檢測系統

在人類的各項生產活動和科學實驗中，為了瞭解和掌握整個過程的進展及其最後結果，經常需要對各種基本參數或物理量進行檢查和測量，從而獲得必要的信息，並以之作為分析判斷和決策的依據。可以認為檢測技術就是人們為了對被測對象所包含的信息進行定性的瞭解和定量的掌握所採取的一系列技術措施。

隨着人類社會進入信息時代，以信息的獲取、轉換顯示和處理為主要內容的檢測技術已經發展成為一門完整的技術學科，在促進生產發展和科技進步的廣闊領域內發揮着重要作用。檢測技術幾乎已應用於所有的行業，它是多學科知識的綜合應用。它涉及到半導體技術、激光技術、光纖技術、聲控技術、遙感技術、自動化技術、計算機應用技術、以及數理統計、控制論、信息論等近代新技術和新理論。

一個廣義的檢測系統一般由激勵裝置、測試裝置、數據處理與記錄裝置組成，如圖1所示。

儘管現代檢測儀器、檢測系統的種類、型號繁多，用途、性能千差萬別，但它們作用都是用於各種物理或化學成分等參量檢測， 其組成單元可按信號傳遞的流程來區分。

如圖2所示： 首先通常由各種傳感器（變送器）將非電被測物理或化學成分參量轉換成電信號， 然後經信號調理（包括信號轉換、信號檢波、 信號濾波、 信號放大等）、數據採集、 信號處理、 信號顯示、 信號輸出 （通常有 4～20 m A、經 D/A 變換和放大後的模擬電壓、開關量、脈寬調製——PWM、串行數字通信和並行數字輸出等）以及系統所需的交、直流穩壓電源和必要的輸入設備 ( 如撥動開關、按鈕、數字撥碼盤、數字鍵盤等 ) 便組成了一個完整的檢測（儀器）系統 ^[1]  。

傳感器是檢測系統與被測對象直接發生聯繫的器件或裝置。 它的作用是感受指定被測參量的變化並按照一定規律轉換成一個相應的便於傳遞的輸出信號。 傳感器通常由敏感元件和轉換部分組成； 其中， 敏感元件為傳感器直接感受被測參量變化的部分， 轉換部分作用通常是將敏感元件輸出轉換為便於傳輸和後續處理的電信號。

例如，半導體應變片式傳感器能把被測對象受力後微小的變形感受出來， 通過一定的橋路轉換成相應的電壓信號輸出。 這樣， 通過測量傳感器輸出電壓便可知道被測對象的受力情況。 這裏應該説明， 並不是所有的傳感器均可清楚、 明晰地區分敏感和轉換兩部分； 有的傳感器已將兩部分合二為一，也有的僅有敏感元件（如熱電阻、熱電偶） 、無轉換部分，但人們仍習慣稱其為傳感器（如人們習慣稱熱電阻、熱電偶為温度傳感器）。

傳感器種類繁多，其分類方法也較多。主要有按被測參量分類（例如，温度傳感器、濕度傳感器、 位移傳感器、 加速度傳感器、 荷重傳感器等） 法，按傳感器轉換機理 （工作原理） 分類（例如，電阻式、電容式、電感式、壓電式、超聲波式、霍爾式等）法和按輸出信號分類（分為模擬式傳感器和數字式傳感器兩大類） 法等。採用按被測參量分類法有利於人們按照目標對象的檢測要求選用傳感器，而採用按傳感器轉換機理（工作原理）分類法有利於對傳感器作研究、試驗。

傳感器作為檢測系統的信號源， 其性能的好壞將直接影響檢測系統的精度和其它指標， 是檢測系統中十分重要的環節。 本書主要介紹工程上涉及面較廣、 應用較多、 需求量大的各種物理量、化學成份量常用和先進的檢測技術與實現方法以及如何選用合適的傳感器， 對傳感器要求瞭解其工作原理、 應用特點， 而對如何提高現有各種傳感器本身的技術性能、 以及設計開發新的傳感器則不作深入研究。通常檢測儀器、檢測系統設計師對傳感器有如下要求：

