传感与检测技术 教学课件 ppt 作者 刘传玺 第7章 自动检测系统的设计

2019/5/25,山东科技大学,第七章 自动检测系统的设计,2019/5/25,山东科技大学,第七章 自动检测系统的设计,第一节 自动检测系统及设计原则 第二节 自动检测系统的设计步骤 第三节 加热炉温度测控系统设计,2019/5/25,山东科技大学,第一节 自动检测系统及设计原则,自动检测系统的首要环节就是获取原始被测量的传感器或有关的敏感元件，实现一次变换（非电量到电量的变换）。考虑到它们的敏感、变换原理或特性的限制以及外界影响，一次变换后的信号通常满足不了测量与控制的要求。因此总要经过一些中间环节进行处理，实现信号放大、阻抗匹配、干扰抑制、滤波等功能。这样可以根据信号传输的方向构成开环式和闭环式系统。,2019/5/25,山东科技大学,一、开环式检测系统,（1）系统框图和信号流图被检测量放大与调理 开环检测系统又称为直接变换检测系统，其特点是信号的流动只沿着从输入到输出的一个方向进行。如图7-1所示。 传感检测（一次变换）部分通常是由不同传感器及基本转换电路组成，把非电量的变化转化为电量；放大与调理（二次变换）部分通常由放大电路或测量电路来担任，对电量进行放大与调理；显示、记录器为各种仪表、记录仪器，更加直观表示被检测量的大小及变化。,2019/5/25,山东科技大学,（2）系统结构图,开环检测系统是由许多对信号进行单向运算的方框和一些信号流向线组成，方框中写入各环节或系统的传递函数。传递函数是各环节或系统输出与输入拉氏变换之比，是以代数式的形式表征各环节式系统的传输、转换特性。因此，系统结构图也是检测系统的一种数学模型。开环检测系统的结构图如图7-2所示。,2019/5/25,山东科技大学,图中， ， ， 为各环节的传递函数，则该系统的传递函数为 = 对于开环检测系统，其输出 = 二、闭环检测系统 （1）系统框图和信号流图 闭环检测系统又称平衡变换型测量系统，其结构特点是除了一个正向变换通路之外还有一个反馈回路。如图7-3所示。,2019/5/25,山东科技大学,2019/5/25,山东科技大学,（2）系统结构图 闭环检测系统的结构图如图7-4所示。,2019/5/25,山东科技大学,根据自控理论知识，串联方框的等效传递函数等于各串联方框传递函数的乘积，则， = ，图7-4可简化为图7-5所示。,+,2019/5/25,山东科技大学,于是有 = = 式中 称为输入信号下的闭环传递函数，进一步可以求出在输入信号下系统的输出量 即,2019/5/25,山东科技大学,式中表明，系统在输入信号作用下，输出响应 取决于闭环传递函数 输入信号 。当 1时，输出变成 由此可知，整个系统的输入、输出关系将由反馈系统的特性决定，二次变换器特性的变化不会造成检测误差或造成的误差很小。因此，只要反馈回路具有较高的精度，即可保证整个系统具有较高的精度。,2019/5/25,山东科技大学,三、自动检测系统设计原则,自动检测系统主要用于对生产设备和工艺过程进行自动监视和自动保护，并且无论是传统的检测系统，还是自动检测系统，均包含一定的硬件系统和软件系统，但是根据检测任务不同，对检测系统的要求也不一样，在设计、综合和配置检测系统时，应考虑以下要求。 1.性能稳定：即系统的各个环节具有时间稳定性。 2.精度符合要求：精度主要取决于传感器、信号调节采集器等模拟变换部件。 3.有足够的动态响应：现代检测中，高频信号成分迅速增加，要求系统必须具有足够的动态响应能力。,2019/5/25,山东科技大学,4.具有实时和事后数据处理能力：能在实验过程中处理数据，便于现场实时观察分析，及时判断实验对象的状态和性能。实时数据处理的目的是确保实验安全、加速实验进程和缩短实验周期。系统还必须有事后处理能力，待试验结束后能对全部数据做完整、详尽的分析。 5.