模块1——认识自动检测与转换技术

1、模块模块1 1 认识自动检测与转换技术认识自动检测与转换技术 主要内容：单元1 认识传感器单元2 认识测量和误差单元3 认识自动检测与接口技术单元4 认识虚拟仪器检测技术 所谓检测就是人们借助于仪器、设备，利用各种物理、化学效应，采用一定的方法，将客观世界的有关信息通过检查与测量获取定性或定量信息的认识过程。 例如，电视机、空调遥控器等使用的是红外线传感器；电冰箱、微波炉、空调机温度控制所使用的是温度传感器；煤气灶、燃气热水器报警所使用的是气体传感器，等等。 检测包含检验与测量两个方面，检验往往是获取定性信息，而测量则是获取定量信息。这种在检验和测量过程中完全不需要或仅需要很少的人工干预而自动

2、完成的技术叫做自动检测与转换技术。 【引导语】 单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题引入】 日常生活中，人们总是要通过各种感觉器官来获取外界的信息，从而决定做什么。人的眼、耳、鼻、舌和皮肤等“五官”分别具有视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等五个功能，帮助人们获取各种信息。 机器在代替人的劳动时，需要获取比人更多的信息，这就靠人们不断发明的传感器来代替人的感觉器官。有人把计算机比喻为人的大脑的延续，称之为“电脑”；而把传感器比喻为人的感觉器官的延续，称之为“电五官”(视、听、味、嗅、触)。没有“电五官”就不能实现自动化，没有自动检测技术就不能有自动保护、自动报警和自动诊断系统，就不能实现各种

3、设备的自动计量、自动管理和自动可靠运行。单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题引入】 单元单元1 1 认识传感器认识传感器 传传感感器器是是获获取取信信息息的的重重要要手手段段! !单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 1传感器的定义 传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成有用输出电信号的器件或装置。 传感器通常由敏感元件、传感元件和测量转换电路组成。2传感器的作用 传感器技术早已进入了人们的日常生活当中。例如，电冰箱中的温度传感器、监视煤气溢出的气敏传感器、防止火灾的烟雾传感器、防盗用的光电传感器等等。 在交通领域，汽车、火车和飞机等交通工具无不见到传感器的影子。

4、一辆现代化汽车所用的传感器就多达数十种，用以检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等；在国防科研中，检测技术用得更多，许多尖端的检测技术都是因国防工业需要而发展起来的。如研究飞机的强度，就要在机身、机翼上贴几百片应变片，并进行动态特性的测试。 其他如工业生产监控、气象、航空航天、军事等方面，传感器也应用广泛。单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 温度传感器透光率传感器指纹传感器单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 日常日常生活生活温湿度传感器自动水龙头单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 日常日常生活生活自动门单元单元1 1 认识传感器认识传感器

5、 【问题分析】 日常日常生活生活检测容器内的液位 检查轴承/滚珠是否脱漏 单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 工业工业生产生产流量检测位置检测单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 工业工业生产生产汽车出厂检验：测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 工业工业生产生产 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。 摊铺机自动找平系统单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】

6、工程工程建设建设雨量传感器烟雾传感器单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 气象、环气象、环境、灾害境、灾害监测监测二氧化碳传感器土壤湿度传感器单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 气象、环气象、环境、灾害境、灾害监测监测空气湿度传感器光照度传感器单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 气象、环气象、环境、灾害境、灾害监测监测风力参数传感器地震检波器磁、气、力敏传感器超声传感器单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 气象、环气象、环境、灾害境、灾害监测监测GPS定位导航单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 交通交通超声波测速单元单

7、元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 交通交通设施农业单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 农业农业鱼群监测仪单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 农业农业B型超声波检测仪医用内窥镜单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 医疗医疗卫生卫生心电图仪 单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 医疗医疗卫生卫生核磁共振 单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 医疗医疗卫生卫生视频：核磁共振一视频：核磁共振二激光制导导弹单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 军事军事步枪红外狙击瞄准仪单元单元1 1 认识传感器认识传感器

