现代检测系统文档格式.docx

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这种测量通常具有非实时及离线和标定的性质，一般在规定的具有良好环境条件的计量室、实验室，采用比被测样品、样机更高精度的并按有关计量法规经定期校准的标准量具、器具或标准仪器进行测量。

而“检测”通常是指在生产、实验等现场，利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量。

　　在工业生产中，为了保证生产过程能正常、高效、经济地运行，必须对生产过程的某些重要工艺参数（如温度、压力、流量等）进行实时检测与优化控制。

例如城镇生活污水处理厂在污水的收集、提升、处理、排放的生产过程中，通常需要实时准确地检测液位、流量、温度、浊度、泥位（泥、水分界面位置）、酸碱度（pH）、污水中溶解氧含量（DO）、五日化学需氧量（COD）、各种有害重金属含量等多种物理和化学成分参量；

再由计算机根据这些实测物理、化学成分参量进行流量、（多种）加药（剂）量、曝气量及排泥优化控制；

为保证设备完好及安全生产，需同时对污水处理所需机电动力设备和电气设备的温度、工作电压、电流、阻抗进行安全监测，这样才能实现污水处理安全、高效和低成本地运行。

据了解，目前国内外一些城市污水处理厂由于在污水的收集、提升、处理及排放的各环节均实现自动检测与优化控制，因而大大降低了污水处理的运营成本，其污水处理的平均运行费用约为0.4元／m3；

而我国许多基本上靠人工操作的城镇污水处理厂其污水处理的平均运行费用约为1.0～1.6元／m3，两者相比差距十分明显。

　　在军工生产和新型武器、装备研制过程中更离不开现代检测技术，对检测的需求更多，要求更高。

研制任何一种新武器，从设计到零部件制造、装配到样机试验，都要经过成百、上千次严格的试验，每次试验需要同时高速、高精度地检测多种物理参量，测量点经常多达上千个。

飞机、潜艇等在正常使用时都装备了上百个不同的检测传感器，组成十几至几十种检测仪表，实时监测和指示各部位的工作状况。

在新机型设计、试验过程中需要检测的物理量更多，而检测点通常在5000个以上。

在火箭、导弹和卫星的研制过程中，需动态高速检测的参量也很多，要求也更高；

没有精确、可靠的检测手段，要使导弹准确命中目标和卫星准确入轨是根本不可能的。

　　用各种先进的医疗检测仪器可大大提高疾病的检查、诊断速度和准确性，有利于争取时间，对症治疗，增加患者战胜疾病的机会。

　　随着生活水平的提高，检测技术与人们日常生活也愈来愈密切。

例如，新型建筑材料的物理、化学性能检测，装饰材料有害成分是否超标检测，城镇居民家庭室内的温度、湿度、防火、防盗及家用电器的安全监测等，不难看出检测技术在现代社会中的重要地位与作用。

二、现代检测系统的组成

　　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4～20mA、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：

（1）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；

（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，受外界其他因素的干扰影响亦应很小，重复性要好；

　　（3）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；

　　（4）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50Hz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4～20mA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．信号输出

　　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）或其他执行器、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的信号输出通常有4～20mA的电流信号，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多种形式，需根据测控系统的具体要求确定。

　　7．输入设备

　　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的不断提高，通过网络或各种通信总线利用其他计算机或数字化智能终端，实现远程信息和数据输入的方式愈来愈普遍。

最简单的输入设备是各种开关、按钮，模拟量的输入、设置，往往借助电位器进行。

　　8．稳压电源

　　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220V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的稳定电源。

　　最后，值得一提的是，以上七个部分不是所有的检测系统（仪表）都具备的，而且对有些简单的检测系统，其各环节之间的界线也不是十分清楚，需根据具体情况进行分析。

　　另外，在进行检测系统设计时，对于把以上各环节具体相连的传输通道，也应给予足够的重视。

传输通道的作用是联系仪表的各个环节，给各环节的输入、输出信号提供通路。

它可以是导线、管路（如光导纤维）以及信号所通过的空间等。

信号传输通道比较简单，易被人们忽视，如果不按规定的要求布置及选择，则易造成信号的损失、失真或引入干扰等，影响检测系统的精度。

三、现代检测系统的分类

　　随着科技和生产的迅速发展，检测系统（仪表）的种类不断增加，其分类方法也很多，工程上常用的几种分类法如下。

　　1．按被测参量分类

　　常见的被测参量可分为以下几类：

（1）电工量电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁场强度、磁通密度等；

（2）热工量温度、热量、比热容、热流、热分布、压力、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面等；

