1、 0.2 現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的組成 盡管現(xiàn)代檢測(cè)儀器、檢測(cè)系統(tǒng)的種類、型號(hào)繁多，用途、性能干差萬別，但它們作用都是用于各種物理或化學(xué)成分等參量檢測(cè)，其組成單元按以信號(hào)傳遞的流程來區(qū)分：首先通常由各種傳感器（變送器）將非電被測(cè)物理或化學(xué)成分參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)信號(hào)調(diào)理（信號(hào)轉(zhuǎn)換、信號(hào)檢波、信號(hào)濾波、信號(hào)放大等）、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、信號(hào)顯示、信號(hào)輸出（通常有420 mA、經(jīng)D/A變換和放大后的模擬電壓、開關(guān)量、脈寬調(diào)制PWM、串行數(shù)字通信和并行數(shù)字輸出等）以及系統(tǒng)所需的交、直流穩(wěn)壓電源和必要的輸入設(shè)備(如撥動(dòng)開關(guān)、按鈕、數(shù)字撥碼盤、數(shù)字鍵盤等)便組成了一個(gè)完整的檢測(cè)（儀器）系統(tǒng)，其各部分關(guān)系如圖0

2、.1所示。 圖0.1 現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)一般組成框圖 1、傳感器 傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)與被測(cè)對(duì)象直接發(fā)生聯(lián)系的器件或裝置。它的作用是感受指定被測(cè)參量的變化并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成一個(gè)相應(yīng)的便于傳遞的輸出信號(hào)。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換部分組成；其中，敏感元件為傳感器直接感受被測(cè)參量變化的部分，轉(zhuǎn)換部分作用通常是將敏感元件輸出轉(zhuǎn)換為便于傳輸和后續(xù)處理的電信號(hào)。 例如，半導(dǎo)體應(yīng)變片式傳感器能把被測(cè)對(duì)象受力后微小的變形感受出來，通過一定的橋路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)輸出。這樣，通過測(cè)量傳感器輸出電壓便可知道被測(cè)對(duì)象的受力情況。這里應(yīng)該說明，并不是所有的傳感器均可清楚、明晰地區(qū)分敏感和轉(zhuǎn)換兩部分；有的傳感器已將兩部分合

3、二為一，也有的僅有敏感元件（如熱電阻、熱電偶）、無轉(zhuǎn)換部分，但人們?nèi)粤?xí)慣稱其為傳感器（如人們習(xí)慣稱熱電阻、熱電偶為溫度傳感器）。 傳感器種類繁多，其分類方法也較多。主要有按被測(cè)參量分類（例如，溫度傳感器、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(zhuǎn)換機(jī)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(hào)分類（分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器兩大類）法等。采用按被測(cè)參量分類法有利于人們按照目標(biāo)對(duì)象的檢測(cè)要求選用傳感器，而采用按傳感器轉(zhuǎn)換機(jī)理（工作原理）分類法有利于對(duì)傳感器作研究、試驗(yàn)。 傳感器作為檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)源，其性能的好壞將直接影響

4、檢測(cè)系統(tǒng)的精度和其它指標(biāo)，是檢測(cè)系統(tǒng)中十分重要的環(huán)節(jié)。本書主要介紹工程上涉及面較廣、應(yīng)用較多、需求量大的各種物理量、化學(xué)成份量常用和先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法以及如何選用合適的傳感器，對(duì)傳感器要求了解其工作原理、應(yīng)用特點(diǎn)，而對(duì)如何提高現(xiàn)有各種傳感器本身的技術(shù)性能、以及設(shè)計(jì)開發(fā)新的傳感器則不作深入研究。通常檢測(cè)儀器、檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對(duì)傳感器有如下要求： (1)準(zhǔn)確性 傳感器的輸出信號(hào)必須準(zhǔn)確地反應(yīng)其輸入量，即被測(cè)量變化。因此，傳感器的輸出與輸入關(guān)系必須是嚴(yán)格的單值函數(shù)關(guān)系，最好是線性關(guān)系；(2)穩(wěn)定性 傳感器的輸入、輸出的單值函數(shù)關(guān)系最好不隨時(shí)間和溫度而變化，受外界其它因素的干擾影響亦應(yīng)很小，重復(fù)性

5、要好；(3)靈敏度 即要求被測(cè)參量較小的變化就可使傳感器獲得較大的輸出信號(hào)；(4)其他 如耐腐蝕性好、低能耗、輸出阻抗小和售價(jià)相對(duì)較低等。 各種傳感器輸出信號(hào)形式也不盡相同，通常有電荷、電壓、電流、頻率等；在設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)、選擇傳感器時(shí)對(duì)此也應(yīng)給予重視。 2、信號(hào)調(diào)理 信號(hào)調(diào)理在檢測(cè)系統(tǒng)中的作用是對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行檢波、轉(zhuǎn)換、濾波、放大、等，以方便檢測(cè)系統(tǒng)后續(xù)處理或顯示。例如，工程上常見的熱電阻型數(shù)字溫度檢測(cè)（控制）儀表其傳感器Pt100輸出信號(hào)為熱電阻值的變化，為便于后續(xù)處理，通常需設(shè)計(jì)一個(gè)四臂電橋，把隨被測(cè)溫度變化的熱電阻阻值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；由于信號(hào)中往往夾雜著50Hz工頻等噪聲電壓

