智能测量技术及其应用课件.ppt

1、第十一章第十一章 智能测量技术及其应用智能测量技术及其应用第11章11.1概述11.1.1微型化11.1.2智能化11.1.3多功能化11.2智能传感器11.2.1概述11.2.2智能化传感器的结构11.2.3模糊传感器11.2.4集成式智能传感器11.3网络化仪表11.3.1现场总线差压变送器11.3.2现场总线协议第11章11.3.3现场总线仪表应用的特点11.4虚拟仪表和软测量技术简介11.1概述11.1.1微型化11.1.2智能化11.1.3多功能化11.1.1微型化传感器微型化归功于计算机辅助设计技术、微机电系统技术以及敏感光纤技术的发展。传感器的设计手段从传统的结构化生产设计转变为

2、基于计算机辅助设计的模拟式工程化设计，使得设计人员能够在较短的时间内设计出低成本、高性能的新型传感器系统，从而推动了传感器系统以更快的速度向着能够满足科技发展需求的微型化方向发展。11.1.2智能化智能化传感器是微型机与传感器结合的产物，它不仅能进行外界信号的测量、转换，而且能进行信息存储、信息分析和结论判断等功能。它的出现是传感技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远的影响。11.1.3多功能化传感器多功能化是当前传感器技术发展中的一个全新方向，它是指将若干种敏感元件总装在同一种材料或单独一块芯片上，用来同时测量多种参数，全面反映被测量的综合信息，或对系统误差进行补偿和校正。美国MERRIT

3、I公司研制开发的无触点皮肤敏感系统，包括无触点超声波、红外辐射引导、薄膜式电容以及温度、气体传感器等。DTP型智能压力传感器中集成压力、环境压力和温度三种传感元件。其中，主传感器为差压传感器，用来探测差压信号，辅助传感器为温度和环境压力传感器，它们用于调节和校正由于温度和工作环境的压力变化而导致的测量误差。11.2智能传感器11.2.1概述11.2.2智能化传感器的结构11.2.3模糊传感器11.2.4集成式智能传感器11.2.1概述传统的传感器是模拟仪器仪表或模拟计算机时代的产物。它的设计指导思想是把外部信息变换成模拟电压或电流信号。它的输出幅值小，灵敏度低，而且功能单一，因而被人们称为“聋

4、哑传感器”。11.2.2智能化传感器的结构1.硬件部分2.软件部分3.智能传感器中的信息处理技术4.结构特点11.2.2智能化传感器的结构图11-1智能传感器的结构框图1.硬件部分(1)主机部分主机部分通常由微处理器CPU、存储器、输入输出I/O接口电路组成，或者其本身就是一个具有多种功能的单片机。(2)模拟量输入输出部分模拟量输入输出部分用来输入输出模拟量信号，主要由传感器、相应信号处理电路、转换器、输入输出I/O接口等几部分组成。(3)人机联系部件人机联系部件的作用是沟通操作人员和传感器之间的联系，主要由传感器面板中的键盘、显示器等组成。(4)标准通信接口标准通信接口用于实现智能传感器与通

5、用型计算机的联系，使传感器可以接受计算机的程控指令，较易构成多级分布式自动测控系统(集散控制系统)。(1)主机部分主机部分通常由微处理器CPU、存储器、输入输出I/O接口电路组成，或者其本身就是一个具有多种功能的单片机。(2)模拟量输入输出部分模拟量输入输出部分用来输入输出模拟量信号，主要由传感器、相应信号处理电路、转换器、输入输出I/O接口等几部分组成。(3)人机联系部件人机联系部件的作用是沟通操作人员和传感器之间的联系，主要由传感器面板中的键盘、显示器等组成。(4)标准通信接口标准通信接口用于实现智能传感器与通用型计算机的联系，使传感器可以接受计算机的程控指令，较易构成多级分布式自动测控系

6、统(集散控制系统)。2.软件部分智能传感器的软件主要包括监控程序、接口管理程序和数据处理程序三大部分。监控程序面向传感器面板的键盘和显示器，帮助实现由键盘完成的数据输入或功能预置、控制以及由显示器对CPU处理后的数据以数字、字符、图形等形式显示等任务。接口管理程序主要通过控制接口电路的工作以完成数据采集、I/O通道控制、数据存储、通信等任务。数据处理程序主要完成数据滤波、运算、分析等任务。3.智能传感器中的信息处理技术(1)量程自动转换如果传感器和显示器的分辨率一定，而仪表的测量范围很宽，为了提高测量精确度，智能化仪表应能自动转换量程。(2)标度变换生产过程中的各个参数都有着不同的量纲和数值，

