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1、,第三章 检测技术及方法分析,检测（Detection）定义：利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性或定量结果的过程称为检测技术。,检测技术的作用,美国国家导弹防御计划-NMD,检测技术在国防领域的应用：先行官,监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；,拦截器：能识别真假弹头，敌友方,检测技术的作用,检测技术在航天领域应用：举足轻重,火箭测控-检测火箭状况、姿态、轨迹飞行器测控-检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵,检测技术的作用,“阿波罗10”：,火箭部分-2077个传感器,飞船部分-1218个传感器
2、,检测参数-加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学,神州飞船：,185台（套）仪器装置,检测技术的作用,检测技术的作用,检测技术在日常生活中的应用：与日俱增,检测技术的作用,检测技术的作用,智能电子警察监测系统,号,检测技术的作用,检测技术的作用,自动收费系统,自动检测或自动控制系统与外界的信息界面关系有三种情况：,获取检测对象所处状态的传感器，以及控制并调节对象状态的执行器。,操作人员与仪器装置之间的界面。,监控仪器与其他系统之间的信息往来。,传感器是所有被测对象信息的输入端口。,传感器的作用 感受被测量的变化，直接从对象中提取被测量的信息，并转换成相应的输出信号，即完成信号的检测与转换
3、，是整个系统中的关键。相当于人体的感觉器官，可以把非电量转换成电信号。如温度计：温度位移。,传感器的好坏直接影响仪表的质量，对它的要求有：准确性：输出准确反映输入，输出、输入之间是严格的单值关系，即只有被测量才对传感器有作用。稳定性：输入和输出之间的单值关系不随时间和温度变化，受外界其它因素干扰的影响小。灵敏性：较小的输入量就有较大的输出信号。其它：经济性、耐腐蚀性、低能耗等。实际使用时还应考虑的有体积小、价廉、易于维修更换等,传感器的种类千差万别，传感器的分类方法有很多种：,根据检测对象分类，如温度、压力、位移等。从传感器原理或反应效应分类，如光电、压电等。根据传感器的材料分类，如导电体、半
4、导体等。按应用领域分类，如化工、纺织、造纸、环保等5.按输出信号形式分类，如模拟和数字式等。6.按反应形式或能量供给方式分类，如能动型和被动型、能量变换型和能量控制型等。,传感器定义及组成,定义：传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的，便于处理的另一种物理量的测量器件，其输出多为易处理的电量，如电流、电压、频率等。组成：传感器由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成。,3.1.检测方法及基本概念,只有传感器并不等于具有完备的检测技术或方法。除了传感器之外还需要一定的检测结构，用于有选择地实现信号转换。检测技术理论就是针对复杂问题的检测方法、检测结构以及检测信号处理
5、等方面进行研究的一门综合性科学。检测技术与方法中有许多基本概念。为比较起见，下面分别解释成对的一些概念。,一、开环型检测与闭环型检测,开环型检测系统如图(a)所示。一般由传感器、信号放大器、转换电路、显示器等串联组成。,闭环型检测系统如图(b)所示。正向通道中的变换器通常是将被测信号转换成电信号，反向变换器则将电信号变为非电信号。,平衡式仪表及检测系统一般采用这种结构,二、直接检测与间接检测,直接检测与同类基准进行简单的比较，就能得到测量值的检测方法。间接检测就是测量与被测量有一定关系的2个或2个以上物理量，然后再推算出被测量。,三、绝对检测与比较检测,绝对检测是指由基本物理量测量而决定被测量
