智能仪器知识点（精选6篇）
智能仪器知识点 篇1
智能仪器的组成：由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入/输出通道、人机联系部件与接口电路、标准通信接口电路等部分。
智能仪器的特点：⒈智能仪器功能多样化；⒉智能仪器系统的集成化、模块化；⒊智能仪器构成的柔性化；⒋智能仪器的网络化；⒌智能仪器的可视化
数据采集系统的基本组成框图：传感器→信号调理电路→采样保持器S/H→A/D转换器→微机系统
连续信号频率：ωs≥2ωm wm为连续信号所含最高频率分量的角频率。
为什么样用采样/保持？模拟信号进行A/D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量要一定的转换时间，在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变，否则转换精度没有保证，特别当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差，要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，能完成这种功能的器件叫做采样/保持器，其在保持阶段相当于一个“模拟信号”存储器。
采样/保持器的作用：是在规定的时刻接收输入电压并在输出端保持该电压值，直到下次采样为止。
模拟量输出信号：直流电流信号（远距离传送：抗干扰能力强，信号线电阻不会导致信号的损失）；直流电压信号（传输给多个其他仪器：多用于控制显示等场所）
模拟量输出通道的组成：（1）D/A转换器（2）多路模拟开关（3）采样/保持器；D/A转换器主要技术指标：①分辨率；②稳定时间；③输出电平；④ 输入编码评价智能仪器质量：准确度、可靠性和抗干扰性；
键盘接口设计的主要任务：判断是否有键被按下；识别按键；消除抖动；处理同时按键；根据按下键的内容执行相应的操作。
非编码式键盘接口：独立式连接的非编码式键盘；矩阵式链接的非编码式键盘（扫描方法：定时扫描法，中断扫描法）串行接口 GP-IB接口的24线包括：16跟信号线（8条双向数据线、3条数据传送控制线、5条接口控制线）和8条逻辑地线及屏蔽线
控制器的操作过程：①控制器检测SRQ线，当其为低电平时，通过查询确定请求服务的仪表②控制器的设置ATN为有效（低电平）③控制器发送X0100001，确定地址为1的仪表为听者④控制器发送X1000010，确定地址为2的仪表为讲者⑤控制器设置ATN为有效高电平⑥讲者与听者交换数据⑦控制器发出X0111111关闭听者⑧控制器发出XL011111关闭讲者
串行通信定义：指数据按位依次传输。串行通信中要求发送和接受双方必须遵守统一的规定，这样才能保证通信正常进行。
RS-232C是采用负逻辑来定义逻辑电平的。驱动的输出电平为逻辑“0”：+5V～+15V，逻辑“1”：-15V～-5V；接收器的输入检测电平为：逻辑“0”：>+3V，逻辑“1”：<-3VMAX202芯片只需+5V电源供电，可提供TS-232C电平的发送器和接收器各两个
RS-485串行总线标准的特点：①某一设备与其他设备的连接只需两根导线②不能实行全双工通信USB2.0速率：120~240MB/S
USB特点：使用方便；速度快；接口灵活；独立供电；支持多媒体USB的数据流传输方式：等时传输方式；中断传输方式；控制传输方式；批传输方式测量算法的定义：指直接与测量技术有关的算法重要算法问题：测量结果的非数值处理算法、测量结果的数值处理算法、两层自动转换与标度变换算法和多传感器的信息融合算法排序是将一组“无序”的记录序列调整为“有序”的记录序列的过程常用的数字滤波法：限幅滤波；中位值滤波；算术平均滤波；递推平均滤波；加权递推平均滤波；一阶惯性滤波；复合滤波法
修正系统误差：利用误差模型修正；通过曲线拟合修正；校准数据表修正法智能仪器的 主要功能：按照被测控对象的要求对测控对象进行测量后，根据一定的算法对其进行控制。测量的两项基本指标：准确度和可靠性为什么要进行误差的校准和自检？对仪器的误差进行校准可保证仪器具有规定的准确度，而对仪器的自检可及时发现错误，使仪器可靠工作。仪器自检的方式：开机自检；周期性自检；键控自检；连续监控；
故障检测与诊断的目的：（1）能及时、正确的对各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，提高智能仪器运行的可靠性，安全性和有效性；（2）保证智能仪器发挥最大的设计能力，制定合理的检测维修制度；（3）通过检测监视、故障分析。性能评估等为智能仪器的结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。
故障检测的任务：了解和掌握系统的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合系统的历史和现状，考虑环境因素，对设备运行状态做出报警，以便运行人员及时加以处理，并为设备的故障分析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。
故障诊断的任务：根据状态检测所获得的信息，结合已知的结构特性和参数及环境条件，以及该设备的运行历史，对设备可能要发生的或已发生的故障进行预报和分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修和治理对策，并加以实施，最终使设备复原到正常状态。
串模干扰定义：由外界条件引起的、叠加在被测电压上的干扰信号，并通过测量仪器的输入端与被测量信号仪器进入测量仪器而引起参量误差。
抑制串模干扰的措施：（1）采用滤波器（2）选择器件（3）对信号进行预处理（4）电磁屏蔽
共模干扰的定义：同时叠加在两条被测信号线上的外界干扰信号，由于被测信号的地和仪器地之间不等点位，两个“地 ”之间的电位差ECM就成为工模干扰源。
