现代检测技术

现代检测技术姓名：周慧慧学号：2012124056任课老师：冯晓明现代检测技术一、概述随着现代科学技术的不断发展、社会的日益进步，现代化生产的规模越来越大，管理的形式和方式趋于多样性，管理也更加科学，人们对产品的产量和质量的要求也越来越高，这就导致常规的检测参数、检测手段、检测仪表难以满足现代生产和生活的需求。从一般的单参数测量到相关多参数的综合自动检测，从一般的参数量值测量到参数的状态估计，从确定性测量到模糊的判断等，已成为当前检测领域中的发展趋势，正受到越来越广泛的关注，从而形成了各种新的检测技术和新的检测方法，这些技术和方法统称为现代检测技术。二、传感器的基本原理及检测技术的特点利用某种转换功能，将物理的、化学的、生物的等外界信号变成可直接测量的信号的器件称为传感器。由于电信号易于放大、反馈、滤波、微分、存储和远距离传输，加上计算机只能处理电信号，所以，从狭义上说，传感器又可以定义为可唯一而重视性好的将外界信号转换成电信号的元器件；从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为：①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类，基于化学反应的原理。③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。检测技术的特点可以归纳为：(1)从待测参数的性质看，现代检测技术主要用于非常见的参数的测量，对于这些参数的测量目前还没有合适的传感器对应，难以实现常规意义的“一一对应”的测量；另一种情况是待测参数虽已有传感器，但测量误差比较大，受各种因素的影响比较大，不能满足测量要求。(2)从应用的领域看，现代检测技术主要用于复杂设备、复杂过程的影响性能质量等方面的综合性参数的测量，如高速运动机械的故障分析、油品质量的检测、多相流系统中的流动参数的测量等。对于这样的被测对象或测量要求，很难用单一传感器来完成。(3)从使用的技术或方法看，现代检测技术主要利用了新型的传感技术或传感器。更多的利用了软技术，即通过对传感器输出的信号进行处理得到特征量；通过建立传感器的输出与待测量之间的模型；通过应用专业知识、数据库、规则等进行推理，根据被测量的信息获取待测量。三、现代检测中传感器的应用现代检测之中，应用到的传感器有各式各样的，各种功能应有尽有，其中最为普遍的要数光电传感器、温度传感器以及光纤传感器，下面就着重介绍这三种传感器。1、光电传感器的应用光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。现如今，应用最为广泛的要数发光二极管（LED）了，LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。另外，LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。再比如将接收器的放大器调制到发射器的调制频率，那么它就只能对以此频率振动的光信号进行放大。我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。将收音机调到某台，就可以忽略其他的无线电波信号。经过调制的LED发射器就类似于无线电波发射器，其接收器就相当于收音机。2、温度传感器的应用温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义.测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。目前，新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。温度测量应用非常广泛，不仅生产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控CPU的温度，马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等，温度是实际应用中经常需要测试的参数，温度传感器从钢铁制造到半导体生产，很多工艺都要依靠温度来实现，温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。3、光纤传感器的应用光纤传感器OFS在应用上分为传光型的和传感型的，顾名思义，前一种就是起到传输光的作用，传感元件要与光纤连在一起；后一种就是既有传输光的作用，又有传感作用。因为光纤传感器作为传感用有很多的应用，比如抗腐蚀，抗电磁干扰等，可以在复杂恶劣的环境下使用。作为传感用的光纤，原理上就是通过对传输光的偏振，强度，相位，波长，周期，频率等进行调制，通过检测器获得调制结果而进行传感的器件。因为当外界的环境变化时，比如说温度，应力、磁、声、压力、温度、加速度等都会对光纤的折射率分布等一些构造产生微小的影响，导致传输光的特性发生改变，通过探测这些改变而得到外界的变化，起到传感作用。至于应用方面就很广泛了，几乎可以应用到现在大多数电学传感器应用的领域了，比如安防，围界安全，输油管道安全实时监控等，其应用前景非常广泛。四、现代检测技术的发展近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统仪器仪表产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革。微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，目前已成功应用在硅器件上形成硅压力传感器（如上述EJX变送器）。微电子机械加工技术，包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、L1GA技术（X光深层光刻、微电铸和微复制技术）、激光微加工技术和微型封装技术等。