现代测控与仪器仪表技术.ppt

HubeiUniversityofTechnology,现代测控与仪器仪表技术,,HubeiUniversityofTechnology,提纲,现代测控与仪器仪表技术的特点；现代测控与仪器仪表工业关键技术框架；现代测控与仪器仪表技术发展趋势。,HubeiUniversityofTechnology,一、现代测控与仪器仪表技术的特点,光、机、电、算一体化，典型视觉测量技术。以软件为核心的数字化测试控制技术，典型虚拟仪器技术；软测量技术。,HubeiUniversityofTechnology,1、光、机、电、算一体化,仪器仪表的自身结构已从单纯机械结构，发展成为集传感技术、计算机技术、电子技术等多种高新技术于一身的系统。技术呈现光、机、电、算一体化的特点。,HubeiUniversityofTechnology,光、机、电、算一体化,例1工业温度测量温度计是测温仪器的总称。根据所用测温物质的不同和测温范围的不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、辐射温度计和光测温度计、双金属温度计等。,HubeiUniversityofTechnology,例1工业温度测量,玻璃温度计,HubeiUniversityofTechnology,例1工业温度测量,双金属指示热电阻偶是具有现场指示和远传显示功能的一体化温度测量仪表，可用来直接测量气体、液体和物质的温度。仪表可现场清晰地看到指示值，又可把信号远传到控制室。传到控制室的信号有Pt100热电阻信号，K型、E型和J型热电偶信号，也有经过变送为4-20mA的标准信号，起到了一表两用的作用。,HubeiUniversityofTechnology,例1工业温度测量,红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统（目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统）接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构（焦平面热像仪无此机构）对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。,HubeiUniversityofTechnology,例1工业温度测量,,HubeiUniversityofTechnology,视觉测量技术,视觉测量技术采用图像传感器（CCD器件等）实现对被测物体的尺寸及空间位置的三维非接触测量。基于机器视觉的机电产品检测系统的一般组成,HubeiUniversityofTechnology,例2视觉测量,基于机器视觉技术的滚针轴承漏针照相检测系统,HubeiUniversityofTechnology,例2视觉测量,检测系统工作原理,HubeiUniversityofTechnology,例2视觉测量,测量系统,HubeiUniversityofTechnology,,系统硬件结构示意图,HubeiUniversityofTechnology,例2视觉测量,图像采集系统的设计,HubeiUniversityofTechnology,例2视觉测量,图像采集系统的组成照明光源低角度LED环形光源。CCD相机Costar公司的SI-M350相机（1/2”分辨率640480隔行扫描相机）。镜头Computar的一款大景深的小角度的镜头M1614-MP。图像采集卡Matrox公司的CronosPlus。,HubeiUniversityofTechnology,例2视觉测量,机械设计满足智能控制自动上料机构照相机构的可调道边可调，适应不同直径的轴承分选结构的安全性,HubeiUniversityofTechnology,例2视觉测量,电气控制设计采用“工控机开关量输入输出板卡”,HubeiUniversityofTechnology,例2视觉测量,气动控制设计,HubeiUniversityofTechnology,例2视觉测量,系统软件功能上料控制图像采集图像识别轴承分拣系统自诊断,HubeiUniversityofTechnology,2、以软件为核心的数字化测试控制技术,美国NationalInstruments公司于1986年提出“软件即仪器”的口号。虚拟仪器VirtualInstrument是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。用户可以在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能。“虚拟”二字主要包括以下两方面的含义仪器面板是虚拟的；仪器功能由软件编程来实现。软件和总线的作用日益突出。,HubeiUniversityofTechnology,,硬件（电子线路）,硬件（电子线路）,虚拟仪器的特点,HubeiUniversityofTechnology,虚拟仪器的优势,,PC逐步普及,PC技术的日趋成熟,仪器的更新换代逐步加快,现状,HubeiUniversityofTechnology,虚拟仪器的发展历程,第一阶段利用计算机增强传统仪器的功能使用通讯总线（GPIB等）控制台式仪器,HubeiUniversityofTechnology,第二阶段开放式的仪器构成出现了插卡式仪器和仪器总线VXIPXI，计算机成为仪器的重要组成部分。