《zy测量技术概述》PPT课件.ppt

讲座-测量技术、仪表及其发展,庄严测控教研室,门捷列夫：“科学是从测量开始的”信息技术（Informationtechnology）钱学森：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术是关键和基础”科学仪器是信息的源头科学仪器产业是信息产业,测控专业人才培养的教育内容及知识结构的总体框架,信息流学科公共基础课特色专业课程,计算机技术类课程,电工电子技术类课程,处理,获取,控制,传输,传感器技术检测技术等课程,误差理论数字信号处理等课程,通信技术网络技术等课程,自动控制过程控制等课程,过程检测仪表、过程控制系统、智能仪器设计、虚拟仪器等,内容,计量测量（检测）技术仪表测量技术、仪表的发展趋势,计量，过去在我国称为“度量衡”，其原始含义是关于长度、容积和质量的测量，主要器具是尺、斗和秤。我国从50年代开始，便逐渐以“计量”取代了“度量衡”。“计量”是度量衡的发展；也有人称计量为“现代度量衡”。“量”是现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。这是当前国际公认的说法。“量”的理解：自然界的一切事物都是由一定的“量”组成的，而且是通过“量”来体现的。认识自然，需要对各种量进行分析和确认：（1）分清量的性质，（2）确定其具体量值；计量正是达到这种目的的重要手段。计量是对“量”的定性分析和定量确定的过程。,计量的历史与“量”,1、准确性（精确性）2、一致性3、溯源性4、法制性,计量的特点：,从学科发展来看，计量原本是物理学的一部分，或者说是物理学的一个分支。随着科技、经济和社会的发展，计量的概念和内容也在不断地扩展和充实，以致逐渐形成了一门研究测量、保证测量统一和准确的科学计量学。计量学：有时简称计量，涵盖有关于测量的理论与实践的各个方面。“科技要发展，计量须先行。”江泽民,计量学,（1）通用计量学（2）应用计量学（3）技术计量学涉及计量技术，包括工艺上的计量问题的计量学部分。例如，自动测量、在线测量等。（4）理论计量学（5）品质计量学（6）法制计量学（7）经济计量学,计量学（按学科）分类：,内容,计量检测技术（测量技术）仪表测量技术、仪表的发展趋势,检测：指在各类生产、科研、试验及服务等各个领域为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。检测与计量的区别：1）“计量”是指用精度等级更高的标准量具、器具或标准仪器，对被测样品、样机进行考核性质的测量；2）“检测”通常是指在生产、实验等现场，利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量。,测量（检测）,定义：传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置。作用：感受指定被测参量的变化并按照一定规律转换成一个相应的便于传递的输出信号。要求：(1)准确性(2)稳定性(3)灵敏度(4)其他要求,传感器,各种名称：传感器检测技术检测与转换技术非电量电测技术？如：光电检测技术,传感器的理解,传感器的组成及工作原理,图1传感器的组成,变磁阻式传感器的原理及应用（自感式位移计）,图2变隙电感式压力传感器结构图,（一）石英晶体,天然形成的石英晶体外形,天然形成的石英晶体外形（续）,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,高分子压电材料,典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,压电式脚踏报警器,压电式脚踏报警器,（1）按输入量（被测对象）分类物理量传感器又分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等等。化学量传感器生物量传感器（2）按转换原理分类电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、热敏、气敏、湿敏、磁敏传感器等等。,传感器的分类,神州6号成功发射,远望号舰艇,火星探测,图3人体和机器的对应关系,传感器的作用与地位,图4微机化检测与控制系统的基本组成,传感器的应用领域,1)传感器在工业检测和自动控制系统中的应用,2)传感器在汽车中的应用目前，传感器在汽车上不只限于测量行驶速度、行驶距离、发动机旋转速度以及燃料剩余量等有关参数，而且在一些新设施中，如汽车安全气囊、防滑控制等系统，防盗、防抱死、排气循环、电子变速控制、电子燃料喷射等装置以及汽车“黑匣子”等都安装了相应的传感器。美国为实现汽车自动化，曾在一辆汽车上安装了90多只传感器去检测不同的信息。3)传感器在家用电器中的应用现代家庭中，用电厨具、空调器、电冰箱、洗衣机、电子热水器、安全报警器、吸尘器、电熨斗、照相机、音像设备等都用到了传感器。,4)传感器在机器人中的应用在生产用的单能机器人中，传感器用来检测臂的位置和角度；在智能机器人中，传感器用作视觉和触觉感知器。在日本，机器人成本的二分之一是耗费在高性能传感器上的。5)传感器在医学中的应用在医疗上，应用传感器可以准确测量人体温度、血压、心脑电波，并帮助医生对肿瘤等进行诊断。6)传感器在环境保护中的应用为了保护环境，研制用以监测大气、水质及噪声污染的传感器，已被世界各国所重视。