1、第第1章绪论章绪论 1.1 概述 1.2 智能检测系统的形成、发展与特点 1.3 智能检测技术的地位和作用 1.4 参数检测的智能化方法 1.5 智能检测装置的主要形式1.1 概述检测技术与仪器是人们认识世界的方法与工具，是现代科学技术和工业生产的重要组成部分。历史经验表明，现代化检测手段所达到的水平很大程度上决定了科学研究的深度和广度，从某种意义上讲，没有现代检测技术就没有现代的科学发展，也没有现代的科技成就。现在，检测技术早已渗透到科学研究、工业生产、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、宇宙开发、海洋探测甚至文物保护等极其广泛的领域，在发展国民经济、推动社会进步方面起到了极为重要的作用
2、，而且随着人类认识范围的扩大，这种作用将愈加重要。1.2 智能检测系统的形成、发展与特点科学发展观的核心是以人为本，随着以人为本的应用需求的推动，智能检测技术与系统已成为当前检测技术与系统发展的主流方向。目前，典型的智能检测系统包括以单片机为核心的智能仪器和以PC机为核心的自动测试系统。检测系统的智能化归功于计算机技术的发展。电子计算机的出现为现代智能检测系统（Intelligent Measuring System）的发展提供了有效的手段。总体上说，检测技术与系统的智能化可分为三个层次，即初级智能化、中级智能化及高级智能化。智能检测系统从系统的角度出发，将被测对象看作具有复杂内部组成的系统，
3、通过构筑智能化、多方位的测量、处理、分析部件，完成对被测对象高速度、高精确度、多参数、多功能的测试任务。智能检测系统具有以下特点：（1）测量过程软件控制 （2）高度的灵活性 （3）测量速度快 （4）智能化功能强（测量自主选择、智能化数据处理、多参数检测与信息融合、故障自诊断等）1.3 智能检测技术的地位和作用随着人类社会进入信息时代，信息在人类社会生活中的作用显得越来越重要，智能检测技术是帮助人们获取信息的基本方法和途径。智能检测技术的重要地位和作用主要体现在以下四个方面：（1）智能检测技术是实现产品检验和质量控制的重要手段 （2）智能检测技术有助于更好地监测系统安全经济运行 （3）智能检测技
4、术是综合自动化系统不可缺少的组成部分 （4）智能检测技术是推动现代科学技术进步的重要手段 1.4 参数检测的智能化方法参数检测智能化的水平和实现方法因检测对象、检测要求和应用环境的不同而异。对检测精度要求较高、自动化水平较高或在环境恶劣条件下工作的检测系统，其智能化水平要求相应较高；在一般的检测系统中，则可以采用较初级或简洁的智能化实现，以提高性能价格比。参数检测的智能化方法大致可以分为两类，一类是传感信号处理方法，一类是以知识为基础的决策处理方法，智能检测系统往往是这两种方法的混合。图 1.1给出了智能检测系统典型功能框图。图1.1 智能检测系统功能框图1.5 智能检测装置的主要形式智能检测
5、装置主要有以下四种实现方式：（1）智能传感器，智能传感器（Smart Sensor)是内置有智能功能的传感装置。（2）智能仪器，智能仪表是最早出现的智能检测装置。（3）虚拟仪器，虚拟仪器是以通用微型计算机的软硬件资源为基础，采用插入通用测量模块的方式构建的专用仪器。（4）智能检测系统，智能检测系统可以采用嵌入式微处理器，或采用通用的微型计算机来构建，并可以与其它控制和执行系统组合，实现对数据的采集与处理。智能检测系统由硬件和软件两大部分组成。典型的智能检测系统的硬件基本结构如图1.2所示。图1.2智能检测系统硬件构成框图智能检测系统的硬件构成：（1）微机子系统 （2）数据采集子系统及接口 （3
6、）基本I/O子系统及接口 （4）通信子系统及接口 （5）控制子系统及接口智能检测系统的软件构成：（1）初始化模块 （2）数据采集模块 （3）数据处理模块 （4）人机接口模块 （5）通信与控制模块 （6）时钟管理模块 （7）监控模块智能检测系统的分类 目前尚没有统一的标准对智能检测系统进行分类，可以根据被测对象分类，也可以根据智能检测系统所采用的标准接口总线分类。按被测对象的不同，可将智能检测系统分为在线实时智能检测系统和离线智能检测系统；根据所采用的标准接口总线的不同，智能检测系统可以分为通用接口总线（GPIB）系统、RS232C系统、CAN系统、USB系统等。关于智能检测系统的更详细内容将在
7、第11章中介绍。思考题与习题试分析智能检测技术与系统的产生背景。简述智能检测系统的含义和特点。举例说明智能检测系统的智能功能。智能检测技术的地位和作用是什么？参数检测的智能化方法是什么？简述智能检测装置的主要形式。第第2章非电量检测基础章非电量检测基础 2.1 温度检测 2.2 压力检测 2.3 流量检测 2.4 物位检测 2.5 成分检测概述大多数情况下，被测量都是以非电量的形式存在，如工业生产与控制中常用的温度、压力、流量、物位、成分量等。对这些非电参数的检测总是离不开敏感元件，敏感元件利用一定的效应（包括物理效应、化学效应或生物效应等）和物理现象，将被测量转换为易于处理、使用和表示的信息
