现代检测系统及其基本特性

1、现代检测系统及其基本特性现代检测系统及其基本特性一、概述：一、概述： 检测技术是以研究自动检测系统中的检测技术是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信号处信息提取、信息转换以及信号处理理的理论和技术为主要内容的一门应用性技术学科。同时，的理论和技术为主要内容的一门应用性技术学科。同时，研究各种物理研究各种物理量（或参量）的检测原理和方法量（或参量）的检测原理和方法。它是科学试验和生产过程中必不可少的。它是科学试验和生产过程中必不可少的手段。通过检测可以揭示事物的内在联系和发展规律，从而去利用和改造手段。通过检测可以揭示事物的内在联系和发展规律，从而去利用和改造它，推动科学技术的发展。科

2、学技术发展的历史已经说明，很多新的发现它，推动科学技术的发展。科学技术发展的历史已经说明，很多新的发现和发明都是与检测技术分不开的。同时，科学技术的发展有提供了新的检和发明都是与检测技术分不开的。同时，科学技术的发展有提供了新的检测方法和装置，促进检测技术的发展。测方法和装置，促进检测技术的发展。 检测的基本任务是获得有用的信息。检测的基本任务是获得有用的信息。 检测的基本过程是检测的基本过程是借助专门的设备、仪器、检测系统，通过适当的实验借助专门的设备、仪器、检测系统，通过适当的实验方法与必需的信号分析以及数据处理，由测得的信号求取与研究对象有关方法与必需的信号分析以及数据处理，由测得的信号

3、求取与研究对象有关信息量值的过程，最终将其结果提供显示或输出。信息量值的过程，最终将其结果提供显示或输出。 因此，检测技术是属于信息科学范畴，是信息技术三大支柱（检测控制因此，检测技术是属于信息科学范畴，是信息技术三大支柱（检测控制技术、计算机技术、通信技术）之一。技术、计算机技术、通信技术）之一。 对于冶金工业领域，无论是对现有工艺、设备、产品质量的剖析，对于冶金工业领域，无论是对现有工艺、设备、产品质量的剖析，以求进一步明确改进方向和改进方案，还是对新工艺，新设备进行研究以求进一步明确改进方向和改进方案，还是对新工艺，新设备进行研究与分析，都离不开检测技术。通过对检测结果的综合分析，可为验

4、证现与分析，都离不开检测技术。通过对检测结果的综合分析，可为验证现有理论和建立新理论，确定最佳设计方案，确定最佳工艺参数提供试验有理论和建立新理论，确定最佳设计方案，确定最佳工艺参数提供试验依据。依据。 特别是在现代生产过程，没有自动检测就无法进行生产，这是大家有特别是在现代生产过程，没有自动检测就无法进行生产，这是大家有目共睹的。所以，自动检测技术是一门非常重要的科学技术之一。目共睹的。所以，自动检测技术是一门非常重要的科学技术之一。二、检测系统基本类型和结构二、检测系统基本类型和结构 自动检测系统是：自动检测系统是：自动测量系统、自动计量系统、自动保护系统、自自动测量系统、自动计量系统、自

5、动保护系统、自动诊断系统、自动信号系统动诊断系统、自动信号系统等诸多系统的总称。等诸多系统的总称。1、基本组成：、基本组成： 被测量被测量注注：1）输出单元如果是显示（记录），则构成）输出单元如果是显示（记录），则构成自动测量系统自动测量系统2）输出单元如果是计数器（累加器），则构成）输出单元如果是计数器（累加器），则构成自动计量系统自动计量系统3）输出单元如果是报警器，则构成）输出单元如果是报警器，则构成自动保护系统或自动诊断系统自动保护系统或自动诊断系统4）输出单元如果是处理器（处理电路），则构成数据分析）输出单元如果是处理器（处理电路），则构成数据分析系统或自动管理系统系统或自动管理系统

6、传感器 变送器（转换器）显示器（输出单元）2、模拟式检测仪表及检测、模拟式检测仪表及检测用模拟式指示仪表实现对被测对象检测，可分为直读检测法和比较检测法。用模拟式指示仪表实现对被测对象检测，可分为直读检测法和比较检测法。1）模拟式直读检测法：）模拟式直读检测法： 利用电磁感应原理，使被测参数转换为指针或光标位移，在刻度盘上指利用电磁感应原理，使被测参数转换为指针或光标位移，在刻度盘上指示出被测量值。示出被测量值。2）模拟式比较检测法：）模拟式比较检测法： 借助比较仪器（或比较电路）将被测量与标准量进行比较，从而测量被测借助比较仪器（或比较电路）将被测量与标准量进行比较，从而测量被测对象大小的方