抑制共模干扰：利用双端输入的运算放大器作为输入通道的前置放大器抑制工模干扰；利用隔离放大器、变压器或光电耦合器将信号源和仪器隔离，使两个地之间没有直接的导通回路；利用浮地输入双层屏蔽放大器。
智能仪器知识点 篇2
智能仪器是计算机技术与测量技术、仪器仪表技术相结合的产物。它具有传统仪器无法比拟的优点,在测量精度、速度、可靠性方面有了根本性改变。智能仪器广泛应用于测量、控制、通信、医学仪器以及科学研究等各个方面。近年来随着计算机技术、微电子技术的迅速发展,智能仪器又发生了巨大的变化[1,2,3],探讨智能仪器的设计方法及研制步骤。
1 智能仪器设计的基本要求
1.1 功能及技术指标应满足要求
在智能仪器设计中,首先应明确仪器要实现的功能和技术指标,然后根据功能和技术指标要求进行总体设计。常见的仪器功能有:输出功能(如显示,打印)、人机对话功能(如键盘的操作管理、屏幕的菜单选择)、通信功能、出错和超限报警功能等。常见的技术指标有:精度(如灵敏度、线性度、基本误差以及环境参数对测量的影响等)、被测参数的测量范围、工作环境(如温度、湿度、腐蚀性等)以及稳定性(如连续工作时间)等。
1.2 具有高的可靠性
可靠性就是仪器在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力[4]。一般用年均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等指标来表示。实践证明,提高仪器可靠性的关键在于提高产品的可靠性设计水平。因此在设计阶段必须充分考虑可靠性问题,在设计方案、元器件选择、工艺过程以及维护性等方面予以全面的考虑,采用成熟的设计技术以及可靠性分析、试验技术,提高产品的固有可靠性。
1.3 便于操作和维护
在仪器设计过程中,应考虑操作方便,尽量降低对操作人员的专业知识要求,以便产品的推广应用。仪器的控制开关或按键不宜太多、太复杂,操作程序应简单明了,输入输出用十进制数表示,从而使操作者无需专门的训练,便能够掌握仪器的使用方法。
智能仪器还应有很好的可维护性,为此仪器结构要规范化、模块化,并配有现场故障诊断程序,一旦发生故障,能保证有效地对故障定位,以便更换相应的模块,使仪器尽快地恢复正常运行。
1.4 仪器工艺及造型设计要求
仪器工艺流程是影响可靠性的重要因素。要依据仪器工作环境条件是否需要防水、防尘、防爆,是否需要抗冲击、抗振动、抗腐蚀等要求设计工艺流程。仪器的造型设计也极为重要。总体结构的安排、部件间的连接关系以及面板的美化等都必须认真考虑。
2 智能仪器的设计原则
2.1 从整体到局部的设计原则
智能仪器的设计大多面临复杂而综合的设计任务[5,6]。在进行仪器的软硬件设计时,应遵循从整体到局部,也就是“自顶向下”的设计原则。这种设计原则的含义是,把复杂的、难处理的问题,分为若干个较简单的、容易处理的问题,然后再逐个地加以解决。开始设计时,设计人员根据仪器功能和设计要求提出仪器设计的总任务,然后将总任务分解成一批相互独立的子任务。子任务还可以再细分,直到每个低级的子任务足够简单,可以容易地实现为止。由于这些低级的子任务相对简单,因此可以采用某些通用模块实现,并且可以作为单独的实体进行设计和调试。子任务完成后,将所有结果汇总起来,必要时做些调整,即可完成整体设计任务。
2.2 软硬件协调原则
智能仪器的某些功能(如逻辑运算、定时、滤波)既可以通过硬件实现,也可以通过软件完成。硬件和软件各有特点,使用硬件,可以提高仪器的工作速度,减轻软件编程任务。但仪器成本增加,结构较复杂,出现故障的机会增多。以往人们在智能仪器设计中,过多地着眼于硬件成本,尽量“以软代硬”,随着LSI芯片功能的增强,价格的下降,这种设计理念需要转变。哪些设计子任务应该“以硬代软”,哪些应该“以软代硬”,要根据系统的规模、功能、指标和成本等因素综合考虑。一般的原则是,如果仪器的生产批量较大,应该尽可能的压缩硬件投入,用以“以软代硬”的办法降低生产成本。此外,凡简单的硬件电路能解决的问题不必用复杂的软件取代,反之,简单的软件能完成的任务也不必去设计复杂的硬件。在具体的设计过程中,为了取得满意的结果,硬件与软件的划分需要多次协调、折中和仔细权衡。
2.3 开放式与组合化设计原则
在科学技术飞速发展的今天,设计智能仪器系统面临三个突出的问题[3,7]:①产品更新换代加快。②市场竞争日趋激烈。③如何满足用户不同层次和不断变化的要求。
针对上述问题,在智能仪器设计中应推行 “开放式系统”的设计理念。“开放式系统”是指向未来的VLSI开放,在技术上兼顾今天和明天,即从当前实际可能出发,又留下容纳未来新技术机会的余地;向系统的不同配套档次及用户不断变化的特殊要求开放。
为了使智能仪器满足“开放式系统”的要求,应采用组合化设计方法。即针对不同的应用系统要求,选用现成的硬件模块和软件组成系统。 使设计者将主要精力放在分析设计目标,确定总体结构,选择系统配件,解决专用软件的开发设计等方面,而不是放在功能模块设计上。采用组合化设计的优点是:
(1)开发设计周期短。组合化设计采用成熟的软件、硬件产品组合成系统,不需要进行功能模块的设计。因此,相对于传统设计方法,设计简便,设计周期短。
(2)结构灵活,便于扩充和更新。使用中,可以根据需要更换一些模块或进行局部结构改装来满足不断变化的要求。
(3)维修方便快捷。功能模块大量使用LSI和VLSI芯片,在出现故障时,只需要更换IC芯片或功能模块,大大缩短维修时间。
(4)成本低。仪器系统使用的功能模块,一般为批量生产,成本低而且性能稳定,因此组合成的系统成本也较低。
3 智能仪器的研制步骤
设计研制一台智能仪器的一般过程(如图1所示)。主要分为三个阶段。第一阶段:确定设计任务,并拟定设计方案;第二阶段:硬件和软件设计;第三阶段:系统调试及性能测试。各阶段的工作内容和设计任务如下。
