测控技术与仪器导论.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,测控技术与仪器专业导论,电气信息工程学院,2015,年,09,月,课 程 概 述,测控技术与仪器基本概述,测控系统的检测技术,测控系统的感知技术,现代测控技术概述,第一讲 测控技术与仪器基本概述,1,、什么是测控技术与仪器,测控技术与仪器是研究信息的获取和处理，以及对相关要素进行控制的理论与技术；是电子、光学、精密机械、计算机、信息与控制技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。,一、测控技术与仪器学科简介,测控技术与仪器,专业是仪器科学与技术和控制科学与技术交叉融合而形成的,综合性学科,。培养能适应社会主义现代化经济建设需要，德、智、体全面发展，基础扎实，具有良好的素质，较强的创新精神和能力，知识面宽，掌握电子学基础理论，测量与控制理论和有关测控仪器的设计方法，并,具备测量和控制方面以及精密仪器设计制造的基础知识与应用能力，能够从事本专业工作的高级工程技术人才。,2,、,专业,主要课程,主干学科：,信息与通信工程、仪器科学与技术、电子科学与技术、控制科学与工程。,主要课程：,电路理论系列课程（电路原理,）、计算机技术系列课程（计算机基础、,C,语言,）、信号处理系列课程（信号与线性系统,）、测控系统系列课程（自动控制原理、测控电路,）。,主要实践性教学环节：,包括课程实验、计算机上机训练、课程设计、生产实习、毕业设计等。,3,、毕业生应具备的能力,毕业生应具备的能力：,（,1,）较系统地掌握专业领域宽广的技术基础理论知识，适应电子与测控技术方面,广泛的工作范围,；,（,2,）掌握电子电路的基本理论和实验技术，具备分析和设计电子设备的能力；,（,3,）掌握信息获取、处理的基本理论和应用的一般方法，具有设计一般测控系统的基本能力；,（,4,）了解信息产业的基本方针、政策和法规，了解企业管理的基本知识；了解测控仪器与系统的行业发展现状；,（,5,）有研究、开发新系统、新技术的初步能力；掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有一定的科学研究和实际工作能力。,4,、就 业 范 围,（,1,）从事电子设备和信息系统的设计、应用开发以及技术管理等，比如,做电子工程师；设计开发一些电子、通信设备；做软件工程师，设计开发与硬件相关的各种软件。,（,2,）可以进入生产工程自动化企业从事自动控制、自动化检测等方面的工作，也可以在科研单位进行仪器仪表的开发和设计，同时还可以在工程检测领域、计算机应用领域找到适合本专业个人发展的空间。,（,3,）操作技能比较强，就可以做一些电子信息设备的应用与维修的工作。,（,4,）从事相关的商业职位、自己创业。,5,、相近专业,自动化；,通信工程,；计算机科学与技术；,电子科学与技术,；生物医学工程,；电气工程与自动化；,电子信息工程,；网络工程,；,集成电路设计与集成系统；,光电信息工程,；广播电视工程,；计算机软件,；智能科学与技术；,探测制导与控制技术；,建筑电气与智能化,；电磁场与微波技术。,二、,我院测控技术与仪器专业,1,、历史沿革,本专业最初作为,电子信息工程,专业的一个专业方向，从,电子信息工程,专业分离而来，而,电子信息工程,专业名称历经,无线电技术,应用电子技术,电子信息工程,的演变过程。,1988,年首批本科生入校，,1992,年获工学士学位授予权，同年毕业首批本科生。,1996,年开始，在原有基础上，继续进行教学改革，设置相应教学环节，加强学生在教师职业基本技能方面的培养和训练，实施了“三证书制”。,05,测控班是第一届,测控技术与仪器,方向,的毕业生，,2010,年,测控技术与仪器,获得学士学位授予权，东方学院,06,测控班是第一届,测控技术与仪器专业,的毕业生。,1999,年根据教育部专业目录调整的要求，在拓宽专业口径的基础上进行了专业方向的分流，,设置四个专业方向：,电子技术、电气技术方向、电化教育方向、通信技术方向。,先后将该专业的,3,个专业方向建设成为,3,个本科专业,。,2001,年,将电化教育方向发展为教育技术专业（该专业于,2002,年划归计算机系），,2002,年,将通信技术方向发展为,通信工程专业,2002,年,起，根据师范教育发展的趋势，该专业在师范教育的基础上同时设置了,电子信息工程非师范本科专业,。