1．檢測(cè)儀表的信號(hào)變換
檢測(cè)儀表中信號(hào)變換是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，合理地設(shè)計(jì)信號(hào)變換環(huán)節(jié)對(duì)提高儀表的準(zhǔn)確度和可靠性有重要意義。信號(hào)變換按結(jié)構(gòu)形式來(lái)分主要有：簡(jiǎn)單直接式變換、差動(dòng)式變換、參比式變換和平衡（反饋）式變換。
（1）簡(jiǎn)單直接式變換
簡(jiǎn)單直接式變換的結(jié)構(gòu)形式如圖1.1所示。圖1.1（a）是最簡(jiǎn)單的信號(hào)變換，敏感元件的輸出一般應(yīng)是電學(xué)量，轉(zhuǎn)換電路的作用是電信號(hào)的放大或電信號(hào)間的轉(zhuǎn)換。圖1.1（b）中的敏感元件的輸出一般是非電的中間物理量。轉(zhuǎn)換元件將該物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量。
圖1.1 簡(jiǎn)單直接式變換形式
簡(jiǎn)單直接式變換儀表是一種開環(huán)式儀表，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，但儀表的準(zhǔn)確度較低，信息能量傳遞效率較低。
（2）差動(dòng)式變換
差動(dòng)式變換是采用兩個(gè)轉(zhuǎn)換元件同時(shí)感受敏感元件的輸出量，并把它轉(zhuǎn)換成兩個(gè)性質(zhì)相同，但沿反方向變化的物理量（一般為電學(xué)量），如圖1.2所示。通過(guò)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行差動(dòng)放大。圖1.3是兩個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。
圖1.2 差動(dòng)式變換形式 圖1.3差動(dòng)式變換的應(yīng)用實(shí)例
由理論分析可知，差動(dòng)式變換與簡(jiǎn)單直接式變換相比有以下特點(diǎn)：有效輸出信號(hào)提高一倍，信噪比得到改善；非線性誤差減??；易于實(shí)現(xiàn)初始狀態(tài)（“零”輸入）的零輸出；能消除部分環(huán)境因素的影響。
（3）參比式變換
如圖1.4所示，參比式變換中采用兩個(gè)性能完全相同的檢測(cè)元件，它們同時(shí)感受環(huán)境條件量，但只有一個(gè)感受被測(cè)量。轉(zhuǎn)換電路的作用是將同時(shí)作用在二個(gè)檢測(cè)元件上的環(huán)境條件量的干擾信息除去，對(duì)被測(cè)量信息進(jìn)行放大。
采用參比式變換可以較好地消除干擾來(lái)源明確的環(huán)境條件量的影響。
（4）平衡（反饋）式變換
平衡式變換的原理框圖如圖1.5所示，敏感元件的輸出信號(hào)與反饋元件的輸出信號(hào)
在比較器進(jìn)行比較，其差值傳遞給轉(zhuǎn)換元件，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路和放大器后輸出。具有平衡式變換環(huán)節(jié)的儀表稱平衡式儀表，也稱閉環(huán)結(jié)構(gòu)式儀表.
圖1.5平衡式變換原理框圖
可以推出，變換環(huán)節(jié)的信號(hào)輸入輸出關(guān)系可近似為反饋系數(shù)的倒數(shù)。當(dāng)反饋系數(shù)比較穩(wěn)定時(shí)，整個(gè)變換環(huán)節(jié)就可以達(dá)到比較高的準(zhǔn)確度。根據(jù)敏感元件輸出信號(hào)
的不同，有力平衡式變換和力矩平衡式變換。根據(jù)平衡時(shí)比較器的輸入信號(hào)
和
之間是否有差值，有無(wú)差隨動(dòng)式變換和有差隨動(dòng)式變換之分。
2．檢測(cè)儀表中常見(jiàn)的信號(hào)變換方法
（1）位移與電信號(hào)的變換
很多敏感元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成位移，所以位移與電信號(hào)的變換是在敏感元件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步用轉(zhuǎn)換元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。常用的轉(zhuǎn)換元件有：
①霍爾元件 將霍爾元件置于非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中（一般為線性的），并與敏感元件自由端（產(chǎn)生位移端）相連。當(dāng)敏感元件的自由端產(chǎn)生位移，并帶動(dòng)霍爾元件時(shí)，由于霍爾元件所受磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而改變霍爾電勢(shì)。
②電容器 電容器由固定極板和動(dòng)極板組成，當(dāng)動(dòng)極板隨敏感元件自由端變化時(shí)，電容器的電容量隨之而變，從而把位移轉(zhuǎn)換成電容量。
③差動(dòng)變壓器 將敏感元件自由端與位于差動(dòng)變壓器骨架中間的鐵心相連，敏感元件自由端（也就是鐵心）的位移變化改變變壓器的互感系數(shù)，使變壓器副邊線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化。
此外還有電感器，光學(xué)方法等都能將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化。
（2）電阻與電壓的變換
電阻是一種很常見(jiàn)的敏感元件，電阻與電壓的變換較多地采用電橋，圖1.6是一個(gè)典型的不平衡電橋原理圖，其中敏感元件根據(jù)測(cè)量的目的和要求的不同可以是，
