【正文】 .......12 思考題與習(xí)題 ......................................................................................13 第 2章 計(jì)算機(jī)檢測與控制技術(shù)基礎(chǔ) ............................................................14 167。 壓力傳感器 ...............................................................................37 167。 計(jì)算機(jī)檢測與控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)檢測與控制系統(tǒng)的基本機(jī)構(gòu)如圖 11所示： 圖 11 計(jì)算機(jī)檢測與控制系統(tǒng)的基本機(jī)構(gòu) 從圖中可以看出，系統(tǒng)主要由檢測、輸入、中間轉(zhuǎn)換、接口、計(jì)算機(jī)、輸出和執(zhí)行器七部分組成。串行適合于遠(yuǎn)距離傳輸和信息交換， 但傳輸速度較慢。實(shí)時(shí)的概念不能脫離具體過程，如煉鋼爐的溫度，如果延遲 1S可仍然認(rèn)為是實(shí)時(shí)的，而一個(gè)火炮控制系統(tǒng)，當(dāng)目標(biāo)量變化的時(shí)候，一般必須在數(shù)毫秒之內(nèi)及時(shí)控制，否則不能擊中目標(biāo)。這樣運(yùn)行費(fèi)用可大大減少。 計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是可靠性較差，如果計(jì)算機(jī)本身出現(xiàn)故障，則整個(gè)系統(tǒng)不能工作。 上面介紹了幾種典型的應(yīng)用方式。 ：計(jì)算機(jī)的任務(wù)是對(duì)生 產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視和數(shù)據(jù)采集。 目前，我國已研制出汽車自主導(dǎo)航系統(tǒng)，并得到應(yīng)用，只要在帶有電子地圖的液晶顯示屏上輸入目的地，地圖上就會(huì)顯示出一條最佳路線。在研究集散與分布式控制系統(tǒng)中，要涉及數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及系統(tǒng)分層遞階控制技術(shù)等知識(shí)。在數(shù)學(xué)上可以表示為一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)，也可以表示為隨時(shí)間或空間變化的圖形。準(zhǔn)周期信號(hào)又稱為近視周期信號(hào)，它由一些不同頻率的簡諧信號(hào)合成。 設(shè)超聲波在液體中的傳播速度為 v，如果測得從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為 t，則液位高度 2/tvh? (25) 17 17 圖 24 超聲波法液位測量原理圖 圖 25 平衡電橋測電阻 （ 3） 比較檢測法 比較檢測法就是將 被測量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測量的測量方法。為了提高控制性能 ， 可以按照偏差的比例（ proportional)、積分（ integral)、微分（ derivative)進(jìn)行控制，簡稱 PID控制。對(duì)于比較簡單的測量工作，只需要一臺(tái)儀表就可以解決問題。 (例如 :利用新型光纖傳感器測油罐 。 這種 數(shù)學(xué)方程給出的刻度特性被稱為刻度方程。分辨力往往受噪聲的限制，所以一般用相當(dāng)于噪聲電平的若干倍的被測量表示，即 kCNM? (C取 1~5） （ 28） 式中， M —— 最小檢測量； C —— 放大倍數(shù)； N —— 噪音電平； k —— 常數(shù)。輸入阻抗的大小決定了信號(hào)源的衰減程度，輸入阻抗越大，則衰減越小，故一般希望輸入阻抗大 一些。 圖 212 一階單位脈沖響應(yīng) 一階系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)的特性：衰減速度與 T 大小有關(guān)，一般經(jīng)過 4T 后，其響應(yīng)就衰減為零。 2） 變量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)： 將敏感元件的輸出變量作進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成更適合于處理的變量。 ③ .