测控概论2__小太阳传

1、测控技术应用举例：群众生活 现代测控系统已不仅仅应用于国防与工业领域，而是包括在科学研究、农业、医学和日常生活等各个领域中均有应用，涉及人类生活的方方面面。许多测控系统是一些设备中的核心，如：智能洗衣机、空调和数字电视机中的控制系统等。 一、居家生活 随着人们生活水平的不断提高，家用电器已成为百姓生活中不可缺少的一局部。微电子、光电技术、单片机、嵌入式系统和测控技术的开展，使得家电向智能化开展。 无论是欧美还是我国，家用电器都有相当高的普及率，每个人和家用电器都日夜相伴，家用电器的重要作用日益表达。近年，随着城市居民家庭经济收入的增长，人们的生活水平普遍提高，尤其是居住条件和水、电、气等配套设

2、施的改善，为种类繁多的家用电器进入千家万户创造了条件，同时也给家用电器的生产提供了难得的开展机遇。家电产品(包括家用医疗仪器)向系列化、智能化、美观化方向开展，功能趋向于能为人们的健康生活提供更多、更好的帮助。 1、家电传感器 家电传感器的正确选择和使用，不仅给人们带来便利，还可以防止出现诸如火灾、失窃、损坏等灾害；家电生产商通过合理选择制造产品，又可以节水、节电、省气、防灾和清洁环境，从而为社会进步做出奉献。 家用电器在电子市场中占据相当大一局部。许多简单的传感器和微系统产品，如温度传感器和液位传感器早已应用于家电领域，而先进的传感器正以惊人的速度抢占市场。带有智能控制系统的现代传感器的运用

3、成为区别不同产品和厂家的显著特点之一。 家用电器主要包括以下几类： 1)大型家电。洗衣机、烘干机和洗衣烘干一体机；洗碗机；炉灶(包括燃炉、电炉、烤箱、抽油烟机和微波炉)；制冷设备(包括冰柜、冷藏室和立式柜式冷冻室一体的电冰箱)；家居环境设备(包括热水器、空调与制冷设备、气体加热器、家庭自动化系统、空气过滤器、真空吸尘器、厨房水蒸汽排放系统、空气调节系统)等。 2)小型家电。地板清洁器、熨斗、咖啡机、搅拌机、电动牙刷、剃须刀、血压计和电子体温计等。 3)加热及温度控制。供热系统、热水锅炉、温度调节系统等。 4)平安及保障设施。入侵报警、平安系统、火警检测系统(所带传感器用于检测温度、C0和C02

4、等有害气体和烟尘的排放、CH4和C2H6可燃性气体的燃烧检测)、空气质量监测等。 许多家用电器中都使用传感器以增强其功能，如： 温度传感器：空调、冰箱、热水器、豆浆机等 压力传感器：电子血压计等 液位传感器：太阳能热水器等 空气质量流量传感器：电扇和真空吸尘器 加速度和坡度传感器：电烫斗 气体传感器(人造鼻)：自动焙烧控制、烟雾报警等 光电传感器如红外：家庭防盗 图像传感器CCD、CMOS：数码相机、摄像机、安防等 电压、电流传感器：充电等保护应用 重力传感器：电子秤等 速度传感器：健身器跑步机、按摩椅等 展望传感器技术在未来家电中的应用情况也是颇有意义的。可以预见家电传感器会前所未有地使这些

5、原本独立的家用电器综合起来：电信和网络效劳；家庭娱乐；计算机；供热和通风等；厨房设备、建筑控制等。 对于一个成功的综合体来说，应该使家电和其他所有功能部件进行互相通信，这就需要软硬件互相兼容，且技术步骤将模块化。2、家电的自动控制 家用电器行业存在着剧烈的国际竞争，顾客希望要增加家电使用的舒适性、减少耗能、减少耗水、清洁方便、降低噪声和振动、实现自动化和远距离控制。有不少家电产品已经采用了单片机、嵌入式系统，采用程序控制、模糊控制或神经元系统等算法软件实现了对家电的自动控制。下面举几个成功的例子。 1智能燃烧自动控制系统 欧盟成员国已发布了新的通过减少污染物排放来保护环境的规章，加热设备厂家及

