网络测控3学习.pptx

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1、2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统 1、测量系统的结构 下图为测量系统的原理结构图。它由下列功能环节组成。测量系统的原理结构图第1页/共47页 (1)(1)敏感元件：作为敏感元件，它首先从被测对象接收能量，同时产生一个与被测物理量成某种关系的输出量。(2)(2)变量转换环节：将敏感元件的输出变量作进一步转换，转变成更适合于处理的变量。(3)(3)变量控制环节：用某种方式去控制以某种物理量表示的信号。这里所说的控制意思是在保持物理性质不变的条件下，根据某种固定的规律，仅仅改变变量的数值。2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统第2页/共47页 (4)(4)数据传输环节：当测

2、量系统的几个功能环节被分隔开时，必须从一个地方向另一个地方传输数据。(5)(5)数据显示环节：有关被测量的信息想要传给人以完成监视、控制或分析的目的，则必须将信息变成人的感官所能接受的形式。(6)(6)数据处理环节：测量系统要对测量所得数据进行数据处理。从上面分析可以知道，测量系统是一个功能繁多、结构复杂、能自动完成检测任务的系统。第3页/共47页2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统 根据在测量过程中是否向被测对象施加能量，可将测量系统分为主动式测量系统和被动式测量系统。2、主动式测量系统与被动式测量系统第4页/共47页2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统 特点：在测量

3、过程中不需要从外部向被测对象施加能量。例如，电压、电流、温度测量以及飞机所用的空对空导弹红外（热源）探测跟踪系统都属于主动式测量系统。主动式测量系统（1）主动式测量系统构成原理第5页/共47页2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统 特点：在测量过程中需要从外部向被测对象施加能量。被动式测量系统（2）被动式测量系统构成原理第6页/共47页2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统 根据在测量系统中是否存在反馈环节，可将测量系统分为开环测量系统和闭环测量系统。3、开环测量系统与闭环测量系统第7页/共47页2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统 开环测量系统（1）开环测量系

4、统 组成和信号流程图第8页/共47页 输入与输出的关系 =123 式中，1 1，2 2，3 3为各环节放大系数。优点：结构上比较简单;缺点：所有变换器特性的变化都会造成测量误差。2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统第9页/共47页2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统 开环测量系统（2）闭环测量系统 组成和信号流程图第10页/共47页2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统 输入与输出的关系：=X=X2 2 G G3 3=(x=(x1 1y)Gy)G2 2 G G3 3=(xG=(xG1 1y)Gy)G2 2 G G3 3 =(xG =(xG1 1y)y)整理得：

5、y=y=xGxG1 1/(1+/(1+)式中，是二次变换器与输出变换器的总放大倍数，即=G=G2 2 G G3 3 ，是反馈系统的放大倍数，当11时，上式变为 y y x xG G1 1/第11页/共47页 显然，这时整个系统的输入与输出关系将由反馈系统的特性决定。优缺点：优点：二次变换器特性的变化不会造成测量误差或者说是测量误差很小；缺点：是结构复杂。2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统第12页/共47页 仪器的自检自诊断系统一般是独立的功能块。它是以计算机为基础的处理单元，其信息的传递和转换可以在系统内部自动完成。它采用激励-响应“回送”（loop-backloop-back）

6、技术。2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统4、自检自诊断系统第13页/共47页 为了满足自诊断过程的要求，首先要找出仪表电路中的关键点，存储各种被激励状态和正常测量状态的电参数（历史记录也应存储）；其次要随时能将各个闭环回路打开进行“回送”检查，其时钟能随时进行调整，以便在自诊断过程中完成不同的作业。下图是过程测量仪表自诊断系统原理图。过程测量仪表自诊断系统原理图2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统第14页/共47页 设计自检自诊断系统常采用以下三种方法：（1 1）计算分析自检法：计算分析自检方法的基本原理是：在检测主要被测参数的同时，测量多个与之有关的辅助变量，然后根

7、据一定的模型和算法进行分析、计算，从而检测和矫正测量结果与过程。因此，这类仪表一般除了输出结果（功能输出）除外，还要输出一个状态信号（附加输出）。这种方法也称冗余分析自检法。（a）计算分析自检法2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统第15页/共47页（b）叠加信号自检法 （2 2）叠加信号自检法：在测量信号馈入的同时，持续、间接和周期性的送入一个或一组信号（这些信号可以是高频，也可以是脉冲信号），该信号与被测信号叠加后在处理单元进行处理，当特定的模型和算法完结后，再输出测量数据和状态信号。2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统第16页/共47页（c）自动周期自检法 （3）自