8、 【问题分析】 军事军事无人侦察机、攻击机单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 军事军事火箭测控检测火箭状况、姿态、轨迹 飞行器测控检测飞行器姿态、发电机工况， 控制与操纵 单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 航空航空航天航天火箭航天飞行器单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 航空航空航天航天 3传感器的主要功能和特点 （1）传感器的主要功能 常将传感器的功能与人类五大感觉器官相比拟，传感器的存在和发展，让物体有了视觉（光敏传感器）、听觉（声敏传感器）、触觉（压敏、温敏传感器）、味觉（气敏传感器）和嗅觉（化学、生物传感器）等感官。 传感器的主要功能按

9、照感知原理进行分类为： 物理类 基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。 化学类 基于化学反应原理的传感器。 生物类 基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类 。（2）传感器的主要特点 传感器的主要特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用

10、在硅器件上做成硅压力传感器。单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【问题分析】 按工作原理划分 参量传感器 发电传感器 特殊传感器 电阻式传感器 电感式传感器 电容式传感器等 热电偶传感器 压电式传感器 霍尔式传感器等超声波探头 激光检测等 1. 传感器的主要分类单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【知识链接】 按被测量性质分机械量传感器 热工量传感器 成分量传感器 状态量传感器 探伤传感器等 如：力传感器、 长度传感器等如：温度传感器、 压力传感器等如：气敏传感器等如：各种接近开关 如：超声波探头 CT探测器等 单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【知识链接】 按输出量种类来分 模拟传感

11、器 数字传感器 按传感器结构来分 直接传感器 补偿传感器 差动传感器单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【知识链接】 2. 传感器的基本特性（1） 精度 精度分为准确度和精密度（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【知识链接】 （2）稳定性 传感器的稳定性有两个指标，一是系统指示值在一段时间中的变化，以稳定度表示；二是系统外部环境和工作条件变化引起指示值的不稳定，用环境影响系数表示。 则稳定度为1.3mV/h。 【例1】某仪表电压指示值每小时变化1.3mV则环境影响系数表达为0.02mA/（V 10%）【例2】某仪表由于电源电压变

12、化10%而引起指示值变化0.02mA。单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【知识链接】 （3）可靠性（4）输入输出特性动态特性静态特性线性度灵敏度迟滞分辨率 可靠度是表征传感器可靠性最基本的尺度，它是衡量传感器能够正常工作并完成其功能的程度 。单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【知识链接】 线性度 传感器输出输入的实际特性曲线和拟合直线之间的最大偏差与输出量程范围之比。%100minmaxmaxyyLL线性度概念动画演示线性度表达式为单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【知识链接】 灵敏度 传感器在稳定标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值 xydxdyK迟滞 传感器的正向特性与反向

13、特性的不一致程度。分辨率与分辨力 【例3】一光栅传感器，测量长度10mm，最小测量距离0.1um则分辨率为0.1，分辨力 为0.1um单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【知识链接】 漂移 漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。阈值 当传感器的输入从零值开始缓慢增加时，在达到某一值后输出发生可观测的变化，这个输入值称传感器的阈值电压。（5）动态输入输出特性 是指传感器在输入变化时，它的输出随输入变化时输入输出特性。动态输入输出特性是传感器的重要特性之一。单元单元1 1 认识传感

14、器认识传感器 【知识链接】 3对传感器的要求 对传感器的具体要求因使用条件不同而异，主要从基本特性、使用性能、方便程度等方面提出要求，一般有以下十个方面：输入与输出成比例，并且输出信号大；滞环和非线性误差小；要有一定的灵敏度和精确度；特性曲线的稳定性和重复性较好；具有较好的动态特性；具有一定的抗干扰能力；内部噪声小，反应速度快；小型、量轻、动作能量小；使用寿命长价格便宜；易使用、维修和校准，对环境要求不高。 总之，要求传感器特性好、性能优、使用方便易维修；体积小、重量轻、价格便宜寿命长。单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【知识链接】 【案例1】液位自动控制器 液体中放置着两个电容式传感器。