具有开放性和兼容性：主要表现为检测设备的标准化。计算机和操作系统具有良好的开放性和兼容性。可以根据需要扩展系统硬件和软件，便于使用和维护。,2019/5/25,山东科技大学,基于以上要求，在设计自动检测系统时，应当遵循一系列的原则，以保证测量精度和满足所规定的使用性能要求。 （一）环节最少原则：组成自动检测系统的各个元件或单元通常称为环节。 （二）精度匹配原则：在对检测系统进行精度分析的基础上，根据各环节对系统精度影响程度的不同和实际可能，分别对各环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配，做到恰到好处，这就是精度匹配原则。 (三)阻抗匹配原则：如前所述，测量信息的传输是靠能量流进行的。因此，设计检测系统时的一条重要原则是要保证信息能量最有效的传递。这个原则是由四端网络理论导出的，亦即检测系统中两个环节之间的输入阻抗与输出阻抗相匹配的原则。,2019/5/25,山东科技大学,(四)经济原则 在设计过程中，要处理好所要求的精度与仪表制造成本之间的矛盾。要尽量采用合理的结构型式与合理的工艺要求，恰当地进行各环节的灵敏度分配和误差分配，尽量以最少的环节、最低的成本建立起高精度的检测系统。在必要时，采用软件来取代硬件设备。可以起到降低成本、提高精度、扩大功能的显著效果。 (五)标准化与通用性原则 为缩短研制周期，便于大批量生产和使用过程中的维修，在设计中应尽量采用已有的标准零部件，对新设计的零部件也要考虑到今后在其他方面可能使用的通用性问题。,2019/5/25,山东科技大学,一、自动检测系统的分析,检测系统的分析是确定系统的功能、技术指标及设计任务，是设计检测系统总方向的重要阶段，主要是对要设计的系统运用系统论的观点和方法进行全面的分析和研究，以便明确对本设计课题提出了哪些要求和限制，了解被测对象的特点、所要求的技术指标和使用条件等等 。 (1)首先明确检测系统必须实现的功能和需要完成的测量任务。包括被测参数的定义和性质、被测量的数量、输入信号的通道数、测量结果的输出形式等。 (2)了解设计任务所规定的性能指标。为了明确设计目标，应当了解对于被测参数的测量精度、测量速度、极限变化范围和常用测量范围、分辨率、动态特性、误差等方面的要求，以及对于仪器仪表的检测效率、通用程度和可靠性等要求。 (3)了解测量系统的使用条件和应用环境。首先应当了解在规定的使用条件下，存在哪些影响被测参数的其他因素，以便在设计时设法消除其影响。,第二节 自动检测系统的设计步骤,2019/5/25,山东科技大学,二、自动检测系统总体方案的设计,1、确定系统的控制方式 自动检测系统的控制方式根据被测对象测试要求确定，其控制方式如果按照信号传输方式可分为开环系统还是闭环系统，或是数据处理系统。按实现方式可以分为：手动控制、自动控制和半自动控制。 2、输入、输出通道及外围设备的选择 自动检测系统中与计算机相连的输入输出通道，通常根据被测对象参数的多少来确定，并根据系统的规模及要求，配以适当的外围设备，如打印机、CRT、磁盘驱动器、绘图仪等。选择时应考虑以下一些问题。 （1）被测对象参数的数量； （2）各输入、输出通道是串行操作还是并行操作； （3）各通道数据的传输速率； （4）各通道数据的字长及选择位数； （5）对显示、打印有何要求,2019/5/25,山东科技大学,3、系统结构选择 自动检测系统结构设计需要综合考虑散热、电磁兼容性、防冲振、维护性等。创造使设备正常、可靠地工作的良好环境。具体要求如下。 （1）充分贯彻标准化、通用化、系列化、模块化要求； （2）人机关系谐调，符合有关人机关系标准，使操作者操作方便、舒适、准确； （3）设备具有良好的维护性，需经常维修的单元必须具有良好的可拆性； （4）结构设计必须满足设备对强度要求，尽量减少重量，缩小体积； （5）尽量采用成熟技术，采用成熟、可靠的结构形式和零、部件； （6）造型协调、美观、大方、色彩宜人。 