第15章现代检测系统综合设计 15.1现代检测系统的设计思路与方法 15.1.1现代检测系统的设计思想 现代检测技术及系统与传统的测量技术、仪器等相比，在功能上更复杂，系统规模 更大，智能化程度更高，因此在设计方法上应有所创新，以适应现代检测、日益发展的 工业自动化要求。 15.1.1,】现代检测技术与系统面临的挑战 在科学技术飞速发展的今天，现代检测系统将面临以下几个突出方面的挑战： (1)产品更新换代快：随着LSI和VSI技术、集成器件单片集成度以空前的速度 发展，12年时间产品就会更新换代。由于检测系统都是为某个特定任务而设计的，为 达到设计要求，需要花费几年的研制时间，而从提出设计任务到真正用于工程实践的周 期就更长。因此，设计系统时，既要避免很快过时，又要提供不断容纳新技术的可能性， 是既立足现在，又面向未来的问题。 (2)市场竞争日益激烈：高新技术产品的市场竞争十分激烈，除产品性能和质量外， 还有成本，设计周期这两个因素，同时也影响着产品的成功和市场
第 15 章 现代检测系统综合设计 现代检测技术及系统与传统的测量技术、仪器等相比，在功能上更复杂，系统规模 更大，智能化程度更高，因此在设计方法上应有所创新，以适应现代检测、日益发展的 工业自动化要求。 15.1.1.1 现代检测技术与系统面临的挑战 在科学技术飞速发展的今天，现代检测系统将面临以下几个突出方面的挑战： （1）产品更新换代快：随着 LSI 和 VLSI 技术、集成器件单片集成度以空前的速度 发展，1~2 年时间产品就会更新换代。由于检测系统都是为某个特定任务而设计的，为 达到设计要求，需要花费几年的研制时间，而从提出设计任务到真正用于工程实践的周 期就更长。因此，设计系统时，既要避免很快过时，又要提供不断容纳新技术的可能性， 是既立足现在，又面向未来的问题。 （2）市场竞争日益激烈：高新技术产品的市场竞争十分激烈，除产品性能和质量外， 还有成本，设计周期这两个因素，同时也影响着产品的成功和市场
第15章现代检测系统综合设计 ·333· (3)满足不同层次、不断变化用户要求：现代检测系统对格具体用户，配置千变万 化。市场需求结构中客观上要求高、中、低三个层次。另外，还经常会遇到用户中途改 变要求的情况。因此，如何满足用户不同层次需求，覆盖各具体用户的配置要求，是设 计中一项难题。 15.1.1.2现代检测系统的设计思想 针对上述问题，对现代检测系统的设计应体现以下思想：一是在技术上兼顾今天和 明天，既从当前实际可能出发，又留下容纳未来新技术机会的余地；二是向系统的不同 配套档次开放，在经营上兼顾设计周期和产品设计，并着眼于社会的公共参与，为发挥 各方面厂商的积极性创造条件；三是向用户不断变化的特殊要求开放，在服务上兼顾通 用的基本设计和用户的专用要求等等。 15.1.2现代检测系统的设计方法 现代检测系统的设计主要通过系统分析和系统设计两个阶段进行 15.1.2.1系统分析 系统分析是确定系统总方向的重要阶段，主要是对要设计的系统运用系统论的观点 和方法进行全面的分析和研究。在现有的技术和硬、软件条件下，选择最优的设计方案， 以达到预期的目标
15 ·333· （3）满足不同层次、不断变化用户要求：现代检测系统对各具体用户，配置千变万 化。市场需求结构中客观上要求高、中、低三个层次。另外，还经常会遇到用户中途改 变要求的情况。因此，如何满足用户不同层次需求，覆盖各具体用户的配置要求，是设 计中一项难题。 15.1.1.2 现代检测系统的设计思想 针对上述问题，对现代检测系统的设计应体现以下思想：一是在技术上兼顾今天和 明天，既从当前实际可能出发，又留下容纳未来新技术机会的余地；二是向系统的不同 配套档次开放，在经营上兼顾设计周期和产品设计，并着眼于社会的公共参与，为发挥 各方面厂商的积极性创造条件；三是向用户不断变化的特殊要求开放，在服务上兼顾通 用的基本设计和用户的专用要求等等。 现代检测系统的设计主要通过系统分析和系统设计两个阶段进行。 15.1.2.1 系统分析 系统分析是确定系统总方向的重要阶段，主要是对要设计的系统运用系统论的观点 和方法进行全面的分析和研究。在现有的技术和硬、软件条件下，选择最优的设计方案， 以达到预期的目标
