引言

随着计算机和信息技术的发展，传感器技术的进步，检测技术水平得到了不断提高。传感器技术作为一种与现代科学密切相关的新兴学科正得到迅速的发展，并且在许多领域被越来越广泛的利用。它融合了人工智能原理及技术，人工神经网络技术、专家系统、模糊控制理论等等，使检测系统不但能自校正、自补偿，自诊断，还具有了特征提取、自动识别、冲突消解和决断等能力。智能检测和信息处理技术已成为人们认识世界，改造世界的重要手段，并将在未来成为高科技领域不可或缺的关键技术。

1 智能检测技术

1.1智能检测的形成

智能检测的出现归功计算机技术的发展。20世纪70年代以来，随着信息技术的发展，微处理器和个人电脑的出现，检测仪器不仅能进行测量，还能对结果进行存储、提取、加工和处理。90年代微机械研究获得了巨大的成功，实现了传感器的微型化，促进了传感器与信号调理电路已经微处理器的集成，进而产生了高度集成的智能传感器。另一方面，人工智能原理和方法改善了传统的检测方法。其主要特征为具有知识处理功能，利用领域知识和经验知识，通过人工神经网和装接系统解决检测中的问题，且能够外界条件变化正确地进行分析判断和决策。

1.2智能检测系统的特征

(1) 测量过程软件控制

    硬件功能软件化，通过软件实现自稳零放大、极性判断、量程切换、自动报警、过载保护、非线性补偿、多功能测试和自动巡回检测等。

(2) 高度的灵活性

    智能检测系统以软件为核心，生产、修改、复制都比较容易，功能和性能指标的修改和扩展更加的简单、方便。

(3) 测量速度快

    通过高速数据采样和实时在线的高速数据处理实现。随着电子技术的迅猛发展，高速显示、打印、绘图设备也日臻完善。

(4) 多参数检测和数据融合

    通过多个高速数据通道，在进行多参数检测的基础上，依据各路信息的相关特性，可实现系统多传感器信息融合，提高检测系统的准确度、可靠性和容错性。

(5) 智能数据处理

    测量数据线性化处理、平均值处理，频域分析，相关分析，数据融合计算等。

(6) 智能化功能强

    通过人工智能化以及相关技术的智能化运用，测量选择功能，故障诊断功能，人机对话、控制输出等功能智能化。

(7) 具有高的可靠稳定性、满足系统要求的高精度和自适应能力

1.3智能检测系统的一般组成结构

智能检测系统是以微处理器为核心的系统，由硬件和软件两大部分组成。其组成按照信号的流程来划分，可以分为四个部分：

(1) 信号的提取——传感器，传感器是测试系统的第一个环节，用来感受被测信号，并将被测信号转换为适合于系统后续处理的电信号。它获得信息的正确与否，决定了测试系统的精度^[4]。

(2) 信号调理，转换——信号调理电路是对传感器的输出电信号作进一步的加工和处理，多数是进行电信号之间的转换，包括对信号的滤波，A／D、D／A及其他转换，放大等。例如，用电桥将电路参量转换为电压或电流。

(3) 信号的处理——微处理器，单片机，微机等，通过信号的处理，最终获得便于传输、显示、记录以及可作进一步后续处理的信号。

(4) 信号的显示及传输——信号的显示有模拟显示、数字显示、屏幕显示、打印机、绘图仪等，信号的传输有通过串行、并行口或采用总线技术及以太网技术的传输等。

一个典型的测试系统原理框图如图1所示：

图1 测试系统原理框图

1.4智能检测中的传感器技术

智能检测系统的主要功能是信号的检测和处理，因此，传感器信号获取与计算机信息处理是智能检测系统设计中的重要内容。传感器在智能检测系统中的作用是将各种非电信号转换成电信号，。主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境状态，为有效控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息随着人类探知领域和空间的拓展，电子信息种类日益繁多，信息传递速度日益加快，信息处理能力日益增强，相应的信息采集——传感技术也将日益发展。作为获取信息的工具，传感器位于检测系统的最前端，其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个检测系统性能至关重要。传统的传感器技术往往依赖于制造水平，其稳定性、可靠性、测量精度均会受到工艺的影响。现代控制系统发展对检测技术提出了数字化、智能化、标准化的迫切要求。