,2003,年,将电气技术方向发展为,电气工程及其自动化,专业。,2005,年,新增设,测控技术与仪器,专业方向。,电子信息工程专业,在,2006,年,被确定为,江苏省品牌专业建设点。,测控技术与仪器,专业,2013,年被学校列为校重点建设专业。,2,、培养思路,软件与硬件技术结合；,注重基础，强化实践。,3,、培养目标,本专业培养适应经济建设需要的德、智、体、美等方面全面发展，具备现代测控仪器设计制造以及测量与控制方面,基础知识与应用能力,，掌握各种有关信息量的检测、转换和分析处理的原理、方法及技术，能在国民经济各部门从事测量与控制领域内有关技术、仪器与系统的设计制造、产品开发、运行维护和工程管理等工作的,应用型高级专门人才,。,4,、毕业生应获得的知识和能力,(1),掌握数学计算及应用、对象建模、程序设计、时域频域分析、计算机技术等工程基础知识与能力；,(2),掌握电子电路分析与应用、单片机技术与应用、,EDA,技术与应用等电子工程基本理论与分析、应用能力以及常用电子仪器使用能力；,(3),系统地掌握光学、控制科学和传感器与检测等方面的技术基础理论和基本知识,(4),掌握光、电、计算机相结合的当代测试理论、技术和实验研究能力，具有本专业测控仪器与系统的基本理论与设计、开发能力，如智能仪表设计与应用能力和虚拟仪器技术应用能力；,(5),获得较好的测控领域中的工程实践知识和能力，如测量信号分析能力和测控系统的设计与应用能力；,(6),获得测控系统综合应用能力，如计算机测控网络的构建与应用能力；,(7),掌握一门外语，能熟练地阅读本专业的外文文献；掌握文献检索、资料查询的基本方法；,(8),具有较好的团队合作能力和较强工作适应能力，具备初步科技开发和组织管理工作能力。,、课程设置,课程设置体现为三种结合，即,元件与系统,的结合、,强电与弱电,的结合、,软件与硬件,的结合，致力于宽口径、应用型人才的培养。,本专业教学计划为五个模块,充分体现了文理结合、理论与实践相结合的现代教育理念。五大模块都围绕着培养掌握现代电子信息技术和测控技术的工程应用型人才为中心，把学生全面素质的培养、专业技能的训练、专业综合能力的培养贯穿在四年的教学全过程之中。,A,模块,公共基础必修课,65.5,学分,1144,学时 学分比例,36.4%,C,模块,学科专业基础必修课,28.5,学分,480,学时 学分比例,15.8%,D,模块,实践技能必修课,41,学分,41,周 学分比例,22.8%,E,模块,专业,(,专业方向,),选修课,29.5,学分,472,学时 学分比例,16.4%,F,模块 公共选修课,15.5,学分 学分比例,8.6%,合 计,180,学分,2096,学时（不含,D,、,F,模块）,测控技术与仪器,“,六大模块”包含六类课程体系：,公共课程（,A,、,F,模块如：品德、哲学、英语等）：是培养全面发展的人才所必须的，而高等数学、大学物理、计算机应用基础、工程制图等是根据专业的特点和性质设置的，是,学生学习专业知识、进行科学思维和基本技能训练、培养人文素质和能力的前提。,学科专业基础课（,C,模块课程）：,包括专业理论基础和专业技术基础课程。,这类课程有一定的应用背景，但一般不涉及具体的工程或产品，覆盖面较宽，有一定的理论深度和知识广度，还具有与工程科学密切相关的方法论。,它们与基础课程共同构成了学生学习专业知识，培养专业能力的重要基础。,(,终生受用,),主要课程：,电路原理、模拟电子技术基础,、数字电路、信号与线性系统、专业英语,专业方向课程（,E,模块）：是根据社会对测控技术与仪器专业人才的业务和知识结构要求，即为专业培养目标而设置的，,可以使学生获得该专业的技术开发能力和专业特长。,主要课程：单片机技术,、,EDA,技术及应用（双语）,、电子测量、虚拟仪器技术、传感器与检测技术、光电检测技术、智能仪表原理与设计、测控电路、计算机网络与通信等。,教学实践必修课程（,D,模块）：为加强学生动手能力开设的系列课程设计、综合课程设计、生产实习、毕业设计，,通过这些环节的锻炼，理论联系实际，培养学生的创新精神和实践动手能力。