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第九章计算机辅助检测系统9.1带计算机的检测系统简介9.2带计算机的检测技术应用实例第1页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介9.1.1带计算机的检测系统的特点及功能带计算机的检测系统与常规的不带计算机的检测系统比较，有如下特点及功能:1

.性能价格比高在采用单片机的系统中，由于采用软、硬件结合的办法，因此电路元件总数少，使产品具有可靠性高、造价低、体积小、质量轻、功耗低、易于携带和移动等特点。2.设计灵活性高只需更改少数硬件接口，通过修改软件就可以显著改变功能，从而使产

品按需要发展成不同的系列，降低研制费用，缩短研制周期。下一页返回第2页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介4.有强大的运算功能计算机的特点是运算速度非常快，所以能对测量数据进行统计处理，减小随机误差;能

对被测量进行线性补偿和函数转换;能对组合数据进行综合计算、量纲转换;能进行PID运算、模糊控制等。5.具有记忆功能在断电时，能长时间保存断电前的重要参数。上一页下一页返回第3页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介6.有自校准功能自校准包括自动零位校准和自动量程校准。计算机采用程

序控制的办法，在每次测试前，先将放大器输入端短接，将零漂数值存入RAM，在正常测试时从测量值中扣除零位偏差;计算机通过判断被测量所属的量程，自动切换可编程放大器的放大倍数，完成量程的自动切换。为了消除由于环境变化引起的放大器增益误差，计算机于测试之前在放大器输入端

自动接入基准电压，测出放大器增益变化量，在正常测试时通过运算加以纠正。自校准功能大大减小了测量误差，减少了面板上的各种旋钮。上一页下一页返回第4页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介7.能进行自动故障诊断所谓自动故障诊断就是当系统出现故障无法正常工作时，只要计算机本身能继续运行，

它就自动停止正常程序，转而执行故障诊断程序，按预定的顺序搜索故障部位，并在屏幕上显示出来，从而大大缩短了检修周期。9.1.2带计算机的检测系统的工作流程这里主要介绍检测系统的巡回检测概念和软件抗干扰技术，不涉及常规的计算机软件编写方法。上一页下一页返回第5页，共48页

。9.1带计算机的检测系统简介从图9.1可以看到，检测系统涉及的传感器和输入量众多，所以，工作流程通常是这样的:计算机首先根据存储在ROM或硬盘中的程序，向多路采样开关阵列的选通地址译码器写入准备采样的传感器地址，由译码器接通该地址对应的采样开关，所要采样的信号被连接

到高精度放大器，放大后的信号经A/D转换器转换成数字量，计算机通过数据总线接收该信号。为了随机误差统计处理的需要，每个采样点需要快速地采样多遍。一个采样点采样结束后，计算机转而发送第二个采样地址，对第二个传感器

采样，直至全部被测点均被采样完毕为止。如果被采集的信号不是模拟量而是状态量，计算机由并行接口进行读操作;如果被采样信号是串行数据量，则通过串行接口接收该信号。上一页下一页返回第6页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介从上

述分析可知，计算机不可能在同一时刻读取所有传感器来的信号，而是分时但快速地轮流读取所有的被测量，这种采样方式称为“巡回检测”。采样结束后，所有的采样值还需要经过误差统计处理，剔除粗差，求取算术平均值，然后存储在RAM中。计算机根据预定程序，将有关的采样值

作一系列的运算、比较判断，将运算的结果分别送显示终端和打印终端，并将某些数值送到输出接口，输出接口将各数字量分别送到位控信号电路和多路D/A转换电路，去控制各种执行机构。若某些信号超限，计算机立即启动声

光报警电路进行报警。上一页下一页返回第7页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介上述剔除粗大误差的方法中，除了按第一章论述的数据统计原理进行外，在工业中经常采用如下简易办法进行，即对存在干扰和随机误差的信号进行“等精度”、快速多次采

