传感器在现代监测系统中的应用

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1、2021-9-271机械工业出版社机械工业出版社中等职业教育电气类规划教材中等职业教育电气类规划教材 自动检测与转换技术自动检测与转换技术第十三章（上）第十三章（上）多媒体课件200951 更新第十三章第十三章 传感器在现代传感器在现代检测系统中的应用检测系统中的应用我们已经学过了十几种传感器的工作原理和特我们已经学过了十几种传感器的工作原理和特性参数，并了解了它们的一些实际应用。但是在现性参数，并了解了它们的一些实际应用。但是在现代工业中，往往不是单独地使用一种传感器，而是代工业中，往往不是单独地使用一种传感器，而是综合应用各种传感器来组成现场检测仪表。综合应用各种传感器来组成现场检测仪表。

2、在这一章里，卡卡要给大家简单介绍一下现代在这一章里，卡卡要给大家简单介绍一下现代检测系统的结构和涉及到的硬件，还要给大家讲几检测系统的结构和涉及到的硬件，还要给大家讲几个典型的应用实例，例如传感器在温度、压力、流个典型的应用实例，例如传感器在温度、压力、流量测量中的应用，以及传感器在现代家电、现代汽量测量中的应用，以及传感器在现代家电、现代汽车、数控机床、机器人和智能楼宇中的应用。车、数控机床、机器人和智能楼宇中的应用。传感器在控制系统中的综合应用传感器在控制系统中的综合应用举例举例 一个现代化火力发电厂需要一个现代化火力发电厂需要多台计算机联网，多台计算机联网，来来快速地测量快速地测量锅炉、

3、汽轮机、发电机上许多重要部位的锅炉、汽轮机、发电机上许多重要部位的温度、压力、流量、液位温度、压力、流量、液位、燃烧状况、转速、振动、燃烧状况、转速、振动、位移、应力等位移、应力等热工、机械参数热工、机械参数，还必须测量发电机的，还必须测量发电机的电压、电流、功率、功率因数电压、电流、功率、功率因数以及各种辅机的运行状以及各种辅机的运行状态，然后进行综合处理，将各被监测的重要参数进行态，然后进行综合处理，将各被监测的重要参数进行数字或模拟显示数字或模拟显示，自动，自动调整运行工况调整运行工况，对某些超限参，对某些超限参数进行数进行声光报警声光报警或采取紧急措施。在上述这个系统中，或采取紧急措施

4、。在上述这个系统中，需要数百个不同的传感器将各种机械、热工量转换成需要数百个不同的传感器将各种机械、热工量转换成电量，供计算机采样和运算。电量，供计算机采样和运算。 现代化火力发电厂及其控制系统现代化火力发电厂及其控制系统火力发电厂机组火力发电厂机组汽轮机汽轮机发电机发电机励磁机励磁机第一节第一节 现代检测系统的基本结构现代检测系统的基本结构 一、现代检测系统可分为三种基本结构体系：一、现代检测系统可分为三种基本结构体系： 1.1.智能仪器智能仪器 2.2.个人仪器个人仪器 3.3.自动测试系统自动测试系统 1.1.智能仪器：智能仪器：将诸如微处理器、存储器、将诸如微处理器、存储器、接口等芯片

5、与传感器融合在一起，可组成智能接口等芯片与传感器融合在一起，可组成智能仪器。它有仪器。它有专用的小键盘、开关、按键及显示专用的小键盘、开关、按键及显示屏屏等，等，多使用汇编语言，体积小，专用性强。多使用汇编语言，体积小，专用性强。智能仪器的芯片及模块智能仪器的芯片及模块 51系列单片机芯片系列单片机芯片2021-9-27751系列单片机数据采集模块系列单片机数据采集模块 2021-9-278各种智能仪器各种智能仪器 最低最低温度温度最高最高温度温度手持式频谱仪和手持式频谱仪和示波器示波器2.2.个人仪器个人仪器 个人仪器又称个人仪器又称个人计算机仪器系统个人计算机仪器系统。它是以个人计算机（必

