智能测控系统设计1_概述与信号感知

课程的主要目的
本科阶段的基础：模电，数电，传感器，微机，自 控等。
研究生阶段需进一步拓展，主要在以下方面：
智 能 测 控 系 统 导 论
熟悉智能测控系统的总体设计；
熟悉计算机技术在智能测控系统中的应用；
熟悉现代测控系统的新技术、新动态；
掌握测控系统设计中的常用技能； 培养调研实践、独立科研的能力。 ……
智能测控系统导论
1. 智能测控系统概述 2. 测控系统中信号感知 3. 信号调理与抗干扰 4. 数据采集技术 5. 基于单片机的测控系统 6. 基于DSP的测控系统 7. 基于ＡＲＭ处理器的测控系统 8. 基于工控机的测控系统 9. 基于PLC的测控系统 10.现场总线控制系统
智 能 测 控 系 统 导 论
智 能 测 控 系 统 导 论
传感器的频率响应特性
1. 频响范围：-3bB所对应的频带。
智 能 测 控 系 统 导 论
2. 固有频率：二阶系统的特征参数。
3. 阻尼比：二阶系统的特征参数。
传感器的使用环境
1. 自然环境：温度、湿度、淋雨、气 压、振动、冲击等，分为商用品、工 业品、军用品。 2. 工作环境：易燃、易爆、粉尘、油 污、工作介质、过载、破坏等。 3. 工作条件：电源、功耗、抗干扰、 抗浪涌等。
课程参考书
1．孙传友等：测控系统原理与设计，北航出版社，2007.12 2．韩九强等：现代测控技术与系统，清华大学出版社，2007.10
智 能 测 控 系 统 导 论
3 ．于洋等：测控系统网络化技术及应用，机械工业出版社， 2009.7 4．张靖等：检测技术与系统设计，中国电力出版社，2002.1 5．李江全等：现代测控系统典型应用实例，电子工业出版社， 2010.8 6. 孙廷才等：工业控制计算机组成原理，清华大学出版社， 2001.5
智 能 测 控 系 统 导 论
2.2
力和压力传感器
一、电阻应变式力传感器
智 能 测 控 系 统 导 论
利用电阻应变片作为敏感元件可以制 作力传感器，这是最常用的力传感 器。其特点是测量范围大，测量精 度较高，商品化程度高，价格较低。
电阻应变片示意图
智 能 测 控 系 统 导 论
电阻应变式力传感器
现代测控系统的设计方法
1.硬件设计
智 能 测 控 系 统 导 论
约束条件：物理约束（大小，形状，距离，环境，用途，物 理量）、功能性能约束（精度，速度，可靠性）、其它约束 （成本、周期） 模块设计技术：采用各种硬件模块（ARM，PC104，DSP， CPLD，FPGA）、硬件模块驱动程序（动态链接库） 系统设计技术：通用化、标准化、组件化、扩展性
智 能 测 控 系 统 导 论
传感器的动态阶跃响应特性
1. 时间常数：输出值上升至稳态值63.2%所 需时间。 2. 上升时间：输出值由稳态值10%上升至 90%所需时间。 3. 响应时间：输出值达到允许范围以内所需 时间。 4. 超调量：响应曲线第一次超出稳态值之峰 值。 5. 衰减率：相邻两个波峰高度下降的百分比。 6. 稳态误差：稳态输出值与目标值之偏差。
智 能 测 控 系 统 导 论
传感器的使用方便性
1. 接口功能：电源、输出信号形式、电 缆芯数、接插件等。 2. 外型：体积、重量、形状、运输等。 3. 安装：安装方式、安装要求、安装尺 寸、安装工具等。 4. 操作：连接方便性、调节方便性、标 定方便性等。
智 能 测 控 系 统 导 论
传感器的维护方便性
微 型 计 算 机
执行 机构
控制对象1 控制对象2
数 字 输 出 接 口
控制对象m 功率 放大 执行 机构
数字调理电路n 打 印 显 示 键 盘
通信
关联测控系统
标准总线 现场总线 局域网 无线数传 无线传感网络 移动通信技术 。。。
微机测控系统的分类
控制型5种
1．操作指导控制系统
智 能 测 控 系 统 导 论
电路抗干扰技术：电磁兼容，屏蔽，隔离，接地，滤波，布线
现场总线测控系统示意图
主控站
传感器 智 能 传感器 测 控 系 统 导 论 传感器
信号调理电路
数据采集
微机
总线接口
信号调理电路
数据采集
微机
总线接口
现 场 总 线
信号调理电路
数据采集
微机
总线接口
现场总线系统的特点
1.全数字化通信，所有智能现场仪表带有总线接口，挂 接在现场总线上，线缆少，且通信快速可靠；
4. 通过软件实现各种功能，缩短研发周期；。 5. 强大快速的运算能力，便于实现参数的在线识别和各种智 能控制方法 ； 6. 便于联网，组成较大规模的测控及信息管理系统。 7. 多媒体功能，使仪器具有声光、语音、图像、动画等功能。
智能测控系统发展方向
1.
