检测技术与数字控制.pptx

第一章第一章 检测技术与数字控制检测技术与数字控制仪器科学与工程系专业选修课仪器科学与工程系专业选修课主讲：主讲：宋开臣宋开臣 教授教授1360051366213600513662第一章检测技术与数字控制第一章检测技术与数字控制一一.检测技术概述检测技术概述 二二.传感器的作用和分类传感器的作用和分类三三.数字控制系统的概念数字控制系统的概念四四.数字控制系统的基本组成数字控制系统的基本组成一一.检测技术概述检测技术概述1、检测的基本概念、检测的基本概念2、检测系统构成、检测系统构成3、检测方法及其分类检测方法及其分类检测的定义检测的定义确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体）被测信息：物理量（光、电、力、热、磁、声、被测信息：物理量（光、电、力、热、磁、声、）化学量（化学量（PH、成份、成份）生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、）检测器具：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统检测器具：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统检测过程：信号采集、信号处理、信号显示、信号输出检测过程：信号采集、信号处理、信号显示、信号输出1.检测的基本概念检测的基本概念2、检测系统的构成检测系统的构成接接口口总总线线存储存储显示显示分析分析监控监控判断判断决策决策信号检出信号检出 信号检出信号检出信号检出信号检出信号转换信号转换信号转换信号转换信号转换信号转换处理显示处理显示处理显示处理显示处理显示处理显示信号检出：信号检出：功能功能-将被测信号的转换为电信号的变化（将被测信号的转换为电信号的变化（detection）器件器件-传感器（传感器（sensor,transducer）信号转换：信号转换：功能功能-将传感器的输出信号转换为便于处理的形式将传感器的输出信号转换为便于处理的形式（conversion）器件器件-信号调理电路（信号调理电路（signal conditioning circuit）处理显示：处理显示：功能功能-分析（分析（analysis）、处理（）、处理（processing）、显示）、显示（display）通讯接口通讯接口/总线接口总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、)其它环节：其它环节：存储、监控、决策存储、监控、决策 3.检测方法及其分类检测方法及其分类（1）.直接测量与间接测量直接测量与间接测量（2）.绝对测量与相对测量绝对测量与相对测量（3）.开环测量与闭环测量开环测量与闭环测量（4）.偏差法、零位法、微差法偏差法、零位法、微差法（1）直接测量与间接测量直接测量与间接测量直接测量：直接测量：直接将直接将被测量被测量与与标准量标准量进行比较。进行比较。包括绝对测量和相对测量。包括绝对测量和相对测量。间接测量：间接测量：测量与测量与被测量被测量有一定函数关系的有一定函数关系的参量参量，被测量由计算获得被测量由计算获得如测导线的导电率如测导线的导电率和气体流量等：和气体流量等：（2）绝对测量与相对测量绝对测量与相对测量-绝对测量：绝对测量：采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值测量结果：测量结果：20.1 mm-相对测量：相对测量：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值将被测量直接与基准量比较，得到偏差值特点：特点：简单、直观、明了；简单、直观、明了；测量精度不高测量精度不高基准量：基准量：20.00 mm测量值：测量值：+0.08 mm结结 果：果：20.08 mm特点：特点：精度高；复杂、成本高、要求高精度高；复杂、成本高、要求高（3）开环测量与闭环测量开环测量与闭环测量开环测量：开环测量：闭环测量：闭环测量：特点特点：简单、直观、明了；：简单、直观、明了；测量精度不高测量精度不高特点特点：精度高；复杂、成本高、要求高：精度高；复杂、成本高、要求高传感器传感器输入量输入量x输出量输出量y传感器传感器输入量输入量x输出量输出量y放大放大反向传感器反向传感器（4）偏差法、零位法、微差法偏差法、零位法、微差法偏差法：偏差法：零位法：零位法：利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值直接表示测量的数值利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值微差法：微差法：偏差法偏差法和和零位法零位法的结合的结合测量被测量余数测量被测量余数被测量大值与标准量大体平衡被测量大值与标准量大体平衡二二.