检测系统

在信号传输通道中，检测系统是连接输入、输出并具有特定功能的部分。在工程测试实践中，大多数测试系统都是线性的不变系统。测试技术的目的是从测量对象中获取有用的信息，以反映其变化规律。为了实现这一目标，一个广泛的测试系统通常由激励装置、测试装置、数据处理和记录装置组成。

中文名

检测系统

外文名

detecting system

领域

自动控制释义

连接输入、输出和具体功能

属于

线性系统不变

系统组成

激励、测试、数据处理和记录装置

检测系统检测技术

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在人类的生产活动和科学实验中，为了理解和掌握整个过程的进展及其最终结果，往往需要检查和测量各种基本参数或物理量，以获得必要的信息，作为分析、判断和决策的依据。可以认为，检测技术是人们定性理解和定量掌握被测对象所包含的信息所采取的一系列技术措施。

随着人类社会进入信息时代，以信息获取、转换、显示和处理为主要内容的检测技术已发展成为一门完整的技术学科，在促进生产发展和科技进步的广阔领域发挥着重要作用。检测技术几乎已应用于所有行业，是多学科知识的综合应用。它涉及现代新技术和新理论，如半导体技术、激光技术、光纤技术、声控技术、遥感技术、自动化技术、计算机应用技术、数理统计、控制理论、信息理论等。

检测系统检测系统组成检测系统

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图1 广义的检测系统一般由激励装置、检测装置、数据处理和记录装置组成，如图1所示。

尽管现代检测仪器、检测系统的种类、型号繁多，用途、性能千差万别，但它们作用都是用于各种物理或化学成分等参量检测， 其组成单元可根据信号传输过程进行区分。

图2 现代检测系统的一般组成框图如图2所示： 首先，非电被测物理或化学成分的参数通常由各种传感器(变送器)转换为电信号， 然后通过信号调理(包括信号转换、信号检波) 信号滤波、 信号放大等)，数据采集， 信号处理、 信号显示、 信号输出 (通常有 4～20 m A、经 D/A 模拟电压、开关量、脉宽调制后的变换和放大——PWM、串行数字通信和并行数字输出等。)以及系统所需的交付、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 ) 它形成了一个完整的检测(仪器)系统[1]

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传感器检测系统

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传感器是检测系统直接接触被测对象的装置或装置。 它的功能是感受指定测量参数的变化，并将其转换为相应的输出信号，便于传输。 传感器通常由敏感元件和转换部件组成； 其中， 敏感元件是传感器直接感受测量参数变化的部分， 转换部分的功能通常是将敏感元件的输出转换为便于传输和后续处理的电信号。

例如，半导体应变片式传感器在受力后能感觉到被测对象的微小变形， 将某一桥路转换为相应的电压信号输出。 这样， 通过测量传感器输出电压，可以知道被测对象的受力。 这里应该说明， 并非所有的传感器都能清晰， 明晰地区分敏感和转换两部分； 有的传感器将两部分合二为一，有的只有敏感元件(如热电阻、热电偶) 、没有转换部分，但人们仍然习惯称之为传感器（如人们习惯称之为热电阻，热电偶是温度传感器）。

传感器种类繁多，分类方法也很多。温度传感器、湿度传感器、 位移传感器， 加速度传感器， 负载传感器等) 法律，根据传感器转换机制， (工作原理) 分类(例如，电阻式、电容式、电感式、压电式、超声波式、霍尔式等)法和按输出信号分类(分为模拟式传感器和数字式传感器两大类) 法等。根据测量参数分类方法有利于人们根据目标对象的检测要求选择传感器，根据传感器转换机理（工作原理）分类方法有利于传感器的研究和测试。

传感器作为检测系统的信号源， 其性能将直接影响检测系统的精度等指标， 是检测系统中非常重要的环节。 本书主要介绍工程涉及面广， 应用较多、 常用的物理量、化学成分量和先进的检测技术和实现方法，以及如何选择合适的传感器， 了解传感器的工作原理， 应用特点， 以及如何提高传感器本身的技术性能， 而设计和开发新的传感器则不进行深入研究。检测仪器和检测系统设计师通常对传感器有以下要求：

(1) 精度：传感器的输出信号必须准确反映其输入量，即测量变化。因此，传感器的输出和输入关系必须是严格的单值函数关系，最好是线性关系；

(2) 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，受外界其它因素的干扰影响亦应很小，重复性要好；

(3) 灵敏度：即传感器需要较小的测量参数变化才能获得较大的输出信号；

(4) 其它：如耐腐蚀性好、能耗低、输出阻抗小、价格相对较低等。

各种传感器的输出信号形式也不同， 通常有电荷， 电压、 电流、 频率等； 设计检测系统， 在选择传感器时也要注意这一点。

检测系统信号调理

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检测系统中信号调理的作用是检测传感器输出的微弱信号， 转换、滤波、放大等，便于检测系统的后续处理或显示。例如，传感器是工程中常见的热电阻数字温度检测（控制）仪表 Pt100 输出信号是热电阻值的变化。为了便于后续处理，通常需要设计一个四臂电桥，将被测温度变化的热电阻值转换为电压信号；因为信号经常混合 50Hz 因此，其信号调节电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。