6、的方法。如用水银压力计测压力 比较检测方法与同种类量值进行比较而决定测量值的方法。如用弹簧管压力计测量压力,四、偏差法与零位法,偏差法也叫非零检测法。一般都是开环型结构，增益大。结构简单，测量结果直观。如弹簧秤称重.信号转换需要的能量要从被测对象上获得。这种开环检测对排除干扰很不利。零位法是反馈型闭环检测方法。采取与同类的已知量取平衡的方法进行测量。如用天平测量质量。零位法的平衡操作绝大多数已经完全自动化。电位差计、平衡电桥等。,五、强度变量检测与容量变量检测,强度变量：压力、温度、电压等表示作用的大小，与体积、质量无关。容量变量：长度、重量、热量、电流等与占据空间相关，与体积、质量成比例。一
7、般在传感器的输入输出端分别存在成对的强度变量与容量变量，它们的乘积分别表示传感器的输入、输出能量。,容量变量对测量的影响,以热电偶测温为例，温度差即强度变量是输入信号，输出信号是热电势，也是强度变量。输入端的容量变量是热流，输出端的容量变量是电流,如图所示热流和电流虽不是输入输出变量，但它们都对检测系统有影响。强度变量与容量变量是在检测系统的输入输出端共轭存在的变量。一方传递信息的同时，另一方总是直接或间接地与误差有关。,六、微差法此方法是测量被测量与已知量的差值。差值通常较小，可以提高检测精度。如游标卡尺。这是利用主尺与游标刻线的微差提高测量精度的方法,七、替换法由于系统误差的存在，当把被测
8、物与标准比较物的主次或先后顺序置换过来时，可以排除测量过程中因顺序所造成的误差影响。例如，改变天平放砝码托盘的左右位置，两次测量质量取平均值求得被测量的比较准确的质量。,游标卡尺示意图,主尺,游标,分度值（分辨率）0.1mm,被测尺寸的小数部分为40.1=0.4mm,能量变换型检测：输出信号的能量是传感器吸收的能量的一部分，输入信号的能量部分转换成输出信号。不需外接电源热电偶、磁电系仪表测量电流电压能量控制型检测：被检测量控制了从电源转向输出信号的能量的流动。需外接电源光敏电阻、热敏电阻能动型检测,八、能量变换与能量控制型检测元件,智能检测技术应用。根据探索行为所逐一得到的检测结果来判断被检测
9、对象的性质及状态，并重复进行探索，深入掌握其状态。,各种主动探索与信息反馈检测的形态,调整工作状态,调整测试参数,优化数据处理方式,九、主动探索与信息反馈型检测,3.2.检测系统模型与结构分析,检测系统的基本功能-信号转换与信号选择、基准保持与比较、显示与操作信号转换模型与信号选择性检测系统的结构分析-差分式、补偿式和调制式,内容：,一、检测系统的基本功能,检测系统的基本功能可总结为：信号转换与信号选择 基准保持与比较 显示与操作,二、信号转换模型与信号选择性,1.信号转换的数学模型设检测系统独立的输入变量为u1,u2,ur，输出变量为y1，y2，ym，系统内部变量为x1，x2，xn，系统的状
10、态方程为：,标定：改变输入量u，记录输出量y的过程。u y检测：在标定的基础上由y求u的解逆问题的过程。y u检测系统信号转换的基本条件：变换特性能用简单公式描述或输入与输出之间的关系确定。,设u1 为被检测量（输入信号），y1 为测量值（输出信号）时,则代表了u1y1的检测方程特性。,2.信号选择性 设计检测系统时要选择必要的信号，消除其他变量的影响，以提高检测精度。,以金属丝的电阻值变化为例，它与金属种类、纯度、形状、温度有关。当用作热电阻测温时，选择其温度变化的特性，而要防止变形影响；当用作应变测量时，则选择其形状变化的特性，而要设计抵消温度影响的检测结构。,一个传感器的输入信号，除被测
11、参数以外，还有其他未知参数或干扰参数，因此，一般传感器可视为多输入单输出系统，如图3-6所示。,三、检测系统的结构分析,为减小和消除这些多余信号，实际上常常采取一些特殊结构。,设被检测量为u1，干扰量为u2，传感器A为测量用传感器，同时受u1、u2 的作用，在u1、u2有微小变化的前后，输出信号分别为：yA=fA(u1，u2)yA=fA(u1+u1，u2+u2),传感器B为补偿用传感器，受干扰量u2及其微小变化的影响。在固定u1时，输出分别为：yB=fB(u1，u2)yB=fB(u1，u2+u2),1.补偿结构,补偿结构是利用传感器B的输出结果，补偿传感器A中的干扰量作用，使检测系统的输出结果
