測控技術與儀器導論

1、測控技術與儀器專業(yè)導論 電氣信息工程學院 2015年09月,課 程 概 述,測控技術與儀器基本概述測控系統(tǒng)的檢測技術測控系統(tǒng)的感知技術 現代測控技術概述,第一講 測控技術與儀器基本概述,1、什么是測控技術與儀器 測控技術與儀器是研究信息的獲取和處理，以及對相關要素進行控制的理論與技術；是電子、光學、精密機械、計算機、信息與控制技術多學科互

2、相滲透而形成的一門高新技術密集型綜合學科。,一、測控技術與儀器學科簡介,測控技術與儀器專業(yè)是儀器科學與技術和控制科學與技術交叉融合而形成的綜合性學科。培養(yǎng)能適應社會主義現代化經濟建設需要，德、智、體全面發(fā)展，基礎扎實，具有良好的素質，較強的創(chuàng)新精神和能力，知識面寬，掌握電子學基礎理論，測量與控制理論和有關測控儀器的設計方法，并具備測量和控制方面以及精密儀器設計制造的基礎知識與應用能力，能夠從事本專業(yè)工作的高級工程技術人才。,2、專業(yè)主要

3、課程,主干學科：信息與通信工程、儀器科學與技術 、電子科學與技術、控制科學與工程。主要課程：電路理論系列課程（電路原理…）、計算機技術系列課程（計算機基礎、C語言…）、信號處理系列課程（信號與線性系統(tǒng)…）、測控系統(tǒng)系列課程（自動控制原理、測控電路 …） 。主要實踐性教學環(huán)節(jié)：包括課程實驗、計算機上機訓練、課程設計、生產實習、畢業(yè)設計等 。,3、畢業(yè)生應具備的能力,畢業(yè)生應具備的能力：（1）較系統(tǒng)地掌握專業(yè)領域寬廣的技術基礎理論知識

4、，適應電子與測控技術方面廣泛的工作范圍；（2）掌握電子電路的基本理論和實驗技術，具備分析和設計電子設備的能力；（3）掌握信息獲取、處理的基本理論和應用的一般方法，具有設計一般測控系統(tǒng)的基本能力；,（4）了解信息產業(yè)的基本方針、政策和法規(guī)，了解企業(yè)管理的基本知識；了解測控儀器與系統(tǒng)的行業(yè)發(fā)展現狀；（5）有研究、開發(fā)新系統(tǒng)、新技術的初步能力；掌握文獻檢索、資料查詢的基本方法，具有一定的科學研究和實際工作能力。,4、就 業(yè) 范 圍,（1

5、）從事電子設備和信息系統(tǒng)的設計、應用開發(fā)以及技術管理等，比如,做電子工程師；設計開發(fā)一些電子、通信設備；做軟件工程師，設計開發(fā)與硬件相關的各種軟件。（2）可以進入生產工程自動化企業(yè)從事自動控制、自動化檢測等方面的工作，也可以在科研單位進行儀器儀表的開發(fā)和設計，同時還可以在工程檢測領域、計算機應用領域找到適合本專業(yè)個人發(fā)展的空間。（3）操作技能比較強，就可以做一些電子信息設備的應用與維修的工作。（4）從事相關的商業(yè)職位、自己創(chuàng)業(yè)。,

6、5、相近專業(yè),自動化；  通信工程 ；計算機科學與技術； 電子科學與技術 ；生物醫(yī)學工程 ；電氣工程與自動化； 電子信息工程 ；網絡工程 ； 集成電路設計與集成系統(tǒng)； 光電信息工程 ；廣播電視工程 ；計算機軟件 ；智能科學與技術；  探測制導與控制技術；  建

7、筑電氣與智能化 ；電磁場與微波技術。,二、我院測控技術與儀器專業(yè),1、歷史沿革本專業(yè)最初作為電子信息工程專業(yè)的一個專業(yè)方向，從電子信息工程專業(yè)分離而來，而電子信息工程專業(yè)名稱歷經無線電技術—應用電子技術— 電子信息工程的演變過程。 1988年首批本科生入校，1992年獲工學士學位授予權，同年畢業(yè)首批本科生。1996年開始，在原有基礎上，繼續(xù)進行教學改革，設置相應教學環(huán)節(jié)，加強學生在教師職業(yè)基本技能方面的培養(yǎng)和訓練，實

8、施了“三證書制” 。05測控班是第一屆測控技術與儀器方向的畢業(yè)生，2010年測控技術與儀器獲得學士學位授予權，東方學院06測控班是第一屆測控技術與儀器專業(yè)的畢業(yè)生。,1999年根據教育部專業(yè)目錄調整的要求，在拓寬專業(yè)口徑的基礎上進行了專業(yè)方向的分流，設置四個專業(yè)方向：電子技術、電氣技術方向、電化教育方向、通信技術方向。先后將該專業(yè)的3個專業(yè)方向建設成為3個本科專業(yè)。,2001年將電化教育方向發(fā)展為教育技術專業(yè)（該專業(yè)于2002年劃歸計

