善了企業(yè)信息系統(tǒng) 為實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化提供了基礎 2020 3 27 2020 3 27 31 采用智能設備管理來投運儀表 2020 3 27 2020 3 27 32 2020 3 27 33 2020 3 27 34 2020 3 27 三 網(wǎng)絡傳感器 雖然總線式儀器 虛擬儀器等微機化儀器技術的應用 使組建集中式或分布式測控系統(tǒng)變得更為容易 但集中測控越來越滿足不了復雜的 遠程 異地 的和范圍較大的測控任務的需求 因此 組建網(wǎng)絡化的測控系統(tǒng)非常必要 使用網(wǎng)絡傳感器 人們可以從任何地點在任意時間獲取到測量信息 或數(shù)據(jù) 與傳統(tǒng)的儀器 測量 測試相比 是一個質(zhì)的飛躍 35 2020 3 27 網(wǎng)絡傳感器是包含數(shù)字傳感器 網(wǎng)絡接口和處理單元的新一代智能傳感器 數(shù)字傳感器首先將被測量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 再送給微控制器作數(shù)據(jù)處理 最后將測量結果通過網(wǎng)絡傳輸給控制儀表 實現(xiàn)了各傳感器之間 傳感器與執(zhí)行器之間 傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享 做到 即插即用 極大地方便了用戶 36 2020 3 27 37 2020 3 27 自動抄表系統(tǒng)用于水 電 氣不同行業(yè)的自動抄表與收費管理 在某種意義上 可以稱為網(wǎng)絡化儀器 因為自動抄表系統(tǒng)雖然沒有通過Internet互聯(lián)網(wǎng) 但采用公用電話網(wǎng) 即管理中心與小區(qū)電話有線連接 經(jīng)公用電話網(wǎng)對異地用電 用氣等信息進行測取和監(jiān)控 為管理部門提供各種信息 38 2020 3 27 39 2020 3 27 四 無線網(wǎng)絡傳感器 無線網(wǎng)絡傳感器是低成本 具有傳感數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的智能傳感器 通過基站或移動路由器等基礎通信設施 以自組織方式形成傳感器網(wǎng)絡 可以有幾百甚至幾千個傳感器部署在監(jiān)測地域 無線網(wǎng)絡傳感器由許多個功能相同或不同的無線智能傳感器組成 每個傳感器除了包含智能傳感器所必備的功能外 還具有無線通信功能 具有無線收發(fā)器模塊 且自帶供電模塊 40 2020 3 27 無線網(wǎng)絡傳感器可以安裝在危險工作環(huán)境 如煤礦 石油鉆井 核電站等工作環(huán)境 也可以安裝在野外無人看守的惡劣環(huán)境中 如自然環(huán)境的監(jiān)控 野外傳輸管道流量監(jiān)測等 還可以安裝在工廠的排放口 實時檢測工廠的廢水 廢氣等污染源 把操作人員從高危環(huán)境中解放出來 無線網(wǎng)絡傳感器必須具有良好的抗毀能力 如果某一傳感器測試單元損壞 可以利用其他節(jié)點完成信息采集 處理和傳輸 由于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量巨大 因此傳感器的成本必須盡可能的低 同時無線網(wǎng)絡傳感