自动检测技术及应用：第十三章 传感器在现代检测系统中的综合应用

1、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（下）第十三章传感器在现代检测系统中的应用 目 录进入进入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

2、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

3、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

4、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

5、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IS

6、A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

7、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

8、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

9、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；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。

10、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”。 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

11、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

12、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。 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

13、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

14、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，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

15、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

16、：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. 陶瓷隧道窑温度、压力监测控制系统 该系统涉及热工参数的测量，它采用工控机。该系统将巡回数据采集电路及控制电路装在独立的接口箱中，接口箱中有定时器、计数器、并行输入输出接口等，接口箱与主机之间通过并行接口插卡与计算机通信。 隧道窑外形 隧道窑计算机检测控制系统框图 2. 智能化流量积算仪 使用计算机技术，将一次仪表送来的瞬时流量q对时间t

17、作积分，求出流量累积总量q总：也可将短暂时段ti与该时段的瞬时流量qi的平均值相乘，并对乘积进行累加，从而得到累积流量： 智能化流量积算仪原理智能化流量积算仪采用差压法测量瞬时流速，因此必须首先测出差压p。由于温度和压力会引起流体的密度的变化，有时还需要进行温度补偿和压力补偿，所以必须测出流体的温度和压力。如果使用热电偶， 还必须测量热电偶的冷端（室温） 温度。上述四种信号先由标准的一次仪表转换为420mA 的电流信号，经信号传输线传送到本积算仪的输入端，再用取样电阻（250.）转换成个低内阻的15V电压信号：Up、Up、Ut、Uto。上述四个电压信号按顺序轮流通过采样继电器K1K2传送至模/

18、数转换器的输入端，再经光耦，由单片机计算出累积流量。智能化流量积算仪原理框图 智能化流量积算仪的设计要点 单片机必须将瞬时流量对时间作积分运算，本项目中，单片机在标准的时间段（例如1s）内，对V/F转换器输出的脉冲数进行累加计数，就可以达到近似于积分的目的。为了显示累计结果，一般必须设置6位或更多的数码管。为了选择显示吨、或千克、或立方米等不同的单位，也为了选择显示瞬时流量还是累计流量，积算仪面板上还必须设置选择按键，由单片机读取不同的选择方式，并在数码管的右边显示出相应的单位。使用多只光耦，能将左边的传感器回路及继电器与右边易受干扰的单片机回路隔离开来。3. 传感器在模糊控制洗衣机中的应用

19、所谓模糊控制系统是模拟人智能的一种控制系统。它将人的经验、知识和判断力作为控制规则，根据诸多复杂的因素和条件作出逻辑推理去影响控制对像。 模糊洗衣机能自动判断衣物的数量（重量）、布料质地（粗糙、软硬）、肮脏程度来决定水位的高低、洗涤时间、搅拌与水流方式、脱水时间等，将洗涤控制在最佳状态。不但使洗衣机省电、省水、省洗涤剂，又能减少衣物磨损。 模糊洗衣机的模糊推理 模糊控制洗衣机中的传感器 1脱水缸（内缸）2外缸 3外壳 4悬吊弹簧(共4根)5水位传感器6布量传感器7变速电动机 8带轮 9减速、离合、 刹车装置 10排水阀 11光电传感器第二节 基于虚拟仪器的检测系统虚拟仪器的概念是美国国家仪器公

20、司（NI）于1986年提出的。它引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以进入仪器领域，从而开创了“软件就是仪器”（The Software is the Instrument）的先河。虚拟仪器（VI）是指：在以通用计算机为核心的硬件平台上，用途由用户自己定义的、测试功能由测试软件实现的、具有虚拟面板的一种计算机仪器系统。虚拟仪器可以代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等 。回目录虚拟仪器的特点 1）突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，增强了传统仪器的功能。2）实现了部分仪器硬件的软件化，增加了系统的灵活性；可实时、直接地对测试数据进行

21、各种分析与处理；通过图形用户界面技术，实现了界面友好、人机交互。 3）基于计算机总线，硬件实现了模块化、系列化，大大缩小了系统尺寸。 4）基于计算机网络技术和接口技术，广泛支持诸如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各种工业总线标准，可方便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的网络化。 虚拟仪器用PC机仪器板卡 代替传统仪器用计算机软件 代替硬件分析电路虚拟仪器与传统仪器的性能比较 传统仪器虚拟仪器功能由仪器生产厂家定义功能由用户定义与其他设备连接受限可方便地连接到网络及其他外围设备图形界面小，信息量小全汉化图形界面，信息量大信号电缆和开关多，操作复杂采用虚拟旋钮，故障率低，有操作保

22、护系统封闭，功能固定，扩张性低系统开放、灵活，可构成多种仪器测试系统开发时间长测试系统开发时间短数据无法编辑数据可编辑、存储、打印硬件是关键，必须由专业厂家升级软件是关键，升级方便仪器间一般无法通用，昂贵仪器之间利用率高，整体价格相对便宜技术更新慢（周期为510年）软件技术更新快（周期为12年）开发和维护费用高基于软件体系的开发和升级，费用较低虚拟仪器结构框图 传统仪器由信号采集、信号处理、结果表达以及仪器控制等4部分组成，大多是用电子线路来实现的。在虚拟仪器中，信号采集和A/D、D/A转换仍由硬件实现，而信号处理和结果表达用软件实现。虚拟仪器通常由三大功能块组成：模块化数据采集硬件、计算机硬

