化工測量及儀表第9章課件

第9章

日新月異的測量技術(shù)及應(yīng)用

化學(xué)工業(yè)出版社近十年來，測量技術(shù)日新月異，測量領(lǐng)域和范圍在不斷地拓寬，測量新思維也在不斷涌現(xiàn)。隨著Internet的出現(xiàn)并非常迅速地滲透到人們生活的各個領(lǐng)域，這為測量與儀表技術(shù)帶來了新的應(yīng)用空間和機(jī)遇。本章將簡要介紹紅外傳感器原理與應(yīng)用、仿生測量技術(shù)、一體化測量技術(shù)、軟測量技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)化儀表與網(wǎng)絡(luò)化傳感器等數(shù)方面的內(nèi)容。第9章目錄9.1紅外傳感器原理與應(yīng)用9.2仿生測量技術(shù)9.3一體化測量技術(shù)9.4軟測量技術(shù)9.5網(wǎng)絡(luò)化儀表與網(wǎng)絡(luò)化傳感器2.紅外傳感器原理與結(jié)構(gòu)紅外傳感器是一種能探測紅外線的器件，能把紅外輻射量變化轉(zhuǎn)換成電量變化。按其工作原理可分為熱電型和光電型紅外傳感器。3.紅外傳感器的應(yīng)用紅外傳感器應(yīng)用越來越廣泛，它可以用于非接觸式的溫度測量、氣體成分分析、無損探傷、熱像檢測、紅外遙感及軍事目標(biāo)的偵察、搜索、跟蹤和通信等。下面就列舉紅外傳感器的幾個應(yīng)用。（1）人體感應(yīng)（檢測）以陶瓷材料作為檢測元件的熱電型紅外傳感器，其性能穩(wěn)定，價格非常便宜，在常溫下可檢測1~20μm寬波長范圍的紅外線。因而在自動門等等開關(guān)電路中，被有效地用作檢測人體的傳感器。人感應(yīng)自動門、人感應(yīng)自動燈、人感應(yīng)自動水閥門等等

