第十三章檢測技術(shù)的綜合應用

課題：檢測技術(shù)的綜合應用課時安排：4課次編號：20-21

難點信噪比

教材分析

重點傳感器綜合應用

教學目的和要求1.了解現(xiàn)代測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2.了解檢測技術(shù)在溫度、壓力、流量、現(xiàn)代家電、

現(xiàn)代汽車*、數(shù)控機床*、機器人*、智能樓宇中

的應用*（"艮據(jù)不同專業(yè)選講）

采用教學方法和實施步驟講授、課堂討論、分析教具：各種智能儀表

各

演示：

教

給學生看各種接口電路和智能儀表和各種接口巳

學

環(huán)第一節(jié)現(xiàn)代測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

節(jié)

一、現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的3種基本結(jié)構(gòu)體系

和

現(xiàn)代檢測系統(tǒng)可分為智能儀器結(jié)構(gòu)、個人儀器結(jié)構(gòu)和自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等3種基

內(nèi)

本結(jié)構(gòu)體系。

容

1.智能儀器

智能儀器是將微處理器、存儲器、接口芯片、人機對話設(shè)備以及傳感器有機地融

合在一起組成的檢測系統(tǒng)。它有專用的小鍵盤、開關(guān)、按鍵及顯示器（如數(shù)碼管或點

陣液晶屏）等，多使用匯編語言，體積小，專用性強。圖13-1所示為智能儀器的典型

硬件結(jié)構(gòu)圖。

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圖13-1智能儀器典型硬件結(jié)構(gòu)圖

2.PC儀器

PC儀器也稱個人儀器，又稱個人計算機儀器系統(tǒng)。它是以個人計算機（必須符合

工控要求）配以適當?shù)挠布娐放c傳感器組合而成的檢測系統(tǒng)。由于它是基于個人計

算機基礎(chǔ)上的儀器，所以稱為個人儀器。個人儀器的典型硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖13-2,

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圖13-2個人儀器的典型硬件結(jié)構(gòu)框圖

組裝個人儀器時，將傳感器信號接到相應的接口板上，再將接口板插到工控機的

USB接口上或總線擴展槽中，配以相應的軟件，就可以完成自動檢測功能。

課堂提問：

工控機與個人電腦的主要區(qū)別有哪些？

3.自動測試系統(tǒng)

自動測試系統(tǒng)（縮寫ATS）是以工控機為核心，以標準接口總線為基礎(chǔ)，以可程

控的多臺智能儀器或個人儀器為下位機組合而成的?種現(xiàn)代檢測系統(tǒng)。自動測試系統(tǒng)

的原理框圖如圖13-3所示。

接口總線

去各被測對象

圖13-3自動測試系統(tǒng)原理框圖

現(xiàn)代化車間中，一條流水線上往往要安裝幾十、上百個傳感器，上位機利用預先

編程的測試軟件，對每一臺智能儀器進行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀寫，并且還能利用其計算、

判斷能力控制整個系統(tǒng)的運行。

許多自動測試系統(tǒng)還可以作為服務(wù)器工作站加入到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，成為網(wǎng)絡(luò)化測試

子系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)測、遠程控制、遠程實時調(diào)試。

二、現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的特點及功能

（1）設(shè)計靈活性高只需更改少數(shù)硬件接口，通過修改軟件就可以顯著改變功能，

從而使產(chǎn)品按需要發(fā)展成不同的系列，降低研制費用，縮短研制周期。

（2）操作方便使用人員可通過鍵盤來控制系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)通常還配有CRT

屏幕顯示，因此可以進行人機對話，在屏幕上用圖表、曲線的形式顯示系統(tǒng)的重要參

數(shù)、報警信號，有時還可用彩色圖形來模擬系統(tǒng)的運行狀況。

（3）具有記憶功能在斷電時，能長時間保存斷電前的重要參數(shù)。

（4）有自校準功能自校準包括自動零位校準和自動量程校準，能提高測量準確

度

（5）具有自動故障診斷功能所謂自動故障診斷就是當系統(tǒng)出現(xiàn)故障無法正常工

作時，只要計算機本身能繼續(xù)運行，它就轉(zhuǎn)而執(zhí)行故障診斷程序，按預定的順序搜索

故障部位，并在屏幕上顯示出來，從而大大縮短了檢修周期。

1.巡回檢測的基本概念

從圖13-1可以看到，檢測系統(tǒng)涉及的傳感器和輸入量眾多，其工作流程如下：

計算機首先根據(jù)存儲在ROM或硬盤中的程序，向多路采樣開關(guān)陣列的選通地址譯

碼器寫入準備采樣的傳感器地址，由譯碼器接通該地址對應的采樣開關(guān)，所要采樣的

信號被連接到高準確度放大器，放大后的信號經(jīng)A-D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，計算機通

