现代检测技术
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2014年12月30日
一 现代检测技术的技术特点和系统的构成
1、现代检测技术特点
（1）测量过程软件控制
智能检测系统可以是新建自稳零放大，自动极性判断，自动量程切换，自动报警，过载保护，非线性补偿，多功能测试和自动巡回检测。由于有了计算机，上述过程可采用软件控制。测量过程的软件控制可以简化系统的硬件结构，缩小体积，降低功耗，提高检测系统的可靠性和自动化程度。 （2）智能化数据处理
智能化数据处理是智能检测系统最突出的特点。计算机可以方便、快捷地实现各种算法。因此，智能检测系统可用软件对测量结果进行及时、在线处理，提高测量精度。另一方面，智能检测系统可以对测量结果再加工，获得并提高更多更可靠的高质量信息。
智能检测系统中的计算机可以方便地用软件实现线性化处理、算术平均值处理、数据融合计算、快速的傅里叶变换（FFT）、相关分析等各种信息处理功能。 （3）高度的灵活性
智能检测系统已以软件工作为核心，生产、修改、复制都比较容易，功能和性能指标更加方便。而传统的硬件检测系统，生产工艺复杂，参数分散性较大，每次更改都涉及到元器件和仪器结构的改变。 （4）实现多参数检测与信息融合
智能检测系统设备多个测量通道，可以有计算对多路测量通进行检测。在进行多参数检测的基础上，依据各路信息的相关特性，可以实现智能检测系统的多传感器信息融合，从而提高检测系统的准确性、可靠性和容错性。 （5）测量速度快
高速测量时智能检测系统追求的目标之一。所谓高速检测，是指从检测开始，经过信号放大、整流滤波、非线性补偿、A/D转换、数据处理和结果输出的全过程所需要的时间。目前，高速A/D转换的采样速度在2000MHz以上，32位PC机的时钟频率也在500MHz以上。随着电子技术的迅猛发展，高速显示、高速打印、高速绘图设备也日臻完善。这些都为智能检测系统的快速检测提供了条件。 （6）智能化功能强
以计算机为信息处理核心的智能检测系统具有较强的智能功能，可以满足各类用户的需要。典型的智能功能有：
1）测量选择功能
智能检测系统能够实现量程转换、信号通道和采样方式的自动选择，使系统具有对被测量对象的最优化跟踪检测能力。
2）故障诊断功能
智能检测系统结构复杂，功能较多，系统本身的故障诊断尤为重要，系统可以根据检测通道的特性和计算机本身的自诊断能力，检查个单元故障，显示故障部位，故障原因和应采取的故障排除方法。
3）其他智能功能
智能检测系统还可以具备人机对话、自校准、打印、绘图、通信、专家知识查询和控制输出等智能功能。
2、系统的构成
现代检测技术的一个明显特点就是传感器采用电参量、电能量或数字传感器以及微型集成传感器，信号处理采用集成电路和微处理器。
尽管现代检测仪器和检测系统的种类、型号繁多，用途、性能千差万别，但它们的作用都是用于各种物理或化学成分等参量的检测，其组成单元按信号传递的流程来区分：通常由各种传感器（变送器）将非电被测物理或化学成分参量转换成电信号，然后经信号调理（信号转换、信号检波、信号滤波、信号放大等）、数据采集、信号处理后显示并输出（通常有4～20 mA、经D／A转换和放大后的模拟电压、开关量、脉宽调制PWM、串行数字通信和并行数字输出等），由以上设备以及系统所需的交、直流稳压电源和必要的输入设备（如拨动开关、按钮、数字拨码盘、数字键盘等）便组成了一个完整的检测（仪器）系统，其各部分关系如图0-1所示。
（1）传感器
传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置。它的作用是感受指定被测参量的变化并按照一定规律将其转换成一个相应的便于传递的输出信号。传感器通常由敏感元件和转换部分组成；其中，敏感元件为传感器直接感受被测参量变化的部分，转换部分的作用通常是将敏感元件的输出转换为便于传输和后续环节处理的电信号。
图0-1 现代检测系统一般组成框图
例如，半导体应变片式传感器能把被测对象受力后的微小变形感受出来，通过一定的桥路转换成相应的电压信号输出。这样，通过测量传感器输出电压便可知道被测对象的受力情况。这里应该说明，并不是所有的传感器均可清楚、明晰地区分敏感和转换两部分；有的传感器已将这两部分合二为一，也有的仅有敏感元件（如热电阻、热电偶）而无转换部分，但人们仍习惯称其为传感器（如人们习惯称热电阻、热电偶为温度传感器）。
传感器种类繁多，其分类方法也较多。主要有按被测参量分类法（如温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器、荷重传感器等），按传感器转换机理（工作原理）分类法（如电阻式、电容式、电感式、压电式、超声波式、霍尔式等）和按输出信号分类法（分为模拟式传感器和数字式传感器两大类）等。采用按被测参量分类法有利于人们按照目标对象的检测要求选用传感器，而采用按传感器转换机理分类法有利于对传感器做研究和试验。
传感器作为检测系统的信号源，其性能的好坏将直接影响检测系统的精度和其他指标，是检测系统中十分重要的环节。本书主要介绍工程上涉及面较广、应用较多、需求量大的各种物理量、化学成分量常用的先进的检测技术与实现方法以及如何选用合适的传感器，对传感器要求了解其工作原理、应用特点，而对如
何提高现有各种传感器本身的技术性能，以及设计开发新的传感器则不作深入研究。通常检测仪器、检测系统设计师对传感器有如下要求： a.精确性
传感器的输出信号必须准确地反应其输入量，即被测量的变化。因此，传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，最好是线性关系； b.稳定性
传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随时间和温度而变化，受外界其他因素的干扰影响亦应很小，重复性要好； c.灵敏度
