現(xiàn)代檢測技術(shù)及其應(yīng)用

現(xiàn)代檢測技術(shù)及其應(yīng)用第1頁/共121頁2023/4/182檢測儀表在控制系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用舉例

一個現(xiàn)代化火力發(fā)電廠需要多臺計算機來快速地測量鍋爐、汽輪機、發(fā)電機上許多重要部位的溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、振動、位移、應(yīng)力、燃燒狀況等熱工、機械參數(shù)，還必須測量發(fā)電機的電壓、電流、功率、功率因數(shù)以及各種輔機的運行狀態(tài)，然后進行綜合處理，將各被監(jiān)測的重要參數(shù)進行數(shù)字或模擬顯示，自動調(diào)整運行工況，對某些超限參數(shù)進行聲光報警或采取緊急措施。在上述這個系統(tǒng)中，需要數(shù)百個不同的傳感器將各種機械、熱工量轉(zhuǎn)換成電量，供計算機采樣和運算。

第2頁/共121頁2023/4/183現(xiàn)代化火力發(fā)電廠及其控制系統(tǒng)火力發(fā)電廠控制室火力發(fā)電廠機組汽輪機發(fā)電機勵磁機第3頁/共121頁2023/4/18410.1智能檢測與虛擬儀器１.智能儀器２.自動測試系統(tǒng)３.虛擬儀器1.智能儀器：將諸如微處理器、存儲器、接口等芯片與傳感器融合在一起，可組成智能儀器。它有專用的小鍵盤、開關(guān)、按鍵及顯示屏等，多使用匯編語言，體積小，專用性強。第4頁/共121頁2023/4/185

所謂智能儀器是用以形容新的一代測量儀器．這類儀器儀表中含有微處理器、單片計算機或體積很小的微型機，有時亦稱為內(nèi)含微處理器的儀器或基于微型機的儀器。這類儀器，因為功能豐富又很靈巧，國外書刊中常簡稱為智能儀器。第5頁/共121頁2023/4/186各種智能儀器

最低、最高溫度智能儀器的芯片及模塊51系列單片機芯片第6頁/共121頁2023/4/187

智能儀器的特點（1）具有自動校準的功能；（2）具有強大的數(shù)據(jù)處理能力；（3）具有量程自動切換的功能；（4）具有操作面板和顯示器；（5）具有修正誤差的能力；（6）有簡單的報警功能。第7頁/共121頁2023/4/188自動測試系統(tǒng)一般由四部分組成：第一是微機或微處理器，它是整個系統(tǒng)的核心；第二是被控制的測量儀器或設(shè)備，稱為可程控儀器；第三是接口(接口的主要任務(wù)是在下列方面提供儀器與計算機連接需要的兼容)

；第四是軟件。2自動測試系統(tǒng)

定義：通常把以計算機為核心，在程控指令的指揮下，能自動完成某種測試任務(wù)而組合起來的測量儀器和其它設(shè)備的有機整體稱為自動測試系統(tǒng)，簡稱ATS(AutomaticTestSystem)。第8頁/共121頁2023/4/189

自動測試技術(shù)源于70年代，發(fā)展至今．大致可分為三代，其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)也有較大的不同。第一代自動測試系統(tǒng)第一代自動測試系統(tǒng)多為專用系統(tǒng)，通常是針對某項具體任務(wù)而設(shè)計的。其結(jié)構(gòu)特點是采用比較簡單的定時器或掃描器作為控制器，其接口也是專用的。因此，第一代測試系統(tǒng)通用性比較差。自動測試系統(tǒng)發(fā)展歷程第9頁/共121頁2023/4/1810第二代自動測試系統(tǒng)第二代自動測試系統(tǒng)典型方塊圖如圖所示。與第一代自動測試系統(tǒng)的主要不同在于：采用了標(biāo)準化的通用可程控測量儀器接口總線(IEEE488)及可程序控制的儀器和測控計算機(控制器)，從而使得自動測試系統(tǒng)的設(shè)計、使用和組裝都比較容易。第10頁/共121頁2023/4/1811第三代自動測試系統(tǒng)第二代自動測試系統(tǒng)雖然比人工測試顯示出前所未有的優(yōu)越性，但是在這些系統(tǒng)中，電子計算機并沒有充分發(fā)揮作用，系統(tǒng)中仍是使用傳統(tǒng)的測試設(shè)備(只不過是配備了新的標(biāo)準接口)，整個系統(tǒng)的工作過程基本上還是對傳統(tǒng)人工測試的模擬。于是出現(xiàn)了虛擬儀器。第11頁/共121頁2023/4/1812虛擬儀器（VirtualInstrument簡稱VI）是計算機技術(shù)同儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的全新概念的儀器，是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，是儀器領(lǐng)域內(nèi)的一次革命。虛擬儀器是繼第一代儀器——模擬式儀表、第二代儀器——分立元件式儀表、第三代儀器——數(shù)字式儀表、第四代儀器——智能化儀器之后的新一代儀器。3虛擬儀器第12頁/共121頁2023/4/18131）虛擬儀器的基本概念