8、形式（通常为电信号）。通过敏感元件实现信息表现方式转换的技术称为传感技术，智能检测技术与系统中实现信息表现方式转换的敏感元件称为传感器。本章主要针对工业生产与控制中的常用检测量，介绍与之对应的一些典型的检测方法。2.1 温度检测 温度作为工业生产过程中一个常见且重要的物理量，直接和安全生产、产品质量、生产效率、节约能源等重大技术经济指标相联系，对温度的测量和控制是许多生产系统必不可少的环节。温度测量方法可分为接触式和非接触式两大类。接触式测温要求温度敏感元件与被测对象接触，如热电式传感器；非接触式测温时温度敏感元件不与被测对象接触，如红外测温仪、微波测温仪、光纤温度传感器等。2.1.1 热电式
9、传感器热电式传感器是一种能将温度变化转换为电量变化的传感器。在各种热电式传感器中，以将温度转换为电势或电阻的方法最为普遍，对应的元件分别称为热电偶、热电阻和热敏电阻。即热电偶是将温度变化转换为热电动势的测温元件；热电阻和热敏电阻是将温度变化转换为电阻值变化的测温元件。热电偶：热电偶：热电偶被广泛用于测量1001300范围内的温度，它具有结构简单、制作容易、精度高、温度测量范围宽、动态响应特性好、输出信号便于远传等优点。（1）测温原理：热电效应，接触电动势，热电偶回路的总电动势。（2）结构与种类：普通型热电偶，在工业上使用最为广泛，它一般由热电极、绝缘管、保护管和接线盒等几个主要部分组成，如图2
10、.1所示；特殊热电偶，为适应工业测温的一些特殊需要，如超高温、超低温、快速测温等，我国生产的有铠装型热电偶、薄膜型热电偶等。目前，国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐了8种标准化热电偶。图2.1 普通型热电偶的结构 （3）冷端温度补偿：由热电偶的测温原理可以知道，热电偶产生的热电动势大小与两端温度有关，热电偶的输出电动势只有在冷端温度不变的条件下，才与工作端温度成单值函数关系。实际应用时，由于热电偶冷端离工作端很近，且又处于大气中，其温度受到测量对象和周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定，这样会带来测量误差。需要进行温度补偿，方法有：补偿导线法、冷端恒温法、冷端温度校正法、自动补
11、偿法。（4）实用测温电路：测量一点的温度，如图2.2所示；测量两点间的温度差（反极性串联），如图2.3所示；测量平均温度（同极性并联或串联），如图2.4、2.5 所示。图2.2热电偶单点温度测量线路图2.3热电偶测量两点间温度差的线路图2.4热电偶的并联测温线路图2.5热电偶的串联测温线路热电阻：热电阻：热电阻作为一种测温元件，它是利用导体的电阻值随温度变化而变化的特性来实现对温度的测量。最常用的热电阻材料是铂和铜。工业上被广泛用来测量中低温区200oC500oC的温度。热电阻测量电路 两线制三线制四线制 热敏电阻：热敏电阻：热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件
12、，其特点是电阻率随温度而显著变化。它是由某些金属氧化物（如NiO、MnO2、CuO、TiO2等），采用不同比例配方，经高温烧结而成的。它主要由敏感元件、引线和壳体组成。热敏电阻的结构形式热敏电阻的温度特性2.1.2 光纤温度传感器辐射光纤温度传感器：辐射光纤温度传感器：辐射光纤温度传感器是利用非接触方式检测来自被测物体的热辐射方法，若采用光导纤维将热辐射引导到传感器中，可实现远离测量；利用多束光纤可对物体上多点的温度及其分布进行测量；可在真空、放射线、爆炸性和有毒气体等特殊环境下进行测量。荧光发射型光纤温度传感器：荧光发射型光纤温度传感器：荧光发射型光纤温度传感器不依赖于激发光的强度，仅依赖于
13、温度。此种方式的测量精度达0.1。光强调制型光纤传感器：光强调制型光纤传感器：这种传感器的测量范围随半导体材料和光源而变，通常在100oC300，响应时间大约为2s；测量精度在3。目前，国外光纤温度传感器可探测到2000高温，灵敏度达到1，响应时间为2s。探针型光纤温度传感器荧光发射型光纤温度传感器光强调制型光纤温度传感器半导体的光透过率特性2.1.3 红外测温仪红外测温仪是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。一般是由光学系统、探测器、信号调节电路和显示单元等几部分组成。其中，红外探测器是红外测温仪的核心器件。红外探测器按探测机理的不同，通常可分为两大类：热探测器和光子探测器。热探测器