6、，故其信號(hào)調(diào)理電路通常包括濾波、放大、線性化等環(huán)節(jié)。 需要遠(yuǎn)傳的話，通常采取D/A或V/I電路獲得的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的420mA 電流信號(hào)后再進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送。檢測(cè)系統(tǒng)種類繁多，復(fù)雜程度差異很大，信號(hào)的形式也多種多樣，各系統(tǒng)的精度、性能指標(biāo)要求各不相同，它們所配置的信號(hào)調(diào)理電路的多寡也不盡一致。對(duì)信號(hào)調(diào)理電路的一般要求是：(1)能準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定放大、可靠地傳輸信號(hào)；(2)信噪比高，抗干擾性能要好。3、數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集（系統(tǒng)）在檢測(cè)系統(tǒng)中的作用是對(duì)信號(hào)調(diào)理后的連續(xù)模擬信號(hào)離散化并轉(zhuǎn)換成與模擬信號(hào)電壓幅度相對(duì)應(yīng)的一系列數(shù)值信息，同時(shí)以一定的方式把這些轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞給微處理器或依次自動(dòng)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)

7、采集系統(tǒng)通常以各類模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器為核心，輔以模擬多路開關(guān)、采樣/保持器、輸入緩沖器、輸出鎖存器等組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要性能指標(biāo)是: (1)輸入模擬電壓信號(hào)范圍，單位 V；(2)轉(zhuǎn)換速度（率），單位 次/秒；(3)分辨率，通常以模擬信號(hào)輸入為滿度時(shí)的轉(zhuǎn)換值的倒數(shù)來表征；(4)轉(zhuǎn)換誤差，通常指實(shí)際轉(zhuǎn)換數(shù)值與理想A/D轉(zhuǎn)換器理論轉(zhuǎn)換值之差。 4、信號(hào)處理 信號(hào)處理模塊是現(xiàn)代檢測(cè)儀表、檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和各種控制的中樞環(huán)節(jié)，其作用與功能和人的大腦相類似?，F(xiàn)代檢測(cè)儀表、檢測(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)處理模塊通常以各種型號(hào)的單片機(jī)、微處理器為核心來構(gòu)建，對(duì)高頻信號(hào)和復(fù)雜信號(hào)的處理有時(shí)需增加數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算速度快

8、、處理精度高的專用高速數(shù)據(jù)處理器（DSP）或直接采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。 當(dāng)然由于檢測(cè)儀表、檢測(cè)系統(tǒng)種類和型號(hào)繁多，被測(cè)參量不同、檢測(cè)對(duì)象和應(yīng)用場合不同，用戶對(duì)各檢測(cè)儀表的測(cè)量范圍、測(cè)量精度、功能的要求差別也很大。對(duì)檢測(cè)儀表、檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理環(huán)節(jié)來說，只要能滿足用戶對(duì)信號(hào)處理的要求，則是愈簡單愈可靠、成本愈低愈好。對(duì)一些容易實(shí)現(xiàn)、傳感器輸出信號(hào)大，用戶對(duì)檢測(cè)精度要求不高、只要求被測(cè)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(hào)即可的檢測(cè)儀表的信號(hào)處理模塊，往往只需設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的比較電路，比較電路一端為被測(cè)信號(hào)，另一端為表示上限值的固定電平；當(dāng)被測(cè)信號(hào)小于設(shè)定的固定電平值

9、，比較器輸出為低，聲、光報(bào)警器不動(dòng)作，一旦被測(cè)信號(hào)電平大于固定電平，比較器翻轉(zhuǎn)，經(jīng)功率放大驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器、指示燈動(dòng)作。這種簡單系統(tǒng)的信號(hào)處理就很簡單，只要一片集成比較器芯片和幾個(gè)分立元件就可構(gòu)成。但對(duì)于像熱處理爐的爐溫檢測(cè)、控制系統(tǒng)來說，其信號(hào)處理電路將大大復(fù)雜化。因?yàn)闊崽幚頎t爐溫測(cè)控系統(tǒng)，用戶不僅要求系統(tǒng)高精度地實(shí)時(shí)測(cè)量爐溫，而且需要系統(tǒng)根據(jù)熱處理工件的熱處理工藝制定的時(shí)間一溫度曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)控制(調(diào)節(jié))。 如果采用一般通用中小規(guī)模集成電路來構(gòu)建這一類較復(fù)雜的檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊，則不僅構(gòu)建技術(shù)難度很大，而且所設(shè)計(jì)的信號(hào)處理模塊必然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、性能和可靠性差。 由于微處理器、單片機(jī)和大規(guī)

