现代检测技术.doc

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，Autonomic Failure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(Heart Period Signal)作为分析对象，用心动周期变异性HPV(Heart Period Variability)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动周期变异分析。
简易测量法多用于估测胎儿HPV的变化，判断临产或产程中胎儿的窘迫情况，而不宜用于长时间ECG的分析。
2.2.2.2标准差分析(SD)
标准差包括总体标准差即所有正常R-R间期的平均值所得的标准差(SDNN)；标准差均值即24小时连续心电图(ECG)的每5分钟一段的正常R-R间期值的标准差(SDANN)；标准差均值24小时连续心电图(ECG)的每5分钟一段的正常R-R间期标准差的平均值(SDNNIDX)。其标准差值越大，表示HPV越大；标准差值越小，表示HPV也越小，提示自主神经系统功能不良.该法适于长时(如24小时或更长)ECG分析。
2.2.2.3变异系数(CV)法
变异系数法即用各种标准差或差值均方根除以该段时间的平均正常R-R间期所得的各自的变异系数。该法有利于比较不同条件下的心动周期以及不同个体.
2.2.2.4变异指数法
该法属于对R-R间期分布情况的评价。在R-R间期频数分布直方图中，变异指数等于某段时间内的心动周期总数与频数最大的组段的心动周期的个数之比。该变异指数与HPV成正比，可用来评价自主神经系统功能。正常人的变异指数> 25。另外还有一种类似的称为三角形指数法以及R-R间期跳跃计数法，也可用来评价自主神经系统功能。指数法的优点是：不易受远离R-R间期频数分布曲线的低水平噪声和干扰的影响。
此外常用的指标还有：相邻的正常心动周期差值的均方的平方根(rMSSD)；在规定时间如每小时或24小时内相邻两R-R间期差值大于50ms的个数所占该段时间R-R间期总个数的百比(PNN50)，类似的指标还有PNN100。在所有的统计指标中，以标准差法和指数法最为常用，但标准差(SD)法易受噪声干扰，计算机识别带来的误差影响也较大，另外要排除房性和室性早搏的干扰，对长时的ECG信号要进行人工删改，费时费力。
时域法的优点是:计算简单方便，指标意义直观明确，易为临床医生接受，能较准确地测定长程心电信号全部R-R间期的变异情况，同时反映HPV随时间的变化规律以及昼夜规律。缺点是：不能区分心交感，迷走神经的活性水平及其平衡和稳定性。该法特别是需要病人主动配合，客观性大大受限制，且对病情较严重的病人，不便配合作检查。
2.3第二阶段是心动周期信号的功率谱分析
第二阶段是心动周期信号的功率谱分析又叫频域分析法：由于计算机技术的飞速发展，使数字信号的频谱分析法应用于医学信号处理成为可能。该方法利用心电信号提取R-R间期形成数字时间序列，再用付利叶变换(FT)技术或自回归(Autoregressive Model)参数建模法，将R-R间期数字时间序列分解为不同的频率成份，各频率成份所对应的功率表示各个频率成份对信号的贡献大小。用横坐标代表频率大小，纵坐标代表功率大小，作成图形即得到R-R间期数字时间序列的表现功率谱，人的心动周期信号频谱曲线的频率范围一般在0~0.5Hz之间，目前心动周期信号功率分段法有分为二分段的，有分为三分段的以及四分段的。根据我们实验室的研究，分为三段较为合理，即0.0028—0.04H/z为超低频段与交感神经活动有关；0.04~0.14Hz为低频段；0.14~0.5Hz为高频段，与迷走神经活动有关。并且该频谱具有3峰特征，第一峰位于0.04 H z附近，与外周血管舒缩，体温调节及肾素—血管紧张素的作用有关；第二峰位于0.1Hz附近，主要反应压力感受性反射和血压调节引起的心率变化；第三峰在0.3Hz附近，与呼吸周期引起的心率变化有关，反映迷走活性，可叫迷走峰。