,从知识分解的角度看课程设置,:,1,、技术基础理论知识,电子电路基本理论：电路原理（,72,学时）,模拟电子技术（,64,学时）,数字电路（,64,学时）,信息处理：信号与线性系统（,64,学时）等,计算机软硬件知识：,单片机原理与应用（,48,学时）等,测控仪器与测控系统：,电子测量,（,40,学时）,智能仪表原理与设计,（,40,学时）,测控电路,（,40,学时）,虚拟仪器技术,（,32,学时）,光电检测技术,（,32,学时）,数据采集系统,（,32,学时）等,2,、实践技能,常用元器件的识别及常用电子仪器使用,（电源、万用表、信号发生器、示波器等）,支撑的课程和相应的实验室有：,电子工艺实习（,1,周）,/,电子工艺实验室 电路原理实验（,16,学时）,/,电路原理实验室,模拟电子技术实验（,24,学时）,/,模拟电子技术实验室,数字电路实验（,24,学时）,/,数字电路实验室,常用电子设计软件的使用,（,PROTEL,Multisim,Quartus,II,等）,支撑的课程和相应的实验室有：,电子工艺实习（,1,周）,/PROTEL/EDA,实验室,电路原理实验（,16,学时）,/Multisim/EDA,实验室,模拟电子技术实验（,24,学时）,/Multisim/EDA,实验室,数字电路课程设计（,1,周）,/,Quartus,II/EDA,实验室,EDA,技术与应用（,32,学时,/16,学时课内实验）,/,Quartus,II/EDA,实验室,常见电量及常用电路的技术指标的测试,支撑的课程和相应的实验室有：,电子测量（,40,学时）,电路原理实验（,16,学时）,/,电路原理实验,模拟电子技术实验（,24,学时）,/,模拟电子技术实验室,模拟电子技术课程设计（,2,周）,/,模拟电子技术实验室,数字电路实验（,24,学时）,/,数字电路实验室,测控系统设计及设备维修能力,支撑的课程和相应的实验室有：,测控系统综合训练（,4,周）,/,传感器技术实验室,传感器与检测技术综合训练（,1,周）,/,传感器技术实验室,单片机应用能力：单片机应用,实验（,16,学时）,3,、基本学制,四年（合格获本科毕业证书）,4,、授予学位,工学学士,三、学习提示,1,、规划：大学四年的规划（短期），人生规划（长远）,2,、良好的学习习惯：非常重要！,3,、自学能力：自主学习的意识和学习方法,例如：自己设计一个电子或测控系统，该怎么办？,4,、测控技术与仪器是宽口径专业，需要学习的内容多，知识面广，每个学生都应该根据自己的情况，在学习上有所选择，,主次分明。,5,、强化实际的动手能力。,6,、全面发展！,四、测控系统的结构与分类,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,2.1,概,述,2.1,检测技术的含义、作用和地位 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：,第二讲 测控系统的检测技术,（,1,）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。,（,2,）研究检测中的信息处理与变换的方法。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，需要使用较复杂的数据处理和变换方法。,（,3,）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、,诊断的技术。,（,4,）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，对参数及结构进行最优化设计。,（,5,）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。,2.2,自动检测系统的组成及结构形式,1.,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。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,2-1,所示。,图,2-1,检测系统的构成,2.,自动检测系统的结构形式,1),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，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。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。,2),反馈结构,这里所说的,“,反馈,”,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。