现代化检测技术的应用与发展
The application and development of modern
testing technology
【摘要】
自动检测技术是现代化领域中发展前景十分广阔的一门新兴技术，是将生产、科研、生活等方面的相关信息通过选择合适的检测方法与装置进行检查测量，以发现事物的规律性。随着社会经济的发展，自动检测技术不断进步，在机械制造、化工、电力、汽车、航空航天以及军事等领域有着不可或缺的作用，是自动化技术的四个支柱之一。
【关键词】 自动检测 传感器 数据处理 信号转换
【正文】
一、关于自动检测技术的基础知识
自动检测技术是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。其任务是寻找与自然信息具有对应关系的各种表现形式的信号，以及寻求最佳的采集、转换、处理、传输、存储、显示等方法和相应的设备。
信息采集是指从自然界诸多被检查与测量的量中提取所需要的信息。
信息转换是指将所提取出的有用信息向电量、幅值、功率等形式转换。
信息处理的任务是根据输出环节的需要，将转换后的电信号进行数字运算（求均值、极值等）以及模拟量、数字量转换等处理。
信息传输的任务是在排除干扰的的情况下经济地、准确无误地吧信息进行传输。
二、自动检测技术的核心—自动检测系统
自动检测系统是自动测量、自动计量、自动保护、自动诊断、自动信号等诸多系统的总称，其原理图如下所示：
图1.自动检测系统框图
自动系统一般由传感器、信号处理器、显示器、数据处理装置和执行机构等五部分构成。下面介绍每个部分的功能：
① 传感器：传感器（sensor）是指一个能将被测的非电量转换成电量的敏感元件，是连接北侧对象和检测系统的接口。通过它人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制。其类型主要有温度传感器、光电传感器、磁敏传感器、压电传感器等，因其可以改革生产力、提高功效和时效而被应用与许多领域。为应对不同环境的变化，现如今新
型的传感器依旧在不断涌现。
② 信息处理器：信息处理器（message handler）输功能信号（如电压、电流等）的元件，以推动后级的数据处理装置、显示电路以及执行机构。其作为系统的指令部分，计算机中得CPU即实现此功能。
③ 显示器：显示器（indicator）包括模拟显示、数字显示、图像显示、以及记录仪四类。其中，模拟显示利用指针在标尺上的相对位置来表示读数，常见的有毫伏表、微安表、模拟光柱等。数字显示多采用发光二极管（LED）和液晶显示器（LCD）,以数字的形式来显示读数。图像显示用CRT来显示被测参数的变化曲线。记录仪主要用来巨鹿被测对象的动态变化过程。
④ 数据处理装置：数据处理装置（data processing equipment）是用来对测试所得的实验数据进行处理、运算、分析，对动态测试结果作频谱分析（如幅值谱分析、功率谱分析等）和相关分析等，并且完成该过程必须采用计算机技术。其处理结果通常被送至显示器与执行机构中去。
⑤ 执行机构：执行机构（actuator）通常是指各种接触器、电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等 ，它们在电路中起通断、控制、调节和保护等作用的电器设备。许多检测系统能输出与被测量有关的电流或电压信号，作为自动控制的信号来驱动这些执行机构。
三、自动检测技术的应用
人类在早期从事生产活动时就已经开始对长度、面积、时间和质量进行测量了，其最初的计量单位与自身生理特点（如长度）或者与自然环境（如时间）相联系。然而现代社会中，工程技术中得研究对象往往十分复杂，必须依靠研究实验才能解决。自动检测技术已经成为发达国家热门的技术之一，给人们带来巨大的生产效益，促进科学技术飞跃发展。在国防科技中自动检测技术尤为重要，许多自动检测技术都是随着国防科研的需要而发展起来的。在人们日常生活中更不用说，如煤气泄漏自动报警装置、空气温湿度检测装置等。该技术已经渗透到各行各业的方方面面。下面就介绍其在生活中中一些具体应用：
1. 气体及烟雾的检测。
工业上天然气、煤气、石油化工等行业的易燃、易爆、有毒、有害气体需要监测、预报和自动控制，这一过程主要依靠气体传感器来实现。最早气体的检测用于可燃性气体、用于防灾、保证生产安全，后来逐步推广应用于有毒有害气体、管道检漏、环境监测以及工业过程的检测等。生活中对可燃气体的检测主要用到表面控制型气体传感器，工作原理为当表面吸附气体时，气体与半导体材料进行电子交换，导致N型半导体材料的表面空间电荷区域的电子减少，从而电导率降低，这样器件就处于高阻状态。测量时，器件与被测气体接触，发生反应致使氧吸附的几个电子释放出来导致器件表面导电增强，从而器件电阻变小。这一过程通过一个电路以电流或电压的形式表示出来就可以知道气体浓度的变化情况。