9、算機系），2002年將通信技術方向發(fā)展為通信工程專業(yè)2002年起，根據師范教育發(fā)展的趨勢，該專業(yè)在師范教育的基礎上同時設置了電子信息工程非師范本科專業(yè)。2003年將電氣技術方向發(fā)展為電氣工程及其自動化專業(yè)。2005年新增設測控技術與儀器專業(yè)方向。,電子信息工程專業(yè)在2006年被確定為江蘇省品牌專業(yè)建設點。測控技術與儀器專業(yè)2013年被學校列為校重點建設專業(yè)。,2、培養(yǎng)思路,軟件與硬件技術結合；注重基礎，強化實踐。,3、培養(yǎng)目

10、標,本專業(yè)培養(yǎng)適應經濟建設需要的德、智、體、美等方面全面發(fā)展，具備現代測控儀器設計制造以及測量與控制方面基礎知識與應用能力，掌握各種有關信息量的檢測、轉換和分析處理的原理、方法及技術，能在國民經濟各部門從事測量與控制領域內有關技術、儀器與系統(tǒng)的設計制造、產品開發(fā)、運行維護和工程管理等工作的應用型高級專門人才。,4、畢業(yè)生應獲得的知識和能力,(1) 掌握數學計算及應用、對象建模、程序設計、時域頻域分析、計算機技術等工程基礎知識與能力；

11、(2)掌握電子電路分析與應用、單片機技術與應用、EDA技術與應用等電子工程基本理論與分析、應用能力以及常用電子儀器使用能力； (3)系統(tǒng)地掌握光學、控制科學和傳感器與檢測等方面的技術基礎理論和基本知識,(4)掌握光、電、計算機相結合的當代測試理論、技術和實驗研究能力，具有本專業(yè)測控儀器與系統(tǒng)的基本理論與設計、開發(fā)能力，如智能儀表設計與應用能力和虛擬儀器技術應用能力；(5)獲得較好的測控領域中的工程實踐知識和能力，如測量信號分析能力和

12、測控系統(tǒng)的設計與應用能力； (6)獲得測控系統(tǒng)綜合應用能力，如計算機測控網絡的構建與應用能力； (7)掌握一門外語，能熟練地閱讀本專業(yè)的外文文獻；掌握文獻檢索、資料查詢的基本方法； (8)具有較好的團隊合作能力和較強工作適應能力，具備初步科技開發(fā)和組織管理工作能力。,５、課程設置,課程設置體現為三種結合，即元件與系統(tǒng)的結合、強電與弱電的結合、軟件與硬件的結合，致力于寬口徑、應用型人才的培養(yǎng)。本專業(yè)教學計劃為五個模塊, 充分體現了

13、文理結合、理論與實踐相結合的現代教育理念。五大模塊都圍繞著培養(yǎng)掌握現代電子信息技術和測控技術的工程應用型人才為中心，把學生全面素質的培養(yǎng)、專業(yè)技能的訓練、專業(yè)綜合能力的培養(yǎng)貫穿在四年的教學全過程之中。,A模塊 公共基礎必修課 65.5學分 1144學時 學分比例 36.4%C模塊 學科專業(yè)基礎必修課 28.5學分 480學時 學分比例 15.8%D模塊 實踐技能必修課

14、 41學分 41 周 學分比例 22.8%E模塊 專業(yè)(專業(yè)方向)選修課 29.5學分 472學時 學分比例 16.4%F模塊 公共選修課 15.5學分 學分比例8.6%合 計 180學分 2096學時（不含D、F模塊）,測控技術與儀器,“六大模塊”包含六類課程體系：公共課程（A、F模塊如：品德、哲學、英語等）：是培養(yǎng)全

15、面發(fā)展的人才所必須的，而高等數學、大學物理、計算機應用基礎、工程制圖等是根據專業(yè)的特點和性質設置的，是學生學習專業(yè)知識、進行科學思維和基本技能訓練、培養(yǎng)人文素質和能力的前提。,學科專業(yè)基礎課（C模塊課程）：包括專業(yè)理論基礎和專業(yè)技術基礎課程。 這類課程有一定的應用背景，但一般不涉及具體的工程或產品，覆蓋面較寬，有一定的理論深度和知識廣度，還具有與工程科學密切相關的方法論。它們與基礎課程共同構成了學生學習專業(yè)知識，培養(yǎng)專

16、業(yè)能力的重要基礎。(終生受用) 主要課程：電路原理、模擬電子技術基礎 、數字電路、信號與線性系統(tǒng)、專業(yè)英語,專業(yè)方向課程（E模塊）：是根據社會對測控技術與儀器專業(yè)人才的業(yè)務和知識結構要求，即為專業(yè)培養(yǎng)目標而設置的，可以使學生獲得該專業(yè)的技術開發(fā)能力和專業(yè)特長。 主要課程：單片機技術、EDA技術及應用（雙語） 、電子測量、虛擬儀器技術、傳感器與檢測技術、光電檢測技術、智能儀表原理與設計、測控電路、計算機網絡與通信等。,教學實

17、踐必修課程（D模塊）：為加強學生動手能力開設的系列課程設計、綜合課程設計、生產實習、畢業(yè)設計，通過這些環(huán)節(jié)的鍛煉，理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐動手能力。,從知識分解的角度看課程設置: 1、技術基礎理論知識⑴ 電子電路基本理論：電路原理（72學時）模擬電子技術（64學時）數字電路（64學時）⑵ 信息處理：信號與線性系統(tǒng)（64學時）等,⑶計算機軟硬件知識：單片機原理與應用 （48學時）等⑷測控儀器與測控系統(tǒng) ：電子