,典型的反馈型检测系统如图,2-2,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,“,逆传感器,”,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的特性所决定的。,图,2-2,反馈型检测系统,“,逆传感器,”,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、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：,(2-1),式中：,K,x,为传感器的静态传递系数；,K,u,为信号处理部分的静态变换系数；,K,F,为逆传感器的静态传递系数。当,K,x,K,u,足够大，使,K,x,K,u,K,F,1,时，则,y,(1/,K,F,),x,。,3),差动结构,被测量（或称影响量）为,u,2,，输出为,y,，变换器,A,输出为,y,1,，变换器,B,输出为,y,2,，总的输出为,y,=,y,1,-,y,2,。这就是所谓的差动结构。,图,2-3,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,A,和,B,采用对称结构，均为线性变换器，则有静态关系式：,(2-2),(2-3),(2-4),因为变换器,A,和,B,为对称结构，,故,则,y,2,K,A,u,1,(2-5),4),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。图像检测系统几乎都采用的是扫描结构形式。,2.3,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如下特点：,（,1,）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，因此可测量极微弱的电信号。,（,2,）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信号。,（,3,）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。,（,4,）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。,第三讲 测控系统的感知技术,主要内容,传感器概述,热敏传感器,智能传感器,传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，它们的共性是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性，,将非电量转换成电量,。,3.1,传感器概述,传感器的定义,3.2.1,传感器的定义与分类,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,分类方法,传感器种类,说明,按输入量分类,位移、压力、温度、流量、湿度、速度、气体等传感器,以被测物理量命名，包括机械量、热工量、光学量、化学量、物理参量等,按工作原理分类,应变式、电容式、电感式、压电式、热电式、光电式等,以传感器对信号转换的作用原理命名,按结构分类,结构型传感器,敏感元件的结构在被测量作用下发生形变,物性型传感器,敏感元件的固有性质在被测量作用下发生变化，包括物理性质、化学性质和生物效应等,按输出信号分类,模拟式传感器、数字式传感器,输出分别为模拟量和数字量,电参数型和电量型传感器,电参数型指中间参量为电阻、电容、电感、频率等；,电量型指中间参量为电势或电荷,按能量关系分类,能量转换型传感器（自源型）,传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量,能量控制型传感器（外源型）,传感器输出能量由外源供给，但受被测量的控制,3.1.1,传感器的定义与分类,传感器的基本特性,传感器的基本特性是指传感器的输入,-,输出特性，一般分为静态特性和动态特性两大类。静态特性是当被测对象处于静态，即输入为不随时间变化的恒定信号时，传感器输入与输出之间呈现的关系。动态特性是指当输入量随时间变化时的输入输出关系。