傳感器與測控電路的基本概念

　　一、測控技術的定義

　　測控技術是以研究自動檢測系統中的信息提取、信息轉換以及信息處理的理論和技術為主要內容的一門應用技術學科。

　　測控技術屬于信息科學的范疇，與計算機技術、自動控制技術和通信技術構成完整的新信息技術學科。測量是指以確定被測對象屬性量值為目的全部操作。測試是具有試驗性質的測量，或者可以理解為測量和試驗的綜合。

　　檢測就是借助專門的技術工具確定被測對象的量值而進行的實驗過程。在這個過程中常借助專門的設備，通過實驗和計箅把被測對象直接或間接地與同類已知單位進行比較，用數值和單位共同表示被測對象的暈值的過程。檢測是揭示客觀世界規律的手段。廣義地說，任何科學實驗的結論，都是對實驗數據統計推斷的結果，而數據的取得，只有靠檢測來完成。廣義地講，測控技術是自動化技術四個支柱之一，從信息科學角度考察，測控技術任務為：尋找與自然信息具有對應關系的種種表現形式的信號，以及確定二者間的定性、定量關系;從反映某一信息的多種信號表現屮挑選出在所處條件下最為適宜的表現形式，以及尋求最佳的采集、變換、處理、傳輸、存儲、顯示等的方法和相應的設備。

　　佶息采集是指從自然界諸多被測暈如物理量、化學量、生物量與社會力量等中提取有用的信息。

　　信息變換是將所提取出的有用信息進行電量形式的幅值、功率等的轉換。信息處理的任務，視輸出環節的需要，可將變換后的電信號進行數字運算如求均值、極值等、模擬量/數字量之間變換等處理。

　　信息傳輸的任務是在排除干擾的情況下經濟地、準確無誤地把信息進行遠、近距離的傳遞。

　　雖然測控技術服務的領域非常廣泛，但是從這門課程的研究內容來看，不外乎是傳感器技術、誤差理論、測試計量技術、抗干擾技術以及電量間互相轉換的技術等。提髙自動測控系統的檢測分辨率、精度、穩定性和可靠性是本門技術的研究課題和方向。

　　自動測控系統是自動測量、自動計量、自動保護、自動診斷、自動信號處理等諸系統的總稱。在以上諸系統中，都包含被測量、敏感元件、電子測量電路和輸出單元，它們之間的區別僅在于輸出單元。如果輸出單元是顯示器或記錄器，則該系統稱為自動測量系統;如果輸出單元是計數器或累加器，則該系統稱為自動計量系統﹔如果輸出單元是報警器，則該系統是自動保護系統或自動診斷系統﹔如果輸出單元是處理電路，則該系統是部分數據分析系統、自動管理系統或自動控制系統。

　　二、測控與轉換系統的結構

　　檢測的目的是在限定的時間內，盡可能正確地收集被測對象的有關信息，以便獲取被測對象的參數，從而管理和控制生產。檢測是生產過程控制中最重要的一環，生產過程中，不能沒有檢測與控制系統。

　　檢測系統包括測量系統、控制系統和測控系統三種類型。檢測系統不僅僅用于工業領域，也廣泛地應用于科學實驗、地質勘探、交通和醫療健康等國民經濟各個領域以及人們的日常生活中。測量就是把被測對象中的某種信息檢測出來并加以度量，是人類感覺器官的延伸，控制系統則是人類肢體的延伸﹔測控就是通過專門的裝置把被測系統所存在的某種信息激發出來并加以測量與控制。所以，測控系統拓展了人們認識和改造自然的能力。

　　人們在認識和改造自然界的過程中，需從各個方面，采用各種方法觀察和研究事物的發展過程和規律，不可避免地要采用測量手段研究事物在數量上的信息。被測對象可分為電量和非電量。顯然，相對于電量而言，非電量在種類和數量上都多而復雜。在許多領域需要測量的是非電量，如機械量、熱學量、化學量、光學量、聲學量和放射量等。這些非電量都可以用非電的方法測量。但非電方法的測量優越性遠不如電測法，特別是在微電子技術和計算機技術飛速發展的今天，電測法更具有突出的優勢。