15、当液体即将接触高液位或低液位传感器的感应面时，该传感器就会发出信号到控制处理器，然后按照一定的程序断开或闭合接触器K，通过接触器K的主触点关闭或者启动水泵电动机M，这样液体储量就可以控制在需要的范围内不用人去控制，整个系统能一直在自动控制的状态，大大改善了工作环境，降低了劳动强度。单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【应用案例】 【案例1】液位自动控制器液位自动控制工作原理图单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【应用案例】 单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【应用案例】 【案例2】汽车电子防盗系统 汽车防盗报警装置的基本构思是，“当利用非正常的手续侵入车厢，进行车辆移动时，能立即进行检

16、测、报警并阻止发动机起动和行驶”。最近，增加正常操作手续，追加验明身份的鉴定功能，当与验明身份不相符合时，会禁止操纵控制发动机。这种以提高自主行驶功能为目的的装置简称“阻行器”（Immobiliser）已开始普及。 键开关方式阻行器 防盗装置的功能构成图单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【应用案例】 【案例2】汽车电子防盗系统【案例案例2】汽车电子防盗系统汽车电子防盗系统防盗装置在车辆上布置图单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【应用案例】 【实践项目实践项目】 防盗报警器的搭建和调试1项目要求 （1）认识防盗报警器的作用，熟悉防盗报警器的工作原理。 （2）会根据设备要求通过网络或电子市

17、场购买相关传感器及有源蜂鸣器。 （3）根据项目内容和操作步骤搭建简单的防盗报警器，并且能够熟练调试红外反射传感器的探测灵敏度。2设备与工具 红外反射传感器模块1个，5V有源蜂鸣器驱动模块报警器1个，5V电源1个，杜邦导线、排针、焊锡若干，一字仪表起子、电烙铁各1把。单元单元1 1 认识传感器认识传感器 【实践项目实践项目】3传感模块及报警模块红外反射传感器模块有源蜂鸣器外形图单元单元1 1 认识传感器认识传感器 4操作步骤 （1）将3根排针用导线和电烙铁焊在一起，一共制作2个，用来作为电源正、负极的杜邦导线公共接头。 （2）将5V直流电源正、负极用杜邦导线通过公共接头，分别连接到红外反射传感器

18、和有源蜂鸣器的正、负极。 （3）将红外反射传感器的OUT端口用杜邦导线与有源蜂鸣器的I/O端口连接。 （4）有手接近红外反射传感器的红外光反射和接受窗口，听听蜂鸣器是否发出声音。 （5）用一字仪表起子调节红外反射传感器的灵敏度调节旋钮，观察手与红外反射传感器的感应距离是否发生变化。防盗报警器原理框图5V直流电源红外反射传感器有源蜂鸣器人体I/OOUT端【实践项目实践项目】单元单元1 1 认识传感器认识传感器 1选择传感器时应考虑的条件 由于传感器技术的研制和发展非常迅速，各种各样的传感器应运而生，对选用传感器带来了很大的灵活性。众所周知，对于同种被测物理量，可以用各种不同的传感器测量，为了选择

19、适合于测定目的的传感器，有必要讨论传感器的正确选择。虽然，传感器选择时应考虑的事项很多，但主要应根据传感器实现使用的目的、指标、环境条件和成本等限制条件，从不同的侧重点，优先考虑几个重要的条件。2传感器的选型原则 选择传感器总的原则是：在满足对传感器所有技术要求情况下，成本低廉、工作可靠和容易维修，即所谓性能价格比要大。 【拓展提高拓展提高】单元单元1 1 认识传感器认识传感器 人们在生产、生活、科学研究中要对事物的质和量进行分析、比较和判断，这样就必然要涉及相关参数的测量。测量误差的存在不可避免。 例如，GPS 测量是通过地面接收设备接收卫星传送来的信息，计算同一时刻地面接收设备到多颗卫星之

