测控技术及仪器导论

1、 以单片机（或专用芯片）为核心组成的单机系统以单片机（或专用芯片）为核心组成的单机系统以个人计算机为核心的应用扩展型测量仪器以个人计算机为核心的应用扩展型测量仪器2.1 概概 述述 2.1 2.1 检测技术的含义、作用和地位检测技术的含义、作用和地位 检测是采用现代科技方检测是采用现代科技方法与装置对工业现场的有关信息进行检查与测量，并将结果加法与装置对工业现场的有关信息进行检查与测量，并将结果加以全面利用的一项应用技术，它是工业自动化的核心技术之一。以全面利用的一项应用技术，它是工业自动化的核心技术之一。 一个完整的检测过程一般包括信息的提取、信号的转换存一个完整的检测过程一般包括信息的提取

2、、信号的转换存储与传输、信号的显示记录和信号的分析处理。检测技术是涉储与传输、信号的显示记录和信号的分析处理。检测技术是涉及检测方法、检测系统结构以及检测信号处理的一门综合性技及检测方法、检测系统结构以及检测信号处理的一门综合性技术。因此，检测技术研究的范围比较广泛，主要有以下几个方术。因此，检测技术研究的范围比较广泛，主要有以下几个方面：面： （1 1） 研究信号检测中的方法、工具、设备，以便能方便、研究信号检测中的方法、工具、设备，以便能方便、迅速、准确、可靠地完成检测任务。迅速、准确、可靠地完成检测任务。 （2 2） 研究检测中的信息处理与变换的方法。从被检测对研究检测中的信息处理与变换

3、的方法。从被检测对象中获取的信号，经检测元件、测量电路等装置后，常包含各象中获取的信号，经检测元件、测量电路等装置后，常包含各种干扰信号，这不仅会引入测量误差，还会对测量的可靠性、种干扰信号，这不仅会引入测量误差，还会对测量的可靠性、准确性带来不利影响。为了克服干扰的影响，需要使用较复杂准确性带来不利影响。为了克服干扰的影响，需要使用较复杂的数据处理和变换方法。的数据处理和变换方法。 （3 3） 研究检测问题中的信息传输、存储、显示的方法与研究检测问题中的信息传输、存储、显示的方法与技术，研究检测仪器仪表、检测系统的抗干扰技术和故障检测、技术，研究检测仪器仪表、检测系统的抗干扰技术和故障检测、

4、 诊断的技术。诊断的技术。 （4 4） 研究使用计算机辅助设计技术对检测方法、检测用研究使用计算机辅助设计技术对检测方法、检测用仪器仪表及检测系统进行详细的理论分析，对参数及结构进行仪器仪表及检测系统进行详细的理论分析，对参数及结构进行最优化设计。最优化设计。 （5 5） 研究检测系统和计算机及其他系统的通信。研究检测系统和计算机及其他系统的通信。 一方面，现代化的检测技术在很大程度上依赖于经济生一方面，现代化的检测技术在很大程度上依赖于经济生产和科学技术的发展水平；另一方面，经济与科学技术的发展产和科学技术的发展水平；另一方面，经济与科学技术的发展也反过来进一步促进检测技术的提高与进步。自动

5、检测技术已也反过来进一步促进检测技术的提高与进步。自动检测技术已成为一些发达国家最重要的热门技术之一，它可以给人们带来成为一些发达国家最重要的热门技术之一，它可以给人们带来巨大的经济效益并促进科学技术的飞跃发展，因此在国民经济巨大的经济效益并促进科学技术的飞跃发展，因此在国民经济中占有极其重要的地位和作用。中占有极其重要的地位和作用。 2.2 2.2 自动检测系统的组成及结构形式自动检测系统的组成及结构形式1. 1. 自动检测系统的组成自动检测系统的组成检测系统的主要作用在于测量各种参数以用于显示或控制。检测系统的主要作用在于测量各种参数以用于显示或控制。 为实施测量，一般检测系统包括传感器、