18、測量（40學時）智能儀表原理與設計 （40學時）測控電路（40學時）虛擬儀器技術 （32學時）光電檢測技術 （32學時）數據采集系統(tǒng) （32學時）等,2、實踐技能⑴常用元器件的識別及常用電子儀器使用（電源、萬用表、信號發(fā)生器、示波器等）支撐的課程和相應的實驗室有： 電子工藝實習（1周）/電子工藝實驗室 電路原理實驗（16學時）/電路原理實驗室 模擬電子技術實驗（24學時）/模擬電子技術實驗室

19、 數字電路實驗（24學時）/數字電路實驗室,⑵ 常用電子設計軟件的使用（PROTEL , Multisim , Quartus II等）支撐的課程和相應的實驗室有： 電子工藝實習（1周）/ PROTEL/ EDA實驗室 電路原理實驗（16學時）/ Multisim / EDA實驗室 模擬電子技術實驗（24學時）/ Multisim / EDA實驗室 數字電路課程設計（1周）/Quartus

20、 II/ EDA實驗室 EDA技術與應用（32學時/16學時課內實驗）/ Quartus II / EDA實驗室,⑶ 常見電量及常用電路的技術指標的測試 支撐的課程和相應的實驗室有：電子測量（40學時）電路原理實驗（16學時）/電路原理實驗模擬電子技術實驗（24學時）/模擬電子技術實驗室模擬電子技術課程設計（2周）/模擬電子技術實驗室數字電路實驗（24學時）/數字電路實驗室,⑷測控系統(tǒng)設計及設備維修能力支撐的課程和

21、相應的實驗室有：測控系統(tǒng)綜合訓練 （4周）/傳感器技術實驗室傳感器與檢測技術綜合訓練（1周）/傳感器技術實驗室,⑸ 單片機應用能力：單片機應用實驗（16學時）3、基本學制 四年（合格獲本科畢業(yè)證書）4、授予學位 工學學士,三、學習提示,1、規(guī)劃：大學四年的規(guī)劃（短期），人生規(guī)劃（長遠）2、良好的學習習慣：非常重要?。?！3、自學能力：自主學習的意識和學習方法 例如：自己設計一個電子或測控系統(tǒng)，該怎么辦？

22、 4、測控技術與儀器是寬口徑專業(yè)，需要學習的內容多，知識面廣，每個學生都應該根據自己的情況，在學習上有所選擇，主次分明。5、強化實際的動手能力。6、全面發(fā)展！,四、測控系統(tǒng)的結構與分類 以單片機（或專用芯片）為核心組成的單機系統(tǒng)。 以個人計算機為核心的應用擴展型測量儀器。,以單片機（或專用芯片）為核心組成的單機系統(tǒng),以個人計算機為核心的應用擴展型測量儀器,2.1 概 述,2.1 檢測技術的含義、作用和地位

23、檢測是采用現代科技方法與裝置對工業(yè)現場的有關信息進行檢查與測量，并將結果加以全面利用的一項應用技術，它是工業(yè)自動化的核心技術之一。 　　一個完整的檢測過程一般包括信息的提取、信號的轉換存儲與傳輸、信號的顯示記錄和信號的分析處理。檢測技術是涉及檢測方法、檢測系統(tǒng)結構以及檢測信號處理的一門綜合性技術。因此，檢測技術研究的范圍比較廣泛，主要有以下幾個方面：,第二講 測控系統(tǒng)的檢測技術,（1） 研究信號檢測中的方法、工具、設備，以便能方便、

24、迅速、準確、可靠地完成檢測任務。 （2） 研究檢測中的信息處理與變換的方法。從被檢測對象中獲取的信號，經檢測元件、測量電路等裝置后，常包含各種干擾信號，這不僅會引入測量誤差，還會對測量的可靠性、準確性帶來不利影響。為了克服干擾的影響，需要使用較復雜的數據處理和變換方法。 （3） 研究檢測問題中的信息傳輸、存儲、顯示的方法與技術，研究檢測儀器儀表、檢測系統(tǒng)的抗干擾技術和故障檢測、 診斷的技術。,（4） 研究使用計算機輔助設

25、計技術對檢測方法、檢測用儀器儀表及檢測系統(tǒng)進行詳細的理論分析，對參數及結構進行最優(yōu)化設計。 （5） 研究檢測系統(tǒng)和計算機及其他系統(tǒng)的通信。 一方面，現代化的檢測技術在很大程度上依賴于經濟生產和科學技術的發(fā)展水平；另一方面，經濟與科學技術的發(fā)展也反過來進一步促進檢測技術的提高與進步。自動檢測技術已成為一些發(fā)達國家最重要的熱門技術之一，它可以給人們帶來巨大的經濟效益并促進科學技術的飛躍發(fā)展，因此在國民經濟中占有極其重要的地

26、位和作用。,2.2 自動檢測系統(tǒng)的組成及結構形式　　1. 自動檢測系統(tǒng)的組成　　檢測系統(tǒng)的主要作用在于測量各種參數以用于顯示或控制。 為實施測量，一般檢測系統(tǒng)包括傳感器、測量電路、顯示或輸出等幾大部分，如圖2-1所示。,圖2-1 檢測系統(tǒng)的構成,2. 自動檢測系統(tǒng)的結構形式　　1) 重復（串聯(lián)）結構　　為了提高檢測系統(tǒng)的靈敏度和抗干擾能力，常采用多個基本元件的串聯(lián)（重復）結構形式。例如，用熱電堆檢測溫度時， 基本檢測元件是熱電偶