样，然后先舍去第一个采样值，再舍去若干最大值和最小值，将余下的几个中间值作算术平均值运算，该算术平均值可以认为是排除了各种干扰后的较正确的结果，这种方法有时也被称为简易数字滤波。以上介绍的检测系统的工作过程可以作为系统软件设计的参考。下面简要介绍与巡回检测系统有关的一些重要部件以及它们与计算机

之间的接口电路。上一页下一页返回第8页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介9.1.3系统中的几种重要部件1.采样开关常用的采样开关主要有两种:一是干簧继电器，二是CMOS模拟开关。(1)干簧继电器干簧继电器主要由驱动线圈和干簧管组成，图9-1(

a)示出了两常开干簧继电器的外形。干簧管是干式舌簧开关管的简称，它是一个充有惰性气体(如氮、氦等)的小型玻璃管，在管内封装两支用导磁材料制成的弹簧片，其触点部分镀金，如图9-1(c)所示。上一页下一页返回第9页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介

当驱动线圈中有电流通过时，线圈内的弹簧片被磁化，当所产生的磁性吸引力足以克服弹簧片的弹力时，两弹簧片互相吸引而吸合，使触点接通，当磁场减弱到一定程度时，触点跳开。干簧管具有簧片质量小、动作比普通继电器快、触点不易氧化、接触电阻小、绝缘电阻高、抗电冲击等特点。驱动线圈绕在干簧管外面，驱动功率约几十

毫瓦，耗电较大、速度较慢是干簧继电器的主要缺点。优点是不易烧毁或击穿。上一页下一页返回第10页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介干簧继电器中的干簧管其实也是一种十分简单的传感器。它与一块磁铁就可以组成接近开关。它在水位控制、电梯“平层”控

制、防盗报警等方面得到应用，其优点是体积较小，触点可靠性较高，属于“无源”传感器。感兴趣的读者可参阅接近开关方面的有关内容。上一页下一页返回第11页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介(2)CMOS采样开关CMOS采样开关是一种传输模拟信号的可控半

导体开关。它的核心是由P沟道MOS管和N沟道MOS管并联而成的CMOS传输门。当控制端处于“有效”状态时，P沟道MOS管或N沟道MOS管导通，模拟开关处于导通状态，导通电阻约十几至几百欧姆。当控制端处于“无效”状态时，两个MOS管均截止，截止电阻大于108Ω。在自动检测系统中常采用多路COMS模

拟开关集成电路，如CD4051,CD4052等(目前已有对应的HC系列产品)。前者是八选一开关，后者是双四选一开关，分别如图9-2(a),(b)所示。CMOS模拟开关的优点是集成度高，动作快(小于1μs)、耗电省等。缺点是导通电阻较大、各通道间有一定的漏电、击穿电压

低、易损坏等。上一页下一页返回第12页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介采用八选一多路开关的“多通道数据切换电路”如图9-3所示。该电路的优点是使用的元件少，缺点是所有传感器的零信号线均须并联起来。若各传感器的地

电位不相同，这样的接法会引起较大的环流，是不适当的。较好的办法是采用双，n选一开关来切换每个传感器的一对信号线。但是当各传感器对地电位相差较大时，会引起各通道间漏电甚至击穿，所以当共模电压较大时，一般不使用CMOS模拟开关而宁愿使用体积较大、动作较慢的干簧继

电器。上一页下一页返回第13页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介2.放大器从传感器来的信号有许多是毫伏级的弱信号，须经放大才能进行A/D转换。由于高质量的放大器价格相对较为昂贵，所以一般是将

放大器放在采样开关之后，这样只需要一个高质量的放大器就可对几十、上百个传感器来的信号进行放大。系统对放大器的主要要求是:精度高、温度漂移小、共模抑制比高、频带宽的直流放大器。之所以有这些要求，是因为工业中的被测量有的变化十分缓慢，因此放大器的频率下限必须延伸到直流;由于多通道数据的

切换速度可能很高，可达每秒数千次以上，所以放大器要有很高的电压上升率;由于被测信号中调制了较高的共模干扰电压，所以放大器必须有很高的抗共模干扰的能力;上一页下一页返回第14页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介又由于放大倍数一般较大，系统要求