20、间的伪距离，采用空间距离后方交会方法，来确定地面点的三维坐标。因此，对于GPS卫星、卫星信号传播过程和地面接收设备都会对GPS 测量产生误差。主要误差来源可分为:与GPS卫星有关的误差;与信号传播有关的误差;与接收设备有关的误差。 【问题引入问题引入】单元单元2 2 认识测量与误差认识测量与误差 通过误差理论分析，可在数据处理时加以修正，以提高GPS定位精度，用于定位及导航。 【问题引入问题引入】单元单元2 2 认识测量与误差认识测量与误差GPS定位、导航示意图 所谓测量误差，即测量结果输出值与理论输出值的差值。因此要求在设计和制造传感器与自动检测系统时，允许有误差，但必须在规定误差的指标之内

21、。为了使其能满足一定的精度要求，需要掌握误差的种类及分析产生误差的原因，克服与减少误差的方法。 【问题分析问题分析】单元单元2 2 认识测量与误差认识测量与误差刀刃干涉切削等产生的加工误差 1、测量相关名词 （1）真值 每一个物理量都是客观存在，在一定的条件下具有不以人的意志为转移的客观大小，人们将它称为该物理量的真值。 （2）约定真值 由于真值往往是未知的，所以一般用基准器的量值来代替真值，这就叫做约定真值。 （3）实际值 当测量次数为无限多时，测量结果的算术平均值接近于真值，可将它视为被测量的真值。为了强调它并非是真正的“真值”，故把它称为实际值。 （4）标称值（示值） 由测量器具读数装置

22、所指示出来的被测量的数值。 （5）测量误差 用器具进行测量时，所测量出来的数值与被测量的实际值之间的差值。【问题分析问题分析】单元单元2 2 认识测量与误差认识测量与误差 2、误差的分类按表示方法划分 按误差出现的规律划分 绝对误差 相对误差 系统误差 随机误差 粗大误差 实际相对误差 标称相对误差 满度相对误差 【问题分析问题分析】单元单元2 2 认识测量与误差认识测量与误差 按被测量随时间变化的速度划分 按使用条件划分 静态误差 动态误差 基本误差 附加误差 【问题分析问题分析】单元单元2 2 认识测量与误差认识测量与误差 2、误差的分类1、误差的来源 测量工作是在一定条件下进行的，外界环

23、境、仪器本身构造的不完善、对测量方法研究不够以及测量人员的技术水平和素质等原因，都可能导致测量误差的产生。测量误差主要来自以下四个方面： 外界条件：如观测环境中气温、气压、空气湿度和清晰度、风力以及大气折光等因素的不断变化等导致的误差。 仪器条件：仪器在加工和装配等工艺过程中，不能保证仪器的结构能够满足各种几何关系，必然会给测量带来误差。 测量方法：理论公式的近似限制或测量方法的不完善。 自身条件：由于观测者感官鉴别能力所限以及技术熟练程度不同，也会在仪器对中、整平和瞄准等方面产生误差。【知识链接知识链接】单元单元2 2 认识测量与误差认识测量与误差 2、误差的影响 除了被测的物理量以外，凡是

24、对测量结果有影响的量，即测量系统输入信号中的非信息性参量，都称为影响量。电子测量中的影响量较多而且复杂，影响常不可忽略。环境温度和湿度、电源电压的起伏和电磁干扰等，是外界影响量的典型例子。 3、误差的处理（1）系统误差的处理 在测量结果中进行修正 对于已知的恒指系统误差，可以用修正值对测量结果进行修正；对于变值系统误差，设法找出误差的变化规律，用修正公式或修正曲线对测量结果进行修正；对于未知系统误差，则按随机误差进行处理。【知识链接知识链接】单元单元2 2 认识测量与误差认识测量与误差 消除系统误差的根源 在测量之前，仔细检查仪表，正确调整和安装；防止外界干扰；选好观测位置消除视差；选择环境条