7、根据不同的检测参数，采用不同的传感器，就有不同的量纲和数值。(3)自动校准在智能传感器的测量输入通道中，一般均存在零点偏移和漂移，产生放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，他们会影响测量数据的准确性，这些误差属于系统误差，必须对这些误差进行校准。(4)数字滤波由于被测对象所处的环境比较恶劣，常存在干扰源，如环境温度、电场、磁场等，在测量信号中往往混有噪声、干扰等，使测量值偏离真实值。(5)非线性补偿在许多智能化传感器中，一些参数往往是非线性参数，常常不便于计算和处理，有时甚至很难找出明确的数学表达式。(1)量程自动转换如果传感器和显示器的分辨率一定，而仪表的测量范围很宽，为了提高测量精确

8、度，智能化仪表应能自动转换量程。(2)标度变换生产过程中的各个参数都有着不同的量纲和数值，根据不同的检测参数，采用不同的传感器，就有不同的量纲和数值。(3)自动校准在智能传感器的测量输入通道中，一般均存在零点偏移和漂移，产生放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，他们会影响测量数据的准确性，这些误差属于系统误差，必须对这些误差进行校准。(4)数字滤波由于被测对象所处的环境比较恶劣，常存在干扰源，如环境温度、电场、磁场等，在测量信号中往往混有噪声、干扰等，使测量值偏离真实值。(5)非线性补偿在许多智能化传感器中，一些参数往往是非线性参数，常常不便于计算和处理，有时甚至很难找出明确的数学表达式

9、。4.结构特点1)开发性强，可靠性高计算机软件在智能传感器中起着举足轻重的作用。2)改善了仪表性能，提高了测量精确度利用微处理器的运算、逻辑判断、统计处理功能，可对测量数据进行分析、统计和修正，还可对线性、非线性、温度、噪声以及漂移等进行处理和误差补偿。3)智能化传感器的智能化表现在：具有自诊断、自校准功能，可在接通电源时进行开机自检，可在工作中进行自检，并可实时自行诊断测试以确定哪一组件有故障，提高了工作可靠性；具有自适应、自调整功能，可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择测量量程和测量方式，提高了测量的适用性；具有记忆、存储功能，可进行测量数据的随时存取，加快了信息的处理速度；具有组

10、态功能，可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大了测量与使用范围；可通过改变程序或采用可编程的方法增减传感器功能和规模来适应不同环境和对象，甚至达到改变传感器性质的目的。4.结构特点4)具有友好的人机对话界面操作人员通过键盘输入命令，智能传感器通过显示器显示仪表的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果，使得人机联系非常密切。5)具有数据通信功能智能化传感器具有数据通信功能，采用标准化总线接口，可方便地与网络、外部设备及其他设备进行数据交换，提高了信息处理的质量。11.2.3模糊传感器图11-2模糊传感器的结构功能示意图11.2.4集成式智能传感器1.智能传感器的实现途径2.集成智能传感器的几

11、种模式3.集成智能传感器实例1.智能传感器的实现途径从结构上划分，智能传感器可以分为模块式和集成式。初级的智能传感器是由许多互相独立的模块组成，如将微计算机、信号调理电路模块、数字电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体结构内，则组成模块式智能传感器。混合式智能传感器是将敏感元件、信号处理电路、微处理器单元、数字总线接口等环节以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里，目前这类结构较多。集成化智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号调理电路、微处理单元，并把它们集成在一块芯片上而构成的。这种传感器集成度高，体积小，但目前

12、的技术水平还很难实现。2.集成智能传感器的几种模式按具有的智能化程度来讲，集成化智能传感器有初、中、高三种存在形式。初级形式是智能传感器系统最早出现的商品化形式，因此被称为“初级智能传感器”。它是将敏感元件与智能信号调理电路(不包括微处理器)封装在一个外壳里。其中智能信号调理电路用来实现比较简单的自动校零、非线性的自动校正、温度自动补偿功能。中级形式是将敏感元件、信号调理电路和微处理器单元封装在一个外壳里，强大的软件使它具有完善的智能化功能。高级形式是将敏感元件实现多维阵列化，同时配备更强大的信息处理软件，使之具有更高级的智能化功能。它不仅具有完善的智能化功能，而且具有更高级的传感器阵列信息融