7、法。如天平称量物体质量。对象大小的方法。如天平称量物体质量。 被测参数被测参数传感器测量电路指示机构3、数字式检测仪表及检测、数字式检测仪表及检测 将被测参数（对象）离散化，数据处理后以数字形式显示的仪表将被测参数（对象）离散化，数据处理后以数字形式显示的仪表 数字式仪表。数字式仪表。 被测量 模拟量特点特点 数字技术的引入，使检测技术领域得以扩大，随着电子技术与计算机技术数字技术的引入，使检测技术领域得以扩大，随着电子技术与计算机技术的飞速发展，数字式仪表与数字检测技术获得了迅速的发展。的飞速发展，数字式仪表与数字检测技术获得了迅速的发展。 从模拟向数字，从单一通道向综合的多通道检测发展，从

8、单个仪表向检测从模拟向数字，从单一通道向综合的多通道检测发展，从单个仪表向检测信息系统过渡，将各种电学量和非电学量变换成流量（如：时间、频率、直信息系统过渡，将各种电学量和非电学量变换成流量（如：时间、频率、直流电压）后进行检测，是近几十年来检测技术发展的主要趋势。流电压）后进行检测，是近几十年来检测技术发展的主要趋势。 检测技术对数字仪表提出了越来越高的要求。同时，数字表的不断更新又检测技术对数字仪表提出了越来越高的要求。同时，数字表的不断更新又促进检测技术水平的提高。随着检测技术的发展和进步，数字仪表表现出了促进检测技术水平的提高。随着检测技术的发展和进步，数字仪表表现出了准确度高，灵敏度

9、高，体积小，质量轻，耗能低，检测参数广，量值范围宽准确度高，灵敏度高，体积小，质量轻，耗能低，检测参数广，量值范围宽等特点。等特点。 传感器变送器A/D显示优点：优点：1 1）准确度高）准确度高 数字表可以做到数字表可以做到0.0001%0.0001%，模拟表最高只能达到，模拟表最高只能达到0.1%0.1%0.05%0.05%2 2）输入阻抗高）输入阻抗高 数字表输入阻抗可高达数字表输入阻抗可高达1000M1000M以上，基本上不取电流，消耗被测信号的功率以上，基本上不取电流，消耗被测信号的功率极小，也就是对被测电路工作状态的影响很小。极小，也就是对被测电路工作状态的影响很小。3 3）灵敏度高

10、）灵敏度高 如现代的积分式数字电压表的分辨率可达到如现代的积分式数字电压表的分辨率可达到1 1以下。以下。4 4）数字形式显示）数字形式显示 显示方便，无读数误差。显示方便，无读数误差。5 5）检测速度快）检测速度快 1 1秒钟可测量多次，有的可高达秒钟可测量多次，有的可高达1 1秒钟上万次的检测速度，而模拟表测一次秒钟上万次的检测速度，而模拟表测一次需要几秒。需要几秒。6 6）检测过程自动化）检测过程自动化 无论是对被测信号的极性判断，量程选择，结果显示和记录，还是送至无论是对被测信号的极性判断，量程选择，结果显示和记录，还是送至计算机做运算处理，都可自动进行。计算机做运算处理，都可自动进行

11、。7 7）操作简单）操作简单 使用人员无需经过特殊训练，即可用数字使用人员无需经过特殊训练，即可用数字表完成检测工作。表完成检测工作。缺点：缺点： 1 1）数字表由于采用了大量的电子元件，其结构比模拟式指示仪表复杂得）数字表由于采用了大量的电子元件，其结构比模拟式指示仪表复杂得多，可靠性有待进一步提高。多，可靠性有待进一步提高。2) 2) 不便于观察动态过程，不直观。不便于观察动态过程，不直观。3) 3) 价格较贵。价格较贵。4) 4) 需要高水平的技术人员维修。需要高水平的技术人员维修。四、微机化仪器及其自动检测系统四、微机化仪器及其自动检测系统 自自2020世纪世纪7070年代微处理器问世

12、以来，微计算机技术发展很快，在其年代微处理器问世以来，微计算机技术发展很快，在其影响下，检测仪器呈现出了新的活力并取得迅速的进步，相继出现了智影响下，检测仪器呈现出了新的活力并取得迅速的进步，相继出现了智能仪器，能仪器，pcpc仪器（系统）和虚拟仪器（系统）等崭新的微机化仪器及其仪器（系统）和虚拟仪器（系统）等崭新的微机化仪器及其自动检测系统。从利用微机功能的方式数量来看，可将近二十年检测仪自动检测系统。从利用微机功能的方式数量来看，可将近二十年检测仪器的发展分为三个阶段：器的发展分为三个阶段： 智能仪器智能仪器( (在传统仪器基础上增加微处理器，增强其功能在传统仪器基础上增加微处理器，增强其

