智能测控系统设计1_概述与常用传感器选用

智能测控系统导论1.智能测控系统概述2.传感器及其应用3.信号调理电路与抗干扰4.数据采集系统5.基于单片机的测控系统6.基于DSP的测控系统7.基于嵌入式系统的测控系统8.基于工控机的测控系统9.现场总线控制系统10.USB接口技术智能测控系统导论智能测控系统导论课程参考书1．张靖等：检测技术与系统设计，中国电力出版社，2002.12．孙传友等：测控系统原理与设计，北航出版社，2007.123．于洋等：测控系统网络化技术及应用，机械工业出版社，2009.74．李江全等：现代测控系统典型应用实例，电子工业出版社，2010.85．王田苗：嵌入式系统设计与实例开发，清华大学出版社，2002.96．邬宽明：CAN总线原理和应用系统设计，北航出版社，1996.117.薛钧义等：微机控制系统及其应用，西交大出版社，2003.28.苏奎峰等：TMS320F2812原理与开发，电子工业出版社，2005.49.萧世文等：USB2.0硬件设计，清华大学出版社，2006.10智能测控系统导论第一章智能测控系统概述1.1测控系统的基本组成1.2微机测控系统的分类1.3智能测控系统的特点1.4基于现场总线的智能测控系统1.5现场总线的技术特点智能测控系统导论智能测控系统：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。智能测控系统组成智能测控系统导论测控系统组成示意图模拟传感器1模拟调理电路1模拟调理电路2模拟调理电路n多路开关采样保持A/D转换微型计算机D/A转换模拟传感器2模拟传感器n数字传感器1数字调理电路1数字调理电路2数字调理电路n数字传感器2数字传感器n数字输入接口功率放大数字输出接口功率放大控制对象1控制对象2控制对象m打印显示键盘通信关联测控系统执行机构执行机构智能测控系统导论微机测控系统的分类1．操作指导控制系统智能测控系统导论2．直接数字控制系统DDC（DirectDigitalControl）智能测控系统导论3．监督控制系统SCC（SupervisoryComputerControl）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．控制网络系统智能测控系统导论智能测控系统特点1.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；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。智能测控系统导论现场总线测控系统示意图传感器数据采集微机总线接口传感器信号调理电路数据采集微机总线接口传感器信号调理电路数据采集微机总线接口现场总线主控站信号调理电路智能测控系统导论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；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。智能测控系统导论第二章常用传感器的应用2.1传感器的选用总则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其它传感器智能测控系统导论2.1传感器的选用总则1.传感器的性能指标；2.传感器的使用环境；3.使用方便性；4.维护方便性；5.成本及其它。智能测控系统导论传感器的静态特性1.线性度：输入输出曲线与拟合直线之间的偏差。2.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。3.重复性：在同一测试条件下，所测得的特性曲线的一致程度。4.灵敏度：输出量增量与输入量增量之比。5.分辨率：能检测出的最小输入变化量。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。9.静态综合精度：在测量范围内任一点的输出值相对其理论值的偏离程度。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频率响应特性1.频响范围：-3bB所对应的频带。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。智能测控系统导论传感器的使用环境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、工作介质等。3.工作条件：电源、功耗、抗干扰等。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、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。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。