,HubeiUniversityofTechnology,,DAQDataAcQuisition,数据采集，指基于计算机标准总线的内置功能插卡。,HubeiUniversityofTechnology,,VXI机箱和模块VXIVME总线在仪器领域的扩展,HubeiUniversityofTechnology,,PXI机箱和模块PXIPCI总线在仪器领域的扩展,HubeiUniversityofTechnology,,第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用虚拟仪器成为主流，几个虚拟仪器平台成为标准工具，产生了虚拟仪器软件标准。,HubeiUniversityofTechnology,LXILANeXtensionsforInstrumentationwww.lxistandard.org,HubeiUniversityofTechnology,HubeiUniversityofTechnology,虚拟仪器的组成,按照虚拟仪器的组成划分，它可以分为计算机、应用软件和仪器硬件三个部分。计算机提供虚拟仪器通用平台，数据存储，显示等；仪器硬件获取被测信号，产生激励信号等；应用软件控制数据采集、控制、分析、处理和显示等，是虚拟仪器的关键。,HubeiUniversityofTechnology,虚拟仪器的分类,可以按应用领域分类，也可以按测量功能分类，最常用是按总线接口类型划分插卡式（DAQ）虚拟仪器串行口（RS232/422）虚拟仪器USB接口虚拟仪器IEEE1394虚拟仪器GPIB虚拟仪器VXI虚拟仪器PXI虚拟仪器LXI虚拟仪器,HubeiUniversityofTechnology,虚拟仪器的结构,HubeiUniversityofTechnology,虚拟仪器使用通用计算机的资源和开发环境,a.计算机资源标准I/O硬件（如串行口，PCI/ISA扩展槽或其它硬件标准）；用户界面，特别是图形用户界面（GUI）；通用软件执行平台，如操作系统和各种动态连接库；和其它计算机和设备连网，用于分布式测控；互联网，为用户提供远程测量和监控功能。,HubeiUniversityofTechnology,b.软件开发环境通用软件开发环境，包括各种版本的C/C（包括VisualC、BorlandCBuilder等），VisualBasic，Delphi，Java，VisualS等。测控专用软件开发环境，LabVIEW、LabWindows/CVI、AgilentVEE等。其它测控软件工具（如NI公司的ComponentWorks、HIQ、SPCToolkit、SQLToolkit等，Agilent公司的TMProgrammersToolkit等，以及其他厂商的ActiveX控件等）。,HubeiUniversityofTechnology,例3轮对激光自动测量机,按照铁道部关于铁路客、货车轮对质量技术要求和国外客户关于轮对质量的技术数据。基于虚拟仪器技术，自动完成轮对参数的测量，取代了传统的人工测量方法，减少了人为测量误差，保证数据的可靠性，测量数据可与HMIS系统共享。,HubeiUniversityofTechnology,轮对激光自动测量机,轴向尺寸测量,HubeiUniversityofTechnology,,,,,,,自动学习功能根据新产尺寸自动调整、存储测量运动轨迹,轮对激光自动测量机,HubeiUniversityofTechnology,轮对激光自动测量机,计算机测控系统,激光位移传感器,像机,,,多功能数据卡,图像采集卡,PXI总线便携式机箱,,,控制,运动系统,运动控制卡,HubeiUniversityofTechnology,例4虚拟数字万用表,RIGOL产品VM3000系列数字万用表是一款集高精度数据采集、自动测量、多通道巡检测量、多种数学变换功能、任意传感器测量等功能于一身的虚拟数字万用表。,HubeiUniversityofTechnology,50kSPS高速数据采集,高精度,真正6位显示,任意传感器测量,1M存储深度,26种测量功能,自动测量及巡检功能,USB、LAN接口,,,VM3000虚拟万用表,HubeiUniversityofTechnology,USB2.0接口,,,LAN接口,,POWER,,16路巡检接口,高压测量,电流测量,,,低压测量,,,,VM3000的外观,HubeiUniversityofTechnology,直流电压,交流电压,直流电流,交流电流,两线电阻测量,四线电阻测量,电容测量,短路测试,二极管测试,频率测量,比率测量,任意传感器测量,,恒流源充放电的方式,传感器,电压,电流,温度,气体,压力,周期测量,,,,26种测量功能,HubeiUniversityofTechnology,,,LAN,USB,,,CH1,CH2,CH3,CH15,CH16,,,,,,,,,,,,,,待测物1,待测物2,待测物3,待测物15,待测物16,,,,,,自动测量及巡检功能,HubeiUniversityofTechnology,,强大的软件功能,Ultralogger,HubeiUniversityofTechnology,,VM3000的操作界面,HubeiUniversityofTechnology,,VM3000突出优点,测量精度6位2,400,000-count，5位500,000-count高达50K/s的采样速率，高达1M采样点的存储