優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)上比較簡單 ； 缺點(diǎn)：所有變換器特性的變化都會(huì)造成測量誤差。 167。 圖 2－ 24 程序控制數(shù)據(jù) 采集原理圖 2. 數(shù)據(jù)采集的性能參數(shù) 表征數(shù)據(jù)采集的基本技術(shù)參數(shù)有 :通道數(shù)、分辨率與精度、采集速度。 誤差及其表示方法 1. 測量誤差的概念 測量的目的是希望通過測量求取被測量的真實(shí)值。例如， 177。例如，儀表指示值被讀錯(cuò)、記錯(cuò)，儀表操作錯(cuò)誤、計(jì)算機(jī)錯(cuò)誤等。 1. 傳感器的作用 傳感器是用來將諸如溫度、壓力、流量、位移、轉(zhuǎn)速等非電量轉(zhuǎn)換成電量（如電流或電壓），然后送至電子測量線路或電子儀表進(jìn)行測量顯示和記錄，或送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ,處理和控制。 當(dāng)然，還有其他的分類方法，這里就不一一介紹了。 （ 2）要分析檢測環(huán)境和干擾因素。 通常利用光纖、光電、壓電 、壓阻等傳感器，響應(yīng)時(shí)間短，測量范圍寬，而電感、電容、電磁感應(yīng)、電位器等傳感器等，由于受其結(jié)構(gòu)的影響，機(jī)械系統(tǒng)慣性大，自然頻率低，測量范圍窄。 （ 2） 應(yīng)變式壓力傳感器的工作原理： 38 38 應(yīng)變式壓力傳感器采用壓力彈性膜片和圓筒組合作為壓力敏感元件，在被測壓力作用下，圓筒發(fā)生形變，通過粘貼在彈性圓筒表面的電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電壓輸出。膜片既是壓力敏感元件，又是與固定電極構(gòu)成可變電容器的動(dòng)電極。目前的傳感器正在向集成化、多功能化和智能化的方向發(fā)展。一般選擇信噪比高的傳感器，這樣才能保證傳感器靈敏度在測量范圍內(nèi)（即線性范圍）保持不變。 （ 4）結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。目前， 我們使用的大多數(shù)傳感器都屬于模擬傳感器。 、相對(duì)誤差、引用誤差的作用和意義。 引起隨機(jī)誤差的原因都是一些微小因 素，且無法控制。 （ 3） 引用誤差： 引用誤差是指直讀式指針儀表中通用的一種誤差表示方法。 例：假設(shè)有 16 路模擬輸入信號(hào)，每路輸入信號(hào)要求檢測 1000次 /s，則相應(yīng)的采樣間隔時(shí)間 msfT ???。 路數(shù) 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)狀態(tài) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 31 31 （ 2） 程序控制數(shù)據(jù)采集方式 程序控制采集方式由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。 （ a） （ b） （ c） 圖 222 電氣測量儀表三種自檢原理圖 （ a）計(jì)算分析自檢法；（ b）疊加信號(hào)自檢法；（ c）自動(dòng)周期自檢法 2） 疊加信號(hào)自檢法（圖 222（ b））： 在測量信號(hào)饋入的同時(shí)，持續(xù)、間接和周期性的送入一個(gè)或一組信號(hào)（這些信號(hào)可以是高頻，也可以是脈沖信號(hào)） ，該信號(hào)與被測信號(hào)疊加后在處理單元進(jìn)行處理，當(dāng)特定的模型和算法完結(jié)后，再輸出測量數(shù)據(jù)和狀態(tài)信號(hào)。 圖 218 被動(dòng)式測量系統(tǒng) ② .特點(diǎn)：在測量過程中不需要從外部向被測對(duì)象施加能量。尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)出現(xiàn)以后，要求生產(chǎn)過程參數(shù)的檢測能自動(dòng)進(jìn)行，這時(shí)就產(chǎn)生了自動(dòng)檢測系統(tǒng)。它是指當(dāng)被測對(duì)象參數(shù)隨時(shí)間變化很迅速時(shí)，測量儀表的輸出指示值與輸入被測物理量之間的關(guān)系。 C，傳感器輸出值的最大偏差和滿量程的百分比，稱為溫漂。 圖 210 測量儀表的靈敏度 結(jié)論：線形儀表的靈敏度為常數(shù)，非線性儀表的靈敏度隨輸入量變化而變化。聯(lián)系輸入量與輸出量之間的關(guān)系是微分方程，含有時(shí)間變量，這就是所謂的動(dòng)態(tài)特性。