第十三章傳感器在現代

檢測系統中的應用

本章學習傳感器在現代檢測系統中的綜合應用，以及如何組成測控系統，對現代檢測系統、計算機接口、虛擬儀器等在檢測系統中的應用作了介紹。并簡單介紹檢測系統中常用的硬件。2/6/20231傳感器在控制系統中的綜合應用舉例一個現代化火力發電廠需要多臺計算機聯網，來快速地測量鍋爐、汽輪機、發電機上許多重要部位的溫度、壓力、流量、液位、燃燒狀況、轉速、振動、位移、應力等熱工、機械參數，還必須測量發電機的電壓、電流、功率、功率因數以及各種輔機的運行狀態，然后進行綜合處理，將各被監測的重要參數進行數字或模擬顯示，自動調整運行工況，對某些超限參數進行聲光報警或采取緊急措施。在上述這個系統中，需要數百個不同的傳感器將各種機械、熱工量轉換成電量，供計算機采樣和運算。

2/6/20232現代化火力發電廠及其控制系統火力發電廠控制室火力發電廠機組汽輪機發電機勵磁機2/6/20233第一節現代檢測系統的基本結構現代檢測系統可分為三種基本結構體系：1.智能儀器2.個人儀器3.自動測試系統

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、按鍵及顯示屏等，多使用匯編語言，體積小，專用性強。2/6/20235智能儀器的芯片及模塊

51系列單片機芯片2/6/2023651系列單片機數據采集模塊

2/6/202372.個人儀器個人儀器又稱個人計算機儀器系統。它是以個人計算機（必須符合工控要求）配以適當的硬件電路與傳感器組合而成的檢測系統。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將接口盒的USB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。

2/6/20239一體化工作站

平板式工作站（帶觸摸屏）軍用便攜式工作站2/6/202310一體化工作站（續）

2/6/202311工業級底板（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據采集卡PCI擴展槽ISA擴展槽2/6/202313各種數據采集卡ISA數據采集卡ISA數據采集卡的插腳間隔為2.54mm（0.1英寸）2/6/202314各種數據采集卡（續）PCI數據采集傳輸卡2/6/202315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芯排線數據鎖存器去計算機ISA槽傳感器信號線接線端子2/6/202317端子板與功能卡的連接37芯排線端子板PCI數據采集、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2/6/202318其他端子擴展板

34芯排線插座37芯排線插座2/6/202319筆記本電腦數據采集整機

信號從USB端口輸入2/6/202321筆記本電腦數據采集

USB接口盒及信號電纜利用USB擴展分線器可配接多個接口盒信號輸入2/6/202322USB接口卡及USB電纜2/6/202323各種嵌入式計算機數據采集卡2/6/202325自動測試系統

自動測試系統是以工控機為核心，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代檢測系統。一個自動測試系統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的子系統。許多自動測試系統還可以作為服務器工作站加入到Internet網絡中，成為網絡化測試子系統，從而實現遠程監測、遠程控制、遠程實時調試等。

2/6/202326網絡化儀表示意圖工業總線

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鋼廠自動化監控系統實例2/6/202329

糧食溫濕度測控系統實例上位機（內插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2/6/202330帶計算機的檢測系統簡介一、帶計算機的檢測系統的特點及功能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。2/6/202331二、帶計算機的檢測系統的工作流程

巡回檢測概念:

計算機首先向多路采樣開關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，所要采樣的信號被連接到放大器，放大后的信號經A/D轉換器轉換成數字量，計算機通過數據總線接受該數字信號。一個采樣點采樣結束后，計算機轉而發送第二個采樣地址，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”。2/6/2023328通道巡回檢測數據采集器8個傳感器信號輸入端口2/6/202333簡易數字濾波技術概念

在工業中經常采用如下軟件抗干擾技術：對存在干擾和隨機誤差的信號進行等精度快速多次采樣，然后先舍去不穩定的第一個采樣值，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平均值，該算術平均值可以認為是排除了干擾后的較正確的結果，這種方法有時也被稱為簡易數字濾波。

2/6/202334三、系統中的幾種重要部件

1.采樣開關

1)干簧繼電器：干簧繼電器主要由驅動線圈和干簧管組成，驅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。耗電較大、速度較慢是干簧繼電器的主要缺點。

干簧管2/6/202335(2)CMOS模擬采樣開關

模擬采樣開關切換對象是多路模擬信號。它的控制端處于“有效”狀態時，內部的P溝道MOS管或N溝道MOS管導通，模擬開關處于導通狀態，導通電阻約幾歐至幾百歐（視型號而定）。當控制端處于“無效”狀態時開關截止，截止電阻大于108Ω。其優點是集成度高，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。

2/6/2023362.放大器從傳感器來的信號有許多是毫伏級的微弱信號，須經放大才能進行A/D轉換。一般放在采樣開關之后。系統對放大器的主要要求是：精度高、溫漂小、共模抑制比高、頻帶寬至直流。目前常用的放大器有以下幾種型式：一種是高精度、低漂移的雙極型放大器；另一種為隔離放大器，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。2/6/202337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℃2/6/202338精密隔離放大器舉例（續）

導軌安裝式2/6/202339隔離放大器用的隔離電源

典型技術指標：封裝：SIP、DIP（符合UL94-V0標準）；電壓準確度：±1%；工作溫度：-40～+85℃；效率：80%Min（滿載)；隔離電壓：1500VDC；80mVp-pMax；輸出紋波/噪聲（20MHz帶寬)；功率：0.1W～2W（可選）2/6/2023403.A/D轉換器（ADC）

放大器放大后的模擬信號必須進行A/D轉換才能由計算機進行運算處理。目前采用較多的A/D轉換器有兩大類：一類是并行A/D轉換器，另一類是串行A/D轉換器。在并行A/D轉換器中，又有逐位比較型和雙積分型之分。前者轉換速度較快，有8位、12位、16位等規格。位數越高，精度也越高，但價格也相應提高；后者轉換速度較慢（每秒10次左右），常見的有3位半、4位半等規格。

2/6/202341A/D轉換器的光耦接口電路

2/6/2023424.D/A轉換器（DAC）與接口電路

計算機運算處理后的數字信號有時必須轉換為模擬信號，才能用于工業生產的過程控制。它的輸入是計算機送出的數字量，它的輸出是與數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轉換。

2/6/202343D/A轉換器的光耦接口電路

4~20mA2/6/202344帶計算機的檢測技術應用實例1.陶瓷隧道窯溫度、壓力監測控制系統

該系統涉及熱工參數的測量，它采用工控機。該系統將巡回數據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。

2/6/202345隧道窯外形2/6/202346隧道窯計算機檢測控制系統框圖

2/6/2023473.傳感器在模糊控制洗衣機中的應用

所謂模糊控制系統是模擬