（1）定義傳統(tǒng)儀器：特定功能和儀器外觀。虛擬儀器（VI，VirtualInstrumentation）：是一種以計算機和測試模塊的硬件為基礎(chǔ)、以計算機軟件為核心所構(gòu)成的，并且在計算機顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及由計算機所完成的儀器功能，都可由用戶軟件來定義的計算機儀器。

第13頁/共121頁2023/4/1814如：虛擬示波器第14頁/共121頁2023/4/1815虛擬數(shù)字電壓表基于虛擬儀器的溫度檢測與控制第15頁/共121頁2023/4/1816（2）虛擬儀器的特點從虛擬儀器的組成結(jié)構(gòu)上來看：1）虛擬儀器的硬件是通用的（包括通用計算機硬件平臺和通用的測量功能硬件）；2）良好的人機界面。虛擬儀器的面板（或稱軟面板）是虛擬的（通過“控件”虛擬出面板）；3）功能強。虛擬儀器的功能是由用戶軟件定義的。第16頁/共121頁2023/4/18174）虛擬儀器之“虛擬”含義：虛擬儀器面板；軟件實現(xiàn)儀器功能。如：基于高速數(shù)據(jù)采集硬件，通過計算機軟件編程可實現(xiàn)“虛擬示波器”、“虛擬頻譜儀”、“虛擬交流數(shù)字電壓表”、“虛擬頻率計”、“虛擬相位計”等不同儀器。5）因此，軟件是虛擬儀器的核心，NI提出“軟件即儀器”（Thesoftwareistheinstrument）。第17頁/共121頁2023/4/1818與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術(shù)特點：（1）功能強、性價比高、開放性（可擴充性）好；充分利用計算機豐富的軟硬資源。儀器功能可通過軟件靈活設(shè)計（基于相同的硬件，通過軟件設(shè)計可實現(xiàn)不同的虛擬儀器）。儀器升級方便，性價比高（一機多用）?；谟嬎銠C網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器”。（2）操作方便；通過圖形用戶界面（GUI）操作虛擬儀器面板。（3）硬件模塊化、系列化；基于儀器總線技術(shù)，設(shè)計出模塊化、系列化硬件。第18頁/共121頁2023/4/1819比較內(nèi)容虛擬儀器

傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)構(gòu)成軟件和通用硬件。軟件是關(guān)鍵