　　（3）机械量位移、形状、力、应力、力矩、重量、质量、转速、线速度、振动、加速度、噪声等；

　　（4）物性和成分量气体成分、液体成分、固体成分、酸碱度、盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等；

　　（5）光学量光强、光通量、光照度、辐射能量等；

　　（6）状态量颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量等。

　　严格地说，状态量范围更广，但是有些状态量由于已按习惯归入热工量、机械量、成分量中，因此，在这里不再重复列出。

　　2．按被测参量的检测转换方法分类

　　被测参量通常是非电物理或化学成分量，通常需用某种传感器把被测参量转换成电量，以便于处理。

被测量转换成电量的方法很多，最主要的有下列几类：

（1）电磁转换电阻式、应变式、压阻式、热阻式、电感式、互感式（差动变压器）、电容式、阻抗式（电涡流式）、磁电式、热电式、压电式、霍尔式、振频式、感应同步器、磁栅等；

（2）光电转换光电式、激光式、红外式、光栅、光导纤维式等；

　　（3）其他能／电转换声／电转换（超声波式）、辐射能／电转换（X射线式、β射线式、γ射线式）、化学能／电转换（各种电化学转换）等。

　　3．按使用性质分类

　　按使用性质检测仪表通常可分为标准表、实验室表和工业用表等三种。

顾名思义，“标准表”是各级计量部门专门用于精确计量、校准送检样品和样机的标准仪表。

标准表的精度等级必须高于被测样品、样机所标称的精度等级；

而其本身又根据量值传递的规定，必须经过更高一级法定计量部门的定期检定、校准，由更高精度等级的标准表检定之，并出具该标准表重新核定的合格证书，方可依法使用。

　　“实验室表”多用于各类实验室中，它的使用环境条件较好，往往无特殊的防水、防尘措施。

对于温度、相对湿度、机械振动等的允许范围也较小。

这类检测仪表的精度等级虽较工业用表为高，但使用条件要求较严，只适于实验室条件下的测量与读数，不适于远距离观察及传送信号等。

　　“工业用表”是长期使用于实际工业生产现场的检测仪表与检测系统。

这类仪表为数最多，根据安装地点的不同，又有现场安装及控制室安装之分。

前者应有可靠的防护，能抵御恶劣的环境条件，其显示也应醒目。

工业用表的精度一般不很高，但要求能长期连续工作，并具有足够的可靠性。

在某些场合下使用时，还必须保证不因仪表引起事故，如在易燃、易爆环境条件下使用时，各种检测仪表都应有很好的防爆性能。

　　此外，按检测系统的显示方式可分为指示式（主要是指针式）显示，数字式显示，屏幕式显示等几类。

还有的分成模拟式、数字式、智能型（以CPU为核心，具有常规数字系统所没有的性能）等。

四、检测技术的发展趋势

　　随着世界各国现代化步伐的加快，对检测技术的要求越来越高。

而科学技术，尤其是大规模集成电路技术、微型计算机技术、机电一体化技术、微机械和新材料技术的不断进步，则大大促进了现代检测技术的发展。

目前，现代检测技术发展的总趋势大体有以下几个方面。

　　1．不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性

　　随着科学技术的发展，对检测仪器和检测系统的性能要求，尤其是精度、测量范围、可靠性指标的要求愈来愈高。

以温度为例，为满足某些科研实验的需求，不仅要求研制测温下限接近绝对零度（-273.15℃），且测温量程尽可能达到15K（约-258℃）的高精度超低温检测仪表；

同时，某些场合需连续测量液态金属的温度或长时间连续测量2500～3000℃的高温介质温度，目前虽然已能研制和生产最高上限超过2800℃的热电偶，但测温范围一旦超过2500℃，其准确度将下降，而且极易氧化从而严重影响其使用寿命与可靠性；

因此，寻找能长时间连续准确检测上限超过2000℃被测介质温度的新方法、新材料和研制（尤其是适合低成本大批量生产）出相应的测温传感器是各国科技工作者多年来一直努力要解决的课题。

目前，非接触式辐射型温度检测仪表的测温上限，理论上最高可达100000℃以上，但与聚核反应优化控制理想温度约l08℃相比还相差3个数量级，这就说明超高温检测的需求远远高于当前温度检测所能达到的技术水平。

　　仅十余年前，如果在长度、位移检测中达到微米级的测量精度，则一定会被大家认为是高精度测量；

但随着近几年许多国家大力开展微机电系统、超精细加工等高技术研究，“微米（10-6m）、纳米（10-9m）技术”很快成了人们熟知的词汇，这就意味着科技的发展迫切需要有达到纳米级，甚至更高精度的检测技术和检测系统。