MEMS的发展，把仪表的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。传感器和多通道检测仪表，在微电子技术基础上，内置微处理器，或把微传感器和微处理器及相关集成电路等封装在一起完成了数字化、智能化、网络化、系统化。多传感器数据融合技术正在形成热点，它不同于一般信号处理，也不同于单个或多个传感器的监测和测量，而是对基于多个传感器测量结果基础上的更高层次的综合决策过程。有鉴于传感器技术的微型化、智能化程度提高，在信息获取基础上，多种功能进一步集成以至于融合，这是必然的趋势。多传感器数据融合技术也促进了显示仪表技术的发展。多传感器数据融合的定义概括为：把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，降低其不确定性，获得对被测对象的一致性解释与描述，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性，使系统获得更充分的信息。其信息融合在不同信息层次上出现，包括数据层（像素层）融合、特征层融合、决策层（证据层）融合。由于它比单一传感器信息有如下优点，即容错性、互补性、实时性、经济性，所以数字压力表逐步得到推广应用。应用领域除军事外，还适用于自动化技术、机器人、海洋监视、地震观测、建筑、空中交通管制、医学诊断、遥感技术等方面。实例：自主神经系统功能的现代检测方法及应用自主神经系统是一个整体系统，也受中枢调控。自主神经纤维除了交感和副交感外，还发现了第三种纤维，即非交感非副交感纤维。交感和副交感神经对心律起着调控作用，二者相互拮抗，保持动态平衡；以适应整体的需要。任何一方的受损，造成自主神经系统功能(ANSF)衰竭(简称自衰，AutonomicFailure缩为AF)，都将导致机体的失衡.自衰的初期是隐性的，没有明显的临床症状和明确的体征，它可能始于轻微的迷走神经功能下降，由于自主神经系统的补偿机理，轻微的自衰可以潜伏若干年，待病情进展，临床表现明朗后，多数已呈不可逆状况，以致给病人带来极大的痛苦，甚至危及生命。因此，早期自衰的诊断，对预防和治疗自衰，控制自衰的进一进恶化，有着重要的临床意义。而自衰的早期诊断，有赖于自主神经系统功能测定方法的进步。自主神经系统功能的测定方法可粗分为经典的(即非计算机化的)和现代的(即计算机化的)方法。现代的方法已经历了几个发展阶段.本文从自衰的一般分类出发作一综述，回顾了测定自主神经系统功能的几种传统方法以及现代方法。提取心动周期信号中所含的自主神经系统功能信息的临床应用不只用于心血管临床，而且已用于众多的临床学科。1、自衰的一般分类1.1根据Bannister等的意见，自衰按发病原因可分为以下三类：①原发性的自衰；②继发性的自衰；③药物性自衰。1.2根据Robertson等的意见，按临床表现将自主神经系统功能衰退分为四类：①单纯性自衰((PAF)；②第二类叫多系统萎缩(MSA)性自衰；③先天性多巴胺β—羟化酶缺乏；④压力反射衰竭。2、自衰的检测方法自衰的检测方法可分为传统检测法和现代检测法。2.1传统检测法传统检测法根据自衰的病因和临床表现，加上一些临床经验来识别。下面介绍几种常见的方法：2.1.1呼吸检测法①检测呼吸时是否存在窦性心率不齐，若有则提示迷走传出通路损伤。②若在呼气时喘鸣，同时引起双手反射性血管收缩，则提示脊髓反射不正常。2.1.2血压和脉率检测法(即体位测量法)①在仰卧位测血压和脉率，然后头朝上倾斜60度时重复测量，该法通过脉率和血压随体位的变化情况，倾斜和站立时是否有体位性低血压来测试总的压力反射弧。②通过检测紧张时是否有低血压和心动过速，从而测试交感传出通路噪声引起大脑皮质兴奋；快速心算等等。若收缩压下降20mmHg，则自主神经损害的可能性大；若下降超过30mmHg，则可诊断为自衰。2.1.3瓦氏(Valsava)试验在深吸气后，受试者通过一根与气压计相连的管子吐气12s，多数人能维持30mmHg的压强。正常人持续吐气l0s，将引起心动过速，开始时血压降低，几秒钟后就停止下降，当不再吹气后将出现补偿性的心动过缓。而外周交感神经受损的病人就没有上述表现。2.2现代检测法现代检测法即用计算机数字信号处理方法，本法利用心动周期信号HPS(HeartPeriodSignal)作为分析对象，用心动周期变异性HPV(HeartPeriodVariability)来评价自主神经系统功能。目前，心动周期变异分析作为检测自主神经系统功能的无创的定量的方法，已应用于临床。其基本步骤是：①采集和记录人体的心电信号，设备包括传感系统，信号放大系统，记录仪。临床上用得最多的就是Holter记录仪。②进行R波的识别，对R波的识别是复杂的，方法也各不相同，有阈值法、求导法，我们实验室用的是数值求导及双重搜索技术，其设备包括A/D转换系统，计算机分析系统，数据输出系统。⑧计算逐次心跳的R-R间期，从而得到各种参数指标并进行分析。数字信号处理方法发展到现在，已经历了三个阶段，即：第一阶段是分析和利用心动周期信号的时域统计特征如标准差；第二阶段是分析和利用心动周期信号的谱特征如功率谱；第三阶段是分析和利用心动周期信号的混沌特征。2.2.1第一阶段是心动周期信号的标准差分析法第一阶段是心动周期信号的标准差分析法又叫时域法或数理统计法，主要利用一些时域参数如:R-R间期的标准差、差率、极差、变异系数等指标来衡量HPV的大小，从而判断自主系统功能的状态。具体算法概括起来有以下几类：2.2.1.1简易测量法计算某段时间内的窦性R-R间期的平均值，最大、最小间期的差值(极差)及其比值。极差和差率越大，HPV越大；反之，HPV越小，提示自主神经系统功能障碍。这是一种反映HPV的最简便的方法。目前的观点是：白天和夜间的平均心动周期减小或降低是HPV异常的表现，同时平均心动周期差值40ms为异常。该方法还用于测量瞬时刺激引起的HPV变化，用心跳骤增次数来衡量，即单位时间内心跳骤增次数，如在数分钟内心跳突然增加10次/分以上，且持续数次，则提示HPV异常。另外该法也可结合体位试验或呼吸运动做短时的心