（2）紅外熱輻射高溫計紅外高溫計中使用了熱電型紅外傳感器。可對用熱電阻、熱電偶難以測量的高達(dá)數(shù)千度的高溫進(jìn)行非接觸性測量，最高達(dá)3200℃。并可在不擾亂被測物表面溫度的情況下測量溫度。當(dāng)被測物處在移動或旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，非接觸測量法更為有效。（4）紅外報警器（生命探測器）報警器使用的傳感器可以是利用強(qiáng)介電體鉭酸鋰單晶熱電效應(yīng)的熱電型紅外傳感器，這種傳感器隨被測物體所輻射的紅外輻射量的變化而產(chǎn)生輸出，故當(dāng)被測物體進(jìn)入傳感器視野和離開傳感器視野范圍時，就會產(chǎn)生信號輸出。它用于防盜、報警、來客告之以及野外生命探測非接觸探測等設(shè)備中。a.紅外偵察在戰(zhàn)爭中，為了掌握敵方的情況，可利用紅外技術(shù)作各種偵察活動。如觀察敵方的行蹤，查明敵方地面軍事設(shè)施或搜索發(fā)現(xiàn)敵人、敵機(jī)等b.紅外雷達(dá)紅外雷達(dá)具有搜索、跟蹤、測距等多種功能，一般采用被動式探測系統(tǒng)。紅外雷達(dá)包括搜索裝置、跟蹤裝置、測距裝置以及數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)等。1.位置覺傳感器位置覺傳感器又稱為計算機(jī)視覺，主要檢測被敏感對象的明暗度、位置、運動方向、形狀特征等。2.人工視網(wǎng)膜人的視網(wǎng)膜分為幾層，其中一層帶有感光體，有兩種感光細(xì)胞，即視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞。這些感光細(xì)胞把攝入的光轉(zhuǎn)變成電信號，通過視網(wǎng)膜傳遞到神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。3．聽覺傳感器具有語音識別功能的傳感器稱為聽覺傳感器。聽覺傳感器是人工智能裝置。包括聲音檢測轉(zhuǎn)換和語音信息處理兩部分。它能使機(jī)器人實現(xiàn)“人-機(jī)”通話，賦予機(jī)器人這些智慧的技術(shù)稱為語音處理系統(tǒng)?！叭斯ざ仭庇址Q為電子耳蝸，是目前唯一使全聾患者恢復(fù)聽覺的裝置，參見圖9-2-1。人工耳蝸的研制始于美國和法國。近年來，隨著電子信息高新技術(shù)的飛速發(fā)展，我國人工耳蝸研究也有了很大的進(jìn)展。4.觸覺傳感器觸覺傳感器是模仿人的皮膚觸覺功能的傳感器。用來感知被接觸物體的特性以及傳感器接觸對象物體后自身的狀況，例如是否握牢對象物體和對象物體在傳感器停步位等。觸覺傳感器還能感知物體表面特征和物理性能，如柔軟性、彈性、硬度、粗糙度、材質(zhì)等。觸須傳感器新的觸須傳感器基于了同樣的工作原理，參見圖9-2-5觸須傳感器。即人工觸須根部由于物體接觸所產(chǎn)生的微小位移，以此來判斷接觸物的位置、輪廓。傳統(tǒng)的用三種傳感器分別測量的方法，即使傳感器精度很高，仍難以達(dá)到理想的測試結(jié)果。因為首先三種傳感器在安裝上必然存在位置差別，所測出的壓力、流量、溫度實際上并不是同一測量點的數(shù)值，距離測試模型的同點、同時、實時測量有很大差距。其次，三種傳感器的分別接入系統(tǒng)，在接入過程中會引起過多泄漏，或相互干擾，從而影響測試的準(zhǔn)確性，同時也增加了測試的復(fù)雜性。為了克服上述確定，就需要一種將三種傳感器三位一體集成的設(shè)計思想，即在同一傳感器主體上同時構(gòu)造三個傳感器，使三個參數(shù)的實測值集中在一點。這就是一體化測量技術(shù)的本質(zhì)。2一體化傳感器結(jié)構(gòu)模式若干種敏感元件組成的多功能傳感器則是一種體積小巧而多種功能兼?zhèn)涞男乱淮綔y系統(tǒng)，它可以借助于敏感元件中不同的物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)物質(zhì)及其各不相同的表征方式，用單獨一個傳感器系統(tǒng)來同時實現(xiàn)多種傳感器的功能。