·334· 传感器技术设计与应用 (1)系统分析主要解决下列问题：一是确定设计新系统的目标和系统的功能；二是 提出新系统的初始方案，分析方案是否合理，是否可行；三是提出设计新系统的具体实 施计划，包括资金、人力、物力和设备的分配、使用情况；指出新系统的关键技术问题 并进行分析研究。 (2)系统分析工作过程：一是确定任务，根据新系统的性能要求、功能范围、要求 的时间进度、可能投入的人力财力资源等，对其中的关键问题作出明确的描述，以书面 形式提出作为设计单位的重要依据：二是提出初步方案，分析新系统的要求，确定系统 设计目标；确定新系统的功能和范围；确定新系统的总体功能结构、新系统或局部功能 的划分；确定新系统的组织结构或物理结构；提出新系统设计的组织方案；制定新系统 设计进度计划；提出经济预算，制定投资计划方案。将以上各方面的工作内容形成设计 技术文件。 (3)可行性分析：对初步方案进行可行性分析是非常重要的，它关系到新系统研制 的成败。所谓可行性分析就是对新系统的初步方案在技术上、经济上、实现的条件等方 面是否可行进行分析。 15.1.2.2系统设计 系统设计阶段是对要进行设计的新系统具体实施设计的阶段，主要进行的工作是： (1)系统功能结构设计。在系统结构设计中，通常采用自顶向下的“下推式”结构
·334· （1）系统分析主要解决下列问题：一是确定设计新系统的目标和系统的功能；二是 提出新系统的初始方案，分析方案是否合理，是否可行；三是提出设计新系统的具体实 施计划，包括资金、人力、物力和设备的分配、使用情况；指出新系统的关键技术问题， 并进行分析研究。 （2）系统分析工作过程：一是确定任务，根据新系统的性能要求、功能范围、要求 的时间进度、可能投入的人力财力资源等，对其中的关键问题作出明确的描述，以书面 形式提出作为设计单位的重要依据；二是提出初步方案，分析新系统的要求，确定系统 设计目标；确定新系统的功能和范围；确定新系统的总体功能结构、新系统或局部功能 的划分；确定新系统的组织结构或物理结构；提出新系统设计的组织方案；制定新系统 设计进度计划；提出经济预算，制定投资计划方案。将以上各方面的工作内容形成设计 技术文件。 （3）可行性分析：对初步方案进行可行性分析是非常重要的，它关系到新系统研制 的成败。所谓可行性分析就是对新系统的初步方案在技术上、经济上、实现的条件等方 面是否可行进行分析。 15.1.2.2 系统设计 系统设计阶段是对要进行设计的新系统具体实施设计的阶段，主要进行的工作是： （1）系统功能结构设计。在系统结构设计中，通常采用自顶向下的“下推式”结构
第15章现代检测系统综合设计 ·335: 化设计方法，将系统的结构按功能进行分解，其目的是确定新系统的结构方案。实施中 分两个步奏完成：首先是系统的总体结构设计（包括硬、软件等），以系统的初始方案 为指导，将新系统划分成各个子系统和功能块，并绘制系统总体结构图和总体信息流程 图；第二步是对格个子系统功能之间的关系，及各子系统和结构内部的输入输出关系进 行定义和描述。这部分工作通过子系统和功能块信息的转换关系反映出来 (2)系统组织结构的设计。在功能结构设计后，组织结构是系统设计的重要环节。 它把系统的功能结构模型转化为物理模型。