14、：热探测器：红外线被物体吸收后将转变为热能，热探测器正是利用了红外辐射的这一热效应。热探测器的主要优点：响应波段宽，响应范围为整个红外区域，室温下工作，使用方便。光子探测器：光子探测器：光子探测器型红外传感器是利用光子效应进行工作的传感器。光子探测器的主要特点：灵敏度高、响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般工作于低温。电介质的极化与热释电电介质的极化与电场的关系红外测温仪的测量方法红外测温仪的测量方法：图2.6是一个红外测温仪的简单原理框图。测温系统主要由下列几部分组成：红外光透镜系统、红外滤光片、红外激光器、光电检测器、微处理器和共轭光学测距仪。图2.6红外测温仪的原理框图工
15、作时由红外光的透镜系统汇集其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。目标红外线在到达光电检测器时，红外滤波片把红外线波长滤波成为光电检测器的理想波长。红外辐射聚焦在光电检测仪上并转变为相应的电信号。红外激光器是用于在测量过程中对被测对象的瞄准作用。为了获得精确的温度读数，测温仪与测试目标之间的距离必须在合适的范围之内，共轭光学测距仪测定仪器到目标的距离。在定测量距离时，应确保目标直径等于或大于受测的光点尺寸。2.1.4 微波测温仪基本工作原理：基本工作原理：任何物体的温度高于环境温度时，都要向外辐射能量。当该辐射能量到达接收机输入端口时，如果仍然高于基准温度（通常为
16、室温），则接收机将感知到该信号并在其输出端输出信号。图2.7给出了微波测温仪的原理框图。图2.7微波测温仪原理框图042(,)ckTeT2.2 压力检测压力是工业生产过程中的重要参数之一，许多生产工艺要求在一定的压力条件下进行，才能保证产品质量；压力的监控往往也是安全生产的要求。因此，压力测量与控制在工业生产中具有特殊的地位和意义。压力在物理学上称为压强（单位：帕斯卡或Pa），定义为单位面积上的受力大小，因此，它是力和面积的导出量，压力测量可以转化为作用在已知面积上的力的测量，压力的测量方法众多，这里介绍利用敏感元件将被测压力转换为各种电量的电测式压力计，包括应变式、压电式、电容式和霍尔式。2
17、.2.1 应变式压力计应变是物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。当外力去除后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状的应变称为弹性应变。具有弹性应变特性的物体称为弹性元件。应变式压力计是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩、压力等的作用下发生变形，变换成相应的应变，然后传递给与之相连的应变片，将引起应变敏感元件的电阻值发生变化，通过转换电路变成电量输出。输出的电量大小反映了被测物理量的大小。值得指出的是，电阻应变片容易受到温度的影响，测量时要注意进行温度误差补偿。应变效应电阻应变片的种类1、金属电阻应变片（应变效应为主）、金属电阻应变片（
18、应变效应为主）金属电阻应变片的工作原理是主要基于应变效应导致其材料几何尺寸的变化，因此金属电阻应变片的灵敏度系数为（常数）。2、半导体应变片（压阻效应为主）、半导体应变片（压阻效应为主）与金属应变片情况刚好相反，半导体应变片的工作原理是主要基于半导体材料的压阻效应，即单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。其灵敏度系数为：（常数）应变式流体压力测量方法：12K KE2.2.2 压电式压力计压电式压力计是以某些介质的压电效应作为工作基础的。压电效应就是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象而表面出现电荷集聚的现象，也称为正压电效应。由于某些介质材料
19、具有压电效应，在受力作用而变形时，在两个表面上产生符号相反的电荷，机械能转变为电能；在外力去除后又重新恢复到不带电状态。压电式压力计的特点是结构简单、体积小、重量轻；工作频带宽；灵敏度高；信噪比高；工作可靠；测量范围广等。石英晶体压电陶瓷电荷符号与受力方向的关系具有压电效应的材料称为压电材料。自然界中大多数晶体具有压电效应，但十分微弱。石英晶体的压电效应在1680年被发现，具有更强压电效应的多晶陶瓷材料随后也得以发现和利用。压电式压力计可以直接用于实现力电转换，影响这种转换效果的主要因素包括：压电材料的选取、变形方式、机械上串联或并联的晶片数、晶片的几何尺寸和合理的传力结构。压电式单向压力计的