8、动周期性自检法 由图可以看出，自动开关将测量信号和一些已知的变量，周期性轮流的输入系统，经过处理和分析，再输出测量数据和状态信号。这种方法比较有效。其缺点是将测量信号离散了，从而可能会产生失真和误差。2.42.4测量仪表与测量系统测量仪表与测量系统第17页/共47页2.52.5 误差及其表示方法 1 1、测量误差的概念 测量的目的是希望通过测量求取被测量的真实值。由于种种原因，例如，测量仪表本身不是绝对准确，测量方法也不会十分完善，时刻存在着外界干扰的影响等，都会造成被测参数的测量值与真实值不一致。因此，研究测量值与真实值的不一致程度，并给予恰当的表示，于是就产生了测量误差的概念。测量误差就是

9、测量值与真实值之间的差值。它反映了测量质量的好坏。2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第18页/共47页 2 2、测量误差的表示方法 （1）绝对误差：绝对误差可用下式定义 =X-L 式中，-绝对误差；L-L-真实值；X-X-测量值；采用绝对误差表示测量误差，不能很好地说明测量质量的好坏。例如温度测量的绝对误差为=1=1，若对体温测量来说它则到了荒谬的程度，而对钢水温度测量来说它则是目前尚达不到的最好测量结果。2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第19页/共47页 （2）相对误差：相对误差的定义由下式给出 =/L100%=/L100%式中，-绝对误差；-相对误差，一般用百分数给出

10、；L-L-真实值。用相对误差表示法能够很好的说明测量质量的好坏，这是它的最大优点。2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第20页/共47页 在实际测量中，由于被测值得真实值L是不知道的，这使得按上式定义计算出相对误差很不方便。因此实际测量时，都是用测量值X X近似代替真实值L L进行计算，即 =/L100%/X 100%=/L100%/X 100%由于测量值与真实值很相近，因此用上式计算的近似程度很高。2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第21页/共47页 （3）引用误差：引用误差是指直读式指针仪表中通用的一种误差表示方法。它是测量的绝对误差与仪表的满量程之比，一般用百分数表示，

11、即 =/A 100%/A 100%式中，-引用误差；-绝对误差；A-A-仪表的满量程。2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第22页/共47页 仪表精度等级时根据引用误差来确定的。国家规定电工仪表精确度等级分为0.10.1，0.20.2，0.50.5，1.01.0，1.51.5，2.52.5，5.0 5.0 七级。例如，0.10.1级表的引用误差的最大值不超过0.10.1；0.50.5级表的引用误差的最大值误差的最大值不超过0.50.5等。对于工业自动化仪表的精确度也有和电工仪表相类似的规定，工业自化仪表的精度一般在0.20.24.04.0级之间。2.52.5误差及其表示方法误差及其表示

12、方法3、测量仪表的精确等级（传感器的精确等级）第23页/共47页 引用误差从形式上看像相对误差，但是对某一具体仪表来说，由于其分母（满量程）A A是一个常数，与被测量大小无关，因此它实质上代表一个绝对误差的最大值。例如，量程为1v1v的毫伏数，精度为5.05.0级，即 =/A 100%=5.0%/A 100%=5.0%，从这个式子可得 =15.0=15.0=50mV=50mV 这说明无论只是在时刻的哪一点，其最大绝对误差不超过50mV50mV。但各点的相对误差是不同的。2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第24页/共47页 误差按其规律分为3 3种，即系统误差、随机误差和疏失误差。（1

13、 1）系统误差：系统误差当我们对同一物理量进行多次重复测量时，如果误差按照一定的规律出现，则把这种误差称为系统误差。系统误差包括仪器误差、环境误差、读数误差及由于调整不良、违反超作规程所引起的误差等。4、系统误差、随机误差与疏失误差2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第25页/共47页 随机误差：随机误差当对某一物理量进行多次重复测量时，就会出现随机误差。其特点是它的出现带有偶然性，即它的数值大小和符号都不固定，但是服从统计规律，通常呈正态分布。引起随机误差的原因都是一些微小因素，且无法控制。对于随机误差，不能用简单的修正值来校正，只能用概率和数理统计的方法来计算它出现的可能性大小。2

