第十三章检测技术综合应用

第十三章检测技术的综合应用

章节导入：我们已经学习了几十种传感器的结构和工作原理，但是在实际使用时，不是单独使用一个传感器来组成仪表，而是检测系统的综合应用。本章要点：学习检测技术在测量、控制系统中的综合应用，以及如何将多种传感器与计算机组成智能化系统，并了解检测系统中常用的部件。2/5/20231检测技术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、转速、振动、位移、应力、燃烧状况等热工、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，供计算机采样和运算。

2/5/20232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：1.智能仪器2.个人仪器3.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。2/5/20233智能仪器的芯片及模块举例

51系列单片机芯片2/5/20234智能仪器举例

最低、最高温度2/5/202352.个人仪器

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。

2/5/20236个人仪器与智能仪器的区别

研制者不必象研制智能仪器那样去研制微处理器及相关电路，而是利用成熟的个人计算机技术，将精力放在硬件接口模块和软件开发上。硬件方面已有与各种传感器配套的接口板，软件方面，有成熟的工控软件，可调用现成模块，不用编写底层软件。组装个人仪器时，将传感器信号接在相应的接口板上，再将接口板插在相应的USB接口或总线扩展槽中，配以相应的软件，就可以完成自动检测功能。

2/5/20237（1）个人仪器工业计算机（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。2/5/20238工控箱的工业级底板（参考研祥智能科技有限公司资料）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2/5/20239工控机的数据采集卡

ISA数据采集卡ISA数据采集卡的插脚间隔为2.54mm（0.1英寸）2/5/202310工控机的数据采集卡PCI数据采集传输卡2/5/202311ISA槽与PCI槽的外形区别ISA槽PCI槽将功能卡插到ISA槽中功能卡的镀金脚2/5/202312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2/5/202313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2/5/202314其他端子扩展板

34芯排线插座37芯排线插座2/5/202315数据采集便携式工控整机

2/5/202316（2）笔记本电脑数据采集整机

信号从USB插口输入2/5/202317笔记本电脑数据采集整机

USB接口盒及接口线信号输入利用USB扩展插头可配接多个接口盒2/5/202318USB接口卡及USB线2/5/202319（3）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，插入到嵌入式计算机的总线接口中，就可以构成数据采集系统。2/5/202320各种嵌入式计算机数据采集卡2/5/2023213、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Internet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。

2/5/202322网络化仪表示意图工业总线

2/5/202323网络化仪表工业总线

局域网2/5/202324

钢厂自动化监控系统实例2/5/202325

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2/5/202326第二节带计算机的检测系统简介

本章介绍现代检测系统中较为简单的智能仪器和个人仪器的组成方法，并将它们统称为带微机的检测系统。自动测试系统本章不做学习。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。2/5/202327二、带计算机的检测系统的工作流程

在这里只学习检测系统巡回检测概念和软件抗干扰技术，不涉及软件编程:

1、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信号。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”。2/5/2023288通道巡回检测数据采集器8个传感器信号输入端口2/5/2023292、在工业中经常采用如下软件抗干扰技术：即简易数字滤波技术概念对存在干扰和随机误差的信号进行等精度快速多次采样，然后先舍去第一个采样值，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。

2/5/202330三、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，驱动功率约几十毫瓦。耗电较大、速度较慢是干簧继电器的主要缺点。

干簧管2/5/202331

(2)CMOS模拟采样开关

CMOS模拟采样开关是一种传输模拟信号的可控半导体开关。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108Ω。CMOS模拟开关的优点是集成度高，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。CMOS模拟采样开关2/5/2023322.放大器

从传感器来的信号有许多是毫伏级的弱信号，须经放大才能进行A/D转换。系统对放大器的主要要求是：精度高、温度漂移小、共模抑制比高、频带宽的直流放大器。目前常用的放大器有以下三种型式：一种是高精度、低漂移的双极型放大器。例OP07另一种是CMOS斩波、自稳零集成运放。有温漂低、共模抑制比高，但有斩波噪声的特点。ICL7650第三种为隔离放大器，它带有光电隔离或变压器隔离的低漂移信号放大器，以及一个高隔离的DC/DC电源。2/5/202333精密隔离放大器举例

