第十三章檢測技術(shù)綜合應用

第十三章檢測技術(shù)的綜合應用

章節(jié)導入：我們已經(jīng)學習了幾十種傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，但是在實際使用時，不是單獨使用一個傳感器來組成儀表，而是檢測系統(tǒng)的綜合應用。本章要點：學習檢測技術(shù)在測量、控制系統(tǒng)中的綜合應用，以及如何將多種傳感器與計算機組成智能化系統(tǒng)，并了解檢測系統(tǒng)中常用的部件。2/5/20231檢測技術(shù)在控制系統(tǒng)中的綜合應用舉例

一個現(xiàn)代化火力發(fā)電廠需要多臺計算機來快速地測量鍋爐、汽輪機、發(fā)電機上許多重要部位的溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、振動、位移、應力、燃燒狀況等熱工、機械參數(shù)，還必須測量發(fā)電機的電壓、電流、功率、功率因數(shù)以及各種輔機的運行狀態(tài)，然后進行綜合處理，將各被監(jiān)測的重要參數(shù)進行數(shù)字或模擬顯示，自動調(diào)整運行工況，對某些超限參數(shù)進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械、熱工量轉(zhuǎn)換成電量，供計算機采樣和運算。

2/5/20232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。2/5/20233智能儀器的芯片及模塊舉例

51系列單片機芯片2/5/20234智能儀器舉例

最低、最高溫度2/5/202352.個人儀器

個人儀器又稱個人計算機儀器系統(tǒng)。它是以個人計算機（必須符合工控要求）配以適當?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的接口板（或接口盒）中，再將接口板插到工控機總線擴展槽中或?qū)⒔涌诤械腢SB插頭插入計算機相應的插座上，編寫相應的軟件就可以完成自動檢測功能。

2/5/20236個人儀器與智能儀器的區(qū)別

研制者不必象研制智能儀器那樣去研制微處理器及相關(guān)電路，而是利用成熟的個人計算機技術(shù)，將精力放在硬件接口模塊和軟件開發(fā)上。硬件方面已有與各種傳感器配套的接口板，軟件方面，有成熟的工控軟件，可調(diào)用現(xiàn)成模塊，不用編寫底層軟件。組裝個人儀器時，將傳感器信號接在相應的接口板上，再將接口板插在相應的USB接口或總線擴展槽中，配以相應的軟件，就可以完成自動檢測功能。

2/5/20237（1）個人儀器工業(yè)計算機（工控機）機箱

工控機的抗電磁干擾能力、防振、防潮、防塵能力均較強，有較多的擴展槽，它的電源系統(tǒng)有較好的抗電磁干擾能力。雖然工控機的價格比個人電腦貴，但可靠性強得多，性能價格比高，適合在工業(yè)現(xiàn)場條件較惡劣的場合使用。2/5/20238工控箱的工業(yè)級底板（參考研祥智能科技有限公司資料）底板上的擴展槽用于插接各種數(shù)據(jù)采集卡PCI擴展槽ISA擴展槽2/5/20239工控機的數(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）2/5/202310工控機的數(shù)據(jù)采集卡PCI數(shù)據(jù)采集傳輸卡2/5/202311ISA槽與PCI槽的外形區(qū)別ISA槽PCI槽將功能卡插到ISA槽中功能卡的鍍金腳2/5/202312端子板與功能卡的連接

端子板作為功能卡的擴展附件，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ISA槽傳感器信號線接線端子2/5/202313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PCI槽2/5/202314其他端子擴展板

34芯排線插座37芯排線插座2/5/202315數(shù)據(jù)采集便攜式工控整機

2/5/202316（2）筆記本電腦數(shù)據(jù)采集整機

信號從USB插口輸入2/5/202317筆記本電腦數(shù)據(jù)采集整機

USB接口盒及接口線信號輸入利用USB擴展插頭可配接多個接口盒2/5/202318USB接口卡及USB線2/5/202319（3）嵌入式計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

傳感器信號采集卡可多層疊合，插入到嵌入式計算機的總線接口中，就可以構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。2/5/202320各種嵌入式計算機數(shù)據(jù)采集卡2/5/2023213、自動測試系統(tǒng)

自動測試系統(tǒng)是以工控機為核心，以標準接口總線為基礎，以可程控的多臺智能儀器為下位機組合而成的一種現(xiàn)代檢測系統(tǒng)。一個自動測試系統(tǒng)還可以通過各種標準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)還可以作為服務器工作站加入到Internet網(wǎng)絡中，成為網(wǎng)絡化測試子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)測、遠程控制、遠程實時調(diào)試等。

