2.2 检测系统的基本构成与分类
2.2.1 检测系统的基本构成
传感器检测（测量）系统是传感技术发展到一定阶段的产物。检测系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机组合。
检测系统规模大小及复杂程度与被测对象、被测量的多少、被测量的性质密切相关。检测系统的种类、型号繁多，用途、性能千差万别，但其作用都是用于各种被测量的检测。通常由各种传感器/变送器将被测物理/化学成分参量转换成电信号，然后经信号调理（信号转换、阻抗匹配、信号检波、信号滤波、信号放大等）、数据采集、信号处理后显示并输出（输出信号通常有4～20mA、经D/A转换和放大后的模拟电压、开关量、脉宽调制PWM、串行数字通信和并行数字输出等）。上述设备、系统所需要的交/直流稳压电源和必要的输入设备（如拨动开关、按钮、数字拨码盘、数字键盘等）组成了一个完整的检测系统，如图2-1所示。
图2-1 检测系统构成框图
测量部分：用来传输数据。当检测系统的几个功能环节独立分隔开时，则必须由一个地方向另一个地方传输数据，数据测量部分就是完成这种传输功能的。
传感器：完成检测过程中信息采集。检测时一般将被测信息由传感器转换成电信号，即把被测信号转换成电压、电流或电路参数（电阻、电感、电容）等电相关信号输出。传感器是感受被测量的大小并输出相对应的可用电输出信号的器件或装置。
信号调节与转换装置：传感器的输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换装置将其放大或变换为容易传输、处理，可以存储、记录和显示，功率足够，具有驱动能力的形式。半导体器件与集成技术在传感器中的应用，使得传感器信号调节与转换装置可安装在传感器壳体里或与敏感元件集成在同一芯片上。
数据处理和分析：将传感器输出信号进行处理和分析。如对信号进行放大、运算、滤波、线性化、数/模（D/A）转换或模/数（A/D）转换，转换成另一种参数信号或某种标准化的统一信号等，使其输出信号便于显示、记录，也可与计算机系统连接，以便对测量信号进行信息处理或用于系统的自动控制。数据处理装置由数据分析仪、频谱分析仪、计算机等完成信号的处理和分析，找出被测信息的规律，为研究和鉴定工作提供有效依据，为控制提供信号。
输出设备：通常是显示及记录装置，包括显示器、指示器和记录仪，用于完成信号的显示和记录。数据显示将被测量信息变成人感觉官能接受的形式，以实现监视、控制或分析目的。测量结果可以采用模拟显示，也可以采用数字显示，并可以由记录装置进行自动记录或由打印机将数据打印出来。
简言之，测量系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机组合。
实际检测系统不一定需要图2-1中的所有部分，需要根据误差理论、检测具体任务合理设计、科学组建检测系统，以正确使用各种检测工具、设备和检测方法，正确地进行测量。
2.2.2 检测系统的分类
简单的检测系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将温度变化转化为液面示值，没有电量转换和分析电路，很简单，但精度低，无法实现测量自动化。
为提高测量精度和自动化程度，便于和其他环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出，如噪声计、酒精测量仪、电子温度计等。
根据检测系统里是否含有反馈通道，将检测系统分为开环检测系统和闭环检测系统。
1.开环检测系统
系统中将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程，就是反馈。
如果检测系统的输出端与输入端之间不存在反馈，即系统输出量对系统的控制不产生任何影响（或系统输入不受输出影响），则系统称为开环检测系统。与闭环检测系统相对，开环检测检测系统中，不存在由输出端到输入端的反馈通路，又称无反馈系统。
开环检测系统检测信息仅由被测端单向传输到显示端，系统中全部信息变换只沿着一个方向进行，只对测量结果进行监测或记录，不对被测对象进行控制，如图2-2所示。
图2-2 开环检测系统构成框图
图中，x为输入量，y为输出量，k1、k2、k3为各环节的传递系数。输入与输出关系为
y=k1·k2·k3·x=Kx （2-1）
即开环检测系统的传递系数K为各个环节传递系数之积。
开环方式构成的测量系统，结构比较简单，同时成本低，但各环节特性的变化都会造成测量误差。开环系统适用于简单的系统，没有反馈环节，响应时间较长。
2.闭环检测系统
闭环检测系统中，检测信息由被测端传输到显示端时，有两个通道，一个为正向通道，另一个为反馈通道，其构成框图如图2-3所示。
图2-3 闭环检测系统构成框图
图中，Δx为正向通道的输入量，β为反馈环节的传递系数，正向通道的总传递系数k=k2·k3。由图2-3可知：
Δx=x1-xf （2-2）
xf=βy （2-3）
y=kΔx=k（x1-xf）=kx1-kβy （2-4）
当k>>1时，则
由式（2-6）可知，整个系统的输入与输出关系由反馈环节的特性决定，放大器等环节特性的变化不会造成测量误差，或者说造成的误差很小。
由上述分析可知，构成测量系统时，应将开环系统与闭环系统巧妙地组合在一起加以应用，才能实现期望的目的。
2.2.3 检测系统实例
日常生活中开环检测控制系统有普通电热水壶、普通台灯、普通电磁炉、电子体温计等；闭环检测控制系统有电饭煲、空调、智能电热水壶等。
1.开环检测系统实例
电子体温计是新一代既安全又实用的温度计，不用担心传统水银体温计玻璃破碎而引起水银中毒等不良后果，且能在短时间内准确测出体温，精度达0.1℃，可用于口腔量法、腋下量法及直肠量法。与传统水银体温计相比，其不足在于体温计准确度受电子元件、电池供电状况及磁场等因素影响。
电子体温计由感温头、量温棒、显示屏、开关、按键以及电池盖组成。利用温度传感器输出数字信号，然后通过显示器（如液晶、数码管、LED矩阵等）显示以数字形式的温度，能记录、读取被测温度的最高值。
电子体温计最核心元件是NTC热敏电阻。传感器分辨率±0.01℃，精确度±0.02℃，反应速度小于2.8s，电阻年漂移率小于或等于0.1（相当于小于0.025℃）。电子体温计构成框图如图2-4所示。
图2-4 电子体温计构成框图
2.闭环检测系统实例
智能电热水壶工作原理包括加热和保温两部分。
（1）加热。瓶内注水，插上电源，超温保险器、主加热器、保温加热器构成回路，加热指示灯亮。由于温控器并联于保温加热器和保温指示灯两端，因而保温加热器不发热，保温指示灯也不亮。接通电源后主加热器发热升温，当水温达到沸腾温度时，超温保险器自动跳开，加热指示灯熄灭。
（2）保温。一旦测温装置获得水温高于设定温度，保温指示灯亮，此时主加热器与保温加热器串联，而主加热器的电阻远比保温加热器小，所以保温加热器发热，进行保温。智能电热水壶构成框图如图2-5所示。
图2-5 智能电热水壶构成框图
请读者自行查阅空调的构成框图及工作原理。