线性误差：小于0.01%

输入阻抗：1MΩ

隔离度：2500V/50Hz/1min

工作温度：-10℃～+60℃2/5/2023343.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，精度也越高，但价格也相应提高；后者转换速度较慢（每秒10次左右），但价格便宜。常见的有3位半、4位半等规格。

2/5/202335A/D转换器的光耦接口电路举例

在A/D转换器输出端与微机插入高速光耦合器，切断微机数字地与放大器模拟地之间的联系，使放大器浮置，提高系统的抗干扰能力，这种隔离方式是A/D转换器后隔离方式。2/5/2023364.D/A转换器（DAC）

计算机运算处理后的数字信号有时必须转换为模拟信号，才能用于工业生产的过程控制。它的输入是计算机送出的数字量，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。2/5/202337

D/A转换器的光耦接口电路举例

4~20mA2/5/202338四、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、计时/计数模板、中断控制模板、温度输入控制模板等。用户不必自行设计接口电路，只要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2/5/202339可编程序控制器中的光耦接口电路分析举例

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

当现场开关S（例如行程开关）闭合时，VL1导通，反相器IC2的输出是低电平，LED亮。2/5/202340第三节带计算机的检测技术应用实例

一、陶瓷隧道窑温度、压力监测控制系统

检测燃烧室的温度及压力，控制每个喷油嘴及风道蝶阀的开闭程度，使整个过程符合给定的烧制指标，同时可使油耗降低、废品率降低，经济效益明显。该系统涉及热工参数的测量。它采用工控机，它带有硬盘、总线接口、彩色显示器、打印机等。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，其中装有定时器、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。2/5/202341隧道窑外形

2/5/202342隧道窑计算机检测控制系统框图

煤气喷嘴2/5/202343隧道窑计算机检测控制系统分析1、检测部分的控制原理：系统测温点20点，选用分度号K（镍镉-镍硅）测量较低的预热带温度，分度号B（铂铑30-铂铑6）及分度号R（铂铑13-铂）测量温度较高的燃烧带、烧成带、冷却带的温度。压力检测4点，采用YSH-1压力变送器。输出信号经CMOS模拟开关切换后送到公用前置放大级。经过低温漂、高精度的“仪用测量放大器”将-50—+50mV的热电势放大-5—+5V，采用12位ADC将模拟电压转换为000H—0FFFH，将结果存储计算机内存中。2、控制部分的工作原理：系统开始工作时，从硬盘调用用户程序及有关参数，数据采集后，进行中值滤波，将测量值进行数据处理，温度补偿、线性化，得到精确结果，进行PID运算。采用12路8位数模转换器获得4～20mA的电流输出，经伺服电机放大器控制隧道窑喷油嘴及风道蝶阀闸板的开合度。2/5/202344二、智能化流量积算仪

所谓智能化流量积算仪，就是使用计算机技术，将一次仪表送来的流量信号对时间作积分，求出流量累积总量的仪器。

2/5/202345智能化流量积算仪原理（以上图NY-Ⅰ型为例）

待测量：

智能化流量积算仪采用差压法测量瞬时流量，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。检测过程：

先由标准的一次仪表转换为4～20mA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（250.０Ω）转换成４个低内阻的1～5V电压信号：U⊿p、Up、Ut、Uto。上述四个电压信号按顺序轮流通过采样继电器K1～K2传送至模/数转换器的输入端，再经光耦，由单片机计算出累积流量。