過數(shù)據(jù)總線接受該信號。為了隨機誤差統(tǒng)計處理的需要，每個采樣點需要快速地采樣

多遍.一個采樣點采樣結(jié)束后，計算機轉(zhuǎn)而發(fā)送第二個采樣地址，對第二個傳感器采

樣，直至全部被測點均被采樣完畢為止。如果被采集的信號不是模擬量而是狀態(tài)量，

計算機由I/O接口進行讀操作；如果被采樣信號是串行數(shù)據(jù)量，則通過串行接口接受

該信號。

從上述分析可知，計算機不可能在同一時刻讀取所有傳感器來的信號，而是分時

但快速地輪流讀取所有的被測量，這種采樣方式稱為“巡回檢測"（Datascanning）。

采樣結(jié)束后，所有的采樣值還需要經(jīng)過誤差統(tǒng)計處理，剔除粗差，求取算術(shù)平均

值，然后存儲在RAM中.計算機根據(jù)預定程序，將有關(guān)的采樣值作一系列的運算、比

較判斷，將運算的結(jié)果分別送顯示終端和打印終端，并將某些數(shù)值送到輸出接口，輸

出接口將各數(shù)字呈分別送到位控信號電路和多路D-A轉(zhuǎn)換電路，去控制各種執(zhí)行機構(gòu)。

若某些信號超限，計算機立即起動聲光報警電路進行報警。

2.軟件抗干擾技術(shù)

上述剔除粗大誤差的方法中，除了可以按第一章第2節(jié)論述的數(shù)據(jù)統(tǒng)計原理進行

外，在工業(yè)中經(jīng)常采用如下簡易辦法進行，即對存在干擾和隨機誤差的信號進行“等

準確度”的快速、多次采樣，然后先舍去第一個采樣值（不穩(wěn)定），再舍去若干最大值

和最小值，將余下的幾個中間值作算術(shù)平均值運算，該算術(shù)平均值可以認為是排除了

各種干擾后的較正確的結(jié)果，這種方法有時也被稱為簡易數(shù)字濾波

三、檢測系統(tǒng)中的幾種重要硬件

i.采樣開關(guān)

采樣開關(guān)用于接通或斷開輸入信號。工業(yè)中，對采樣開關(guān)的要求是速度快、體積

小，所以不能采用電工繼電器。常用的采樣開關(guān)主要有兩種，一是干簧繼電器，二是

CMOS模擬采樣開關(guān)。

提問：

干簧管和CMOS模擬開關(guān)，各自有哪些優(yōu)缺點？

2.放大器

檢測系統(tǒng)對放大器的主要要求是：準確度高、溫漂小、共模抑制比高、頻帶寬的

直流放大器。

目前常用的放大器有以卜幾種形式：

（1）高精度、低漂移的雙極型放大器，如OP-07等。

（2）隔離放大器。它帶有線性光電隔離器，有很高的抗共模干擾能力。

（3）專用的“儀用放大器”成品。它的各項技術(shù)指標均能符合工業(yè)檢測系統(tǒng)的要

求，但價格較昂貴。

提問：

能否用三極管來放大傳感器來的信號？為什么？

第二節(jié)傳感器在溫度、壓力測控系統(tǒng)中的應用

系統(tǒng)主機采用工控機，它帶有硬盤、總線接口、液晶彩顯和打印機等。本系統(tǒng)把

巡回數(shù)據(jù)采集電路及控制電路裝在一個獨立的接口箱中，其中裝有定時器、計數(shù)器、

并行輸入/輸出接口等，接口箱與主機之間通過一塊并行接口插卡連接，插入總線擴

展槽（例如ISA槽、PCI槽等），也可以通過USB接口進行通信。隧道窯計算機檢測控

制系統(tǒng)框圖如圖所示。

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13-10隧道窯計算機檢測控制系統(tǒng)框圖

二、系統(tǒng)原理及工作過程

檢測部分的工作原理系統(tǒng)的測溫點共20點，采用分度號K型（鑲格-鏗彼）熱

電偶測量溫度較低的預熱帶溫度；用分度號B型（鉗錯30-鉗鏤6）及分度號R型（粕

餡13-伯）熱電偶分別測量溫度較高的燃燒室（1320C左右）、燒成帶、冷卻帶的溫度;

壓力檢測點共4點，采用YSH-1壓力變送器。它們的輸出信號經(jīng)CMOS模擬開關(guān)切換

后送到公用前置放大器。前置放大器采用低溫漂、高準確度的“儀表測量放大器二它

的增益（放大倍數(shù)）可由計算機程序控制。在巡回檢測到壓力變送器時，將增益設(shè)定

為2倍；在檢測熱電偶時，將增益設(shè)定為100,此時可將+50mV的熱電勢放大到+5V。

放大后的模擬信號送到A-D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。在這個例子中，A-D轉(zhuǎn)換器采用12