6、其用户开始意识到需要新传感器控制的燃烧器产品。使用传感器监控燃烧状态主要有3种方法。 (1) 在煤气和空气混合燃烧前测量温度、流速和可燃气体成分(计算它们的发热量和所需的空气供给量)。 (2) 监测可能的反响区。离子数和一些无负载原子团的数目能够在反响发生时给出状态信息，获取这一信息最简单的方法就是测量可燃气体中生成物的数量。例如，如果知道02的体积分数，就有可能推断出是该调整煤气还是空气的供给量。 (3) 燃烧状态可以通过检测废气中C02、N0 x和C0的数量来确定。由选定探头的变化与燃烧特性变化之间的关系可以建立一种可靠的控制系统。此外，在选择适宜的传感器时还应考虑以下几个方面：低本钱、高

7、可靠性、长期的稳定性和高灵敏度。 选择家用煤气用具中使用的传感器应考虑： 必须认真选择检测器的温度情况； 要考虑传感器的交叉敏感性、准确性、量程、 尺寸和其响应时间； 生产和维修的费用必须低。 适用于控制燃烧过程的传感器有：电容式(测CO2、H20)、光学式(可测C2O、C0、CH4、NO、N02、S02)、热导式(测H2、CH4)、热敏传感器(测可燃性气体的“反响热)、液体电解质电化电池(可测H2、CO、CH4、NO、N02、S02、02以及其他气体)、固体电解质电化电池(可测H2、02、CO)、半导体传感器(可测H2、02、CO、CH4、N02)等。 可以采用调节空燃比的方法来控制锅炉燃烧

8、，更多的方法是控制空气总流量。通常用一个电离探头来确定燃烧质量，一个专用检测系统对电离信号进行精确探测和分析(它的内部装有一台计量仪表，可以提供一个矩形电源电压，从而确保获得非常准确的电离信号)。在一个全面的测试程序中，电离电流、最初空燃比、风扇电源电压的特殊函数被集合到一起，在此根底上设计一个闭环控制系统：包括电器开启、校准以及适当的动态设定点和调解器控制。这样最终形成了一个可以调节最初空燃比的闭环控制系统，无论可燃气体的组分和电器的热负荷如何，系统都能保证长期的低污染物排放。 2智能座便器 随着技术的进步，抽水马桶越来越高级，现在也采用了高新技术。其主要功能有： 1)便座加热功能：有多档温

9、度调节功能。2)温水冲洗功能：水温设多档可调。3)瞬间即热式：在启动30s后加热至设定温度。4)超强的喷头自洁功能。5)耐高水压水路系统。6)热风烘干功能：冲洗结束后即可进行热风烘干，有冷风、温风、热风三档可选择。7)触媒除臭功能。8)可靠的平安保护功能：整机电源通过漏电保护插头引入，确保用电平安。水箱加热系统设置可靠的防止过热及防止干烧的保护装置；暖座系统及暖风烘干系统均设置防过热装置。9)遥控功能：由座便器上的红外线接收口，接收来自遥控器的信号。 日本东陶公司研制出一种“电脑医学计测器，把它与马桶连接在一起，以便对人进行快速健康检查。当早晨起床后，尿液在便器中盘旋而下时，由电子传感器检测尿

10、液中的尿糖、尿蛋白、红白血球以及酮(肝新陈代谢的一种指标，可以检查肝脏是否有病)等，只需5min，就可将化验结果及经过电脑分析的结论送到显示屏上。只要将一只手指伸进脸盆的装置中，就可测出脉搏、血压和体温；只要人一坐到马桶上，就可测出体重。这些数据会自动记录并存储起来，而且能自动送到主治医生那里。假设是发现有什么病症苗头或疑问，医生就会请你去复查。 3家电状态自动监控系统 如下页图所示，系统由3局部组成：CAN、智能控制器和Internet。CAN就是通过CAN总线把家庭安防、远程抄表、环境调节、娱乐功能和家电控制等节点模块组成家庭局域网，以实现数据和控制信息的快速传输，各个节点模块是由8位MC

11、U+CAN控制器+CAN收发器+相应的传感器/控制器组成，我们把各个节点模块称之为智能节点；智能控制器选用的是Philips公司的内部集成CAN控制器的32位微处理器LPC2294，只需连接CAN收发器即可成为CAN的一个节点，这样再通过扩展网络接口就实现了CAN与Internet的信息交换，到达远程监控的目的；Internet的开展极大地加快了信息的传递，任何接入互联网的电脑都可以用来用作监控系统，当然平安性也是必须考虑的。 监控系统主要完成以下功能： 1)家庭安防：平安是居民对日常生活的首要要求，安防因此成为远程家庭信息监控系统的首要组成局部，例如：红外报警、门窗磁报警、紧急求助报警、燃气