6、须它是以个人计算机（必须符合工控要求符合工控要求）配以适当的硬件电路与传感器组合而成的配以适当的硬件电路与传感器组合而成的检测系统检测系统。 组装个人仪器时，组装个人仪器时，将传感器信号传送到将传感器信号传送到相应的接口板（或接口盒）中相应的接口板（或接口盒）中，再，再将接口板将接口板插到工控机总线扩展槽中或将接口盒的插到工控机总线扩展槽中或将接口盒的USB插头插入计算机相应的插座上插头插入计算机相应的插座上，编写相应的编写相应的软件就可以完成自动检测功能软件就可以完成自动检测功能。 工控机也称工业电脑，是专门为工业现场而工控机也称工业电脑，是专门为工业现场而设计的计算机。设计的计算机。防振、

7、防潮、防尘能力均较防振、防潮、防尘能力均较强，它的电源系统有强，它的电源系统有很高的抗电磁场干扰很高的抗电磁场干扰能能力，所以适于现场条件较恶劣的场合使用。力，所以适于现场条件较恶劣的场合使用。使用者不必去研制微机电路，而是将精力放使用者不必去研制微机电路，而是将精力放在配置合乎要求的硬件接口和软件开发上。在配置合乎要求的硬件接口和软件开发上。在硬件方面，目前已有许多厂商生产出可以在硬件方面，目前已有许多厂商生产出可以与各种传感器配套的接口板；在软件方面，与各种传感器配套的接口板；在软件方面，也有许多成熟的工控软件出售。也有许多成熟的工控软件出售。小小 知知 识识一体化工作站一体化工作站 平板

8、式平板式工作站工作站（带触摸屏）（带触摸屏）军用便携式军用便携式工作站工作站2021-9-2712一体化工作站（续）一体化工作站（续） 工业计算机（工控机）机箱工业计算机（工控机）机箱 工控机的工控机的抗电磁干扰能力抗电磁干扰能力、防振防振、防潮、防潮、防尘防尘能力均较强能力均较强，有较多的扩展槽有较多的扩展槽，它的，它的电源系统有较电源系统有较好的抗电磁干扰能力好的抗电磁干扰能力。虽然工控机的。虽然工控机的价格比个人电价格比个人电脑贵脑贵，但，但可靠性强可靠性强得多，得多，性能价格比高性能价格比高，适合在工，适合在工业现场业现场条件较恶劣的场合使用条件较恶劣的场合使用。2021-9-2714

9、工业级底板工业级底板（参考研祥智能科技有限公司资料）（参考研祥智能科技有限公司资料）底板上的扩展槽用于底板上的扩展槽用于 插接各种插接各种数据采集卡数据采集卡PCI扩展槽扩展槽ISA扩展槽扩展槽各种数据采集卡各种数据采集卡ISA数据采集卡数据采集卡ISA数据采集卡的插脚间隔为数据采集卡的插脚间隔为2.54mm（0.1英寸）英寸）2021-9-2716各种数据各种数据 采集卡（续）采集卡（续）PCI数据采集数据采集传输卡传输卡2021-9-2717其他端子扩展板其他端子扩展板 34芯排线插座芯排线插座37芯排线插座芯排线插座USB 数据采集系统卡（盒）数据采集系统卡（盒）USB数据采集电缆数据数

10、据接线端子接线端子2021-9-2719数据采集便携式工控整机数据采集便携式工控整机 2021-9-2720笔记本电脑数据笔记本电脑数据采集整机采集整机 信号从信号从USB 端口输入端口输入笔记本电脑数据采集笔记本电脑数据采集 USB接口盒接口盒及信号电缆及信号电缆利用利用USB扩展分线器可扩展分线器可配接多个配接多个接口盒接口盒信号输入信号输入USB接口卡及接口卡及USB电缆电缆2021-9-2723嵌入式计算机数据采集系统嵌入式计算机数据采集系统 传感器信号采集卡可多层叠合，插入到传感器信号采集卡可多层叠合，插入到嵌入式计算机的总线接口中，就可以构成数嵌入式计算机的总线接口中，就可以构成数