传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竟先发展的高技术，是进入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间。随着半导体技术的不断发展，微控制器技术的功能不断升级，传感器的集成化和数字化已经成为现实，智能化成了一个传感器技术发展的必然趋势。智能传感器是由传统的传感器和嵌入式微处理器(或微计算机) 相结合而构成的,充分利用计算机的计算和存储能力,对传感器的数据进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使得采集的数据最佳。

智能传感器已从工业领域扩展到离散自动化领域和商业领域，使检测技术的发展跃上了一个新台阶。传感器技术主要朝着非集成化实现、集成化实现和混合实现三条路径实现智能化，使传感器由以往的“信息检测”功能扩展到兼有“信息处理”的功能。

2 信号处理技术

智能检测系统通过对各种传感器将被测量转变为电量以后，必须对此电信号进行一系列的变换处理，显示测量信号量值，记录数据信号波形，分析检测结果，给出决策命令。

2.1信号处理的概念

所谓"信号处理"，就是要把记录在某种媒体上的信号进行处理，以便抽取出有用信息的过程，它是对信号进行提取、变换、分析、综合等处理过程的统称。

一个信号包含着反映被测物理系统的状态或特性的某些有用的信息，它是我们认识客观事物的内在规律、研究事物之间的相互关系、预测未来发展的依据。例如，回转机械由于动不平衡而产生振动，那么振动信号就传达了该回转机械动不平衡的信息，因此它就成为研究回转机械动不平衡的依据。

2.2 信号分析处理的目的和步骤

智能系统中的信号处理，主要是为了保证测量的准确性和重复性，保证检测过程的可靠性，并且从测量结果中提取所需要的信息，具体体现在以下几个方面：

(1) 依据检测信号的变化规律，对信号进行必要的去误差处理。

(2) 找出信号变化的统计规律，解释检测信号的本质。

(3) 依据信息的统计特征，找出故障诊断的依据

(4) 根据故障信号的统计特征，找出对产品进行例行试验的规律

(5) 对已经检测出的测量信息进行智能化信息处理（如数据融合），提高测量分辨能力，提高检测系统的工作性能，获取新的准确信息。

(6) 改进系统的容错性和可靠性。

一般地讲，数字信号处理涉及三个步骤： 

(1) 模数转换(A/D转换)：把模拟信号变成数字信号，是一个对自变量和幅值同时进行离散化的过程，基本的理论保证是采样定理。

(2) 数字信号处理(DSP)：包括变换域分析(如频域变换)、数字滤波、识别、合成等。 　

(3) 数模转换(D/A转换)：把经过处理的数字信号还原为模拟信号。但是这一步通常不是必须的。

2.3 智能检测系统的信号处理技术

检测智能化的方法大致分为两类：一类是传感器信号处理方法；另一类是以知识为基础的决策处理方法。典型的智能检测系统经常是以两种方法或子系统的混合，涉及了以下几个方面：

(1)   检测系统非线性自校正技术

通过软件而非硬件，用最小二乘法、函数链、遗传算法对信号非线性进行校正，提高检测系统的测量准确性

(2)   检测系统自校零和自校准技术

传感器与微处理器的职能化结合，通过实时校准和标定来自动减小或消除零点漂移，实现高性价比的检测系统。

(3)   检测数据噪声抑制技术

利用数字滤波技术、相干技术或平均技术等，从受干扰信号中自动快速、准确定量地提取有用信号特征信息。

(4)   频率补偿技术

通过频率补偿达到改善传感检测系统动态特性，扩展系统频率响应特性频段以满足特定的信号检测要求

(5)   信息（数据）融合技术

数据融合是许多传统学科和新技术的集成和应用，涉及模式识别、决策论、不确定理论、最优化理论等等，数据融合技术必将成为智能检测系统普遍的一项最基本，最有效的信息处理工具。