,3.1.2,传感器的基本特性,1.,静态特性,式中：,y,输出量；,x,输入量；,a,0,零点输出；,a,1,理论灵敏度；,a,2,、,a,3,，,，,a,n,非线性项系数,3.1.2,传感器的基本特性,量程 分辨力,阈值 灵敏度,重复性 迟滞,线性度 精度,稳定性,3.1.2,传感器的基本特性,衡量传感器静态特性的主要指标,量程,量程又称满度值，是指系统能够承受的最大输出值与最小输出值之差。,3.1.2,传感器的基本特性,分辨力与阈值,分辨力是指传感器能够检测到的最小输入增,量。使传感器产生输出变化的最小输入值称为传,感器的阈值。,3.1.2,传感器的基本特性,灵敏度,传感器输出变化量与输入变化量之比为静态灵敏度，其表达式为：,3.1.2,传感器的基本特性,重复性,重复性表示传感器在同一工作条件下，被测输入量按同一方向作全程连续多次重复测量时，所得特性曲线的不一致程度。,3.1.2,传感器的基本特性,迟滞,迟滞指传感器输入沿正向行程和反向行程变化时输入输出特性曲线的不一致性。,3.1.2,传感器的基本特性,线性度,为了标定和数据处理方便，通常希望传感器的输入输出呈线性关系。,3.1.2,传感器的基本特性,常用的直线拟合方法有：理论拟合、端点连线拟合、最小二乘拟合等。相应的有理论线性度、端点连线线性度、最小二乘线性度等。,3.1.2,传感器的基本特性,（,a,）理论拟合 （,b,）端点连线拟合 （,c,）最小二乘拟合,精度,精度是反映传感器系统误差和随机误差的综合误差指标。经常用重复性、迟滞和线性度三项的和或者方和根来表示：,3.1.2,传感器的基本特性,稳定性,稳定性是指在规定工作条件下和规定时间内，传感器性能保持不变的能力。,3.1.2,传感器的基本特性,2.,动态特性,动态特性反映传感器感知动态信号的能力。一般来说，传感器输出随时间变化的规律应与输入随时间变化的规律相近，否则输出量就不能反映输入量。,3.1.2,传感器的基本特性,动态特性的数学描述,3.1.2,传感器的基本特性,典型环节的频率特性,零阶传感器系统,K,静态灵敏度。,一阶传感器系统,3.1.2,传感器的基本特性,（,a,）力学系统,3.1.2,传感器的基本特性,（,b,）电学系统,二阶传感器系统,3.1.2,传感器的基本特性,典型的二阶系统,3.1.2,传感器的基本特性,时域性能指标,通常在阶跃信号作用下测定传感器动态特性的时域指标。,（,a,）一阶系统（,b,）二阶系统,3.1.2,传感器的基本特性,传感器的时域性能指标主要有,时间常数,：,输出值上升到稳态值的,63%,所需的时间；,上升时间：,输出值从稳态值的,10%,上升到,90%,所需的时间；,响应时间：,输出值达到稳态值的,95%,或,98%,所需的时间。,最大超调量,：,在二阶系统中，如果输出量大于稳态值，,则 有超调，最大超调量定义为：,3.1.2,传感器的基本特性,频域性能指标,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,。,传感器的频域性能指标包括,通频带,：,对数幅频特性曲线上幅值衰减,3dB,时所对应,的频率范围；,工作频带,：,幅值误差为,5%,或,10%,时所对应的频率范,围；,相位误差,：,在工作频带范围内相角应小于,5,或,10,。,3.1.2,传感器的基本特性,（,a,）一阶系统幅频特性和相频特性,3.1.2,传感器的基本特性,（,b,）二阶系统幅频特性和相频特性,3.1.2,传感器的基本特性,热敏传感器,热敏传感器是科学实验和生产活动中非常重要的一类传感器，它是将热量变化转换为电学量变化的装置，用于检测温度和热量。,3.2,热敏传感器,热电阻,大多数金属热电阻的阻值随温度升高而增大，其特性方程如下：,R,t,被测温度,T,时热电阻的电阻值；,R,0,基准温度,T,0,时的电阻值；,a,热电阻的电阻温度系数（,1/,）；,T,、,T,0,绝对温度，单位,K,。,3.2.1,热电阻,材料,铂,铜,镍,适用温度范围,/,-200600,-50150,-100300,0100,之间电阻温度系数平均值,/,（,10,-3,/,）,3.923.98,4.254.28,6.216.34,化学稳定性,在氧化性介质中性能稳定，不宜在还原性介质中使用，尤其是高温下,超过,100,易氧化,超过,180,易氧化,温度特性,近于线性，性能稳定，精度高,近于线性,近于线性，性能一致性差，灵敏度高,应用,高精度测量，可作标准,适于低温，无水分，无浸蚀性介质,一般测量,主要金属热电阻传感器的性能,3.2.1,热电阻,在热电阻选型方面，应该主要考虑以下参数,1,）,热电阻的类别、测温范围及允许误差；,2,）,常温绝缘电阻：,热电阻常温绝缘电阻的试验电压为直流,10,100V,，环境温度,1535,，相对湿度不大于,80%,，大气,压力为,86106kPa,；铂热电阻的常温绝缘电阻值应不小于,100M,；铜热电阻的常温,绝缘电阻值应不小于,50M,；,3,）,公称压力：,指在室温情况下保护管不破裂所能承受的静态外压。