20、结构如图2.8所示。它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖和基座等组成。石英晶片P电极基座上盖绝缘套图2.8压电式压力计的核心结构 2.2.3 电容式压力计工作原理：工作原理：平板电容式传感器的结构如图2.9所示。在不考虑边缘效应的情况下，其电容量的计算公式为：式中：两平行板所覆盖的面积 电容极板间介质的介电常数 真空介电常数（等于8.85410-12）极板间介质相对介电常数 两平行板间的距离。由式（2.1）可见，当被测参数变化如果保持 、不变，而被压力使 变化，将导致电容量 C 随之发生变化，这就是电容式压力计的工作基础。图2.9平板电容器的结构0rAACdd A0rd（2.1）Ard电容量与
21、极板间的非线性关系测量方法：测量方法：图2.10为差动电容式压力计结构图。它由一个膜片动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成差动电容器。差动结构的好处在于灵敏度更高、非线性得到改善。当被测压力作用于膜片并使之产生位移时，使两个电容器的电容量一个增加，一个减 小，该电容值的变化经测量电路转换成电 压或电流输出，它反映了压力的大小。图2.10差动电容式压力计结构2.2.4 霍尔式压力计霍尔效应：霍尔效应：当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。霍尔效应产生的电动势被称为霍尔电势。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔元
22、件：霍尔元件：霍尔元件的结构比较简单，它由霍尔片、4根引线和壳体三部分组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在长度方向焊有两根控制电流端引线a和b，它们在薄片上的焊点称为激励电极；在薄片另两侧端面的中央以点的形式对称地焊有c和d两根输出引线，它们在薄片上的焊点称为霍尔电极。霍尔元件壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。霍尔元件的外形、结构和电路符号如图2.11所示。图2.11 霍尔元件及符号 测量方法：测量方法：任何非电量只要能转化为 位移的变化，均可利用霍尔式位移传感 器的原理变换成霍尔电势。霍尔式压力 传感器是利用弹性元件（如膜盒、波登 管）把被测压力转换成位移量，由于霍 尔元件固定
23、在弹性元件的自由端上，因 此，弹性元件产生位移时将带动霍尔元 件，使它在线性变化的磁场中移动，从而输出霍尔电动势。其结构原理如图2.12所示。图中，波登管一端固定，另一自由端安装在霍尔元件中。当输入压力增加时，波登管伸长，使霍尔元件在恒定磁场中产生相应的位移，输出与压力成正比的霍尔电势。图2.12 霍尔式压力计 2.3 流量检测在现代工业生产中，经常需要对流体（气体或液体）的输送进行计量和控制，即涉及到对流量的测量。流量定义为单位时间内流过管道某一截面的体积或质量数，因此，流量分为体积流量和质量流量。2.3.1 电磁流量计电磁流量计以电磁感应原理为基础，当 导体在稳定均匀的磁场中，沿着垂直于
24、磁场方向作切割磁力线运动时，导体内 将产生感应电动势。在电磁流量计中，当其结构参数确定以后，感应电动势与 线圈相对磁场的运动速度成正比。电磁 流量计由均匀磁场、不导磁不导电的管 道、管道截面上的导电电极和测量仪表等构成，其测量原理如图2.13所示。图2.13 电磁流量计原理图244vDDqvEB 2.3.2 超声波流量传感器超声波的特性是频率高、波长短、绕射现象小。它最显著的特性是方 向性好，且在液体、固体中衰减很 小，穿透本领大，碰到介质分界面 会产生明显的反射和折射，因而广 泛应用于工业检测中。超声波流量 传感器是利用超声波在流体中传输时，在静止流体和流动流体中的传播速度不同的特点，从而求
25、得流体的流速和流量。如图2.14所示为超声波流量传感器的工作原理图。图2.14 超声波流量传感器工作原理图常用的测量方法 时差法测流量 相位差法测流量 频率差法测流量tLcvcos22cos22LcvfLvcos22.3.3 光纤旋涡流量传感器光纤旋涡流量传感器是将一根多模 光纤垂直地装入管道，当液体或气 体流经与其垂直的光纤时，光纤受 到流体涡流的作用而振动，振动的 频率与流速有关。测出光纤振动的 频率就可确定液体的流速。光纤旋 涡流量传感器结构如图2.15所示。当流体运动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时，根据流体力学原理，在某些条件下，在非流线体的下游两侧产生有规则的旋涡。图2.15