專用硬件系統(tǒng)開發(fā)周期開發(fā)時間短、技術(shù)要求低、系統(tǒng)通用性強開發(fā)時間長、技術(shù)要求高、系統(tǒng)功能較專一開發(fā)費用軟件使得開發(fā)和維護費用降至最低開發(fā)與維修開銷高技術(shù)更新周期短（1~2年）長（5~10年）價格價格低、可復(fù)用與可重配置性強價格昂貴功能可塑性用戶定義儀器功能，柔性廠商定義儀器功能，剛性系統(tǒng)開放性開放、靈活，與計算機技術(shù)同步發(fā)展封閉、固定構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)能力易與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互連功能單一的獨立設(shè)備人機交互無限的顯示選項、界面友好有限的顯示選項虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較：第19頁/共121頁2023/4/18202）虛擬儀器的形成和發(fā)展1.虛擬儀器形成的背景（1）電子測量儀器(ElectronicInstruments)及自動測試系統(tǒng)(AutomaticTestSystem,ATS)的發(fā)展第20頁/共121頁2023/4/1821（2）儀器與自動測試系統(tǒng)總線技術(shù)總線（bus）：信號或信息傳輸?shù)墓猜窂健Ｆ瑑?nèi)總線：微處理器芯片內(nèi)連接內(nèi)部各邏輯單元；片間總線：元件級總線（如典型的微機“三總線結(jié)構(gòu)”）。還有串行總線，如：Motorola的SPI（SerialPeripheralInterface，串行外圍接口）、Philips的I2C（InterICbus，片間總線）、NS的MicroWire（串行同步雙工通信接口）等。內(nèi)總線：板級總線。如個人計算機的PC/XT、PC/AT、ISA、EISA、MCA、PCI，及工業(yè)控制的STD、VME、CompatPCI，儀器與測量系統(tǒng)的CAMAC、VXI、PXI等。外總線：外部通信總線。如RS-232/485、USB、IEEE1394、EPP、SCSI；現(xiàn)場總線CAN、LONworks、FF；儀器與測量系統(tǒng)的GPIB、CAMAC、HP-IL、MXI等。第21頁/共121頁2023/4/1822通過總線技術(shù)，可實現(xiàn)：模塊化硬件設(shè)計；標(biāo)準化；便于生產(chǎn)、維護（維修）、升級；較好的經(jīng)濟性。第22頁/共121頁2023/4/1823（2）虛擬儀器是技術(shù)發(fā)展的結(jié)果計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，及其在電子測量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，使新測試理論、測試方法、測試技術(shù)不斷出現(xiàn)，儀器與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不斷推陳出新，電子測量儀器及自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了質(zhì)的變化，功能與性能得到不斷提高。計算機（PC機）處于核心地位，計算機軟件技術(shù)和儀器與測試系統(tǒng)更緊密結(jié)合成了一個有機整體。在上述的背景下，提出了全新概念的儀器——虛擬儀器。1986年，美國國家儀器公司（NI,NationalInstrument）提出了虛擬儀器（VirtualInstrumentation）的概念。第23頁/共121頁2023/4/18241990年代，虛擬儀器得到業(yè)界廣泛認可和應(yīng)用，相繼推出了基于GPIB總線（GeneralPurposeInterfaceBus）、PC-DAQ（DataAcquisition）和VXI總線（VMEbuseXtensionforInstrumentation，1987年）、PXI總線（PCIeXtensionforInstrumentation，1997年）等多種虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器軟件采用面向?qū)ο蠛涂梢暬幊碳夹g(shù)。底層驅(qū)動和上層應(yīng)用軟件融為一體。虛擬儀器軟件的標(biāo)準化：VPP（VXI即插即用，VXIplug&play，1993年）和VISA（VirtualInstrumentSoftwareArchitecture,虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)）。IVI（InterchangeableVirtualInstruments，可互換式虛擬儀器，1997年）。第24頁/共121頁2023/4/1825（3）虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展與展望虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)與測試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。多門學(xué)科多種技術(shù)的融合，如測試技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、數(shù)字信號處理、總線與接口、網(wǎng)絡(luò)與通信、傳感技術(shù)、光電技術(shù)、微機械技術(shù)等。（1）新的總線技術(shù)的應(yīng)用（如HS488，1394b等）。（2）速度不斷提高。（3）智能化、模塊化、集成化是硬件發(fā)展的主流。（4）軟件技術(shù)。第一是軟件標(biāo)準化問題；第二是如何利用各種軟件開發(fā)環(huán)境及工具，編制出符合標(biāo)準的應(yīng)用軟件。（5）網(wǎng)絡(luò)化儀器系統(tǒng)。（6）應(yīng)用范圍更加廣泛。第25頁/共121頁2023/4/18263）虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.虛擬儀器系統(tǒng)組成及各部分基本功能（1）虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心。第26頁/共121頁2023/4/1827（2）各部分基本功能虛擬儀器的內(nèi)部功能，可劃分為信號采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表示與輸出三大功能模塊。信號采集與控制主要由虛擬儀器的通用硬件平臺，并配合儀器驅(qū)動程序共同完成，而數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達與輸出則主要由用戶應(yīng)用軟件完成。第27頁/共121頁2023/4/18282.虛擬儀器的通用硬件平臺（1）通用硬件平臺的基本功能信號采集（模擬、數(shù)字輸入）；信號產(chǎn)生（模擬、數(shù)字輸出）；信號調(diào)理（信號幅度、頻率、驅(qū)動、隔離等）；定時與計數(shù)；大容量數(shù)據(jù)存儲。實時信號處理。總線與通信。第28頁/共121頁2023/4/1829（2）通用硬件平臺的組成第29頁/共121頁2023/4/18303.虛擬儀器通用硬件平臺的構(gòu)成形式通常為帶有某種標(biāo)準總線接口的各種測試設(shè)備（分立式或模塊式儀器），主要有PC總線的數(shù)據(jù)采集模塊（PC-DAQ）、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、PXI總線儀器模塊、RS-232串口、USB接口儀器等類型，或多種類型的組合。