3.1 确定设计任务、拟定设计方案
(1)确定设计任务
根据仪器最终要实现的目标,编写设计任务书。在设计任务书中,明确仪器应该实现的功能、需要完成的测量任务;被测量的类型、变化范围,输入信号的通道数;测量速度、精度、分辨率、误差;测量结果的输出方式及显示方式;输出接口的设置,如通信接口、打印机接口等。
另外,要考虑仪器的内部结构、外型尺寸、面板布置、研制成本、仪器的可靠性、可维护性及性能价格比等。
(2)拟定设计方案
设计方案就是对设计任务的具体化。首先根据仪器应该完成的功能、技术指标等,提出几种可能的方案。每个方案,应包括仪器的工作原理、采用的技术、重要元器件的性能等;接着对各方案进行可行性论证,包括对某些重要部分的理论分析、计算及必要的模拟实验;最后再兼顾各方面因素选择其中之一作为仪器的设计方案。在确定仪器总体设计方案时,微处理器的选择非常关键。微处理器是整个仪器的核心部分,应该从功能和性价比等方面认真考虑。
当仪器总体方案和选用的微处理器种类确定之后,采用“自顶向下”的设计原则,把仪器划分成若干个便于实现的功能模块。仪器中有些功能模块既可以用硬件实现,也可以用软件实现,设计者应该根据仪器的性价比、研制周期等因素对硬件和软件的选择作出合理安排。在对仪器硬件和软件协调之后,作出仪器总体硬件功能框图和软件功能框图。
3.2 硬件和软件的设计
在设计过程中,硬件和软件应同步进行。在设计硬件、研制功能模块的同时,即着手进行应用程序的编制。硬件、软件的设计工作要相互配合,充分发挥微机的特长,尽可能缩短研制周期、提高设计质量[8,9]。
(1)硬件电路的设计
硬件设计的主要工作是根据仪器总体硬件框图设计各单元电路(如输入/输出通道、信号调理电路、主机电路、人机接口、通信接口等)并研制相应的功能模块。在功能模块研制完成之后进行组合与装配,即按照硬件框图将各功能模块组合在一起,构成仪器的硬件系统。
在硬件设计中还应注意下列问题
①应考虑到将来会有的修改和扩展,硬件资源需留有足够的余地。
②为了及时修复仪器出现的故障,需附加有关的监测报警电路。
③在硬件设计时还须考虑硬件抗干扰措施和是否需要设置RAM的掉电保护措施等。
④绘制线路板时,需注意与机箱、面板的配合,接插件安排等问题。
(2)软件设计
软件设计的一般过程是,先分析仪器系统对软件的要求,画出总体软件功能框图[10];然后用模块化设计方法设计每一软件功能模块,绘出每一功能模块的流程图,选择合适的语言编写程序;最后按照总体软件框图,将各模块连接成一个完整的程序。
3.3 系统的调试
(1)调试过程
由于智能仪器设计中,硬件和软件的研制是相互独立地进行的,因此软件调试可以在硬件完成之前,硬件调试也可以在无完整的应用软件情况下进行。硬件和软件调试结束后,还需在样机上进行软件和硬件的联合调试。在调试中,如果出现故障,应分析原因,修改有关的硬件和软件。反复进行这一过程,直至没有错误为止。
(2)硬件静态调试
硬件静态调试的目的是为了排除明显的硬件故障。集成电路器件未插入电路板之前,必须仔细检查线路连接是否正确。重点检查系统总线(地址总线、数据总线和控制总线)是否存在相互之间短路或与其他信号线短路,特别要防止电源短路。确定电路连线无误后,再插入芯片,接通电源。
(3)软件调试
软件调试可以利用软件模拟开发系统进行。通常这种系统是由个人计算机和模拟开发软件构成的一种完全依靠软件手段进行开发的系统,开发系统与用户系统在硬件上无任何联系,借助于模拟开发系统,智能仪器软件设计人员可以在计算机上,利用模拟软件实现对单片机的硬件模拟、指令模拟、运行状态模拟。从而完成应用软件开发调试的全过程。
(4) 动态在线调试
智能仪器硬件电路的静态调试只是初步调试,排除了明显的静态故障。由于智能仪器的软件和硬件密切相关,对硬件电路动态故障的检查和诊断、应用软件的调试等必须在联机状态下进行。动态在线调试一般借助于仿真开发系统完成。动态在线调试时,拔掉样机的单片机(或CPU)芯片,将在线仿真器提供的IC插头插入单片机插座的位置。对于样机系统来说,单片机虽然由仿真器代替,但实际运行状态并无明显的差别。由于在线仿真器是在开发系统控制下工作的,因此,可以利用开发系统丰富的硬件和软件资源对样机系统进行研制和调试。
需要指出的是在系统调试中,还必须对设计要求的全部功能及技术指标进行测试和评价,以确定仪器是否达到预定的设计目标,若发现某一功能或指标达不到要求,则应修改硬件或软件,并进行重新调试直至满意为止。
4 结束语
研发人员进行智能仪器设计时,首先应对仪器的功能要求及技术指标进行分析。在此基础上提出并优化设计方案。在具体设计中应遵从三个设计原则,即“自顶向下”设计原则;软、硬件协调原则;开放式与组合化原则。理论设计完成后,应实施软、硬件的分别调试以及联合动态调试。调试应与仪器的功能、技术指标测试并行进行,只有功能、技术指标均满足要求,整个调试工作才算结束。
参考文献
[1]邵明松,赵伟,黄松岭.试论智能仪器进步特征及其概念内涵拓展[J].电测与仪表,2009,9.
[2]孙亚飞,陈仁文,周勇,等.测试仪器发展概述[J].仪器仪表学报,2003,24(5):480-484.
[3]姜玉柱.智能仪器及其发展前景综述[J].机械工程师,2007,8.
[4]杨培双.智能仪器硬件可靠性设计[J].仪表技术,2009,3.
[5]杨明,甘欣辉,张景文.智能仪器的量程自动转换设计[J].国外电子元器件,2004,5.
[6]吴石增.现代科学仪器与计算机技术[J].现代科学仪器,2006,6.
[7]董有祥.智能仪器的设计及发展[J].山西电子技术,2006,1.
[8]李昌禧.智能仪表原理与设计[M].北京:化学工业出版社,2005.
[9]赵茂泰.智能仪器原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2005.