传感器的作用和分类传感器的作用和分类1、传感器概述、传感器概述2、典型传感器介绍、典型传感器介绍3、各种新型传感器、各种新型传感器1、传感器概述、传感器概述传感器的构成型式传感器的构成型式转换电路：转换电路：例：电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等。例：电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等。被测量被测量被测量被测量敏感敏感元件元件转换转换电路电路敏感元件：敏感元件：感受被测量变化，并输出相对应的电信号感受被测量变化，并输出相对应的电信号例：电阻应变片（应变例：电阻应变片（应变-电阻）电阻）把转换元件输出的电信号变换成为便于记录、显示、处理和把转换元件输出的电信号变换成为便于记录、显示、处理和控制的可用信号的电路，控制的可用信号的电路，又称又称“信号调理电路信号调理电路”或或 “测量电路测量电路”又称又称“转换元件转换元件”或或 “变换元件变换元件”传感器传感器1、传感器概述、传感器概述传感器的分类：传感器的分类：按照对电源的需要：按照对电源的需要：无源传感器无源传感器 如热敏电阻如热敏电阻 有源传感器有源传感器 如热电偶如热电偶按照输出信号方式：按照输出信号方式：模拟传感器模拟传感器 如电位器如电位器 数字传感器数字传感器 如编码器如编码器按照工作方式：按照工作方式：偏转传感器偏转传感器 如偏转加速度计如偏转加速度计 零示传感器零示传感器 如伺服加速度计如伺服加速度计Pt100：1、传感器概述、传感器概述传感器的分类：传感器的分类：按照用途：按照用途：位移传感器位移传感器 力传感器力传感器 速度传感器速度传感器 温度传感器温度传感器 压力传感器压力传感器 流量传感器流量传感器 PH值传感器值传感器 血压传感器血压传感器 1、传感器概述、传感器概述传感器的分类：传感器的分类：按照转换原理：按照转换原理：电阻式传感器（热敏、光敏、压敏等）电阻式传感器（热敏、光敏、压敏等）电容式传感器电容式传感器（变面积式、变距式等）（变面积式、变距式等）电感式传感器（自感、互感、涡流等）电感式传感器（自感、互感、涡流等）热电式传感器热电式传感器 光电式传感器光电式传感器 压电式传感器压电式传感器 磁电式传感器磁电式传感器 2、典型传感器介绍、典型传感器介绍电感式位移传感器原理电感式位移传感器原理W-线圈匝数线圈匝数Rm-磁路总磁阻磁路总磁阻li-各段导磁体的长度各段导磁体的长度ui-各段导磁体的磁导率各段导磁体的磁导率Ai-各段导磁体的截面积各段导磁体的截面积2、典型传感器介绍、典型传感器介绍电感式位移传感器电感式位移传感器2、典型传感器介绍、典型传感器介绍(1)光栅传感器原理光栅传感器原理(莫尔条纹莫尔条纹)构成：构成：叠合叠合主光栅主光栅指示光栅指示光栅夹角夹角明暗相间条纹明暗相间条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动条纹宽度：条纹宽度：W-栅距，栅距，a-线宽，线宽，b-缝宽缝宽W=a+b，a=b=W/2 主光栅主光栅-标尺光栅，定光栅；标尺光栅，定光栅；指示光栅指示光栅-动光栅动光栅光栅位移传感器光栅位移传感器（Grating）2、典型传感器介绍、典型传感器介绍(2)光栅传感器特点光栅传感器特点 精度高：测长精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角，测角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光栅尺长（光栅尺长（几十米几十米响应快：可用于动态测量响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量增量式：增量码测量 计数计数 断电断电数据消失数据消失要求高：对环境要求高要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动温度、湿度、灰尘、振动成本高：电路复杂成本高：电路复杂 2、典型传感器介绍、典型传感器介绍(3)代表性产品：代表性产品：德国德国Heidenhain（海德汉）：（海德汉）：封闭式：量程封闭式：量程3000mm，分辨力，分辨力0.1 m开放式：量程开放式：量程1440mm，分辨力，分辨力0.01m开放式：量程开放式：量程270mm 分辨力分辨力1nm2、典型传感器介绍、典型传感器介绍英国英国Renishaw（雷尼绍）：（雷尼绍）：量程：任意量程：任意分辨力：分辨力：0.1 