1．检测仪表的信号变换
检测仪表中信号变换是非常重要的一个环节，合理地设计信号变换环节对提高仪表的准确度和可靠性有重要意义。信号变换按结构形式来分主要有：简单直接式变换、差动式变换、参比式变换和平衡（反馈）式变换。
（1）简单直接式变换
简单直接式变换的结构形式如图1.1所示。图1.1（a）是最简单的信号变换，敏感元件的输出一般应是电学量，转换电路的作用是电信号的放大或电信号间的转换。图1.1（b）中的敏感元件的输出一般是非电的中间物理量。转换元件将该物理量转换成电学量。
图1.1 简单直接式变换形式
简单直接式变换仪表是一种开环式仪表，结构简单，工作可靠，但仪表的准确度较低，信息能量传递效率较低。
（2）差动式变换
差动式变换是采用两个转换元件同时感受敏感元件的输出量，并把它转换成两个性质相同，但沿反方向变化的物理量（一般为电学量），如图1.2所示。通过转换电路进行差动放大。图1.3是两个典型的应用实例。
图1.2 差动式变换形式 图1.3差动式变换的应用实例
由理论分析可知，差动式变换与简单直接式变换相比有以下特点：有效输出信号提高一倍，信噪比得到改善；非线性误差减小；易于实现初始状态（“零”输入）的零输出；能消除部分环境因素的影响。
（3）参比式变换
如图1.4所示，参比式变换中采用两个性能完全相同的检测元件，它们同时感受环境条件量，但只有一个感受被测量。转换电路的作用是将同时作用在二个检测元件上的环境条件量的干扰信息除去，对被测量信息进行放大。
采用参比式变换可以较好地消除干扰来源明确的环境条件量的影响。
（4）平衡（反馈）式变换
平衡式变换的原理框图如图1.5所示，敏感元件的输出信号与反馈元件的输出信号
在比较器进行比较，其差值传递给转换元件，通过转换电路和放大器后输出。具有平衡式变换环节的仪表称平衡式仪表，也称闭环结构式仪表.
图1.5平衡式变换原理框图
可以推出，变换环节的信号输入输出关系可近似为反馈系数的倒数。当反馈系数比较稳定时，整个变换环节就可以达到比较高的准确度。根据敏感元件输出信号
的不同，有力平衡式变换和力矩平衡式变换。根据平衡时比较器的输入信号
和
之间是否有差值，有无差随动式变换和有差随动式变换之分。
2．检测仪表中常见的信号变换方法
（1）位移与电信号的变换
很多敏感元件将被测量转换成位移，所以位移与电信号的变换是在敏感元件的基础上进一步用转换元件来实现。常用的转换元件有：
①霍尔元件 将霍尔元件置于非匀强磁场中（一般为线性的），并与敏感元件自由端（产生位移端）相连。当敏感元件的自由端产生位移，并带动霍尔元件时，由于霍尔元件所受磁场强度的变化而改变霍尔电势。
②电容器 电容器由固定极板和动极板组成，当动极板随敏感元件自由端变化时，电容器的电容量随之而变，从而把位移转换成电容量。
③差动变压器 将敏感元件自由端与位于差动变压器骨架中间的铁心相连，敏感元件自由端（也就是铁心）的位移变化改变变压器的互感系数，使变压器副边线圈的感应电动势发生变化。
此外还有电感器，光学方法等都能将位移量转换成电信号的变化。
（2）电阻与电压的变换
电阻是一种很常见的敏感元件，电阻与电压的变换较多地采用电桥，图1.6是一个典型的不平衡电桥原理图，其中敏感元件根据测量的目的和要求的不同可以是，
，
和
中的任何一个，或其中二个或全部四个。不同的接法和工作形式会导致不同的输出，但最基本的电桥输出电压由下式决定（设
）
当电桥为电流输出，并满足负载电阻与电桥初始状态等效电阻
相等时，流过负载电阻
的电流
为
(1.2)
式中为电桥的等效电动势，在数值上与式(1.1)的
相同。
根据初始状态下各桥臂的阻值是否相等不平衡电桥分等臂电桥和不等臂电桥。根据桥臂的工作方式则有单臂工作、双臂工作和四臂工作方式。单臂工作方式最简单，但输出信号较小，非线性误差较大；双臂工作和四臂工作的输出信号较大，非线性误差很小（当电压输出时非线性误差为零）。
电桥输出信号的大小与工作桥臂电阻的相对变化量，电源电压成正比，所以提高电源电压对提高电桥的灵敏度有好处，但会增加作为敏感元件的电阻上的消耗功率。另外电源电压的变化会直接影响电桥的输出。
当电桥采用交流供电时，该电桥称为交流电桥。交流电桥可用于带感抗或容抗的敏感元件的测量。
（3）电容与电压的变换
把电容量转换成电压信号主要有四种方式：
①桥式电路 采用交流电桥方式，被测电容作为其中的一个桥臂。
②脉宽调制电路，如图1.7所示，和
为差动式被测电容，则电路的输出
为
(1.3)
③运算放大器电路，如图1.8所示，为被测电容，放大器的输出电压为：
(1.4)
④谐振电路 采用如图1.9所示的由L、、
构成的谐振电路，可推得输出电压为
(1.5)
图1.9 谐振电路
图1.10常见的电压－电流转换电路
（4）电压－电流的变换
如图1.10所示，当输入电压为时，输出电流为
(1.6)
（5）电流－电压的变换
