现代电气测控技术与系统-笔记

一、测控系统导论

1、计算机自动测量和控制系统：是自动控制技术、计算机科学、微电子学、和通讯技术学等有机结合综合发展起来的。

2、计算机控制系统的任务：

1、测量：

1、变换：传感器产生与被物理量成正比的电信号。

2、状态信号测量：电平

3、传输：串行口传输、并行口传输、USB、I2C（数字量）

4、预处理：线性化、平均值、多项式等处理

5、去噪声：数字滤波

6、上下限值：越限报警

2、执行机构的驱动：阀门、伺服电机、继电器的控制等；产生一连串脉冲驱动、继电器的触电闭合、断开控制；DAC数模转化。

3、控制策略（方案）：直接数字控制DDC、顺序控制、监督控制SPC

4、人机交互：控制过程的全部参数和信息、管理信息

5、通讯：一般都是分级分散式结构

3、计算机控制系统的基本结构与类型：

1、基本型：

1、传感器：可分级

2、信号调理：放大—信号匹配，使其进入标准值范围；预滤波—抑制高频谐波；可能还有信号隔离和变换等；变送器—如果信号调理电路输出的是规范化的标准信号，则称为变送器

3、数据采集卡：量程自动变换；多路转换开关分时采样；A/D转换器的离散化或V/F转换

4、计算机

2、标准通用接口型：GPIB和VXI总线

3、闭环控制型：实时数据采集—对过程中的有关物理量的瞬时直接采集；实时判断决策—计算分析，确定下一步控制策略；实用控制—对执行机构发控制信号

4、计算机控制系统的组成：

硬件部分：

1、主机；

2、过程通道—模拟量输入；模拟量输出；开关量输入；开关量输出；数字

量输入；数字量输出；

3、人机联系设备：人为干扰；修改参数；紧急处理

软件部分：系统软件、应用软件

5、计算机测控系统的发展趋势：

虚拟仪器：将具有测量功能的模拟块或仪器卡插入计算机系统的总线槽中，利用软件在屏幕上生成虚拟面板，在软件指导下进行信号采集、运算、分析、输出和处理，从而实现仪器功能，并完成测试和控制的全过程。