12、泄漏报警、火灾报警(电子鼻、嗅觉分析仪)等。当红外报警装置工作时，如果家中有人走动，系统就会自动通过蜂鸣器和语音实现本地报警；同时，报警信息会被及时地传到物业中心或110报警中心，还可以自动拨号到指定的 或 上。 2)远程秒表：水、电、气表的远程自动抄收计费是物业管理的重要局部，实现三表的自动抄表计费，解决了入户抄表的低效率、不平安和对住户造成干扰等因素。 3)家电控制：通过统一的家电联网接口，将网络家电和远程家庭信息监控系统相连，组成网络家电系统，实现家用电器的远程监控和故障诊断等功能。 4)环境调节：室内的环境是人们居住首先考虑的因素。环境调节是智能家居的主要组成局部，例如：温度设定，用户

13、可任意设定室内的温度；温度控制，监测当前室内温度值。该值被送给空调机组，其与设定值的差值送给自己的空调末端设备控制节点。 5)娱乐功能：包括视听娱乐和游戏等，视听娱乐包括TV播放、家庭影院、投影机、电视自动录像等。4效劳机器人 机器人(Robot)一词来源于1920年捷克作家所编写的戏剧?洛桑万能机器人公司?的剧本之中，在那里机器人被描写成像奴隶那样进行劳动的机器。那时，机器人只不过是作家臆想的像人一样服从主人旨意的奴仆。过了30年左右，1954年，美国成功地研究制造出世界上第一个工业机器人，以后，各国研制的机器人相继产生。而效劳机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、

14、救援、监护等工作。国际机器人联合会经过几年的搜集整理，给了效劳机器人一个初步的定义：效劳机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有意于人类健康的效劳工作，但不包括从事生产的设备。这里，我们把其他一些贴近人们生活的机器人也列入其中。 应该看到，一方面随着信息高速开展和生活、工作节奏的加快，人们需要从繁杂的家庭劳动中解脱出来；另一方面随着我国老龄化越来越严重，更多的老人需要照顾，老龄化家庭结构必然使更多的年轻家庭压力增大，而且生活节奏的加快和工作的压力，也使得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子，随之酝酿而生的将是广阔的家庭效劳机器人市场，例如家庭护理机器人、玩具机器人、安控机器人、清洁机器人

15、都将是最为需要的。 日本是世界上开展效劳型机器人最早的国家，目前已有10多种效劳型机器人问世。2005年9月，开始向市场推出一种可以识别1万个单词的智能机器人；可以为主人充当“家庭保姆，这是市场上首次出售用于家庭生活的可以与人交流的智能机器人，说明日本家庭已迎来机器人保姆时代。 富士通的效劳机器人 沈阳生产的迎宾机器人 机器人能力的评价标准包括： 智能指感觉和感知，包括记忆、运算、 比较、鉴别、判断、决策、学习和 逻辑推理等； 机能指变通性、通用性或空间占有性 等； 物理能指力、速度、连续运行能力、 可靠性、联用性、寿命等。 因此，可以说机器人是具有生物 功能的空间三维坐标机器。 机器人所用传

16、感器有如下几个方面： 1)视觉传感器20世纪50年代后期出现，开展十分迅速，是机器人中最重要的传感器之一。机器视觉从20世纪60年代开始首先处理积木世界，后来开展到处理现实世界。20世纪70年代以后，实用性的视觉系统出现了。视觉一般包括3个过程：图像获取、图像处理和图像理解。 2)力觉传感器机器人力传感器就安装部位来讲，可以分为关节力传感器、腕力传感器和指力传感器。 3)触觉传感器作为视觉的补充，触觉能感知目标物体的外表性能和物理特性：柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。 4)接近觉传感器研究它的目的是使机器人在移动或操作过程中获知目标(障碍)物的接近程度，移动机器人可以实现避障，操作机器人

17、可防止手爪由于接近速度过快造成的对目标物冲击。 机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。 执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副(转动副或移动副)常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置形式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部(夹持器或末端执行器)和行走部(对于移动机器人)等。 检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，反响给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的