隨著傳感器技術(shù)和微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，目前已經(jīng)可以生產(chǎn)出來將若干種敏感元件綜裝在同一種材料或單獨一塊芯片上的一體化多功能傳感器。本例提出的在流量傳感器的主體上同時安裝三種傳感器，既方便了測量，又簡化了系統(tǒng)。三位一體傳感器的設(shè)計和應(yīng)用，極大地提高了測試的可靠性和準(zhǔn)確性。這種新型的液壓系統(tǒng)檢測儀，最后在單片機(jī)智能系統(tǒng)的監(jiān)控下，能在液壓系統(tǒng)的同一部位同時動態(tài)測出流量、壓力、溫度、功率四個重要的參數(shù)，為液壓系統(tǒng)測試分析和故障診斷開辟了一個新方法?？傊惑w化傳感器無疑是當(dāng)前傳感器技術(shù)發(fā)展中一個全新的研究方向。本章結(jié)束2.軟測量技術(shù)的核心軟測量就是選擇與被估計變量相關(guān)的一組可測變量，構(gòu)造某種以可測變量為輸入、被估變量為輸出的數(shù)學(xué)模型，用計算機(jī)軟件實現(xiàn)重要過程變量的估計。這類數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的計算機(jī)軟件也稱為“軟儀表”。圖9-4-1為軟測量的基本框架。軟測量的基本框架3軟測量技術(shù)的實現(xiàn)步驟(1)輔助變量的選擇(2)變量數(shù)目的選擇(3)檢測點位置的選擇(4)測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理5.軟儀表的在線校正工業(yè)實際裝置在運行過程中，隨著操作條件的變化。其過程對象特性和工作點不可避免地要發(fā)生變化和漂移，因此在軟儀表的應(yīng)用過程中，必須對軟測量模型進(jìn)行在線校正才能適應(yīng)新的工況。6軟測量技術(shù)的應(yīng)用隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)過程的日益復(fù)雜，為了確保生產(chǎn)裝置安全、高效地運行，需要對和系統(tǒng)穩(wěn)定及產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)的重要過程變量進(jìn)行實時優(yōu)化控制，這一切還是相當(dāng)不容易的。精餾塔產(chǎn)品質(zhì)量控制就是一個典型的例子。為了解決此類過程的控制問題，以前往往采用以下幾種方法：第一種方法是質(zhì)量開環(huán)控制，但此方法難以保證產(chǎn)品質(zhì)量，在實際操作中，往往只能采用過度提純的操作方式滿足其質(zhì)量指標(biāo)；第二種方法是采用間接質(zhì)量指標(biāo)閉環(huán)控制，如精餾塔靈敏板溫度控制，溫差控制等，但此方法有時也不能很好地保證質(zhì)量指標(biāo)的控制精度；第三種方法是采用在線工業(yè)色譜儀，但由于其設(shè)備投資較大、維護(hù)成本高、可靠性差、和測量滯后時間長等缺點，在線控制的質(zhì)量往往達(dá)不到要求。為了解決上述復(fù)雜的精餾塔質(zhì)量測量控制問題，軟測量技術(shù)正顯示出它的過人之處。軟測量技術(shù)本身也是在不斷解決眾多復(fù)雜的測量控制問題中發(fā)展起來的。軟測量技術(shù)主要依據(jù)對可測易測過程變量（稱為輔助變量如壓力、溫度等與難以直接測量的待測過程變量（稱為主導(dǎo)變量，如產(chǎn)品分布、物料成分）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系的認(rèn)識，采用各種先進(jìn)計算方法，用計算機(jī)軟件實現(xiàn)對待測變量的估計。用軟測量技術(shù)解決復(fù)雜的控制問題將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方法。9.5網(wǎng)絡(luò)化儀表及網(wǎng)絡(luò)化傳感器

