第十三章 检测技术的综合应用

自动检测技术课程授课教案PAGEPAGE1第十三章检测技术的综合应用课题：检测技术的综合应用课时安排：4课次编号：20~21教材分析难点信噪比重点传感器综合应用教学目的和要求1.了解现代测试系统的基本结构2.了解检测技术在温度、压力、流量、现代家电、现代汽车*、数控机床*、机器人*、智能楼宇中的应用*（*根据不同专业选讲）采用教学方法和实施步骤讲授、课堂讨论、分析教具：各种智能仪表各教学环节和内容演示：给学生看各种接口电路和智能仪表和各种接口卡。第一节现代测试系统的结构一、现代检测系统的3种基本结构体系现代检测系统可分为智能仪器结构、个人仪器结构和自动测试系统结构等3种基本结构体系。1．智能仪器智能仪器是将微处理器、存储器、接口芯片、人机对话设备以及传感器有机地融合在一起组成的检测系统。它有专用的小键盘、开关、按键及显示器（如数码管或点阵液晶屏）等，多使用汇编语言，体积小，专用性强。图13-1所示为智能仪器的典型硬件结构图。图13-1智能仪器典型硬件结构图2．PC仪器PC仪器也称个人仪器，又称个人计算机仪器系统。它是以个人计算机（必须符合工控要求）配以适当的硬件电路与传感器组合而成的检测系统。由于它是基于个人计算机基础上的仪器，所以称为个人仪器。个人仪器的典型硬件结构框图如图13-2。图13-2个人仪器的典型硬件结构框图组装个人仪器时，将传感器信号接到相应的接口板上，再将接口板插到工控机的USB接口上或总线扩展槽中，配以相应的软件，就可以完成自动检测功能。课堂提问：工控机与个人电脑的主要区别有哪些？3．自动测试系统自动测试系统（缩写ATS）是以工控机为核心，以标准接口总线为基础，以可程控的多台智能仪器或个人仪器为下位机组合而成的一种现代检测系统。自动测试系统的原理框图如图13-3所示。图13-3自动测试系统原理框图现代化车间中，一条流水线上往往要安装几十、上百个传感器，上位机利用预先编程的测试软件，对每一台智能仪器进行参数设置、数据读写，并且还能利用其计算、判断能力控制整个系统的运行。许多自动测试系统还可以作为服务器工作站加入到互联网络中，成为网络化测试子系统，实现远程监测、远程控制、远程实时调试。二、现代检测系统的特点及功能（1）设计灵活性高只需更改少数硬件接口，通过修改软件就可以显著改变功能，从而使产品按需要发展成不同的系列，降低研制费用，缩短研制周期。（2）操作方便使用人员可通过键盘来控制系统的运行。系统通常还配有CRT屏幕显示，因此可以进行人机对话，在屏幕上用图表、曲线的形式显示系统的重要参数、报警信号，有时还可用彩色图形来模拟系统的运行状况。（3）具有记忆功能在断电时，能长时间保存断电前的重要参数。（4）有自校准功能自校准包括自动零位校准和自动量程校准，能提高测量准确度（5）具有自动故障诊断功能所谓自动故障诊断就是当系统出现故障无法正常工作时，只要计算机本身能继续运行，它就转而执行故障诊断程序，按预定的顺序搜索故障部位，并在屏幕上显示出来，从而大大缩短了检修周期。1．巡回检测的基本概念从图13-1可以看到，检测系统涉及的传感器和输入量众多，其工作流程如下：计算机首先根据存储在ROM或硬盘中的程序，向多路采样开关阵列的选通地址译码器写入准备采样的传感器地址，由译码器接通该地址对应的采样开关，所要采样的信号被连接到高准确度放大器，放大后的信号经A-D转换器转换成数字量，计算机通过数据总线接受该信号。为了随机误差统计处理的需要，每个采样点需要快速地采样多遍。一个采样点采样结束后，计算机转而发送第二个采样地址，对第二个传感器采样，直至全部被测点均被采样完毕为止。如果被采集的信号不是模拟量而是状态量，计算机由I/O接口进行读操作；如果被采样信号是串行数据量，则通过串行接口接受该信号。从上述分析可知，计算机不可能在同一时刻读取所有传感器来的信号，而是分时但快速地轮流读取所有的被测量，这种采样方式称为“巡回检测”（Datascanning）。采样结束后，所有的采样值还需要经过误差统计处理，剔除粗差，求取算术平均值，然后存储在RAM中。计算机根据预定程序，将有关的采样值作一系列的运算、比较判断，将运算的结果分别送显示终端和打印终端，并将某些数值送到输出接口，输出接口将各数字量分别送到位控信号电路和多路D-A转换电路，去控制各种执行机构。若某些信号超限，计算机立即起动声光报警电路进行报警。2．