　　①具有極寬的測量范圍。采取電子技術，可以很方便地改變儀器的靈敏度和測量范圍。

　　②電子測量儀器具有極小的慣性。既能測量變化緩慢的量，又可測量快速變化的量。

　　③可以很方便地實現遙測。

　　④便于對信號進行各種運算、處理、顯示和記錄。

　　為實現非電量的電測量，首先要實現從非電量到電量的變換，這一變換是靠傳感器來實現的。傳感器接口電路是為了與傳感器配合，將傳感器輸出信號轉換成低輸出阻抗的電壓信號以方便后續電路的處理。通常信號都需要進--步放大并濾除噪聲。放大后的信號經模擬/數字變換后得到數字信號，以便于微處理器(microprocessor)或微控制器(microcontrol-ler)處理。微處理器或微控制器是檢測系統的核心，它主要有兩個作用:一是對數字信號進行進一步處理并將信號輸出顯示、存儲和控制;二是管理檢測系統的各個部分以實現檢測系統的智能化，即根據信號和測量條件的變化，自動地改變放大器的增益、濾波器的參數及其他的電路參數。

　　在選用合適的傳感器之后，就要設計傳感器的接口電路。從電子技術的角度來看，不同的傳感器具有不同的電特性和需要不同的驅動信號(有的傳感器不需要驅動信號)，為取得更高的精度和最佳的性能,需要設計傳感器接口電路。

　　由傳感器接口電路輸出的信號往往幅值較低，因此需要將信號進一步放大，放大到后續電路所需要的幅值。

　　在信號的檢測過程中，必然夾雜著許多噪聲和存在各式各樣的干擾，濾除噪聲和抑制干擾是測控系統中必不可少的環節。模擬濾波器是濾除噪聲的有效手段。

　　信號變換也是測控系統中經常要用到的電路。

　　廣義的信號處理包括信號放大、信號濾波和信號比較等內容。從另一個角度來看，信號處理又分為線性處理和非線性處理。信號線性處理主要包括信號線性放大和信號濾波等內容﹔信號非線性處理則主要包括信號比較和信號非線性放大等內容。

　　現代測控系統通常使用微處理器或微控制器作為系統的核心，但微處理器和微控制器只能處理數字信號，因而在測控系統中，往往需要把模擬信號轉換成數字信號。完成把模擬信號轉換成數字信號的電路稱為模擬/數字變換器(analogtodigitalconverter)，或簡稱模數變換器(ADC)。

　　關于微處理器或微控制器的內容很多，可通過專門的課程學習。現代測控系統中的信號存儲和記錄已很少采用傳統盒式磁帶和描筆式記錄儀，現在已普遍采用半導體存儲器、磁盤和光盤來存儲信號，采用打印機來記錄信號。這部分內容很多，限于學識和篇幅，這些內容不在本書中介紹。

　　經微處理器處理的信號，可以輸出顯示或控制執行機構。往往有些顯示或輸出需要模擬信號，把數字信號轉換成模擬信號的電路稱為數字/模擬變換器(digitaltoanalogconvert-er)，或簡稱數模變換器(DAC)。

　　測量系統的主要目的是把所測量和處理的結果顯示出來。

　　一般來說，測控系統放大、處理信號和微處理器輸出的控制信號，或數模變換器的輸出信號往往是小功率的信號，而所控制的對象又往往需要較大功率的驅動信號。實現這一功能的電路稱為功率驅動電路。

　　三、測控與轉換技術的任務

　　客觀世界的一切物質都以不同形式在不斷地運動著。運動著的物質是以一定的能量或狀態表現出來的，這就是信號。人們為了認識物質世界，就必須尋找表征物質運動的各種信號以及信號與物質運動的關系。