26、 光纤旋涡流量传感器结构tvfSd2.4 物位检测物位是指存于各种容器内的液体表面高度及所在的位置（液位），或固体颗粒、粉料、块料堆积的高度或表面所在位置（料位），或两种密度不同且互不相溶的液体间或液体与固体间的分界面高度（界位）。在工业生产中，对物位的监视与控制有利于生产的正常运行和进行必要的经济核算。2.4.1 电容式液位传感器电容式液位传感器的测量原理如 图2.16所示。测量电极安装在罐 的顶部，这样罐壁和电极间形成 一个电容器。当罐内放入被测物 料时，实际上是改变介电常数，导致传感器的电容量变化，变化 的大小与罐内被测物料的高度成 比例变化。如果检测出这种电容 量的变化就可测定物料在罐
27、内的高度。灵敏度：图2.16 电容式液位传感器测量原理002(1)lnrhCCCDd 0002112lnlnrrhC CHKhDDhHdd2.4.2 超声波物位传感器超声波测量物位是根据超声波在两种介质的分界面上的反射特性而工作的。图2.17为几种超声波检测物位的工作原理图。(a)置于液体中的单换能器 (b)置于液体中的双换能器(c)置于液面上方的单换能器 (d)置于液面上方的双换能器 图2.17 超声波物位检测的工作原理2tvh22ash根据发射和接收换能器的功能，超声波物位传感器可分为单换能器和双换能器两种。单换能器在发射和接收超声波时均使用一个换能器（如图2.17(a)、(c)所示），而
28、双换能器对超声波的发射和接收各由一个换能器担任（如图2.17(b)、(d)所示）。超声波物位传感器可放置于液体中（如图2.17(a)、(b)所示），让超声波在液体中传播。由于超声波在液体中衰减比较小，所以即使产生的超声波脉冲幅度较小也可以传播。超声波物位传感器也可以安装在液面的上方（如图2.17(c)、(d)所示），让超声波在空气中传播。这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。如果从发射超声波脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以实现对物位的测量。2.4.3 微波界位计如图2.18所示。当被测物体位置 较低时，微波发
29、射天线发出的微 波信号全部被接收天线接收，经 过检波、放大与设定电压比较后，得出物体位置是否正常的结论。当被测物体的位置升高到天线所 在高度时，微波信号部分被物体吸收、部分被物体反射，接收天线此时接收到的微波功率相应减弱，经检波、放大处理后与设定电压比较，低于设定电压值，则微波界位计发出被测物体位置高于设定位置的信号。图2.18 微波界位计2.5 成分检测成分量检测一般针对气体组成及含量、液体的浓度及空间的湿度。成分量检测也是工业生产中的常见环节，具有相当重要的地位；判断被测量成分是否符合生产过程要求或产品质量标准，是进行成分量检测的主要出发点。这里只介绍红外线气体分析仪和半导体式气敏传感器。
30、2.5.1 红外线气体分析仪红外线在大气中传播时，由于大气中不同的气体分子、水蒸气、固体微粒和尘埃等物质对不同波长的红外线都有一定的吸收和散射作用，形成不同的吸收带，从而会使红外辐射在传播过程中逐渐减弱。空气中的双原子气体具有对称结构、无极性，如N2、O2和H2等气体；以及单原子惰性气体，如He、Ne、Ar等，它们不吸收红外辐射。红外线气体分析仪利用了这一特性。它设有一个测量室和一个参比室。测量室中含有一定量的被分析气体，对红外线有较强的吸收能力，而参比室（即对照室）中的气体不吸收红外线，因此两个气室中的红外线的能量不同，将使气室内压力不同，导致薄膜电容的两电极间距改变，引起电容量变化，电容量
31、的变化反映被分析气体中被测气体的浓度。不同气体对红外线的透射光谱红外线气体分析仪结构 2.5.2 半导体式气敏传感器半导体式气敏传感器是用氧化 锡、氧化锌等金属氧化物材料 制作成敏感元件，利用敏感材 料接触气体时其电阻值的变化 来检测特定气体的成份或浓度。空气中的氧成份大体上是恒定 的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体进入到这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与电阻值的变化关系即可得知气体的浓度。图2.19 N型半导体吸附气体时器件阻值变化SnO2气敏电阻的灵敏度特性 主要类型电阻式气敏传感器是目前使用较为广泛的气敏传感器件