如果需要远传， 通常采取 D/A 或 V/I 电路获得的电压信号转换为标准 4～20m A 电流信号在远距离传输后进行。检测系统种类繁多，复杂很大，信号形式多样， 各系统的精度、 性能指标要求不同， 它们配置的信号调节电路数量也不一致。 信号调节电路的一般要求是：

(1) 信号可以准确转换、稳定放大、可靠传输；

(2) 信噪比高，抗干扰性能好。

数据采集的检测系统

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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，及时将这些转换数据传递给微处理器或依次自动存储。数据采集系统通常是各种模型 / 数( A/D)以模拟多路开关和采样为核心的转换器 / 由保持器、输入缓冲器、输出锁等组成。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V ；

(2) 转换速度(率) ，单位为次 / 秒；

(3) 分辨率通常以模拟信号输入作为满度转换值的倒数表示；

(4) 转换误差通常是指实际转换值和理想值 A/D 转换器理论转换值之差。

检测系统信号处理

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信号处理模块是现代检测仪器， 检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节， 它的功能类似于人脑的功能。 现代检测仪器， 检测系统中的信号处理模块通常以各种型号的单片机、 以微处理器为核心， 处理高频信号和复杂信号有时需要快速增加数据传输和操作速度 专用高速数据处理器处理精度高( DSP)或直接使用工业控制计算机。

当然，由于检测仪器、检测系统的种类和型号、不同的测量参数、不同的检测对象和应用场合，用户测试仪器的测量范围、测量精度、 功能要求也有很大差异。对于检测仪器和检测系统的信号处理环节，只要能满足用户对信号处理的要求，就越简单可靠，成本越低越好。

对于一些容易实现的， 传感器输出信号大， 用户对检测精度要求不高， 一旦越限，只要求测量不超过一定的上限值， 送出声 ( 喇叭或蜂鸣器 ) 、光 ( 指示灯 ) 检测仪器的信号处理模块， 通常只需要设计一个可靠的比较电路， 比较电路的一端是被测信号， 另一端为表示上限值的固定电平； 当测量信号小于设定的固定电平值时，比较器输出低，声光报警器不移动， 一旦被测信号电平大于固定电平， 比较器翻转， 通过功率放大驱动扬声器， 指示灯动作。 这种简单的系统信号处理非常简单，只要一个集成比较器芯片和几个分立元件。

但对于像热处理炉的炉温检测， 对于控制系统，其信号处理电路将大大复杂化。 由于热处理炉的温度测控系统， 用户不仅要求系统高精度实时测量炉温，还要求系统根据热处理工件的热处理工艺实时控制温度曲线( 调节 ) 。

显示检测系统的信号

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通常人们想及时知道被测参数的瞬时值， 累积值或随时间变化； 因此，信号处理器计算测量参数的当前值后，通常需要将各种检测仪器和检测系统发送到各自的显示器进行实时显示。显示器是检测系统与人接触的主要环节之一，一般可分为指示、数字和屏幕。

(1) 指示显示，又称模拟显示。被测参数值的大小由光指示器或指针在标尺上的相对位置表示。模拟无形被测量有形指针位移更方便， 直观的。指示仪表有多种形式的动态圆圈和动态磁性，但结构简单，价格低廉，显示直观，广泛应用于检测精度要求低的单参测量显示场合。指针仪表存在指针驱动误差和尺度误差。该仪表的读数精度和仪器的灵敏度受尺度最小分度的限制。如果操作人员阅读仪值位置不当，将引入主观读数误差。

(2) 数字显示直接以数字形式显示被测参数值的大小；在正常情况下，数字显示完全消除了显示驱动误差，有效克服了读数的主观误差，提高了显示和读数的精度，并便于与计算机连接和数据传输。 因此， 数字显示越来越多地用于各种检测仪器和检测系统。

(3) 屏幕显示，实际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。

检测系统信号输出

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在许多情况下， 检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的瞬时值后除送显示器进行实时显示外，通常还需把测量值及时传送给控制计算机、 可编程控制器 (PLC)或其它执行器、打印机、记录仪等，从而构成闭环控制系统或实现打印(记录)输出。检测仪表和检测系统信号输出通常有 4～20 m A、经 D/A 变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多种形式，需根据测控系统的具体要求确定。

检测系统输入设备

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输入设备是操作人员和检测仪表或检测系统联系的另一主要环节， 用于输入设置参数、 下达有关命令等。 最常用的输入设备是各种键盘、 拨码盘、 条码阅读器等。

近年来， 随着工业自动化、办公自动化和信息化程度不断提高，通过网络或各种通讯总线利用其它计算机或数字化智能终端，实现远程信息和数据输入方式愈来愈普遍。最简单的输入设备是各种开关、 按钮；模拟量输入、设置，往往借助电位器进行。

检测系统稳压电源

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一个检测仪表或检测系统往往既有模拟电路部分，又有数字电路部分，通常需要多组幅值大小要求各异但均需稳定的电源。这类电源在检测系统使用现场一般无法直接提供，通常只能提供交流 220 V 工频电源或 +24V 直流电源。检测系统的设计者需要根据使用现场的供电电源情况及检测系统内部电路的实际需要，统一设计各组稳压电源，给系统各部分电路和器件分别提供它们所需稳定电源。

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参考资料

1.

程瑛，方彦军．检测技术：水利水电出版社，2015