，
和
中的任何一個(gè)，或其中二個(gè)或全部四個(gè)。不同的接法和工作形式會(huì)導(dǎo)致不同的輸出，但最基本的電橋輸出電壓由下式?jīng)Q定（設(shè)
）
當(dāng)電橋?yàn)殡娏鬏敵觯M足負(fù)載電阻與電橋初始狀態(tài)等效電阻
相等時(shí)，流過(guò)負(fù)載電阻
的電流
為
(1.2)
式中為電橋的等效電動(dòng)勢(shì)，在數(shù)值上與式(1.1)的
相同。
根據(jù)初始狀態(tài)下各橋臂的阻值是否相等不平衡電橋分等臂電橋和不等臂電橋。根據(jù)橋臂的工作方式則有單臂工作、雙臂工作和四臂工作方式。單臂工作方式最簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，非線性誤差較大；雙臂工作和四臂工作的輸出信號(hào)較大，非線性誤差很?。ó?dāng)電壓輸出時(shí)非線性誤差為零）。
電橋輸出信號(hào)的大小與工作橋臂電阻的相對(duì)變化量，電源電壓成正比，所以提高電源電壓對(duì)提高電橋的靈敏度有好處，但會(huì)增加作為敏感元件的電阻上的消耗功率。另外電源電壓的變化會(huì)直接影響電橋的輸出。
當(dāng)電橋采用交流供電時(shí)，該電橋稱為交流電橋。交流電橋可用于帶感抗或容抗的敏感元件的測(cè)量。
（3）電容與電壓的變換
把電容量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)主要有四種方式：
①橋式電路 采用交流電橋方式，被測(cè)電容作為其中的一個(gè)橋臂。
②脈寬調(diào)制電路，如圖1.7所示，和
為差動(dòng)式被測(cè)電容，則電路的輸出
為
(1.3)
③運(yùn)算放大器電路，如圖1.8所示，為被測(cè)電容，放大器的輸出電壓為：
(1.4)
④諧振電路 采用如圖1.9所示的由L、、
構(gòu)成的諧振電路，可推得輸出電壓為
(1.5)
圖1.9 諧振電路
圖1.10常見(jiàn)的電壓－電流轉(zhuǎn)換電路
（4）電壓－電流的變換
如圖1.10所示，當(dāng)輸入電壓為時(shí)，輸出電流為
(1.6)
（5）電流－電壓的變換
圖1.11是常見(jiàn)的電流－電壓轉(zhuǎn)換電路，輸出電壓與輸入電流
之間的關(guān)系為
(1.7)
3．現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和在檢測(cè)儀表中的不斷應(yīng)用，檢測(cè)儀表的概念已發(fā)生了很大變化?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的各種檢測(cè)方法正日益得到廣泛的重視，其中包括軟測(cè)量技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、智能檢測(cè)技術(shù)和多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)等。
（1） 軟測(cè)量技術(shù)
軟測(cè)量（Soft-sensing）技術(shù)也稱為軟儀表（Soft Sensor）技術(shù)。其檢測(cè)原理為：利用易測(cè)的變量（常稱為輔助變量或二次變量―Secondary Variable），依據(jù)這些易測(cè)變量與難以直接測(cè)量的待測(cè)變量（常稱為主導(dǎo)變量－Primary Variable）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系（軟測(cè)量模型），通過(guò)各種數(shù)學(xué)計(jì)算和估計(jì)方法以軟件的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)變量的測(cè)量。
應(yīng)用軟測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的軟測(cè)量一般主要有輔助變量選擇、測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理、軟測(cè)量模型建模和軟儀表校正等四個(gè)步驟，其中軟測(cè)量模型的建模是核心步驟。
1）輔助變量的選擇 輔助變量的選擇包括變量的類型、數(shù)目和測(cè)點(diǎn)位置等三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的方面。由被測(cè)對(duì)象特性和待測(cè)變量特點(diǎn)決定，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可行性以及維護(hù)性等其他因素的制約。
輔助變量的選擇要基于對(duì)對(duì)象的機(jī)理分析和實(shí)際工況的了解。一般應(yīng)符合如下若干原則：① 適用性；② 靈敏性；③ 特異性；④ 準(zhǔn)確性；⑤ 魯棒性。
2）測(cè)量數(shù)據(jù)的處理 對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理是軟測(cè)量實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要方面， 因?yàn)檐泝x表的性能在很大程度上依賴于所獲測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。測(cè)量數(shù)據(jù)的處理一般包括測(cè)量誤差處理和測(cè)量數(shù)據(jù)變換兩部分。
3）軟測(cè)量模型的建模 表征輔助變量和主導(dǎo)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系稱為軟測(cè)量模型，它是軟儀表的核心。相應(yīng)地，構(gòu)造軟儀表的本質(zhì)就是如何建立軟測(cè)量模型，即一個(gè)數(shù)學(xué)建模問(wèn)題。