32、之一。按其结构可分为三类：烧结型、薄膜型和厚膜型。烧结型：直热式气敏器件的结构和符号旁热式气敏器件的结构和符号薄膜型气敏器件薄膜型气敏器件的制作是采用真空镀膜或溅射的方法，在处理好的石英或陶瓷基片上形成一薄层金属氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出电极,就构成了薄膜型气敏器件。大量实验证明：SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好。薄膜型气敏器件的优点是：灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低等。厚膜型气敏器件厚膜型气敏器件是将SnO2和ZnO等材料与315重量的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在400800高温下烧结12小时制成。
33、该类器件的优点是：一致性好，机械强度高，适于批量生产。三、特点三、特点优点：工艺简单，价格便宜，使用方便；气体浓度发生变化时响应迅速；即使是在低浓度下，灵敏度也较高。缺点：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强，各器件之间的特性差异大等。目前半导体式气敏传感器已广泛应用于液化石油气、管道煤气等可燃性气体的泄漏检测，（浓度）定限报警等领域。思考题与习题试分析热电偶的测温原理。热电偶的中间温度定律有什么意义？热电偶的冷端温度补偿有哪些方法？某工业用炉需要控制在一定温度下，试用热电偶设计一个温度测量与控制系统，并解释其工作原理。试解释热电阻丝采用双线并绕的原因。试区分铂热电阻和铜热电阻。热电阻测量电路
34、采用三线制接法以排除引线电阻对测量结果的影响，有何要求？与热电阻相比，热敏电阻有何特点？热敏电阻有哪三种类型？各有何特点？光纤温度传感器是如何实现测温的？试比较热探测器和光子探测器这两种红外探测器的工作机理。简述实现压力测量的主要方法及其原理。分析超声波流量传感器实现流量测量的方法。设计一个实现储罐中液位测量的方案并解释其工作原理。半导体气敏电阻为何能够实现气体成份分析？试画出还原型气体接触到N型半导体气敏器件时的阻值变化趋势曲线。第第3章智能仪器章智能仪器 3.1 概述 3.2 非集成智能仪器 3.3 集成智能仪器 3.4 智能仪器的人机接口 3.5 智能仪器的软件构成 3.6 智能仪器的发
35、展趋势3.1 概述在智能仪器出现之前，仪器仪表的发展经历了模拟仪器和数字化仪器两个阶段，模拟仪器（如指针式电压表、电流表、功率计等）输入输出的均是模拟信号，功能相对较简单、精度较低、响应速度较慢；数字化仪器（如数字万用表、数字频率计等）则将待测的模拟信号转换成数字信号进行测量，并将测量结构以数字形式输出，数字化仪器精度高、响应速度快、读数直观。所谓智能仪器，就是一种以微处理器为核心单元，兼有检测、判断和信息处理等功能的智能化测量控制系统。智能仪器的最大特点就是将传感器检测信号的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起，与传统仪器相比，智能仪器在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多
36、样化方面都取得了大的进步。3.1.1 智能仪器的分类按实现方式划分，智能仪器有两种形式：非集成智能仪器，非集成智能仪器，也称为微机嵌入式智能仪器，采用微处理器或微型计算机系统以强化和提高传统传感器的功能，它有强大的软件支撑，具有完善的智能化功能。集成智能仪器集成智能仪器，也称为智能式传感器，是指借助于半导体技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，从而形成大规模集成电路智能仪器，这类智能仪器不仅具有完善的传感功能和智能化功能，而且还具有更高级的传感器阵列信息融合等功能，从而使其集成度更高、功能更加强大。3.1.2 智能仪器的构成智能仪器由硬件和软件两大部分构
37、成，可以认为智能仪器是一个专用的微型计算机系统。智能仪器的硬件一般组成如图3.1所示，主要包括传感器、主机电路、模拟量输入/输出通道、人机接口电路等。软件部分主要包括监控程序、接口管理程序和数据处理程序。图3.1 智能仪器的构成框图 3.1.3 智能仪器的功能和传统的检测仪器相比，智能仪器具有以下功能：具有逻辑判断、决策和统计处理功能。具有自诊断、自校正功能。具有自适应、自调整功能。具有组态功能。具有记忆、存储功能。具有数据通讯功能。3.1.4 智能仪器的特点高精度多功能 高可靠性和高稳定性 高分辨率 高信噪比 友好的人机对话能力 良好的网络通信能力 自适应性强 高性价比 与传统检测仪器相比，