m 0.01 m中国长春光机所：中国长春光机所：量量 程：程：1000mm分辨力：分辨力：0.01 m精精 度：度：2 m2、典型传感器介绍、典型传感器介绍绝对码光电编码器绝对码光电编码器原理：平行光源原理：平行光源码盘码盘 光电元件光电元件电信号输出电信号输出 码盘：光学玻璃，透光码盘：光学玻璃，透光/不透光不透光 照相腐蚀照相腐蚀 要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）光源：光源：LED 光学系统光学系统 平行光平行光 投影精确投影精确 光电元件：硅光电池，光电晶体管光电元件：硅光电池，光电晶体管 滞后滞后 响应速度响应速度 码道：位数码道：位数每个码道对应一个光电元件每个码道对应一个光电元件分辨率分辨率 角度分辨率：角度分辨率：=360/2n n-码道数（位数）码道数（位数）角度及角位移检测角度及角位移检测2、典型传感器介绍、典型传感器介绍增量码光电编码器增量码光电编码器码道码道：最外：最外-增量码道：透光扇形区增量码道：透光扇形区分辨率分辨率 中间中间-辨向码道：错开半个扇形区辨向码道：错开半个扇形区 最内最内-零位码道：透光狭缝零位码道：透光狭缝基准脉冲基准脉冲应用应用：相对位置测量：相对位置测量-角度、直线位置，角度、直线位置，位移、速度测量位移、速度测量 特点特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，脉冲数字输出，测量范围无限脉冲数字输出，测量范围无限 速度不高（最高几千转速度不高（最高几千转/分）分）怕振动怕振动-丢数丢数2、典型传感器介绍、典型传感器介绍分类分类:应用应用:测温测温接触测温接触测温非接触测温非接触测温热辐射测温热辐射测温热传导测温热传导测温压电效应压电效应热阻效应热阻效应热电势效应热电势效应金金 属属热电阻热电阻半导体半导体热敏电阻热敏电阻热电偶热电偶温温 度度传感器传感器压电陶瓷（热释电效应）压电陶瓷（热释电效应）光电效应光电效应红外温度传感器红外温度传感器、光纤温度传感器、光纤温度传感器热电阻热电阻电涡流传感器电涡流传感器PNPN结热电效应结热电效应热敏二极管热敏二极管/三极管三极管、集成温度传感器集成温度传感器温度检测温度检测特点：特点：0 +850：0 -200：应用：应用：(1)在高温和氧化介质中性能极为稳定，在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好易于提纯，工艺性好(2)输入输出特性接近线性输入输出特性接近线性(4)贵重金属，成本较高贵重金属，成本较高标准温度计，高精度工业测温，高低温测试标准温度计，高精度工业测温，高低温测试 构成：构成：金属铂丝金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈绕制成线圈(3)测量精度高：测量精度高：0:1、0100:0.5、100650:0.5%2、典型传感器介绍、典型传感器介绍Pt100：R0：0时的温度时的温度 标准值标准值(Pt100,Pt500)铂电阻铂电阻(Pt)热电偶热电偶 2、典型传感器介绍、典型传感器介绍(1)工作原理工作原理:两种不同导体构成闭合回路两种不同导体构成闭合回路两个节点（两个节点（A A、B B）温度不同）温度不同热电势热电势温差电势：温差电势：A-温差系数温差系数 TA,TB-A、B两节点绝对温度两节点绝对温度 k-波尔兹曼常数波尔兹曼常数 e-电子电荷电子电荷NA,NB-导体导体AB的自由电子密度的自由电子密度材料材料T-节点绝对温度节点绝对温度 接触电势：接触电势：不同导体不同导体自由电子密度不同自由电子密度不同扩散扩散电势电势（帕尔帖）（帕尔帖）同一导体同一导体两端温度不同两端温度不同电子迁移（高电子迁移（高 低）低）电势电势 PNPN结温度特性：结温度特性：热量热量PN半导体半导体PN结结 分子热运动分子热运动热电流热电流电子电子N空穴空穴P温度越高温度越高 热电流愈大热电流愈大特点：分辨力高（特点：分辨力高（0.1%），精度高；），精度高；体积小，重量轻体积小，重量轻具有多种输出形式，便于使用，具有多种输出形式，便于使用，批量生产，价格便宜批量生产，价格便宜集成化、智能化、微型化集成化、智能化、微型化应用：电气元件内置测温、集成测温传感器应用：电气元件内置测温、集成测温传感器热敏晶体管与集成温度传感器热敏晶体管与集成温度传感器 2、典型传感器介绍、典型传感器介绍原理与特点：原理与特点：集成温度传感器集成温度传感器 典型：典型：AD590生产商：生产商：AD公司公司封封 装：双端器件装：双端器件测测 温：温：-55150 灵敏度：灵敏度：1A/K非线性：非线性：0.3(F.S.)2、典型传感器介绍、典型传感器介绍3、各种新型传感器各种新型传感器辐射探测器（红外、射线、微波、电离等）辐射探测器（红外、射线、微波、电离等）图像传感器图像传感器（CCD、CMOS等）等）光纤传感器（温度、应力、陀螺、位移等）光纤传感器（温度、应力、陀螺、位移等）超声波传感器（多普勒效应、速度、距离、探测）超声波传感器（多普勒效应、速度、距离、探测）化学传感器（气体、嗅觉、味觉、组分）化学传感器（气体、嗅觉、味觉、组分）生物传感器生物传感器三三.