2. 机车信号车上设备自动检测。
随着高速、重载列车的开行，机车信号将逐步取代地面信号成为主体信号在机车运行中起越来越重要的作用。由于人工完成设备检测难免出现漏检等情况，故自动检测系统是必须的一个工具。其原理图如下所示：
图2. 自动检测系统主机框图 图3. 车上分机结构框图
机车进入测试环线后，自动检测系统立即通过分机对机车信号灯光电路进行取样判断，系统自动进入检测状态，向地面主机发送机车代码，只要主机在空闲状态，就可向该机车发出检测指令。这时检测分机将取样信号灯光、机车电源电压、感应线圈电压等信息的模拟量转换成数字信号，并通过无线装置传输给主机。主机接到机车发送的信息后，与机车环线发码台发送的信息进行对比分析，判断出机车信号设备的状态，从而达到自动检测的目的。测试完成后主机向机车发送终止命令，停止自动检测，同时对测试结果进行记录。如果发现设备有故障，系统将给出报警信号。
3. 泄漏电缆自动检测。
泄漏同轴电缆是一种不完全屏蔽的同轴电缆，电磁波可在其导向结构中纵向传播，可将受控的电磁波能量沿线路均匀的辐射出去以及接受进来，实现对电磁场盲区的覆盖，以达到特殊环境通信畅通的目的。由于包装、运输以及贮藏过程中的不确定因素，需要对其耦合损耗进行测试。只要通过对电缆外部的电磁场的测量与计算，便可测得泄漏电缆的传输损耗。其原理图示如下：
图4.泄漏电缆检测系统
图中A为基台信号源，B为同轴泄漏电缆，C为远程控制中心，D为移动监测平台。d 1~n为等距离检测点，L2为传输损耗，L1为耦合损耗。通过移动平台对检测点得场强进行测量得到n组数据：（d1，E1）~（dn，En）。泄漏电缆的传输机理决定了场强E随纵轴距离d的变化成线性函数关系：
E = E o —L2d
式中： 为直线段斜率 ， 等同于漏泄电缆的传输衰减， 按最小二乘法可得。漏泄电缆检测结果与检测位置密切相关， 而传统的检测系统采用的码盘测速经常丢失脉冲而降低测距精度， 影响实验结果。检测结束后， 主控器将所测位移与检测到的场强数据一一对应 ， 并发送至地面控制中心， 采用一种新的无线通信方法， 使得数据能够在磁区进行通信， 而不影响实验结果。
关于自动检测技术的应用可以说是设计生活的方方面面，当然新的自动检测技术还在不断涌现，具有十分广阔的发展前景。
四、自动检测技术的发展
检测技术渗透到各个学科领域，由于科学和技术的发展，自动化程度越来越高，因而对自动检测系统的要求也越来越高，这促使检测系统不断小型化、一体化以及智能化。其现代发展方向主要有四个方面：
（1）不断提高检测检测系统的测量精度、可靠性、稳定性、抗干扰性以及使用寿命。例如超精度的“在线检测“要求精度小于0.1微米。对传感器故障率的数学模型和计算方法的研究大大提高了检测系统的可靠性。为了使检测装置在各种复杂的条件下都能可靠地工作，要求研制的检测系统具有较高的抗干扰能力和较长的使用寿命。
（2）检测系统趋于小型化、集成化、多维化以及智能化。
（3）应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域的应用。检测原理大多以各种物理效应为基础。近代物理学的发展、仿生学的研究、仿造生物感觉功能的新型传感器的开发使得检测技术的应用更为广阔，不仅工业部门，而且涉及工程、海洋开发、航空航天等尖端科学技术领域。
（4）网络化传感器以及检测系统逐步发展。即通过局域网、互联网等实现异地数据交换和共享，从而实现远程调试、诊断、数据采集以及实时操作，这些构成网络化的检测系统。
总的来说自动检测技术在各个领域的应用已经取得瞩目的进步，并且还有更多的发展空间。
五、思考
虽然现代检测技术可以说是十分发达，然而还有进步空间。自然界中许多生物有着超乎寻常的敏感度，比如狗的嗅觉，鸟的视觉，蝙蝠、海豚的听觉都高出人类许多。在电力、石油、化工等行业运行时我们是否可以做到像动物一样敏感呢？在问题发生的开始就发现进而将其解决，即所谓早期诊断与防御。而不是等问题影响到程序的运作了才解决。所以我觉的仿生传感器的研究是值得一试的，将使检测技术更上一个台阶。
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