13、合功能，或具有成像与图像处理等功能。3.集成智能传感器实例图11-3DSTJ3000型智能压力传感器方框图11.3网络化仪表11.3.1现场总线差压变送器11.3.2现场总线协议11.3.3现场总线仪表应用的特点11.3.1现场总线差压变送器1.工作原理2.应用介绍1.工作原理(1)振荡器产生一个频率与传感器电容有关的振荡信号。(2)信号隔离器将来自CPU的控制信号和来自振荡器的信号相互隔离，以免共地干扰。(3)CPU、RAM和PROMCPU是变送器的智能部件，它负责完成测量工作、功能块的执行、自诊断以及通信任务。(4)EEROM在传感器部件中另有一个EEROM，它保存着不同压力和温度下传感器

14、的特性数据。(5)MODEM监测链路活动，调制和解调通信信号，插入和删除起始标志和结束标志。(6)电源由现场总线上获得电源，为变送器的电路供电。(7)电源隔离器与输入部分的信号隔离类似，送至输入部分的电源也必须隔离。(8)显示控制器接收来自CPU的数据，控制液晶显示器各段的显示。1.工作原理(9)就地调整部件就地调整部件有两个可用磁性工具调整的磁性开关，因而没有机械和电气接触。(1)振荡器产生一个频率与传感器电容有关的振荡信号。(2)信号隔离器将来自CPU的控制信号和来自振荡器的信号相互隔离，以免共地干扰。(3)CPU、RAM和PROMCPU是变送器的智能部件，它负责完成测量工作、功能块的执行

15、、自诊断以及通信任务。图11-4现场总线差压变送器的电路原理方框图(4)EEROM在传感器部件中另有一个EEROM，它保存着不同压力和温度下传感器的特性数据。(5)MODEM监测链路活动，调制和解调通信信号，插入和删除起始标志和结束标志。(6)电源由现场总线上获得电源，为变送器的电路供电。(7)电源隔离器与输入部分的信号隔离类似，送至输入部分的电源也必须隔离。(8)显示控制器接收来自CPU的数据，控制液晶显示器各段的显示。(9)就地调整部件就地调整部件有两个可用磁性工具调整的磁性开关，因而没有机械和电气接触。2.应用介绍现场总线仪表是以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，它采用功能块的结构，通

16、过组态设计，完成数据采集、A/D转换、数字滤波、压力温度补偿等各种功能。功能块是用户对设备的功能进行组态的模型。某些功能块通过转换块直接由硬件读写数据，块输出可由总线上的其他设备读取，其他设备也可以把数据写到块的输入端。以模拟量输入块为例，它接受一个来自转换块的变量，即实际测量值，并进行标度变换、滤波，然后输出为其他块所用。输出可以是输入的线性函数或者平方根函数。块可以报警并切换到手动，以便迫使输出成为一个可调整的值。11.3.2现场总线协议1.物理层2.数据链路层3.应用层1.物理层在物理层采用基于Bell 202通信标准的频移键控FSK技术。在现有的420mA模拟信号上叠加FSK数字信号，

17、以1200Hz的信号表示逻辑1，以2200Hz的信号表示逻辑0，通信速率为1200bps，单台设备的最大通信距离为3000m，多台设备互连的最大通信距离为1500m，通信介质为双绞线，最大节点数为15个。2.数据链路层数据链路层采用可变长帧结构，每帧最长为25个字节，寻址范围为015。当地址为0时，处于420mA与数字通信兼容状态。而当地址为115时，则处于全数字通信状态。通信模式为“问答式”或“广播式”。3.应用层应用层规定了三类命令：第一类是通用命令，适用于遵循HART协议的所有产品；第二类称为普通命令，适用于遵循HART协议的大多数产品；第三类成为特殊命令，适用于遵循HART协议的特殊设

18、备。另外HART还为用户提供了设备描述语言(DDL，Device Description Language)。11.3.3现场总线仪表应用的特点1.采用现场总线技术，节省导线、电缆及其安装费用2.现场总线采用数字通信方式，可提高传输精确度3.现场仪表具有综合管理功能4.现场总线仪表存在的问题1.采用现场总线技术，节省导线、电缆及其安装费用(1)多仪表互连在模拟通信方式中，一对导线只能连接一台现场仪表。(2)多变量测量在模拟通信方式中，测量一个变量就需要一对导线，每台现场仪表只能测量一个过程变量；采用现场总线通信方式，一台现场仪表可以同时测量多个过程变量。(3)多变量变送现场总线可以实现多变量传

