智能检测与控制技术的应用探析

任务导入

在智能检测中，使用计算机的数据采集系统，可以成批存储或复制数据；使用计算机的信号处理系统，可以把一些仪器测出的曲线经过计算处理，得到某些特征数据等。

知识链接

智能检测系统和所有的计算机系统一样，由硬件、软件两大部分组成。智能检测系统的硬件部分主要包括各种传感器、信号采集系统、处理芯片、输入/输出接口与输出隔离动电路。其中，处理芯片可以是微型计算机（微机），也可以是单片机、DSP（数字信号处理器）等具有较强计算能力的芯片。

智能检测与控制技术常应用于数据采集与处理、生产控制、生产调度管理和智能检测系统中的传感器等方面。

1.用于数据采集与处理

利用计算机把生产过程中有关参数的变化经过测量转换元件测出，然后集中保存或记录，或者及时显示出来，或者进行某种处理。例如，使用计算机的巡回检测系统，可以定时轮流对几十、几百甚至几千个参数进行测量显示（或打印）；使用计算机的数据采集系统，可以把数据成批存储或复制，也可以通过传输线路将数据送到中心计算机，通过计算机的信号处理系统，可以把一些仪器测出的曲线经过计算处理，得到某些特征数据等。

计算机数据采集与处理系统有离线和在线之分。离线数据采集与处理系统框图如图2-1-2所示。首先，仪器监视人员必须在规定的时间间隔内反复读出一个或多个测量仪器的数值，并把这些数据记录到有关表格内（或将这些数据存放到某种数据载体上）；其次，将其输入计算机进行处理；最后，得出计算结果并获得测量结果的记录。离线数据采集与处理的缺点是，一方面数据收集需要大量的人力；另一方面从读出测量结果到算出结果需较长时间。因此，测量数据收集的速度和范围受到极大的限制。

图2-1-2　离线数据采集与处理系统框图

采用在线数据采集与处理，可以把测量仪器所提供的信号直接送入计算机进行处理、识别，并给出检测结果，这样可大大减少运行费用。图2-1-3所示为在线数据采集与处理系统框图。

图2-1-3　在线数据采集与处理系统框图

在线数据采集与处理时，计算机不直接参与过程控制，但其作用是很明显的。首先，在过程参数的测量和记录中，可以用计算机代替大量的常规显示和记录仪表，并对整个生产过程进行在线监视；其次，由于计算机具有运算、推理和逻辑判断能力，可以对大量的输入数据进行必要的集中、加工和处理，并能以有利于指导生产过程控制的方式表示出来，因此对生产过程控制有一定的指导作用；最后，计算机具有存储信息的能力，可预先存入各种工艺参数的极限值，在处理过程中能进行越限报警，以确保生产过程的安全。此外，这种方式可以得到大量的统计数据，有利于模型的建立。

2.用于生产控制

智能检测与控制技术应用于生产控制时，包括有操作指导系统、顺序控制与数字控制系统、直线控制系统、前馈控制系统、监控系统、智能自适应控制系统和智能自修复系统。

1）操作指导系统

操作指导系统的示意图如图2-1-4所示。这种系统每隔一定时间，就会把测得的生产过程中某些参数值送入计算机，计算机按生产要求计算出应该采用的控制动作，并显示或打印出来，供操作人员参考。操作人员根据这些数据，并结合自己的实践经验，采取相应的操作。在此系统中，计算机不直接干预生产，只是提供参考数据。

图2-1-4　操作指导系统的示意图

2）顺序控制与数字控制系统

计算机对一台或多台生产设备或整个生产过程进行比较复杂的顺序控制，当其中某些动作有一定的数值要求时，这种控制就是数字控制。图2-1-5 为采用计算机的开环数控系统的示意图。计算机直接放在数控机床旁边负责接收工件几何尺寸数据，并把这些数据转换成数控机床的控制指令。这些控制指令通过电子耦合线路或电子控制线路直接传输到数控机床的控制部分。

图2-1-5　采用计算机的开环数控系统的示意图

图2-1-6所示为采用计算机的闭环数控系统的示意图。闭环数控系统不仅具备机床的各种功能，还能够对工件进行测量，对几何尺寸数据的给定值和实测值进行比较，并根据比较结果发出控制指令传输给数控机床的控制部分。闭环数控系统具有加工精度高、刀具磨损小、对干扰不敏感的特点。