允许工作压力不仅与保护管材质、直径、壁厚有关，还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的种类、浓度、流速有关；,3.2.1,热电阻,4,）热响应时间：,指在温度出现阶跃变化时，传感器的输出,变化相当于该阶跃变化的,50%,，所需要的时间称为热响应,时间。,5,）最小置入深度：,感温元件长度应不小于其保护管外径的,8,10,倍。部分产品为适应安装条件的限制，长度不符合本,项要求，测量精度相应受到影响；,6,）尺寸规格：,包括保护管外径、总长等；,7,）接线盒形式：,分为防水式和防爆式等；,8,）,保护管材料、电气接口、防护等级、安装固定形式等；,3.2.1,热电阻,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（,NTC,）、正温度系数热敏电阻（,PTC,）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（,CTR,）。,R,t,被测温度,T,时热敏电阻值；,R,0,基准温度,T,0,时的热敏电阻值；,B,热敏电阻的特征常数；,T,、,T,0,绝对温度，单位,K,。,3.2.2,热敏电阻,其电阻,-,温度特性曲线如图,NTC,型热敏电阻温度特性,NTC,型热敏电阻伏安特性,3.2.2,热敏电阻,热敏电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性是十分严重的，为使测量系统的输入输出呈线性关系，可以采用,:,（,1,）串、并联补偿电阻，,（,2,）利用电路中其他部件的非线性修正,（,3,）计算机修正等方法。,3.2.2,热敏电阻,3.3.1,智能传感器的结构和功能,智能传感器的结构,3.3,智能传感器,3.3,智能传感器,3.3.1,智能传感器的功能,1,）自补偿功能,2,）自校准功能,3,）自诊断功能,4,）数据处理功能,5,）双向通信功能,6,）信息存储和记忆功能,8,）除了检测物理量、化学量的变化，智能传感器还具有,信号调理（如滤波、放大、,A/D,转换等）、数据处理和,数据显示等能力。,7,）数字量输出功能：输出数字信号，可方便的同计算机,或接口总线相连。,智能传感器硬件结构图,3.3.2,硬件结构,1.,数字滤波,3.3.3,软件设计,算术平均滤波,加权递推平均滤波,3.3.3,软件设计,2.,非线性校正,常用的非线性校正方法：查表法、线性插值法、曲线拟合法。,3.,温度补偿,温度补偿原理框图,3.3.3,软件设计,测控系统的基本概念、系统构成、设计,基于网络的测控技术,基于机器视觉的测控技术,基于无线通信的测控技术,基于雷达的测控技术,基于虚拟仪器的测控技术,第四讲 现代测控技术概述,4.1,测控技术在自动化中的应用,传感器从传统的压力、温度、流量和液位四大热工量的测量发展到目前具有光、电、磁、力及生物信息的感知，光纤、光栅等,光敏传感器,，,DNA,、免疫等,生物信息传感器,，超声波等,声敏传感器,，可燃性气体、氧气、电子鼻等,气敏传感器,，可见光、红外光等,图像传感器,等。,现代测控技术的发展,4.1,测控技术在自动化中的应用,控制器从早期的单片机、,PLC,、个人计算机发展到,工控机和嵌入式机,，嵌入式计算机与测控仪器设备日渐趋同，具有全局意义上的相通性；软件技术发展为,测控系统的网络化、远程控制,提供可靠的技术支持。