　　測控的基本任務是獲取有用的信息，通常包含測量、計量、計算、檢驗、判斷等多種含義，具有比單純的測量更為豐富的內容，故測試的范疇如下。

　　過程中參數測量功能:將被測量與標準量進行比較，以獲得被測對象的數值結果。過程中參數檢測控制功能:將被測量與設定值進行比較，以獲得被測對象在性能、參數、質量、功能等方面的評價。這種評價常采用通過/不通過、合格/不合格、正常/不正常、好/壞等定性指標來表示或采用分成若干等級的分類值來表示。

　　③測量數據分析處理功能:對測試數據進行各種處理，根據測試要求不同，處理結果可形成各種信息，也可去執行各種操作。

　　眾所周知，測控技術早已滲透到人類的生產活動、科學研究、工程實踐和日常生活的各個方面。在生產活動中廣泛應用測試技術，如計時、產品交換、氣候和季節的變化規律、生產過程中產品質量的控制、節能和生產過程的自動化等。這些都要測量生產過程中的有關參數并進行反饋控制，以保證生產過程中的這些參數處于最佳最優狀態。

　　在工業生產領域內，廣泛地應用測控技術，如生產過程中產品質量的檢測、產品質量的控制、提高生產的經濟效益、節能和生產過程的自動化等。

　　在科學研究領域內，人們通過觀察、試驗并用已有的知識和經驗，對試驗結果進行分析、對比、概括、推理。通過不斷觀察、實驗，從而找出新的規律，再上升為理論。因而能否通過觀察實驗得到結果，而且是可靠的結果，取決于檢測技術的水平，所以，從這個意義上講，科學的發展、突破是以檢測技術的水平為基礎的。例如，人們在光學顯微鏡出現以前，只能用肉眼來分辨物質。而自從出現了光學顯微鏡，人們能借助顯微鏡觀察細胞，從而大大推動了生物科學的發展。而到20世紀30年代，出現了電子顯微鏡，又使人們的觀察能力進入微觀世界，這又推動了生物科學、電子科學和材料科學的發展。當然，科學技術的發展又反過來促進檢測技術的發展。

　　檢測通常包括兩個過程:一是能量形式的一次或多次轉換過程;二是將被測變量與其相應的測量單位進行比較。前者一般包括檢測用敏感元件、變換器、信號傳輸等部分﹔后者一般包括信號處理、測量電路及顯示裝置等部分。檢測元件一般將被測信息轉換成電信號，也就是把被測信號轉換成電壓、電流或電路參數(電阻、電感、電容)等電信號輸出﹔再利用變換器、信號傳輸和信號處理等部分，把信號轉換成傳輸方便、功率較大，可以傳輸、存儲、記錄，并具有驅動能力的電壓。信號的顯示和記錄由顯示器、指示器和記錄儀完成，信號的處理和分析用數據分析儀、頻譜分析儀、計算機等完成，通過對信號的處理和分析，找出被測信息的規律，從而為研究和鑒定工作提供有效依據，為控制提供有用信號。

　　人們在日常生活中，已愈來愈離不開測控技術。例如現代化起居室中的溫度、濕度、亮度、空氣新鮮度、防火、防盜和防塵等的測試、控制，以及由有視覺、聽覺、嗅覺、觸覺和味覺等感覺器官，并有思維能力的機器人來參與各種家庭事務管理和勞動等，都需要各種測控技術。尤其是自動化生產出現以后，要求生產過程參數的檢測能自動進行。這時就產生了自動測控系統。

　　科學的發展突破是以測試技術的水平為基礎的，同時科學技術的發展又促進測試技術發展。測試技術屬于信息科學范疇，是信息技術三大支柱即測試控制技術、計算機技術和通信技術之一。

　　科學技術與生產水平的高度發達，要求有更先進的測試技術與儀器操作基礎。據統計:大型發電機組需要3000只傳感器及其配套監測儀表﹔大型石油化工廠需要6000只傳感器及其配套監測儀表;一個鋼鐵廠需要20000只傳感器及其配套監測儀表;一個電站需要5000只傳感器及其配套監測儀表;一架飛機需要3600只傳感器及其配套監測儀表;一輛汽車需要30~100只傳感器及其配套監測儀表。