14、.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第26页/共47页 随机误差具有以下特性：1 1）绝对值相等、符号相反的误差在多次重复测量中出现的可能性相等，即有可能误差相互抵消掉了；2 2）在一定测量条件下，误差的绝对值不会超出某一限度；3 3）绝对值小的误差要比绝对值大的误差在多次重复测量中出现的机会要多，即误差值越小出现的机会越多。2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第27页/共47页 （3 3）疏失误差：疏失误差是由于测量者在测量时的疏忽大意而造成的。例如，仪表指示值被读错、记错，仪表操作错误、计算机错误等。疏失错误的数值一般都比较大，没有规律性。2.52.5误差及其表示方法误差及其

15、表示方法第28页/共47页 （4）系统误差、随机误差、疏失误差之间的关系：在测量中，系统误差、随机误差、疏失误差三者同时存在，但是它们对测量的影响不同。1 1）在测量中，若系统误差很小，称测量的准确度高；若随机误差很小，称测量的精密度很高；若二者都很小，称测量的精确度很高。2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第29页/共47页 2 2）在工程测量中，有疏失误差的测量结果是不可取的。3 3）在测量中，系统误差与随机误差的数量级必须相适应。即随机误差很小（表现为多次重复测量结果的重复性好），但系统误差很大是不好的；反之，系统误差很小，随机误差很大，同样是不好的。只有随机误差与系统误差两者数

16、值相当才是可取的。2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第30页/共47页2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法5、测量误差的估计与处理（1）随机误差的影响与统计处理：在测量中，当系统误差被尽力消除或减小到可以忽略的程度之后，尽管测量仪表的灵敏度足够高，仍会出现对同一被测量进行多次测量时读数不稳定的现象，这就说明有随机误差存在。由于随机误差服从统计规律，它对测量结果的影响可以用均方根误差来表示，均方根误差又称为标准误差，表达式如下：式中：n测量次数 Xi测量误差 L真实值 Xi测量值 第31页/共47页 在实际的测量中，测量次数n为有限，而真值L不易得到，因而用n次测量值的算术平均

17、值 代替真值L，则均方根误差为 N个样本的均方根误差为：测量结果可以表示为：或2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第32页/共47页 均方根误差 的物理意义是：在测量结果中随机误差出现在 范围内的概率是68.3%；出现在 范围内的概率是99.7%,为置信限，大于 的误差被认为是疏失误差，测量结果无效，此数据应予以剔除。2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第33页/共47页（2）系统误差的估计 1）恒定系统误差范围的估计：对被测量值进行n次重复测量，每次测量的系统误差分别为1，2，3，,n,则测量系统的误差为 2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第34页/共47页 2）变

18、值系统误差范围的估计：a.解析法 变值误差的函数类型若能精确找出，则系统误差可以计算求得。b.实验法 改变测量系统的输入量，测量一组数据，用最小二乘法来计算系统误差的大小.c.估算法 对测量精度要求不高的系统，可以估计系统误差的上下限 ，令则误差对测量结果的影响为 ，e为不确定度。2.52.5误差及其表示方法误差及其表示方法第35页/共47页2.62.6 测控系统的技术指标2.6 2.6 测控系统的技术指标测控系统的技术指标 一个计算机测控系统的技术指标包括较多的内容，一般包括系统的各项功能与性能描述，可靠性、操作界面、环境条件、维护方面的指标等内容。描述内容的多少由此系统的规模和它的复杂性决

19、定。一般系统规模越大，复杂性越高，功能越丰富，则系统的功能规范也越详尽，反之可以适当简化。第36页/共47页1、系统的功能描述2.6 2.6 测控系统的技术指标测控系统的技术指标 在测控系统的功能描述中，应明确规定目标系统要干什么，一般包括如下内容：（1）信号处理功能。在这里需要将各类信号的名称类型明确下来，它们包括：1）模拟量信号输入的总路数，信号的等级（如电压电流信号的等级）、信号的类别（如多少来自热电偶，多少来自RTD信号）、信号的性质（决定是否加隔离处理，或整形放大处理）等。不同的信号等级和不同的通道数量需要不同的部件配置，成本也降随之变动。2）开关量输入的总路数，其中有多少路是电平型