智能测控系统导论电阻应变片示意图智能测控系统导论电阻应变式传感器1园柱式几十公斤～几百吨测力圆环等强度悬臂梁几十克～几十公斤智能测控系统导论电阻应变式传感器2应变片智能测控系统导论电阻应变式传感器产品示例S型称重传感器量程(kg)：100、150、200、250、300、500、1000、2000、5000综合误差:0.03%F.S输出阻抗:350±3Ω灵敏度:2±0.02mv/v绝缘电阻:≥5000MΩ(100VDC)非线性:0.03%F.S激励电压:9~12VDC滞后:0.03%F.S温度补偿范围:-10~+40℃重复性:0.02%F.S使用温度范围:-20~+55℃蠕变:0.03%F.S/10min零点温度影响:0.03%F.S/10℃零点输出:±1%F.S灵敏度温度影响:0.03%F.S/10℃输入阻抗:350±5Ω防护等级:IP66智能测控系统导论电阻应变式传感器产品示例柱式称重传感器量程(t)：10、25、40、60、100综合误差:0.02%F.S输出阻抗:480±5Ω灵敏度:2±0.002mv/v绝缘电阻:≥5000MΩ(100VDC)非线性:0.02%F.S激励电压:9~12VDC滞后:0.02%F.S温度补偿范围:-10~+40℃重复性:0.01%F.S使用温度范围:-40~+80℃蠕变:0.02%F.S/10min零点温度影响:0.02%F.S/10℃零点输出:±1%F.S灵敏度温度影响:0.02%F.S/10℃输入阻抗:450±5Ω防护等级:IP68智能测控系统导论力传感器的应用示例智能测量仪表打印机报警控制变送器4~20mA输出传感器1传感器2传感器3称重料斗智能测控系统导论压阻式压力传感器硅膜片二、压阻式压力传感器压阻效应：固体材料在应力作用下电阻率发生变化，可以制成半导体应变式传感器和扩散型压阻式压力传感器。（工程中所称的压力实际上指压强）智能测控系统导论压阻式压力传感器产品示例PT501高精度压力变送器广泛用于工业设备、水利、化工、液压、气动控制系统、电力、空调、环保、空压机、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇自控与恒压供水等压力测量与控制。技术参数1.量程范围：0-0.6MPa~0-100MPa2.综合精度：0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、1.0%3.输出信号：4～20mA；0～5V；1～5V；0～10V4.工作温度：-10～80-150℃5.供电电压：9~36V6.长期稳定性：0.1%F.S/year7.负载阻抗：电流型：≤800Ω，电压型：≥50KΩ8.螺纹连接：通用M20×15，其它螺纹可依客户要求设计9.安全过载：120%；极限过载：150%智能测控系统导论其它常用力/压力传感器中间可动极板两侧固定极板主要特点：测量范围广，最低范围0~160Pa，最高范围0~40MPa。精度高，0.2~0.5级电容式压力传感器智能测控系统导论其它常用力/压力传感器谐振式力传感器谐振子的固有频率随被测物理量的变化而变化，有振弦式、振筒式、振膜式、振梁式。振弦式拉力传感器智能测控系统导论其它常用力/压力传感器压磁式力传感器铁磁物质内部应力的变化导致导磁系数的变化压磁式测力传感器，0~50吨CD线圈没有感应电势CD线圈有感应电势AB线圈电流激励智能测控系统导论2.3常用位移传感器一、电阻式位移传感器电阻式位移传感器是利用一定的工艺制成的薄膜电阻构成的直线或旋转式位移传感器。具有测量范围大、精度较高、结构简单、价格低等优点，应用广泛。KTD特性表有效行程60mm总阻5KΩ阻值误差±20%独立线性率0.25%重复精度0.01mm温度系数50ppm/℃输出平滑性±0.1%寿命一亿次工作温度-40-100℃电阻式位移传感器产品示例智能测控系统导论常用位移传感器二、互感式位移传感器（差动变压器）差动变压器式位移传感器是基于变压器原理。通过一次线圈与二次线圈弱电磁藕合，使得铁芯的位移变化量与输出电信号变化量呈精密线性关系。差动变压器式位移传感器原理：智能测控系统导论常用位移传感器差动变压器式位移传感器示例WY-DC位移传感器1、灵敏度（mv/v/mm）：100-10002、初级励磁电压：5V（3-8）3、动态频率：0-200HZ4、灵敏度漂移：零点0.01(%/℃),满度0.025（%/℃）5、负载阻抗：20KΩ6、工作温度：-20℃+70℃标准-40℃+150℃耐高低温7、高精度：0.05%8、高分辨率：0.001um9、供电电压：6、12、15、24、±9、±12、±15VDC10、输出电压：0～5V0～10V0～±5V0～±10V输出电流：0～10mA0～20mA4～20mA智能测控系统导论常用位移传感器三、涡流式位移传感器当金属导体置于线圈产生的交变磁场中时，由于导体中产生的涡流所引起的新磁场将削弱原线圈磁场，从而导致线圈的等效电感、阻抗、品质因数发生变化。这种效应随金属导体与线圈的距离大小而变化，可以制成线性传感器，也可以制成接近开关。智能测控系统导论常用位移传感器四、感应同步器利用定尺和滑尺之间的电磁感应检测位移。优点是精度高、行程长。定尺W形滑尺U形滑尺智能测