　　目前，除了超高温、超低温度检测仍有待突破外，诸如混相流量检测、脉动流量检测、微差压（几十个帕）检测、超高压检测、高温高压下物质成分检测、分子量检测、高精度（0.02％以上）检测、大吨位（3×

10-7N以上）重量检测等都是需要尽早攻克的检测难题。

　　随着自动化程度不断提高，各行各业高效率的生产更依赖于各种检测、控制设备的安全可靠。

努力研制在复杂和恶劣测量环境下能满足用户所需精度要求且能长期稳定工作的各种高可靠性检测仪器和检测系统将是检测技术的一个长期发展方向。

对于航天、航空和武器系统等特殊用途的检测仪器的可靠性要求更高。

例如，在卫星上安装的检测仪器，不仅要求体积小、重量轻，而且既要能耐高温，又要能在极低温和强辐射的环境下长期稳定地工作，因此，所有检测仪器都应有极高的可靠性和尽可能长的使用寿命。

　　2．传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展

　　鉴于传感器与信号调理电路分开，微弱的传感器信号在通过电缆传输的过程中容易受到各种电磁干扰信号的影响，由于各种传感器输出信号形式众多，而使检测仪器与传感器的接口电路无法统一和标准化，实施起来颇为不便。

　　随着大规模集成电路技术的迅猛发展，采用贴片封装方式、体积大大缩小的通用和专用集成电路愈来愈普遍，因此，目前已有不少传感器实现了敏感元件与信号调理电路的集成和一体化，对外可直接输出标准的4～20mA电流信号，成为名符其实的变送器。

这对检测仪器整机研发与系统集成提供了的很大的方便，从而使得这类传感器身价倍增。

　　其次，一些厂商把两种或两种以上的敏感元件集成于一体，成为可实现多种功能的新型组合式传感器。

例如，将热敏元件和湿敏元件及信号调理电路集成在一起，一个传感器可同时完成温度和湿度的测量。

　　此外，还有厂商把敏感元件与信号调理电路、信号处理电路统一设计并集成化，成为能直接输出数字信号的新型传感器。

例如，美国DALLAS公司推出的数字温度传感器DSl8B20，可测温度范围为-55～+150℃，精度为0.5℃，封装和形状与普通小功率三极管十分相似，采用独特的一线制数字信号输出。

东南大学吴健雄实验室（教育部重点实验室）已成功研制出可用于检测和诊断不同类型和亚型的肝炎病毒的生物基因芯片。

　　3．重视非接触式检测技术研究

　　在检测过程中，把传感器置于被测对象上，可灵敏地感知被测参量的变化，这种接触式检测方法通常比较直接、可靠，测量精度较高，但在某些情况下，因传感器的加入会对被测对象的工作状态产生干扰，而影响测量的精度。

而在有些被测对象上，根本不允许或不可能安装传感器，例如测量高速旋转轴的振动、转矩等。

因此，各种可行的非接触式检测技术的研究愈来愈受到重视，目前已商品化的光电式传感器、电涡流式传感器、超声波检测仪表、核辐射检测仪表等正是在这些背景下不断发展起来的。

今后不仅需要继续改进和克服非接触式（传感器）检测仪器易受外界干扰及绝对精度较低等问题，而且相信对一些难以采用接触式检测或无法采用接触方式进行检测的，尤其是那些具有重大军事、经济或其他应用价值的非接触检测技术课题的研究投入会不断增加，非接触检测技术的研究、发展和应用步伐将会明显加快。

　　4．检测系统智能化

　　近十年来，由于包括微处理器、单片机在内的大规模集成电路的成本和价格不断降低，功能和集成度不断提高，使得许许多多以单片机、微处理器或微型计算机为核心的现代检测仪器（系统）实现了智能化，这些现代检测仪器通常具有系统故障自测、自诊断、自调零、自校准、自选量程、自动测试和自动分选功能，强大数据处理和统计功能，远距离数据通信和输入、输出功能，可配置各种数字通信接口，传递检测数据和各种操作命令等，还可方便地接入不同规模的自动检测、控制与管理信息网络系统。

与传统检测系统相比，智能化的现代检测系统具有更高的精度和性能／价格比。

　　正是由于智能化检测仪器、检测系统具有上述优点，所以多年来其市场占有率一直维持强劲的上升趋势。

本绪小结

　　1．检测是指在各类生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量

　　2．对工业生产而言，采用各种先进的检测技术对生产全过程进行检查、监测，对确保安全生产，保证产品质量，提高产品合格率，降低能源和原