图2-1-6　采用计算机的闭环数控系统的示意图

3）直接控制系统

在直接控制系统中，计算机本身被用来代替反馈控制系统的控制部分，直接控制生产过程。采用计算机的直接控制系统的示意图如图2-1-7所示。在直接控制系统中由一台计算机控制少数几个参数是不合算的，通常以分时控制方式去控制十几个、几十个甚至上百个参数。直接控制系统的缺点是可靠性较差，如果计算机出现故障，整个系统将不能工作，因此在应用于连续生产过程时，对计算机的可靠性有较高的要求。

图2-1-7　采用计算机的直接控制系统的示意图

4）前馈控制系统

在前馈控制系统中，计算机代替前馈控制系统的控制部分。前馈控制系统的示意图如图2-1-8所示。计算机不断地观测生产过程变化，并产生相应的控制信号，送到控制器中。当然，一台计算机可以实时控制若干台控制器，计算机前馈控制系统的优点是可靠性比较高，即使计算机出现故障，系统也可以在常规控制器的控制下工作。

图2-1-8　前馈控制系统的示意图

5）监控系统

监控系统与直接控制系统的区别在于：它不直接驱动执行机构，而是根据生产情况计算出某些参数的恒定值，然后去改变常规控制系统的给定值，即通过常规控制系统直接控制生产过程。因此，它多用于程序控制、比例控制、串级控制、精优控制，同时用于越限报警、事故处理。

6）智能自适应控制系统

智能自适应控制系统的示意图如图2-1-9所示，由于引入了智能推理与决策、智能辨识与估计模块，使系统的自适应能力得到了根本性改善。

图2-1-9　智能自适应控制系统的示意图

7）智能自修复系统

智能自修复系统对设备在运行过程中出现的故障，不但具有自诊断能力，而且具有自补偿、自消除和自修复能力。

3.用于生产调度管理

通过智能检测与控制技术监制控制系统的变化，将出现的事故通过监测分站和监测线路传到地面监制主机，再通过网络传到调度台，调度员通过联网计算机能清楚地看到系统中各位置的情况，再根据具体情况进行生产调度。

4.用于智能检测系统中的传感器

传感器是“能把特定的被测量信息按一定规律转换成某种具有可用信号输出的器件或装置”。可用信号是指用于处理与传输的信号，即把外界非电信息转换成电信号输出。随着科学技术的发展，传感器的输出信号更多的是光信号，因为光信号更便于快速、高效地处理与传输。

传感器作为智能检测系统的主要信息来源，其性能决定了整个检测系统的性能。传感器的工作原理多种多样、种类繁多，而且随着科技的发展还在不断地涌现新型传感器。目前，传感器可分为常用传感器、新型传感器和数字传感器。

1）常用传感器(https://www.xing528.com)

常用传感器包括热电传感器、应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器和超声波传感器。

（1）热电传感器。热电传感器是一种将温度转换成电量的装置，包括电阻式温度传感器、热电偶传感器、集成温度传感器等。

电阻式温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。电阻式温度传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。一般把金属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。目前，最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。铂热电阻的特点是精度高、性能稳定，工业上广泛应用铂热电阻进行-200～+850 ℃的温度测量；铜热电阻的电阻温度系数高，线性度好，且价格便宜，常用于一些测量精度要求不高且温度较低的场合，其测温范围为-50～+150 ℃，但其缺点是铜易氧化，热惯性大，不适宜在腐蚀性介质中或高温下工作。热敏电阻的电阻温度系数大，灵敏度高，尺寸小，响应速度快，电阻值范围大（0.1～100 kΩ），使用方便，但温度特性为非线性，互换性差，测温范围小，一般在-50～200 ℃。

热电偶传感器是工程上应用最广泛的温度传感器，它构造简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，温度测量范围宽，为-200～+3 500 ℃，且动态性能好，在温度测量中占有重要的地位。

集成温度传感器利用晶体管PN 结的电流电压特性与温度的关系，把感温PN 结及有关的电子线路集成在一个小硅片上，构成一个专用集成电路芯片。该芯片具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点，但受耐热性能和特性范围的限制，只能用来测量150 ℃以下的温度。例如，AD590 是应用最广泛的一种集成温度传感器，它适用于150 ℃以下的温度检测，且具有内部放大电路，再配上相应的外电路，可方便地构成各种应用电路。