25、件比较稳定时读数等。 在测量系统中采用补偿措施 找出系统误差规律在测量过程中自动消除系统误差。 实时反馈修正 在测量过程中，用传感器将这些误差因素的变化，转换成某种物理量形式（一般为电量），及时按照其函数关系，通过计算机算出影响测量结果的误差值，并对测量结果作实时的自动修正。（2）随机误差的处理 随机误差处理的基本方法是概率统计方法。一般减小随机误差的方法为选用精密的测量仪器和多次测量取平均值等。【知识链接知识链接】单元单元2 2 认识测量与误差认识测量与误差 （3）粗大误差的处理 产生粗大误差的主要原因为：客观原因是电压突变、机械冲击、外界震动、电磁（静电）干扰、仪器故障等引起了测试仪器的测

26、量值异常或被测物品的位置相对移动，从而产生了粗大误差；主观原因是使用了有缺陷的量具，操作时疏忽大意，读数、记录、计算的错误等；环境条件的反常突变因素也是产生这些误差的原因。 粗大误差具有偶然性、突变性和异常性的数字特征。粗大误差不具有抵偿性，不能被彻底消除，只能在一定程度上减弱。它是异常值，严重歪曲了实际情况，所以在处理数据时应将其剔除，否则将对标准差、平均差产生严重的影响，一般的剔除方法可依据拉依达准则或格拉布斯准则进行。【知识链接知识链接】单元单元2 2 认识测量与误差认识测量与误差 %875. 1%10080%5 . 0300%10011mmxA%25. 1%10080%0 . 1100

27、%10022mmxA12xx可见 用1.0级仪表测量时，最大标称相对误差为：【案例1】不同量程和精度等级仪表的比较选用 今有0.5级的0 300 和1.0级的0100 两个温度计，要测80 的温度，试问采用哪一个温度计好？分析：用0.5级仪表测量时，最大标称相对误差为： 显然本例中用1.0级仪表比用0.5级仪表更合适。因此在选用传感器仪表时应兼顾精度等级和量程，通常希望在仪表满度值的2/3以上。 【应用案例应用案例】单元单元2 2 认识测量与误差认识测量与误差 【案例2】仪表实际测量误差的估算 案例1中1.0级温度仪表最大标称相对误差为1.25，若电源电压变化为10时产生的附加误差0.5，试估

28、算实际测量误差。 分析：按最坏的情况考虑，每次误差都达到技术指标规定的极限值，即： 基本误差x11.25；附加误差x20.5 若两项误差按相同的符号同时达到上述极限值，则应把上述误差相加，得： x=x1+x2=(1.25+0.5)= 1.75【应用案例应用案例】单元单元2 2 认识测量与误差认识测量与误差 【案例2】仪表实际测量误差的估算 计算结果和实际校验情况显然不符。这是因为各项误差不可能同时按相同的符号出现最大值，有的甚至互相抵消。实践证明，考虑附加误差的影响时按概率统计的方法将得到比较切合实际的结果，即求得各项误差的均方根值来估算测量误差： 这样处理的结果比较符合实际情况。测量误差x=

29、1.35也就代表了测量精度。%35. 1%5 . 0%25. 1222xix【应用案例应用案例】单元单元2 2 认识测量与误差认识测量与误差 在传感器感知的物理量转化为电量后，需要有这样一个系统能够自动地按照一定的程序选择测量对象，获得测量数据，并对数据进行分析和处理，最后将结果显示或记录下来，这就是自动检测系统。【问题引入问题引入】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 表面贴装器件平整度自动检测系统 1、自动检测系统的构成 在自动检测系统中，各个组成部分常常以信息流的过程来划分，它包括信息的获得、信息的转换、信息的显示和信息的处理。 传感器转换处理电路显示与记