第30頁/共121頁2023/4/1831（1）基于PC總線的虛擬儀器內(nèi)置PC總線（如ISA、PCI、PC/104）的通用數(shù)據(jù)采集卡（DAQ，DataAcQuisition）。（2）基于GPIB通用接口總線的虛擬儀器國際標(biāo)準（IEEE488.1和IEEE488.2），技術(shù)成熟；但其數(shù)據(jù)傳輸速度一般低于500Kb/s，對測試速度要求很高的場合不太適用。（3）基于VXl總線的虛擬儀器具有模塊化、系列化、通用化、“即插即用”及VXI儀器的互換性和互操作性。但價格相對較高，適合于高端的測試領(lǐng)域。（4）基于PXI總線的虛擬儀器兼容PCI總線產(chǎn)品。集CompactPCI的高性能和VXI可靠性，性價比最好。第31頁/共121頁2023/4/18324）虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1.虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括I/O接口軟件、儀器驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件三部分。第32頁/共121頁2023/4/1833（1）I/O接口軟件（VISA庫）I/O接口軟件存在于儀器設(shè)備（即I/O接口設(shè)備）與儀器驅(qū)動程序之間，是一個完成對儀器寄存器進行直接存取數(shù)據(jù)操作，并為儀器設(shè)備與儀器驅(qū)動程序提供信息傳遞的底層軟件。VPP規(guī)范了虛擬儀器的I/O接口軟件的特點、組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)規(guī)范，并將符合VPP規(guī)范的虛擬儀器I/O接口軟件定義為VISA（虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)）軟件。VISA庫，實質(zhì)就是標(biāo)準的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。VISA函數(shù)庫駐留于計算機系統(tǒng)中，是計算機與儀器之間的標(biāo)準軟件通信接口，用以實現(xiàn)對儀器的控制。第33頁/共121頁2023/4/1834（2）儀器驅(qū)動程序連接上層應(yīng)用程序與底層I/O接口儀器的紐帶和橋梁。是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合。儀器廠商提供有相應(yīng)儀器的驅(qū)動程序（原代碼），為用戶提供對儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。（3）程控儀器標(biāo)準命令SCPISCPI（StandardCommandsforProgrammableInstruments，可程控儀器標(biāo)準命令）。面向測試功能而非儀器。（4）應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動程序之上，直接面對用戶操作。提供直觀、友好的操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理（時域、頻域、數(shù)字濾波等）功能，完成自動測試任務(wù)。通常，包括測試管理軟件和測試功能軟件兩部分。第34頁/共121頁2023/4/18352.虛擬儀器軟件開發(fā)平臺（1）虛擬儀器軟件框架結(jié)構(gòu)第35頁/共121頁2023/4/1836（2）通用的可視化軟件編程環(huán)境Microsoft公司的VisualC++和VisualBasic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等。（3）專用于虛擬儀器開發(fā)的軟件編程環(huán)境圖形化編程（G語言）環(huán)境：AgilentVEE、NILabVIEW；文本編程環(huán)境：NILabWindows/CVI。其中，LabVIEW是目前最流行、應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件。非常適于儀器、測量與控制領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)。第36頁/共121頁2023/4/1837第37頁/共121頁2023/4/1838NI公司還推出了用于數(shù)據(jù)采集、自動測試、工業(yè)控制與自動化等領(lǐng)域的多種設(shè)備驅(qū)動軟件和應(yīng)用軟件，如：LabVIEW的實時應(yīng)用版本LabVIEWRT；工業(yè)自動化軟件BridgeVIEW；工業(yè)組態(tài)軟件Lookout；基于Excel的測量與自動化軟件Measure；即時可用的虛擬儀器平臺VirtualBench；生理數(shù)據(jù)采集與分析軟件Biobench；測試執(zhí)行與管理軟件TestStand；還包括NI-488.2、NI-VISA、NI-VXI、NI-DAQ、NI-IMAQ、NI-CAN、NI-FBUS等設(shè)備驅(qū)動軟件；以及各種LabVIEW和LabWindows/CVI的增值軟件工具包。第38頁/共121頁2023/4/18395）虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)成1.虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計過程主要包括測試需求分析、系統(tǒng)總體方案設(shè)計、系統(tǒng)硬件設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計、系統(tǒng)集成及系統(tǒng)調(diào)試等。第39頁/共121頁2023/4/1840（1）測試需求分析分析被測參數(shù)的形式（電量還是非電量、數(shù)字量還是模擬量）、范圍（幅度、頻率）和數(shù)量（通道數(shù)），激勵信號的形式和范圍要求；性能指標(biāo)（測量精度、速度）要求；功能（用戶接口界面、數(shù)據(jù)分析與處理、存儲與顯示、外部通信接口等）要求。（2）系統(tǒng)總體方案設(shè)計根據(jù)測試任務(wù)要求，確定測試方法；系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)設(shè)計。（3）系統(tǒng)硬件設(shè)計自制或購買；硬件系統(tǒng)集成。第40頁/共121頁2023/4/1841（4）系統(tǒng)軟件設(shè)計選擇軟件開發(fā)環(huán)境；底層驅(qū)動設(shè)計；上層應(yīng)用軟件設(shè)計（用戶界面設(shè)計、測量數(shù)據(jù)分析與處理、算法設(shè)計、測量結(jié)果表達）。（5）軟硬件集成與調(diào)試功能測試；指標(biāo)測試；系統(tǒng)優(yōu)化。第41頁/共121頁2023/4/18426）虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用1.應(yīng)用廣泛從軍事到民用；特別是儀器、測量與控制、自動化等領(lǐng)域。測試測量工業(yè)自動化聲學(xué)測試設(shè)備測試工業(yè)自動化食品加工汽車測試生物醫(yī)學(xué)研究控制工程機器視覺計量校準電子與非電子測試石油和天然氣工程制藥生產(chǎn)光纖校準光學(xué)度量和測定工業(yè)機器人過程自動化研發(fā)調(diào)試半導(dǎo)體測試SCADA統(tǒng)計流程控制通信測試振動測試晶片傳送手臂機械制造第42頁/共121頁2023/4/1843第43頁/共121頁2023/4/1844化工生產(chǎn)流量測控