2/5/202346NY-Ⅰ型智能化流量积算仪计算机接口电路原理框图

2/5/202347三、传感器在模糊控制洗衣机中的应用

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。

2/5/202348模糊洗衣机的模糊推理2/5/202349传感器在模糊控制洗衣机中的应用原理

1、布量和布质判断不同布量和布质产生布阻抗大小、性质不同，导致洗衣机电动机启停过程、时间不同，微处理器根据预先输入的经验公式判断出布量和布质，觉得搅拌和洗涤方式。2、水位判断

不同布量需要不同水位，水位越高，对水位传感器膜盒的压力越大，微处理器根据输出判断到达预计的水位与否。3、水温判断水温高，洗涤效果好，节省时间。微处理器根据不同布质决定水温高低，可由半导体集成温度传感器测定。4、水的浑浊度测定用红外光电对管完成，安装在排水阀的上方。给红外LED通以恒定电流，发出红外光透过排水管中的水柱到达光敏三极管，光强反映水的浑浊度。直到水质变清、无泡沫、透明度达到设定值时，衣物漂洗干净，洗涤过程结束。

2/5/202350第四节传感器在现代汽车中的应用

2/5/202351一、汽车结构及工作过程概述

汽车类型繁多，结构比较复杂，大体可分为发动机、底盘和电气设备三大部分，按传感器较多的部分可分成燃料系、点火系、传动系、轿厢系等几个系统，每一部分均安装有许多检测和控制用的传感器。汽车发动机发动机是汽车的动力装置，其作用是使吸入的燃料燃烧而产生动力，通过传动系统，使汽车行驶。汽油发动机主要由汽缸、燃料系、点火系、起动系、冷却系及润滑系等组成。汽车的工作过程均是在电控单元ECU控制下进行的。2/5/202352福特林肯Navigator底盘发动机传动轴排气管前刹车盘后轮悬挂减速箱2/5/202353汽车发动机的解剖图2/5/202354与发动机配套使用的各种传感器进气压力传感器曲轴位置传感器进气压力、温度传感器

2/5/202355ECU结构

a）外形b）ECU内部原理框图及输入/输出信号发动机起动，燃料燃烧、点火，曲轴运动，车轮转动工作过程是在电控单元ECU控制下进行。2/5/202356各种ECU外形（参考北京元业隆公司资料）

2/5/202357汽车ECU的应用

ECU用于控制方向盘的助力系统2/5/202358ECU在汽车四轮独立悬挂避振中的应用前悬挂后悬挂

为了减小汽车在崎岖的道路上的颠簸，提高舒适性，ECU还能根据四个车轮的独立悬挂系统的受力情况，控制油压系统，调节四个车轮的高度，跟踪地面的变化，保持轿厢的平稳。

2/5/202359ECU用于防碰撞和控制安全气囊

传感器将速度、距离等与碰撞有关的参数传送给ECU。2/5/202360汽车避撞系统原理框图安全气囊2/5/202361

ECU在接收到碰撞传感器的信号后，打开折叠式安全气囊。折叠式安全气囊2/5/202362二、传感器在汽车运行中的作用

2/5/202363空气系统中的传感器

为了得到最佳的燃烧状态和最小的排气污染，必须对油气混合气中的空气-燃油比例（空燃比）进行精确的控制。空气系统中传感器的作用是计量和控制发动机燃烧所需要的空气量。空气进气量还与油门踏板有关。驾驶员通过操作油门踏板控制进气道的节气门开度，以改变进气流通截面积，从而控制进气量，由此控制发动机的功率。ECU必须知道节气门的开度，才能控制喷油器的喷油量。

2/5/202364空气流量传感器

空气流量传感器有多种类型，使用较多的有热丝式气体测速仪以及卡门涡街流量计。

2/5/202365节气门及节气门角位移开度传感器节气门角度位移传感器节气门2/5/202366

受ECU控制的喷油器2/5/202367汽车水温传感器

2/5/202368氧含量传感器在汽车中的应用

当汽车节气门的开合度不正确时，汽缸中的燃油燃烧可能不正常。通过测量尾气的氧含量，并将信号传输给ECU，从而改变节气门的开合度，使燃