智能仪器基础第1章

1、智能仪器基础智能仪器基础 朱一纶 主编第一章第一章 概述概述1.1传统仪器仪表与智能仪器1.1.1传统仪器仪表1、仪表、仪表 仪表(meter)名称使用比较久，其设计目的为测量时间、距离、速度、强度等实现显示、记录或控制数量和流量，如控制气体流量和电流。 双金属温度计 1.1.1传统仪器仪表o仪表的功能一般比较单一，通常是测量某一个信号并将它显示出来或传送给其它设备，或经过变换传送给执行器。o在化工、热工及自动化生产过程中经常用到各种仪表，在日常生活中也有如水表，电表，汽车上的速度表等。 电磁流量计 1.1.1传统仪器仪表o当仪表需要输出控制量来控制其它设备时，通常被称为控制仪表，在自动控制系

2、统中广泛使用控制仪表有调节器，变送器，运算器、执行器等。 1151型压力变送器 1.1.1传统仪器仪表o右图为UL型阻移式物位计，它能对开口料仓与密闭料仓中的粉状、颗粒状、块状物料进行检测、报警及自动控制。可以在钢铁、耐火、水泥、橡胶、化纤、电力等工业长期运行，效果比较理想。1.1.1传统仪器仪表2.传感器传感器 国家标准国家标准GB7665-87对传感器对传感器（transducer/sensor）的定义为：）的定义为： “能感受规定的被测量并按照一定的规律能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成感元件和转

3、换元件组成”。 1.1.1传统仪器仪表o传感器也可称为变换器、探测器或检测器等。o与仪表相比较，传感器的种类似乎更广泛些，它基于各种物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律和法则所支配，进行能量和信息的转换。1.1.1传统仪器仪表o传感器常用的分类方法有：o按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器 。位移变送器：输出420mA、05V或010V、05V的标准电信号 1.1.1传统仪器仪表o按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。 轮辐式称重传感器：适用于平台秤、汽车衡、轨道衡及料仓物位测量与控制。 1.1.1传统仪

4、器仪表按传感器输出信号的性质分类，可分为：o输出为开关量（“”和“”或“开”和“关”）的开关型传感器；o输出为模拟量（通常带变送器的传感器输出标准化信号即三线制，输出信号为010mA、420mA或05V）的模拟型传感器；o输出为脉冲或代码的数字型传感器。1.1.1传统仪器仪表右图为扩散硅无腔压力传感器/变送器：测量对象为粘稠性液体，适用于测量发动机喷油系统的油压、缸压、液压及药品制造和食品加工等方面，其变送器输出为：420mA或05V，二线或三线制。 1.1.1传统仪器仪表o3.仪器仪器o仪器 (instrument) 通常是指用于记录、测量、显示或控制的独立装置（设备）。与仪表相比较，仪器的

5、结构比较复杂，测量功能比较多。 1.1传统仪器仪表与智能仪器双踪示波器 高频信号源（300MHz标准信号源） 1.1.1传统仪器仪表传统仪器仪表系统的一般功能方框图 检 测 元 件 变 送 器 调 节 器 执 行 器 显 示 器 被 控 对 象 给 定 值 1.1.1传统仪器仪表o被控对象送出的是被控量，如压力、流量、温度等变量，检测元件把它们转换成易于传递或显示的变量，变送器则把它们转换成相应的电信号（或其它信号），该信号被送到调节器中，与给定值（零点，控制要求值等）进行比较，输出调节量（或显示值），控制执行器的动作。1.1.2 智能仪器 o智能仪器（Intelligent Instrume

6、nt）通常是指含有微型计算机或微处理器的测量控制仪器，由于它拥有对信号数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定的智能的作用，（表现为智能的延伸或加强）故被称为智能仪器。 1.1.2 智能仪器单机型智能仪器系统的简单框图 1.1.2 智能仪器o检测元件往往由传感器（包含了检测及变送功能）组成，它输出标准的（模拟）电信号，通过信号处理接口电路进行处理后，送给微机系统，微机系统对数据进行处理，可以按要求储存、校正、调节、显示或输出控制信号，通过输出接口电路控制被控设备，而人机界面接口则使操作员可以输入、修正控制要求、查看测控结果等。1.2智能仪器的分类与特点 o随着集成电路技术的飞速发