2/5/202322網(wǎng)絡化儀表示意圖工業(yè)總線

2/5/202323網(wǎng)絡化儀表工業(yè)總線

局域網(wǎng)2/5/202324

鋼廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)實例2/5/202325

糧食溫濕度測控系統(tǒng)實例上位機（內(nèi)插CAN通信卡）溫度分線器CAN總線通風機械測濕探頭測溫電纜智能分機通風控制器濕度分線器2/5/202326第二節(jié)帶計算機的檢測系統(tǒng)簡介

本章介紹現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中較為簡單的智能儀器和個人儀器的組成方法，并將它們統(tǒng)稱為帶微機的檢測系統(tǒng)。自動測試系統(tǒng)本章不做學習。一、帶計算機的檢測系統(tǒng)的特點及功能1.性能價格比高；2.設計靈活性高；3.操作方便；4.有強大的運算功能；5.具有記憶功能；6.有自校準功能；7.能進行自動故障診斷。2/5/202327二、帶計算機的檢測系統(tǒng)的工作流程

在這里只學習檢測系統(tǒng)巡回檢測概念和軟件抗干擾技術(shù)，不涉及軟件編程:

1、巡回檢測概念：

計算機首先向多路采樣開關(guān)陣列的選通地址譯碼器寫入準備采樣的傳感器地址，由譯碼器接通該地址對應的采樣開關(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，計算機通過數(shù)據(jù)總線接受該信號。一個采樣點采樣結(jié)束后，計算機轉(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”。2/5/2023288通道巡回檢測數(shù)據(jù)采集器8個傳感器信號輸入端口2/5/2023292、在工業(yè)中經(jīng)常采用如下軟件抗干擾技術(shù)：即簡易數(shù)字濾波技術(shù)概念對存在干擾和隨機誤差的信號進行等精度快速多次采樣，然后先舍去第一個采樣值，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。

2/5/202330三、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，導通電阻接近零，驅(qū)動功率約幾十毫瓦。耗電較大、速度較慢是干簧繼電器的主要缺點。

干簧管2/5/202331

(2)CMOS模擬采樣開關(guān)

CMOS模擬采樣開關(guān)是一種傳輸模擬信號的可控半導體開關(guān)。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管導通，模擬開關(guān)處于導通狀態(tài)，導通電阻約幾歐至幾百歐（視型號而定）。當控制端處于“無效”狀態(tài)時開關(guān)截止，截止電阻大于108Ω。CMOS模擬開關(guān)的優(yōu)點是集成度高，動作快（小于1s）、耗電省等。缺點是有一定的導通電阻、各通道間有一定的漏電、擊穿電壓低、易損壞等。CMOS模擬采樣開關(guān)2/5/2023322.放大器

從傳感器來的信號有許多是毫伏級的弱信號，須經(jīng)放大才能進行A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)對放大器的主要要求是：精度高、溫度漂移小、共模抑制比高、頻帶寬的直流放大器。目前常用的放大器有以下三種型式：一種是高精度、低漂移的雙極型放大器。例OP07另一種是CMOS斬波、自穩(wěn)零集成運放。有溫漂低、共模抑制比高，但有斬波噪聲的特點。ICL7650第三種為隔離放大器，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。2/5/202333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℃2/5/2023343.A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）

放大器放大后的模擬信號必須進行A/D轉(zhuǎn)換才能由計算機進行運算處理。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，但價格也相應提高；后者轉(zhuǎn)換速度較慢（每秒10次左右），但價格便宜。常見的有3位半、4位半等規(guī)格。

2/5/202335A/D轉(zhuǎn)換器的光耦接口電路舉例

在A/D轉(zhuǎn)換器輸出端與微機插入高速光耦合器，切斷微機數(shù)字地與放大器模擬地之間的聯(lián)系，使放大器浮置，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，這種隔離方式是A/D轉(zhuǎn)換器后隔離方式。2/5/2023364.D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）

計算機運算處理后的數(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。它的輸入是計算機送出的數(shù)字量，它的輸出是與數(shù)字量相對應的電壓或電流。如果在計算機與D/A之間插入多路光耦合器就能較好地防止工業(yè)控制設備干擾計算機的工作。如果使用多路采樣保持器，只要使用一只D/A即可進行多路D/A轉(zhuǎn)換。2/5/202337

D/A轉(zhuǎn)換器的光耦接口電路舉例

4~20mA2/5/202338四、可編程序控制器中的傳感器接口板

傳感器與PLC的聯(lián)系主要是輸入接口。不同的“I/O模板”與各種不同的傳感器配套：模擬量輸入模板、開關(guān)量輸入模板、計時/計數(shù)模板、中斷控制模板、溫度輸入控制模板等。用戶不必自行設計接口電路，只要按照說明書選購不同功能的模板即可構(gòu)成完整的自動檢測控制系統(tǒng)。

