傳感器13傳感器在現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用課件

第十三章傳感器在現(xiàn)代

檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

本章學(xué)習(xí)傳感器在現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用，以及如何組成測控系統(tǒng)，對現(xiàn)代檢測系統(tǒng)、計算機(jī)接口、虛擬儀器等在檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用作了介紹。并簡單介紹檢測系統(tǒng)中常用的硬件。2/6/20231傳感器在控制系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用舉例一個現(xiàn)代化火力發(fā)電廠需要多臺計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，來快速地測量鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)上許多重要部位的溫度、壓力、流量、液位、燃燒狀況、轉(zhuǎn)速、振動、位移、應(yīng)力等熱工、機(jī)械參數(shù)，還必須測量發(fā)電機(jī)的電壓、電流、功率、功率因數(shù)以及各種輔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，然后進(jìn)行綜合處理，將各被監(jiān)測的重要參數(shù)進(jìn)行數(shù)字或模擬顯示，自動調(diào)整運(yùn)行工況，對某些超限參數(shù)進(jìn)行聲光報警或采取緊急措施。在上述這個系統(tǒng)中，需要數(shù)百個不同的傳感器將各種機(jī)械、熱工量轉(zhuǎn)換成電量，供計算機(jī)采樣和運(yùn)算。

2/6/20232現(xiàn)代化火力發(fā)電廠及其控制系統(tǒng)火力發(fā)電廠控制室火力發(fā)電廠機(jī)組汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)勵磁機(jī)2/6/20233第一節(jié)現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)代檢測系統(tǒng)可分為三種基本結(jié)構(gòu)體系：1.智能儀器2.個人儀器3.自動測試系統(tǒng)

1.智能儀器：將諸如微處理器、存儲器、接口等芯片與傳感器融合在一起，可組成智能儀器。它有專用的小鍵盤、開關(guān)、按鍵及顯示屏等，多使用匯編語言，體積小，專用性強(qiáng)。2/6/20235智能儀器的芯片及模塊

51系列單片機(jī)芯片2/6/2023651系列單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊

2/6/202372.個人儀器個人儀器又稱個人計算機(jī)儀器系統(tǒng)。它是以個人計算機(jī)（必須符合工控要求）配以適當(dāng)?shù)挠布娐放c傳感器組合而成的檢測系統(tǒng)。組裝個人儀器時，將傳感器信號傳送到相應(yīng)的接口板（或接口盒）中，再將接口板插到工控機(jī)總線擴(kuò)展槽中或?qū)⒔涌诤械腢SB插頭插入計算機(jī)相應(yīng)的插座上，編寫相應(yīng)的軟件就可以完成自動檢測功能。

2/6/20239一體化工作站

平板式工作站（帶觸摸屏）軍用便攜式工作站2/6/202310一體化工作站（續(xù)）

2/6/202311工業(yè)級底板（參考研祥智能科技有限公司資料）底板上的擴(kuò)展槽用于插接各種數(shù)據(jù)采集卡PCI擴(kuò)展槽ISA擴(kuò)展槽2/6/202313各種數(shù)據(jù)采集卡ISA數(shù)據(jù)采集卡ISA數(shù)據(jù)采集卡的插腳間隔為2.54mm（0.1英寸）2/6/202314各種數(shù)據(jù)采集卡（續(xù)）PCI數(shù)據(jù)采集傳輸卡2/6/202315端子板與功能卡的連接端子板作為功能卡的擴(kuò)展附件，用于連接傳感器信號光耦25芯排線數(shù)據(jù)鎖存器去計算機(jī)ISA槽傳感器信號線接線端子2/6/202317端子板與功能卡的連接37芯排線端子板PCI數(shù)據(jù)采集、控制卡傳感器信號線接線端子輸出信號接線端子去計算機(jī)PCI槽2/6/202318其他端子擴(kuò)展板

34芯排線插座37芯排線插座2/6/202319筆記本電腦數(shù)據(jù)采集整機(jī)