38、智能仪器的特点主要表现为：3.1.5 智能仪器的发展 随着传感器和检测技术应用的深入，对智能仪器的要求也越来越高，当前，智能仪器的发展表现出以下四个方面的新趋势。多功能化 智能化 微型化 网络化3.2 非集成智能仪器非集成智能仪器也称微机嵌入式智能仪器，即将传统的传感器、单片机或微型计算机、模拟量输入输出通道、标准数据通信接口、人机界面和外设接口等分离部件封装在一起，组合为一个整体而构成。这类智能仪器一般为专用或多功能产品，具有小型化、便携式、低功耗、易于密封、适应恶劣环境、低成本的特点。对于自动化仪表生产厂家来说，非集成智能仪器仍保持着仪器原有的面貌，这种实现方式可使其原有的一整套生产工艺设
39、备基本不变，因此，是一种最经济、便捷的实现方式，也是智能仪器最基本的实现方式。典型应用：典型应用：图3.2是用于应力测量的智能仪器的硬件结构图。该智能仪器用于测量飞机机翼上各个关键部位的应力大小，并判断机翼的工作状态是否正常以及故障情况。图3.2 智能仪器用于应力测量的硬件结构图 智能式应力测量仪具有测量、程控放大、转换、处理、模拟量输出、打印键盘监控及通过串口与计算机通信的功能。其软件采用模块化和结构化的设计方法，结构如图3.3所示。图3.3 智能仪器测量应力的软件框图 3.3 集成智能仪器集成智能仪器即智能式传感器的实现，依赖于大规模集成电路和微机械加工工艺，利用硅作为基本材料来制作敏感元
40、件、信号调理电路、微处理器单元，并将它们集成在一块芯片上，实际上，这是将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构成传感器阵列。传感器的集成化主要有三种情况：将多个功能完全相同的敏感单元集成在同一个芯片上，用来测量被测量的空间分布信息；对多个结构相同、功能相近的敏感单元进行集成；对不同类型的传感器进行集成。典型应用：典型应用：目前已开发的三维多功能的单片集成智能仪器，单片集成智能仪器，是把传感器、数据传送、存储及运算模块集成为以硅片为基础的超大规模集成电路的智能仪器。它已将平面集成发展成三维集成，实现了多层结构，如图3.4所示。图3.4 三维多功能单片集成智能仪器 混合集成压力智能仪器混
41、合集成压力智能仪器是采用二次集成技术制造的混合智能仪器，即在同一个管壳内封装了微控制器、检测环境参数的各种传感元件、连接传感元件和控制器的各种接口/读出电路等电路及器件，具有数据处理功能，并且可以根据环境参数的变化情况，自主地开始测量或者改变测试频率，具有了智能化的特点。美国Honeywell公司1983年在世界上率先研制出商品化的智能仪器ST-3000智能压力传感器，能在同一块半导体基片上用离子注入法配置扩散了差压、静压和温度三个传感元件。该款传感器将多参数传感与智能化的信号调理功能融为一体，彻底打破了传感器与变送器的界限。3.4 智能仪器的人机接口人机接口是体现智能仪器智能化的一个重要部分
42、，也是设计智能仪器的关键之一。一个优秀的人机接口可以增强智能仪器的功能，提高仪器的输入效率和输出效果，降低对操作人员的要求。智能仪器人机接口分为输入接口和输出接口两大类。3.4.1 输入接口智能仪器的输入接口通常有四种类型，即问答对话式、专用指令式、菜单式和预定义式，并用键盘、鼠标或输入笔等作为主要的接口控制方式。问答对话式和菜单式操作方法简单，对操作者要求较低，较适合新手的使用；专用指令式和预定义式对接口设计和仪器操作使用要求较高，设计周期长，但对于有经验的使用者来说，操作灵活快捷。专用指令式人机接口菜单式人机接口智能化人机接口 3.4.2 输出接口这里主要讨论智能仪器中两种最主要的输出外设
43、及其接口：一、LED显示器 LED发光二极管发光二极管是由某些特殊半导体材料制作成的PN结，由于掺杂浓度很高，当正向偏置时会产生大量的电子-空穴复合，把多余的能量以光能的形式释放出来。LED具有工作电压低、体积小、寿命长、响应速度快、颜色丰富等特点，是智能仪器最常用的显示器。LED的正向工作压降一般在1.6V2.4V，发光工作电流在10mA20mA，故电路中需串联适当的限流电阻，反向击穿电压通常是正向工作电压的550倍；发光强度基本上与正向电流成正比，发光效率和颜色取决于制造的材料。LED主要有七段和点阵式等几种类型。七段LED显示器的结构 译码显示电路软件译码静态显示电路原理图动态扫描显示器
44、接口电路 57点阵字符显示器的结构与字形代码 点阵式LED显示器接口电路原理图 二、LCD显示器显示器 LCD显示器显示器的主要材料是液态晶体，它是一种有机材料，在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性，其透明度和颜色随电场、磁场、光、温度等外界条件变化而变化。液晶显示器有分段式和点阵式两种。分段式是在平整度很好的玻璃上喷上二氧化锡透明导电层，刻出七段作为正面电极，在另一块玻璃上对应地做成8字形背电极，然后封装成间隙约10um的液晶盒，灌注液晶后密封而成。在液晶屏的正面电极的某段和背电极间加上适当大小的电压，在电场作用下则该段所夹持的液晶的“旋光”作用消失，允许偏振光直