19、送，一台测量多变量的现场仪表只要用一对导线，就可以把该现场仪表测量的变量全部传送出去。(1)多仪表互连在模拟通信方式中，一对导线只能连接一台现场仪表。(2)多变量测量在模拟通信方式中，测量一个变量就需要一对导线，每台现场仪表只能测量一个过程变量；采用现场总线通信方式，一台现场仪表可以同时测量多个过程变量。(3)多变量变送现场总线可以实现多变量传送，一台测量多变量的现场仪表只要用一对导线，就可以把该现场仪表测量的变量全部传送出去。2.现场总线采用数字通信方式，可提高传输精确度在模拟通信方式中，传输装有微处理器的现场仪表数据时，数据在进行AD、DA转换时会产生误差，传输模拟信号过程中也会产生误差。

20、现场总线是用数字信号传输数据，可以消除转换误差和传输误差，系统精确度可以保证。3.现场仪表具有综合管理功能使用现场总线不但可以传输过程变量值和控制输出值，而且还可以传输很多用于设备管理的信息。所以，现场仪表能够实现更多的功能。例如，具有温度压力校正的现场总线流量变送器，具有阀门流量特性补偿的现场总线阀门定位器等。4.现场总线仪表存在的问题现场总线仪表是未来工业过程控制系统的主流仪表，它与现场总线是组成FCS的两个重要部分。但是目前各种现场总线标准都有自己规定的协议格式，相互之间互不兼容，这就要求在某个现场总线中使用的智能仪表必须符合该现场总线的有关规定，但给系统的扩展、维护等带来了不利的影响。

21、现场总线国际标准的制定却进展缓慢，现场总线标准不统一影响了现场总线仪表的应用。11.4虚拟仪表和软测量技术简介在智能测量技术中还发展形成了虚拟仪表和软测量技术。虚拟仪表(VI，Virtual Instrument)是20世纪80年代末出现的一种测量仪表。它是指以通用计算机作为测量控制器，由软件来实现人机交互和大部分仪表功能的一种计算机仪表系统。仪表的操控和测量结果的显示是借助计算机显示器以虚拟面板的形式来实现的，数据的传送、分析、处理、存储是由计算机软件来完成的。在过程控制和系统优化领域，有很多非常重要的工艺过程变量由于技术或是经济上的原因，很难通过传感器进行在线连续测量。为了解决此类变量的测

22、量问题，目前已经形成了软测量方法及其应用技术。11.4虚拟仪表和软测量技术简介表A-8铜-锰白铜热电偶分度表59智慧XX总体规划规划篇规划篇编制变化编制变化根据专家要求，将原发展规划拆分两部分：规划篇、顶层设计篇规划亮点：l 联合国家智库，提供智力支持l 引入云计算、大数据、物联网、移动互联网等新技术l 创新政民互动、城市集约化管理模式l 提出智慧城市融资新模式l 提出智慧城市建设和运营新模式l 梳理了建设思路和建设时序，重点加强民生、产业智慧应用 一、一、智慧城市概述智慧城市概述1 1、智慧城市的内涵、智慧城市的内涵2 2、智慧城市的由来智慧城市的由来3 3、国外智慧城市发展模式、国外智慧城

23、市发展模式4 4、国内智慧城市发展模式、国内智慧城市发展模式5 5、国内外智慧城市建设对、国内外智慧城市建设对XXXX智慧城市智慧城市发展规划的借鉴意义发展规划的借鉴意义二、二、“智慧智慧XX”规划概述规划概述1 1、指导思想、指导思想2 2、基本原则、基本原则3 3、智慧、智慧XXXX建设的必要性建设的必要性4 4、智慧城市规划流程、智慧城市规划流程二、二、“智慧智慧XX”规划概述规划概述 智慧城市规划流程三、三、“智慧智慧XX”需求分析需求分析1 1、发展背景、发展背景2 2、XXXX市经济社会基本概况市经济社会基本概况3 3、XXXX市信息化建设状况市信息化建设状况4 4、XXXX市市“

24、十二五十二五”规划目标规划目标5 5、现状与需求分析结论、现状与需求分析结论四、四、“智慧智慧XX”总体设计总体设计 智慧智慧XXXX愿景框架愿景框架四、四、“智慧智慧XX”总体设计总体设计智慧智慧XX总体架构总体架构四、四、“智慧智慧XX”总体设计总体设计“智慧智慧XX”部署框架部署框架四、四、“智慧智慧XX”总体设计总体设计智慧智慧XX名片设计名片设计黄河善谷、回商之都黄河善谷、回商之都五、五、“智慧智慧XX”建设内容建设内容“基础提升基础提升”建设内容建设内容云计算数据中心（信息安全）、信息公共服务平台、统一门户网站群、基础网络（智慧无线城市群）。“智慧助政智慧助政”建设内容建设内容智慧