　　在各種現代裝備系統的設計和制造工作中，檢測工作已占首位。測控系統的成本已達到該裝備系統總成本的50%~70%，它是保證現代工程裝備系統實際性能指標和正常工作的重要手段，是其先進性能及使用水平的重要標志。

　　以電廠為例，為了實現安全高效供電，電廠除了實時監測電網電壓、電流、功率因數、頻率、諧波分量等電氣量外，還要實時監測電機各部位振動的振幅、速度、加速度以及壓力、溫度、流量、液位等多種非電氣量，并實施分析處理、判斷決策、調節控制，以使系統處于最佳工作狀態。為了對以上部件進行精密機械加工，需要在加工過程中對各種參數，如位移量、角度、圓度、孔徑等直接相關量以及振動、溫度、刀具磨損等間接相關參量進行實時監測，并由計算機進行分析處理，然后由計算機實時地對執行機構給出進刀量、進刀速度等控制調節指令，才能保證預期高質量要求，否則得到的將是次品或廢品。

　　四、測控技術的發展方向

　　隨著科學技術的進步，測控技術正在迅速地發展，現代測控技術將向著高可靠性、高智能化方向發展。反過來測控技術的發展又進一步促進科學技術的進步。人類的信息化時代必將為智能測試提供更為廣闊的應用前景。現從如下幾個方面介紹測控技術的發展。

　　(1)測控理論方面

　　隨著科學技術的發展，生產規模的擴大和強度的提高，對于生產控制與管理的要求也越來越高，因而需要收集生產過程中信息的種類也越來越多，這就對參數檢測提出了更高要求。參數的檢測理論和方法與物理、化學、電子學、材料、信息等學科密切相關，隨著這些學科的發展，測控技術現已有很大發展。在現代科技領域，出現了許多新的測控技術。它們往往是利用各種不同波長的電磁波的特性來實現檢測工作。例如，用核輻射、激光、紅外、微波、超聲波等進行檢測。

　　這些檢測技術從廣義上來說也是一神傳感技術，因為它們也是將待測參量經過某種電磁波或聲波的中介作用和一系列轉換，最后變為電量而指示出被測參量值。這與普通傳感器的作用相同，只是不再像普通傳感器那樣是單個的器件而是由若干個起不同作用的器件集合組成。這些傳感測控技術現已獲得越來越多的應用，特別是在一些環境惡劣、高溫、高壓、高速度和遠距離等的場合下,它們更具優越性。

　　(2)測控領域采用新型信息處理方法

　　近年來，新型信息處理技術，如數據融合技術、模糊信息處理技術和神經網絡技術等，在現代測控系統中得到了有效應用。例如，熱處理爐溫自動測試系統采用多傳感器進行數據融合處理，可以提高溫度測量的可靠性與準確性，從而提高熱處理產品的質量和生產效益。數據融合技術、模糊信息處理技術和神經網絡技術等新型信息處理技術的發展方興未艾，隨著新型信息處理技術的發展，現代測試系統的信息處理方法必將有根本的改變。

　　工業生產和科學技術的發展使新的測控領域、新的測控對象和新的測控要求不斷出現。如過程工業的不斷發展，生產過程中的參數檢測已逐漸地由對表征生產過程的間接參數，如溫度、壓力、流量、物位的檢測轉向對表征生產過程本質的物性、成分、能量等參數的檢測﹔對于裝置的檢測，已逐漸由單參數發展到多參數的綜合檢測;參數的顯示已逐漸地由模擬式變為數字式或圖像顯示等。

　　(3)測量工具和方法的更新

　　隨著新的測量領域的出現，新的測控方法和測量工具也隨之出現。如利用激光脈沖原理測量遠距離，可以大大提高精度。計算機技術和微電子技術的發展，使得測控技術和儀器儀表得到了飛速發展。儀器儀表向智能化、數字化、小型化、網絡化、多功能化方向發展。近年來，由于儀器與計算機技術的深層次結合產生了全新的儀器結構概念。微型、智能、集成傳感器的迅速開發，使儀器儀表的面貌發生了很大的變化。