（2）应变式传感器。应变式传感器的原理是利用电阻应变效应将应变转换成电阻的相对变化，是目前最常用的一种测量力和位移的传感器，在航空、船舶、机械、建筑等行业里获得广泛应用。

（3）电感式传感器。电感式传感器是基于电磁感应原理将被测量转换成电感量变化的装置。按照变换方式的不同，电感式传感器可分为两大类：一类是将被测量转换成传感器线圈电感系数的变化，有可变磁阻式和电涡流式两种形式；另一类是将被测量转换成传感器的初级线圈和次级线圈之间耦合程度的变化，由于它采用了变压器原理和差动结构，因而通常称之为差动变压器。

电感式传感器广泛应用于测量位移及能转换成位移的各种参量，如压力、流量、振动、加速度、密度和材料损伤等，电涡流式传感器还可进行非接触式连续测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用。

（4）电容式传感器。电容式传感器是将被测量转换成电容量变化的装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器，广泛应用于压力、差压、液位、振动、位移、加速度和成分含量等方面的测量。随着电容测量技术的迅速发展，电容式传感器将会在非电量测量和自动检测中得到更广泛的应用。

（5）压电式传感器。压电式传感器的工作原理是利用某些材料的压电效应将力转变为电荷或电压输出，是典型的有源传感器。它也是一种可逆型传感器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换成机械能，在各种动态力、机械冲击与振动测量，以及声学、医学、力学、航天等方面都得到了非常广泛的应用。

（6）磁电式传感器。磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换为电信号的一种传感器，磁电式传感器包括磁电感应式传感器、霍尔式传感器等。

磁电感应式传感器是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号，它不需要辅助电源，是一种有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作频带（10～1 000 Hz），所以得到普遍应用。

霍尔式传感器是磁电式传感器的一种特殊形式，是基于霍尔效应的一种传感器，由于材料和制造工艺等的不同，其种类较多，有分立元件的，也有集成元件的。它输出的霍尔电压UH 正比于激励电流I 和磁感应强度B，广泛应用于电磁、压力、加速度、振动等的测量。

（7）光电式传感器。光电式传感器是利用光电元件将光能转换成电能的一种装置。光电元件也称光敏元件，其类型很多，但工作原理都是建立在光电效应这一基础上的。根据光电效应的不同机理，光电效应可分为光电子发射效应、光电导效应和光生伏特效应三类，相对应的光电式传感器有光电管、光敏电阻、光电池、光敏晶体管等。光电式传感器按输出量的性质可分为模拟量光电检测和开关量光电检测。模拟量光电检测是利用光电元件将被测量转换成连续变化的光电流；开关量光电检测是利用光电元件将被测量转换成断续变化的光电流，再通过测量电路输出开关量或数字信号。光电式传感器响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可靠性，因此，在检测、自动控制及计算机等方面应用非常广泛。

随着新型材料的开发、新技术的应用及制造工艺的改进，光电式传感器技术得到迅速发展，向着集成化、智能化方向迈进，出现了许多新型光电式传感器，如色敏传感器、光位置传感器、CCD 固态图像传感器等。

（8）超声波传感器。超声波传感器是利用超声波的传播特性进行工作的，其输出为电信号，已广泛应用于超声探伤及液位、厚度等的测量，且超声探伤是无损探伤的重要工具之一。

2）新型传感器

新型传感器包括光纤传感器、红外传感器、气敏传感器、生物传感器、机器人传感器和智能传感器。

（1）光纤传感器。光纤传感器技术是随着光导纤维实用化和光通信技术的发展而形成的一门崭新技术，其与传统的各类传感器相比有许多特点，如结构简单、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、绝缘性好、耗电少、光路有可挠曲性、抗电磁干扰能力强，以及易于实现遥测等。

光纤传感器一般分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型传感器；另一类是光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端面或中间加装其他敏感元件才能构成传感器，这类传感器称为传光型传感器。无论哪种传感器，其工作原理都是利用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测量。