,现代测控技术的发展,4.1,测控技术在自动化中的应用,工业：,电力、石化、冶金、医药等,国防：,现代武器系统,高炮雷达探测系统、激光测距仪、预警雷达和预警机,航天：,导弹、火箭、卫星,卫星工程包括卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统和应用系统五大分系统；载人航天工程包括载人航天器系统、航天员系统、运载火箭系统、发射场系统、着陆场系统、测控系统和应用系统七大分系统,现代测控技术的应用,4.1,测控技术在自动化中的应用,测控设备软件化：软测量,测控过程智能化：计算机,高度的灵活性：软件,较强的实时性：在线，主频的快速提升,可视性：可视化图形编程,测控管一体化：企业信息化,立体化：全球卫星定位、无线通信、雷达探测,现代测控系统的特点,4.2,现代测控系统的结构与设计,基于,DAQ,体系的结构模型,现代测控系统的结构模型,4.2,现代测控系统的结构与设计,基于网络的测控系统模型,：,基于现场总线,4.2,现代测控系统的结构与设计,2.,基于网络的测控系统模型,：,基于,Internet,4.2,现代测控系统的结构与设计,2.,基于网络的测控系统模型,：,测控管一体化模型,4.2,现代测控系统的结构与设计,现代测控系统的设计方法,硬件设计：,约束条件：对象方面主要考虑其大小、形状、距离、环境、物理量、用途等；测控系统需求方面主要考虑功能、反应速度、可靠性、测控精度等因素。此外还需考虑研制成本、产品成本以及开发周期。,系统模块设计技术：测控系统电路设计一般采用,CPLD,、,FPGA,、,DSP,等高集成度器件技术，主要以,PC,商用机和基于,PC104,工控机为主；低功耗器件，对降低功耗与抗干扰有积极意义；采用通用化、标准化硬件电路；软测量技术；采用动态链接库。,4.2,现代测控系统的结构与设计,系统设计技术：选用标准总线和通用模块单元，如程控仪器、数控,设备、现场总线仪表和虚拟仪器板卡等；采用软件组态开发平台进行开发，如可视化开发工具、通用软件包（,LabVIEW,、,LabWindows/CVI,、,Intouch,、,组态王等）；采用开放性技术实现可扩展性设计。,4.2,现代测控系统的结构与设计,软件设计,应用软件主要包括,检测程序、控制程序、数据处理程序、数据库管理程序、系统界面程序,等。设计时应在程序运行速度和存储容量许可的情况下，尽量用软件实现传统仪器系统的硬件功能；信号处理和数据处理主要包括量程转换、误差分析、插值、数字滤波、,FFT,变换、数据融合等技术；界面是测控系统和虚拟仪器的,“,窗口,”,，设计美观，达到虚拟现实的效果。,4.2,现代测控系统的结构与设计,网络互联规范,统一的电气规格：输入输出信号线的定义、信号的传输方式、信号的传输速度、信号的逻辑电平、信号线的输入阻抗与驱动能力等,统一的机械特性：接插件的结构形式、尺寸大小、引脚定义、数目等,统一的编码格式协议：各网络设备的输入输出数据应符合统一的编码格式和协议（总线协议）,统一的指令系统,4.2,现代测控系统的结构与设计,抗干扰设计,误差修正（修正、滤波、补偿）,：,数据处理技术：采用图像处理、小波变换、神经网络等各种智能先进算法进行数据补偿技术,4.2,现代测控系统的结构与设计,电路抗干扰技术：,电磁兼容性：噪声对正常信号的干扰主要通过三种途径，即静电耦合、电磁耦合和公共阻抗耦合,采用不同的措施解决。,屏蔽：隔离屏蔽的方法是将有关电路、元器件和设备等安装在,铜、铝,等低电阻材料或磁性材料制成的屏蔽物内，不使电场和磁场穿透这些屏蔽物，一般可分为静电屏蔽、低频磁场屏蔽和电磁屏蔽。,隔离：主要包括物理性隔离、光电隔离、脉冲变压器隔离、模,/,数变换隔离和运算放大器隔离等。,4.2,现代测控系统的结构与设计,接地：能消除各电流流经一个公共地线阻抗产生的噪声，避免形成回路，有保护接地、屏蔽接地和信号接地等。,滤波：滤波器可以抑制交流电源线上输入的干扰及信号传输线上感应的各种干扰，常用的滤波器件有电感、电容、电阻及压敏电阻等。,布线：电路系统是由多个部分构成的，各部分在电路板上的安排和布线连接与电路的抗干扰性能有密切关系。,4.2,现代测控系统的结构与设计,电路负载：电路负载对于电路的抗干扰性能也有一定的关系。,现代测控系统除系统自身的干扰外，应着重考虑电器设备,放电干扰和设备接通与断开引起电压或电流急变,带来的干扰。而对于野外使用的现代测控系统，抗干扰设计的重点是,大气放电、大气辐射和宇宙干扰等自然干扰,。对基于计算机视觉的测控系统来说，抗干扰的重点在于,遏制自然光源干扰,，也就是在,CCD,图像采集处设置前光源和背景光源，注意光源的范围、强弱等。特别要注意被测物是否存在高光反射因素。,4.3,现代测控技术的分类,基于网络的测控技术,充分利用,Internet,设施建立网络化测控系统，降低组建系统费用，实现测试设备和测试信息的共享。