18、动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各局部的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反响信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之到达更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉，向智能化开展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反响回路，从而将大大提高机器人的工作精度。 控制系统有两种方式： 一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。 另一种是分

19、散(级)式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通信、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反响信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力(力矩)控制。 5家庭自动化 随着电子技术的开展，消费电子产品已与计算机、通信两项产品的技术结合在一起，成为目前所通称的3C产品，并使家用电子电器产品步向家庭自动化的方向。故家庭自动化是利用微处理电子技术，来集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如：

20、照明、电脑设备、保安系统、暖气及冷气系统、视频及音响系统等。家庭自动化系统主要是以一个中央微处理机接收来自相关电子电器产品(外界环境因素的变化，如太阳初升或西落等所造成的光线变化等)的信息后，再以既定的程序发送适当的信息给其他电子电器产品。中央微处理机必须透过许多界面来控制家中的电器产品，这些界面可以是键盘，也可以是触模式荧幕、按钮、电脑、 机、遥控器等；消费者可(如用3G 等手段)发送信号至中央微处理机，或接收来自中央微处理机的信号。 家庭自动化是智能家居的一个重要系统，在智能家居刚出现时，家庭自动化甚至就等同于智能家居，今天它仍是智能家居的核心之一，但随着智能家居的普遍应用，网络家电信息家

21、电的成熟，家庭自动化的许多产品功能将融入到这些新产品中去，从而使单纯的家庭自动化产品在系统设计中越来越少，其核心地位也将被家庭网络家庭信息系统所代替。它将作为家庭网络中的控制网络局部在智能家居中发挥作用。 2. 家用轿车 汽车已经进入我国家庭，成为很多家庭的必备。汽车是最重要的现代化交通运输工具之一，是科学技术开展水平的标志。汽车工业是资金密集、技术密集、人才密集、综合性强、经济效益高的产业，世界各工业兴旺国家几乎都把它作为国民经济的支柱产业。现代汽车上采用了大量的新材料、新工艺和新结构，特别是现代化的微电子控制技术的应用，大大地提高了汽车的性能。毫无疑问，汽车是一种高科技产品。汽车工业的开展

22、可以带动机械制造、电子技术、橡胶工业和城市道路交通等相关行业的开展，对社会经济建设和科学技术进步有着重要的推动作用。 汽车工业的开展略。 我国汽车工业与兴旺国家相比，还有一定的差距，在汽车的品种、产品的质量和档次上还有待提高开展。但是，我国汽车工业经过几十年的创业、稳固、调整和开展，已形成了相当规模的生产能力和明确的开展方向。 汽车电子系统可分为两大类： 汽车电子控制装置，包括动力总成控制、底盘和车身电子控制、舒适和防盗系统； 车载汽车电子装置，包括汽车信息系统(车载电脑)、导航系统、汽车视听娱乐系统、车载通信系统、车载网络等，如下页图所示。 1. 汽车传感器 现代汽车电子控制中，传感器广泛应

23、用在发动机、底盘和车身的各个系统中。汽车传感器是汽车计算机系统的输入装置，在系统中担负着信息的采集和传输功用，它把汽车运行中的各种工况信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电信号输给计算机(电子控制单元)，由电脑进行处理后，形成向执行器发出的指令，以便发动机处于最正确工作状态。 汽车传感器是汽车电子控制系统(见下页图)的信息源，是其关键部件，普通轿车约安装几十到近百只传感器，豪华轿车的传感器数量可多达二百余只。核心技术内容： 发动机有温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆燃等传感器，向发动机的电子控制单元提供发动机的工作状况信息，对发动机的工作状况进行精确控制； 底盘有车速

24、、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温等传感器，控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等； 车身有温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、雨滴、测距、图像等传感器，用以提高汽车的平安性、可靠性和舒适性等。 汽车用重要传感器例： 1空气流量传感器 空气流量传感器是将吸入的空气转换成电信号送至电控单元(ECU)，作为决定喷油的根本信号之一。 2进气压力传感器 进气压力传感器可以根据发动机的负荷状态测出进气气管内的绝对压力，并转换成电信号而后与转速信号一起送入ECU，作为决定喷油器根本喷油量的依据。目前广泛采用压敏电阻式进气压力传感器。 3节气门位置传感器 节气门位置传感器安装