的精度又较高，所以放大器的输入失调电压温漂系数一般要小于1μV/℃。目前常用的放大器有三种型式:一种是高精度、低漂移的双极型放大器，如OP-07等;另一种为CMOS斩波、自稳零集成运放，它的输入失调电压漂移系数很低(约0

.001μV/℃)，共模抑制比达130dB，但它存在较大的斩波尖峰干扰电压，噪声较大，如ICL7650等;第三种为隔离放大器，带有光电隔离或变压器隔离，有很高的抗共模干扰能力，但价格昂贵。目前已研制出专门用于放大微弱信号的“数据放大器”，它的各项性能指标均较好，在自动检测系统

中的应用日渐增多。上一页下一页返回第15页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介3.A/D转换器(ADC)与接口电路计算机只能对数字信号进行运算处理，因此经放大器放大后的模拟信号必须进行A/D转换。目前采用较多的A/D转换器有两大类:一类是并行A/D转换器，另一类是串行A/D转换器。

在并行A/D转换器中，又有逐位比较型和双积分型之分。前者转换速度较快，有8位、10位、12位等规格。位数越高，精度也越高，但价格也相应提高。后者转换速度较慢(每秒10次左右，，但精度高，价格便宜，常见的有3位、4位等规格。上一页下一

页返回第16页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介在串行A/D转换器中，A/D转换的结果以串行二进制编码的形式输出，所以这类A/D转换器属于2线输出型。还有一种使用压控振荡器构成的V/F型A/D转换器，它

能将输入模拟电压的变化转换为输出脉冲频率。输入电压越高，输出脉冲的频率越高，因此可以利用计算机对脉冲进行定时计数。V/F型A/D转换器也属于2线输出型，其输出是一连续的脉冲信号。如果在A/D转换器输出端与计算机之间插入高速光藕合器，就能切

断计算机数字地与放大器模拟地之间的联系，使放大器电路浮置，大大提高了系统的抗干扰能力。这样的光电隔离方式称为A/D转换的后隔离方式。后隔离方式的A/D转换电路框图如图9-4所示。上一页下一页返回第17

页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介4.D/A转换器(DAC)与接口电器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程控制。如果说A/D是“编码器”的话，D/A就相当于“解码器”，它的输入是计算机送来的数字量，它的输出是与数字量相对应的电压或

电流。如果在计算机与D/A之间插入多路光藕合器就能较好地防止工业控制设备干扰计算机的工作。如果使用多路采样保持器，只要使用一只D/A即可进行D/A转换。这种方法是以分时方式进行的，数据的刷新不能太快。上一页下一页返回第18页，

共48页。9.1带计算机的检测系统简介9.1.4可编程序控制器中的传感器接口板可编程序控制器(简称PLC)是计算机技术与继电器常规控制概念相结合的产物，是以微处理器为核心，也同样有键盘、显示终端、输入输出接口等

外围设备。与普通计算机控制系统不同的是，它是专门为工业数字控制设计的计算机系统。它不仅可以取代以继电器、控制盘为主的顺序控制器，还可以用于大规模的生产过程控制。它照顾到现场电气操作人员的技能和习惯，摒弃了计算机常用的

计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化软件结构，便于工程人员在使用现场修改软件。目前国内外研制的PLC已广泛应用于各个工业领域，因此检测技术与PLC的结合也是必然的。上一页下一页返回第19页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介

传感器与PLC的联系主要是输入接口。生产PLC的厂家为了让不同的用户能方便地使用PLC,设计制造了各种不同的“I/O模板”与各种不同的传感器配套。常用的输入模板有:1.模拟量输入模板输入可以是0~5V,

0~10V、-10~+10V,4~20mA等不同形式。采用的ADC有8位的也有12位的，采用光电藕合隔离方式。在进行温度测量时，可选用专用的“热电偶模拟量输入模板”，可完成冷端自动补偿和非线性校正功能。若采用铂热电阻作测温元件，则可选用铂热电阻模板。上一页下一页返回第20页，共