现场传感器测得被测对象的数据信息后，通过网络传输给异地的精密测试仪器或高档微机化仪器去分析处理，提高了贵重和复杂设备的利用率。远程监控实验过程和实验数据，节约人力物力。,1.3,现代测控技术的分类,基于机器视觉的测控技术,人类通过视觉从客观世界获取的信息占全部感观信息的,70%,以上，图像传感器的出现与发展，犹如给测控系统安装了视觉器官，,CCD,、,CMOS,摄像机、红外摄像仪等，通过图像测量、图像处理、图像识别、图像信息融合以及机器视觉等在内的各种图像处理技术，实现,几何量测量、精密零件微尺寸测量和外观检测、目标分类与识别、光波干涉图以及卫星遥感,等各种与图像有关的测控任务。,4.3,现代测控技术的分类,基于无线通信的测控技术,对于工作点多、通信距离远、环境恶劣且实时性和可靠性要求比较高的远程测控场合，可以利用无线电波来实现主控站与各个子站之间的数据通信。减少复杂连线，无需铺设电缆或光缆，降低成本。如小区的智能保安系统、油井远程监测系统、航空航天技术中的无线跟踪测轨、遥测和遥控系统。,4.3,现代测控技术的分类,基于无线通信的测控技术,4.3,现代测控技术的分类,基于雷达的测控技术,雷达是,利用目标对电磁波的反射来发现目标并测定目标位置,。飞机、导弹、卫星、车辆、兵器以及建筑物、云雨等都可能成为雷达的探测目标。雷达从目标回波中获取目标的距离、方位角、俯仰角以及目标的运行速度等信息，从而实现目标跟踪测控。,4.3,现代测控技术的分类,雷达探测原理,4.3,现代测控技术的分类,基于虚拟仪器的测控技术,虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式。用户可以在通用计算机平台上，根据测控任务需求定义和设计测控仪器系统的测控功能，在测控系统和仪器设计中以软件代替硬件，充分利用计算机技术实现和扩展传统测控仪器功能。虚拟仪器测控系统由硬件设备、设备驱动程序和应用软件三部分组成。以,LabVIEW,为例，功能特点：数据采集、通信控制、数据分析、系统界面。,4.3,现代测控技术的分类,基于虚拟仪器的测控技术,4.4,现代测控技术与系统发展方向,小型化与微型化,敏感元件采用,MEMS,、半导体材料取代金属为特征的现代传感器技术。由传感器、调制电路、微处理器组成的智能传感器系统已由多片集成系统发展到在单片芯片上实现。由,MEMS,技术结合半导体工艺甚至纳米技术制作的现代传感器系统，正带领测控系统走向小型化和微型化。,4.4,现代测控技术与系统发展方向,网络化,将智能检测和控制系统接入计算机网络，以各种总线为代表的网络化测控系统迅猛发展。降低系统成本，实现远距离测控和资源共享，实现测控设备的远距离诊断与维护。,4.4,现代测控技术与系统发展方向,虚拟化,虚拟仪器是利用现有的微型计算机，加上特殊设计的测控硬件和专用软件，形成既有普通测控仪器系统的基本功能，又有传统测控仪器所没有的特殊功能的新型计算机测控仪器系统。,4.4,现代测控技术与系统发展方向,智能化,神经网络、模糊逻辑、遗传算法、专家系统、仿人智能、粗糙集理论、模式识别、分形系统、混沌理论以及数据融合技术等，都将使现代测控技术与系统的智能化提升到一个全新的境界。,4.4,现代测控技术与系统发展方向,空间化与大型化,随着载人航天技术的高速发展，天地测控成为现代最为先进、最为复杂和最引人入胜的测控课题。美国用于地球轨道航天计划的航天跟踪与数据测控网，用于月球与行星探测的深空探测网。我国也先后建成了超短波近地卫星测控网、,C,频段卫星测控网和,S,频段航天测控网，可为中低轨道、地球同步轨道等多种航天器提供远程测控支持。,参考书目,现代测控技术与系统，韩九强等编，清华大学出版社，,2007.10,全国大学生电子设计竞赛,着重考核以下各方面的能力：,创新意识、创新精神,知识面和知识综合运用,系统设计和构架,对电路、集成电路、器件的熟悉程度,电路设计、制作、搭试、调试、测试,熟练运用各种仪器仪表、软件工具、开发调试环境,测试方法、数据处理、结果分析,参赛需掌握的基本知识、技术、技能,常用仪器仪表的使用、系统结构、工作原理分析与特殊应用,数据测试技术与方法,频谱仪（外差式）,模拟示波器,数字存储示波器,逻辑分析仪,频率计,相位计,失真度仪,EDA,软件应用,Matlab,Multisim,Labview,Max 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