(1) 準確性：傳感器的輸出信號必須準確地反應其輸入量，即被測量變化。因此，傳感器的輸出與輸入關係必須是嚴格的單值函數關係，最好是線性關係；

(2) 穩定性：傳感器的輸入、輸出的單值函數關係最好不隨時間和温度而變化，受外界其它因素的干擾影響亦應很小，重複性要好；

(3) 靈敏度：即要求被測參量較小的變化就可使傳感器獲得較大的輸出信號；

(4) 其他：如耐腐蝕性好、低能耗、輸出阻抗小和售價相對較低等。

各種傳感器輸出信號形式也不盡相同， 通常有電荷、 電壓、 電流、 頻率等； 在設計檢測系統、　選擇傳感器時對此也應給予重視。

信號調理在檢測系統中的作用是對傳感器輸出的微弱信號進行檢波、 轉換、濾波、放大等，以方便檢測系統後續處理或顯示。例如，工程上常見的熱電阻型數字温度檢測（控制）儀表其傳感器 Pt100 輸出信號為熱電阻值的變化，為便於後續處理，通常需設計一個四臂電橋，把隨被測温度變化的熱電阻阻值轉換成電壓信號；由於信號中往往夾雜着 50Hz 工頻等噪聲電壓，故其信號調理電路通常包括濾波、放大、線性化等環節。

需要遠傳的話， 通常採取 D/A 或 V/I 電路獲得的電壓信號轉換成標準的 4～20m A 電流信號後再進行遠距離傳送。檢測系統種類繁多，複雜程度差異很大，信號的形式也多種多樣， 各系統的精度、 性能指標要求各不相同， 它們所配置的信號調理電路的多寡也不盡一致。 對信號調理電路的一般要求是：

(1) 能準確轉換、穩定放大、可靠地傳輸信號；

(2) 信噪比高，抗干擾性能要好。

數據採集 （系統） 在檢測系統中的作用是對信號調理後的連續模擬信號離散化並轉換成與模擬信號電壓幅度相對應的一系列數值信息， 同時以一定的方式把這些轉換數據及時傳遞給微處理器或依次自動存儲。數據採集系統通常以各類模 / 數（ A/D）轉換器為核心，輔以模擬多路開關、採樣 / 保持器、輸入緩衝器、輸出鎖存器等組成。數據採集系統主要性能指標是：

(1) 輸入模擬電壓信號範圍，單位為V ；

(2) 轉換速度（率） ，單位為次 / 秒；

(3) 分辨率，通常以模擬信號輸入為滿度時的轉換值的倒數來表徵；

(4) 轉換誤差，通常指實際轉換數值與理想 A/D 轉換器理論轉換值之差。

信號處理模塊是現代檢測儀表、 檢測系統進行數據處理和各種控制的中樞環節， 其作用與功能和人的大腦相類似。 現代檢測儀表、 檢測系統中的信號處理模塊通常以各種型號的單片機、 微處理器為核心來構建， 對高頻信號和複雜信號的處理有時需增加數據傳輸和運算速度快、 處理精度高的專用高速數據處理器（ DSP）或直接採用工業控制計算機。

當然由於檢測儀表、檢測系統種類和型號繁多，被測參量不同、檢測對象和應用場合不同，用户對各檢測儀表的測量範圍、測量精度、 功能的要求差別也很大。對檢測儀表、檢測系統的信號處理環節來説，只要能滿足用户對信號處理的要求，則是愈簡單愈可靠、成本愈低愈好。

對一些容易實現、 傳感器輸出信號大， 用户對檢測精度要求不高、 只要求被測量不要超過某一上限值，一旦越限， 送出聲 ( 喇叭或蜂鳴器 ) 、光 ( 指示燈 ) 信號即可的檢測儀表的信號處理模塊， 往往只需設計一個可靠的比較電路， 比較電路一端為被測信號， 另一端為表示上限值的固定電平； 當被測信號小於設定的固定電平值，比較器輸出為低，聲、光報警器不動作， 一旦被測信號電平大於固定電平， 比較器翻轉， 經功率放大驅動揚聲器、 指示燈動作。 這種簡單系統的信號處理就很簡單，只要一片集成比較器芯片和幾個分立元件就可構成。