具体考虑的实际因素有：物理尺寸大小、重 量、功率、冷却、电源及供电等；系统的精度问题，涉及如何建立系统的误差分析模型 和误差分配问题；系统的稳定性和可靠性问题。结合若干实际问题综合考虑，从系统的 体系结构、元器件和工艺、操作性能、系统的抗干扰性能、系统的适应性和可扩充性能 等诸多方面因素结合，选定系统各组成部分的物理结构和具体实施方案 (3)系统的信息结构和动作结构设计。将新系统按功能划分为若干子系统。按照 定的规律（或逻辑组合）相互配合和协调动作，共同完成既定目标和任务。各子系统之 间的信息联系和信息转换用图形方式描述出来，具体各部分的动作结构应能详细描述各 子系统的操作运行过程，以便在时序上各部分能有效地配合，可靠地运转。 (4)各子系统的设计与制造。这一步工作是具体实施其设计方案，可以在已定的方 案基础上，分别对各子系统，各环节进行具体设计，包括机械、电子线路等设计。必要
15 ·335· 化设计方法，将系统的结构按功能进行分解，其目的是确定新系统的结构方案。实施中 分两个步奏完成：首先是系统的总体结构设计（包括硬、软件等），以系统的初始方案 为指导，将新系统划分成各个子系统和功能块，并绘制系统总体结构图和总体信息流程 图；第二步是对各个子系统功能之间的关系，及各子系统和结构内部的输入输出关系进 行定义和描述。这部分工作通过子系统和功能块信息的转换关系反映出来。 （2）系统组织结构的设计。在功能结构设计后，组织结构是系统设计的重要环节。 它把系统的功能结构模型转化为物理模型。具体考虑的实际因素有：物理尺寸大小、重 量、功率、冷却、电源及供电等；系统的精度问题，涉及如何建立系统的误差分析模型 和误差分配问题；系统的稳定性和可靠性问题。结合若干实际问题综合考虑，从系统的 体系结构、元器件和工艺、操作性能、系统的抗干扰性能、系统的适应性和可扩充性能 等诸多方面因素结合，选定系统各组成部分的物理结构和具体实施方案。 （3）系统的信息结构和动作结构设计。将新系统按功能划分为若干子系统。按照一 定的规律（或逻辑组合）相互配合和协调动作，共同完成既定目标和任务。各子系统之 间的信息联系和信息转换用图形方式描述出来，具体各部分的动作结构应能详细描述各 子系统的操作运行过程，以便在时序上各部分能有效地配合，可靠地运转。 （4）各子系统的设计与制造。这一步工作是具体实施其设计方案，可以在已定的方 案基础上，分别对各子系统，各环节进行具体设计，包括机械、电子线路等设计。必要
·336· 传感器技术设计与应用 时需要反复对样机试验和分析，提出修改方案和意见，再设计和再试验，反复多次直到 最后定型而满足设计指标为止。 (5)总装调试和实验分析。在各子系统、各环节分别制造、调试完毕后，既可进行 总装组建所需要的系统并进行联调。一般实验要与模拟的被测对像相联系。如果前面各 阶段工作很成功，这阶段就可能很顺利。但大多数情况是在总装调试中会暴露出一些问 题，如前阶段一些设计不合理，选择错误等问题需要加以修改。在完成所有的必要修改 和调试工作以后，即可以对系统进行基本性能测试，包括精度分析、基本误差测定、附 加误差测定、各种寿命试验和环境实验等。如果基本特性、指标的测试及性能考核后 认定基本实现设计目标和各种技术指标，到此就基本完成了系统的设计和试制工作。 15.1.3计算机及接口设计 由于检测系统实现检测的参数是多种多样的，检测的方法也是各不相同的，因此检 测系统的结构千差万别。现代检测系统的综合设计的关键是根据系统要求的硬件和软件 功能选择计算机类型和进行接口设计。为了加快设计速度，缩短研制周期，应尽可能采 用熟悉的机型或利用现有的系统进行改进和移植，及利用现有可利用的硬件和软件，再 根据系统的要求增加所需要的功能并相应对各子系统进行设计。 15.1.3.1计算机系统及其性能的确定 根据检测系统所需要的软件、硬件功能，选择所需的计算机系统时应考虑以下因素：
