智能儀器功能原理及其發(fā)展趨勢

智能儀器的出現(xiàn)，極大地擴(kuò)充了傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強(qiáng)、功耗低等優(yōu)勢，迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
1. 智能儀器的工作原理
傳感器拾取被測參量的信息并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬開關(guān)；由單片機(jī)逐路選通模擬開關(guān)將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器，放大后的信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號后送入單片機(jī)中；單片機(jī)根據(jù)儀器所設(shè)定的初值進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運算和處理(如非線性校正等)；運算的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和打印；同時單片機(jī)把運算結(jié)果與存儲于片內(nèi)FlashROM(閃速存儲器)或E2PROM(電可擦除存貯器)內(nèi)的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行運算比較后，根據(jù)運算結(jié)果和控制要求，輸出相應(yīng)的控制信號(如報警裝置觸發(fā)、繼電器觸點等)。此外，智能儀器還可以與PC機(jī)組成分布式測控系統(tǒng)，由單片機(jī)作為下位機(jī)采集各種測量信號與數(shù)據(jù)，通過串行通信將信息傳輸給上位機(jī)——PC機(jī)，由PC機(jī)進(jìn)行全局管理。
2. 智能儀器的功能特點
隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成了CPU、存儲器、定時器/計數(shù)器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器甚至A／D、D／A轉(zhuǎn)換器等電路在一塊芯片上的超大規(guī)模集成電路芯片(即單片機(jī))出現(xiàn)了。以單片機(jī)為主體，將計算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，又組成了所謂的“智能化測量控制系統(tǒng)”，也就是智能儀器。
與傳統(tǒng)儀器儀表相比，智能儀器具有以下功能特點：
①操作自動化。儀器的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機(jī)或微控制器來控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。
②具有自測功能，包括自動調(diào)零、自動故障與狀態(tài)檢驗、自動校準(zhǔn)、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等。智能儀表能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。這種自測試可以在儀器啟動時運行，同時也可在儀器工作中運行，極大地方便了儀器的維護(hù)。
　　③具有數(shù)據(jù)處理功能，這是智能儀器的主要優(yōu)點之一。智能儀器由于采用了單片機(jī)或微控制器，使得許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題，現(xiàn)在可以用軟件非常靈活地加以解決。例如，傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表只能測量電阻、交直流電壓、電流等，而智能型的數(shù)字萬用表不僅能進(jìn)行上述測量，而且還具有對測量結(jié)果進(jìn)行諸如零點平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計分析等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能，不僅使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來，也有效地提高了儀器的測量精度。
　　④具有友好的人機(jī)對話能力。智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關(guān)，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時，智能儀器還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及對測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時告訴操作人員，使儀器的操作更加方便直觀。
　?、菥哂锌沙炭夭僮髂芰?。一般智能儀器都配有GPIB、RS232C、RS485等標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，可以很方便地與PC機(jī)和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動測量系統(tǒng)，來完成更復(fù)雜的測試任務(wù)。
3. 智能儀器的發(fā)展概況
　　80年代，微處理器被用到儀器中，儀器前面板開始朝鍵盤化方向發(fā)展，測量系統(tǒng)常通過IEEE—488總線連接。不同于傳統(tǒng)獨立儀器模式的個人儀器得到了發(fā)展等。
　　90年代，儀器儀表的智能化突出表現(xiàn)在以下幾個方面：微電子技術(shù)的進(jìn)步更深刻地影響儀器儀表的設(shè)計；DSP芯片的問世，使儀器儀表數(shù)字信號處理功能大大加強(qiáng)；微型機(jī)的發(fā)展，使儀器儀表具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；圖像處理功能的增加十分普遍；VXI總線得到廣泛的應(yīng)用。
　　近年來，智能化測量控制儀表的發(fā)展尤為迅速。國內(nèi)市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種多樣智能化測量控制儀表，例如，能夠自動進(jìn)行差壓補(bǔ)償?shù)闹悄芄?jié)流式流量計，能夠進(jìn)行程序控溫的智能多段溫度控制儀，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字PID和各種復(fù)雜控制規(guī)律的智能式調(diào)節(jié)器，以及能夠?qū)Ω鞣N譜圖進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)處理的智能色譜儀等。
　　國際上智能測量儀表更是品種繁多，例如，美國HONEYWELL公司生產(chǎn)的DSTJ-3000系列智能變送器，能進(jìn)行差壓值狀態(tài)的復(fù)合測量，可對變送器本體的溫度、靜壓等實現(xiàn)自動補(bǔ)償，其精度可達(dá)到±0.1％FS；美國RACA-DANA公司的9303型超高電平表，利用微處理器消除電流流經(jīng)電阻所產(chǎn)生的熱噪聲，測量電平可低達(dá)-77dB；美國FLUKE公司生產(chǎn)的超級多功能校準(zhǔn)器5520A，內(nèi)部采用了3個微處理器，其短期穩(wěn)定性達(dá)到1ppm，線性度可達(dá)到0.5ppm；美國FOXBORO公司生產(chǎn)的數(shù)字化自整定調(diào)節(jié)器，采用了專家系統(tǒng)技術(shù)，能夠像有經(jīng)驗的控制工程師那樣，根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)迅速地整定調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器特別適合于對象變化頻繁或非線性的控制系統(tǒng)。由于這種調(diào)節(jié)器能夠自動整定調(diào)節(jié)參數(shù)，可使整個系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中始終保持最佳品質(zhì)。