6、测量电路、显示或输为实施测量，一般检测系统包括传感器、测量电路、显示或输出等几大部分，如图出等几大部分，如图2-1所示。所示。图图2-1 检测检测系统的构系统的构成成 2. 2. 自动检测系统的结构形式自动检测系统的结构形式1) 1) 重复（串联）结构重复（串联）结构为了提高检测系统的灵敏度和抗干扰能力，常采用多个基为了提高检测系统的灵敏度和抗干扰能力，常采用多个基本元件的串联（重复）结构形式。例如，用热电堆检测温度时，本元件的串联（重复）结构形式。例如，用热电堆检测温度时， 基本检测元件是热电偶，热电堆由多个单个热电偶串联而成，基本检测元件是热电偶，热电堆由多个单个热电偶串联而成， 其输出是

7、各单个热电偶输出热电势之和。对同一被测温度，其输出是各单个热电偶输出热电势之和。对同一被测温度， 采用热电堆比采用单个热电偶，其输出电势提高了若干倍。采用热电堆比采用单个热电偶，其输出电势提高了若干倍。 由于输出信号增强了，从而可以使测量电路简化并提高抗干扰由于输出信号增强了，从而可以使测量电路简化并提高抗干扰能力。能力。 2) 2) 反馈结构反馈结构这里所说的这里所说的“反馈反馈”主要是指负反馈在放大器和检测系统主要是指负反馈在放大器和检测系统中的应用。将反馈技术引入到检测技术中，不仅可以提高测量中的应用。将反馈技术引入到检测技术中，不仅可以提高测量精度，改善检测系统的性能，而且能使某些用传

8、统检测系统无精度，改善检测系统的性能，而且能使某些用传统检测系统无法解决的问题得以解决。法解决的问题得以解决。典型的反馈型检测系统如图典型的反馈型检测系统如图2-2所示。可以看出，反馈型所示。可以看出，反馈型检测系统与一般检测系统的区别在于，它具有一个由检测系统与一般检测系统的区别在于，它具有一个由“逆传感逆传感器器”构成的反馈回路。由闭环系统的性质可知，当主回路的放构成的反馈回路。由闭环系统的性质可知，当主回路的放大倍数足够大时，反馈型检测系统的特性基本上是由逆传感器大倍数足够大时，反馈型检测系统的特性基本上是由逆传感器的特性所决定的。的特性所决定的。 图图2-2 反馈反馈型检测系型检测系统

9、统 “逆传感器逆传感器”可视为将电量转换为被测非电量的传感器。可视为将电量转换为被测非电量的传感器。 反馈型检测系统中所采用的比较和平衡方式有：力或力矩平衡、反馈型检测系统中所采用的比较和平衡方式有：力或力矩平衡、 电流平衡、电压平衡、热流平衡、温度平衡等。电流平衡、电压平衡、热流平衡、温度平衡等。反馈型检测系统的静态特性可用下式表示：反馈型检测系统的静态特性可用下式表示： xKKKKKyFuxux1(2-1) 式中：式中：Kx为传感器的静态传递系数；为传感器的静态传递系数；Ku为信号处理部分的静态变为信号处理部分的静态变换系数；换系数；KF为逆传感器的静态传递系数。当为逆传感器的静态传递系数

10、。当KxKu足够大，使足够大，使KxKu KF1 时，时， 则则y(1/KF)x。 3) 差动结构差动结构被测量（或称影响量）为被测量（或称影响量）为u2，输出为，输出为y，变换器，变换器A输出为输出为y1，变换器变换器B输出为输出为y2，总的输出为，总的输出为y=y1-y2。这就是所谓的差动结。这就是所谓的差动结构。构。 图图2-3 差动结构检测系统差动结构检测系统 采用差动结构的目的是消除或减弱干扰量的影响，同时采用差动结构的目的是消除或减弱干扰量的影响，同时对有用信号即被测信号的灵敏度要有相应的提高。为此变换对有用信号即被测信号的灵敏度要有相应的提高。为此变换器器A和和B采用对称结构，均