23、件平台和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件组成。虚拟仪器体系结构图LabVIEW简介 LabVIEW是基于C语言的、革命性的图形化开发语言，用来进行数据采集和控制、数据分析和表达。它的目标是简化程序的开发工作，让工程师和科学家能充分利用PC的功能，快速、简便地完成自己的工作。二十余年的不断充实，使LabVIEW成为丰富、强大的实用工具软件包。它的内部配有GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的库函数，以及全球数百家厂商的仪器驱动程序。围绕这些核心软件还陆续开发出多种附件。使用LabVIEW编程时，主要是“绘制”程序流程图。LabVIEW在虚拟仪器中的应用在LabVIEW中开发的程序称为

24、VI，其扩展名为“.vi”。VI包括三个部分：前面板（Front Panel）、程序框图（Block diagram）和图标/连接器（Icon and connector pane）。程序框图是定义VI功能的程序源代码。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由“端口”、“节点”、“图框”和连线构成。其中端口用来完成程序前面板的控制以及显示、传递数据。节点用来实现函数和功能调用，图框用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，从而定义框图内的数据流动方向。虚拟仪器的软件开发平台 虚拟仪器应用软件的

25、编写大致可分为两种方式： 1）用通用编程软件进行编写。主要有Microsoft公司的虚拟仪器Visual Basic和虚拟仪器Visual C+、Borland公司的Delphi和Sybase公司的Power Builder等； 2）用专业图形化编程软件进行开发。如HP公司的VEE、NI公司的LabVIEW和Lab windows/CVI等。 LabVIEW与其他系统的结合使用用LabVIEW编写的虚拟仪器面板 传统仪器只有一块仪器面板；虚拟仪器的“面板”可根据用户自己定义。 仪器的操作是通过鼠标选中不同的按键和旋钮来完成的。 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。

26、输入量称为控制器，输出量称为显示器。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。LabVIEW程序在LabVIEW中开发的程序都被称为VI。VI包括三个部分：1.前面板（Front Panel）；2.程序框图（Block Diagram）；3.图标/连接器（Icon and Connector Pane）程序框图程序框图是定义VI功能的程序源代码。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由“端口”、“节点”、“图框”和连线构成。 心电信息系统的虚拟仪器面板声级计

27、的虚拟面板声级计的虚拟面板（续）声级计的测试效果1声级计的虚拟面板（续）声级计的测试效果2虚拟仪器的面板（续）单踪频域谱阵便携式和台式虚拟仪器外形虚拟仪器软件总线体系结构DAQ系统的组成 DAQ（数据采集）系统从真实世界捕捉并传输物理量，从传感器等设备收集和测量被测信号，并将它们送到计算机进行处理。DAQ系统的基本组成部分和功能（1）首先由传感器、变换器将被测量转变为可测量的电信号。（2）信号是DAQ系统中的传感器、变换器的产物。（3）信号调理的功能：减小噪声、使信号适合于测量。常用的信号调理有放大、线性化、隔离和滤波等。（4）计算机平台用于获取、测量和分析数据的硬件设备。（5）软件完成测量和

28、控制应用程序的设计和编程。DAQ系统的特点DAQ系统是指基于PC标准总线的数据采集功能模块，也称为数据采集卡。有各种性能和功能的系列DAQ功能模块可供用户选择使用。在PC上挂接DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台虚拟仪器。市场上的数据采集卡都有专门配套的驱动程序，甚至有的驱动程序可以在不同的高级语言中被调用，可以实现数据采集卡的识别与数据传输，这就在使用上大大减少了使用的难度以及复杂性。DAQ系统的功能和分类（1）功能 将传感器、变送器等被测量,如光、温度、压力或振动等转变为可测量的电信号的装置；信号调理：信号调理是指连接到DAQ系统的硬件,可控增益放大或衰减,信号经滤波、隔离、整形

29、等，使其适合于处理。（2）数据采集卡的品种：按采集对象，可分为：模拟量输入输出、数字量输入输出、定时/计数等三种；按接入的总线，可分为：USB、PXI、PCI、PCI Express、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等；按隔离方式，可分为：隔离和非隔离；按采集速度，可分为：采样速度可分成高速和低速；按分辨力，可分为：12位、16位、24位等；按通道数,可分为:8、16、32、64、128通道等。虚拟仪器的DAQ板卡基于PC的 WE7000模块式接口DAQ系统DAQ系统的组成DAQ的I/O接线盒 使用100针连接器，将I/O信号连接到插入式D

30、AQ上。4路24位热电偶输入通道 DAQ 与J、K、R、S、T、N、E和B热电偶兼容，即插即用的USB连接。驱动软件支持Mac OS X和Linux系统基于PC-DAQ的数据采集系统的结构图系统软件部分主要由数据采集模块、数据分析模块和数据显示模块三部分构成。前端预处理电路包括增益控制电路、低通滤波电路等。低通滤波电路起抑制高频噪声及对信号预处理功能。五、虚拟仪器技术的应用实例 东风135高速柴油机的台架试验柴油机台架试验软硬件结构框图1. 数据采集卡的选择可以采用NI公司生产的NI USB-6009型数据采集卡。它是一块基于14位USB总线的多功能采集卡，8通道的14位模拟输入、两个模拟输出、12根数字I/O线，以及一个32位定时器。模拟量输入范围是-1010V，采样速率为48KS/s，支持USB2.0即插即用。本课题可以用LabVIEW内部的DAQ库直接对端口进行操作。可以从数据采集卡的安装目录中找到内置驱动文件，复制所需的接口，将其粘贴到系统开发环境中。