软件抗干扰技术上述剔除粗大误差的方法中，除了可以按第一章第2节论述的数据统计原理进行外，在工业中经常采用如下简易办法进行，即对存在干扰和随机误差的信号进行“等准确度”的快速、多次采样，然后先舍去第一个采样值（不稳定），再舍去若干最大值和最小值，将余下的几个中间值作算术平均值运算，该算术平均值可以认为是排除了各种干扰后的较正确的结果，这种方法有时也被称为简易数字滤波三、检测系统中的几种重要硬件1．采样开关采样开关用于接通或断开输入信号。工业中，对采样开关的要求是速度快、体积小，所以不能采用电工继电器。常用的采样开关主要有两种，一是干簧继电器，二是CMOS模拟采样开关。提问：干簧管和CMOS模拟开关，各自有哪些优缺点？2．放大器检测系统对放大器的主要要求是：准确度高、温漂小、共模抑制比高、频带宽的直流放大器。目前常用的放大器有以下几种形式：（1）高精度、低漂移的双极型放大器，如OP-07等。（2）隔离放大器。它带有线性光电隔离器，有很高的抗共模干扰能力。（3）专用的“仪用放大器”成品。它的各项技术指标均能符合工业检测系统的要求，但价格较昂贵。提问：能否用三极管来放大传感器来的信号？为什么？第二节传感器在温度、压力测控系统中的应用系统主机采用工控机，它带有硬盘、总线接口、液晶彩显和打印机等。本系统把巡回数据采集电路及控制电路装在一个独立的接口箱中，其中装有定时器、计数器、并行输入／输出接口等，接口箱与主机之间通过一块并行接口插卡连接，插入总线扩展槽（例如ISA槽、PCI槽等），也可以通过USB接口进行通信。隧道窑计算机检测控制系统框图如图所示。13-10隧道窑计算机检测控制系统框图二、系统原理及工作过程检测部分的工作原理系统的测温点共20点，采用分度号K型（镍铬-镍硅）热电偶测量温度较低的预热带温度；用分度号B型（铂铑30-铂铑6）及分度号R型（铂铑13-铂）热电偶分别测量温度较高的燃烧室（1320℃左右）、烧成带、冷却带的温度；压力检测点共4点，采用YSH-1压力变送器。它们的输出信号经CMOS模拟开关切换后送到公用前置放大器。前置放大器采用低温漂、高准确度的“仪表测量放大器”。它的增益（放大倍数）可由计算机程序控制。在巡回检测到压力变送器时，将增益设定为2倍；在检测热电偶时，将增益设定为100，此时可将+50mV的热电势放大到+5V。放大后的模拟信号送到A-D转换器转换为数字量。在这个例子中，A-D转换器采用12位ADC。当输入模拟量为-5～+5V时，输出的数字量为0000H～0FFFH。即-5V时输出为0000H，0V时输出为7FFH（2047），+5V时输出为0FFFH（4095）。也可以选择仅对正值输入（0～+5V）进行A-D转换的器件。A-D转换器结果由计算机作为一个变量存储在内存中。若系统共有n个传感器，则巡回检测一次，要刷新n个变量的内容。（2）控制部分的工作原理系统开始工作时，从硬盘中调入用户程序及各有关参数，进行数据巡回采集。每一路数据采样8次，然后进行中值滤波，再将所得到的测量值进行数据处理，诸如温度补偿、线性化等，以便得到较精确的结果。计算机每隔几秒对需控制的每路信号进行PID运算。本系统采用12路8位数模转换器来获得4～20mA的电流输出，并经伺服放大器分别控制隧道窑煤气喷嘴及风道蝶阀的开合度。提问：如果对一个测点的信号快速测量16遍，问去掉第一个值，再去掉3个最大值，3个最小值，剩下的几个值如何处理？第三节传感器在流量测量中的应用1．什么是流量积算仪测量和显示累积流量的仪器称为流量积算仪，电路框图如图所示。13-11智能化流量积算仪计算机接口电路原理框图2．流量累积计算计算机先根据图中的差压传感器信号，计算出流量的瞬时值，再将每一秒钟的体积流量进行累加，并显示累积结果（单位换算为t）。提问：在图中，当差压信号为20mA时，施加在采样开关K1输入端的电压UΔp为多少？3．为什么测量流量还需要使用压力和温度的传感器？流量主要与差压有关，但还受到压力和温度的影响。如果不考虑流体的压力和温度，计算流量时将产生较大的误差，所以必须进行压力、温度补偿。测量压力和温度可分别使用电容式压力变送器和各种温度变送器。提问：上图中，为什么要使用很多光耦？地线需要如何处理？2．流量累积计算计算机先根据图13-中的差压传感器信号，计算出流量的瞬时值，再将每一秒钟的体积流量进行累加，并显示累积结果（单位换算为t）。提问：在上图中，当差压信号为20mA时，施加在采样开关K1输入端的电压UΔp为多少？3．