智能仪器的抗干扰技术 篇3
摘 要：智能仪器又称为“仪器仪表”，是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器，拥有对用户输入数据进行存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能。属于新世纪的高新技术产品，具有功能齐全、操作简便、分析结果准确可靠等优点，是诸多行业代替人工的帮手。
关键词：智能；智能仪器；仪表；抗干扰
传统仪器一般只采用简单的电子电路来转换测量数据，用直观的模式显示或读出测试数据，并没有加入数据存储和处理功能，要通过人工来进行计算甚至比对才可以得出测量结果。例如，2000年的电子秤，用户只可以在其上读出物体重量，却不能通过物体的单价来计算总价格，这种只能用于一般测量的数据测量仪器，都可以算是传统仪器，但是由于它的成本比较低，目前还拥有一定市场。
智能仪器是具有微型处理系统或可接入微型计算机的智能化仪器。它可以像小型计算机一样，通过对电子电路来转换测量数据的分析、判断，通过连接各种电子设备使用户得到其需要的结果。这种强大的功能使智能仪器现在已广泛用于电子、化工、机械、轻工、航空等行业，对我国制造业提升产品质量的检测手段起到了重要的作用。
但是在智能仪器中，还存在很多限制因素，在对信号采集、处理、传输中，抗干扰能力一直是众多电子产品性能好坏的重要指标，对于某些智能仪器，在使用过程中会将模拟信号转变为数字信号，数据在经过采集和压缩后，还需要传输到指定的主机，一般情况下采用其自带的连接设备就足够了。不过在一些特定的情况下，由于源端设备、传输过程中、终端设备等因素限制，在传输和采集中经常会遇到一些信号干扰，致使传输的信号受到波动、失真等。
1 干扰信号大体可分为三类
1.1 源端设备引起的干扰
一般有供电电源的干扰和设备本身问题引起的干扰。判断方法是直接在电路中接监视器观察，如果是电源引起的干扰可以通过更换电源，采用开关电源供电，在220V交流回路中加交流滤波器等办法解决。
1.2 传输过程引起的干扰
主要是传输电缆损坏引起的干扰、电磁辐射干扰和地电位差三种，对于传输电缆可以通过更换电缆或增加抗干扰设备解决。
1.3 终端设备引起的干扰
主要是设备供电、设备本身产生的干扰、接地引起的干扰、设备与设备连接引起的干扰等。
2 抗干扰的措施
提高抗干扰的措施最理想的方法是抑制干扰源，这样可以使其不向外产生干扰或将其干扰影响降低到最小。由干扰源的复杂性，要想对所有的干扰源都做到使其不对外产生干扰是不可能的，也是不现实的。因此，除了对一些重要的干扰源，其余的主要是对一些干扰源进行抑制，将其干扰影响降低到最小，以保证系统能正常地工作。抑制干扰的措施很多，主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地等方法。
2.1 屏蔽
一般采用良好接地的金属网或罩实现电磁屏蔽，隔离电磁场干扰。既可防止外来电磁场干扰，又可防止本身电磁场辐射对外界的干扰。通常用铜和铝等导电性能良好的金属材料作屏蔽体。磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。对静磁场及低频交变磁场，可用高磁导率的材料作屏蔽体，并保证通信线路畅通；对高频交变磁场，靠线路上感生的涡流所产生的反磁场来排斥原磁场起到屏蔽作用。选用材料也是导电性良好的导体，如铜、铝等。
2.2 隔离
隔离，是指把干扰源与接收系统隔离开来，使有用信号正常传输，令干扰耦合通道被切断，达到抑制干扰的目的。常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法。
第一，光电隔离。光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端间进行信号传输，所用的器件是光电耦合器。光电耦合器在传输信息时，工作方式为借助于光作为媒介物进行耦合，因而具有较强的隔离和抗干扰的能力。光耦合器有着共模抑制比大、无触点、寿命长、易与逻辑电路配合、响应速度快、小型、耐冲击且稳定可靠，因此光电隔离在机电一体化系统有着广泛的应用。
第二，变压器隔离。变压器隔离干扰信号用于交流信号的传输中。隔离变压器将各种模拟负载和数字信号源隔离开，传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。
第三，继电器隔离。继电器线圈和触点仅有机械上形成联系，而没有直接的联系，它的触点接在其他控制回路中，通过触点的变化导致控制回路发生变化（例如开关的闭合和断开），从而实现既定的控制或保护的目的。因此，可利用继电器控制和传输电信号。
2.3 滤波
滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱比要接收的信号的频谱宽得多，所以，当接收器接收有用信号时，也会接收到那些没用的干扰。这就采用滤波的方法，利用低通、高通、带通、带阻等低通滤波器选通其所需要的频率，抑制无用频率。
2.4 接地
将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点（地）与之连接，称为接地。接地的目的有两个：
第一，为了安全，把电子设备的机壳、机座等与大地相接，当设备中存在漏电时，不致影响人身安全，称为安全接地。
第二，为了给系统提供一个基准电位，如脉冲数字电路的零电位点等，或为了抑制干扰屏蔽接地，称为工作接地。
工作接地包括一点接地和多点接地两种方式：一是一点接地。将所有设备串联起来，通过一根导线接地，各电路间会发生相互干扰，虽然很不可取，但由于比较简单，用的地方仍然很多。当各电路的电平相差不大时还可勉强使用，但当各电路的电平相差很大时就不能使用。二是多点接地。多点接地所需地线较多，一般适用于低频信号，若电路工作频率较高，电感分量大，各地线间的互感耦合会增加干扰。各接地点就近接于接地汇流排或底座、外壳等金属构件上。
2.5 软件方面
在软件编写程序时，可使用以下方法避免干扰：
第一，将不用的代码空间全清成“0”，因为这等效于接低电平，限制引脚电压。
第二，在使用无硬件看门狗时，可采用软件模看门狗，以监测程序的运行。
第三，涉及调整或设置外部器件的参数时，定时将参数重新发送一遍，可以防止外部器件因受干扰而出错。
第四，在有Data、CLK、INH接口时，将常态置为高，其抗干扰效果要更加明显。
2.6 硬件方面
第一，条件允许的情况下，将每个数字元件在地与电源之间都加入104的电容。
第二，在有继电器的应用场合，尤其是在通过大电流时，为了防继电器触点火花对电路的干扰，可在继电器线圈间并联一个104的电容和一个整流二极管，在触点和常开端间接一个472的电容。
参考文献：
[1]王选民.智能仪器原理及设计[M].清华大学出版，2008.
[2]史健芳，廖述剑，杨静.智能仪器设计基础[M].电子工业出版社，2012.