第44頁/共121頁2023/4/1845濾波器頻響分析第45頁/共121頁2023/4/1846汽車引擎震動分析第46頁/共121頁2023/4/1847馬路路燈照度模擬第47頁/共121頁2023/4/1848一體化工作站

平板式工作站（帶觸摸屏）軍用便攜式工作站第48頁/共121頁2023/4/1849一體化工作站（續(xù)）

第49頁/共121頁2023/4/1850工業(yè)計算機（工控機）機箱

工控機的抗電磁干擾能力、防振、防潮、防塵能力均較強，有較多的擴展槽，它的電源系統(tǒng)有較好的抗電磁干擾能力。雖然工控機的價格比個人電腦貴，但可靠性強得多，性能價格比高，適合在工業(yè)現(xiàn)場條件較惡劣的場合使用。第50頁/共121頁2023/4/1851工業(yè)級底板（參考研祥智能科技有限公司資料）底板上的擴展槽用于插接各種數(shù)據(jù)采集卡PCI擴展槽ISA擴展槽第51頁/共121頁2023/4/1852各種數(shù)據(jù)采集卡

ISA數(shù)據(jù)采集卡ISA數(shù)據(jù)采集卡的插腳間隔為2.54mm（0.1英寸）第52頁/共121頁2023/4/1853各種數(shù)據(jù)采集卡（續(xù)）PCI數(shù)據(jù)采集傳輸卡第53頁/共121頁2023/4/1854ISA槽與PCI槽的外形區(qū)別ISA槽PCI槽將功能卡插到ISA槽中功能卡的鍍金腳第54頁/共121頁2023/4/1855端子板與功能卡的連接

端子板作為功能卡的擴展附件，用于連接傳感器信號光耦25芯排線數(shù)據(jù)鎖存器去計算機ISA槽傳感器信號線接線端子第55頁/共121頁2023/4/1856端子板與功能卡的連接37芯排線端子板PCI數(shù)據(jù)采集、控制卡傳感器信號線接線端子輸出信號接線端子去計算機PCI槽第56頁/共121頁2023/4/1857其他端子擴展板

34芯排線插座37芯排線插座第57頁/共121頁2023/4/1858數(shù)據(jù)采集便攜式工控整機

第58頁/共121頁2023/4/1859筆記本電腦數(shù)據(jù)采集整機

USB接口盒及接口線利用USB擴展插頭可配接多個接口盒信號輸入第59頁/共121頁USB接口卡及USB線第60頁/共121頁2023/4/1861嵌入式計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

傳感器信號采集卡可多層疊合，插入到嵌入式計算機的總線接口中，就可以構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。第61頁/共121頁2023/4/1862各種嵌入式計算機數(shù)據(jù)采集卡第62頁/共121頁2023/4/1863網(wǎng)絡(luò)化儀表示意圖工業(yè)總線

第63頁/共121頁2023/4/1864網(wǎng)絡(luò)化儀表工業(yè)總線

局域網(wǎng)第64頁/共121頁2023/4/1865

鋼廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)實例第65頁/共121頁2023/4/1866

糧食溫濕度測控系統(tǒng)實例上位機（內(nèi)插CAN通信卡）溫度分線器CAN總線通風(fēng)機械測濕探頭測溫電纜智能分機通風(fēng)控制器濕度分線器第66頁/共121頁休息一下第67頁/共121頁圖像獲取通過各種觀測系統(tǒng)從被觀測的場景中取得圖像圖像處理對圖像信息進行加工處理，以滿足我們不同的要求10.2圖像檢測技術(shù)第68頁/共121頁

圖像檢測系統(tǒng)一、圖像檢測系統(tǒng)的構(gòu)成及設(shè)備

光學(xué)成像設(shè)備

數(shù)字化設(shè)備

A/D

圖像顯示與輸出

計算機

存儲設(shè)備

數(shù)字圖像檢測處理系統(tǒng)第69頁/共121頁圖像檢測系統(tǒng)光學(xué)成像設(shè)備電子管攝像機CCD電荷耦合器件攝像機CMOS攝像機數(shù)字化設(shè)備圖像采集卡數(shù)字攝像機和數(shù)字圖像信號采集卡第70頁/共121頁圖像存儲設(shè)備圖像采集卡幀緩存計算機內(nèi)存硬盤、光盤、磁帶存儲器閃存計算機主機圖像顯示和輸出設(shè)備電視圖像監(jiān)視器計算機顯示器打印機和數(shù)碼沖印設(shè)備膠片照相機第71頁/共121頁