10、模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和這類芯片價(jià)格不斷降低，對(duì)稍復(fù)雜一點(diǎn)的檢測(cè)系統(tǒng)(儀器)其信號(hào)處理環(huán)節(jié)都應(yīng)考慮選用合適型號(hào)的單片機(jī)、微處理器或DSP或新近開始推廣的嵌入式模塊為核心來設(shè)計(jì)和構(gòu)建（或者由工控機(jī)兼任），從而使所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)獲得更高的性能價(jià)格比。5、信號(hào)顯示 通常人們都希望及時(shí)知道被測(cè)參量的瞬時(shí)值、累積值或其隨時(shí)間的變化情況；因此，各類檢測(cè)儀表和檢測(cè)系統(tǒng)在信號(hào)處理器計(jì)算出被測(cè)參量的當(dāng)前值后通常均需送各自的顯示器作實(shí)時(shí)顯示。顯示器是檢測(cè)系統(tǒng)與人聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)之一，顯示器一般可分為指示式、數(shù)字式和屏幕式三種。 （1）指示式顯示，又稱模擬式顯示。被測(cè)參量數(shù)值大小由光指示器或指針在標(biāo)尺上的相對(duì)位置來

11、表示。有形的指針位移用于模擬無形的被測(cè)量是較方便、直觀的。指示式儀表有動(dòng)圈式和動(dòng)磁式1多種形式，但均有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、顯示直觀，在檢測(cè)精度要求不高的單參量測(cè)量顯示場合應(yīng)用較多。指針式儀表存在指針驅(qū)動(dòng)誤差、標(biāo)尺刻度誤差，這種儀表讀數(shù)精度和儀器的靈敏度等受標(biāo)尺最小分度的限制,如果操作者讀儀表示值站位不當(dāng)就會(huì)引入主觀讀數(shù)誤差。 (2)數(shù)字式顯示，以數(shù)字形式直接顯示出被測(cè)參量數(shù)值的大?。辉谡Ｇ闆r下，數(shù)字式顯示徹底消除了顯示驅(qū)動(dòng)誤差、能有效地克服讀數(shù)的主觀誤差，（相對(duì)指示式儀表）提高顯示和讀數(shù)的精度，還能方便地與計(jì)算機(jī)連接和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，各類檢測(cè)儀表和檢測(cè)系統(tǒng)正越來越多地采用數(shù)字式顯示方式。

12、 (3)屏幕顯示，實(shí)際上是一種類似電視顯示方法，具有形象性和易于讀數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又能同時(shí)在同一屏幕上顯示一個(gè)被測(cè)量或多個(gè)被測(cè)量的(大量數(shù)據(jù)式)變化曲線，有利于對(duì)它們進(jìn)行比較、分析。屏幕顯示器一般體積較大、價(jià)格與普通指示式顯示和數(shù)字式顯示相比要高得多；其顯示通常需由計(jì)算機(jī)控制，對(duì)環(huán)境溫度、濕度等指標(biāo)要求較高，在儀表控制室、監(jiān)控中心等環(huán)境條件較好的場合使用較多。 6、信號(hào)輸出 在許多情況下，檢測(cè)儀表和檢測(cè)系統(tǒng)在信號(hào)處理器計(jì)算出被測(cè)參量的瞬時(shí)值后除送顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示外，通常還需把測(cè)量值及時(shí)傳送給控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC）或其它執(zhí)行器、打印機(jī)、記錄儀等，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)打?。ㄓ涗洠┹敵?/p>

13、。檢測(cè)儀表和檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)輸出通常有420 mA、經(jīng)D/A變換和放大后的模擬電壓、開關(guān)量、脈寬調(diào)制PWM、串行數(shù)字通信和并行數(shù)字輸出等多種形式，需根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)的具體要求確定。 7、輸入設(shè)備 輸入設(shè)備是操作人員和檢測(cè)儀表或檢測(cè)系統(tǒng)聯(lián)系的另一主要環(huán)節(jié)，用于輸入設(shè)置參數(shù)、下達(dá)有關(guān)命令等。最常用的輸入設(shè)備是各種鍵盤、撥碼盤、條碼閱讀器等；近年來，隨著工業(yè)自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化和信息化程度不斷提高，通過網(wǎng)絡(luò)或各種通訊總線利用其它計(jì)算機(jī)或數(shù)字化智能終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息和數(shù)據(jù)輸入方式愈來愈普遍。最簡單的輸入設(shè)備是各種開關(guān)、按鈕；模擬量輸入、設(shè)置，往往借助電位器進(jìn)行。 8、穩(wěn)壓電源 一個(gè)檢測(cè)儀表或檢測(cè)系統(tǒng)往往既有模擬電路部分，又有數(shù)字電路部分，通常需要多組幅值大小要求各異但均需穩(wěn)定的電源。這類電源在檢測(cè)系統(tǒng)使用現(xiàn)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者需要根據(jù)使用現(xiàn)場的供電電源情況及檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部電路的實(shí)際需要，統(tǒng)一設(shè)計(jì)各組穩(wěn)壓電源，給系統(tǒng)各部分電路和器件分別提供它們所需穩(wěn)定電源。 最后，值得一提的是，以上七個(gè)部分不是所有的檢測(cè)系統(tǒng)(儀表