11、为线性变换器，采用对称结构，均为线性变换器， 则有静态关系式：则有静态关系式： 11212212121212(,)(,)()()AABBABAByf u uK uK uyfu uK uK uyyKKuKKu (2-2) (2-3)(2-4) 因为变换器因为变换器A和和B为对称结构，为对称结构， 故故 ,BABAKKKK则则 y2KAu1 (2-5) 4) 4) 扫描结构扫描结构欲对某物体一定面积上的参数进行检测或对具有一定宽度欲对某物体一定面积上的参数进行检测或对具有一定宽度的运动物体的某参数进行检测时，要使所采用的传感器能把被的运动物体的某参数进行检测时，要使所采用的传感器能把被测物体所需检

12、测的部分全部覆盖住，这是有困难的，而且会增测物体所需检测的部分全部覆盖住，这是有困难的，而且会增加设备成本。为解决此问题，通常采用扫描结构检测，使传感加设备成本。为解决此问题，通常采用扫描结构检测，使传感器在被检测物体上按直角坐标系作有规律（即有两个自由度）器在被检测物体上按直角坐标系作有规律（即有两个自由度）的运动，把被测物体上所有应该检测的位置都检测到。图像检的运动，把被测物体上所有应该检测的位置都检测到。图像检测系统几乎都采用的是扫描结构形式。测系统几乎都采用的是扫描结构形式。 2.3 2.3 非电学量电测法的特点非电学量电测法的特点检测系统的被测量是表征被测对象的各种物理及化学等现检测

13、系统的被测量是表征被测对象的各种物理及化学等现象或过程的量，由于通过传感器后其通常变换成电学量，因此象或过程的量，由于通过传感器后其通常变换成电学量，因此这种检测方法也称为非电学量的电测法。非电学量电测法具有这种检测方法也称为非电学量的电测法。非电学量电测法具有如下特点：如下特点： （1 1） 可在极宽的被测量范围内十分方便地调整整机灵敏可在极宽的被测量范围内十分方便地调整整机灵敏度，即具有很宽的幅值域。利用电子技术能把信号放大数万倍，度，即具有很宽的幅值域。利用电子技术能把信号放大数万倍， 因此可测量极微弱的电信号。因此可测量极微弱的电信号。 （2 2） 电测仪器具有极小的惯性，即具有相当宽

14、广的频域，电测仪器具有极小的惯性，即具有相当宽广的频域， 因而既能测量缓慢变化的信号，又可测量随时间作快速变化的因而既能测量缓慢变化的信号，又可测量随时间作快速变化的信号。信号。 （3 3） 精度高且便于传输，特别是电信号可以用无线电发精度高且便于传输，特别是电信号可以用无线电发射、接收，也可直接传输给计算机，对信号进行加工等。射、接收，也可直接传输给计算机，对信号进行加工等。 （4 4） 电测仪器能够用单元电气部件来装配组合成装置系统电测仪器能够用单元电气部件来装配组合成装置系统或自动系统，这就大大地方便了科研及工业应用。或自动系统，这就大大地方便了科研及工业应用。 主要内容主要内容p 传感

15、器概述p 热敏传感器p 智能传感器 3.1 3.1 传感器概述传感器概述 传感器位于测控系统的输入端，一般由敏感元件、传感器位于测控系统的输入端，一般由敏感元件、转换元件和信号调理电路等部分组成转换元件和信号调理电路等部分组成敏感元件信号调理电路转换元件被测量输出量（自源型）（自源型）换为输出量的能量换为输出量的能量2012nnyaa xa xa x式中：y输出量； x输入量； a0零点输出； a1理论灵敏度； a2、a3，an非线性项系数衡量传感器静态特性的主要指标UiDa0 1 2 3 4 5 6 7111110101100011010001000UiDa0 1 2 3 4 5 6 711