信號從USB端口輸入2/6/202321筆記本電腦數(shù)據(jù)采集

USB接口盒及信號電纜利用USB擴(kuò)展分線器可配接多個接口盒信號輸入2/6/202322USB接口卡及USB電纜2/6/202323各種嵌入式計算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡2/6/202325自動測試系統(tǒng)

自動測試系統(tǒng)是以工控機(jī)為核心，以標(biāo)準(zhǔn)接口總線為基礎(chǔ)，以可程控的多臺智能儀器為下位機(jī)組合而成的一種現(xiàn)代檢測系統(tǒng)。一個自動測試系統(tǒng)還可以通過各種標(biāo)準(zhǔn)總線成為其它級別更高的自動測試系統(tǒng)的子系統(tǒng)。許多自動測試系統(tǒng)還可以作為服務(wù)器工作站加入到Internet網(wǎng)絡(luò)中，成為網(wǎng)絡(luò)化測試子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程實時調(diào)試等。

2/6/202326網(wǎng)絡(luò)化儀表示意圖工業(yè)總線

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鋼廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)實例2/6/202329

糧食溫濕度測控系統(tǒng)實例上位機(jī)（內(nèi)插CAN通信卡）溫度分線器CAN總線通風(fēng)機(jī)械測濕探頭測溫電纜智能分機(jī)通風(fēng)控制器濕度分線器2/6/202330帶計算機(jī)的檢測系統(tǒng)簡介一、帶計算機(jī)的檢測系統(tǒng)的特點及功能1.性能價格比高；2.設(shè)計靈活性高；3.操作方便；4.有強(qiáng)大的運(yùn)算功能；5.具有記憶功能；6.有自校準(zhǔn)功能；7.能進(jìn)行自動故障診斷。2/6/202331二、帶計算機(jī)的檢測系統(tǒng)的工作流程

巡回檢測概念:

計算機(jī)首先向多路采樣開關(guān)陣列的選通地址譯碼器寫入準(zhǔn)備采樣的傳感器地址，由譯碼器接通該地址對應(yīng)的采樣開關(guān)，所要采樣的信號被連接到放大器，放大后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，計算機(jī)通過數(shù)據(jù)總線接受該數(shù)字信號。一個采樣點采樣結(jié)束后，計算機(jī)轉(zhuǎn)而發(fā)送第二個采樣地址，對第二個傳感器采樣，直至全部被測點均被采樣完畢為止。計算機(jī)不可能在同一時刻讀取所有傳感器來的信號，而是分時但快速地輪流讀取所有的被測量，這種采樣方式稱為“巡回檢測”。2/6/2023328通道巡回檢測數(shù)據(jù)采集器8個傳感器信號輸入端口2/6/202333簡易數(shù)字濾波技術(shù)概念

在工業(yè)中經(jīng)常采用如下軟件抗干擾技術(shù)：對存在干擾和隨機(jī)誤差的信號進(jìn)行等精度快速多次采樣，然后先舍去不穩(wěn)定的第一個采樣值，再舍去若干個最大值和最小值，將余下的幾個中間值求算術(shù)平均值，該算術(shù)平均值可以認(rèn)為是排除了干擾后的較正確的結(jié)果，這種方法有時也被稱為簡易數(shù)字濾波。

2/6/202334三、系統(tǒng)中的幾種重要部件

1.采樣開關(guān)

1)干簧繼電器：干簧繼電器主要由驅(qū)動線圈和干簧管組成，驅(qū)動線圈繞在干簧管外面。當(dāng)線圈通以額定電流后，干簧管中的兩根常開彈簧片互相吸引而吸合。它的耐壓較高，額定電流較大，導(dǎo)通電阻接近零。耗電較大、速度較慢是干簧繼電器的主要缺點。

干簧管2/6/202335(2)CMOS模擬采樣開關(guān)