位ADC。當輸入模擬量為-5?+5V時，輸出的數(shù)字量為0000H?0FFFH。即-5V時輸

出為0000H,0V時輸出為7FFH（2047）,+5V時輸出為0FFFH（4095）。也可以選擇

僅對正值輸入（（）?+5V）進行A-D轉(zhuǎn)換的器件。

A-D轉(zhuǎn)換器結(jié)果由計算機作為一個變量存儲在內(nèi)存中。若系統(tǒng)共有〃個傳感器，

則巡回檢測一次，要刷新〃個變量的內(nèi)容。

（2）控制部分的工作原理系統(tǒng)開始工作時，從硬盤中調(diào)入用戶程序及各有關(guān)參

數(shù)，進行數(shù)據(jù)巡回采集。每一路數(shù)據(jù)采樣8次，然后進行中值濾波，再將所得到的測

量值進行數(shù)據(jù)處理，諸如溫度補償、線性化等，以便得到較精確的結(jié)果。計算機每隔

幾秒對需控制的每路信號進行PID運算。本系統(tǒng)采用12路8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器來獲得4?

20mA的電流輸出，并經(jīng)伺服放大器分別控制隧道窯煤氣噴嘴及風道蝶閥的開合度。

提問：

如果對一個測點的信號快速測量16遍，問去掉第一個值，再去掉3個最大值，3

個最小值，剩下的幾個值如何處理？

第三節(jié)傳感器在流量測量中的應用

1.什么是流量積算儀

測量和顯示累積流量的儀器稱為流量積算儀，電路框圖如圖所示。

13-11智能化流量積算儀計算機接口電路原理框圖

2.流量累積計算

計算機先根據(jù)圖中的差壓傳感器信號，計算出流量的瞬時值，再將每一秒鐘的體

積流量進行累加，并顯示累積結(jié)果（單位換算為t）。

提問：

在圖中，當差壓信號為20mA時，施加在采樣開關(guān)K1輸入端的電壓U3,為多少？

3.為什么測量流量還需要使用壓力和溫度的傳感器？

流量主要與差壓有關(guān)，但還受到壓力和溫度的影響。如果不考慮流體的壓力和溫

度，計算流量時將產(chǎn)生較大的誤差，所以必須進行壓力、溫度補償。測量壓力和溫度

可分別使用電容式壓力變送器和各種溫度變送器。

提問：

上圖中，為什么要使用很多光耦？地線需要如何處理？

2.流量累積計算

計算機先根據(jù)圖13-中的差壓傳感器信號，計算出流量的瞬時值，再將每一秒鐘的

體枳流量進行累加，并顯示累積結(jié)果（單位換算為t）。

提問：

在上圖中，當差壓信號為20mA時，施加在采樣開關(guān)K1輸入端的電壓人為多少？

3.為什么測量流量還需要使用壓力和溫度的傳感器？

流量主要與差壓有關(guān)，但還受到壓力和溫度的影響。如果不考慮流體的壓力和溫

度，計算流量時將產(chǎn)生較大的誤差，所以必須進行壓力、溫度補償。測量壓力和溫度

可分別使用電容式壓力變送器和各種溫度變送器。

提問：

上圖中，為什么要使用很多光耦？地線需要如何處理？

第四節(jié)傳感器在現(xiàn)代家電中的應用

模糊洗衣機的基本原理

模糊洗衣機以人們洗衣操作的經(jīng)驗作為模糊控制的依據(jù)，采用多種傳感器將洗衣

狀態(tài)信息檢測出來，自動判斷衣物的數(shù)量（重量）、布料質(zhì)地（粗糙、軟硬）、臟污程

度，并將這些信息送到計算機中。經(jīng)邏輯處理后，選擇出最佳的洗滌參數(shù)，從而決定

水位的高低，洗滌時間，攪拌與水流方式，脫水時間等，對洗衣全過程進行自動控制.

達到最佳的洗滌效果。

第五節(jié)傳感器在現(xiàn)代汽車中的應用

一、現(xiàn)代汽車的測控系統(tǒng)

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2.汽車ECU

ECU由CPU、存儲器（ROM、RAM）、輸入/輸出接口（I/O）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCC

數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）以及整形、驅(qū)動等大規(guī)模集成電路組成，用于汽車的電氣、機械

