现代检测系统的基本构架

一、任务目标

通过本任务的学习，帮助学生了解现代检测系统及其基本结构体系。

二、任务背景

我们日常生活中常用的家用电器，如冰箱、热水器、洗衣机、空调等，它们的功能越来越先进，使用起来也越来越方便，这样的变化源自它们所具有的传感器的多样化，它们的传感器已不是简单的监测某一方面的参数变化。多种传感器组成的监测感应系统，与计算机、控制电路及机械传动部件组成一个综合系统，用来达到某种设定的目标，而这种综合系统被称之为现代检测系统。

以一个现代化的火力发电厂为例，在该厂生产过程中多台计算机正在快速地测量锅炉、汽轮机、发电机上多个重要部位的温度、压力、流量、转速、振动、位移、应力、燃烧状况等热工、机械参数，同时还要兼顾监测发电机的电压、电流、功率、功率因数以及各种辅机的运行状态，然后将这些重要的参数进行数字化显示和记录等综合处理，并根据程序自动调整运行工况，对某些超限参数进行声光报警或采取紧急措施。在这个检测系统中，传感器的应用约有数百个种类，它们将各种不同的机械、热工量转换成电量，供计算机采样。

本任务将介绍现代检测系统的基本结构、现代检测系统的工作流程以及发展趋势。

三、相关知识

1.现代检测系统的三种基本结构

现代检测系统可分为三种基本结构体系：智能仪器、个人仪器和自动测试系统。

（1）智能仪器

1）智能仪器的含义。

智能传感器就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器，具有类似于人工智能的作用。它将微处理器、存储器、接口芯片与传感器融合在一起，组成检测系统，有专用的小键盘、开关、按键及显示器（如数码管）等，多使用汇编语言，体积小，专用性强，性价比高。各种常见的智能仪器如图7-1所示。

图7-1　常见的各种智能仪器

2）智能仪器的结构。

智能仪器的基本结构体系实际上是使微机进入仪器内部，将计算机技术移植、渗透到仪器仪表技术中。智能仪器具有很多优点，如具有检测准确度高、灵敏度高、可靠性好以及自动化程度高等特点，其硬件结构如图7-2所示。

3）智能仪器的特点。

智能仪器的特点主要可以体现在以下两个方面。

①检测过程控制的软件化。

图7-2　智能仪器的硬件结构图

智能仪表改变了以往模拟仪表中一般是通过硬件（电子线路或器件）完成控制检测的方式，而是采用软件方式进行控制检测过程。这样的改变可使检测系统完成诸多功能，例如：自稳零放大、自动极性判断、自动量程切换、自动报警、过载自动保护、非线性补偿、多功能检测（多点巡回检测）等。

由于检测仪器功能不断增加，仪器硬件负担越来越重，仪器结构越来越复杂，体积质量增大，成本上升，要继续发展就比较困难，所以引入了微机或微处理器使检测过程改为软件控制，使仪器的硬件结构变得简单。

②智能仪器对检测数据具有很强的处理能力。

智能仪器对检测的数据能快速在线进行处理，采用软件方式处理可执行多种算法，既可实现各种误差的计算与补偿，且能校准检测仪器的非线性，从而降低检测误差，提高检测精度。

由于智能仪器能对检测结果再加工，从而能提供表征被检测对象各种特征的信息参数，如在模式识别、语音分析、故障诊断、生物医学信号检测等方面应用智能信号分析仪器，不仅可实时采集时域信号波形在CRT 复现，且能将其在CRT 上做时间轴方向的展开或压缩，还可计算信号的有效值、平均值、最大值、最小值，也能对采集的信号进行滤波和频谱分析。

（2）个人仪器

1）个人仪器的含义。

个人仪器就是个人计算机（必须符合工控要求）配以适当的硬件电路与传感器组合而成的检测系统，又称为工控机。组装个人仪器时，将传感器信号传送到相应的接口板（或接口盒）中，再将接口板插到工控机总线扩展槽中，或将接口盒的USB 插头插入计算机相应的插座上，编写相应的软件就可以完成自动检测功能。常见的个人仪器如图7-3所示。