圖像檢測系統(tǒng)二、圖像的描述連續(xù)圖像數(shù)字圖像數(shù)字圖像處理以連續(xù)圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像陣列為基礎(chǔ)的確定性情況下的圖像抽樣隨機性情況下的圖像抽樣第72頁/共121頁

圖像檢測系統(tǒng)三、數(shù)字圖像處理技術(shù)

指將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計算機技術(shù)對其進行處理的過程主要研究：圖像變換、圖像編碼壓縮、圖像增強和復(fù)原、圖像分割、圖像描述和圖像分類（識別）等第73頁/共121頁

圖像檢測系統(tǒng)圖像變換將信號變換到其它域（多為頻率域）進行分析傅立葉變換離散余弦變換沃爾什變換哈爾變換第74頁/共121頁

圖像檢測系統(tǒng)斜變換小波變換圖像壓縮編碼圖像數(shù)字化的關(guān)鍵就是編碼

PCM

亞奈氏取樣編碼法

常規(guī)編碼法

圖像高效編碼法

預(yù)測法

自適應(yīng)法

標(biāo)準法

變換法

自適應(yīng)法

標(biāo)準法

統(tǒng)計編碼

自適應(yīng)法

標(biāo)準法

其他方法

輪廓編碼

行程編碼

第75頁/共121頁PCM編碼統(tǒng)計編碼根據(jù)像素灰度值出現(xiàn)概率的分布特性而進行的壓縮編碼叫統(tǒng)計編碼變長編碼是統(tǒng)計編碼中最為主要的一種方法最為常用的變長編碼方法是霍夫曼（Huffman）碼香農(nóng)-費諾（Shannon-Fano）碼

圖像輸入

低通濾波

取樣保持

量化

編碼

譯碼

低通濾波

重建圖像

編碼、譯碼原理方框圖

第76頁/共121頁

圖像檢測系統(tǒng)預(yù)測編碼

（DeltaModulation）或DM編碼法DPCM（DifferentialPulseCodeModulation）編碼法即差值脈沖編碼調(diào)制法

DPCM的基本原理是基于圖像中相鄰像素之間具有較強的相關(guān)性第77頁/共121頁

圖像檢測系統(tǒng)DPCM系統(tǒng)原理框圖

量化器

編碼器

預(yù)測器

譯碼器

預(yù)測器

輸入

信道

系統(tǒng)原理框圖

輸出

Ne

+

-

NX?

'Ne

+

+

'NX

'Ne

'NX

NX?

NX

發(fā)送端

接收端

第78頁/共121頁

圖像檢測系統(tǒng)圖像增強和復(fù)原圖像增強是指按特定的需要突出一幅圖像中的某些信息，同時，消弱或去除某些不需要的信息處理方法圖像增強技術(shù)基本上可分為兩大類頻域處理法空域處理法第79頁/共121頁

圖像復(fù)原的主要目的是改善給定的圖像質(zhì)量，對給定的一幅退化了的或者受到噪聲污染了的圖像，利用退化現(xiàn)象的某種先驗知識來重建或恢復(fù)原有圖像其他圖像處理技術(shù)圖像分割圖像識別圖像識別框圖

被識圖像

圖像信息

獲取

信息處理

特征提取

判決

結(jié)果

圖像識別系統(tǒng)框圖第80頁/共121頁

圖像檢測系統(tǒng)動態(tài)圖像處理動態(tài)圖像處理的基本任務(wù)是從圖像序列中檢測出運動信息，識別與跟蹤運動目標(biāo)和估計三維運動及結(jié)構(gòu)參數(shù)運動圖像的處理方法主要分兩類基于特征的方法基于光流的方法第81頁/共121頁應(yīng)用：火焰圖像處理與特征提取

數(shù)字圖像處理圖像采集與火焰監(jiān)視圖像分割圖像特征提取第82頁/共121頁數(shù)字圖像處理：1、常用顏色的表示方法有RGB模型和YUV模型等。

2、圖像處理方法按研究內(nèi)容可分為圖像增強、圖像復(fù)原、圖像重建、圖像編碼、圖像分割、圖像理解等；按圖像作用域的不同可以分為空域算法和頻域算法。

3、回轉(zhuǎn)窯火焰圖像的處理工作是在空域濾波基礎(chǔ)上進行分割和識別。第83頁/共121頁火焰圖像的采集：圖像采集卡IPC攝像機分配器監(jiān)視器解碼器R、G、B吹掃、冷卻系統(tǒng)燒成帶火焰圖像采集硬件結(jié)構(gòu)圖第84頁/共121頁回轉(zhuǎn)窯火焰監(jiān)視：窯壁背景黑靶子火焰區(qū)物料區(qū)原始火焰圖像