第一部分網(wǎng)絡(luò)化儀表第二部分網(wǎng)絡(luò)化傳感器

第一部分網(wǎng)絡(luò)化儀表

1.產(chǎn)生背景由于計算機(jī)微電子等技術(shù)的迅猛發(fā)展，測量技術(shù)與儀器儀表的研制也在不斷取得進(jìn)步和發(fā)展，相繼誕生了智能儀器、PC儀器、虛擬儀器及互換性虛擬儀器等計算機(jī)自動測量系統(tǒng)。由于測量領(lǐng)域和范圍在不斷地拓寬，計算機(jī)與現(xiàn)代儀器設(shè)備間的界限也日漸模糊，現(xiàn)今更有計算機(jī)就是儀器的說法。而近年來隨著Internet的出現(xiàn)并異常迅速地滲透到人們工作、生活的各個方面，這為測量與儀表技術(shù)帶來了新的發(fā)展空間和機(jī)遇。網(wǎng)絡(luò)化測量技術(shù)與具備網(wǎng)絡(luò)功能的新型儀器應(yīng)運而生。網(wǎng)絡(luò)化儀器可以把信息系統(tǒng)與測量系統(tǒng)通過Internet連接起來實現(xiàn)資源共享，能高效地完成各種復(fù)雜艱巨的測量控制任務(wù)，從而促進(jìn)了現(xiàn)代測量技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)化儀器測量的方向發(fā)展。2．網(wǎng)絡(luò)化儀器的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)總線技術(shù)的不斷進(jìn)步，再加上測控任務(wù)的復(fù)雜化以及遠(yuǎn)程監(jiān)測任務(wù)等迫切需求，促進(jìn)了測控儀器向網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。所以網(wǎng)絡(luò)化儀器在智能交通、樓宇信息化、工業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測、遠(yuǎn)程醫(yī)療、石油化工以及電站等眾多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。3.網(wǎng)絡(luò)化儀表的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場總線使數(shù)字通信總線一直延伸到現(xiàn)場儀表，使許多現(xiàn)場儀表可通過一條總線進(jìn)行雙向多信息數(shù)字通信，從而取代傳統(tǒng)使用的4~20mA模擬傳輸方式。這樣通過現(xiàn)場總線組成網(wǎng)絡(luò)化儀表測控系統(tǒng)如圖9-5-1所示?，F(xiàn)場總線種類繁多，圖9-5-1所示的結(jié)構(gòu)，具有一定的代表性。4．突出的優(yōu)點與傳統(tǒng)測控儀表相比，基于現(xiàn)場總線的儀表單元具有如下優(yōu)點：(1)徹底網(wǎng)絡(luò)化從最底層的傳感器和執(zhí)行器到上層的監(jiān)控／管理系統(tǒng)，均通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)，同時還可進(jìn)一步通過上層監(jiān)控／管理系統(tǒng)連接到企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)甚至Internet。(2)一對N結(jié)構(gòu)一對傳輸線，N臺儀表單元，雙向傳輸多個信號，接線簡單，工程周期短，安裝費用低，維護(hù)容易，徹底拋棄了傳統(tǒng)儀表一臺儀器、一對傳輸線只能單向傳輸一個信號的缺陷。第二部分網(wǎng)絡(luò)化傳感器

1．概述傳統(tǒng)的傳感器只具有信號采集功能。它只能輸出模擬信號，不具備信號的數(shù)字化和信號處理功能。智能傳感器是傳感器與微型計算機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。它把微型計算機(jī)芯片與傳感器集成，使傳感器兼具信號檢測、信號處理與編程控制的功能。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器即在智能傳感技術(shù)上融合通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，使傳感器具備自檢、自校、自診斷及網(wǎng)絡(luò)通信功能，從而實現(xiàn)信息的“采集”、“傳輸”和“處理”，真正成為統(tǒng)一協(xié)調(diào)的一種新型智能傳感器。2．網(wǎng)絡(luò)化傳感器的特點(1)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點檢測發(fā)展；從“被動”檢測向“主動”進(jìn)行信息處理方向發(fā)展；從就地測量向遠(yuǎn)距離實時在線測控發(fā)展。(2)網(wǎng)絡(luò)化使得傳感器可以就近接入網(wǎng)絡(luò)，傳感器與測控設(shè)備間再無需點對點連接，傳感器可通過總線串在一起，幾十個傳感器只用一根3芯線。大大減少了現(xiàn)場線纜，方便現(xiàn)場布線。節(jié)省投資，易于系統(tǒng)維護(hù)，也使系統(tǒng)易于更擴(kuò)充3.網(wǎng)絡(luò)化傳感器的基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器一般由信號采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元組成。這三個單元可以是采用不同芯片構(gòu)成“合成式”的，也可能是單片式結(jié)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)如圖9-5-24.網(wǎng)絡(luò)化傳感器應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化傳感器已應(yīng)用在對江河的水文監(jiān)測中，從源頭到入?？?，在關(guān)鍵測控點用傳感器對水位、流量、雨量進(jìn)行實時在線監(jiān)測。網(wǎng)絡(luò)化傳感器就近登臨網(wǎng)絡(luò)，組成分布式流域網(wǎng)絡(luò)化水文監(jiān)控系統(tǒng)，對全流域及其動向進(jìn)行在線監(jiān)控。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推廣與普及，網(wǎng)絡(luò)化傳感器必將得到更廣泛的應(yīng)用。本章結(jié)束語

本章簡要介紹了紅外傳感器原理與應(yīng)用、仿生測量技術(shù)、一體化測量技術(shù)、軟測量技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)化儀表與網(wǎng)絡(luò)化傳感器等方面的內(nèi)容。其實除了