三菱系列可編程控制器2/5/202339可編程序控制器中的光耦接口電路分析舉例

PLC的開關(guān)量輸入電路1—現(xiàn)場開關(guān)盒2—傳輸線3—電源4—光耦合器

當現(xiàn)場開關(guān)S（例如行程開關(guān)）閉合時，VL1導通，反相器IC2的輸出是低電平，LED亮。2/5/202340第三節(jié)帶計算機的檢測技術(shù)應用實例

一、陶瓷隧道窯溫度、壓力監(jiān)測控制系統(tǒng)

檢測燃燒室的溫度及壓力，控制每個噴油嘴及風道蝶閥的開閉程度，使整個過程符合給定的燒制指標，同時可使油耗降低、廢品率降低，經(jīng)濟效益明顯。該系統(tǒng)涉及熱工參數(shù)的測量。它采用工控機，它帶有硬盤、總線接口、彩色顯示器、打印機等。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，接口箱與主機之間通過并行接口插卡與計算機通信。2/5/202341隧道窯外形

2/5/202342隧道窯計算機檢測控制系統(tǒng)框圖

煤氣噴嘴2/5/202343隧道窯計算機檢測控制系統(tǒng)分析1、檢測部分的控制原理：系統(tǒng)測溫點20點，選用分度號K（鎳鎘-鎳硅）測量較低的預熱帶溫度，分度號B（鉑銠30-鉑銠6）及分度號R（鉑銠13-鉑）測量溫度較高的燃燒帶、燒成帶、冷卻帶的溫度。壓力檢測4點，采用YSH-1壓力變送器。輸出信號經(jīng)CMOS模擬開關(guān)切換后送到公用前置放大級。經(jīng)過低溫漂、高精度的“儀用測量放大器”將-50—+50mV的熱電勢放大-5—+5V，采用12位ADC將模擬電壓轉(zhuǎn)換為000H—0FFFH，將結(jié)果存儲計算機內(nèi)存中。2、控制部分的工作原理：系統(tǒng)開始工作時，從硬盤調(diào)用用戶程序及有關(guān)參數(shù)，數(shù)據(jù)采集后，進行中值濾波，將測量值進行數(shù)據(jù)處理，溫度補償、線性化，得到精確結(jié)果，進行PID運算。采用12路8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器獲得4～20mA的電流輸出，經(jīng)伺服電機放大器控制隧道窯噴油嘴及風道蝶閥閘板的開合度。2/5/202344二、智能化流量積算儀

所謂智能化流量積算儀，就是使用計算機技術(shù)，將一次儀表送來的流量信號對時間作積分，求出流量累積總量的儀器。

2/5/202345智能化流量積算儀原理（以上圖NY-Ⅰ型為例）

待測量：

智能化流量積算儀采用差壓法測量瞬時流量，因此必須首先測出差壓⊿p。由于溫度和壓力會引起流體的密度的變化，有時還需要進行溫度補償和壓力補償，所以必須測出流體的溫度和壓力。如果使用熱電偶，還必須測量熱電偶的冷端（室溫）溫度上述四種信號。檢測過程：

先由標準的一次儀表轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號，經(jīng)信號傳輸線傳送到本積算儀的輸入端，再用取樣電阻（250.０Ω）轉(zhuǎn)換成４個低內(nèi)阻的1～5V電壓信號：U⊿p、Up、Ut、Uto。上述四個電壓信號按順序輪流通過采樣繼電器K1～K2傳送至模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，再經(jīng)光耦，由單片機計算出累積流量。

2/5/202346NY-Ⅰ型智能化流量積算儀計算機接口電路原理框圖

2/5/202347三、傳感器在模糊控制洗衣機中的應用

所謂模糊控制系統(tǒng)是模擬人智能的一種控制系統(tǒng)。它將人的經(jīng)驗、知識和判斷力作為控制規(guī)則，根據(jù)諸多復雜的因素和條件作出邏輯推理去影響控制對像。模糊洗衣機能自動判斷衣物的數(shù)量（重量）、布料質(zhì)地（粗糙、軟硬）、骯臟程度來決定水位的高低、洗滌時間、攪拌與水流方式、脫水時間等，將洗滌控制在最佳狀態(tài)。不但使洗衣機省電、省水、省洗滌劑，又能減少衣物磨損。

2/5/202348模糊洗衣機的模糊推理2/5/202349傳感器在模糊控制洗衣機中的應用原理

1、布量和布質(zhì)判斷不同布量和布質(zhì)產(chǎn)生布阻抗大小、性質(zhì)不同，導致洗衣機電動機啟停過程、時間不同，微處理器根據(jù)預先輸入的經(jīng)驗公式判斷出布量和布質(zhì)，覺得攪拌和洗滌方式。2、水位判斷