光纤传感器可以测量多种物理量，目前已经使用的光纤传感器可测量的物理量达70多种，因此光纤传感器具有广阔的发展前景。

（2）红外传感器。红外传感器是将辐射能转换为电能的一种传感器，又称为红外探测器。常见的红外传感器有两大类，即热探测器和光子红外探测器。

热探测器的原理是利用入射红外辐射引起探测器的敏感元件的温度变化，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外探测器吸收的红外辐射。热探测器的主要优点是响应波段宽，可以在室温下工作，使用方便。但是，热探测器响应时间长，灵敏度较低，一般用于光谱仪、测温仪、红外摄像等。

光子红外探测器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光子效应使材料的电学性质发生变化，通过测量电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。光子红外探测器的主要优点是灵敏度高、响应速度快、响应频率高，但一般需在低温下工作，探测波段较窄，通常用于测温仪、航空扫描仪、热像仪等。

红外传感器广泛用于测温、成像、成分分析和无损检测等方面，特别是在军事上的应用更为广泛，如红外侦察、红外雷达、红外通信和红外对抗等。

（3）气敏传感器。气敏传感器是指能将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置，其具有如下性能：

①能够检测易爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出报警、显示与控制信号；

②对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；

③长期稳定性好、重复性好；

④动态特性好、响应迅速；

⑤使用、维护方便，价格便宜等。

（4）生物传感器。生物传感器是利用生物或生物物质做成的，是用以检测与识别生物体内的化学成分的传感器。生物或生物物质是指酶、微生物和抗体等，被测物质经扩散作用进入生物敏感膜，发生生物学反应，通过变换器将其转换成可定量传输、处理的电信号。

按照所用生物活性物质的不同，生物传感器包括酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、生物组织传感器等。酶传感器具有灵敏度高、选择性好等优点，目前已实用化的商品有200 种以上，但由于酶的提炼工序复杂，因而造价高，性能也不太稳定。微生物传感器与酶传感器相比，价格较便宜，性能也稳定，它的缺点是响应时间较长（数分钟）、选择性差。目前，微生物传感器已成功应用于环境监测和医学领域，如测定水污染程度、诊断尿毒症和糖尿病等。免疫传感器的基本原理是免疫反应，目前已研制成功的免疫传感器达几十种以上。生物组织传感器制作简便，工作寿命长，在许多情况下可取代酶传感器，但在实用化中还存在选择性差、动植物材料不易保存等问题。

目前，生物传感器的开发与应用正向着多功能化、集成化的方向发展。半导体生物传感器是将半导体技术与生物技术相结合的产物，为生物传感器的多功能化、小型化、微型化提供了重要的途径。

（5）机器人传感器。机器人传感器是一种能将被测量（或参量）变换为电量输出的装置，通过传感器实现类似于人类的知觉作用。机器人传感器分为内部检测传感器和外界检测传感器两大类。

内部检测传感器是机器人用来感知它自己的状态，以调整和控制机器人自身行动的传感器，通常由位置、加速度、速度及压力传感器组成。

外界检测传感器是机器人用以感受周围环境、目标物状态特征信息的传感器，其使机器人对环境有自校正和自适应能力，通常包括触觉、视觉、听觉、嗅觉、味觉等传感器。

（6）智能传感器。智能传感器是一种带有微处理器的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。

3）数字传感器

数字传感器是指能把被测模拟量直接转换成数字量输出的传感器。数字传感器是检测技术、微电子技术和计算机技术相结合的产物，是传感器技术发展的另一个重要方向。

数字传感器可分为三类：一是直接以数字量形式输出的传感器，如绝对编码器可以将位移量直接转换成数字量；二是以脉冲形式输出的传感器，如增量编码器光栅、磁栅和感应同步器可以将位移量转换成一系列计数脉冲，再由计数系统所计的脉冲个数来反映被测量的值；三是以频率形式输出的传感器，能把被测量转换成与之相对应的且便于处理的频率输出，因此第三类数字传感器也叫作频率式传感器。数字传感器在数控机床、自动化及计量和检测技术中应用广泛。

任务实施

1.解释下列名词：传感器。

2.讨论分析下列问题：

（1）传感器的种类及其原理有哪些？

（2）智能检测与智能控制的应用场合有哪些？

（3）新型传感器有哪几种？分别说明其特点。

知识拓展

三坐标测量机系统中所用的传感器是哪一种传感器？试说明其原理。