作者简介：张警伟（1995—），男，辽宁海城人。
杨岩（1994—），男，黑龙江齐齐哈尔人。
仪表仪器理论知识全面分析 篇4
恒温恒湿箱整机耐干、耐热、耐湿老化实验。适合电子、电器、仪表、食品、车辆、金属、化学、建材、航天、医疗……等制品，通过设定试验室内温度、湿度等参数，提供实验所需的模拟自然条件，以检测产品在此环境的可靠性。
全站仪集合了经纬仪水准仪测距仪的所有功能，并将这些仪器的所有长处进行组合从而达到更高的精度和更多的拓展功能。广泛用于道路测量建筑行业农林等行业。
经纬仪简单来说就是测量水平角，竖直角。广泛运用于船舶的制造，重型设备的安装，等行业。
水准仪利用一条水平视线，并借助水准尺，来测定地面两点间的高差，可以推算出未知点的高程。
测距仪就是利用激光或超声波在一定时间内所走的路程。广泛运用于室内装潢道路量测设备安装等行业。
酶标仪可广泛用于医院临床诊断，锡疫病理检测，微生物抗原及搞体检测，寄生虫病诊断，血液病诊断，内分泌障碍测定，植物病虫研究学等领域。
浊度仪浊度，即水的混浊程度。浊度仪就是用来测量水的浊度的专门仪器。可供水厂，电厂，食品加工业，制药工业实验室对水样混浊度的测定，还可以用于监测天然水等。
搅拌器是工厂，科研机构，大专院校和医学单位等的科学研究，产品开发，品质控制和生产过程应用的理想设备。
测振仪用于测量电动机的震动速度以及频率。如果电机正常，那么它的振动速度应该保持在一个区间内，为此，每个产品里面都附有这样的一个电机正常运作与振动速度之间关系
电泳仪可作各种聚丙烯酰胺凝胶电泳、纸电泳还可作淀粉凝胶、琼脂凝胶电泳，还可作醋酸薄膜、点洗脱以及各种分析制备先用等。
洛氏硬度计洛氏硬度计适用于黑色金属、有色金属以及可锻铸铁的洛氏硬度测定。
电子分析天平是集精确，稳定，多功能与自动化于一体的电子天平，可以满足所有实验室质量分析要求,还可以直接连接打印机，计算机等设备来扩展天平的使用。
恒温水浴供大专院校、工矿企业和科研单位等作精密恒温和辅助加热之用。
原子吸收分光光度计其特点是采用了原子吸收分光光度法对样品进行分析，其分析对象是呈原子状态的金属与部分非金属元素。通常用来分析样品中微量及痕量的元素含量，主要应用于生化，冶金，环保等领域。
体视显微镜用于教学示范，生物解剖，观察分析，电子和精密机械工业零件的装配和检验等
旋光仪用来测试样品的旋光度、比旋度、浓度、糖度等。
是医药行业、食品、饮料、轻工制造业、精细化工等行业必备的实验仪器。
超声波测厚仪超声波测厚仪采用超声波的原理测量一切超声波良导体材料的厚度。
接地电阻测试仪主要是测试设备的各处外露可导电部分与设备的总接地端子之间的电阻。由于接地电阻非常小，一般在几十毫欧姆，因此必须采用四端测量才能消除接触电阻。
电桥电桥主要用于测量其范围内的电阻。有测温电桥、直流单双臂两用电桥、直流电阻电桥、单臂电桥、双臂电桥、变压比电桥、交流电桥、高压电桥等等。
声级计是声学(噪声)测量的基本仪器，它按照一定的频率记权和时间记权来测量声音的声压级或声级的仪器。它用于环境、机器、车辆仪器其他各种噪声的测量，也可用于电声学及建筑声学的测量。
紫外可见分光光度计其特点是提供紫外-可见波段的波长范围200-1000nm，主要应用于样品的紫外-可见光区域之间的定性与定量等分析。
电缆故障测试仪主要是通过直流高压闪络法，冲击高压电感取样法，冲击高压电流取样法等对通信电缆，电话线电缆，电力电缆等故障测试，故障点探寻的测试仪器。它包括电缆探伤仪，，路径探伤仪和故障点测试仪。
千分表原理使用范围和百分表相同，精度能达到0.001mm 配合比较仪座使用，可以测量超薄工件的高度，
定氮仪由电加热消化器、蒸馏器两大部分组成，是对蛋白质含量测定的一种仪器。
测斜仪是测量钻孔弯曲的小型仪器，适用于钻孔内作连贯多点的测量其方位角和顶角。
菌落计数器适用于对微生物的菌落计数和计算，抗生素的抗菌性测试和菌种筛选等。用于食品卫生检验、水质分析检测、医院临床检验、化装品检验和药品质量检测等。
兆欧表
磁粉探伤仪运用磁粉原理进行磁性金属表面的探伤，优点是探伤结果比较直观，但是效率不高，并且只能用在工件表面，对于非磁性金属无效。
熔点仪一种用于测定晶体物质的熔点以确定其纯度的仪器。主要用于药物、染料、香料等晶体有机化合物熔点之测定。
试验箱是一种常用的仪器设备，提供实验所需的温度环境，湿度，广泛应用与化工,电子,铸造,汽车,食品,机械等各个行业
偏光显微镜具有双折射性的晶体进行研究的必备仪器，可分析岩矿，研究晶体，纤维的光学性质
探伤仪它能够快速便捷、无损伤、精确的进行工件内部多种缺陷(裂纹、夹杂、气孔等)的检测、定位、评估和诊断。
网络分析仪就是对网络状况进行测试。用来采集网络的各种信息数据及网络故障的测试
光功率计就是对光功率或损耗进行测量。主要用于光纤通信工程，传感研究，光学器件的生产和研究以及其它光纤工程。
是医药行业、食品、饮料、轻工制造业、精细化工等行业必备的实验仪器。
超声波测厚仪超声波测厚仪采用超声波的原理测量一切超声波良导体材料的厚度。
接地电阻测试仪主要是测试设备的各处外露可导电部分与设备的总接地端子之间的电阻。由于接地电阻非常小，一般在几十毫欧姆，因此必须采用四端测量才能消除接触电阻。
电桥电桥主要用于测量其范围内的电阻。有测温电桥、直流单双臂两用电桥、直流电阻电桥、单臂电桥、双臂电桥、变压比电桥、交流电桥、高压电桥等等。
声级计是声学(噪声)测量的基本仪器，它按照一定的频率记权和时间记权来测量声音的声压级或声级的仪器。它用于环境、机器、车辆仪器其他各种噪声的测量，也可用于电声学及建筑声学的测量。
紫外可见分光光度计其特点是提供紫外-可见波段的波长范围200-1000nm，主要应用于样品的紫外-可见光区域之间的定性与定量等分析。
