检测系统是什么

检测系统是指连接输入输出并具有特定功能的部分。大多数检测系统是线性时不变系统。检测技术的目的是从被测对象中获取反映其变化规律的有用信息。为了达到这个目的，广义检测系统一般由激励装置、测试装置、数据处理和记录装置组成。

在信号传输通道中，检测系统是指连接输入和输出并具有特定功能的部分。在工程测试实践中，大多数检测系统属于线性时不变系统。检测技术的目的是从被测对象中获取反映其变化规律的有用信息。为了达到这个目的，广义检测系统一般由激励装置、测试装置、数据处理和记录装置组成。

检测技术

在人类的生产活动和科学实验中，为了了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，从而获得必要的信息，作为分析、判断和决策的依据。可以认为，检测技术是人们为了定性地理解和定量地把握被测对象所包含的信息而采取的一系列技术措施。

随着人类社会进入信息时代，以信息采集、转换、显示和处理为主要内容的检测技术已经发展成为一门完整的技术学科，对促进生产发展和科技进步具有重要作用。检测技术几乎应用于所有行业，是多学科知识的综合应用。它涉及半导体技术、激光技术、光纤技术、语音控制技术、遥感技术、自动化技术、计算机应用技术，以及数理统计、控制论、信息论等现代新技术和理论。

检测系统的组成

广义检测系统通常包括激励装置、测试装置和数据处理

图1检测系统示意图

现代检测仪器和检测系统的种类、型号、用途和性能虽然很多，但都是用来检测各种物理或化学成分等参数的，可以根据信号传输的流程来区分其成分。

如图2所示:首先，各种传感器(变送器)通常传输信号

图2现代检测系统总体组成框图

传感器

传感器是将检测系统与被测对象直接接触的设备或装置。它的作用是感受到规定的被测参数的变化，并按照一定的规律转换成相应的便于传输的输出信号。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应被测参数变化的部分，转换部分通常将敏感元件的输出转换成便于传输和后续处理的电信号。

例如，半导体应变计传感器可以感应被测物体受力后的微小变形，并通过一定的桥式电路转换成相应的电压信号输出。这样，通过测量传感器的输出电压就可以知道被测物体的受力情况。这里需要说明的是，并不是所有的传感器都能清晰、清晰地区分敏感和转换部分；有的传感器把两部分合二为一，有的只有敏感元件(如热电阻、热电偶)，没有转换部分，但人们还是习惯称之为传感器(如热电阻、热电偶习惯称之为温度传感器)。

传感器种类很多，分类方法也很多。主要有按被测参数分类的方法(例如温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器、载荷传感器等)。)，根据传感器转换机制(工作原理)的分类方法(例如，电阻式、电容式、电感式、压电式、超声波式、霍尔式等)。)和根据输出信号分类的方法(分为模拟传感器和数字传感器)。根据测量参数使用分类有利于人们根据目标物体的检测要求选择传感器，而根据传感器转换机制(工作原理)使用分类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一环。本书主要介绍了工程中涉及面广、需求量大的各种物理量和化学成分的常用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。要求了解传感器的工作原理和应用特点，而不是对如何提高现有传感器的技术性能和设计开发新的传感器进行深入研究。通常，测试仪器和系统的设计者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，即测量的变化。因此，传感器的输出和输入之间的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:传感器输入输出的单值函数关系不应随时间和温度变化，应受其他外界因素影响，干扰小，重复性好；

(3)灵敏度:要求传感器能在被测参数变化很小的情况下获得较大的输出信号；

(4)其他:如耐腐蚀性好，能耗低，输出阻抗小，售价相对较低。

各种传感器的输出信号形式也不同，通常包括电荷、电压、电流、频率等。在设计检测系统和选择传感器时，也应注意这一点。

信号波形加工

检测系统中信号调理的作用是对传感器输出的微弱信号进行检测、转换、滤波和放大，以方便检测系统的后续处理或显示。比如工程上常见的热电阻数字温度检测(控制)仪的传感器Pt100的输出信号就是热电阻值的变化。为了便于后续处理，通常需要设计一个四臂电桥，将随被测温度变化的热电阻值转换成电压信号；由于信号往往混有50Hz工频等噪声电压，其信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。

如果需要远程传输，通常是将D/A或V/I电路获得的电压信号转换成4 ~ 20 mA的标准电流信号后再进行远程传输。检测系统有很多种，它们的复杂程度相差很大，信号的形式也各不相同。每个系统的精度和性能要求不同，配置的信号调理电路数量也不一致。信号调理电路的一般要求是:

(1)能准确转换、稳定放大、可靠传输信号；

(2)信噪比高，抗干扰性能好。

数据采集

检测系统中数据采集(系统)的作用是将信号调理后的连续模拟信号离散化，转换成一系列与模拟信号的电压幅值相对应的数值信息，同时将这些转换后的数据及时传输给微处理器或自动依次存储。数据采集系统通常以各种模数转换器为核心，辅以模拟多路复用器、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有:

(1)输入模拟电压信号范围，单位为v；

(2)转换速度(速率)，单位为次/秒；

(3)分辨率通常以模拟信号输入满时转换值的倒数为特征；

(4)换算误差通常是指理想A/D转换器的实际换算值与理论换算值的差值。

信号处理

信号处理模块是现代检测仪器和检测系统中数据处理和各种控制的中心环节，其功能类似于人的大脑。现代检测仪器和检测系统中的信号处理模块通常是以各种类型的单片机和微处理器为核心构建的。对于高频信号和复杂信号的处理，有时需要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(DSPs)，或者直接使用工控计算机。

当然，由于检测仪器和检测系统的种类和型号多种多样，被测参数不同，检测对象不同，应用场合不同，用户对每个检测仪器的测量范围、测量精度和功能的要求也不同。至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，越简单、越可靠、成本越低越好。

对于一些易于实现、传感器输出信号大、对检测精度要求低、只要求测量值不超过一定上限的信号处理模块。一旦超过极限，它就能发出声音(喇叭或蜂鸣器)和光(指示灯)信号。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，另一端是表示上限的固定电平。当测量信号小于设定的固定电平值时，比较器的输出为低，声光报警器不工作。一旦测得的信号电平大于固定电平，比较器就翻转过来，通过功率放大驱动扬声器和指示灯工作。这个简单系统的信号处理非常简单，可以通过集成一个比较器芯片和几个分立元件来构建。

但是对于热处理炉的温度检测和控制系统来说，其信号处理电路将会非常复杂。由于热处理炉的温度测控系统，用户不仅要求系统实时测量温度，精度高，而且还需要系统根据热处理工件热处理过程建立的时间-温度曲线进行实时控制(调节)。

信号显示

通常，人们想知道瞬时值、累计值或其随时间的变化；因此，各种检测仪器和检测系统通常需要在信号处理器计算出被测参数的当前值后，发送自己的显示器进行实时显示。显示器是检测系统和人之间的主要联系之一。一般来说，显示器可以分为三种类型:指示型、数字型和屏幕型。

(1)指示性显示，也称为模拟显示。测量参数的数值由光学指示器或指针在标尺上的相对位置来表示。有形指针位移模拟无形被测物体方便直观。指示仪表有动圈式、动磁式等多种类型，但结构简单、价格低廉、显示直观，因此广泛应用于检测精度不高的单参数测量和显示场合。指针式仪表有指针驱动误差和刻度校准误差。该仪器的读数精度和灵敏度受到最小刻度的限制。如果操作员读取指示值不正确，将会引入主观读取错误。

(2)数字显示，直接以数字形式显示被测参数的值；在正常情况下，数字显示可以完全消除显示驱动误差，有效克服读数的主观误差，提高显示和读数的准确性(相对于指示仪表)，方便与计算机连接和传输数据。因此，数字显示模式越来越多地应用于各种检测仪器和检测系统中。

(3)屏幕显示，其实是一种类似于电视显示的方法，具有可视化、易读的优点，可以在同一屏幕上同时显示一条或多条被测(海量数据型)变化曲线，有利于对比分析。屏幕显示器通常尺寸较大，比普通指示器显示器和数字显示器昂贵得多。其显示通常需要计算机控制，对环境温度、湿度等指标要求较高，广泛应用于仪表控制室、监控中心等环境条件较好的场所。

信号输出

在许多情况下，被测参数的瞬时值由信号处理器计算出来后，测量仪器和测量系统通常需要将测量值发送到控制计算机、可编程逻辑控制器(PLC)或其他执行器、打印机、记录仪等。及时形成闭环控制系统或实现打印(记录)输出。检测仪器和检测系统的信号输出通常有4 ~ 20 mA，经过D/A转换放大后的模拟电压，开关量，脉宽调制-PWM，串行数字通信和并行数字输出，应根据测控系统的具体要求确定。

输入设备

输入设备是操作员与检测仪器或检测系统之间的另一个主要环节，用于输入设置参数和发出相关命令。最常用的输入设备是键盘、拨号盘、条形码阅读器等。

近年来，随着工业自动化、办公自动化和信息化水平的不断提高，通过网络或各种通信总线使用其他计算机或数字智能终端实现远程信息和数据输入越来越普遍。最简单的输入设备是各种开关和按钮。模拟输入和设置通常通过电位计进行。

稳压电源

一台检测仪器或检测系统往往既有模拟电路又有数字电路，通常需要多组不同幅度和尺寸要求的电源，但都需要稳定的电源。这种电源一般不能直接在检测系统的使用现场提供，只能提供交流220 V电源或+24V DC电源。检测系统的设计人员需要根据使用现场的供电情况和检测系统内部电路的实际需要，设计每组稳定的电源，为系统的各个部分提供所需的稳定电源。