数字控制系统的概念数字控制系统的概念数字控制系统数字控制系统就是利用计算机就是利用计算机来实现生产过程自动控制的来实现生产过程自动控制的系统。系统。n下图给出了开环控制系统框图。它与闭环控制系统不同，它的控制器直接根据给定信号去控制被控对象工作。被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。与闭环控制系统相比，它的控制性能较差。开环控制系统框图开环控制系统框图三三.数字控制系统的概念数字控制系统的概念n如果把上图中的控制器用微型计算机来代替，就可以构成微型计算机控制系统，其基本框图如下图所示。在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。数字控制系统基本框图数字控制系统基本框图三三.数字控制系统的概念数字控制系统的概念模拟控制器执行机构测量变送给定量r+-e模拟控制机生产过程被控对象被控量v模拟控制系统的工作原理模拟控制系统的工作原理控制器D/A执行机构测量变送A/D给定量r+-e工业控制机生产过程被控对象被控量v数字控制系统的工作原理数字控制系统的工作原理数字控制系统的几个概念数字控制系统的几个概念在线方式和离线方式在线方式和离线方式实时控制实时控制n微型计算机控制系统是由计算机（工业控制计算机）和工业对象两大部分组成。下图给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图。闭环控制系统框图闭环控制系统框图四四.数字控制系统的组成数字控制系统的组成CPU/MEM人-机接口系统支持板磁盘适配器被 控 对 象内 部 总 线模拟量输入（AI)通道模拟量输出（AO)通道数字量输入（DI)通道数字量输出（DO)通道测量变送执行机构电器开关电器开关工业控制机生产过程四四.数字控制系统的组成数字控制系统的组成数字控制系统的典型形式数字控制系统的典型形式操作指导控制系统操作指导控制系统直接数字控制系统直接数字控制系统监督控制系统监督控制系统分散型控制系统分散型控制系统现场总线控制系统现场总线控制系统计 算 机模拟量输入（AI)通道数字量输入（DI)通道CRT打印机操作人员调节器生 产 过 程1操作指导控制系统操作指导控制系统 CRT打印机报警操作台计 算 机输入通道（AI,DI)输出通道（AO,DO)生 产 过 程2直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC）3计算机监督系统计算机监督系统（SCC）n计算机监督系统（计算机监督系统（Supervisory Computer Control）简称简称SCC系统。系统。SCC系统有两种不同的结构形式。一种是系统有两种不同的结构形式。一种是SCC+模拟调节器，另一种是模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。控制系统。n（1）SCC+模拟调节器控制系统模拟调节器控制系统n（2）SCC+DDC控制系统控制系统生 产 过 程模拟调节器生 产 过 程SSC计 算 机记录显示打印DDC计算机SSC计 算 机记录显示打印工艺数据工艺数据调节测量调节测量设定值设定值3计算机监督系统计算机监督系统（SCC）4集散计算机控制系统（集散计算机控制系统（DCS）n集散数字控制系统是一个四级系统。集散数字控制系统是一个四级系统。装置控制级（装置控制级（DDC级）级）车间监督级（车间监督级（SCC级）级）工厂集中控制级（工厂集中控制级（MIS）企业管理级（企业管理级（MIS）管理计算机网间联接器工程师工作站操作员操作站监控计算机网间联接器现场控制站PLC智能调节器其它测控装置综合信息管理级集中控制监控级分散过程控制级局部网络（LAN)通信网络全局网络4集散数字控制系统集散数字控制系统 5现场总线控制系统现场总线控制系统（FCS）n多节点现场总线互联网络。多节点现场总线互联网络。特点：特点：开放的互联网络开放的互联网络 分散的功能模块分散的功能模块 设备的互操作性设备的互操作性 现场环境适应性强现场环境适应性强功能强大，节约资金功能强大，节约资金设计简单，容易维修设计简单，容易维修 系统可靠性高系统可靠性高