第85頁/共121頁圖像預(yù)處理：鄰域平滑梯度倒數(shù)加權(quán)平滑改進梯度倒數(shù)加權(quán)平滑第86頁/共121頁

下面是分別以圖像YUV模型中Y值和RGB值為特征數(shù)據(jù)的分割效果比較。（a）YUV（b）RGB（1）C均值聚類方法圖像分割：第87頁/共121頁

從計算速度及分割效果等方面綜合考慮，這里選用最大隸屬度函數(shù)法。最大隸屬度函數(shù)法

加權(quán)平均判決法

中位數(shù)判決法

（2）模糊C均值聚類方法（FCM）第88頁/共121頁(a)熟料欠燒

(b)熟料正常

(c)熟料過燒AFCM分割比較（3）快速模糊C均值聚類方法（AFCM）第89頁/共121頁熟料帶高的提取：熟料帶高提取圖帶高第90頁/共121頁面積特征的提?。好娣e特征提取圖火圈面積黑靶子面積物料面積第91頁/共121頁溫度特征的提取：1、物體的亮度和溫度有一定關(guān)系，借助于它們之間的關(guān)系式，可以得到對應(yīng)的溫度。

2、實際中根據(jù)分割后火焰區(qū)域和物料區(qū)域的平均亮度計算得到各區(qū)域的平均溫度。第92頁/共121頁10.3軟測量技術(shù)軟測量就是依據(jù)可測、易測的過程變量(稱為輔助變量)與難以直接檢測的待測變量(稱為主導(dǎo)變量)的數(shù)學(xué)關(guān)系，根據(jù)某種最優(yōu)準則，采用各種計算方法，用軟件實現(xiàn)對待測變量的測量或估計。軟測量技術(shù)主要包括四個方面：

(1)輔助變量的選?。?/p>

(2)數(shù)據(jù)處理；

(3)軟測量模型的建立；

(4)軟測量模型的在線校正。第93頁/共121頁軟測量技術(shù)10.2.1輔助變量的選取10.2.2測量數(shù)據(jù)的處理10.2.3軟測量模型的建立10.2.4軟儀表的在線校正10.2.5軟測量的工業(yè)應(yīng)用上一頁下一頁返回第94頁/共121頁10.3.1輔助變量的選取1.變量類型的選擇2.變量數(shù)目的選擇3.測點位置的選擇第95頁/共121頁1.變量類型的選擇選擇的方法往往從間接質(zhì)量指標(biāo)出發(fā)。例如：精餾塔產(chǎn)品的軟測量一般采用塔板溫度，化工反應(yīng)器中產(chǎn)品的軟測量采用反應(yīng)器管壁溫度。第96頁/共121頁2.變量數(shù)目的選擇從過程機理入手分析，從影響被估計變量的變量中去挑選主要因素，因為全部引入既不可能也沒必要。如果缺乏機理知識，則可用回歸分析的方法找出影響被估計變量的主要因素，這需要大量的觀測數(shù)據(jù)。需要指出，受系統(tǒng)自由度的限制，輔助變量的個數(shù)不能小于被估計變量的個數(shù)。至于輔助變量的最優(yōu)數(shù)量問題，目前尚無統(tǒng)一結(jié)論。第97頁/共121頁3.測點位置的選擇

對于許多工業(yè)過程，輔助變量的檢測點的選擇是十分重要的，因為可供選擇的檢測點很多。檢測點的選擇方法：采用奇異值分解的確定，采用工業(yè)控制仿真軟件確定。確定的檢測點往往需要在實際應(yīng)用中加以調(diào)整。第98頁/共121頁一種輔助變量的選擇原則如下靈敏性：能對過程輸出(或不可測擾動)作出快速反應(yīng)。特異性：能對過程輸出(或不可測擾動)之外的干擾不敏感。工程適應(yīng)性：工程上易于獲得并達到一定的測量精度。精確性：構(gòu)成的估計器達到要求的精度。魯棒性：構(gòu)成的估計器對模型誤差不敏感。第99頁/共121頁10.3.2測量數(shù)據(jù)的處理

1．誤差處理2．?dāng)?shù)據(jù)的變換第100頁/共121頁1．誤差處理從現(xiàn)場采集的測量數(shù)據(jù)，由于受儀表精度和測量環(huán)境的影響，一般都不可避免地帶有誤差，有時甚至有嚴重的過失誤差。如果將這些現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)直接用于軟測量，會導(dǎo)致軟測量的精度降低，甚至完全失敗。因此，測量數(shù)據(jù)必須經(jīng)過誤差處理。測量數(shù)據(jù)的誤差：隨機誤差、系統(tǒng)誤差和過失誤差。10.3.2測量數(shù)據(jù)的處理