6、检测与诊断技术的发展：

交接试验—对电气设备性能有基本的掌握

预防性试验—发现隐含缺陷，并根据需要安排维护和检修

在线监测—针对故障先兆或故障后及时发展

电气设备在线检测技术—将在线检测积累的大量数据和预防性试验检测的数

据相结合，用各种数值方法进行全面综合分析判断，进而发现和扑捉早期缺陷，预测绝缘寿命等。

状态监控和故障诊断系统—传感器技术、光纤技术、人工神经网络、模糊诊断技术

7、电气设备现代测试技术的构成、任务及功能：

传感器系统—用于感知所需要的电气参量和非电气参量

信号采集系统—将传感器得到的模拟量转换成数字量进行传输、数字滤波后，抑制和消除外界干扰和背景噪声，提取真实的信号，并进行信号还原。

分析诊断系统—利用神经网络，模糊诊断，专家系统等进行分析、处理和判断，进行在线诊断等。

现代测试系统任务—识别设备系统的运行状态

状态判别—设备的整体状态

状态分类—设备异常、深入分析确定发生的部位、严重程度及原因等

现代测试技术的功能：

信号检测—根据特定的诊断目的，选择最能表征设备工作状态的信号进行检测

特征提取—将初始模式的向量进行准数压缩，去掉其中的噪声和冗余信息，融合来自各个信道的故障信息，强化和提取故障特征，形成待检模式。

模式识别—将待检模式与样板模式进行比较，明确其所属类别

趋势预测—估计故障的传播发展，并对设备的劣化趋势作出预报。

二、计算机总线接口技术

1、总线及其标准：

总线—指一组通讯导线的集合，用这个集合可以组成系统的标准信息通道，可以把计算机测控系统的模板或各种设备连成一个整体以便彼此间进行信息交换。

总线规约—为了可靠有效地进行各种信息交流，而对总线信号传递规则及传送信号物理介质作一系列的物理规定。

总线标准—某一标准化的组织批准或推荐的物理规定；

总线标准性能—结构性能的好坏，传输速度的高低，总线结构的优化合理度。

2、总线的基本操作：总线主设备，总线从设备；仲裁机构；总线规约，时序等

总线仲裁可以分为：集中仲裁方式；链路方式；分布式。

总线定时：异步系统；同步系统

总线寻址方式：物理寻址；逻辑寻址；广播寻址；

总线数据传输：串行传输；并行传输

总线出错检测：校验和重发

总线控制信号：对设备的初始化操作，清零、启动、停止、复位等；改变总线操作方式，改变数据流向等；指明地址和数据含义等

3、采用总线的优点：简化了系统的硬件和软件设计；简化了系统的设计和结构；系统扩充性和更新性好；便如量产；可维护性好

4、接口及其技术：

接口—一个部件或一台设备与周围环境的理想分界面

接口分类—元件级接口；插板级接口；系统间接口；

接口的基本结构—接口必须具备与数据总线相关的输入/输出的锁存缓冲器，与地址总线联系的地址译码，与总线相关的控制逻辑三大部分。

接口的功能和作用—速度不匹配；时序；信息控制；信号类型等

三、模拟量输入通道

1、模拟量输入通道组成：多路转换器；数据放大器；采样保持器；A/D；I/O

多路转换器：选用原则—通道数据；泄露电流；切换速度；开关电阻；漂移性和一致性。

2、程序控制增益的放大器组成—放大器；可变反馈电阻网络；控制接口

3、量程自动转换技术：

一般要求：量程自动转换，根据被测量量的大小，自动选择合适量程，以保证测量值有足够的分辨率和精度。要求尽可能高的测量速度，根据被测量量大小自动选择合适量程并测量；测量装置量程比被测量低，升到最高量程，切到合适量程；测量装置量程别被测量量高，直接切到合适量。

确定性：指在升降量程时，不应该发生在两个相邻量程间反复选择的情况，降量程取95%，升量程取100%；

安全性：过载保护

转换电路及接口：衰减器；放大器；接口机开关驱动

转换电路的保护：输入过电压保护；过载电压快速切换

4、采样保持电路：

在A/D转换期间内，是模拟信号基本保持不变，才能保证精度；

基本结构：串联型；反馈型；电流校正型

采样保持器的主要性能参数：孔径时间，与A/D转换指令同时发生时，可能会影响精度；孔径时间的不确定性；捕捉时间；保持电压下降；馈送；采样到保持的偏差；电荷转移的偏差。

5、A/D转换：主要是速度和精度

主要性能指标：

分辨率：表示输出数字量变化一个相邻数码所需要输入量的变化

量化误差：由ADC的有限分辨率引起的误差，标准为1LSP，偏移量修正后为1/2LSP

偏移误差：输入信号为零，输出信号不为零的情况

满刻度误差或增益误差：满刻度输出数码锁对应的实际输入电压与理想输入电压之差。

线性度：

绝对精度和相对精度：精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，分辨率是指ADC所能分辨的模拟信号的最小变化值，分辨率低时，不可能达到很高的精度；分辨率高时，不一定达到很高精度。

转换速率：保证转换精度前提下，能够重复转换的速度。

6、ADC与计算机接口技术

数据输出线的连接方式：需要有数据锁存；高于8位，分两次传输，注意高低字节的顺序。

选通信号，启动转换和读出控制信号：注意顺序；时间配合及时序要求。

电源和地线的处理：电源分工作电源和参考电源；接地分数字地、模拟地、信号地。

ADC与计算机信号传递的方法：查询式；等待方式；定时采样方式；中断方式；DMA方式。

四、电气设备测量传感器技术

1、传感器—能感受规定的被测量量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常有敏感元件和转换元件组成。

2、传感器的动态和静态特性：

传感器静态特性：线性度；迟滞（增长与衰减的轨迹不同）、阈值和分辨率；灵敏度；重复性。

传感器动态特性：体现一种跟随性能，有一阶系统，二阶系统等。

3、传感器一般所用的材料：金属、磁性、有机、陶瓷、半导体等。

金属材料：铜

磁性材料：按矫顽力的大小分：软磁性、磁记忆、半硬磁、磁记录介质和永磁材料。

磁滞伸缩效应：在材料的磁化方向和其垂直方向发生相反的尺寸伸缩，并存在相反过程。

陶瓷材料：热敏、力敏、气敏、湿敏、光敏等。利用材料的热敏特性、压电特性、热释电性。

热敏陶瓷材料;

气敏陶瓷材料：在一定温度下，按触还原性气体电阻率发生变化。

湿敏陶瓷材料：电阻率随温度变化而变化（露点传感器）。

压敏陶瓷材料：硅薄膜上的扩散电阻受到压力形变后所发生电阻值的变化。

红外敏感材料：热释电效应。

有机材料：物理刺激敏感材料—电场、磁场、光、射线、热、压力敏感；化学刺激敏感材料—气体、离子、分子。

半导体材料：霍尔效应—当磁场与电流方向垂直时，在与他们垂直的方向产生电势的现象。

4、电气设备非电物理量传感器：

5、热电式和电阻式温度传感器：热电效应—利用不同金属材料之间温度差转换成电势的原理，（热电偶、热电阻和热敏电阻等）

6、光纤温度传感器：

传感性—振幅、偏振面旋转、相位；

传输型—发生光二极管与热敏元件感知，用透射率和反射率元件传输；

分布式—温度随时间和空间变化。

7、红外传感器：用于热电测量、温度测量、红外热成像等。

8、压力传感器：稳态压力测量、瞬态压力测量，可分机械式和电气式两种。

压电式—压电效应，指沿某一方向拉伸或压缩某类晶体时，受力表面产生电荷，电荷量的大小取决于压力的大小及材料，电荷的极性取决于受压力还是拉力，如石英、压力陶瓷等。

电容式—压力作用，电容发生变化。

压组式—硅单晶，压组效应：受力时，其电阻率发生显著变化。

光纤压力和振动传感器：

9、振动加速度传感器：压电式和压组式；光纤等。

10、位移传感器：电阻式；电感式（小距离测量）；电容式；其他（光电式、磁敏电阻、光纤位移传感器、激光等。