为什么测量流量还需要使用压力和温度的传感器？流量主要与差压有关，但还受到压力和温度的影响。如果不考虑流体的压力和温度，计算流量时将产生较大的误差，所以必须进行压力、温度补偿。测量压力和温度可分别使用电容式压力变送器和各种温度变送器。提问：上图中，为什么要使用很多光耦？地线需要如何处理？第四节传感器在现代家电中的应用一．模糊洗衣机的基本原理模糊洗衣机以人们洗衣操作的经验作为模糊控制的依据，采用多种传感器将洗衣状态信息检测出来，自动判断衣物的数量（重量）、布料质地（粗糙、软硬）、脏污程度，并将这些信息送到计算机中。经逻辑处理后，选择出最佳的洗涤参数，从而决定水位的高低、洗涤时间、搅拌与水流方式、脱水时间等，对洗衣全过程进行自动控制。达到最佳的洗涤效果。第五节传感器在现代汽车中的应用一、现代汽车的测控系统2．汽车ECUECU由CPU、存储器（ROM、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）以及整形、驱动等大规模集成电路组成，用于汽车的电气、机械控制。图13-15ECU的外形及内部原理框图a）外形b）ECU内部原理框图及输入/输出信号1．空气系统中的传感器及其作用（1）空气流量传感器ECU根据车速、功率（载重量、爬坡等）等不同运行状况，控制电磁调节阀的开合程度来增加或减少空气流量。（2）空气温度传感器NTC热敏电阻式气温传感器用于测量进气温度，以便修正因气温引起的空气密度变化。图13-17NTC温度传感器及特性a）外形b）温度特性曲线（3）汽车的“油门”的控制节气门的开度是利用图2-1a所示的圆盘式电位器来检测的。油门踏板踏下时，带动电位器转轴，输出0～5V的电压反馈给ECU。2．燃油系统中的传感器及其作用（1）油压的测量油压的测量采用半导体压阻式固态压力传感器。半导体压阻式固态压力传感器（2）油温的测量燃油温度会影响燃油的粘稠度及喷射效果，所以通常采用第二章介绍过的NTC热敏电阻温度传感器来测量油温。（3）氧含量的测量当排气中的氧含量不足时，由ECU控制增大空燃比，改变油气浓度，提高燃烧效率，减少黑烟污染。3．发动机点火系统中的传感器及其作用（1）发动机曲轴角度的测量转速表的输出脉冲频率与发动机转速成正比。（2）缸压的测量在发动机缸壁上，安装有一只缸压传感器，用于测量燃烧压力，以得到最佳燃烧效果。4．传动系统中的传感器及其作用（1）车速和公里数的测量ECU将曲轴转速信号与车轮周长进行适当的换算，可以得到车速和公里数。（2）车轮速度的测量在前后四个车轮中安装有车轮速度传感器。当发生侧滑时，ECU分别控制有关车轮的制动控制装置及发动机功率，提高行驶的稳定性和转向操作性。（3）车轮独立悬挂的测控控制油压系统，调节四个车轮的高度，跟踪地面的变化，保持轿厢的平稳。5．什么是ABS？ABS由车轮速度传感器（例如霍尔传感器）、ECU以及电-液控制阀等组成。ECU根据车轮速度传感器来的脉冲信号控制电液制动系统，使各车轮的制动力满足少量滑动但接近抱死的制动状态，以使车辆在紧急刹车时不致失去方向性和稳定性。6．还有哪些车用传感器？油箱油位传感器、缺油报警传感器、润滑机油缺油报警传感器、机油油压传感器、冷却水水温传感器、车厢烟雾传感器、空调自起动温度传感器、车门未关紧报警传感器、保险带未系传感器、雨量传感器以及霍尔式直流大电流传感器、CO、氮氢化合物传感器等。第六节传感器在数控机床中的应用一、位置检测装置在进给控制中的应用数控车床加工时，伺服电动机带动拖板运动。光电角编码器产生与直线位移成正比的脉冲信号，由数控系统驱动伺服电动机，经滚珠丝杠螺母副带动拖板作精确的直线位移运动。在更精密的数控机床中，还可以使用磁栅或光栅来代替角编码器。二、传感器在数控机床的自适应控制中的应用1．数控机床的自适应控制温度补偿和刀具磨损补偿等。2．怎样进行温度补偿热敏电阻、半导体温度IC等。电流、电压信号由电流变换器和电压变换器来获得。还可以用体积更小的霍尔功率变送器来取代电流变换器、电压变换器。图13-25主轴电动机功率监控三、数控机床自动保护1．怎样检测工件夹紧力夹紧力由油压传感器检测。2．过热保护有哪些？监测轴温、压力油温、润滑油温、冷却空气温度、各个电动机绕组温度等。3．辅助系统状态检测有哪些？在润滑、液压、气动等系统中，安装有压力传感器、液位传感器、流量传感器，对辅助系统随时进行监控。第七节传感器在机器人中的应用1．机器人怎样感知与对象的接触？高分