不同布量需要不同水位，水位越高，對水位傳感器膜盒的壓力越大，微處理器根據(jù)輸出判斷到達預計的水位與否。3、水溫判斷水溫高，洗滌效果好，節(jié)省時間。微處理器根據(jù)不同布質(zhì)決定水溫高低，可由半導體集成溫度傳感器測定。4、水的渾濁度測定用紅外光電對管完成，安裝在排水閥的上方。給紅外LED通以恒定電流，發(fā)出紅外光透過排水管中的水柱到達光敏三極管，光強反映水的渾濁度。直到水質(zhì)變清、無泡沫、透明度達到設定值時，衣物漂洗干凈，洗滌過程結(jié)束。

2/5/202350第四節(jié)傳感器在現(xiàn)代汽車中的應用

2/5/202351一、汽車結(jié)構(gòu)及工作過程概述

汽車類型繁多，結(jié)構(gòu)比較復雜，大體可分為發(fā)動機、底盤和電氣設備三大部分，按傳感器較多的部分可分成燃料系、點火系、傳動系、轎廂系等幾個系統(tǒng)，每一部分均安裝有許多檢測和控制用的傳感器。汽車發(fā)動機發(fā)動機是汽車的動力裝置，其作用是使吸入的燃料燃燒而產(chǎn)生動力，通過傳動系統(tǒng)，使汽車行駛。汽油發(fā)動機主要由汽缸、燃料系、點火系、起動系、冷卻系及潤滑系等組成。汽車的工作過程均是在電控單元ECU控制下進行的。2/5/202352福特林肯Navigator底盤發(fā)動機傳動軸排氣管前剎車盤后輪懸掛減速箱2/5/202353汽車發(fā)動機的解剖圖2/5/202354與發(fā)動機配套使用的各種傳感器進氣壓力傳感器曲軸位置傳感器進氣壓力、溫度傳感器

2/5/202355ECU結(jié)構(gòu)

a）外形b）ECU內(nèi)部原理框圖及輸入/輸出信號發(fā)動機起動，燃料燃燒、點火，曲軸運動，車輪轉(zhuǎn)動工作過程是在電控單元ECU控制下進行。2/5/202356各種ECU外形（參考北京元業(yè)隆公司資料）

2/5/202357汽車ECU的應用

ECU用于控制方向盤的助力系統(tǒng)2/5/202358ECU在汽車四輪獨立懸掛避振中的應用前懸掛后懸掛

為了減小汽車在崎嶇的道路上的顛簸，提高舒適性，ECU還能根據(jù)四個車輪的獨立懸掛系統(tǒng)的受力情況，控制油壓系統(tǒng)，調(diào)節(jié)四個車輪的高度，跟蹤地面的變化，保持轎廂的平穩(wěn)。

2/5/202359ECU用于防碰撞和控制安全氣囊

傳感器將速度、距離等與碰撞有關(guān)的參數(shù)傳送給ECU。2/5/202360汽車避撞系統(tǒng)原理框圖安全氣囊2/5/202361

ECU在接收到碰撞傳感器的信號后，打開折疊式安全氣囊。折疊式安全氣囊2/5/202362二、傳感器在汽車運行中的作用

2/5/202363空氣系統(tǒng)中的傳感器

為了得到最佳的燃燒狀態(tài)和最小的排氣污染，必須對油氣混合氣中的空氣-燃油比例（空燃比）進行精確的控制?？諝庀到y(tǒng)中傳感器的作用是計量和控制發(fā)動機燃燒所需要的空氣量?？諝膺M氣量還與油門踏板有關(guān)。駕駛員通過操作油門踏板控制進氣道的節(jié)氣門開度，以改變進氣流通截面積，從而控制進氣量，由此控制發(fā)動機的功率。ECU必須知道節(jié)氣門的開度，才能控制噴油器的噴油量。

2/5/202364空氣流量傳感器

空氣流量傳感器有多種類型，使用較多的有熱絲式氣體測速儀以及卡門渦街流量計。

2/5/202365節(jié)氣門及節(jié)氣門角位移開度傳感器節(jié)氣門角度位移傳感器節(jié)氣門2/5/202366

受ECU控制的噴油器2/5/202367汽車水溫傳感器

2/5/202368氧含量傳感器在汽車中的應用

當汽車節(jié)氣門的開合度不正確時，汽缸中的燃油燃燒可能不正常。通過測量尾氣的氧含量，并將信號傳輸給ECU，從而改變節(jié)氣門的開合度，使燃