深度16路测量巡检功能和控制软件Ultralogger高阻输出范围可达48V24V电流测量高达10A26种测量功能包括强大的任意传感器测量以及电容测量等真正的RMS交流电压和电流测量USB2.0接口，即插即用LAN远程控制接口，支持虚拟终端显示和控制,HubeiUniversityofTechnology,,高速数据采集功能完美重现音乐品质,测试信号,50K高速采样,CD音质＝44.1K,HubeiUniversityofTechnology,啤酒桶,,啤酒发酵测量-16路巡检任意传感器,,,,,温度,湿度,压强,巡检模块,HubeiUniversityofTechnology,软测量技术,软测量就是依据可测、易测的过程变量称为辅助变量与难以直接检测的待测变量称为主导变量的数学关系，根据某种最优准则，采用各种计算方法，用软件实现对待测变量的测量或估计。软测量技术主要包括四个方面1辅助变量的选取；2数据处理；3软测量模型的建立；4软测量模型的在线校正。,HubeiUniversityofTechnology,软仪表的描述,软仪表的目的利用所有可获得的信息，求取主导变量的“最佳”估计值，即构造从可测信息集到的映射。,,主导变量,辅助变量,干扰,控制变量,上一页,下一页,返回,,HubeiUniversityofTechnology,软仪表,性能依赖于过程的描述、噪声和扰动的特性、辅助变量的选取以及“最佳”的含义，即给定的某种准则。建立软仪表的过程就是构造一个数学模型。方法机理建模方法；实验建模方法。软仪表与一般意义下的数学模型区别数学模型主要反映与或之间动态或稳态关系，软仪表是通过求的估计值。,上一页,下一页,返回,,,,,HubeiUniversityofTechnology,2.仪器仪表工业关键技术,仪器仪表工业关键技术是指对仪器仪表工业发展起关键作用的技术；具有方向性，起带头作用，波及效果大，涉及面广，综合性强；关键技术攻克后，能带来巨大社会经济效益，适应社会、科技、经济发展的需要，具有鲜明的时代特征。总体来说，一共有51项关键技术，属于三个技术领域，十个方面。,HubeiUniversityofTechnology,仪器仪表工业关键技术,1、信息获取技术1-1复合传感器技术敏感材料技术，传感器制造技术，传感器应用技术。1-2精密测试技术自动测量技术，在线测试技术，多参数综合测量技术，视觉测量技术，人工智能测试技术，测试软件技术，微成像技术，仪器仪表标定技术。1-3智能仪表技术专用电路技术，现场信号集成技术，传感变送一体化技术。1-4现场溯源技术纳米溯源技术，自校准技术。,HubeiUniversityofTechnology,仪器仪表工业关键技术,2、信息处理控制技术2-1现场总线技术微计算机技术，集成电路技术，通信技术，网络互联技术，现场控制技术。2-2智能控制技术模糊控制技术，专家控制技术，分级递阶智能控制技术，神经网络控制技术，拟人智能控制技术，自适应控制技术。2-3系统集成技术多媒体技术，故障诊断技术，通信接口技术，数据库技术。,HubeiUniversityofTechnology,仪器仪表工业关键技术,3、精密制造技术3-1仪器仪表现代设计技术计算机辅助设计技术，可靠性设计技术，系统优化设计技术，人机工程学设计技术，产品造型设计技术，专用功能块线路设计技术，反求工程设计技术，虚拟设计技术。3-2仪器仪表特种工艺技术计算机辅助制造，精细加工技术，特种加工技术，高密度电子组装技术，微机械加工技术，精密、快速成型技术，表面涂复技术。3-3现代管理技术全面质量管理技术，准时生产，精益生产技术，并行工程，柔性生产技术。,HubeiUniversityofTechnology,3.现代测控与仪器仪表技术发展趋势,技术上向“四个现代化”（数字化、智能化、网络化和微型化）发展。,HubeiUniversityofTechnology,数字化,由于微电子技术的进步，仪器仪表产品进一步与微处理器、PC技术融合，仪器仪表的数字化、智能化水平不断得到提高。以美国德州仪器公司提出的“DSPs”概念为例，以数字信号处理器DSP芯片为核心，配合先进的混合信号电路、ASIC专用集成电路、元件及开发工具等提供整个应用系统的解决方案。仪器仪表中采用了大量的超大规模集成VLSI的新器件、表面贴装技术SMT、多层线路板印刷、圆片规模集成WSI和多芯片模块MCM等新工艺，CAD、CAM、CAPP、CAT等计算机辅助手段，使多媒体技术、人机交互、模糊控制、人工神经元网络等新技术在现代仪器仪表中得到了广泛应用。,HubeiUniversityofTechnology,数字化,在产品设计和客户需求日益复杂的今天，用于测试测量的仪器系统也朝着以软件为核心的模块化方向发展，使得用户能够更快更灵活的将测试集成到设计过程中去，进一步减少了开发时间。通过软件定义模块化硬件的功能，用户可以快速实现不同的测试功能，并应用定制数据分析算法和创建自定义的用户界面。多核/并行测试带来机遇和挑战。可以将自动化测试程序的数据采集、数据分析、数据记录乃至用户界面部分创建不同的线程，从而分配到不同的核上并行的运行。,HubeiUniversityofTechnology,智能化,微控制器由于其集成度、可靠性、性能价格比高、抗干扰能力强及功耗小等特点，使其在仪器仪表领域中起到极其重要的作用。将ARM、DSP等处理器与可编程器件CPLD/FPGA整合为一体是新型控制器的趋势。