在二分段法中，则多以0.15Hz为界分为低频(LF)成份(<0.15Hz，为LF)和高频(HF)成份(>0.15Hz，为HF)，有的认为低频((LF)成份主要代表交感神经活性，有的又认为LF受交感与迷走神经的双重影响，还有人如Pomeranz等认为仰卧位时LF主要由迷走神经介导，站立时由交感、迷走联合介导。对高频成份的看法较一致，认为它仅反映迷走神经的活动。在实际的计算上，是通过积分的方法计算出各频率段曲线下的面积，来反映各频率成份的大小及其比例，同时也可求各频率段功率的比率式各频率段功率与总功率的百分比作为恒量交感、迷走神经活性的定量指标。LF成份越多，交感活动亢进，反之则反；HF成份越多，迷走活动亢进，反之则反。而用LF/HF的值来反映交感神经和迷走神经的均衡性。
频域分析法具有敏感性，精确而又能定量，可分别评价人体交感神经和迷走神系统功能，特别是在反映交感和迷走神经活动的均衡性上比时域指标有独到之处.但根据Bigger对急性心肌梗塞后病人的研究认为，HPV的时域指标与频域指标之间具有一定的相关性，如总体标准差SDNN与总功率的平方根几乎相等，超低频功率与均值标准差SDANN密切相关，PNN50与高频段功率密切相关，有的甚至可以相互代替。但是目前国内外普遍认为，频域法既能从总体上定量评价自主神经系统功能(即用总功率指标)，又能分别定量交感和副交感的活动水平及平衡和稳定性，故认为频域法评定自主神经功能优于时域指标。频域分析法广泛用于与ANSF有关的疾病，被公认为判定急性心肌梗塞死亡率及其预后、心率失常、心源性碎死及脑血管意外等方面有较好的应用价值。而频域分析法的缺点是：功率谱指标对噪声特别是早搏很敏感，稳定性较差，要求条件较严格。
3、第三个阶段是心动周期信号的混沌分析法
近年来，心动周期信号具有混沌特征逐渐被认识，用混沌、分形的非线性动力学理论来评价自主神经系统功能成了当今研究热点。
心动周期信号的混沌特征，可用相对分散度(Hrd、分维数(Hfd)，李雅普诺夫(Lyapunov)指数(Hle)，混沌度(Lcc)等混沌特征指标来描述。
根据我室对271例年龄段的正常人及部分甲亢病人、糖尿病人、心血管病人的心动周期信号测试分析，结果发现混沌特征参数随年龄的增加而降低，即HPS的复杂性随年龄的增加而降低，提示自主神经系统功能随年龄的增加而降低。甲亢病人、糖尿病人以及心血管病人的混沌特征参数也明为低于正常人，同时还发现在评价病理状态时，混沌特征指标比其它所有指标更稳定更敏感。
目前我们的工作正集中在用动态混沌特征参数来研究自主神经系统功能及其动态特征。心动周期信号的动态混沌特征可分短期(几分钟量级)、中期(24小时或几天量级)以及长期(以年计量)的动态混沌特征。本室关于心动周期信号的长期动态混沌特征的研究指出：心动周期信号的长期动态混沌特征具有指数下降规律，具各混沌特征指标间具有强的正的线性相关关系。
总之，HPV的分析作为一种崭新的方法，可用于检测各种病理条件及药物引起的自主神经系统功能改变。HPV降低提示自主神经张力下降，与许多疾病的病理机制和生理衰老相关，可以用来研究与自主神经系统有关疾病的发病机理，判断自主神经功能，评估病情的严重性及预后，同时指导治疗和监护，开发和寻找治疗自主神经系统疾病的新药以及新的疗法。然而，应该着重指出的是HPV检测方法虽然在临床上用于各种与自主神经有关的疾病，但不同的病种只要存在自主神经系统功能紊乱，都将导致HPV的改变，因此HPV分析不能用来鉴别诊断除自主神经系统疾病以外的各种疾病。HPV分析是评价自衰，检查自主神经系统疾病，以及用于判断自主神经系统功能(ANSF)损害的严重性与其它指标的关系，即继发性的自主神经系统功能损害与疾病的严重性的关系的无创、定量、敏感的方法，具有广泛的临床应用价值。这种方法必将为越来越多的人所认识和接受。