12、不受被测参数以外的干扰参数的影响，实现信号选择性。补偿结果输出为y=yA-yB=fA(u1+u1，u2+u2)-fB(u1，u2+u2)。,.,上式中，u2的一次相和二次相被抵消了。因此，这种结构可以减少u2的影响，实现对u2的补偿。但这不是完全补偿，因为还有u1u2的一项。,此时相当于fA(u1，u2)=fB(u1，u2)=a f1(u1)+b f2(u2),这样，补偿结果中就不含u2的影响，实现了完全补偿。这种补偿方式称为比率补偿，其结构是将两传感器输出信号的相减改为相比。,总之，利用补偿结构实现对干扰的补偿时，必须有检测干扰的传感器。而且在干扰量变化范围内，补偿用传感器的特性应与检测用传
13、感器特性相一致，满足这一条件的严密与否决定了补偿精度。,差分结构可以 看作是补偿结构的特例，是排除干扰、选择必要的测量参数的重要方法。如图所示，差动结构的两传感要素一般采用空间对称结构形式即f1(u1，u2)=f2(-u1，u2)。,2.差分结构,由于f1，f2的对称作用,可以得到,与补偿结果式子相比，u1的二次项也抵消了。即差动结构起到了线性化作用，也提高了对u1 的灵敏度。如果u1、u2是单函数的线性组合，式子中u2的残存影响也可以完全消除。,3.3 提高检测精度的方法,差动结构等补偿方式利用静态特性分离被测信号与噪声干扰。利用信号与噪声在时域和频域上的不同动态特性，也可实现信号选择功能，
14、提高检测精度，消除噪声干扰。,3.3.1 时域信号选择方法,1）基于同步加算的去噪方法,利用信号周期性,如图3-9所示，虚线表示信号波形。根据随机误差分析结果可知，当加算次数为N时，信号成分变成N倍，而噪声只有 倍，信噪比S/N改善了 倍。,2）基于响应速度的分离方法色谱柱原理，吸附剂对不同气体的吸附能力不同，形成气体分离时间差别。,3.3.2 频域信号选择方法,1）滤波放大与调频放大方法,调频带通放大原理,滤波放大:信号和噪声所占有的频率段不同时，利用滤波器可以很容易地将两者分离开来，称之为滤波放大方法。,调频放大:如果信号和噪声的频率段接近时，先将信号频带移动到噪声功率较小的频率段，再分离
15、噪声，即进行信号调制和解调，称之为调频放大方法。,3.3.2 频域信号选择方法,2）陷波放大方法噪声信号频带非常窄,当噪声信号频带非常窄时采用此方法，如商用电源附近有大型电机时。工频及高次谐波干扰，n50Hz,窄带陷波对原始信号失真影响较小,3.3.2 频域信号选择方法,3）锁定放大方法微弱信号埋没在噪声中时，可主动调制信号，抑制噪声，再使用锁定放大器将被测信号与参考信号相位锁定，来检测微弱信号。,基于锁定放大器的微弱信号检测原理,3.4 多元检测技术,使用多个传感器或不同类型传感器，实现高度智能检测功能，是检测技术发展的必然趋势。应用于复杂检测，高精度检测。智能检测包括：干扰补偿、特性补偿、
16、自动校正、自设定量程、自诊断、分散处理等。多元化检测是实现智能检测的一种形式。,3.4.1 多元检测与检测方程式,被检测量为，传感器输出为，多元检测可以用联立检测方程式表示：多元间接测量，通过矩阵直接求解或最小二乘法求解,当k=n时，只能获得待测参数的一组定解，无法评价随机分量 kn时，即重复进行等精度测量，可做误差分析,3.4.2 多元复合检测,若被检测量有n个，那么最少需要n个独立的检测方程式。独立的检测方程式个数不够时，可以给未知参数加上已知量，采用同一检测原理，构成另一检测方程。例：吹气式液位检测通过测量导管内的压力进而检测液位,吹气式液位计的复合检测原理,3.4.3 多元识别检测,例
17、：多传感器气体成分分析以金属氧化物半导体膜为主对多成分气体的反应交叉灵敏性是非线性的,多传感器气体成分分析系统及多元膜传感器,3.4.3 多元识别检测,用反应标准模式标定 特征提取，模式识别,多传感器阵列的反应模式,S：膜传感器6种G：待测气体7种,说明1.标准浓度，1种气体2.标准浓度，多种气体3.不同浓度，1种气体4.不同浓度，多种气体,例：多传感器气体成分分析,传感器的个数少于气体的种类，但多传感器对多成分气体的反映交叉灵敏性是非线性的。利用特征提取和模式识别可识别气体的种类。多传感器与信号处理芯片集成在一起。,3.4.4 构造化检测,通过主动设置环境参数，达到简化检测原理及信号处理目的。例：构造光检测物体通过有物体通过使两平面光束都被中断时，通过摄像头观测得到图(c)所示的图像,动态实时检测,3.4.5 多点时空检测,例：舒适度检测针对多参数、广范围、大规模、复杂化的环境多个传感器，采集对时间、空间分布的数据参考标准多样性,室内空调舒适度控制框图,节能环保经济性,延伸：广义传感器输出：幸福指数,