30、录装置数据处理装置执 行 机 构 被测量【问题分析问题分析】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 自动检测系统的组成2、自动检测的接口技术 在自动检测技术中传感器与计算机以及计算机输出与执行机构、显示和打印等进行的有效连接称为“智能化测量控制系统”的接口技术，或称为输入/输出接口技术。 这种含有微型计算机或者微型处理器、拥有对数据的存储运算逻辑判断及自动化操作等功能的“智能化测量控制系统”通常称为智能仪器。 在用计算机对模拟信号进行测量和控制时，必须把模拟信号转换成数字信号，然后计算机才能按一定的处理要求对信号进行处理。实现模拟信号转换成数字信号的电路系统称为数

31、据采集系统，数据采集系统中最重要的器件便是模/数转换器（A/D转换器，也称ADC）。 【问题分析问题分析】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 数据采集系统的典型构成【问题分析问题分析】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 2、自动检测的接口技术 （1）信号调理电路 把信号调整到符合A/D转换器工作所需要的数值（如放大、衰减、偏移等）； 滤除信号中不需要的成分； 把信号调整到进一步处理的需要，如线性修正电路、改善信噪比的“相加平均”电路等。【问题分析问题分析】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 作

32、用：让许多独立的模拟信号共享采样/保持电路和A/D转换等器件。（2）多路模拟开关【问题分析问题分析】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 采样保持波形 采样保持原理 【问题分析问题分析】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 （3）采样/保持电路（S/H电路） A/D转换器的转换需要一定的时间。提高系统的测量速度，采样时间越短越好；有良好的转换精度，保持时间越长越好。 常用的A/D转换器是逐次逼近型和双斜积分型。A/D转换过程包括采样、量化和编码三个步骤。 （4）A/D转换器接口电路的功能： 实现逻辑电平、驱动能力的匹配等。（5）接

33、口电路及控制逻辑 控制逻辑的功能： 实现时序要求上的匹配。 【问题分析问题分析】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 Log2580系列现场独立智能数据采集系统采样速率100kHz，16bit分辨率 输入通道：16单端/8差分模拟信号，可扩至256通道14个可编程输入量程，最大可到20V 可直接测试各种传感器信号 24路通用数字I/O，16路专用数字输入，可扩至208通道 性能参数： 【问题分析问题分析】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 Personal Daqs USB 接口数据采集器CBook2000系列高精度便携数据采集

34、器【问题分析问题分析】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 多通道数据采集系统 【问题分析问题分析】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 1、自动检测系统的功能、自动检测系统的功能（1）变换功能（2）选择功能选择有用输入信号抑制其它一切无用影响因素) (21muuuxfy，)(xfy 【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 （3）比较功能 （4）显示功能模拟式仪表，比较过程由测量者在读数时执行数字仪表，标准量比较，然后变换成数码指针的转角图像显示数字值及符合文字记录笔的位移1、自动

35、检测系统的功能【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 2、传感器信号的预处理（1）传感器输出信号的特点 传感器的输出形式多种多样，有开关信号型、模拟信号型（有电压型、电流型和阻抗型等）、数字信号型等。 传感器的输出信号一般比较微弱。 传感器的输出阻抗都比较高，这样使传感器信号输入到测量转换电路时会产生较大的信号衰减。 传感器的动态范围很宽。 传感器的输出与输入之间的关系有时不是线性关系。 传感器的输出量会受温度的影响。【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 （2）传感器信号的预处理方法 阻抗变换

36、电路 在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗，以便于检测电路准确地拾取传感器的输出信号。 放大电路 将传感器输出的微弱信号放大。 电流电压转换电路 将电流输出转换成电压输出。 频率电压转换电路 实现频率信号至电流或电压转换。 电桥电路 把传感器的电阻、电感和电容值转换为电流或电压值。 电荷放大器 将电场型传感器输出的电荷量转换为电压值。【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 （2）传感器信号的预处理方法 交直流转换电路 在传感器为交流输出的情况下，转换为直流输出。 滤波电路 通过低通及带通滤波器消除传感器的噪声成分。 非线性校正电路 传感器