27、，熱電堆由多個單個熱電偶串聯(lián)而成， 其輸出是各單個熱電偶輸出熱電勢之和。對同一被測溫度， 采用熱電堆比采用單個熱電偶，其輸出電勢提高了若干倍。 由于輸出信號增強了，從而可以使測量電路簡化并提高抗干擾能力。,2) 反饋結構　　這里所說的“反饋”主要是指負反饋在放大器和檢測系統(tǒng)中的應用。將反饋技術引入到檢測技術中，不僅可以提高測量精度，改善檢測系統(tǒng)的性能，而且能使某些用傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)無法解決的問題得以解決?！　〉湫偷姆答佇蜋z測系統(tǒng)如圖2-

28、2所示?？梢钥闯觯答佇蜋z測系統(tǒng)與一般檢測系統(tǒng)的區(qū)別在于，它具有一個由“逆?zhèn)鞲衅鳌睒嫵傻姆答伝芈贰Ｓ砷]環(huán)系統(tǒng)的性質可知，當主回路的放大倍數足夠大時，反饋型檢測系統(tǒng)的特性基本上是由逆?zhèn)鞲衅鞯奶匦运鶝Q定的。,圖2-2 反饋型檢測系統(tǒng),“逆?zhèn)鞲衅鳌笨梢暈閷㈦娏哭D換為被測非電量的傳感器。 反饋型檢測系統(tǒng)中所采用的比較和平衡方式有：力或力矩平衡、 電流平衡、電壓平衡、熱流平衡、溫度平衡等?！　》答佇蜋z測系統(tǒng)的靜態(tài)特性可用下式表示：,(2-1),

29、式中：Kx為傳感器的靜態(tài)傳遞系數；Ku為信號處理部分的靜態(tài)變換系數；KF為逆?zhèn)鞲衅鞯撵o態(tài)傳遞系數。當KxKu足夠大，使KxKu KF>>1 時， 則y≈(1/KF)x。,3) 差動結構　　被測量（或稱影響量）為u2，輸出為y，變換器A輸出為y1，變換器B輸出為y2，總的輸出為y=y1-y2。這就是所謂的差動結構。,圖2-3 差動結構檢測系統(tǒng),采用差動結構的目的是消除或減弱干擾量的影響，同時對有用信號即被測信號的靈敏度要有相

30、應的提高。為此變換器A和B采用對稱結構，均為線性變換器， 則有靜態(tài)關系式：,因為變換器A和B為對稱結構， 故,則,y≈2KAu1,(2-5),4) 掃描結構　　欲對某物體一定面積上的參數進行檢測或對具有一定寬度的運動物體的某參數進行檢測時，要使所采用的傳感器能把被測物體所需檢測的部分全部覆蓋住，這是有困難的，而且會增加設備成本。為解決此問題，通常采用掃描結構檢測，使傳感器在被檢測物體上按直角坐標系作有規(guī)律（即有兩個自由度）的運動，把被

31、測物體上所有應該檢測的位置都檢測到。圖像檢測系統(tǒng)幾乎都采用的是掃描結構形式。,2.3 非電學量電測法的特點　　檢測系統(tǒng)的被測量是表征被測對象的各種物理及化學等現象或過程的量，由于通過傳感器后其通常變換成電學量，因此這種檢測方法也稱為非電學量的電測法。非電學量電測法具有如下特點： （1） 可在極寬的被測量范圍內十分方便地調整整機靈敏度，即具有很寬的幅值域。利用電子技術能把信號放大數萬倍， 因此可測量極微弱的電信號。 （2）

32、 電測儀器具有極小的慣性，即具有相當寬廣的頻域， 因而既能測量緩慢變化的信號，又可測量隨時間作快速變化的信號。,（3） 精度高且便于傳輸，特別是電信號可以用無線電發(fā)射、接收，也可直接傳輸給計算機，對信號進行加工等。 （4） 電測儀器能夠用單元電氣部件來裝配組合成裝置系統(tǒng)或自動系統(tǒng)，這就大大地方便了科研及工業(yè)應用。,第三講 測控系統(tǒng)的感知技術,主要內容,傳感器概述 熱敏傳感器 智能傳感器,傳感器技術所涉及的知識領域非常廣

33、泛，它們的共性是利用物理定律和物質的物理、化學或生物特性，將非電量轉換成電量。,3.1 傳感器概述,傳感器的定義,3.2.1 傳感器的定義與分類,傳感器位于測控系統(tǒng)的輸入端，一般由敏感元件、轉換元件和信號調理電路等部分組成,,,3.1.1 傳感器的定義與分類,傳感器的基本特性 傳感器的基本特性是指傳感器的輸入-輸出特性，一般分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩大類。靜態(tài)特性是當被測對象處于靜態(tài)，即輸入為不隨時間變化的恒定信號時

34、，傳感器輸入與輸出之間呈現的關系。動態(tài)特性是指當輸入量隨時間變化時的輸入－輸出關系。,3.1.2 傳感器的基本特性,1.靜態(tài)特性,,式中：y——輸出量； x——輸入量； a0——零點輸出； a1——理論靈敏度； a2、a3，…，an——非線性項系數,3.1.2 傳感器的基本特性,①量程 ②分辨力③閾值 ④靈