·336· 时需要反复对样机试验和分析，提出修改方案和意见，再设计和再试验，反复多次直到 最后定型而满足设计指标为止。 （5）总装调试和实验分析。在各子系统、各环节分别制造、调试完毕后，既可进行 总装组建所需要的系统并进行联调。一般实验要与模拟的被测对象相联系。如果前面各 阶段工作很成功，这阶段就可能很顺利。但大多数情况是在总装调试中会暴露出一些问 题，如前阶段一些设计不合理，选择错误等问题需要加以修改。在完成所有的必要修改 和调试工作以后，即可以对系统进行基本性能测试，包括精度分析、基本误差测定、附 加误差测定、各种寿命试验和环境实验等。如果基本特性、指标的测试及性能考核后， 认定基本实现设计目标和各种技术指标，到此就基本完成了系统的设计和试制工作。 由于检测系统实现检测的参数是多种多样的，检测的方法也是各不相同的，因此检 测系统的结构千差万别。现代检测系统的综合设计的关键是根据系统要求的硬件和软件 功能选择计算机类型和进行接口设计。为了加快设计速度，缩短研制周期，应尽可能采 用熟悉的机型或利用现有的系统进行改进和移植，及利用现有可利用的硬件和软件，再 根据系统的要求增加所需要的功能并相应对各子系统进行设计。 15.1.3.1 计算机系统及其性能的确定 根据检测系统所需要的软件、硬件功能，选择所需的计算机系统时应考虑以下因素：
第15章现代检测系统综合设计 ·337 一是主机选择；二是主机字长选择；三是寻址范围选择；四是指令功能：五是处理速度 六是中断能力；七是功耗等。 15.1.3.2检测系统对计算机接口的要求 在对现代检测系统的综合设计中，对计算机接口的要求应考虑以下几个方面的问 题：一是数据采集与处理能力；二是总线接口能力；三是人机对话能力；四是输出驱动 能力等。 15.2脉冲测距综合系统设计 15.2.1理论依据 通过激光对距离S进行测量时，只要知道激光传输的时间，根据S=C△：就可以 求出距离。 15.2.2设计方案 图151给出了脉冲激光测距原理图。设计方案中主要包括：激光发射单元的选取 光学准直系统设计、光电转换、放大整形、时间间隔测量等
15 ·337· 一是主机选择；二是主机字长选择；三是寻址范围选择；四是指令功能；五是处理速度； 六是中断能力；七是功耗等。 15.1.3.2 检测系统对计算机接口的要求 在对现代检测系统的综合设计中，对计算机接口的要求应考虑以下几个方面的问 题：一是数据采集与处理能力；二是总线接口能力；三是人机对话能力；四是输出驱动 能力等。 通过激光对距离 S 进行测量时，只要知道激光传输的时间，根据 1 . t 2 S C = 就可以 求出距离。 图 15-1 给出了脉冲激光测距原理图。设计方案中主要包括：激光发射单元的选取、 光学准直系统设计、光电转换、放大整形、时间间隔测量等
·338· 传感器技术设计与应用 发射望运镜2个 激光器1 取样被3 光电元件6 收透镜+ 一放大器7 一整形器8 一一时间间两测业仅9 图151脉冲激光测距基本原理图 15.2.3工作过程 激光脉冲测距的工作过程：激光器1输出脉冲激光，经过发射望远镜2后的光束发 散角变小（一般小于1mad),而后射向被测目标，取样镜3将发射的一部分激光传送到 透镜4，处于接收透镜焦点附近的光电元件6便可输出第一个电脉冲信号，通过放大器 放大，然后由整形器8对电信号进行整形后的脉冲信号，送到时间间隔测量系统中，将 时间间隔测量系统的门控双稳态触发器触发，输出的脉冲将闸门打开，对晶体振荡器的 等时距的脉冲通过计数显示电路开始进行计数；当从目标反射回来的一部分激光进入接 收透镜4时，光电元件6便输出第二个电脉冲信号，通过放大器放大再由整形器8后控 制门控双稳态触发器，使门控双稳态触发器再次发出控制信号将闸门关闭。把第一个电 脉冲信号称为参考信号，第二个电脉冲信号称为回波信号。这两个脉冲信号经时间间隔