智 能 测 控 系 统 导 论
2. 3. 4.
3. 使用方便性 ；
4. 维护方便性 ；
5. 成本及其它。
传感器的静态特性
1. 线性度：输入输出曲线与拟合直线之间的偏差。 2. 重复性：在同一测试条件下，所测得的特性曲线的一 致程度。 3. 灵敏度：输出量增量与输入量增量之比。 4. 分辨率：能检测出的最小输入变化量。 5. 回差（滞后）：输入量增大与减小过程中，输入输出 曲线的不重合。 6. 阈值（死区）：能产生输出的最小输入量。 7. 稳定性：相当长时间内保持其性能的能力。 8. 漂移：零点和灵敏度随时间和温度的缓慢变化。
2．直接数字控制系统DDC （Direct Digital Control）
智 能 测 控 系 统 导 论
3．监督控制系统SCC （Supervisory Computer Control）
智 能 测 控 系 统 导 论
4．多机分布式计算机控制系统
智 能 测 控 系 统 导 论
5．控制网络系统
数据 采集
计算 机1
收集与 处理 计算机
输出 装置
被测 对象n
传感 器
数据 采集
计算 机n
4．网络化检测系统
被测 对象 被测 对象 网络化 传感器 被测 对象 网络化 变送器 分布式 监 测系统
Internet
智 网络化 能 测量仪 测 控 Ethernet 系 统 管理 导 计算机 论
WEB 服务器
非线性: 0.02%F.S
激励电压: 9~12VDC
温度补偿范围: 10~+40℃ 使用温度范围: 40~+80℃ 零点温度影响: 0.02%F.S/10℃ 灵敏度温度影响: 0.02%F.S/10℃ 防护等级: IP68 -
2.软件设计
数据采集程序、数据处理程序、检测和分析程序、控制程序、 通信程序、监控报警程序、数据库管理程序、打印报表输出 程序、人机界面程序等
现代测控系统的设计方法
3.互连规范设计
智 能 测 控 系 4.抗干扰设计 统 导 误差修正：修正，滤波，补偿 论 数据处理：图像处理，小波变换，神经网络等
统一的电气标准：输入输出信号定义，信号传输方式，信号传 输速度，逻辑电平，输入阻抗，驱动能力 机械接口：接插件结构形式，尺寸大小，引脚定义，数目等 统一的指令系统：公用程控命令等 统一的编码和协议：总线协议
智 能 测 控 系 统 导 论
测试型4种
1．直接测量型
智 能 测 控 系 统 导 论
被测 对象
传感 器
数据 采集
计算 机
输出 装置
2．激励测试型
智 能 测 控 系 统 导 论
被测 对象
传感 器 激励 施加
数据 采集
计算 机
输出 装置
3．分布式监测系统
被测 智 对象1
能 测 控 系 统 导 论
传感 器
智 能 测 控 系 统 导 论
测控系统组成示意图
模拟传感器1 模拟传感器2 模拟调理电路1 模拟调理电路2 多 路 开 关 采样 A/D 保持 转换 D/A 转换 功率 放大
智 模拟传感器n 能 测 数字传感器1 控 数字传感百度文库2 系 统 导 数字传感器n 论
模拟调理电路n 数字调理电路1 数字调理电路2 数 字 输 入 接 口
智 能 测 控 系 统 导 论
2.开放型的互联网络，标准的一致性、公开性； 3.互操作性与互用性，不同厂家的产品在硬件、软件、 通信规程、连接方式等方面互相兼容，可以互换互用； 4.现场设备的智能化，每个现场仪表都要具有智能检测、 智能控制、故障诊断等功能； 5.系统结构的高度分散性，将各种检测与控制功能分散 分配给现场设备，构成全分布式系统。
5.