电缆故障测试仪主要是通过直流高压闪络法，冲击高压电感取样法，冲击高压电流取样法等对通信电缆，电话线电缆，电力电缆等故障测试，故障点探寻的测试仪器。它包括电缆探伤仪，，路径探伤仪和故障点测试仪。
千分表原理使用范围和百分表相同，精度能达到0.001mm 配合比较仪座使用，可以测量超薄工件的高度。
定氮仪由电加热消化器、蒸馏器两大部分组成，是对蛋白质含量测定的一种仪器。
测斜仪是测量钻孔弯曲的小型仪器，适用于钻孔内作连贯多点的测量其方位角和顶角。
菌落计数器适用于对微生物的菌落计数和计算，抗生素的抗菌性测试和菌种筛选等。用于食品卫生检验、水质分析检测、医院临床检验、化装品检验和药品质量检测等。
兆欧表
磁粉探伤仪运用磁粉原理进行磁性金属表面的探伤，优点是探伤结果比较直观，但是效率不高，并且只能用在工件表面，对于非磁性金属无效。
熔点仪一种用于测定晶体物质的熔点以确定其纯度的仪器。主要用于药物、染料、香料等晶体有机化合物熔点之测定。
试验箱是一种常用的仪器设备，提供实验所需的温度环境，湿度，广泛应用与化工,电子,铸造,汽车,食品,机械等各个行业
偏光显微镜具有双折射性的晶体进行研究的必备仪器，可分析岩矿，研究晶体，纤维的光学性质
探伤仪它能够快速便捷、无损伤、精确的进行工件内部多种缺陷(裂纹、夹杂、气孔等)的检测、定位、评估和诊断。
网络分析仪就是对网络状况进行测试。用来采集网络的各种信息数据及网络故障的测试
测量气体绝热指数的智能仪器研制 篇5
关键词：气体绝热指数,智能仪器,单片机,A/D转换,液晶显示模块LCD
物质的比热容是物理学中一个重要的物理量。气体的定压比热容和定容比热容之比(比热容比)称为气体的绝热指数。在热力学过程特别是绝热过程中气体的绝热指数是反映气体性质的一个重要热力学参量。气体绝热指数的计算公式为
学院物理实验室中使用FD-NCD空气比热容比测定仪来测量气体绝热指数。该实验仪器是在稳定状态下进行测量的,即实际测量的是整个绝热膨胀过程和等容吸热过程的初末两个稳定状态,实验结果只能反映状态量,不能直观地显示出气体发生变化的过程曲线,这样不利于分析热力学现象。还有一点就是,FD-NCD空气比热容比测定仪是用三位半数字电压表作为压力传感器的二次仪表,测量空气压强;用四位半数字电压表作为集成温度传感器的二次仪表,测量空气温度,而这两种电压表在该实验中都略显精度不够。由此可看出,气体绝热指数测量的实验装置需要改进。
本文就是针对原实验装置存在的问题设计一个由MCU(Micro ControllerUnit)为核心的智能仪器。
1 智能仪器总体设计
针对FD-NCD空气比热容比测定仪不能直观显示气体状态变化曲线和数据采集精度不够的缺点,该智能实验仪的设计中应该包括显示器和高精度的A/D转换器。
1.1 硬件设计
采用绝热膨胀法测量气体绝热指数需要测量储气瓶内气体的压强和温度,在本文的智能仪器设计中使用了高精度、高灵敏度的扩散硅压阻式差压传感器和电流输出型半导体集成温度传感器AD 590来测量压强和温度。并经过一系列的信号调理电路(SignalProcessing)、放大电路和滤波器(Filter)电路。压力传感器和温度传感器同时将模拟信号输入A/D转换器。在进行A/D转换时间内,输入信号不能再变化,以免造成转换误差。这样,在A/D转换器之前加入采样保持器S/H(SampleHolder)[1]。如图1所示。
本实验中考虑到对采样频率和采样精度以及节约成本的要求,在本设计中采用的是AD公司生产的16位A/D转换器AD7705。图1中虚线框内的所有器件只需一个AD7705就可以完全实现所需要的功能,使仪器的开发和维护更加方便[2]。单片机是气体绝热指数测量的智能仪器的核心器件,该智能仪器采用了 AT89C52低电压、高性能CMOS 8位单片机。在智能仪器中接一个显示器LCD(Liquid Crystal Display)来作为数据的输出设备,适时测得的实验数据,作出气体的状态变化曲线。我们选择北京青云创新公司生产的LCM240128ZK模块作为本仪器来完成图形和文本的输出显示。整个智能仪器的硬件结构框架如图2所示。图2中左边虚线框内的部分包括传感器和A/D转换器,是数据采集部分;右边虚线框内的部分为人机接口部分,包括键盘和显示器。
1.2 软件设计
只把硬件连接起来并不能称为智能仪器,还需要对硬件进行编程控制, 在本次设计中编程语言全部选择汇编语言。为了增加程序的可读性和可移植性,在程序编写过程中使用模块化的程序设计方法。
2 数据采集
数据采集就是传感器将储气瓶内气体的压强和温度等非电量转化为电信号,然后再由A/D转换器将模拟电信号转换为数字电信号,单片机接收数字电信号并对其进行进一步的处理。传感器和A/D转换器是进行数据采集的主要部分。
2.1 传感器
2.1.1 压力传感器
实验中采用高精度扩散硅压阻式差压传感器来测量储气瓶内气体的压强。测量压强时将差压传感器一端与瓶内被测气体相通,另一端与大气相通。差压传感器电源输入端输入一恒定电压,当瓶内被测气体压强发生变化时,传感器信号输出端的输出电压值相应产生变化[3]。传感器输出电压和压强的变化成线性关系,可表示为
Ui=U0+KP(pi-p0) (1)
(1)式中pi为被测气压强;p0为大气压强;Ui 为传感器两端压差为pi-p0时传感器的输出电压值;U0为传感器两端压差为零时传感器的输出电压值;Kp为传感器的灵敏度(传感器系数)。根据式(1)被测气体的压强为
由此可知,若已知Ui、U0和Kp,根据式(2)可求出气体的压强pi。
2.1.2 温度传感器