35、敏度⑤重復性 ⑥遲滯⑦線性度 ⑧精度⑨穩(wěn)定性,3.1.2 傳感器的基本特性,衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標,量程 量程又稱滿度值，是指系統(tǒng)能夠承受的最大輸出值與最小輸出值之差。,3.1.2 傳感器的基本特性,,分辨力與閾值 分辨力是指傳感器能夠檢測到的最小輸入增 量。使傳感器產生輸出變化的最小輸入值稱為傳 感器的閾

36、值。,3.1.2 傳感器的基本特性,靈敏度 傳感器輸出變化量與輸入變化量之比為靜態(tài)靈敏度，其表達式為：,3.1.2 傳感器的基本特性,,重復性 重復性表示傳感器在同一工作條件下，被測輸入量按同一方向作全程連續(xù)多次重復測量時，所得特性曲線的不一致程度。,3.1.2 傳感器的基本特性,,,遲滯 遲滯指傳感器輸入沿正向行程和反向行程變化時輸入輸出特性曲線的不一致性。,

37、3.1.2 傳感器的基本特性,,,線性度 為了標定和數據處理方便，通常希望傳感器的輸入輸出呈線性關系。,3.1.2 傳感器的基本特性,,常用的直線擬合方法有：理論擬合、端點連線擬合、最小二乘擬合等。相應的有理論線性度、端點連線線性度、最小二乘線性度等。,3.1.2 傳感器的基本特性,,（a）理論擬合 （b）端點連線擬合 （c）最小二乘擬合,精度 精度是反映傳感器系

38、統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合誤差指標。經常用重復性、遲滯和線性度三項的和或者方和根來表示：,3.1.2 傳感器的基本特性,,穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是指在規(guī)定工作條件下和規(guī)定時間內，傳感器性能保持不變的能力。,3.1.2 傳感器的基本特性,2. 動態(tài)特性 動態(tài)特性反映傳感器感知動態(tài)信號的能力。一般來說，傳感器輸出隨時間變化的規(guī)律應與輸入隨時間變化的規(guī)律相近，否則輸出量就不能反映輸入量。,

39、3.1.2 傳感器的基本特性,動態(tài)特性的數學描述,,,,3.1.2 傳感器的基本特性,典型環(huán)節(jié)的頻率特性,零階傳感器系統(tǒng),K——靜態(tài)靈敏度。,一階傳感器系統(tǒng),,,,,,3.1.2 傳感器的基本特性,,,（a）力學系統(tǒng),3.1.2 傳感器的基本特性,（b）電學系統(tǒng),二階傳感器系統(tǒng),,3.1.2 傳感器的基本特性,,,典型的二階系統(tǒng),,,3.1.2 傳感器的基本特性,時域性能指標 通常在階躍信號作用下測定傳感器動態(tài)特性的時

40、域指標。,,,（a）一階系統(tǒng)（b）二階系統(tǒng),3.1.2 傳感器的基本特性,傳感器的時域性能指標主要有時間常數τ：輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需的時間；上升時間： 輸出值從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時間；響應時間： 輸出值達到穩(wěn)態(tài)值的95%或98%所需的時間。最大超調量σ：在二階系統(tǒng)中，如果輸出量大于穩(wěn)態(tài)值， 則 有超調，最大超調量定義為：,,3.1.2 傳感器的基本特

41、性,頻域性能指標,通常利用傳感器系統(tǒng)對單位幅度正弦信號的響應曲線測定動態(tài)性能的頻域指標。,,,傳感器的頻域性能指標包括通頻帶： 對數幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時所對應 的頻率范圍；工作頻帶：幅值誤差為±5%或±10%時所對應的頻率范 圍；相位誤差：在工作頻帶范圍內相角應小于5°或10°。,3.1.2 傳感器的基本特性,,,,,（a）一階系統(tǒng)幅頻特

42、性和相頻特性,3.1.2 傳感器的基本特性,（b）二階系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性,3.1.2 傳感器的基本特性,熱敏傳感器 熱敏傳感器是科學實驗和生產活動中非常重要的一類傳感器，它是將熱量變化轉換為電學量變化的裝置，用于檢測溫度和熱量。,3.2 熱敏傳感器,熱電阻 大多數金屬熱電阻的阻值隨溫度升高而增大，其特性方程如下：,,Rt ——被測溫度T時熱電阻的電阻值；R0 ——基準溫度T0時的電阻值；

43、a ——熱電阻的電阻溫度系數（1/℃）；T、T0——絕對溫度，單位K。,3.2.1 熱電阻,主要金屬熱電阻傳感器的性能,3.2.1 熱電阻,在熱電阻選型方面，應該主要考慮以下參數1）熱電阻的類別、測溫范圍及允許誤差；2）常溫絕緣電阻：熱電阻常溫絕緣電阻的試驗電壓為直流10~100V，環(huán)境溫度15~35℃，相對濕度不大于80%，大氣 壓力為86~106kPa；鉑熱電阻的常溫絕緣電阻值應不小于100MΩ；銅熱電阻的常溫絕緣電阻