小型化与微型化：敏感器件微型化（ＭＥＭＳ技术），半 导体工艺纳米化 网络化：各种总线技术，无线传感器网络，远程测控，资 源共享 虚拟化：虚拟仪器技术，虚拟现实技术 智能化：人工神经网络，模糊逻辑，遗传算算法，专家系 统，仿人智能，粗糙集理论，模式识别，分形系统，混沌 理论，数据融合 空间化和大型化：天地测控
零点输出: ±1%F.S 输入阻抗: 350±5Ω
零点温度影响: 0.03%F.S/10℃
灵敏度温度影响: 0.03%F.S/10℃ 防护等级: IP66
电阻应变式传感器产品示例
综 合 误 0.02%F.S 灵敏度: 2±0.002mv/v 智 能 测 控 系 统 导 论 差 : 输出阻抗: 480±5Ω 绝缘电阻: ≥5000MΩ(100VDC)
第二章
测控系统中信号感知
2.1 传感器的选用总则
智 能 测 控 系 统 导 论
选择 什么样 的传感器
2.2 力和压力传感器
2.3 常用位移传感器
2.4 流量传感器
2.5 温度传感器 2.6 其它传感器
2.1 传感器的选用总则
1.传感器的性能指标 ；
智 能 测 控 系 统 导 论
2.传感器的使用环境 ；
智 能 测 控 系 统 导 论
园柱式 几十公斤～几百吨 等强度悬臂梁 测力圆环
几十克～几十公斤
电阻应变式扭矩传感器
智 能 测 控 系 统 导 论
应变片
电阻应变式传感器产品示例
综 合 误 0.03%F.S 灵敏度: 2±0.02mv/v 智 能 测 控 系 统 导 论 差 : 输出阻抗: 350±3Ω 绝缘电阻: ≥5000MΩ(100VDC)
非线性: 0.03%F.S
激励电压: 9~12VDC
温度补偿范围: 10~+40℃ 使用温度范围: 20~+55℃ -
S型称重传感器
量程(kg)：100、 150、200、250、 300、500、1000、 2000、5000
滞后: 0.03%F.S 重复性: 0.02%F.S
蠕变: 0.03%F.S/10min
第一章
智能测控系统概述
1.1 测控系统的基本组成
智 能 测 控 系 统 导 论
智能 测控系统
是什么
1.2 微机测控系统的分类 1.3 智能测控系统的特点 1.4 现代测控系统的设计方法 1.5基于现场总线的智能测控系统
智能测控系统组成
智能测控系统：以计算机为核心，将信号检测、数据处理与计算 机控制融为一体的新型综合性检测和(或)控制系统。它可以在 不改变系统硬件的情况下，主要依靠软件就能根据客观需要完 成多种功能及任务。 主要组成部分： 1. 对象及环境：实际的被测/被控对象，以及对象所处的环境； 2. 传感与检测装置：被测/被控对象的相关信息的敏感与变换； 3. 执行机构：根据控制信号，直接改变对象的状态； 4. 过程通道：信号与计算机的连接，如，模拟量输入通道(AI)、 模拟量输出通道(AO)、开关量输入通道(DI)、开关量输出通 道(DO)； 5. 微型计算机主机：单片机、工控机、嵌入式处理器、DSP等； 6. 人机联系设备：CRT、LED、打印机、键盘、记录仪、通信接 口等； 7. 软件系统：整合系统硬件资源，完成感知信息的储存和处理、 知识的接受和推理、控制的决策和规划等。
1.可靠性：平均无故障时间、抗过载能力等。 2.寿命：工作年限、疲劳性能、耐久性、定 期标定。 3.可更换性：是否可更换、是否方便更换。 4.可维修性：维修方便性、维修时间、易损 件的更换等。
智 能 测 控 系 统 导 论
传感器的成本及其它
1.传感器价格：单价、批量价。 2.二次仪表价格：接口电路复杂性、配套仪 表价格。 3.系统价格：构成多点测试系统时的成本。 4.信誉度：生产厂家的品牌、信誉度、保用 期、长期供货能力等。 5.供货期：最短供货期、维修期等。
测试 服务器
接入 服务器 PCI GPIB USB …
WEB 浏览器
智能测控系统特点
1.
智 能 测 控 系 统 导 论
检测与控制的速度快，可以实时完成多点位多参数的检测 与控制； 2. 传感器信号自动校零、自选量程、自动校准、自动标定、 自动转换； 3. 对被测数据进行数字滤波，自动分析、处理、显示、记录；