48页。9.1带计算机的检测系统简介2.开关量输入模板包括直流输入模板和交流输入模板，图9-5采用的就是某种型号PLC机采用的直流开关量输入电路。现场开关输入模板以电流形式传输信号，抗干扰能力比采用电压传输方式强。每块模板上有几十个如图9-5所示的电路，也就是说，每块模板的输

入点数有几十个。3.计时/计数模板有的传感器以频率或串行数字量的形式作为输出，计时/计数模板就是为这种传感器设计的。上一页下一页返回第21页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介4.中断控制模板系统中有的传感器担负着重要参

数的测试任务。在某些情况下，需要紧急处理这些传感器的信号，这就必须采取中断方式来处理。中断控制模板通常有多个优先中断级输入，可响应正的或负的跳变的中断输入。上述几种输入模板大多带有高速光隔离器。上一页下一页返回第22页，共48页。9.1带计算机的检测系统简介5

.温度输入控制模板热敏电阻需配接桥路模板才能工作。热电偶的输出信号较小，且有一定的非线性，需给予放大和线性纠正，温度输入控制模板就是为此目的而设计的。当PLC与温度控制模板相配合，并与热电偶或铂热电阻相连接后，就可以按照预置的控制模式实现温度的自

动调节与控制。与传感器有关的输入模板还有许多，这里就不一一介绍了。综上所述，PLC的通用性、互换性强，可与各种不同的传感器配合，用户不必自行设计接口电路，只要按照说明书选购不同功能的模板即可构成完整

的自动检测控制系统。上一页返回第23页，共48页。9.2带计算机的检测技术应用实例带计算机的自动检测系统很多，这里介绍几个使用传感器较多的综合应用实例。9.2.1陶瓷隧道窑温度、压力监测控制系统热工参数是工业检测的重要的内容，下面介绍一种使用微型计算机

的检测系统在这方面的应用实例。陶瓷厂的瓷坯由窑车送入烧窑隧道中，经一定的烧制程序，就变为成品。检测燃烧室的温度及压力，从而控制每个喷油嘴及风道蝶阀的开闭程度，就可以使整个燃烧过程符合给定的“烧成曲线”。采用带计

算机的检测控制系统后，可以降低油耗，减小废品率，经济效益明显，下面介绍系统的组成。下一页返回第24页，共48页。9.2带计算机的检测技术应用实例系统主机采用工控机，带有硬盘、总线接口、彩色显示器、打印机等。本系统把巡回数据采集电路及控制电路装在一个独立的接口

箱中，其中装有定时器、计数器。并行输入/输出接口等，接口箱与主机之间通过一块并行接口插卡，插入总线扩展槽(例如ISA槽、PCI槽、AGP槽等)，也可以通过USB接口进行通信。系统的电路原理框图如图9-6

所示。上一页下一页返回第25页，共48页。9.2带计算机的检测技术应用实例1.检测部分的工作原理系统的测温点共20点，采用分度号K(镍铬-镍硅)热电偶测量温度较低的预热带温度;用分度号B(铂铑30-铂铑6)及分度号R(铂铑13-铂)热电偶分别测量温度较高的燃

烧室。烧成带、冷却带的温度压力检测点共4点，采用YSH-1压力变送器。它们的输出信号经CMOS模拟开关切换后送到公用前置放大器。前置放大器采用低温漂、高精度的“仪表用测量放大器”。它的增益(放大倍数)可由计算机程序(8

421码)控制。在巡回检测到压力变送器时，将增益设定为2倍;在检测热电偶时，将增益设定为100，此时可将-50~+50mV的热电势放大到-5~+5V。上一页下一页返回第26页，共48页。9.2带计算机的检测技术应用实例放大后的模拟信号送到A/D转换器转换为数字量。放大

后的模拟信号送到A/D转换器转换为数字量。在这个例子中，A/D转换器采用12位ADC。当输入模拟量为-5~+5V时，输出的数字量为0000H~0FFFH。即-5V时输出为0000H,0V时输出为7FFH(2047B)，+5