11、据采集系统。据采集系统。2021-9-2724各种嵌入式计算机数据采集卡各种嵌入式计算机数据采集卡自动测试系统自动测试系统 自动测试系统是自动测试系统是以工控机为核心以工控机为核心，以，以标标准接口总线为基础准接口总线为基础，以，以可程控的多台智能仪可程控的多台智能仪器为下位机器为下位机组合而成的一种现代检测系统。组合而成的一种现代检测系统。一个自动测试系统还可以通过各种标准总线一个自动测试系统还可以通过各种标准总线成为其它级别更高的自动测试系统的子系统。成为其它级别更高的自动测试系统的子系统。许多自动测试系统还可以许多自动测试系统还可以作为服务器工作站作为服务器工作站加入到加入到Intern

12、et网络中网络中，成为网络化测试子系，成为网络化测试子系统，从而统，从而实现远程监测、远程控制、远程实实现远程监测、远程控制、远程实时调试时调试等。等。 2021-9-2726网络化仪表示意图网络化仪表示意图工业总线工业总线 2021-9-2727网络化仪表网络化仪表工业总线工业总线 局域网局域网2021-9-2728 钢厂自动化监控系统实例钢厂自动化监控系统实例2021-9-2729 粮食温湿度测控系统实例粮食温湿度测控系统实例上位机（内插上位机（内插CANCAN通信卡）通信卡）温度分线器温度分线器CANCAN总线总线通风机械通风机械测湿探头测湿探头测温电缆测温电缆智能分机智能分机通风控制器

13、通风控制器湿度分线器湿度分线器二、带计算机的检测系统的二、带计算机的检测系统的 特点及功能特点及功能1.1.性能价格比高；性能价格比高；2.2.设计灵活性高；设计灵活性高；3.3.操作方便；操作方便；4.4.有强大的运算功能；有强大的运算功能；5.5.具有记忆功能；具有记忆功能；6.6.有自校准功能；有自校准功能；7.7.能进行自动故障诊断。能进行自动故障诊断。2021-9-27318通道巡回检测数据采集器通道巡回检测数据采集器8个传感器信号个传感器信号 输入端口输入端口三、系统中的几种重要部件三、系统中的几种重要部件 1.1.采样开关采样开关 1)1)干簧继电器：干簧继电器：干簧继电器主要由

14、干簧继电器主要由驱动线驱动线圈圈和和干簧管干簧管组成，驱动线圈绕在干簧管外面。当组成，驱动线圈绕在干簧管外面。当线圈通以额定电流后，干簧管中的两根常开弹簧线圈通以额定电流后，干簧管中的两根常开弹簧片互相吸引而吸合。它的片互相吸引而吸合。它的耐压较高耐压较高，额定电流较额定电流较大，导通电阻接近零大，导通电阻接近零。耗电较大耗电较大、速度较慢速度较慢是干是干簧继电器的主要缺点。簧继电器的主要缺点。 干簧管干簧管 (2) CMOS模拟采样开关模拟采样开关 模拟采样开关模拟采样开关切换对象切换对象是是多路模拟信号多路模拟信号。它。它的控制端处于的控制端处于“有效有效”状态时，内部的状态时，内部的P沟

15、道沟道MOS管或管或N沟道沟道MOS管导通，模拟开关处于导通状态，管导通，模拟开关处于导通状态，导通电阻约几欧至几百欧导通电阻约几欧至几百欧（视型号而定）。当控（视型号而定）。当控制端处于制端处于“无效无效”状态时开关截止，状态时开关截止，截止电阻大截止电阻大于于10108 8。 其其优点是集成度高，动作快优点是集成度高，动作快（小于（小于1 1 s s）、耗电省等。）、耗电省等。缺点是有一定的导通电阻缺点是有一定的导通电阻、各各通道间有一定的漏电通道间有一定的漏电、击穿电压低、易损坏击穿电压低、易损坏等。等。 2.2.放大器放大器 从从传感器来的信号有许多是传感器来的信号有许多是毫伏级的微毫