將霍爾元件置于被測磁場 E中，在霍爾元件上通以電流 I，這時(shí)霍爾元件有霍爾電熱 EH產(chǎn)生，也就是說將磁場能量和 電能同時(shí)作用于霍爾元件，通過霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能輸出。 167。 （ 3） 前饋控制 (與前面講的計(jì)算機(jī)前饋控制系統(tǒng)類似 ) 18 18 從動(dòng)作的反應(yīng)速度來講，對(duì)于干擾信號(hào)的補(bǔ)償，前饋比反饋要迅速得多。 （ 2） 間接檢測法 間接檢測不是直接測量被測的量，而是通過測量與被測量有某種變化關(guān)系的量，來間接的獲取被測量的值。 復(fù)雜周期信號(hào)可表示為 )()( nTtxtx ?? (n=1,2,3， ?) (23) 它是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的簡諧信號(hào)疊加而成。 信息是人和外界作用過程中相互交換內(nèi)容的名稱。 三 .系統(tǒng)化及標(biāo)準(zhǔn)化 現(xiàn)代檢測與控制任務(wù)更多地涉及到系統(tǒng)的特征。比較先進(jìn)的系統(tǒng)還可以對(duì)實(shí)際車流和人流進(jìn)行檢測，從而使運(yùn)行達(dá)到最佳化，也就是說紅綠燈的交替時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況改變。 ：由于許多化 工工藝過程的反應(yīng)速度十分緩慢，而被調(diào)節(jié)對(duì)象又相當(dāng)復(fù)雜，所以往往采用直接數(shù)控（ DDC）方式。 這種系統(tǒng)對(duì)設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的故障，不但能進(jìn)行檢測診斷，還具有自補(bǔ)償 、 自消 10 10 除和自修復(fù)的能力。閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)具有加工精度高和刀具磨損小及其對(duì)干擾不敏感等優(yōu)點(diǎn) 。 離線采集與處理的缺點(diǎn)在于： 。 計(jì)算機(jī)檢測和控制系統(tǒng)中根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的不同，可分為在線和實(shí)時(shí)兩類。 4. 輸出部分 計(jì)算機(jī)的輸出信號(hào)也有模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量。 干擾抑制技術(shù) ...........................................................................89 3 3 第 1章 緒 論 ？ 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為核心部件，以通用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為信息傳輸載體，將信號(hào)檢測、數(shù)據(jù)處理與計(jì)算機(jī)控制溶為一體的新興綜合性技術(shù)。 測量儀表與測量系統(tǒng) .................................................................18 167。 數(shù)據(jù)采集技術(shù) ...........................................................................29 167。他既能完成較高層次信號(hào)的自動(dòng)化檢測，又能完成遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸及多種智能控制作用。 （ 1）模擬量控制信號(hào)： 計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào) → 端口 F→ D/A轉(zhuǎn)換器 → 多路開關(guān) → 執(zhí)行器 。 在線是指計(jì)算機(jī)與監(jiān)控對(duì)象直接連接，這種方式就叫在線方式或聯(lián)機(jī)方式。 。 圖 17 閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 在這種系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)本身被用來代替反饋控制系統(tǒng)的控制部分，直接控制生產(chǎn)過程。