13、功能) ) pcpc仪器（微机化仪器）仪器（微机化仪器） 虚拟仪器（总线仪器系统）虚拟仪器（总线仪器系统）1、智能仪器的特点与基本结构、智能仪器的特点与基本结构 智能仪器智能仪器内置微机或微处理器，具有控制、存储、运算、逻内置微机或微处理器，具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作的智能性能。辑判断及自动操作的智能性能。 具有检测准确度高，灵敏度高，可靠性好，自动化程度高等特点。具有检测准确度高，灵敏度高，可靠性好，自动化程度高等特点。 由于微机进入了仪器内部，将计算机技术移值，渗透到仪器仪表技由于微机进入了仪器内部，将计算机技术移值，渗透到仪器仪表技术领域，这样使智能仪器具有很多优秀的特点。

14、术领域，这样使智能仪器具有很多优秀的特点。1）智能仪器的原理结构）智能仪器的原理结构说明说明CPUCPU中央处理单元，中央处理单元，是智能仪器的核心，指挥整个检测系统运转，通过是智能仪器的核心，指挥整个检测系统运转，通过内部总线与外设相连（接口电路、输入内部总线与外设相连（接口电路、输入/ /出通道、仪表面板、内存等）。出通道、仪表面板、内存等）。内存内存EPROMEPROM（只读存储器）、（只读存储器）、RAMRAM（读写存储器）（读写存储器）保存监控程序、应用程保存监控程序、应用程序、数据等。序、数据等。RS-232CRS-232C串行通信接口总线串行通信接口总线，与微机或其他外部仪器设备

15、连接。，与微机或其他外部仪器设备连接。GPIBGPIB通用接口总线通用接口总线 （General Purpose Interface Bus) General Purpose Interface Bus) 是智能仪器与其他仪器（微机）相互联系的一种公共接口总线是智能仪器与其他仪器（微机）相互联系的一种公共接口总线 已被国际电器与电子工程师协会（已被国际电器与电子工程师协会（ IEEEIEEE）定为通用的外部接口总线标）定为通用的外部接口总线标准准IEEE488IEEE488，称为称为IEEE488IEEE488接口总线。接口总线。该总线应用很广泛，通过它可以该总线应用很广泛，通过它可以把多台仪

16、器连接起来。把多台仪器连接起来。2 2）智仪器的特点）智仪器的特点（a a）检测过程控制的软件化）检测过程控制的软件化 用软件方式控制检测过程，在模拟仪表中一般是通过硬件（电子线路或用软件方式控制检测过程，在模拟仪表中一般是通过硬件（电子线路或器件）才能完成的作用。器件）才能完成的作用。 例如：例如：可做到：可做到：自稳零放大；自稳零放大；自动极性判断；自动极性判断；自动量程切换；自动量程切换；自动报警；自动报警；过载自动保护；过载自动保护；非线性补偿；非线性补偿；多功能检测（多点巡回多功能检测（多点巡回检测）等。检测）等。 原因：原因：检测仪器功能不断增加，仪器硬件负担越来越重，仪器结构越检

17、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，所以就引来越复杂，体积质量增大，成本上升，要继续发展就比较困难，所以就引入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，入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，实现了简单人机对话、自检、自诊断、自校准、实现了简单人机对话、自检、自诊断、自校准、CRTCRT显示、打印输出及绘显示、打印输出及绘图。图。 另外，在检测控制方式下，改换仪器功能并不需要更换硬件，仅改另外，在检测控制方式下，改换仪器功能并不需要更换硬件，仅改变软件就可实现以上功能，这是传

18、流仪器不能达到的。软件实现的数字化变软件就可实现以上功能，这是传流仪器不能达到的。软件实现的数字化仪器的自动化程度很高。仪器的自动化程度很高。(b(b）智能仪器智能仪器对检测数据具有很强的处理能力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。仪器的非线性，从而降低检测误差，提高检测精度。 由于智能仪器对检测结果能再加工，从而能提供表征被检测

19、对象各由于智能仪器对检测结果能再加工，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波形在CRTCRT复现，且能将其在复现，且能将其在CRTCRT上做时间轴方向的展开或压缩，还可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。行滤波和频谱分析。（C C

20、）智能仪器多功能化）智能仪器多功能化 检测功能；检测功能； 多参数检测，各种显示各能；多参数检测，各种显示各能； 控制功能；控制功能； 管理功能；管理功能； 通信功能；通信功能；、PCPC仪器系统（模块式仪器）仪器系统（模块式仪器） 把传统式独立仪器中的（由生产厂家定义的、一般用户无法改变的）把传统式独立仪器中的（由生产厂家定义的、一般用户无法改变的）检测电路部分检测电路部分和和接口部分接口部分集合在一起集合在一起制成制成仪器卡。仪器卡。 仪器中所需要的仪器中所需要的键盘、键盘、CRTCRT、存贮器、存贮器用用PCPC计算机计算机。 一般一般PCPC仪器自动监测系统组成：仪器自动监测系统组成：