16、伏级的微弱信号弱信号，须经放大才能进行，须经放大才能进行A/D转换。系统对转换。系统对放大器的主要要求是：放大器的主要要求是：精度高精度高、温漂小温漂小、共共模抑制比高模抑制比高、频带宽至直流频带宽至直流。 目前常用的放大器有以下几种型式：一目前常用的放大器有以下几种型式：一种是种是高精度、低漂移的双极型放大器高精度、低漂移的双极型放大器；另一；另一种为种为隔离放大器隔离放大器，它，它带有光电隔离或变压器带有光电隔离或变压器隔离的低漂移信号放大器隔离的低漂移信号放大器，以及一个，以及一个高隔离高隔离的的DC/DC电源电源。2021-9-2735精密隔离精密隔离放大器举例放大器举例 线性误差：小

17、于线性误差：小于0.01%输入阻抗：输入阻抗：1M 隔离度：隔离度：2500V/50Hz/1min 工作温度：工作温度：-10+602021-9-2736精密隔离精密隔离放大器举例（续）放大器举例（续） 导轨安装式导轨安装式 隔离放大器用的隔离电源隔离放大器用的隔离电源 典型技术指标：典型技术指标：封装：封装： SIP、DIP （符合（符合UL94-V0标准）标准） ；电压准确度：电压准确度：1%；工作温度：工作温度：-40+85 ；效效 率：率：80% Min（满载（满载)；隔离电压：隔离电压：1500VDC ；80mVp-p Max ；输出纹波输出纹波/噪声（噪声（20MHz带宽带宽)；功

18、率：功率：0.1W2W（可选）（可选） 3.A/D转换器转换器（ADC） 放大器放大后的模拟信号必须进行放大器放大后的模拟信号必须进行A/D转换才能由计算机进行运算处理。目前采用转换才能由计算机进行运算处理。目前采用较多的较多的A/D转换器有两大类：转换器有两大类：一类是并行一类是并行A/D转换器转换器，另一类是，另一类是串行串行A/D转换器转换器。 在并行在并行A/D转换器中，又有转换器中，又有逐位比较型逐位比较型和和双积分型双积分型之分。前者转换速度较快，有之分。前者转换速度较快，有8位、位、12位、位、16位等规格。位数越高，精度也位等规格。位数越高，精度也越高，但价格也相应提高；后者越

19、高，但价格也相应提高；后者转换速度较转换速度较慢（每秒慢（每秒10次左右），次左右），常见的有常见的有3位半、位半、4位位半等规格。半等规格。 4. D/A转换器转换器（DAC）与接口电路与接口电路 计算机运算处理后的数字信号有时必计算机运算处理后的数字信号有时必须转换为模拟信号，才能用于工业生产的过须转换为模拟信号，才能用于工业生产的过程控制。它的程控制。它的输入是计算机送出的数字量输入是计算机送出的数字量，它的它的输出是与数字量相对应的电压或电流输出是与数字量相对应的电压或电流。如果如果在计算机与在计算机与D/A之间插入多路光耦合器之间插入多路光耦合器就能较好地就能较好地防止工业控制设备干

20、扰计算机的防止工业控制设备干扰计算机的工作工作。如果使用多路采样保持器，只要使用。如果使用多路采样保持器，只要使用一只一只D/A即可进行多路即可进行多路D/A转换。转换。 可编程序控制器中的传感器接口板可编程序控制器中的传感器接口板 传感器与传感器与PLC的联的联系主要是输入接口。不系主要是输入接口。不同的同的“I/O模板模板”与各种与各种不同的传感器配套：不同的传感器配套： 模拟量输入模板模拟量输入模板、开关量输入模板开关量输入模板、 温度温度输入控制模板输入控制模板等。用户等。用户只须按照说明书选购不只须按照说明书选购不同功能的模板即可构成同功能的模板即可构成完整的自动检测控制系完整的自动