37、的特性是非线性时，进行非线性校正。 对数压缩电路 当传感器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路进行压缩。【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 3、智能仪器的特点（1）改善了性能 数字滤波、误差补偿、线性化（2）增加了功能 数据存储、数据处理、软件放大、倍频和细分 （3）提高了自动化程度 可实现误差自动补偿、自动化操作、越限自动报警和故障自动诊断、自动巡回检测、自动变量程检测 智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。【知识链接知识链接】单

38、元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 集成温度传感器【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 成本低小型化改善性能提高可靠性增加接口灵活性 ST的LIS202DL传感器 【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 德国Lepton超精密激光厚度集成传感器【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 二维自适应图像智能传感器 【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 三维多功能单片智

39、能传感器 【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 电针式生物医学传感器 毫米波分光计 【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 ABS 的防侧翻稳定控制系统 (RSC) ABS -ECU 【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 ABS 的防侧翻稳定控制系统 (RSC) 【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 智能视觉传感器 【知识链接知识链接】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系

40、统与接口技术 【案例1】大米光电分选机 工作原理：大米及杂质等在一定光源照射下，发出不同的光信号，这种不同的光信号经过光电传感器转换成电信号，经放大及信号处理后，推动执行机构气动电磁阀，喷出不同大小的气流，将杂质及变质大米吹掉，使优良大米流入合格米柜内，从而完成大米的分选工作。大米光电分选机的工作原理【应用案例应用案例】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 【案例2】自动磨削控制系统 传感器快速检测出工件的直径参数D，计算机一方面对该参数作一系列的运算、比较、判断等工作，然后将有关参数送到显示器显示出来，另一方面发出控制信号，控制研磨盘的径向位移x，直到工件加工

41、到规定要求为止。很显然，该系统是一个自动检测和控制的闭环系统。 自动磨削控制系统1传感器；2被研磨工件；3研磨盘【应用案例应用案例】单元单元3 3 认识自动检测系统与接口技术认识自动检测系统与接口技术 将传感器测量技术和单片机进行有机的结合构成了智能仪器，它由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成，并且分别由传感器、I/O接口电路、单片机系统和显示器组成的硬件系统以及单片机编程软件构成一个独立的检测目标明确的、不易更改的仪器。 可以用一台通用计算机（PC）与标准的数据采集硬件连接，采用软件编程完成相关测控对象的运算、处理和输出控制，并且用计算机显示屏来代替传统的各种数据和图像等显示装置。这

42、种使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器称为虚拟仪器。 【问题引入问题引入】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 1、虚拟仪器检测技术概述 虚拟仪器是指在通用计算机上由用户设计定义，利用计算机显示器（CRT）的现实功能来模拟传统仪器的控制面板，以完成信号的采集、测量、运算、分析、处理等功能的计算机仪器系统。与传统检测系统相比，虚拟仪器具有如下特点:软件是系统的关键，强调“软件即仪器”的新概念。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I/O部件来构建虚拟仪器。I/O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。功能由用户自己

43、定义，用户可以方便地自己设计、修改测试方案，构成各种专用仪器。【问题分析问题分析】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 1、虚拟仪器检测技术概述基于计算机的开放系统，可方便地同外设、网络及其他设备连接，信号的分析、实现、存储、打印和其他管理均由计算机完成，打破了传统仪器小而全的现状。系统功能、规模可通过软件修改、增减，简单灵活。价格低廉，可重复使用。技术更新快，开发周期短。采用软件结构、功能化模块，由于软件复制简单，大大节省了硬件开发和维护费用。面向总线接口控制，用户通过软件工具组建各种智能检测系统。 【问题分析问题分析】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测

44、技术 1、虚拟仪器检测技术概述软件即仪器【问题分析问题分析】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 传统仪器与虚拟仪器1、虚拟仪器检测技术概述 与传统仪器相比，虚拟仪器最大的特点是其功能由软件定义，可以由用户根据应用需要进行调整，用户选择不同的应用软件就可以形成不同的虚拟仪器。-仪器定义和功能的转变传统仪器:厂商定义虚拟仪器:用户定义PROCESSOR BUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAY AND CONTROL488 PORT PMathMEMORYPROMPROCESSOR BUSConditioningTimingA/DD