1．誤差處理2．?dāng)?shù)據(jù)的變換第101頁/共121頁隨機誤差的處理符合統(tǒng)計規(guī)律，工程上多采用數(shù)字濾波算法。如：中位值濾波、算術(shù)平均濾波和一階慣性濾波等。隨著計算機優(yōu)化控制系統(tǒng)的使用，復(fù)雜的數(shù)值計算方法對數(shù)據(jù)的精確度提出了更高的要求，于是出現(xiàn)了數(shù)據(jù)一致性處理技術(shù)?；舅枷耄焊鶕?jù)物料或能量平衡等建立精確的數(shù)學(xué)模型，以估計值與測量值的方差最小為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)造一個估計模型，為測量數(shù)據(jù)提供一個最優(yōu)估計。第102頁/共121頁過失誤差處理含有過失誤差的數(shù)據(jù)出現(xiàn)的機率較小，但是，一旦出現(xiàn)則可能嚴重破壞數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性，導(dǎo)致軟測量的失敗。

提高測量數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵：及時偵測、剔除和校正含有過失誤差的數(shù)據(jù)。

偵測過失誤差的方法：(i)對各種可能導(dǎo)致過失誤差的因素進行理論分析；(ii)借助于多種測量手段對同一變量進行測量，然后進行比較；(iii)根據(jù)測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性進行檢驗等。第103頁/共121頁2．?dāng)?shù)據(jù)的變換

對數(shù)據(jù)的變換包括標(biāo)度、轉(zhuǎn)換和權(quán)函數(shù)三方面。工業(yè)過程中的測量數(shù)據(jù)有著不同的工程單位，直接使用這些數(shù)據(jù)進行計算，不能得到準確結(jié)果，甚至結(jié)果分散。利用合適的因子對數(shù)據(jù)進行標(biāo)度，能夠改善算法的精度和穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)換包含對數(shù)據(jù)的直接轉(zhuǎn)換以及尋找新的變量替換原變量兩個含義。通過對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，可以有效地降低非線性特性。權(quán)函數(shù)則可實現(xiàn)對變量動態(tài)特性的補償。合理使用權(quán)函數(shù)使我們有可能用穩(wěn)態(tài)模型實現(xiàn)對過程的動態(tài)估計。第104頁/共121頁1．軟儀表的描述軟儀表的目的：利用所有可獲得的信息，求取主導(dǎo)變量的“最佳”估計值，即構(gòu)造從可測信息集到的映射。主導(dǎo)變量輔助變量干擾控制變量10.3.3軟測量模型的建立1．軟儀表的描述2.建模方法第105頁/共121頁軟儀表性能依賴于過程的描述、噪聲和擾動的特性、輔助變量的選取以及“最佳”的含義，即給定的某種準則。建立軟儀表的過程就是構(gòu)造一個數(shù)學(xué)模型。在許多建立軟儀表的方法中，要以一般意義下的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)。軟儀表與一般意義下的數(shù)學(xué)模型區(qū)別：數(shù)學(xué)模型主要反映與或之間動態(tài)(或穩(wěn)態(tài))關(guān)系，軟儀表是通過求的估計值。第106頁/共121頁2.建模方法

過程建模方法主要有兩大類：機理建模方法實驗建模方法。構(gòu)造軟儀表的方法也可分為兩大類。上一頁下一頁返回第107頁/共121頁機理分析方法

建立在對過程工藝機理的深刻認識的基礎(chǔ)上，運用物料平衡、熱量平衡和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等原理，找出不可測主導(dǎo)變量與可測輔助變量之間的關(guān)系。對于過程機理較為清楚的工業(yè)過程，基于機理模型可以構(gòu)造良好的軟儀表。對復(fù)雜工業(yè)過程，其內(nèi)在機理往往不十分清楚，完全依賴機理分析建模比較困難，通常要選用其它方法，結(jié)合機理知識構(gòu)造軟儀表。第108頁/共121頁系統(tǒng)辨識方法

辨識方法是將輔助變量和主導(dǎo)變量組成的系統(tǒng)看成“黑箱”，以輔助變量為輸入，主導(dǎo)變量為輸出，通過現(xiàn)場采集、流程模擬或?qū)嶒灉y試，獲得過程輸入、輸出數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)建立軟儀表模型。第109頁/共121頁狀態(tài)估計方法

如果已知系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，而主導(dǎo)變量作為系統(tǒng)狀態(tài)變量時輔助變量是可觀測的，那么構(gòu)造軟儀表的問題可以轉(zhuǎn)化為狀態(tài)觀測或狀態(tài)估計問題。假設(shè)已知對象的狀態(tài)空間模型為輔助變量如果系統(tǒng)的狀態(tài)關(guān)于輔助變量完全可測，那么，軟測量問題就轉(zhuǎn)化為典型的狀態(tài)觀測和狀態(tài)估計問題，估計值就可以表示成Kalman濾波器形式。Kalman濾波器、Luenberger觀測器是解決上述問題的有效方法。第110頁/共121頁回歸方法基于最小二乘原理的一元、多元線性回歸技術(shù)已經(jīng)非常成熟。對于輔助變量較少的情況，利用多元線性回歸中的逐步回歸技術(shù)可以得到較理想的