现代检测系统

对现代检测系统的研究认识XXXXXXXXXXX，XX XX XXX摘要:本文主要介绍了现代检测系统的构成及应用，故障检测与诊断的方法；讨论了现代检测系统组建时，用到的各个部件；论述了系统故障检测部分以及用到的关键技术；提出了目前在虚拟仪器系统中较为常用的几种总线方式和应用特点；展望了现代检测技术的发展趋势。

关键词：现代检测系统；故障检测与诊断；虚拟仪器系统The Research of Measurement and Diagnostic SystemsXXXX XXXXXX city XXXAbstract: In this paper we introduce the constitution of modern detection systems and applications, fault detection and diagnosis methods; discuss the various components when formate modern detection systems; discuss in detail the fault detection sy stem components and key technologies which should be used; propose the more commonly used methods and application of several characteristics of the bus in the virtual instrumentation system currently;reveal the tendency of the modern detection’s developing.Keywords: modern detection systems; fault detection and diagnosis; virtual instrument system0 引言现代工业生产中，通常采用各种测量与诊断系统对生产全过程进行检查、监测以及故障诊断，来确保安全生产，保证产品质量，提高产品合格率，降低能耗，从而提高企业的生产效率和经济效益。

所谓测量与诊断系统就是对被测对象进行信息提取、信号转换存储与传输、信号的显示记录和信号的分析处理，最终对被测对象做出诊断的系统。

它可分为测量系统和检测系统两部分。

测量系统主要有传感器、放大器、调理系统或数据采集等，检测系统主要包括信息的提取、转换、存储、传输、显示和分析处理等。

测量系统的基本特性为静态特性和动态特性。

通过研究他们实现对测量系统的标定和最终实现不失真测量。

对于测量到的数据进行分析检测，检测系统进行信号放大、电参量转换到现在的信号分析处理现代检测系统。

而以计算机为基础的现代检测系统能够真正实现检测的自动化与智能化，从而使它能在更大范围内实现测量与诊断的应用。

1 现代检测系统的构成目前，现代检测系统基本上都是用于各种物理或化学成分等参量的检测，通常由各种传感器将非电被测参量转换成电信号，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，再加上系统所需的交、直流稳压电源和必要的输入设备便组成了一个完整的检测系统，其各部分关系如图0-1所示[2]。

图0-1 现代检测系统的构成1.1 传感器传感器是检测系统中与被测对象关系最密切的部分。

传感器负责把被测量作为信号提取出来并传输到信号调理部分。

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。

通常检测系统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，其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；就具体应用而言又可以根据检测对象的特点来选取合适的传感器如选用低耗能、耐腐蚀获成本低的传感器等[1]。

1.2 信号调理信号调理是指对检出的信号进行适当的分析处理。

信号调理的任务是是针对传感器输出的特点及其非理想情况进行合理变换及处理。

这部分任务可以由电路、光路或气路来完成，但由电路完成居多。

完成信号变换的电路就称为信号调理电路。

对信号调理电路的要求是：（1）能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；（2）信噪比高，抗干扰性能好。

1.3 数据采集数据采集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[3]。

1.4 信号处理信号处理部分是检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节。

现代检测系统通过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，使得现代检测系统具有强大的问题解析能力，且使复杂系统的实时控制成为可能。

1.5 信号显示通常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在标尺上的相对位置来表示。

指示式仪表有动圈式和动磁式等多种形式，适用于检测精度要求不高的单参量测量显示场合。

（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。

目前，各类检测仪表和检测系统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，利于对它们进行比较、分析。

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。

1.6 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实时显示外，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4～20 mA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。

1.7 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。

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[3]。

1.8 稳压电源一个检测仪表或检测系统往往有模拟和数字电路两种，通常需要多组幅值大小不同但稳定的电源，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供电。

值得注意的是，以上七个部分不是所有检测系统都具备的，对某些简单的检测系统，其各环节间的界线也不是十分清楚，需根据具体情况进行分析。

2 现代检测技术的应用现代检测技术在当今社会的各个行业中起着举足轻重的作用。

无论科学研究、产品质量及自动控制都需要检测。

例如现代检测技术的一个主要发展方向光电检测技术，它由于具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高以及自动化程度高等突出特点而广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。

它的工作原如图0-2所示[4]：图0-2光电检测系统原理图它是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接受光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模/数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需要的检测物理量等参数。

这个系统能够有效的扩展人类的视觉功能，使视觉的长波延伸到亚毫米波，短波延伸到紫外线 x射线。

因此在医疗方面有非常多的应用，例如：数字体温计中接触式——热敏电阻，非接触式有红外传感器；电子血压计的血压检测的压力传感器等。

其他还有如在工业领域方面的在线检测如零件尺寸、产品缺陷、装配定位；在国防和军事应用方面的夜视瞄准机系统的非冷却红外传感器技术、地基拦截器、早期预警系统、前沿部署（如雷达）、管理与控制系统、卫星红外线监测系统的方面等；在日常生活中如数码相机的自动对焦、空调的温度检测、自动感应灯的亮度检测等，其应用非常广泛。

3 故障检测与诊断随着工业生产自动化水平的提高，人们迫切需要提高自动化系统的可靠性、可维修性和安全性，因而故障检测与诊断也就成为了现代检测系统的主要任务与应用之一。

系统的故障检测与诊断方法主要完成四个任务：第一个任务称为故障检测，第二个任务称为故障定位或故障分离，第三个任务称为故障评价，第四个任务称为故障决策。

后面三者统称为故障诊断。

常用的故障检测与诊断方法主要分为三大类：基于解析模型的方法、基于知识的方法、基于信号处理的方法。

其中，小波分析法属于信号处理法，它对信号分析更能起到"显微镜"的作用，是很有价值的故障检测工具；用人工神经网络来检测和诊断故障则属于基于知识的方法，可用于优良与合格工况的划分；专家规则法及故障树法均也属于最后知识的方法，其所需的计算工作量小，在线实时检测诊断容易实现。

例如在电力电子系统中，人工神经网络在故障诊断的应用，为电力电子电路的故障诊断提供了一种崭新而有效的方法。

基于神经网络的故障诊断方法可以利用神经网络的非线性映射特性和自学能力来反映系统故障输出特征和故障类型之间的映射关系，采用神经网络组和频谱分析相结合的方法对电力系统电子电路故障进行诊断。

同时提出了将故障根据其危害程度和发生的频率划分轻重等级的思想，对那些危害程度大、发生频率高的故障重点对待，使得这些故障能够被及时准确无误地检测出来；对其他危害小、发生频率低的故障也最大程度检测出来，从而达到对系统进行故障诊断的目的[8]。

此外，例如电梯的应用，其控制柜故障检测系统可采用专家系统来设计制作。

系统工程师通过对电梯控制柜线路故障领域以及电梯控制系统的结构和工作原理的了解，建立诊断知识网络，根据这一网络构筑诊断专家系统。