44、值應不小于50MΩ；3）公稱壓力：指在室溫情況下保護管不破裂所能承受的靜態(tài)外壓。允許工作壓力不僅與保護管材質、直徑、壁厚有關，還與其結構形式、安裝方法、置入深度以及被測介質的種類、濃度、流速有關；,3.2.1 熱電阻,4）熱響應時間：指在溫度出現階躍變化時，傳感器的輸出 變化相當于該階躍變化的50%，所需要的時間稱為熱響應 時間。5）最小置入深度：感溫元件長度應不小于其保護管外徑的8~10倍。部分產品為適應安裝條件的限

45、制，長度不符合本 項要求，測量精度相應受到影響；6）尺寸規(guī)格：包括保護管外徑、總長等；7）接線盒形式：分為防水式和防爆式等；8）保護管材料、電氣接口、防護等級、安裝固定形式等；,3.2.1 熱電阻,熱敏電阻是一種半導體溫度傳感器，按溫度特性分為負溫度系數熱敏電阻（NTC）、正溫度系數熱敏電阻（PTC）和在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CTR）。,,Rt ——被測溫度T時熱敏電阻值；R0 ——基準溫度T0

46、時的熱敏電阻值；B ——熱敏電阻的特征常數；T、T0——絕對溫度，單位K。,3.2.2 熱敏電阻,其電阻-溫度特性曲線如圖,,,NTC型熱敏電阻溫度特性 NTC型熱敏電阻伏安特性,3.2.2 熱敏電阻,熱敏電阻值隨溫度變化呈指數規(guī)律，其非線性是十分嚴重的，為使測量系統(tǒng)的輸入輸出呈線性關系，可以采用: （1）串、并聯(lián)補償電阻， （2）利用電路中其他部件的非線性修正 （3）計算機修正等方

47、法。,3.2.2 熱敏電阻,3.3.1 智能傳感器的結構和功能,,智能傳感器的結構,3.3 智能傳感器,3.3 智能傳感器,3.3.1 智能傳感器的功能,1）自補償功能,2）自校準功能,3）自診斷功能,4）數據處理功能,5）雙向通信功能,6）信息存儲和記憶功能,8）除了檢測物理量、化學量的變化，智能傳感器還具有 信號調理（如濾波、放大、A/D轉換等）、數據處理和 數據顯示等能力。,7）數字量輸出功能：輸出數字信號，

48、可方便的同計算機 或接口總線相連。,,智能傳感器硬件結構圖,3.3.2 硬件結構,1.數字濾波,,3.3.3 軟件設計,算術平均濾波 加權遞推平均濾波,,,3.3.3 軟件設計,2.非線性校正,常用的非線性校正方法：查表法、線性插值法、曲線擬合法。,3.溫度補償,,溫度補償原理框圖,3.3.3 軟件設計,測控系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)構成、設計 基于網絡的測控技術 基于機器視覺的測控技術 基于

49、無線通信的測控技術 基于雷達的測控技術 基于虛擬儀器的測控技術,第四講 現代測控技術概述,4.1 測控技術在自動化中的應用,傳感器從傳統(tǒng)的壓力、溫度、流量和液位四大熱工量的測量發(fā)展到目前具有光、電、磁、力及生物信息的感知，光纖、光柵等光敏傳感器，DNA、免疫等生物信息傳感器，超聲波等聲敏傳感器，可燃性氣體、氧氣、電子鼻等氣敏傳感器，可見光、紅外光等圖像傳感器等。,現代測控技術的發(fā)展,4.1 測控技術在自動化中的應用,控

50、制器從早期的單片機、PLC、個人計算機發(fā)展到工控機和嵌入式機，嵌入式計算機與測控儀器設備日漸趨同，具有全局意義上的相通性；軟件技術發(fā)展為測控系統(tǒng)的網絡化、遠程控制提供可靠的技術支持。,現代測控技術的發(fā)展,4.1 測控技術在自動化中的應用,工業(yè)：電力、石化、冶金、醫(yī)藥等國防：現代武器系統(tǒng)——高炮雷達探測系統(tǒng)、激光測距儀、預警雷達和預警機 航天：導彈、火箭、衛(wèi)星——衛(wèi)星工程包括衛(wèi)星系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和應用系統(tǒng)五大

51、分系統(tǒng)；載人航天工程包括載人航天器系統(tǒng)、航天員系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、著陸場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和應用系統(tǒng)七大分系統(tǒng),現代測控技術的應用,4.1 測控技術在自動化中的應用,測控設備軟件化：軟測量 測控過程智能化：計算機 高度的靈活性：軟件 較強的實時性：在線，主頻的快速提升 可視性：可視化圖形編程 測控管一體化：企業(yè)信息化 立體化：全球衛(wèi)星定位、無線通信、雷達探測,,現代測控系統(tǒng)的特點,4.2 現代測控系統(tǒng)的結構與

52、設計,基于DAQ體系的結構模型,現代測控系統(tǒng)的結構模型,4.2 現代測控系統(tǒng)的結構與設計,基于網絡的測控系統(tǒng)模型：基于現場總線,4.2 現代測控系統(tǒng)的結構與設計,2. 基于網絡的測控系統(tǒng)模型：基于Internet,4.2 現代測控系統(tǒng)的結構與設計,2. 基于網絡的測控系統(tǒng)模型：測控管一體化模型,4.2 現代測控系統(tǒng)的結構與設計,現代測控系統(tǒng)的設計方法硬件設計： 約束條件：對象方面主要考慮其大小、形狀、距離、環(huán)境、物理量