45、/ADI/OTI/ODISPLAY AND CONTROL488 PORT PMathMEMORYPROMControl PanelFlowPressure Alarm ConditionsSTOPTemperature【问题分析问题分析】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 2、虚拟仪器的构成图像采集(DSP)插入式DAQ卡GP-IB仪器卡VXI仪器卡串行口仪器卡现场总线设备采集处理测控对象信号处理数字滤波线性化频谱分析统计分析图形用户接口文件I / O数据存储显示硬复制网络传输数据分析结果表达【问题分析问题分析】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术

46、2、虚拟仪器的构成【问题分析问题分析】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 3、虚拟仪器系统的发展过程（1）GPIBVXIPXI总线方式（适合大型高精度集成系统）GPIB 于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世。（2）PC插卡并口式串口USB方式（适合于普及型的 廉价系统，有广阔的应用发展前景）PC插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。 综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。计算机是载体；软件是核心；高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。【问题分析问题分析】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认

47、识虚拟仪器检测技术 1、虚拟仪器的分类（1）PCI总线插卡型虚拟仪器（2）并行口式虚拟仪器（3）GPIB总线方式的虚拟仪器（4）VXI总线方式虚拟仪器（5）PXI总线方式虚拟仪器 PC IGPIBPXIVXI DB-25标准连接器标准连接器【知识链接知识链接】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 常用虚拟仪器板卡DAQ CardIMAQ CardMotion Control Card【知识链接知识链接】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 虚拟仪器软件模块 为简化硬件板卡编程和控制，提高代码复用程序。NI和Agilent已标准化了数百种常用仪器、板卡的驱

48、动，屏蔽了直接控制这些硬件的复杂性，它们已成为虚拟仪器开发平台的有机组成部分，开发时可直接复用这些硬件驱动代码。并出台了可互换虚拟仪器驱动程序设计软件接口标准。 用户界面用户界面软件驱动软件驱动【知识链接知识链接】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 应用软件基于虚拟仪器技术的示波器 【知识链接知识链接】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 常用的虚拟仪器软件平台可视化工程环境可视化工程环境 Agilent VEE多功能组态软件多功能组态软件DASYLab数字成像数字成像DirectView生产过程控制生产过程控制ProcessControl虚拟实验室虚

49、拟实验室LabView【知识链接知识链接】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 2、虚拟仪器系统的优势费用费用性能性能 性能高 开发周期短，低费用 灵活，无缝集成 用户定义， 可再用性 可重新配置，扩展性强【知识链接知识链接】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 2、虚拟仪器系统的优势【知识链接知识链接】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 3、虚拟仪器技术发展现状 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。目前虚拟仪器技术已经普遍被应用于测试行业，自动化、石油钻探和提炼、生产中的机

50、器控制等领域。 高性能、低成本的A/D和D/A转换器的出现和发展，也推动了虚拟仪器技术的发展。 虚拟仪器技术的扩展功能越来越强大，能够在PC上开发测试程序，在嵌入式处理器和FPGA上设计硬件等。这些为用户设计测试系统，定义硬件功能等提供了一个独立环境。因此虚拟仪器以其众多优势逐渐取代传统仪器发挥着重要作用，其应用领域将会越来越广泛。【知识链接知识链接】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 3、虚拟仪器技术发展现状【知识链接知识链接】单元单元4 4 认识虚拟仪器检测技术认识虚拟仪器检测技术 虚拟经纱张力测试仪 工作原理：当经纱穿过轴时，经纱对两侧传力杆有压力，通过传力杆将压力传给弹性梁，使之产生应变，利用应变片将其应变转化为电阻的变化，然后再通过转化电路将电阻的变化转化为电压的变化，测量出电压值，根据传感器的标定就可求出相应的经纱张力。 经纱张力传感器原理简图滚动轴经纱