图1.11是常见的电流－电压转换电路，输出电压与输入电流
之间的关系为
(1.7)
3．现代检测系统的设计
随着计算机技术的发展和在检测仪表中的不断应用，检测仪表的概念已发生了很大变化。基于计算机技术的各种检测方法正日益得到广泛的重视，其中包括软测量技术、虚拟仪器技术、智能检测技术和多传感器数据融合技术等。
（1） 软测量技术
软测量（Soft-sensing）技术也称为软仪表（Soft Sensor）技术。其检测原理为：利用易测的变量（常称为辅助变量或二次变量―Secondary Variable），依据这些易测变量与难以直接测量的待测变量（常称为主导变量－Primary Variable）之间的数学关系（软测量模型），通过各种数学计算和估计方法以软件的形式实现对待测变量的测量。
应用软测量技术实现过程参数的软测量一般主要有辅助变量选择、测量数据预处理、软测量模型建模和软仪表校正等四个步骤，其中软测量模型的建模是核心步骤。
1）辅助变量的选择 辅助变量的选择包括变量的类型、数目和测点位置等三个相互关联的方面。由被测对象特性和待测变量特点决定，同时在实际应用中还应考虑经济性、可靠性、可行性以及维护性等其他因素的制约。
辅助变量的选择要基于对对象的机理分析和实际工况的了解。一般应符合如下若干原则：① 适用性；② 灵敏性；③ 特异性；④ 准确性；⑤ 鲁棒性。
2）测量数据的处理 对测量数据的处理是软测量实现的一个重要方面， 因为软仪表的性能在很大程度上依赖于所获测量数据的准确性和有效性。测量数据的处理一般包括测量误差处理和测量数据变换两部分。
3）软测量模型的建模 表征辅助变量和主导变量之间的数学关系称为软测量模型，它是软仪表的核心。相应地，构造软仪表的本质就是如何建立软测量模型，即一个数学建模问题。
软测量模型的建模方法多种多样，且各种方法互有交叉和融合。在检测和控制中常用的建模方法有：工艺机理分析、回归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络、模糊数学、过程层析成像、相关分析和现代非线性信息处理技术等。
4）软仪表的校正 工业实际装置在运行过程中，随着操作条件的变化，其对象特性和工作点不可避免地要发生变化和漂移。在软测量技术的应用过程中，必须对软仪表校正。由于软测量模型是软仪表的核心，因此对软仪表进行校正主要是对软测量模型进行校正。为实现软测量模型在长时间运行过程中的自动更新和校正，大多数软测量系统均设置有一软测量模型评价软件模块。该模块先根据实际情况作出是否需要模型校正和进行何种校正的判断，然后再自动调用模型校正软件对软测量模型进行校正。
软测量模型的校正主要包括软测量模型结构优化和模型参数修正两方面。大多数情况下，一般仅修正软测量模型的参数。若系统特性变化较大，则需对软测量模型的结构进行优化（修正），为此需要大量的样本数据和较长的时间。
（2） 虚拟仪器技术
虚拟仪器（Virtual Instrument）是指在通用计算机上由用户设计定义，利用计算机显示器（CRT）的现实功能来模拟传统仪器的控制面板，以完成信号的采集、测量、运算、分析、处理等功能的计算机仪器系统。
虚拟仪器是利用图形化编程语言（G语言）在计算机上开发的一种仪器。它结合了简单易用的图形式开发环境和灵活强大的编程语言，为使用者提供了一个直觉式环境。在LabVIEW开发平台上，用户可以根据自己的需求，随心所欲的组织仪表的前面板，然后通过简单的连线操作，就可以组成一个检测与控制系统。它彻底打破了传统检测设备由厂家定义、用户无法改变的模式，通过应用程序将计算机与功能化模块结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器，根据自己的需求设计自己的检测系统。
（3） 智能检测技术
智能检测是以传感器和计算机为核心，以硬件和软件相结合构成的新的检测系统，通常包括测量、检验、故障诊断、信息处理和决策、输出等多方面内容。由于智能检测系统充分利用了人的智能，因而具有比传统的测量更广泛的意义，它可在最少人工参与条件下，获得最佳和最满意的结果，所以近年来得到了广泛的关注和发展。智能检测系统具有高度的灵活性、智能化数据处理、自检查和故障自诊断、多信息数据融合等特点，实现通常传感器不能胜任的检测任务。
（4） 多传感器数据融合技术
基于多传感器数据融合技术的检测系统是由若干个传感器和具有数据综合和决策功能的计算机系统组成，以完成通常单个传感器无法实现的测量。多传感器融合就像人的大脑综合处理信息一样，它充分利用多传感器资源，把多传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述。多传感器数据融合技术具有很多优点，如可以增加检测的可信度；降低不确定性；改善信噪比；增加对被测量的时间和空间覆盖程度等。