但對於像熱處理爐的爐温檢測、 控制系統來説，其信號處理電路將大大複雜化。 因為熱處理爐爐温測控系統， 用户不僅要求系統高精度地實時測量爐温，而且需要系統根據熱處理工件的熱處理工藝制定的時間一温度曲線進行實時控制( 調節 ) 。

通常人們都希望及時知道被測參量的瞬時值、 累積值或其隨時間的變化情況； 因此，各類檢測儀表和檢測系統在信號處理器計算出被測參量的當前值後通常均需送各自的顯示器作實時顯示。顯示器是檢測系統與人聯繫的主要環節之一，顯示器一般可分為指示式、數字式和屏幕式三種。

(1) 指示式顯示，又稱模擬式顯示。被測參量數值大小由光指示器或指針在標尺上的相對位置來表示。有形的指針位移用於模擬無形的被測量是較方便、 直觀的。指示式儀表有動圈式和動磁式多種形式，但均有結構簡單、價格低廉、顯示直觀，在檢測精度要求不高的單參量測量顯示場合應用較多。指針式儀表存在指針驅動誤差、標尺刻度誤差，這種儀表讀數精度和儀器的靈敏度等受標尺最小分度的限制，如果操作者讀儀表示值站位不當就會引入主觀讀數誤差。

(2) 數字式顯示，以數字形式直接顯示出被測參量數值的大小；在正常情況下，數字式顯示徹底消除了顯示驅動誤差、能有效地克服讀數的主觀誤差，（相對指示式儀表）提高顯示和讀數的精度，還能方便地與計算機連接和進行數據傳輸。 因此， 各類檢測儀表和檢測系統正越來越多地採用數字式顯示方式。

(3) 屏幕顯示，實際上是一種類似電視顯示方法，具有形象性和易於讀數的優點，又能同時在同一屏幕上顯示一個被測量或多個被測量的 ( 大量數據式 ) 變化曲線，有利於對它們進行比較、分析。屏幕顯示器一般體積較大、 價格與普通指示式顯示和數字式顯示相比要高得多；其顯示通常需由計算機控制，對環境温度、濕度等指標要求較高，在儀表控制室、監控中心等環境條件較好的場合使用較多。

在許多情況下， 檢測儀表和檢測系統在信號處理器計算出被測參量的瞬時值後除送顯示器進行實時顯示外，通常還需把測量值及時傳送給控制計算機、 可編程控制器 （PLC）或其它執行器、打印機、記錄儀等，從而構成閉環控制系統或實現打印（記錄）輸出。檢測儀表和檢測系統信號輸出通常有 4～20 m A、經 D/A 變換和放大後的模擬電壓、開關量、脈寬調製—— PWM、串行數字通信和並行數字輸出等多種形式，需根據測控系統的具體要求確定。

輸入設備是操作人員和檢測儀表或檢測系統聯繫的另一主要環節， 用於輸入設置參數、 下達有關命令等。 最常用的輸入設備是各種鍵盤、 撥碼盤、 條碼閲讀器等。

近年來， 隨着工業自動化、辦公自動化和信息化程度不斷提高，通過網絡或各種通訊總線利用其它計算機或數字化智能終端，實現遠程信息和數據輸入方式愈來愈普遍。最簡單的輸入設備是各種開關、 按鈕；模擬量輸入、設置，往往藉助電位器進行。

一個檢測儀表或檢測系統往往既有模擬電路部分，又有數字電路部分，通常需要多組幅值大小要求各異但均需穩定的電源。這類電源在檢測系統使用現場一般無法直接提供，通常只能提供交流 220 V 工頻電源或 +24V 直流電源。檢測系統的設計者需要根據使用現場的供電電源情況及檢測系統內部電路的實際需要，統一設計各組穩壓電源，給系統各部分電路和器件分別提供它們所需穩定電源。