即要求被测参量较小的变化就可使传感器获得较大的输出信号； d.其他
如耐腐蚀性好、低能耗、输出阻抗小和售价相对较低等。 各种传感器输出信号的形式也不尽相同，通常有电荷、电压、电流、频率等，在设计检测系统及选择传感器时对此也应给予重视。
(2)信号调理
信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续环节处理或显示。例如，工程上常见的热电阻型数字温度检测（控制）仪表，其传感器Ptl00的输出信号为热电阻值的变化。为便于处理，通常需设计一个四臂电桥，把随被测温度变化的热电阻阻值转换成电压信号；由于信号中往往夹杂着50 Hz工频等噪声电压，故其信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。需要远传的话，通常采取D／A或V／I电路将获得的电压信号转换成标准的4～20 mA电流信号后再进行远距离传送。检测系统种类繁多，复杂程度差异很大，信号的形式也多种多样，各系统的精度、性能指标要求各不相同，它们所配置的信号调理电路的多寡也不尽一致。对信号调理电路的一般要求是：
1）能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号； 2）信噪比高，抗干扰性能要好。
（3）数据采集
数据采集（系统）在检测系统中的作用是对信号调理后的连续模拟信号进行离散化并转换成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数值信息，同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储。数据采集系统通常以各类模／数（A／D）转换器为核心，辅以模拟多路开关、采样／保持器、输入缓冲器、输出锁存器等。数据采集系统的主要性能指标是： 1）输入模拟电压信号范围，单位 V； 2）转换速度（率），单位 次／s；
3）分辨率，通常以模拟信号输入为满度时的转换值的倒数来表征；
4）转换误差，通常指实际转换数值与理想A／D转换器理论转换值之差。
（4）信号处理
信号处理模块是现代检测仪表、检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和人的大脑相类似。现代检测仪表、检测系统中的信号处理模块通常以各种型号的单片机、微处理器为核心来构建，对高频信号和复杂信号的处理有
时需增加数据传输和运算速度快、处理精度高的专用高速数据处理器（DSP）或直接采用工业控制计算机。
当然，由于检测仪表、检测系统种类和型号繁多，被测参量不同，检测对象和应用场合各异，用户对各检测仪表的测量范围、测量精度、功能的要求差别也很大。对检测仪表、检测系统的信号处理环节来说，只要能满足用户对信号处理的要求，则是愈简单愈可靠，成本愈低愈好。对一些容易实现且传感器输出信号大，用户对检测精度要求不高，只要求被测量不要超过某一上限值，一旦越限，送出声（喇叭或蜂鸣器）、光（指示灯）信号即可的检测仪表的信号处理模块，往往只需设计一个可靠的比较电路，该电路的一端为被测信号，另一端为表示上限值的固定电平；当被测信号小于设定的固定电平值，比较器输出为低电平，声、光报警器不动作，一旦被测信号电平大于固定电平值，比较器翻转，经功率放大驱动扬声器、指示灯动作。这种简单系统的信号处理就很简单，只要一片集成比较器芯片和几个分立元件即可。但对于热处理和炉温检测、控制系统来说，其信号处理电路将大大复杂化。因为对热处理炉炉温测控系统，用户不仅要求系统高精度地实时测量炉温，而且需要系统根据热处理工件的热处理工艺制定的时间-温度曲线进行实时控制（调节）。如果采用一般通用的中小规模集成电路来构建这一类较复杂的检测系统的信号处理模块，则不仅构建技术难度很大，而且所设计的信号处理模块必然结构复杂，调试困难，性能和可靠性差。
由于微处理器、单片机和大规模集成电路技术的迅速发展和这类芯片价格不断降低，对稍复杂一点的检测系统（仪器）其信号处理环节都应考虑选用合适型号的单片机、微处理器、DSP或新近开始推广的嵌入式模块为核心来设计和构建（或者由工控机兼任），从而使所设计的检测系统获得更高的性能价格比。
（5）信号显示
通常人们都希望及时知道被测参量的瞬时值、累积值或其随时间的变化情况，因此，各类检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的当前值后通常均需送至各自的显示器作实时显示。显示器是检测系统与人联系的主要环节之一，显示器一般可分为指示式、数字式和屏幕式三种。
1）指示式显示又称模拟式显示。被测参量数值大小由光指示器或指针在标尺上的相对位置来表示。用有形的指针位移模拟无形的被测量是较方便、直观的。指示式仪表有动圈式和动磁式等多种形式，但均有结构简单、价格低廉、显示直观的特点，在检测精度要求不高的单参量测量显示场合应用较多。指针式仪表存在指针驱动误差和标尺刻度误差，这种仪表的读数精度和仪器的灵敏度等受标尺最小分度的限制，如果操作者读仪表示值时，站位不当就会引入主观读数误差。
2）数字式显示以数字形式直接显示出被测参量数值的大小。在正常情况下，数字式显示彻底消除了显示驱动误差，能有效地克服读数的主观误差，（相对指示式仪表）可提高显示和读数的精度，还能方便地与计算机连接并进行数据传输。因此，各类检测仪表和检测系统正越来越多地采用数字式显示方式。
3）屏幕显示实际上是一种类似电视显示方法，具有形象性和易于读数的优点，又能同时在同一屏幕上显示一个被测量或多个被测量的（大量数据式）变化曲线，有利于对它们进行比较、分析。屏幕显示器一般体积较大，价格与普通指示式显示和数字式显示相比要高得多，其显示通常需由计算机控制，对环境温度、湿度等指标要求较高，在仪表控制室、监控中心等环境条件较好的场合使用较多。
（6）输出
现代检测技术作业