45、接通过，显示出对应的字符来；当去掉电场后，液晶分子恢复其扭曲结构，偏振面旋转900，出现旋光效应，光线不能通过，也就无法显示字符。LCD的基本驱动电路及波形 LCD通常采用异或门显示控制信号和显示频率信号合并为交变的驱动信号，如图3.12所示，当显示控制电极上的波形与公共电极上的方波相位相反时，则为显示状态。显示控制信号由C端输入，高电平为显示状态。显示频率信号是一个方波。当异或门的C端为低电平时，输出端B的电位与A端相同，LCD两端的电压为0，不显示；当异或门的C端为高电平时，B端的电位与A端相反，LCD两端呈现交替变化的电压，LCD显示。LCD的驱动方式分为静态和动态两种。静态驱动方式的L
46、CD每个显示器的每个字段都要引出电极，所有显示器的公共电极连在一起后引出。适用于显示位数较少的场合。动态驱动方式可以减少LCD的引出线和相应的驱动电路，适用于显示位数较多的场合。动态驱动方式实际上是用矩阵驱动法来驱动字符显示。字段引线相当于行引线，公共电极相当于列引线，字符的每一个字段相当于矩阵的一个点。动态驱动常用分时方法。LCD的驱动接口分为静态驱动接口和动态驱动接口。静态LCD驱动接口的功能是将要显示的数据通过译码器译为显示码，再变为低频的交变信号，送到LCD显示器。译码方式有硬件译码和软件译码两种，硬件译码采用译码器，软件译码由单片机通过查表的方法完成。LCD的动态驱动接口通常采用专门
47、的集成电路芯片来实现。3.5 智能仪器的软件构成智能仪器的软件通常由监控程序、中断程序、测量程序、数据处理程序和通信程序等组成。监控程序监控程序 是智能仪器软件的主体，主要功能包括：管理键盘和显示器，按仪器的键入命令或选择的功能菜单转入相应的功能服务程序；接收输入输出接口、内部电路等发出的中断请求信号，按中断优先级顺序转入相应的中断服务程序，进行实时测量、控制或数据处理；系统的定时器管理；仪器自检和故障诊断处理；仪器初始化、手动/自动切换、电源监控、掉电保护等。测量控制程序测量控制程序 完成测量及其过程的控制，如多通道切换、采样、A/D转换、D/A转换、越限报警、程控增益放大器控制等。这些功能
48、由不同的程序模块来实现，供监控程序或中断程序调用。数据处理程序数据处理程序 包括各种数值运算、非数值运算（如查表、排序、插入等）和智能仪器特有的数据处理（如非线性校正、温度误差补偿、数字滤波等）程序。中断处理程序中断处理程序 处理各种中断服务请求。通信程序通信程序 按某种通信标准协议实现测量数据传输。思考题与习题3.1什么是智能仪器？3.2智能仪器如何分类？3.3智能仪器主要由哪些部分组成？3.4智能仪器的主要功能是什么？3.5智能仪器的特点是什么？3.6试区别非集成智能仪器和集成智能仪器。3.7 智能仪器的输入接口有哪几种实现方式？3.8 分别说明LED和LCD显示器的工作原理。3.9 简述
49、智能仪器的软件构成。3.10 智能仪器的主要发展趋势是什么？第第4章虚拟仪器章虚拟仪器 4.1 概述 4.2 虚拟仪器的构成 4.3 虚拟仪器的软件开发平台 4.4 虚拟仪器的关键技术 4.5 虚拟仪器的数据采集原理 4.6 虚拟仪器的实现实例4.1 概述科学仪器的发展经历了四个阶段，即模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和以软件为核心的虚拟仪器。虚拟仪器是是在通用计算机上加上必要的数据采集硬件，并通过软件来实现仪器的部分或全部功能，完成对被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成的仪器，使得使用者在操作这台计算机时，就像是操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。虚拟仪器最核心的思想就是：利用计
50、算机的硬件和软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。故有“软件就是仪器”、“软件就是系统”之说。4.1.1 智能仪器的特性虚拟仪器的特性主要体现在以下几个方面：增强了传统仪器的功能，增强了传统仪器的功能，将信号分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传输和数据表达能力。“软件就是仪器软件就是仪器”，实现部分仪器硬件的软件化，增加系统灵活性。自由定义仪器，仪器开放灵活，自由定义仪器，仪器开放灵活，虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，可以方便地修改仪器功能和面板，给了用户一