图7-3　常见的个人仪器

2）个人仪器的结构。

个人仪器利用个人计算机本身所具有的完整配置来取代智能仪器中的微处理器、开关、按键、显示数码管、串行口、并行口等，充分利用了个人计算机的软硬件资源，并保留了个人计算机原有的许多功能。传感器信号送到相应的接口板上，再将接口板插到工控机总线扩展槽中或专用的接口箱中，配以相应的软件就可以完成自动检测功能。计算机是系统的神经中枢，它使整个检测系统成为一个智能化的有机整体，它在软件的程序命令下自动进行以下操作：①信号采集与存储；②数据的运算与分析；③以适当形式输出、显示、记录检测结果。个人仪器的硬件结构如图7-4所示。

图7-4　个人仪器硬件结构图

（3）自动测试系统

1）自动测试系统的含义。

自动测试系统是以工控机为核心，以标准接口总线为基础，以可程控的多台智能仪器为下位机组合而成的一种现代检测系统。一个自动测试系统还可以通过各种标准总线成为其他级别更高的自动测试系统的子系统，多个自动测试系统还可以作为服务器工作站加入网络中，成为网络化测试子系统，从而实现远程监测、远程控制、远程实时调试等。

2）自动测试系统的结构。

在现代检测系统中，往往要安装上百个传感器，都通过各自的通用接口总线与上位机连接。上位机可利用测试软件，对每一台智能仪器进行参数设置、数据读写，控制整个系统的运行。自动测试系统的原理框图如图7-5所示。

图7-5　自动测试系统的原理框图

2.现代检测系统的工作流程

对于现代检测系统的三种基本结构体系，从总体上来看，无论是哪种结构体系，其结构都包括硬件和软件两大部分，硬件部分包括如图7-6所示的模块。一个完整的现代检测系统包含很多的传感器和输入量，其工作流程一般为：计算机首先根据存储在存储器中的程序，向多路采样开关阵列写入准备采样的传感器地址，由该阵列的译码器接通传感器地址对应的采样开关，被采样的信号被连接到高精度放大器，放大后的信号经过A／D 转换器转换成数字量，通过数据总线将该信号传送给计算机。每个采样点都要经过快速、多次地采样，一个采样点采样结束后，第二个采样地址由计算机发送，对第二个传感器进行采样，直至采集完所有的采样点为止。如果被采集的信号不是模拟量而是数字量，计算机由I／O 口进行读写操作，如果被采样的信号是串行数据量，则通过串行接口接收该信号。

图7-6　现代检测系统硬件结构框图

根据设定的程序，计算机将有关的采样值做一系列运算、比较判断，将运算的结果分别送显示终端和打印终端，并将需要的数值送到输出接口，输出接口将各数字量分别送到位控信号电路和多路D／A 转换电路，控制执行机构的运行。若某些信号超限，计算机立即启动报警。(www.xing528.com)

3.现代检测系统设计的关键技术

（1）先进传感技术

传感技术是关于传感器原理、结构、材料、设计、制造及应用的综合技术。传感器处于检测过程的第一个环节，它直接感受被测参数，并将被测参数的变化转换成一种易于传输的物理量，通过传感器获得的信息正确与否直接关系到整个测量或控制系统的成败与精度。因此，传感器在检测系统中占有非常重要的位置。传感器的工作原理是建立在各种物理效应、化学效应和生物效应基础之上的，新材料、新效应、新工艺的不断问世，大大促进了传感技术的发展。

（2）信号处理与转换技术

信号处理与转换技术，就是对传感器输出的信号进行处理或变换（放大、滤波和转换），获取信号的某些特征值，并通过这些特征值与待测参数的关系来得到待测参数的信息。常见的信号处理与转换方法主要有：幅域分析方法、时域分析方法、频域分析方法。

（3）软测量技术

软测量技术的基本原理，是利用较易测量的辅助变量（或称为二次变量），依据这些辅助变量与难以直接测量的待测变量（称为主导变量）之间的数学关系（称为软测量模型），通过各种数学计算和估计方法以实现对主导变量的测量。所以，软测量技术实际上是以现有传感器为基础，以各种计算机软件为核心的一种硬件与软件相结合的新测量方法。

（4）数据融合技术

基于多传感器数据融合技术的检测系统是由若干个传感器和具有数据综合和决策功能的计算机系统组成的，以完成通常单个传感器无法实现的测量。多传感器数据融合技术具有很多优点，如可以增加检测的可信度，降低不确定性，改善信噪比，增加对待测量的时间和空间覆盖程度等。

四、知识拓展

1.现代检测技术的发展趋势

近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段，新型传感器的特点是微型化、智能化、虚拟化、网络化，它不仅促进了传统仪器仪表产业的改造，而且可导致新型工业建立和军事变革。