25、城管(含应急、交通、环保、规划、国土、建管、房管、市政、供热、园林、智慧城市体验馆）、智慧政务（含税务、民政、财政、质检、纪检监察、政法、人口管理、统计、气象、粮食、档案、智慧青铜峡库区）、智慧营区。“智慧利民智慧利民”建设内容建设内容智慧健康、智慧安全、智慧教育、智慧社区、智慧便民支付“一卡通”、智慧社保、智慧文化。智慧产业（含农业、工业、工业园区、电子商务、中小企业服务、现代服务业、电子信息业、智慧旅游）、智慧慈善、智慧水务。“智慧兴业智慧兴业”建设内容建设内容六、六、“智慧智慧XX”评价与考核评价与考核1 1、指标法考核、指标法考核2 2、受益法考核、受益法考核七、七、“智慧智慧XX”实

26、施路径实施路径1.总体路线总体路线规划实施运维评估完善七、七、“智慧智慧XX”实施路径实施路径2.优先顺序和实施步骤优先顺序和实施步骤第一阶段（第一阶段（2014-2015年）年）2014年项目安排年项目安排1、基础设施建设，包括政务网、城域无线热点、云服务中心、公共信息平台等；2、公共支撑体系建设，主要是智慧吴忠公共平台建设、智慧城市运营体系建设；3、行业和领域智慧应用开发，包括智慧健康、智慧交通、智慧平安城市、智慧生态、智慧规划、智慧城管、智慧垃圾分类与处理等；4、“众包”模式云平台，智慧吴忠城市综合管理云平台、中小企业云平台。2015年项目安排年项目安排1、基础设施建设，城域无线热点扩容

27、。2、行业和领域智慧应用开发，包括智慧网站群、智慧社保、智慧房管、智慧旅游和黄河善谷信息化服务平台等；第二阶段（第二阶段（2016-2018年）年）2016-2018年，重点推进“智慧吴忠”网络基础设施能力提升，重点推进城市建设管理延伸应用建设和城市功能提升，重点推进智慧社区等专项应用建设，重点推进基本公共服务应用建设和智慧产业升级。第三阶段（第三阶段（2019-2020年）年）2019-2020年，重点推进“智慧吴忠”社会化运营与绩效评估，整合政府资源、行业资源及现有成熟的智慧城市应用，完善提升“智慧吴忠”综合应用，为广大用户提供本地化的、贴近民生的、一站式的门户，让用户充分感受智慧城市的魅

28、力，全面满足城市智慧化运营和发展的需求，解决城市发展问题，促进社会和谐。七、七、“智慧智慧XX”实施路径实施路径3.项目建设阶段划分项目建设阶段划分运营运运营运维阶段维阶段项目实项目实施阶段施阶段立项审立项审批阶段批阶段七、七、“智慧智慧XX”实施路径实施路径4.投资运营模式投资运营模式序号项目名称运营模式基础提升1网络与基础设施政府财政投入+服务外包或承包协议2公共信息服务平台政府财政投入+服务外包或承包协议3云中心政府财政投入+服务外包或承包协议智慧利民4智慧交通BT或BOT5平安城市政府财政投入+服务外包或承包协议6智慧安全之食品安全政府财政投入+服务外包或承包协议7智慧医疗LBO8智慧

29、社保政府财政投入+服务外包或承包协议9智慧慈善政府财政投入+服务外包或承包协议智慧兴业10智慧旅游LBO11智慧城管政府财政投入+服务外包或承包协议七、七、“智慧智慧XX”实施路径实施路径5.经费预算：经费预算：91864万元万元序号序号项目名称项目名称项目预算项目预算基础提基础提升升1网络与基础设施8002公共信息服务平台80003云中心14000智慧利智慧利民民4智慧交通160005平安城市85006智慧安全之食品安全65007智慧医疗50008智慧社保25489智慧慈善740智慧兴智慧兴业业10智慧旅游800智慧助智慧助政政11智慧城管450012智慧规划1300 13智慧建管950 14智慧房管800 15智慧应急225516智慧营区168617智慧宣传150018智慧政务265019智慧国土2100智慧安全之市政安全八、八、“智慧智慧XX”保障体系保障体系1 1、组织管理体系、组织管理体系2 2、政策保障体系、政策保障体系3 3、法规保障体系、法规保障体系4 4、人才保障体系、人才保障体系5 5、项目进度、质量、项目进度、质量Thank You！