根据使用场地和用途的不同需求，可采用固定机柜式、移动方舱式和便携机箱式等多种结构形式。,2019/5/25,山东科技大学,4、画出系统原理图 基于以上方案选择之后，要画出一个完整的自动检测系统原理框图；其中包括各种传感器、变送器、外围设备、输入输出通道及微型计算机。它是整个系统的总图，要求简单，清晰，明了。,2019/5/25,山东科技大学,三、自动检测系统硬件的设计,1、微型计算机的选择 微型计算机是自动检测系统的核心，对系统的功能、性能价格以及研发周期等起着至关重要的作用。一般根据系统要求的硬件和软件功能选择计算机类型。为了加快设计速度，缩短研制周期，应尽可能采用熟悉的机型或利用现有系统进行改进。 目前自动化领域应用较广的计算机产品种类很多，常用的有PC机和单片机两种。在选择时，首先应根据系统具体要求，确定是采用现成的微机系统或者是采用某种微处理器芯片研制专用系统。 自动检测系统的许多功能与主机的字长、寻址范围、指令功能、处理速度、中断能力以及功耗都有着密切关系，因此，在选择时应根据系统功能要求选择最适合的微型计算机作为主机，提高整个系统的性能价格比。,2019/5/25,山东科技大学,2、检测元件的选择,在确定方案的同时，必须选择好被测参数的测量元件。如何根据具体的检测目的、检测对象以及检测环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。传感器的选择原则及方法在第一章已作了介绍。,2019/5/25,山东科技大学,3、模拟量输入通道的设计,（1）数据采集通道的结构形式 在自动检测系统中，选择何种结构形式采集数据，是进行模拟量输入通道设计中首先要考虑的问题。图7-6所示给出两种结构形式。,图7-6 两种模拟量输入通道,2019/5/25,山东科技大学,两者的比较：,（a）图由于各参数是串行输入的，所以转换时间比较长。但它的最大优点是节省硬件开销。这是目前应用最多的一种模拟量输入通道结构形式。 （b）图中，每个模拟量输入通道都增加了一个S/H。其目的是可以采用同一时刻的各个参数，以便进行比较。,（2）A/D转换器的选择 一般根据被测对象的实际要求选择A/D转换器。A/D转换器的位数不仅决定采集电路所能转换的模拟电压动态范围，也很大程度影响采集电路的转换精度。因此，应根据对采集电路转换范围与转换精度两方面要求选择A/D转换器的位数。,2019/5/25,山东科技大学,（3）采样/保持器的选择 为了保证A/D转换器的稳定输出，要求在A/D转换期间其被转换模拟信号保持不变，因此，在A/D转换器前必须加设采样/保持器。由于采样/保持器在保持阶段一直保持着采样阶段结束时刻的输入模拟信号的瞬时值，因此，A/D转换器只要在采样/保持器的保持阶段内进行和完成A/D转换，就能得到准确稳定的数字输出。,自动检测系统硬件电路可以先采用某种信号作为激励，然后通过检查电路能否得到预期的响应来验证电路是否正常。但是检测系统的硬件电路功能的调试没有相应的驱动程序很难实现。通常采用的方法是编制一些小的调试程序，分别对相应的各硬件单元电路的功能进行检查，而整各系统的硬件功能必须在硬件和软件设计完成之后才能进行。,4、硬件调试,2019/5/25,山东科技大学,四、自动检测系统软件的设计,软件设计的质量直接关系到系统的正确使用和效率。软件的设计、开发、调试及维护常要花费巨大的精力和时间。一个好的软件应具有正确性、可靠性、可测试性、易使用性及易维护性等多方面的性能。,1、软件的总体结构 当明确软件设计的总任务之后，即可进入软件总体结构设计。一般采用模块化结构自顶向下把任务从上到下逐步细分，一直分到可以具体处理的基本单元为止，如图7-7所示 。,图7-7 模块化结构,2019/5/25,山东科技大学,模块的划分有很大的