53、、用途等；測控系統(tǒng)需求方面主要考慮功能、反應速度、可靠性、測控精度等因素。此外還需考慮研制成本、產品成本以及開發(fā)周期。 系統(tǒng)模塊設計技術：測控系統(tǒng)電路設計一般采用CPLD、FPGA、DSP等高集成度器件技術，主要以PC商用機和基于PC104工控機為主；低功耗器件，對降低功耗與抗干擾有積極意義；采用通用化、標準化硬件電路；軟測量技術；采用動態(tài)鏈接庫。,4.2 現代測控系統(tǒng)的結構與設計,系統(tǒng)設計技術：選用標準總線和通用模塊單元，如

54、程控儀器、數控設備、現場總線儀表和虛擬儀器板卡等；采用軟件組態(tài)開發(fā)平臺進行開發(fā)，如可視化開發(fā)工具、通用軟件包（LabVIEW、LabWindows/CVI、Intouch、組態(tài)王等）；采用開放性技術實現可擴展性設計。,4.2 現代測控系統(tǒng)的結構與設計,軟件設計應用軟件主要包括檢測程序、控制程序、數據處理程序、數據庫管理程序、系統(tǒng)界面程序等。設計時應在程序運行速度和存儲容量許可的情況下，盡量用軟件實現傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)的硬件功能；信號處理和

55、數據處理主要包括量程轉換、誤差分析、插值、數字濾波、FFT變換、數據融合等技術；界面是測控系統(tǒng)和虛擬儀器的“窗口”，設計美觀，達到虛擬現實的效果。,4.2 現代測控系統(tǒng)的結構與設計,網絡互聯(lián)規(guī)范統(tǒng)一的電氣規(guī)格：輸入輸出信號線的定義、信號的傳輸方式、信號的傳輸速度、信號的邏輯電平、信號線的輸入阻抗與驅動能力等統(tǒng)一的機械特性：接插件的結構形式、尺寸大小、引腳定義、數目等統(tǒng)一的編碼格式協(xié)議：各網絡設備的輸入輸出數據應符合統(tǒng)一的編碼格式

56、和協(xié)議（總線協(xié)議）統(tǒng)一的指令系統(tǒng),4.2 現代測控系統(tǒng)的結構與設計,抗干擾設計誤差修正（修正、濾波、補償） ：數據處理技術：采用圖像處理、小波變換、神經網絡等各種智能先進算法進行數據補償技術,,4.2 現代測控系統(tǒng)的結構與設計,電路抗干擾技術 ：電磁兼容性：噪聲對正常信號的干擾主要通過三種途徑，即靜電耦合、電磁耦合和公共阻抗耦合,采用不同的措施解決。屏蔽：隔離屏蔽的方法是將有關電路、元器件和設備等安裝在銅、鋁等低電阻材

57、料或磁性材料制成的屏蔽物內，不使電場和磁場穿透這些屏蔽物，一般可分為靜電屏蔽、低頻磁場屏蔽和電磁屏蔽。隔離：主要包括物理性隔離、光電隔離、脈沖變壓器隔離、模/數變換隔離和運算放大器隔離等。,4.2 現代測控系統(tǒng)的結構與設計,接地：能消除各電流流經一個公共地線阻抗產生的噪聲，避免形成回路，有保護接地、屏蔽接地和信號接地等。濾波：濾波器可以抑制交流電源線上輸入的干擾及信號傳輸線上感應的各種干擾，常用的濾波器件有電感、電容、電阻及壓敏電

58、阻等。布線：電路系統(tǒng)是由多個部分構成的，各部分在電路板上的安排和布線連接與電路的抗干擾性能有密切關系。,4.2 現代測控系統(tǒng)的結構與設計,電路負載：電路負載對于電路的抗干擾性能也有一定的關系?，F代測控系統(tǒng)除系統(tǒng)自身的干擾外，應著重考慮電器設備放電干擾和設備接通與斷開引起電壓或電流急變帶來的干擾。而對于野外使用的現代測控系統(tǒng)，抗干擾設計的重點是大氣放電、大氣輻射和宇宙干擾等自然干擾。對基于計算機視覺的測控系統(tǒng)來說，抗干擾的重點在于遏

59、制自然光源干擾，也就是在CCD圖像采集處設置前光源和背景光源，注意光源的范圍、強弱等。特別要注意被測物是否存在高光反射因素。,4.3 現代測控技術的分類,基于網絡的測控技術充分利用Internet設施建立網絡化測控系統(tǒng)，降低組建系統(tǒng)費用，實現測試設備和測試信息的共享?，F場傳感器測得被測對象的數據信息后，通過網絡傳輸給異地的精密測試儀器或高檔微機化儀器去分析處理，提高了貴重和復雜設備的利用率。遠程監(jiān)控實驗過程和實驗數據，節(jié)約人力物力。

60、,1.3 現代測控技術的分類,基于機器視覺的測控技術人類通過視覺從客觀世界獲取的信息占全部感觀信息的70%以上，圖像傳感器的出現與發(fā)展，猶如給測控系統(tǒng)安裝了視覺器官，CCD、CMOS攝像機、紅外攝像儀等，通過圖像測量、圖像處理、圖像識別、圖像信息融合以及機器視覺等在內的各種圖像處理技術，實現幾何量測量、精密零件微尺寸測量和外觀檢測、目標分類與識別、光波干涉圖以及衛(wèi)星遙感等各種與圖像有關的測控任務。,4.3 現代測控技術的分類,基于