25、在节气门上，用来检测节气门的开度。它通过杠杆机构与节气门联动，进而反映发动机的不同工况。工况检测后输入电控单元，从而控制不同的喷油量。 4曲轴位互传感器 5爆燃传感器 6气体浓度传感器 7转向盘转角传感器 8横摆角速度传感器 9纵向横向加速度传感器 10轮速传感器 11测速传感器 12测距传感器 13汽车导航仪 等 2、车辆控制系统 从汽车工业开展状况来看，随着汽车保有量的日益增多，各国都面临着严重的汽车排放污染、能源危机和汽车行驶平安性、舒适性等问题。与此同时，各国针对上述问题出 台了一系列的法规，迫使其在世界范围内对汽车产品进行技术革新。为解决汽车的污染、节能、平安等问题，广泛采用了电子控

26、制技术，如电控喷射技术、电控自动变速系统、防抱死制动技术等，新的汽车电子产品层出不穷。 从汽车技术的现状和开展来看，微电子、计算机和自动控制技术相结合的电子控制技术是支撑现代汽车开展过程的一个根底技术。它不是简单地对汽车零部件进行控制，而是根据汽车实际使用条件多变的需要，对汽车整体性能进行优化控制。 1电控单元(ECU) ECU是汽车电子系统的控制中心，其主要作用是分析处理传感器采集到的各种信息，并向受控装置(执行器或执行元件)发出控制命令。ECU由输入电路、微机和输出电路等3局部组成。输入电路接受传感器和其他装置输入的信号，对信号进行滤波和放大，然后转换成一定电平的输入电压。从传感器送到EC

27、U输入电路的信号既有模拟信号也有数字信号，输入电路中的模数转换器可以将模拟信号转换为数字信号，然后传递给微机。微机将上述已经预处理过的信号进行运算处理，并将处理数据送至输出电路。输出电路将数字信息的功率放大，有些还要复原为模拟信号，使其驱动被控的调节伺服元件工作。 目前在一些中高级轿车上，不但发动机上应用ECU，在其他许多地方都可发现ECU的踪影。例如防抱死制动系统、4轮驱动系统、电控自动变速器、主动悬架系统、平安气囊系统、多向可调电控座椅等都配置有各自的ECU。随着轿车电子化自动化的提高，ECU将会日益增多，线路会日益复杂。为了简化电路和降低本钱，汽车上多个ECU之间的信息传递就要采用一种称

28、为多路复用通信网络技术，将整车的ECU形成一个网络系统，也就是CAN数据总线。 2防抱死制动系统(ABS) 该系统在制动过程中可自动调节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最正确制动效果。通常，汽车在制动过程中存在着两种阻力：一种阻力是制动器摩擦片与制动鼓或制动盘之间产生的摩擦阻力，这种阻力称为制动系统的阻力，由于它提供制动时的制动力，因此也称为制动系制动力；另一种阻力是轮胎与道路外表之间产生的摩擦阻力，也称为轮胎道路附着力。如果制动系制动力小于轮胎道路附着力，那么汽车制动时会保持稳定状态，反之，如果制动系制动力大于轮胎道路附着力，那么汽车制动时会出现车轮抱死和滑移。 如果前轮抱死，汽车根本上沿直线

29、向前行驶，汽车处于稳定状态，但汽车失去转向控制能力，这样驾驶员制动过程中躲避障碍物、行人以及在弯道上所应采取的必要的转向操纵控制等就无法实现。如果后轮抱死，汽车的制动稳定性变差，在很小的侧向干扰力下，汽车就会发生甩尾，甚至调头等危险现象。尤其是在某些恶劣路况下，诸如路面湿滑或有冰雪，车轮抱死将难以保证汽车的行车平安。另外，由于制动时车轮抱死，从而导致局部急剧摩擦，将会大大降低轮胎的使用寿命。ABS通过控制作用于车轮制动分泵上的制动管路压力，使汽车在紧急制动时车轮不会抱死，这样就能使汽车在紧急制动时仍能保持较好的方向稳定性。在没有装备ABS的汽车上，如果在雪地上制动，汽车很容易失去方向稳定性；同时驾驶员如果想停车，必须使用液压调节器(又称执行器)。反之，如果汽车上装备有ABS，那么ABS能自动向液压调节器发出控制指令，因而能更迅速、准确而有效地控制制动。 (