V时输出为0FFFH(4095B)。A/D转换器结果由计算机作为一个变量存储在内存中。若系统共有n个传感器，则巡回检测一次，可刷新n个变量的内容。上一页下一页返回第27页，共48页。9.2带计算机的检测技术应用实例

2.控制部分的工作原理系统开始工作时，从硬盘中调入用户程序及各有关参数，进行数据巡回采集。每一路数据采样8次，然后进行中值滤波，再将所得到的测量值进行数据处理，诸如温度补偿、线性化等，以便得到较精确的结果。计算机每隔几秒对需控制的每路信号进行PID运算。本系统采用12路8位数模转换器来获得

4~20mA的电流输出，并经伺服放大器分别控制隧道窑喷油嘴及风道蝶阀的开合度。上一页下一页返回第28页，共48页。9.2带计算机的检测技术应用实例3.系统特点工控机具有性能价格比高、功能较强、内存容量较大、软件资源丰富、可采用高级语言编程等优点。用户只需插入适当的接

口电路板就可以组成较完整的检测系统。本系统能定时或按需打印出生产中必要的数据，可通过键盘随时修改各设定值，可在线修改PID参数，可随时将必要的参数存盘，并有掉电数据保存功能，这在生产中是十分重要的。系统有声光报警装置，并设有零电

压及满度电压校验通道，以便进行零位校准和满度校准。当系统发生故障时，可通过运行一些检查程序，迅速判断故障点，这给维修带来了很大的方便。上一页下一页返回第29页，共48页。9.2带计算机的检测技术应用实例由

于个人电脑的抗电磁干扰能力、防振、防潮、防尘能力均不强，所以不太适合在现场条件较恶劣的场合使用。而工控机密封性较好，降温抽风机设有过滤网，机箱内的压力略高于大气压，所以防尘效果较好。它的电源系统有较好的抗电磁干扰能力，避震效果也较好。虽然价格比个人电脑昂贵，但可靠性强得多。9.

2.2智能化流量积算仪所谓智能化流量累积计算仪(简称智能化流量积算仪)，就是使用计算机技术，将一次仪表送来的流量信号对时间作积分，求出流量累积总量的仪器。将有关的传感器和接口电路、单片机及外围电路，按

图9-7所述的原理进行组合设计的方法。上一页下一页返回第30页，共48页。9.2带计算机的检测技术应用实例本智能化流量积算仪采用差压法测量瞬时流量，因此必须首先测出差压△p。由于温度和压力会引起流体的密度ρ的变化，有时还需要进行温度补偿和压力补偿，所以必须测出流体

的温度t和压力p。如果使用热电偶，还必须测量热电偶的冷端(室温)温度t0�。上述四种信号先由标准的一次仪表转换为4~20mA的电流信号，经信号传输线传送到本积算仪的输入端，再用取样电阻(250.0Ω)转换成4个低内阻的1~5V电压信号:U△p,Up

,Ut,Ut0。上述四个电压信号按顺序轮流通过采样继电器K1~K4传送至V/F型模/数转换器(或串行D/A)的电压输入端。采样继电器的选通是由单片机轮流给出不同的选通号(地址)，通过3-8译码器后，由驱动器接通采样继

电器的驱动线圈而实现的。上一页下一页返回第31页，共48页。9.2带计算机的检测技术应用实例V/F转换器的输出是连续的窄脉冲信号，脉冲的振荡频率f由V/F转换器的外围电阻、电容的时间常数及V/F的输入电压Ui；共同决定。当Ui为零时，f接近于0H

z;Ui增大，f也随之提高;当Ui达到满度值(本例中为5V)时，可微调与V/F器件有关的外围电阻阻值，使fmax达到设定值。V/F的输出脉冲经光藕合器(IC1)传送到单片机的“定时/计数”输入端，从而测出与四个输入信

号成正比例的脉冲频率。对四个频率信号进行适当的运算，就可以得到瞬时流量值。上一页下一页返回第32页，共48页。第33页，共48页。9.2带计算机的检测技术应用实例根据累积流量的定义，单片机必须将瞬时流量对时间作积分运算。由于本实例