20、输入，多少路是触点型输入，以及需要采取隔离措施的通道数目；第37页/共47页 2）脉冲量输入的通道数，信号频率范围，是否需要隔离等；3）中断型开关量的点数，对中断响应的时间处理限定等；4）中断型开关量的点数，对中断响应的时间处理限定等；5）模拟量输出的总路数，每路信号输出的各种种类（电流输出或电平输出）输出信号的等级、驱动能力要求等。6）开关量输出的总路数，输出驱动的特点等。以上各类信号的名称、信号类别、单位、量程、处理要求等都要有明确的文字加以描述定义，以便进行具体设计。2.6 2.6 测控系统的技术指标测控系统的技术指标第38页/共47页2.6 2.6 测控系统的技术指标测控系统的技术指标

21、汽车ABS试验台测控系统实物图第39页/共47页2.6 2.6 测控系统的技术指标测控系统的技术指标汽车ABS试验台测控系统逻辑结构图第40页/共47页序号序号信号名称信号名称信号类型信号类型信号源信号源路数路数电平标准电平标准1制动力信号模拟量输入压力传感器2015mv2轴重信号模拟量输入压力传感器2015mv3扭矩信号模拟量输入扭矩传感器4015mv4车辆到位信号开关量输入光电位置传感器2OC门5滚筒、飞轮速度信号脉冲量输入光电编码器5TTL6第三滚筒速度信号模拟量输入霍尔传感器1012V7台架位移信号脉冲量输入光电编码器1TTL8升降台电磁阀信号开关量输出电磁阀16触点9扭矩控制器控制信

22、号模拟量输出扭矩控制器4010V汽车ABS试验台测控系统信号处理性能规范表第41页/共47页2.6 2.6 测控系统的技术指标测控系统的技术指标 （2）控制功能 即明确系统所要完成的控制功能。要明确规定各个控制回路的组成、控制的品质及控制的参数形式等。（3）管理功能 如系统有管理上的功能要求，则明确其具体功能要求，并要明确采用何种输出方式和输出格式。（4）报警功能 要明确对各种越限信号的处理功能，如有越限信号发生，系统将采用何种报警方式和报警输出信号的类型等。第42页/共47页2.6 2.6 测控系统的技术指标测控系统的技术指标 （5）打印功能 明确系统所应完成的各种打印功能，包括在何种情况下

23、要进行打印以及各种情况下的输出打印数据及打印格式等问题。（6）操作方式 明确对计算机的操作时用键盘还是其他方式（鼠标、触摸屏），如有特殊要求，必须明确所用设备和具体操作规范。（7）显示功能 即明确系统所要显示的内容及显示格式，这些显示要求包括：屏幕颜色、尺寸、分辨率，界面显示内容等。第43页/共47页2.6 2.6 测控系统的技术指标测控系统的技术指标 （8）系统的通信功能 即确定系统同其它系统之间的数据交换格式，通信方式等。如果系统中有多个节点站，则也要确定这些同级节点之间，不同级的节点之间的数据通信方式。如果上下位机都是计算机，则可选择网络通信方式。如果上位机使用计算机，下位机使用PLC，

24、则它们之间的数据交换格式应事先明确规定。（9）系统的冗余考虑（包括主机和板级的冗余）如果主机需要双机工作方式，则要明确是采用热备份方式还是主从方式，对于板级冗余也要明确规定具体的运行模式，以确定是否还要增加附加电路。（10）系统的电源情况 当停电、跳电、电网波动等情况发生时，要求系统能正常运行，此类要求必须明确提出。第44页/共47页 2、系统的性能指标2.6 2.6 测控系统的技术指标测控系统的技术指标 在测控系统的功能描述中，我们只是明确描述了目标系统要干些什么，至于要达到何种水平，也必须给出量化的标准。对于较小的系统，两者的界限不是十分明显，可以结合起来描述，但是当系统功能既多又复杂时，

25、为了叙述方便，就有必要明确定义系统的功能之后，还要一一明确实现这些功能所要达到的性能水平。（1）采样速率（2）信号的隔离方法（3）信号的处理精度（4）输出信号的要求（5）信号的实时性要求（6）系统的可靠性要求第45页/共47页 3、系统的其他要求2.6 2.6 测控系统的技术指标测控系统的技术指标 由于实际的测控环境存在差异性和应用目标的差异性，导致了对计算机测控系统要求的多样性，除了在系统功能上的差别之外，还有其它方面的要求，常见内容包括：（1）环境要求：温度、湿度、抗振、冲击、防尘、防静电干扰、电源频 率允许波动范围、系统接口方式、电磁兼容。（2）系统的体系结构要求：1）系统的物理结构2）系统的控制体系3）系统的通信方式4）系统的可维护性要求5）系统的可扩充性要求第46页/共47页感谢您的观看。第47页/共47页