控制。

圖13-15ECU的外形及內(nèi)部原理框圖

a）外形b）ECU內(nèi)部原理框圖及輸入/輸出信號

1.空氣系統(tǒng)中的傳感器及其作用

（1）空氣流展傳感器ECU根據(jù)車速、功率（載重量:、爬坡等）等不同運行狀況,

控制電磁調(diào)節(jié)閥的開合程度來增加或減少空氣流量。

（2）空氣溫度傳感器NTC熱敏電阻式氣溫傳感器用于測量進氣溫度，以便修正

因氣溫引起的空氣密度變化。

圖13-17NTC溫度傳感器及特性

a）外形b）溫度特性曲線

（3）汽車的“油門”的控制節(jié)氣門的開度是利用圖2-la所示的圓盤式電位器來

檢測的。油門踏板踏下時，帶動電位器轉(zhuǎn)軸，輸出（）?5V的電壓反饋給ECU。

2.燃油系統(tǒng)中的傳感器及其作用

（1）油壓的測量油壓的測量采用半導體壓阻式固態(tài)壓力傳感器。

半導體壓阻式固態(tài)壓力傳感器

（2）油溫的測量燃油溫度會影響燃油的粘粥度及噴射效果，所以通常采用第二

章介紹過的NTC熱敏電阻溫度傳感器來測量油溫。

（3）氧含量的測量當排氣中的氧含量不足時，由ECU控制增大空燃比，改變

油氣濃度，提高燃燒效率，減少黑煙污染。

3.發(fā)動機點火系統(tǒng)中的傳感器及其作用

（1）發(fā)動機曲軸角度的測量轉(zhuǎn)速表的輸出肽沖頻率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比。

（2）缸壓的測量在發(fā)動機缸壁上，安裝有一只缸壓傳感器，用于測量燃燒壓力，

以得到最佳燃燒效果。

4.傳動系統(tǒng)中的傳感器及其作用

<1）車速和公里數(shù)的測吊ECU將曲軸轉(zhuǎn)速信號與車輪周K進行適當?shù)膿Q算，可

以得到車速和公里數(shù)。

（2）車輪速度的測量在前后四個車輪中安裝有車輪速度傳感器。

當發(fā)生側(cè)滑時，ECU分別控制有關(guān)車輪的制動控制裝置及發(fā)動機功率，提高行駛

的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操作性。

（3）車輪獨立懸掛的測控控制油壓系統(tǒng)，調(diào)節(jié)四個車輪的高度，跟蹤地面的變

化，保持轎廂的平穩(wěn)。

5.什么是ABS?

ABS由車輪速度傳感器（例如霍爾傳感器）、ECU以及電?液控制閥等組成。ECU

根據(jù)車輪速度傳感器米的脈沖信號控制電液制動系統(tǒng)，使各車輪的制動力滿足少怎滑

動但接近抱死的制動狀態(tài)，以使車輛在緊急剎車時不致失去方向性和穩(wěn)定性。

6.還有哪些車月傳感器？

油箱油位傳感器、缺油報警傳感器、潤滑機油缺油報警傳感器、機油油壓傳感器、

冷卻水水溫傳感器、車廂煙霧傳感器、空調(diào)自起動溫度傳感器、車門未關(guān)緊報警傳感

器、保險帶未系傳感器、雨量傳感器以及霍爾式直流大電流傳感器、CO、氮氫化合物

傳感器等。

第六節(jié)傳感器在數(shù)控機床中的應用

一、位置檢測裝置在進給控制中的應用

數(shù)控車床加工時，伺服電動機帶動拖板運動。光電角編碼器產(chǎn)生與直線位移成正

比的脈沖信號，由數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動伺服電動機，經(jīng)滾珠絲杠螺母副帶動拖板作精確的直

線位移運動。

在更精密的數(shù)控機床中，還可以使用磁柵或光柵來代替角編碼器。

二、傳感器在數(shù)控機床的自適應控制中的應用

1.數(shù)控機床的自適應控制

溫度補償和刀具磨損補償?shù)取?/p>

2.怎樣進行溫度補償

熱敏電阻、半導體溫度IC等。

電流、電壓信號由電流變換器和電壓變換器來獲得。還可以用體積更小的霍爾功

率變送器來取代電流變換器、電壓變換器。

圖13-25主軸電動機功率監(jiān)控

三、數(shù)控機床自動保護

1.怎樣檢測工件夾緊力

夾緊力由油壓傳感器檢測。

2.過熱保護有哪些？

監(jiān)測軸溫、壓力油溫、潤滑油溫、冷卻空氣溫度、各個電動機繞組溫度等。

3.輔助系統(tǒng)狀態(tài)檢測有哪些？

在潤滑、液壓、氣動等系統(tǒng)中，安裝有壓力傳感器、液位傳感器、流最傳感器，

對輔助系統(tǒng)隨時進行監(jiān)控。

第七節(jié)傳感器在機器人中的應用

1.機器人怎樣感知與對象的接觸？

高分子壓電薄膜(PVDF)因壓電效應產(chǎn)生電荷，經(jīng)電荷放大器產(chǎn)生脈沖信號。

PVDF還具有熱釋電效應。

2.機器人怎樣測控握力？

采用球形滑覺傳感器。

3.機器人怎樣感知與對象接近？