中采用了V/F转换器，所以事实上只需在标准的时间段(如1s)内，对V/F输出的脉冲数进行累加计数，就可以达到近似于积分的目的。为了防止断电时累积流量数据的丢失，积算仪还必须设置一个断电数据保持电路。为了显示累计结果，一般必须设置6位或更多

的数码管。为了选择显示吨，或千克，或立方米等不同的单位，也为了选择显示瞬时流量还是累计流量，积算仪面板上还必须设置选择按键，由单片机读取不同的选择方式，并在数码管的右边显示出相应的单位。上一页下一页返回第34页，共48页。9.2带计算机的检测技术应用实例9.2.3传

感器在模糊控制洗衣机中的应用所谓模糊(Fuzzy)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象。模糊洗衣机又称傻瓜洗衣机，能自动判断衣物的数量(重量

)、布料质地(粗糙、软硬)、肮脏程度来决定水位的高低、洗涤时间、搅拌与水流方式、脱水时间等，将洗涤控制在最佳状态。不但使洗衣机省电、省水、省洗涤剂，又能减少衣物磨损。图9-8是模糊控制洗衣机的模糊推理示意图，图9-9是其结构示意图。上一页下一页返回第35页，共48页

。9.2带计算机的检测技术应用实例下面简单介绍一下模糊洗衣机的洗涤过程及传感器在其中的应用。(1)布量和布质的判断在洗涤之前，先注入一定的水，然后启动电动机，使衣物与洗涤桶一起旋转。然后断电，让电动机依靠惯性继续运转直到停止。由于不同的布量和布质

所产生的“布阻抗”大小、性质都不相同，所以导致电动机的启动和停转的过程、时间也不相同。微处理器根据预先输入的经验公式来判断出布量和布质，从而决定搅拌和洗涤方式。上一页下一页返回第36页，共48页。第37页，共48页。9.2带计

算机的检测技术应用实例(2)水位判断不同的布量需要不同的水位高度。水位传感器采用压力原理，水位越高，对水位传感器中膜盒的压力就越大，微处理器根据其输出判断水位是否到达预设值。(3)水温的判断洗衣过程中，如果提高水温可以提高洗涤效果，减少洗涤时间。微处理器根据不同的衣质决定水温的高

低。水温可由半导体集成温度传感器来测定。上一页下一页返回第38页，共48页。9.2带计算机的检测技术应用实例(4)水浑浊度的测定浑浊度的检测是采用红外光电“对管”来完成的，它们安装在排水阀的上方。给

红外LED通以恒定的电流，它发出的红外光透过排水管中的水柱到达红外光敏三极管，光强的大小反映了水的浑浊程度。随着洗涤的开始，衣物中的污物溶解于水，使得透光度下降。洗涤剂加入后，透明度更进一步下降。当透明度恒定时，

则认为衣物的污物已基本溶解于水，洗涤程序可以结束，打开排水阀，脱水缸高速旋转。由于排水口在脱水时混杂着大量的紊流气泡，使光线散射。当光的透过率为恒值时，则认为脱水过程完毕，然后再加清水漂洗，直到水质变清

。无泡沫、透明度达到设定值时，则认为衣物已漂洗干净，经脱水程序后整个洗涤过程完毕。上一页返回第39页，共48页。图9-1干瓷继电器返回第40页，共48页。图9-2CMOS樟拟开关返回第41页，共48页。图9-3采样开关在多通道数据切换中的应用返回第42页

，共48页。图9-4后隔离方式A/D转换器电路框图返回第43页，共48页。图9-5关量输入电路返回第44页，共48页。图9-6隧道窑计算机监测控制系统框图返回第45页，共48页。图9-7智能化流量积算仪计算机接口电路原理图返回第46页，共48页。图9-8模糊洗衣机的模糊

推理返回第47页，共48页。图9-9模糊控制洗衣机示意图返回第48页，共48页。