　　從虛擬儀器、卡式儀器、VXI總線儀器……直至集成儀器概念。一般來說，將數據采集卡插入計算機控制槽中，利用軟件在屏幕上生成虛擬面板，在軟件引導下進行信號采集、運算、分析和處理，實現儀器功能并完成測試的全過程，這就是虛擬儀器。在此同-平臺上，調用不同的測試軟件就可構成不同功能的虛擬儀器，故可方便地將多種測試功能集于一體，實現多功能集成儀器。測控技術中數據處理能力和在線檢測、實時分析的能力大大增強，儀器儀表的功能得以進一步擴大，精度及可靠性有了很大的提高。這種發展的總趨勢，今后將變得更快更深更廣。

　　(4)采用高智能化軟件

　　在測試平臺上，調用不同的測試軟件就構成不同功能的儀器，因此軟件在系統中占有十分重要的地位。在大規模集成電路迅速發展的今天，系統的硬件越來越簡化，軟件越來越復雜﹔集成電路器件的價格逐年大幅下降，而軟件成本費用則大幅上升。測試軟件不論對大的測試系統還是單臺儀器子系統來講都是十分重要的，而且是未來發展和競爭的焦點。

　　信號分析與處理要求取得特征值，如峰值、真有效值、均值、均方值、方差、標準差等，若用硬件電路來獲取，其電路是極為復雜的，若要獲得多個特征值，電路系統則很龐大﹔而另一些數據特征值，如相關函數、頻譜、概率密度函數等則是不可能用--沒硬件電路來獲取的，即使是具有微處理器的智能化儀器，如頻譜分析儀﹑傳遞函數分析儀等(其價格極其昂貴)。而在測試平臺上，信號數據特征的定義使用軟件編程很容易實現，從而使得那些昂貴的分析儀器才具有的信號分析與測量功能得以在一般工程測量中實現，使得信號分析與處理技術能夠廣廣泛深入地為工程實踐服務。

　　軟件技術對于現代測試系統的重要性，表明計算機技術在現代測試系統中的重要地位。但不能認為，掌握了計算機技術就等于掌握了測試技術。這是因為:其一，計算機軟件永遠不可能全部取代測試系統的硬件﹔其二，不懂得測試系統的基本原理不可能正確地組建測試系統，不可能正確應用計算機。一個專門的程序設計者，可以熟練而又巧妙地編制科學算題的程序，但若不懂測試技術則根本無法編制測試程序。因此，現代測試技術要求測試人員既要熟熟練掌握計算機應用技術，更要深入掌握測試技術的基本理論和測試方法。

　　(5)網絡化

　　網絡技術的普及與發展，為測試技術帶來了前所未有的發展空間和機遇，將現代測試系統與網絡相連接，不僅能實現對測試系統的遠程操作與控制，而且可以把測試結果通過網絡顯示在世界各地的WEB瀏覽器中，以便實現測試系統資源和數據的共享。

　　(6)通用化與標準化

　　為便于獲取和傳輸信息，實現系統更改與升級，現代測試系統的通用化、標準化設計十分重要。目前的接口與總線系統較多，隨著智能測試技術的不斷發展，有望制定全世界通用的幾種統一接口與總線系統標準，或者制定幾種互相兼容的接口與總線系統標準，以便于系統的組建、更改、升級和連接。由于采用通用化、標準化設計，現代測試儀器將易于實現分散使用與大范圍聯網使用。當不需要使用整個測控系統工作，而僅僅需要進行某個觀測目標的單一檢測時，可令系統中的某個智能部件單獨工作;當觀測目標多、信息量較大時，則可將許許多多的智能部件連接成大型智能測試系統，也可將多個智能測試系統聯網，組成巨型智能測試網絡。現代測試儀器還可以與其他非檢測性網絡連接，獲得其他系統的信息，為其他系統提供現代測試儀器的觀測、估計、判斷與決策結果。