,HubeiUniversityofTechnology,ARM处理器,ARM即AdvancedRISCMachines的缩写,既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。ARM处理器是一种低功耗、高性能的32位RISC（精简指令集算法）处理器。它占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。,HubeiUniversityofTechnology,ARM处理器,目前，常用的ARM微处理器系列有ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列、Intel的Xscale等，其中ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和ARM11为5个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。,HubeiUniversityofTechnology,DSP处理器,数字信号处理的内容以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、检测、谱分析、估计、增强、压缩、识别等一系列的加工处理。DSP（digitalsignalprocessor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。世界上三大DSP芯片生产商1.德克萨斯仪器公司TI2.模拟器件公司ADI3.摩托罗拉公司Motorola.这三家公司几乎垄断了通用DSP芯片市场。,HubeiUniversityofTechnology,DSP处理器,DSP工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。,HubeiUniversityofTechnology,可编程器件CPLD/FPGA,当今的EDA（电子设计自动化ElectronicDesignAutomation）技术更多的是指可编程逻辑器件的设计技术，即芯片内的电路设计自动化。也就是说，开发人员完全可以通过自己的电路设计来定制其芯片内部的电路功能，使之成为设计者自己的专用集成电路（即ASIC）芯片，这就是我们今天所说的的EDA技术用户可编程逻辑器件（PLD）技术。其应用也无处不在，从简单的逻辑电路、时序电路设计到复杂的数字系统设计均能得心应手，在通信领域（软件无线电），在数字信号处理（DSP）领域、在嵌入式/片上系统（SOC）及各种IP内核等诸多领域早已广泛应用。,HubeiUniversityofTechnology,可编程器件CPLD/FPGA,复杂可编程逻辑器件Complexprogrammablelogicdevice,CPLD现场可编程门阵列器件Fieldprogrammablegatearray,FPGACPLD/FPGA同属于高密度用户可编逻辑程器件，其芯片门数（容量）等级从几千门几万门、几十万门到几百万门以上不等，适合于时序、组合逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用IC芯片，实际上这样的CPLD/FPGA就是一个子系统部件。在很大程度上他们具有类似之处，比如其电路设计方法都一样。相比而言，CPLD适合于做各种算法和组合逻辑电路设计，而FPGA更适合完成时序比较复杂的逻辑电路。,HubeiUniversityofTechnology,可编程器件CPLD/FPGA,可编程器件真正做到了硬件的“软件化”自动设计，这就是当今的EDA电子设计自动化技术。可以不夸张地说由于可编程器件的出现，传统的（数字）电路设计方法和过程得到了一次革命和飞越。CPLD/FPGA技术实现的硬件形式和涉及的理论模型必将走向一个统一的结合体，即单片系统SoC（systemonchip或SOPCSystem-on-a-Programmable-Chip。FPGA现场可编程门阵列技术正逐渐被引入到最新的模块化仪器中。基于FPGA的自定义仪器将更为流行。,HubeiUniversityofTechnology,网络化,当前国际上现场总线与智能仪表的发展呈现多种总线及其仪表共存发展的局面。现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。,HubeiUniversityofTechnology,,,HubeiUniversityofTechnology,网络化,HART、FF、Profibus、Lonworks、WorldFIP、CAN等总线都从应用于某一领域不断向其他领域扩展。集成测试系统也走向了网络化，各台仪器之间通过GPIB总线、VXI总线、互联网等相连。,HubeiUniversityofTechnology,微型化,MEMSMicro-Electro-MechanicalSystems是微机电系统的缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统。相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。,HubeiUniversityofTechnology,微型化,完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。,