AD590是单片集成温度传感器,是电流输出型半导体集成温度传感器的代表产品[4] ,具有良好的互换性,且校准准确度可达±0.5℃[5]。如用摄氏度tc表示温度,则输出电流为
I(μA)=Kc(tc+273.2) μA 。
在AD590的终端使用一只取样电阻,即可实现电流到电压的转换。
2.2 A/D转换
仪器中AD7705是AD公司推出的16位Σ-Δ(电荷平衡式)A/D转换器[6]。
2.2.1 AD7705与单片机连接
AD7705灵活的串行接口使其能很容易地与大多数微处理器进行连接,因而可将它直接与各种传感器相连,构成对采样速率要求不高的数据采集系统。AD7705与单片机AT89C52的电路连接如图4所示。
2.2.2 AD7705的工作流程及寄存器设置
AD7705与单片机之间按照图5连接完成,片选输入端CS已经直接接入低电平,时钟信号输入端MCLK IN和MCLK OUT已经接入外部晶振,所以在接上电以后,只要单片机P1.4口给RESET端一个可靠的复位信号,然后单片机执行一个数据写入的子程序,将控制字分别写入AD7705内部的通信寄存器、设置寄存器和时钟寄存器。AD7705就可以正常进行A/D转换了。每当转换完成一个数据,转换完成标志位DRDY从高电平变为低电平,表示可以将转换完成的数字量以串行方式输出了。在程序控制中,单片机采用的是查询的方式来判断A/D转换是否完成。
设置寄存器是一个8位寄存器。AD7705的输入增益为128倍。AD7705的工作状态是标准状态。数据采集使用了AD7705以后,原仪器分别用三位半和四位半数字电压表作为压力传感器和温度传感器的二次仪表,三位半和四位半的数字电压表显示精度分别相当于二进制的11位和14位,而AD7705可以将测量值转换为16位二进制数据。由此可见,智能实验仪的测量精度已经远远超过了原仪器。 另一方面,AD7705的采样频率最高可达到500 Hz,即每秒钟可以采集500个数据,这与原仪器只能读取状态值相比,在数据的全面性上又是一大进步。
3 人机接口
在单片机应用中,为了控制检测系统的工作状态以及向系统输入数据,应用系统应设有按键或键盘,实现简单的人机会话。键盘和显示器是两种很重要的人机接口设备。该智能实验仪的操作界面如图5所示。面板上部为LCD显示器,可以同时显示图形和数据。面板下部设置八个按键,分别为ON/OFF键、GO/END键、PIC键、DATA键和四个方向键。
3.1 键盘电路
本设计采用了靠软件识别的未编码键盘。如图5所示,ON/OFF键为开关键,直接控制电源通断,不受程序控制。GO/END键为开始/停止键,电源打开后,按下GO/END键整个智能仪器开始工作,单片机自动控制AD7705进行数据采集并进行A/D转换,然后将转换得到的数据存入存储器,同时将数据输出到LCD,并在LCD[7]的坐标区和数据区分别以点和数字的形式显示。PIC键为图形区选择键,在有效状态时按下,可以选中LCD显示器上部的图形显示区。
3.2 LCD模块
根据气体绝热指数测量实验的特点,仪器需要采集的数据量相当大,因此,需要在AT89C52单片机外部扩展外部存储器。液晶显示模块内部就有存储器,并且可读可写,利用LCD内部的存储器存储数据节约了成本,我们选用的北京青云创新公司生产的液晶显示模块LCM240128ZK[8]。单片机和LCM240128ZK的连接如图6所示。
人机接口设计完成以后实验者可以通过操作面板,控制测量数据的采集和显示,可以清楚地观察到实验进行过程当中,气体状态是怎么变化的,并可以查看实验过程中任意时刻的的气体状态值,这对实验者从宏观上理解气体绝热指数的测量原理有重要意义。
4 结 论
测量气体绝热指数的智能仪器完成后,实现的效果是:气体在进行绝热膨胀和等容吸热的过程中,压力传感器和温度传感器输出的电信号经A/D转换后输入单片机,单片机将数据存入存储器,并通过LCD显示器将数据实时显示出来。数据的显示分两种方式,一种是坐标形式,一种是数字形式,两种形式分别在LCD的坐标区和数据区显示。当实验数据采集完毕之后,可以通过键盘控制光标移动在坐标区的图形上选择适当的点,并可同时在数据区查看到该点所对应的数值;也可通过左右方向键在数据区选择合适的状态值。最后,实验完成,可以对照气体变化的状态曲线,分析气体的变化过程,并选择合适的状态值计算出气体的绝热指数。
实时显示气体状态变化曲线是该智能仪器的最大特色,也是智能化的一个标志。但是由于AD7705的转换速率最高只能达到500 Hz,即每秒钟最多只能采集500个数据,而这500个数据中,压强数据和温度数据各250个,对于实时显示气体状态变化曲线来说,数据个数太少,这样会导致曲线的平滑度不够,分辨率不高。所以该智能仪器的采样频率还有待提高。
参考文献
[1]Cullen J D,Arvanitis N,Lucas J.In-field trials of a tyre pressure monitoring system based on segmented capacitance rings.Measure-men,2002;32(3):181—192
[2]陆佳,刘任先.硅压阻式传感器与AD7705芯片在压力测量中的应用.河海大学常州分校学报,2003;17(2):71—75
[3]物理实验教程(上册).山东东营:中国石油大学(华东)物理实验中心,2006;84—85
[4]蒋敏兰,胡生清,幸国全.AD590温度传感器的非线性补偿及应用.传感器技术,2001;20(10):54—56
[5]Pang Yutai,Wang Tuanbu.Integrated Circuit Temperature Transducer AD590And Its Application.国外电子元器件,2002;(7):22—24