61、無線通信的測控技術對于工作點多、通信距離遠、環(huán)境惡劣且實時性和可靠性要求比較高的遠程測控場合，可以利用無線電波來實現主控站與各個子站之間的數據通信。減少復雜連線，無需鋪設電纜或光纜，降低成本。如小區(qū)的智能保安系統(tǒng)、油井遠程監(jiān)測系統(tǒng)、航空航天技術中的無線跟蹤測軌、遙測和遙控系統(tǒng)。,4.3 現代測控技術的分類,基于無線通信的測控技術,,4.3 現代測控技術的分類,基于雷達的測控技術雷達是利用目標對電磁波的反射來發(fā)現目標并測定目標位置

62、。飛機、導彈、衛(wèi)星、車輛、兵器以及建筑物、云雨等都可能成為雷達的探測目標。雷達從目標回波中獲取目標的距離、方位角、俯仰角以及目標的運行速度等信息，從而實現目標跟蹤測控。,4.3 現代測控技術的分類,,雷達探測原理,4.3 現代測控技術的分類,基于虛擬儀器的測控技術虛擬儀器的出現，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無法改變的工作模式。用戶可以在通用計算機平臺上，根據測控任務需求定義和設計測控儀器系統(tǒng)的測控功能，在測控系統(tǒng)和儀器設計中以軟

63、件代替硬件，充分利用計算機技術實現和擴展傳統(tǒng)測控儀器功能。虛擬儀器測控系統(tǒng)由硬件設備、設備驅動程序和應用軟件三部分組成。以LabVIEW為例，功能特點：數據采集、通信控制、數據分析、系統(tǒng)界面。,4.3 現代測控技術的分類,基于虛擬儀器的測控技術,4.4 現代測控技術與系統(tǒng)發(fā)展方向,小型化與微型化敏感元件采用MEMS、半導體材料取代金屬為特征的現代傳感器技術。由傳感器、調制電路、微處理器組成的智能傳感器系統(tǒng)已由多片集成系統(tǒng)發(fā)展到在單

64、片芯片上實現。由MEMS技術結合半導體工藝甚至納米技術制作的現代傳感器系統(tǒng)，正帶領測控系統(tǒng)走向小型化和微型化。,4.4 現代測控技術與系統(tǒng)發(fā)展方向,網絡化將智能檢測和控制系統(tǒng)接入計算機網絡，以各種總線為代表的網絡化測控系統(tǒng)迅猛發(fā)展。降低系統(tǒng)成本，實現遠距離測控和資源共享，實現測控設備的遠距離診斷與維護。,4.4 現代測控技術與系統(tǒng)發(fā)展方向,虛擬化虛擬儀器是利用現有的微型計算機，加上特殊設計的測控硬件和專用軟件，形成既有普通測控儀

65、器系統(tǒng)的基本功能，又有傳統(tǒng)測控儀器所沒有的特殊功能的新型計算機測控儀器系統(tǒng)。,4.4 現代測控技術與系統(tǒng)發(fā)展方向,智能化神經網絡、模糊邏輯、遺傳算法、專家系統(tǒng)、仿人智能、粗糙集理論、模式識別、分形系統(tǒng)、混沌理論以及數據融合技術等，都將使現代測控技術與系統(tǒng)的智能化提升到一個全新的境界。,4.4 現代測控技術與系統(tǒng)發(fā)展方向,空間化與大型化隨著載人航天技術的高速發(fā)展，天地測控成為現代最為先進、最為復雜和最引人入勝的測控課題。美國用于地

66、球軌道航天計劃的航天跟蹤與數據測控網，用于月球與行星探測的深空探測網。我國也先后建成了超短波近地衛(wèi)星測控網、C頻段衛(wèi)星測控網和S頻段航天測控網，可為中低軌道、地球同步軌道等多種航天器提供遠程測控支持。,參考書目現代測控技術與系統(tǒng)，韓九強等編，清華大學出版社，2007.10,全國大學生電子設計競賽著重考核以下各方面的能力：創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神知識面和知識綜合運用系統(tǒng)設計和構架對電路、集成電路、器件的熟悉程度電路設計、制作、搭試

67、、調試、測試熟練運用各種儀器儀表、軟件工具、開發(fā)調試環(huán)境測試方法、數據處理、結果分析,參賽需掌握的基本知識、技術、技能常用儀器儀表的使用、系統(tǒng)結構、工作原理分析與特殊應用數據測試技術與方法頻譜儀（外差式）模擬示波器數字存儲示波器邏輯分析儀頻率計相位計失真度儀,EDA軟件應用MatlabMultisimLabviewMax plusII/Quartus IIFoundation/ISE在系統(tǒng)編程技術應用與

68、技巧　運算放大器應用脈沖放大器功率放大器寬帶放大器可控增益放大器，AGC微弱信號放大器直流放大器濾波器、阻波器,信號源高頻信號源DDS合成信號源任意波發(fā)生器壓控信號源脈沖信號源鋸齒波、階梯波信號頻率、相位、幅度的調節(jié),傳感器與檢測技術傳感器應用，信號調理，數據采集溫度測試電磁場測試紅外測試（熱釋）金屬探測超聲波探測障礙測試，自動尋蹤壓力、速度、加速度、位移量測試,通信技術調制與解調技術信