·338· 图 15-1 脉冲激光测距基本原理图 激光脉冲测距的工作过程：激光器 1 输出脉冲激光，经过发射望远镜 2 后的光束发 散角变小（一般小于 1mard），而后射向被测目标，取样镜 3 将发射的一部分激光传送到 透镜 4，处于接收透镜焦点附近的光电元件 6 便可输出第一个电脉冲信号，通过放大器 放大，然后由整形器 8 对电信号进行整形后的脉冲信号，送到时间间隔测量系统中，将 时间间隔测量系统的门控双稳态触发器触发，输出的脉冲将闸门打开，对晶体振荡器的 等时距的脉冲通过计数显示电路开始进行计数；当从目标反射回来的一部分激光进入接 收透镜 4 时，光电元件 6 便输出第二个电脉冲信号，通过放大器放大再由整形器 8 后控 制门控双稳态触发器，使门控双稳态触发器再次发出控制信号将闸门关闭。把第一个电 脉冲信号称为参考信号，第二个电脉冲信号称为回波信号。这两个脉冲信号经时间间隔
第15章现代检测系统综合设计 ·339 测量系统测出回波信号与参考信号之间的时间间隔为△：，则根据上式可测出距离， 15.2.4说明几点 (1)该系统的设计关键是时间间隔测量系统，即时间的测量，如果时间测量不精确 将会产生较大误差。 (2)在光学系统设计时，凹透镜应放置在凸透镜的一倍焦距上 (3)光阑孔径的大小与厚度应合适，放置在光电元件之前. (4)激光器输出功率大小应根据测距长度适当选取。 15.3激光准直综合系统设计 在大型设备、管道、建筑物等的测量、安装、校准中，往往需要给出一条直线，以 此来检查各零部件位置的准确性。激光准直仪系统集机、光、电及计算机技术于一体 它利用激光方向性好的特点以H®-Ne激光器发出的光线做基准直线，采用新型光电位置 传感器PSD(Position Sensitive Detector)将光束能量中心位置信号变换为电信号，由基 于PC的数据采集处理系统进行数据处理，可对直线度、平面度、平行度等多项形位误 差进行快速测量及误差评定。 15.3.1激光准直系统总体设计方案 15.3.1.1总体设计方案
15 ·339· 测量系统测出回波信号与参考信号之间的时间间隔为 t ，则根据上式可测出距离。 （1）该系统的设计关键是时间间隔测量系统，即时间的测量，如果时间测量不精确， 将会产生较大误差。 （2）在光学系统设计时，凹透镜应放置在凸透镜的一倍焦距上。 （3）光阑孔径的大小与厚度应合适，放置在光电元件之前。 （4）激光器输出功率大小应根据测距长度适当选取。 在大型设备、管道、建筑物等的测量、安装、校准中，往往需要给出一条直线，以 此来检查各零部件位置的准确性。激光准直仪系统集机、光、电及计算机技术于一体， 它利用激光方向性好的特点以 He-Ne 激光器发出的光线做基准直线，采用新型光电位置 传感器 PSD（Position Sensitive Detector）将光束能量中心位置信号变换为电信号，由基 于 PC 的数据采集处理系统进行数据处理，可对直线度、平面度、平行度等多项形位误 差进行快速测量及误差评定。 15.3.1.1 总体设计方案