（1）微型化

微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，目前已成功应用在硅器件上形成硅压力传感器。微电子机械加工技术，包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、L1GA 技术（X 光深层光刻、微电铸和微复制技术）、激光微加工技术和微型封装技术等。MEMS 的发展，把仪表的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。传感器和多通道检测仪表，在微电子技术基础上，内置微处理器，或把微传感器和微处理器及相关集成电路（运算放大器、A／D 转换器、D／A 转换器、存储器、网络通信接口电路）等封装在一起完成了传感器微型化。

（2）网络化

网络化方面，目前主要是指采用多种现场总线和以太网（互联网）实现传感器及系统间信号传送，按各行业的需求，选择其中的一种或多种，近年内最流行的有FF、Profibus、CAN、LonWorks、AS-I、Interbus、TCP／IP 等。

（3）虚拟化

虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I／O 设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。LabVIEW 是虚拟仪器技术中常用的结构性开发平台，是由美国国家仪器公司（National Instruments）推出的一个图形化软件编程平台。

（4）智能化

智能传感器是具有信息处理功能的传感器，带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：①通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；②具有一定的编程自动化能力；③功能多样化。

智能传感器能将检测到的各种物理量储存起来，并按照指令处理这些数据，从而创造出新数据。智能传感器之间能进行信息交流，并能自我决定应该传送的数据，剔除异常数据，完成分析和统计计算等功能。

2.现代检测系统中的几种重要部件

（1）采样开关

1）干簧继电器。干簧继电器主要由驱动线圈和干簧管组成，驱动线圈绕在干簧管外面。当驱动线圈通以额定电流后，干簧管中的两根常开弹簧片互相吸引而吸合。它的耐压较高，额定电流较大，导通电阻接近零，但耗电较大、速度较慢。常见的干簧管和干簧管继电器如图7-7所示。

图7-7　干簧管及干簧管继电器

2）CMOS 模拟采样开关。模拟采样开关切换对象是多路模拟信号。它的控制端处于“有效” 状态时，内部的P 沟道MOS 管或N 沟道MOS 管导通，模拟开关处于导通状态，导通电阻为几欧至几百欧。当控制端处于“无效” 状态时开关截止，截止电阻大于108 Ω。其优点是集成度高，动作快（小于1 μs）、耗电省等。其缺点是有一定的导通电阻、各通道间有一定的漏电、击穿电压低、易损坏等。CMOS 模拟采样开关如图7-8所示。

图7-8　CMOS 模拟采样开关

（2）放大器

从传感器来的信号有许多是毫伏级的微弱信号，须经放大才能进行A／D 转换。系统对放大器的主要要求是：准确度高、温漂小、共模抑制比高、频带宽至直流。目前常用的放大器有以下几种型式：一种是高准确度、低漂移的双极型放大器；另一种为隔离放大器，它带有光电隔离或变压器隔离的低漂移信号放大器，以及一个高隔离度的DC／DC 电源。典型的精密隔离放大器如图7-9所示，其电路框图如图7-10所示。

图7-9　精密隔离放大器

图7-10　精密放大器的电路框图

（a）在传感器与A／D 转换器之间；（b）在D／A 转换器与执行器之间

（3）A／D 转换器（ADC）

放大器放大后的模拟信号必须进行A／D 转换才能由计算机进行运算处理。目前采用较多的A／D 转换器有两大类：一类是并行A／D 转换器，另一类是串行A／D 转换器。

在并行A／D 转换器中，又有逐位比较型和双积分型之分。前者转换速度较快，有8 位、12 位、16 位等规格。位数越高，准确度也越高，但价格也相应提高。后者转换速度较慢（每秒10 次左右），不太适合巡回检测系统，常见的有3 位半、4 位半等规格。典型的A／D转换器的光耦合接口电路框图如图7-11所示。

（4）D／A 转换器（DAC）与接口电路

图7-11　A／D 转换器的光耦合接口电路框图

计算机运算处理后的数字信号经常必须转换为模拟信号，才能用于工业生产的过程控制。它的输入是计算机给出的数字量，它的输出是与数字量相对应的电压或电流。如果在计算机与D／A 转换器之间插入多路光耦合器就能较好地防止工业控制设备干扰计算机的工作。如果使用多路采样保持器，只要使用一只D／A 转换器即可进行多路D／A 转换。常见的D／A转换器的光耦接口电路如图7-12所示。

图7-12　D／A 转换器的光耦接口电路