軟測(cè)量模型的建模方法多種多樣，且各種方法互有交叉和融合。在檢測(cè)和控制中常用的建模方法有：工藝機(jī)理分析、回歸分析、狀態(tài)估計(jì)、模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、過(guò)程層析成像、相關(guān)分析和現(xiàn)代非線性信息處理技術(shù)等。
4）軟儀表的校正 工業(yè)實(shí)際裝置在運(yùn)行過(guò)程中，隨著操作條件的變化，其對(duì)象特性和工作點(diǎn)不可避免地要發(fā)生變化和漂移。在軟測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，必須對(duì)軟儀表校正。由于軟測(cè)量模型是軟儀表的核心，因此對(duì)軟儀表進(jìn)行校正主要是對(duì)軟測(cè)量模型進(jìn)行校正。為實(shí)現(xiàn)軟測(cè)量模型在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中的自動(dòng)更新和校正，大多數(shù)軟測(cè)量系統(tǒng)均設(shè)置有一軟測(cè)量模型評(píng)價(jià)軟件模塊。該模塊先根據(jù)實(shí)際情況作出是否需要模型校正和進(jìn)行何種校正的判斷，然后再自動(dòng)調(diào)用模型校正軟件對(duì)軟測(cè)量模型進(jìn)行校正。
軟測(cè)量模型的校正主要包括軟測(cè)量模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模型參數(shù)修正兩方面。大多數(shù)情況下，一般僅修正軟測(cè)量模型的參數(shù)。若系統(tǒng)特性變化較大，則需對(duì)軟測(cè)量模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化（修正），為此需要大量的樣本數(shù)據(jù)和較長(zhǎng)的時(shí)間。
（2） 虛擬儀器技術(shù)
虛擬儀器（Virtual Instrument）是指在通用計(jì)算機(jī)上由用戶設(shè)計(jì)定義，利用計(jì)算機(jī)顯示器（CRT）的現(xiàn)實(shí)功能來(lái)模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以完成信號(hào)的采集、測(cè)量、運(yùn)算、分析、處理等功能的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。
虛擬儀器是利用圖形化編程語(yǔ)言（G語(yǔ)言）在計(jì)算機(jī)上開發(fā)的一種儀器。它結(jié)合了簡(jiǎn)單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境和靈活強(qiáng)大的編程語(yǔ)言，為使用者提供了一個(gè)直覺(jué)式環(huán)境。在LabVIEW開發(fā)平臺(tái)上，用戶可以根據(jù)自己的需求，隨心所欲的組織儀表的前面板，然后通過(guò)簡(jiǎn)單的連線操作，就可以組成一個(gè)檢測(cè)與控制系統(tǒng)。它徹底打破了傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備由廠家定義、用戶無(wú)法改變的模式，通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能化模塊結(jié)合起來(lái)，用戶可以通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)儀器，根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)自己的檢測(cè)系統(tǒng)。
（3） 智能檢測(cè)技術(shù)
智能檢測(cè)是以傳感器和計(jì)算機(jī)為核心，以硬件和軟件相結(jié)合構(gòu)成的新的檢測(cè)系統(tǒng)，通常包括測(cè)量、檢驗(yàn)、故障診斷、信息處理和決策、輸出等多方面內(nèi)容。由于智能檢測(cè)系統(tǒng)充分利用了人的智能，因而具有比傳統(tǒng)的測(cè)量更廣泛的意義，它可在最少人工參與條件下，獲得最佳和最滿意的結(jié)果，所以近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。智能檢測(cè)系統(tǒng)具有高度的靈活性、智能化數(shù)據(jù)處理、自檢查和故障自診斷、多信息數(shù)據(jù)融合等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通常傳感器不能勝任的檢測(cè)任務(wù)。
（4） 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)
基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)是由若干個(gè)傳感器和具有數(shù)據(jù)綜合和決策功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，以完成通常單個(gè)傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的測(cè)量。多傳感器融合就像人的大腦綜合處理信息一樣，它充分利用多傳感器資源，把多傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如可以增加檢測(cè)的可信度；降低不確定性；改善信噪比；增加對(duì)被測(cè)量的時(shí)間和空間覆蓋程度等。