7、展，具有各种处理功能的集成电路体积越来越小，功能越来越强，包含了微机系统的智能仪器仪表的体积也可以做得很小，所以有些书上提出的智能仪表、甚至智能传感器也可以有很强的数据处理功能，在此我们不再加以区分，统一称为智能仪器仪表或简称为智能仪器。 1. 智能仪器按智能程度分类智能仪器按智能程度分类 涉及到自动化生产工业时，把智能定义成自动化生产过程中一种闭环控制的仪器结合输入信号及存储的记忆而出现的判断控制能力。相应地就把智能仪器分类成：o聪明类，电子、传感、测量o初级智能，计算机，信号与处理o模型化，系统辨识，模式识别1.高级智能，人工智能2智能仪器按结构分类智能仪器按结构分类 1)单机型智能仪器o

8、这类智能仪器通常为某种测量目的设计，硬件与软件都是根据待测量、测控要求、性能指标来设计，针对性比较强，其人机界面比较简单，输入按键比较少，输出有采用数码管显示器或液晶显示器，体积小，测试精度高，可靠性高，一般还有符合某些协议的通信接口，应用十分广泛，智能仪器狭义上通常就是指这种单机型智能仪器，这也是本教材要着重分析的智能仪器。 2智能仪器按结构分类智能仪器按结构分类2)个人计算机仪器 广义上，任何一台个人计算机附加上测量控制的外部设备都可以看成是一台智能仪器，可称为微机卡式仪器（PCI_personal computer instrument）（亦称个人计算机仪器） 2智能仪器按结构分类智能仪

9、器按结构分类个人计算机仪器结构框图 微处理器 RAM ROM 键盘、鼠标等 显示器 接口 打印机、扫描仪等 控制电路 测试电路 接口 接口 总线 个人微机 2智能仪器按结构分类智能仪器按结构分类3)智能仪器测控系统（又称网络仪器） 在自动化工业过程中，往往对整个生产过程都要进行监控，在对机电产品测试中，也往往要对多种变量进行测试，综合分析测试结果，因此用大量智能仪器仪表（传感器）构成智 能仪器系统也已经在很多场合得到了应用。 1.2.2 智能仪器的特点 o微处理器的引入使许多原来用硬件电路难以解决或根本无法解决的问题，由于利用软件而获得较好的解决。 o智能仪器可以通过数据处理进行自动校正非线性

10、补偿、数字滤波等，修正和克服由各种传感器、变换器、放大器等引进的误差和干扰，从而提高仪器的精度和其他性能。1.2.2 智能仪器的特点o智能仪器一般都具有很高的自动化水平。o微机系统都具有通信的功能，通过相关的协议，使智能仪器很容易与其他计算机系统通信，也可以用很多智能仪器构成自动测控系统。1.2.2 智能仪器的特点o智能仪器采用微处理器，从而可以用软件代替许多硬件电路的工作，这样，仪器可以简化结构、减小体积、降低成本和提高可靠性。 o智能仪器通常都具有自测试和自诊断功能 1.3智能仪器的发展概况 o智能仪器是计算机技术与测试技术相结合的产物，因此智能仪器的发展也是由计算机技术、测试技术的发展速

11、度决定的。1.信号测试与处理方面信号测试与处理方面 信号测试信号测试:聋哑传感器 智能传感器 网络传感器 信号处理信号处理:8位 16位 32位 DSP1.信号测试与处理方面信号测试与处理方面o从软件技术的发展上来看，近年来，智能仪器已从较为成熟的数据处理向知识处理发展，它体现为模糊判断，故障诊断、容错技术、传感器信息融合、机件寿命预测等，使智能仪器的功能向更高的层次发展。 2.组成自动测试系统方面组成自动测试系统方面 专用型智能仪器智能传感器 网络传感器 _用于某一特殊用途的智能仪器用于某一特殊用途的智能仪器_考虑了与其它仪器的配合，考虑了与其它仪器的配合，一般都配有符合接口标准的一般都配有符合接口标准的接口电路接口电路 _基于基于VXI、PXI等仪表总线，等仪表总线，主要由模块化的仪器主要由模块化的仪器/设备组设备组成的自动测试系统成的自动测试系统 3.工业生产自动化方面工业生产自动化方面 集中式数字仪器仪表控制系统电动单元组合式模拟仪表控制系统基地式气动仪表控制系统现场总线控制系统（FCS）集散控制系统DCS4.智能仪器的展望智能仪器的展望o高速度 o智能化 o集成化 o小型化和微型化 1.4 小结o仪表是为