·340- 传感器技术设计与应用 (1)系统组成：激光准直系统设计包括五个部分：光源激光发射系统设计、光学 系统设计、传感器信号处理系统设计、数据采集处理系统设计、显示与控制设计等。如 图15-2所示 激光器 光 PSD 系统 飘显示 电路 图15-2高精度多功能激光准直仪原理框图 (2)系统特点：激光准直系统利用He-Ne激光器的方向性好、高稳定性的特点，作 为准直光线，用改进型的新型二维光电位置传感器(PSD)作为接收器，将准直激光束 的入射光斑进行接收转换。其特点：对激光光斑能量中心敏感、响应速度快、分辨率高、 适合长距离直线度误差检测等。 15.3.2激光准直系统的工作过程 激光准直仪系统的工作过程是：以Hc-Ne激光器发出的激光光线作为直线度的基准 直线，随着PSD光靶在被测件上的移动，PSD就将入射光点的位置信号转变为电流信 号，经调理电路后送入数据采集系统，利用直线度测评软件快速评判出直线度误差并提 供图形文件、文本文件、EXCEL文件等输出形式 15.3.3激光准直系统主要部分设计 15.3.3.1光源-激光发射系统设计
·340· （1）系统组成：激光准直系统设计包括五个部分：光源-激光发射系统设计、光学 系统设计、传感器信号处理系统设计、数据采集处理系统设计、显示与控制设计等。如 图 15-2 所示。 图 15-2 高精度多功能激光准直仪原理框图 （2）系统特点：激光准直系统利用 He-Ne 激光器的方向性好、高稳定性的特点，作 为准直光线，用改进型的新型二维光电位置传感器（PSD）作为接收器，将准直激光束 的入射光斑进行接收转换。其特点：对激光光斑能量中心敏感、响应速度快、分辨率高、 适合长距离直线度误差检测等。 激光准直仪系统的工作过程是：以 He-Ne 激光器发出的激光光线作为直线度的基准 直线，随着 PSD 光靶在被测件上的移动，PSD 就将入射光点的位置信号转变为电流信 号，经调理电路后送入数据采集系统，利用直线度测评软件快速评判出直线度误差并提 供图形文件、文本文件、EXCEL 文件等输出形式。 15.3.3.1 光源-激光发射系统设计
第15章现代检测系统综合设计 ·341· 激光作为基准直线使用时由于安装误差使激光线存在轻微的左右、上下移动和两个 方向的旋转，因此安放激光器的支架必须要有四个自由度的微调机构。如图15-3所示， 螺钉组1用来调节激光上下、左右移动(3mm),螺钉组2用来调节激光线的倾角与偏 航（调整范围为4°， 光学微调架激光器 图15-3光学微调架 15.33.2光靶光电接收器件选取 由于光电位置敏感器件(PSD)适应位置、位移等精确实时测量的一种新型半导体 光电位置敏感器件，它有响应速度快、位置分辨率高、可同时检测位置和光强、位置输 出信号与光强无关，只对光的能量中心敏感、频谱响应宽、响应范围从300到1100nm、 外围电路简单、信号检测方便等。 由于二维PSD传感器有表面分流型、两面分流型和改进表面分流型三种类型，而改 进表面分流型传感器既克服了表面分流型传感器非线性误差大的缺点又保留了暗电流 小，加反偏容易的优点，因此，在本综合设计中选择21×21mm的改进表面分流型二维
15 ·341· 激光作为基准直线使用时由于安装误差使激光线存在轻微的左右、上下移动和两个 方向的旋转，因此安放激光器的支架必须要有四个自由度的微调机构。如图 15-3 所示， 螺钉组 1 用来调节激光上下、左右移动（3mm），螺钉组 2 用来调节激光线的倾角与偏 航（调整范围为 4 o）。 图 15-3 光学微调架 15.3.3.2 光靶-光电接收器件选取 由于光电位置敏感器件（PSD）适应位置、位移等精确实时测量的一种新型半导体 光电位置敏感器件，它有响应速度快、位置分辨率高、可同时检测位置和光强、位置输 出信号与光强无关，只对光的能量中心敏感、频谱响应宽、响应范围从 300 到 1100nm、 外围电路简单、信号检测方便等。 由于二维 PSD 传感器有表面分流型、两面分流型和改进表面分流型三种类型，而改 进表面分流型传感器既克服了表面分流型传感器非线性误差大的缺点又保留了暗电流 小，加反偏容易的优点，因此，在本综合设计中选择 21 21 mm 的改进表面分流型二维