[6]刘红玲.16位Σ-ΔA/D转换器AD7705及其应用.单片机与嵌入式系统应用,2002;(1):47—49,81
[7]陈杨杨,陈梅.基于单片机的通信和LCD显示.电气时代,2005;(8):124—125
智能仪器知识点 篇6
关键词:测量仪器;测绘技术;发展;应用
中图分类号:P271 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0089-01
随着人类认知世界的不断扩大,生产力的不断提高,伴随着生产私有制的产生,测量仪器随着而诞生。随着人类视野的不断开阔,对未知世界的不断探索,不断追求着对周边事物的详细了解,测绘技术逐渐发展。现代已经是21世纪,智能化、自动化是当今科技发展的主题,他普遍应用于各门学科技术,他的快速发展和普遍应用对社会进步、科技发展都起着重要的意义。
一、测量仪器智能化的技术发展和应用
目前,计算机的快速发展,使得计算机和大规模的集成电路也随着快速发展,随着产业化的形成,使得其价格越来越便宜,从而促使其应用范围逐渐增大。测量仪器智能化技术是测量领域和仪器仪表领域当中快速发展的具有特色的一大分支。其中,超声检测和超声工业测量是比较先进的测量技术,它们的特点是超声波功率通常较小,都是利用超声波在媒介中传播的特性进行不同的分析与测量,例如:流量、晶粒度、液位、料位、浓度、应力、温度等不同的媒介。从科学原理上来讲,超声工业的测量程序并不复杂,在实验室条件下就可以实现。超声波测量可显示出许多的物质状态与特征,在工业性领域应用中具有极广的适用范围。从另一个角度看, 超声波能测量这一特性反映出了超声波能够受多种因素的干扰,这是超声工业测量技术在实际应用受到限制的重要因素之一。以前,为了采取超声波测量某一物质特定的工业量,通常采取多种限制性措施,尽量排除可能干扰超声波的现象,使测量数据更加准确。目前,随着微型计算机技术与现代电子科技技术的快速发展,使得超声波仪器构成和使用原理愈来愈简单,测试精度也随之愈来愈高,还实现了很多过去达不到的目标。用微机技术可以实现测量过程中的自动化与智能化,并可进行多个参量综合测量和分析,使测量仪器能在繁杂的工业现场使用。由于用微机与现代电子技术实现的声速自动测量精度已经很高,且构成的仪器小巧、价廉,易由此组成各类超声工业测量仪器,在保证一定的测量精度条件下,实现大动态范围实时跟踪的智能测试。这种技术制成的智能仪器非常适用于工业性的在线检则。
二、测绘技术自动化的技术发展与应用
测绘技术自动化的应用领域较测量技术的应用领域显得狭小,但他所应用的领域更加专业,技术含量更高。他应用的范围多数是在地形测量中,以在地理领域应用测绘技术自动化应用为例,测绘技术的发展和应用起到的至关重要的作用。测绘自动化技术在地形测量中起到的作用主要是采集数据、处理数据、传输数据、显示数据的功能,他们通过计算机这一有利工具集合于一体。随着计算机、网络的普遍应用和发展,为测量仪器的智能化提供了一个技术支持平台,从而促进了测绘技术自动化技术进行了重大的改革。地形测量领域即是一门专门的理论科学更是一个技术性的科学,它主要包括研究并确定地球的形状、大小、地球整体运动、地球局部运动以及地球表面点的具体位置的集合。通过实际地形测量工作,可以为国家在城区建设、矿区开采以及实施各种建设性工程等方面的工作提供准确的参考依据,并可以提供不同比例尺的各种地形图以满足各领域的需要。即测定地球表面的实际地形以及物体相关数据等在水平面上的投影的位置和高程,提供精确、细致的地形数据,然后得到的数据按照要求的比例变化为实际操作依据,再用各种繁多专业符号和注记做成一定比例尺的相关地形图。目前,测绘技术自动化技术一般采用航空摄影测量方法进行测绘地形图,然后在室内测量航空图像,但是若出现绘制的地形图与实际情况不符,那么就用野外使用的平板仪测量方法为主,这样就可以节省很大的费用。传统意义上的测绘技术一般由五部分组成,即施工测量、地形测量、控制测量、变形监测和竣工测量组成。然而随着测绘技术的不断发展,一些新的手段不断出现,现代测绘技术已经呈现出高精度、高度自动化、丰富的图形属性信息以及方便快捷的图形编辑等多种优势于一体的技术。本文只要阐述了在地形测量和测绘技术领域中的相关概念及当前地形测量的测绘技术自动化技术的前景,并探讨测绘技术自动化技术在发展过程中给其他领域带来的好处,该项技术能够从较远的距离感知目标物体所辐射或反射出来的红外线、可见光、电磁波等,同时对目标物体进行探测及识别。测绘技术自动化技术在探测地形领域得到了极大的应用,为探测地形事业做出了积极的贡献,随着该技术的不断发展进步,在未来会为地形探测领域提供更加准确、快速和简单的地形数据,尤其是人工智能化和专家系统的开发会为今后测绘自动化提供前进动力和发展方向,他们将使测绘技术向一个全新的领域发展。
三、结语
以上两方面说明了在实际应用过程中测量仪器的智能化和测绘技术的自动化在发展和应用的过程中的重要作用,实际上不仅仅在重大学科和技术领域中能应用到这两门学科,在我们的实际生活中也是离不开他们的,细心观察我们的生活很多环节都是跟他们息息相关的。任何学科都不是一沉不变的,随着电子计算机的继续发展,测量和测绘技术必将会大幅度的前进,它的发展既依赖于其他科学领域的进步,同时也为其他领域的前进做出的积极的贡献,测量仪器的智能化和测绘技术的自动化的大范围普及应用,必将会为整个科学领域的发展提供一个精确的应用工具。
参考文献:
[1]李淑燕.浅谈数字化测绘技术和地质工程测量的发展应用[J].技术信息,2009(5):37.
[2]邹建,刘颖.利用Labview实现光谱实验测量仪器的智能化[J].重庆大学学报,2010,26(6):36-38.