16、1110101100011010001000ySxmaxFS|100%RRy0 xyxFSRmax1Rmax2maxFS|100%HHy0 xyxFSHmaxmaxFS|100%LLy0 xyxFSLmax0 xyxFSLmax0 xyxFSLmax（a）理论拟合 （b）端点连线拟合 （c）最小二乘拟合RHL222RHL 1110111101nnnnnnmmmmmmd y tdy tdy taaaa y tdtdtdtd x tdx tdx tbbbb x tdtdtdt 11101110mmmmnnnnY sb sbsb sbH sX sa sasa sa11101110mmmmnnnnYj

17、bjbjbjbHjXjajajaja零阶传感器系统 00a yb x00byxKxaK静态灵敏度。 一阶传感器系统 0100ba dyyxa dtadyyKxdtbky(t)x(t)ui uoRC（a）力学系统）力学系统（b b）电学系统）电学系统 20212000( )( )( )baad y tdy ty tx tadtadta2220012d ydyyKxdtdtbky(t)Fmui uoRCSL典型的二阶系统典型的二阶系统 22d ydymbkyFdtdt220,0,0ooossitd uduLCRCuuuutdtdt0Ay(t)小大ty(t)A0t（a）一阶系统（b）二阶系统 100

18、ppy tyty% 通常利用传感器系统对单位幅度正弦信号的响通常利用传感器系统对单位幅度正弦信号的响应曲线测定动态性能的频域指标应曲线测定动态性能的频域指标。 传感器的频域性能指标包括传感器的频域性能指标包括通频带通频带： 对数幅频特性曲线上幅值衰减对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB3dB时所对应时所对应 的频率范围；的频率范围；工作频带工作频带：幅值误差为幅值误差为5%5%或或10%10%时所对应的频率范时所对应的频率范 围；围；相位误差相位误差：在工作频带范围内相角应小于在工作频带范围内相角应小于5 5或或1010。 0-3-10-200.1 1.0 10 20lg/AdB-20-80-40

19、-6000.1 1.0 10（a）一阶系统幅频特性和相频特性）一阶系统幅频特性和相频特性010-10-200.11100/ 20lg/AdB大小（b）二阶系统幅频特性和相频特性）二阶系统幅频特性和相频特性-90-1800.11100/ 小大03.2 3.2 热敏传感器热敏传感器001tRRa TTRt 被测温度被测温度T时热电阻的电阻值；时热电阻的电阻值；R0 基准温度基准温度T0时的电阻值；时的电阻值；a 热电阻的电阻温度系数（热电阻的电阻温度系数（1/）；）；T、T0绝对温度，单位绝对温度，单位K。主要金属热电阻传感器的性能主要金属热电阻传感器的性能 热敏电阻是一种半导体温度传感器，按温度

20、特性分为负温热敏电阻是一种半导体温度传感器，按温度特性分为负温度系数热敏电阻（度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（）、正温度系数热敏电阻（PTC）和在）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。）。0011exptRRBTTRt 被测温度被测温度T时热敏电阻值；时热敏电阻值；R0 基准温度基准温度T0时的热敏电阻值；时的热敏电阻值；B 热敏电阻的特征常数；热敏电阻的特征常数；T、T0绝对温度，单位绝对温度，单位K K。3.2.2 3.2.2 热敏电阻热敏电阻0 80 160 240 320温度/1050403020R/kOIUabc NTC型热敏电阻温度特性 NTC型热敏电阻伏安特性3.2.2 3.2.2 热敏电阻热敏电阻3.2.2 3.2.2 热敏电阻热敏电阻被测量传感器预处理及输入接口微处理器输出接口执行机构或显示记录智能传感器的结构智能传感器的结构 3.3 3.3 智能传感器智能传感器3.3 3.3 智能传感器智能传感器1 1）自补偿功能）自补偿功能 2 2）自校准功能）自校准功能 3 3）自诊断功能）自诊断功能 4 4）数据处理功能）数据处理功能 5 5）双向通信功能）双向通信功能 6 6）信