例如美國正在研制一種自動(dòng)加固的直升飛機(jī)旋翼葉片，當(dāng)飛機(jī)在飛行中遇到疾風(fēng)作用使旋翼猛烈震動(dòng)時(shí)，分布在葉片中的小液滴就會(huì)變成固體而自動(dòng)加固和對(duì)裂紋進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)。 ：在工廠的裝配線上、飛機(jī)場的行李處、郵政部門等有許多的運(yùn)輸器械，計(jì)算機(jī)可以對(duì)這些運(yùn)輸器械進(jìn)行監(jiān)視與控制。 。所謂系統(tǒng)是指若干個(gè)相互間有內(nèi)在關(guān)聯(lián)的要素構(gòu)成的一個(gè)整體，由它來完成規(guī)定的功能，以達(dá)到某一特定的目標(biāo)。它不是物質(zhì)，也不是能量，而是事物運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和方式。它具有一個(gè)最長的基本重復(fù)周期，與該基本周期頻率一致的諧波稱為基波，而其他頻率為基波整數(shù)倍的諧波稱為高次諧波。圖 24為用超聲波法檢測封閉容器的液位的原理圖。但前饋控制要作到對(duì)干擾的完全補(bǔ)償，必須對(duì)控制對(duì)象的特性有精確的了解。 測量儀表與測量系統(tǒng) 我們?cè)诒竟?jié)中所說的測量儀表的概念是廣義的。 圖 29 霍爾元件 雙形態(tài)能量變換的特點(diǎn)是變換過程所需的能量，不是從被測對(duì)象（磁場）取得，而 20 20 是從附加的能源 (參比電源 )取得。 1） 測量儀器的靜態(tài)特性： ： 所謂刻度特性是表示測量儀表的輸入量與輸出量之間的數(shù)量關(guān)系 ,即被測量與測量儀表指示值之間的函數(shù)關(guān)系 。 （非線 性 誤差）： 當(dāng)儀表的理論特性曲線為直線時(shí)，線性度用來表示實(shí)際特性曲線和理論特性曲線之間的符合程度，也稱為非線性誤差。 漂移是指在規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)，當(dāng)輸入不變時(shí)輸出的變化量。 基本方法是通過列寫儀表的動(dòng)態(tài)方程，求出傳遞函數(shù)，然后進(jìn)行特性分析。 （ 1） 測量系統(tǒng)的構(gòu)成 圖 216為測量系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖。例如，電壓、電流、溫度測量以及飛機(jī)所用的空對(duì)空導(dǎo)彈紅外（熱源）探測跟蹤系統(tǒng)都屬于被動(dòng)式測量系統(tǒng)。 3） 自動(dòng)周期性自檢法（圖 222（ c））： 由圖（圖 222（ c））可以看出，自動(dòng)開關(guān)將測量信號(hào)和一些已知的變量，周期性輪流的輸入系統(tǒng)，經(jīng)過處理和分析，再輸出測量數(shù)據(jù)和狀態(tài)信號(hào)。在存儲(chǔ)器中，存放若干種信號(hào)幀格式采集程序，根據(jù)不同的采集任務(wù)，可選擇相應(yīng)的采集程序進(jìn)行工作，或者通過重新編程，以滿足不同采集任務(wù)的要求。為保證此速度，采樣裝置各個(gè)功能元件的選擇 32 32 都要與它相匹配，特別是放大器的帶寬和 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。它是測量的絕對(duì) 誤差與儀表的滿量程之比，一般用百分?jǐn)?shù)表示，即 33 33 %100??? A? （ 226） 式中，γ —— 引用誤差； △ —— 絕對(duì)誤差； A —— 儀表的滿量程。 對(duì)于隨機(jī)誤差，不能用簡單的修正值來校正，只能用概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來計(jì)算它出現(xiàn)的可能性大小。 ？各有何特點(diǎn)？ 35 35 第 3章 信號(hào)檢測傳感器 167。 當(dāng)然，如果把 A/D轉(zhuǎn)換器裝在模擬傳感器中，就組成了數(shù)字傳感器。 4. 傳感器的選用原則 設(shè)計(jì)一個(gè)測控系統(tǒng)，首先要考慮的是對(duì)傳感器的選擇，其選擇正確與否直接關(guān)系到測控的成敗。 例如 :傳感器的靈敏度具有方向性的，當(dāng)被檢測量是單向時(shí)，就選擇橫向靈敏度小的傳感器；若被檢測量是多維的，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。所謂智能傳感器就是具有判斷能力、學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造能力的傳感器。膜片受被測壓力 Px的作用。 壓