21、 （1 1）不同功能的仪器卡）不同功能的仪器卡 （2 2）插卡机箱）插卡机箱 （3 3）微机）微机1）PC仪器佳策系统的基本形式框图仪器佳策系统的基本形式框图（a)a)传感器传感器（b) b) 信号调整（变送器，转换器）信号调整（变送器，转换器） 作用：对信号放大、处理（滤波、线性化电路等）作用：对信号放大、处理（滤波、线性化电路等）（c c）数据采集卡（板）（仪器卡）数据采集卡（板）（仪器卡） 功能功能 由衰减器和增益可控放大器由衰减器和增益可控放大器进行量程自动改换；进行量程自动改换； 通过多路切换开关通过多路切换开关完成多点多通道信号的分时采样；完成多点多通道信号的分时采样； 时间连续信

22、号时间连续信号X X（t) t) 离散的时间序列离散的时间序列X X（n) n) 将信号的采样值由将信号的采样值由A/DA/D转换器转换器变为数字量。变为数字量。（d d）计算机）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：软件的程序命令下自动进行： 信号采集与存储；信号采集与存储；数据的运算与分析；数据的运算与分析；以适当形式输出，显示，记录检以适当形式输出，显示，记录检测结果。测结果。 早期早期PCPC仪器仪器是利用是利用PCPC机的内部总线，将仪器卡插入机的内部总线，将仪

23、器卡插入PCPC内部或外部扩展内部或外部扩展箱内。如图箱内。如图仪器系统中：仪器系统中：（a a）各仪器卡不能互相同步触发，无法直接通信，也无法传递模拟信号。）各仪器卡不能互相同步触发，无法直接通信，也无法传递模拟信号。（b b）PCPC机箱内的仪器卡受干扰严重。机箱内的仪器卡受干扰严重。（c c）同时，因仅靠）同时，因仅靠PCPC机的总线工作而使机的总线工作而使PCPC的负担明显加重。的负担明显加重。 为了克服最期为了克服最期PCPC仪器系统的缺点，许多厂家定义了新的仪器总线，并将仪器模块卡仪器系统的缺点，许多厂家定义了新的仪器总线，并将仪器模块卡全插在全插在PCPC外部总线机箱内。外部总线

24、机箱内。例如例如HP6000HP6000系列模块式仪器系统系列模块式仪器系统（多总线式（多总线式PCPC仪器系统）仪器系统）如图如图五、检测技术的发展趋势五、检测技术的发展趋势1 1、计算机技术在检测系统中的广泛应用、计算机技术在检测系统中的广泛应用 以计算机为中心的现代检测系统，采用数据采集与传感器相结合的方式，以计算机为中心的现代检测系统，采用数据采集与传感器相结合的方式，能够最大限度地完成检测工作的全过程，既能实现对信号的检测，又能对信号进能够最大限度地完成检测工作的全过程，既能实现对信号的检测，又能对信号进行分析处理行分析处理获得有用信息。获得有用信息。 能完成对多点，多种随时间变化参

25、数的检测，实现快速，实时测量，抗干扰能完成对多点，多种随时间变化参数的检测，实现快速，实时测量，抗干扰信号能力强。这些特点及性能都是传统的检测系统无法实现的。信号能力强。这些特点及性能都是传统的检测系统无法实现的。 所以，仪器与计算机技术的深层次结合将会产生全新的集成仪器概念，可十所以，仪器与计算机技术的深层次结合将会产生全新的集成仪器概念，可十分方便地将多种检测功能集于一起，形成多功能的集成仪器，利用这种集成仪器分方便地将多种检测功能集于一起，形成多功能的集成仪器，利用这种集成仪器的通用硬件平台，调用不同的检测软件，就构成了不同功能的仪器。的通用硬件平台，调用不同的检测软件，就构成了不同功能的仪器。 因此，目前在这方面有以下几个发展趋势：因此，目前在这方面有以下几个发展趋势： 1 1）采用高速大容量的计算机系统与检测系统相结合，实现对生产过程综合）采用高速大容量的计算机系统与检测系统相结合，实现对生产过程综合检测。包括测量过程、数据采集处理、试验操作调节、实验结果分析等全面实现检测。包括测量过程、数据采集处理、试验操作调节、实验结果分析等全面实现生产过程自动化。生产过程自动化。 2 2）采用计算