第15章檢測系統設計

第15章檢測系統設計本章要點1.檢測技術設計的思維方法和技巧2.利用檢測技術解決日常生活發生的事件學習要求1.掌握所學傳感器的應用技巧2.了解傳感器的創新應用方法3.通過傳感器的創新應用，培養創新意識自動檢測系統設計方法在實際應用中，檢測技術需要根據檢測要求，進行檢測方案的設計。常規應用比較簡單，主要考慮的是，在滿足檢測技術指標要求的前提下，選擇價格合適的傳感器，設計相應的檢測電路，或者直接選擇變送器。如速度檢測選擇速度傳感器或變送器，液位檢測選擇液位傳感器或變送器等。但是，目前許多實際問題的解決往往不能找到現成的傳感器或變送器，這就需要利用現有的傳感器進行創新設計。檢測技術創新設計的一般步驟

（1）系統需求分析：是根據實際檢測系統的需求確定檢測系統的研制任務，編制研制要求，確定被測對象的主要檢測指標。（2）系統總體方案設計：是根據研制要求確定系統硬件構型、軟件平臺、軟件開發環境、研制策略等問題，討論總體技術方案，研究系統中的關鍵技術問題。(3)硬件設計：是根據所有被測對象測試需求，歸納分析出系統的硬件測試資源的需求情況，確定硬件設計原則和設計規范，確定陣列接口信號定義與說明。（4）硬件系統集成：是將所有測試資源連接安裝起來，在軟件平臺及儀器驅動程序的支持下進行硬件集成，要求所有測試資源工作正常，程控資源控制準確可靠，儀器性能指標滿足要求。(5)軟件設計：是對整個檢測系統的軟件進行分析和評估，并合理劃分軟件功能和結構，制定檢測程序開發要求，對檢測軟件進行概要設計和詳細設計，編制軟件設計文檔。（6）軟件調試與集成：在軟件平臺和儀器驅動程序的支持下編寫程序代碼，并在儀器驅動程序仿真狀態進行程序調試。(7)硬件和軟件系統集成：是將硬件系統和軟件系統集成在一起進行聯調，這個階段必須對每個被測對象測試程序進行逐項試驗，并進行驗收試驗。(8)系統維護：驗收試驗后的檢測系統可交付使用方試用和使用，研制方的后續工作就是根據試用和使用情況對檢測系統進行維護和修改完善。設計案例——司機瞌睡監測提醒裝置

1．問題的提出目前我國長途載貨汽車經常發生事故，有的與其他車輛相撞，有的翻車，造成國家集體財產的損失和人員的傷亡。這種現象主要是由于載貨汽車司機疲勞開車所致。如何避免這類交通事故的發生?2．問題的分析

可以采用檢測手段，監測司機開車的疲勞狀態，提醒其注意。這方面有沒有研究或應用的技術？——調研結果表明，國內曾經應用的成果是耳掛式司機瞌睡提醒器。司機瞌睡提醒器其工作原理是：司機正常時，兩眼目視前方，頭部挺直，水銀開關處于斷開狀態，不報警；司機瞌睡時，頭部下垂，水銀開關接通，使報警器工作。

3．設計方案

是否有更好的解決辦法?選用什么種類的傳感器?應變電阻傳感器是否可以用于監測司機的疲勞狀態?應變電阻傳感器的測量參數是應變力，如何將司機疲勞狀態用應變來反映?

方案1：將應變電阻片緊貼在司機的脖子上，當司機疲勞瞌睡時，頭部突然下垂，腦后脖子肌肉伸長，引起應變電阻的變化，從而可以監測司機的疲勞狀態。為了解決司機頭部正常運動引起的誤報警問題，可以利用微分電路檢測信號的動態變化。應變電阻傳感器檢測司機瞌睡的示意圖

上述設計方案從原理上是可行的，但在實際使用中，要將應變片貼在脖子上，這是很不方便的。如何解決這個問題?

方案2：可以做一個脖套，將應變傳感器貼在脖套上。如圖所示。脖套太大，不起作用，脖套太小會造成司機呼吸不暢，因此該方案不可取。脖套式司機瞌睡報警器

方案3：根據古人的提示，可以將一根稍有彈性的繩子鉤在司機的衣領上，在繩子的末端貼上應變傳感器。掛鉤式司機瞌睡報警方案示意圖1．問題的提出

在跳遠的過程中，由于運動員的速度很快，裁判員僅靠肉眼觀察運動員是否踩線犯規，容易造成誤判。下面介紹的這種檢測器能很精確地測量運動員是否犯規。設計案例——跳遠犯規檢測器跳遠犯規檢測示意圖跳遠犯規檢測電路原理圖2．設計方案1．問題的提出醫院里用的靜脈輸液器裝置，每當容器中液體接近滴完時，護士、病人或家屬都要隨時觀察液體的進度，以防液體滴完，空氣進入血管。現在通過設計一種安全輸液報警器，使其在液體接近滴完時，發出嗚叫聲，提醒護士，達到為病人安全輸液的目的。設計案例——安全輸液報警器