模擬采樣開關(guān)切換對象是多路模擬信號。它的控制端處于“有效”狀態(tài)時，內(nèi)部的P溝道MOS管或N溝道MOS管導(dǎo)通，模擬開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通電阻約幾歐至幾百歐（視型號而定）。當(dāng)控制端處于“無效”狀態(tài)時開關(guān)截止，截止電阻大于108Ω。其優(yōu)點是集成度高，動作快（小于1s）、耗電省等。缺點是有一定的導(dǎo)通電阻、各通道間有一定的漏電、擊穿電壓低、易損壞等。

2/6/2023362.放大器從傳感器來的信號有許多是毫伏級的微弱信號，須經(jīng)放大才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。一般放在采樣開關(guān)之后。系統(tǒng)對放大器的主要要求是：精度高、溫漂小、共模抑制比高、頻帶寬至直流。目前常用的放大器有以下幾種型式：一種是高精度、低漂移的雙極型放大器；另一種為隔離放大器，它帶有光電隔離或變壓器隔離的低漂移信號放大器，以及一個高隔離的DC/DC電源。2/6/202337精密隔離放大器舉例

線性誤差：小于0.01%

輸入阻抗：1MΩ

隔離度：2500V/50Hz/1min

工作溫度：-10℃～+60℃2/6/202338精密隔離放大器舉例（續(xù)）

導(dǎo)軌安裝式2/6/202339隔離放大器用的隔離電源

典型技術(shù)指標(biāo)：封裝：SIP、DIP（符合UL94-V0標(biāo)準(zhǔn)）；電壓準(zhǔn)確度：±1%；工作溫度：-40～+85℃；效率：80%Min（滿載)；隔離電壓：1500VDC；80mVp-pMax；輸出紋波/噪聲（20MHz帶寬)；功率：0.1W～2W（可選）2/6/2023403.A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）

放大器放大后的模擬信號必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換才能由計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。目前采用較多的A/D轉(zhuǎn)換器有兩大類：一類是并行A/D轉(zhuǎn)換器，另一類是串行A/D轉(zhuǎn)換器。在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，又有逐位比較型和雙積分型之分。前者轉(zhuǎn)換速度較快，有8位、12位、16位等規(guī)格。位數(shù)越高，精度也越高，但價格也相應(yīng)提高；后者轉(zhuǎn)換速度較慢（每秒10次左右），常見的有3位半、4位半等規(guī)格。

2/6/202341A/D轉(zhuǎn)換器的光耦接口電路

2/6/2023424.D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）與接口電路

計算機(jī)運(yùn)算處理后的數(shù)字信號有時必須轉(zhuǎn)換為模擬信號，才能用于工業(yè)生產(chǎn)的過程控制。它的輸入是計算機(jī)送出的數(shù)字量，它的輸出是與數(shù)字量相對應(yīng)的電壓或電流。如果在計算機(jī)與D/A之間插入多路光耦合器就能較好地防止工業(yè)控制設(shè)備干擾計算機(jī)的工作。如果使用多路采樣保持器，只要使用一只D/A即可進(jìn)行多路D/A轉(zhuǎn)換。

2/6/202343D/A轉(zhuǎn)換器的光耦接口電路

4~20mA2/6/202344帶計算機(jī)的檢測技術(shù)應(yīng)用實例1.陶瓷隧道窯溫度、壓力監(jiān)測控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)涉及熱工參數(shù)的測量，它采用工控機(jī)。該系統(tǒng)將巡回數(shù)據(jù)采集電路及控制電路裝在獨立的接口箱中，其中裝有定時器、計數(shù)器、并行輸入／輸出接口等，接口箱與主機(jī)之間通過并行接口插卡與計算機(jī)通信。

2/6/202345隧道窯外形2/6/202346隧道窯計算機(jī)檢測控制系統(tǒng)框圖

2/6/2023473.傳感器在模糊控制洗衣機(jī)中的應(yīng)用

所謂模糊控制系統(tǒng)是模擬