,7)传感器在航空航天中的应用飞机、火箭等飞行器上，要使用传感器对飞行速度、加速度、飞行距离及飞行方向、飞行姿态进行检测。8)传感器在遥感技术中的应用在飞机及卫星等飞行器上，利用紫外、红外光电传感器及微波传感器来探测气象、地质等信息。在船舶上，利用超声波传感器进行水下探测。9)传感器在军事方面的应用利用红外探测可以发现地形、地物及敌方各种军事目标。红外雷达具有搜索、跟踪、测距等功能，可以搜索几十到上千千米的目标。红外探测器在红外制导、红外通信、红外夜视、红外对抗等方面也有广泛的应用。,内容,计量检测技术（测量技术）仪表检测技术、仪表的发展趋势end,Thankyou！,（1）获取信息（2）多技术集成,仪器仪表技术的核心,传感器信息融合又称数据融合，是对多种信息的获取、表示及其内在联系进行综合处理和优化的技术。传感器信息融合技术从多信息的视角进行处理及综合，得到各种信息的内在联系和规律，从而剔除无用的和错误的信息，保留正确的和有用的成分，最终实现信息的优化。它也为智能信息处理技术的研究提供了新的观念。单一传感器只能获得环境或被测对象的部分信息段，而多传感器信息经过融合后能够完善地、准确地反映环境的特征。经过融合后的传感器信息具有以下特征：信息冗余性、信息互补性、信息实时性、信息获取的低成本性。,传感器信息融合（数据融合）概念,传感器信息融合意义及应用,信息融合技术的实现和发展以信息电子学的原理、方法、技术为基础。信息融合系统要采用多种传感器收集各种信息，包括声、光、电、运动、视觉、触觉、力觉以及语言文字等。信息融合技术中的分布式信息处理结构通过无线网络、有线网络，智能网络，宽带智能综合数字网络等汇集信息，传给融合中心进行融合。信息融合采用分形、混沌、模糊推理、人工神经网络等数学和物理的理论及方法。它的发展方向是对非线性、复杂环境因素的不同性质的信息进行综合、相关，从各个不同的角度去观察、探测世界。,1、在信息电子学领域,2、在计算机科学领域,在计算机科学中，目前正开展着并行数据库、主动数据库、多数据库的研究。信息融合要求系统能适应变化的外部世界，因此，空间、时间数据库的概念应运而生，为数据融合提供了保障。空间意味着不同种类的数据来自于不同的空间地点，时间意味着数据库能随时间的变化适应客观环境的相应变化。信息融合处理过程要求有相应的数据库原理和结构，以便融合随时间、空间变化了的数据。在信息融合的思想下，提出的空间、时间数据库，是计算机科学的一个重要的研究方向。,3、在自动化领域,以各种控制理论为基础，信息融合技术采用模糊控制、智能控制、进化计算等系统理论，结合生物、经济、社会、军事等领域的知识，进行定性、定量分析。按照人脑的功能和原理进行视觉、听觉、触觉、力觉、知觉、注意、记忆、学习和更高级的认识过程，将空间、时间的信息进行融合，对数据和信息进行自动解释，对环境和态势给予判定。目前，控制技术已从程序控制进入了建立在信息融合基础上的智能控制。智能控制系统不仅用于军事，还应用于工厂企业的生产过程控制和产供销管理、城市建设规划、道路交通管理、商业管理、金融管理与预测、地质矿产资源管理、环境监测与保护、粮食作物生长监测、灾害性天气预报及防治等涉及宏观、微观和社会的各行各业。,增加了系统的生存能力扩展了空间覆盖范围扩展了时间覆盖范围提高了可信度降低了信息的模糊度改善了探测性能提高了空间分辨率增加了测量空间的维数,传感器信息融合优点,传感器信息融合的实例,一.信息融合的民事应用领域,工业过程监视及工业机器人遥感与金融系统空中交通管制与病人照顾系统船舶避碰与交通管制系统生物特征的身份识别,二.信息融合技术军事上的应用,采用多传感器的自主式武器系统和自备式运载器情报收集系统采用多传感器进行截获、跟踪和指挥制导的火控系统军事力量的指挥和控制站敌情指示和预警系统,机器人中的传感器信息融合,控制和信息融合计算机,自主移动装配机器人,装配机械手,力觉传感器,触觉传感器,视觉传感器,超声波传感器,激光测距传感器,多传感器信息融合自主移动装配机器人,软测量技术测量技术的发展趋势之一,软测量技术也称为软仪表技术（SoftSensorTechnique），在80年代中后期被提出来的，目前，软测量技术己成为过程测控领域的一大研究热点和主要发展趋势之一。概括地说，就是首先寻找容易测量的过程参数（辅助变量或二次变量），并建立难以用硬仪表测量的过程参数（主导变量）之间的数学关系，称为软测量模型（Soft-SensingModel）；然后利用这个软测量模型，通过适当的科学计算和估计，由辅助变量来“测量”（估计）出难测的主导变量。软测量建模理论的基础知识丰富，所有适合获取数学模型参数的方法都可作为软测量建模的理论指导。从统计数学的回归分析理论、主元分析理论到控制科学领域的各类系统辨识理论以及人工智能领域的人工神经网络理论、模糊理论、遗传理论等均可作为软测量建模的理论和方法。另外，针对具体的工艺实际，还有简便的机理建模方法，但这要求对工艺运行特点较为熟悉。,例：污水水质软测量模型建立,基于在线过程变量和水质化验室分析数据实现对BOD/COD等关键水质变量的软测量和预测。,BOD/COD软测量和预测,数据预处理,进水水质的在线和化验结果处理过程的在线和化验结果出水水质的在线和化验结果操作变量曝气量及污泥等信息,污水处理装置,BOD/COD软测量和预测值,进水,排放出水,虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（NationalInstrument）在1986年提出的，但其雏形可以追