做一個外殼，在外殼上安裝報警電路，報警喇叭，外殼兩端分別安裝掛鉤，用來固定外殼和輸液瓶，外殼兩端的掛鉤上分別與兩個鋼片相連，在鋼片上貼電阻式應變片。隨著瓶內液體的不斷減少，鋼片受力變形不斷減小，應變片也受力變形不斷減小，當鋼片變形到一定程度(基準值)時，控制電路發生警報聲。傳感器檢測示意圖電路原理框圖

1．問題的提出

在各類人為破壞和非法入侵案件中，罪犯以強制手段破壞或打破玻璃門窗而侵入室內作案的情況占有相當大的比例，因此研制出能夠監測玻璃破碎的監測系統，在防破壞、防盜報警中具有非常重大的應用價值。玻璃破碎監測系統可監測當玻璃破碎時發出的聲音，可適用于對樓宇、大廈、賓館、住宅、珠寶金店、銀行等需要監測到玻璃破碎就報警的各種場合。

設計案例——玻璃破碎監測系統2．設計方案當入侵者試圖打碎玻璃實施犯罪時，總會引起地面、墻壁、門窗、保險柜等發生振動，可以采用壓電傳感器、電磁感應傳感器或其他可感受振動信號的傳感器，來感受入侵時發生的振動信號。1．問題的提出

“真空度”顧名思義就是真空的程度，是真空泵、微型真空泵、微型氣泵、微型抽氣泵、微型抽氣打氣泵等抽真空設備的一個主要參數。真空度是用壓強單位來表示的，一般是通過測量壓力或壓力差的辦法來測量，如常用的測量真空度的真空壓力表、真空規、U型管真空計等。這些測量方法簡單、迅速、測量結果直觀，但測量精度不是很高。為了提高測量的精度，使測量結果更可靠，可以考慮采用其他間接測量的方法。設計案例——熱電阻真空度測量裝置2．問題的分析氣體的換熱方式有三種：對流、輻射、熱傳導。在低真空下，氣體換熱主要是熱傳導。分子密度大(真空度低)，傳走熱量就多；分子密度小(真空度高)，傳走熱量就少。這樣便可以通過測量傳熱量來測量真空度，利用此原理可以制成熱電阻真空度測量儀。3．設計方案把鉑電阻絲裝入與介質相通的玻璃管內，鉑電阻絲由較大的恒定電流加熱，當環境溫度與玻璃管內介質導熱而散失的熱量相平衡時，鉑絲就有一定的平衡溫度，此時對應有一定電阻值。當被測介質的真空度升高時，玻璃管內的氣體變得稀少，即導熱系數減小，原溫度不易散失，鉑絲的平衡溫度和電阻值隨即增大，其大小反映了被測介質真空度的高低。鉑電阻真空度測量電路1．問題的提出

閱讀時，人們經常需要使用可調光臺燈提供合適的光照強度，這對于保護視力有很大幫助。但是大多數人并不清楚什么樣的光照強度是最合適的。因而，設計一種能夠自動檢測光照強度并能自動調光的裝置，對保護眼睛視力很有意義。設計案例——臺燈照度檢測及自動調光裝置

2．設計方案

光照度檢測及自動調光臺燈采用光敏電阻作為光照檢測傳感器，安裝在臺燈底座上方。在使用中，光敏傳感器自動測量臺燈燈光覆蓋區域內的光照度，同時可以根據內部設置的默認的發光亮度參數，對臺燈的白熾燈發光亮度自動進行調節。通過自動調光方式，還可以有效地節省電能。

3．工作原理

光照度檢測與自動調光臺燈是在一般調光臺燈基礎上增設了光敏電阻傳感器、測量轉換電路、微控制器(MCU)、晶閘管及其觸發電路等。臺燈光照檢測示意圖光照檢測及調光控制示意圖

檢測系統設計實例----近紅外檢測小麥水分含量1)系統目標系統目標是建立近紅外光譜品質檢測系統，包括近紅外光譜采集硬件系統和近紅外光譜分析軟件系統。其功能是快速、準確地檢測樣品的品質。2)系統總體方案設計系統總體方案采用框圖如上圖所示的。框圖采用典型的PC總線檢測系統構成形式。3)硬件系統設計近紅外光譜品質檢測硬件系統簡單硬件可以自己設計和集成。像近紅外、高光譜這類精密儀器需要購買，一般價格在40萬以上。4)軟件系統設計系統開發環境采用WindowsXP；開發工具為VisualC++6.0。每一個功能模塊均建立獨立的C++類，并封裝為動態鏈接庫(DLL)，方便維護與升級。采用ThermoGalactic公司的GRAMS/32V6(try_gala.exe)軟件提供的50個小麥樣品光譜數據和水分百分含量數據，將該50個樣品隨機選出40個作為校正集，余下的10個作為預測集。如將校正集40個樣品，使用線性的PLS-NIR定量分析方法對水分含量建模，預測值與標準值的相關系數R、預測誤差均方