21、检测控制系统。统。 三菱系列三菱系列 可编程控制器可编程控制器第二节第二节 传感器在温度、传感器在温度、 压力测控系统中的应用压力测控系统中的应用陶瓷隧道窑温度、压力监测控制系统陶瓷隧道窑温度、压力监测控制系统 该该系统涉及系统涉及热工参数的测量热工参数的测量，它采用它采用工控机工控机。该系统将巡回数据采集电路及控。该系统将巡回数据采集电路及控制电路装在独立的制电路装在独立的接口箱接口箱中，其中装有定中，其中装有定时器、计数器、并行输入输出接口等，时器、计数器、并行输入输出接口等，接口箱与主机之间通过并行接口插卡与计接口箱与主机之间通过并行接口插卡与计算机通信算机通信。 2021-9-2742

22、隧道窑外形隧道窑外形 2021-9-2743隧道窑隧道窑计算机计算机检测控检测控制系统制系统框图框图 2021-9-2744第三节传感器在流量测量中的应用第三节传感器在流量测量中的应用 所谓智能化流量积算仪，就是使用计算机所谓智能化流量积算仪，就是使用计算机技术，技术，将一次仪表送来的流量信号对时间作积将一次仪表送来的流量信号对时间作积分分，求出流量累积总量求出流量累积总量的仪器。的仪器。 智能化流量积算仪原理智能化流量积算仪原理（以上图（以上图NY-型为例）型为例） 智能化流量积算仪采用智能化流量积算仪采用差压法测量瞬时差压法测量瞬时流速流速，因此必须首先测出，因此必须首先测出差压差压p。由

23、于温度。由于温度和压力会引起流体的密度的变化，有时还需要和压力会引起流体的密度的变化，有时还需要进行温度补偿和压力补偿进行温度补偿和压力补偿，所以必须测出流体，所以必须测出流体的温度和压力。如果使用热电偶，的温度和压力。如果使用热电偶， 还必须还必须测量测量热电偶的冷端（室温）热电偶的冷端（室温） 温度。温度。 2021-9-2746智能化流量积算仪原理智能化流量积算仪原理（以上图（以上图NY-型为例）型为例）某一次仪表转换某一次仪表转换的输出为的输出为420mA ，要得，要得到到10V输出电压到计算机的输出电压到计算机的A/D板，需要采板，需要采用多大阻值的取样电阻？用多大阻值的取样电阻？上

24、述四种信号先上述四种信号先由标准的一次仪表转换由标准的一次仪表转换为为420mA 的电流信号的电流信号，经信号传输线传送到本积算仪，经信号传输线传送到本积算仪的输入端，再用的输入端，再用取样电阻（取样电阻（250.）转换成个低）转换成个低内阻的内阻的15V电压信号电压信号：Up、Up、Ut、Uto。上述。上述四个电压信号按顺序轮流通过四个电压信号按顺序轮流通过采样继电器采样继电器K1K2传传送至送至模模/数转换器的输入端数转换器的输入端，再，再经光耦经光耦，由，由单片机计单片机计算出累积流量算出累积流量。2021-9-2747NY-型智能化流量积算仪原理框图型智能化流量积算仪原理框图 第四节传

25、感器在现代家电中的应用第四节传感器在现代家电中的应用 所谓模糊控制系统是模拟人智能的一种所谓模糊控制系统是模拟人智能的一种控制系统。它将人的经验、知识和判断力作控制系统。它将人的经验、知识和判断力作为控制规则，根据诸多复杂的因素和条件作为控制规则，根据诸多复杂的因素和条件作出逻辑推理去影响控制对像。出逻辑推理去影响控制对像。 模糊洗衣机能自动判断模糊洗衣机能自动判断衣物的数量（重衣物的数量（重量）量）、布料质地（粗糙、软硬）布料质地（粗糙、软硬）、肮脏程度肮脏程度来决定来决定水位的高低水位的高低、洗涤时间洗涤时间、搅拌与水流搅拌与水流方式方式、脱水时间脱水时间等，将洗涤控制在最佳状态。等，将洗涤控制在最佳状态。不但使洗衣机省电、省水、省洗涤剂，又能不但使洗衣机省电、省水、省洗涤剂，又能减少衣物磨损。减少衣物磨损。 模糊洗衣机的模糊洗衣机的模糊推理模糊推理 休休 息息 一一 下下