3加速度传感器在车辆载荷检测中应用

随着铁路事业的快速发展，中国铁路将跨入以“高速客运、重载货运”为特征的新时代，因此铁道车辆运行的平稳性是非常重要的。铁路车辆的安全舒适、低污染、高燃率越来越受到社会重视。而传感器在车辆中相当于感官和触角，只有它才能准确地采集车辆工作状态的信息，提高自动化程度。传感器作为车辆电控系统的关键部件，它将直接影响到车辆技术性能的发挥。

电容法检测车辆载荷时, 电容传感器的极板安装在车辆轮轴的中部上方与车厢底(或车架)之间，通过测量车辆板弹簧的变形间接得到车辆载荷。当车厢内载荷左右方向装偏时，电容上极板随车厢底和车架倾斜，也在一定程度上影响检测结果。

在车辆载荷检测装置中增加了双轴加速度传感器ADXL202AE，在检测车辆载荷的同时，利用加速度传感器的Y轴测量车辆前进方向的加速度，利用X 轴测量电容上极板的斜度，根据采集到的数据定量地分析出了加速度和极板倾斜对载荷检测的影响。

3.1 电容法车辆载荷检测原理

采用电容称重传感器的车辆载荷检测装置, 以车辆缓冲减振机构中的板弹簧作为称重传感器的弹性体^[6]，可随时随地进行静态或动态检测。图2为检测装置中传感器的安装示意图。

图2 电容称重传感器安装示意图

电容上极板部件安装在车架下部, 左右居中；电容下极板部件安装在轮轴中部的上方，与电容上极板上下对正。车辆的每根轮轴上方均安装一套电容传感器。在载荷作用下，汽车的缓冲减振机构(板弹簧) 产生变形，电容传感器两极板间的距离发生变化，传感器的电容值也随之变化。预先标定出在不同载荷下各轮轴重量对应的传感器的电容值，以后就可以根据各轮轴传感器的电容值知道该轴承受的载荷质量。将各轮轴的载荷质量相加，就可以得到整车载荷质量。

3.2 加速度传感器

ADXL202AE是美国ADI公司出品的低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器。它可分别测量两正交方向的正、负加速度，最大测量范围为±19.6m / s²；也可用来测量斜角为0º~ 360º的斜度。可从和管脚输出与加速度成正比的模拟电压信号，也可从和管脚输出脉宽占空比与2根传感轴各自所感受到的加速度成正比的数字信号。图3为ADXL202AE 的应用电路图，图中，X 轴和Y轴为加速度传感轴。

图3 ADXL202AE的应用电路图

 针对车辆载荷检测的需要, 取电源= 5V，由产品说明书可知，此时和两引脚在加速度为时输出电压的典型值为2.5V，传感器灵敏度的典型值为0. 312。从和2 个引脚输出模拟信号时, 取 =1MΩ^[7] 。考虑到一般货车的固有振动频率为1.5~2Hz，为了保证加速度测量时的高分辨力，减小各种干扰, 应将ADXL202AE的带宽限制到接近货车的固有振动频率^[8]，所以，取== 0. 47μF。当Y轴用于测量车辆前进方向的加速度时，加速度为：

   (1)

式中为Y轴的输出电。             

当X 轴用于斜度测量时, X 轴与水平线之间的夹角(斜角)为：

                        (2)

式中为X 轴的输出电压.

3.3 车厢内货物左右装偏时对车辆载荷检测的影响

当车厢内货物装偏时，车架相对于轮轴倾斜，形成图1中双点划线所示的形状，电容传感器的上极板也相对于下极板倾斜。试验时，加速度传感器安装在后轴上方的车架上, X 轴沿后轴轴线方向, 货物在车厢内沿后轴轴线方向移动，同时，在后轴两车轮下放一电子平台秤，保证货物移动时平台秤的读数不变。由加速度传感器X 轴的输出电压，按照式(2)计算出电容上极板相对于下极板的斜角。

3.4 结果分析

在利用车载式电容传感器检测车辆载荷时，利用加速度传感器检测车辆行驶过程中前进方向的加速度和车厢内载荷左右方向装偏时电容上极板的斜度，定量地分析出加速度和极板斜度与载荷检测结果之间的关系，可以为测量系统的程序编写提供科学依据，从而排除加速度和极板斜度对载荷检测的影响。同时，也定量地分析出了超重车辆经过公路收费站的轴重检测仪秤台时，先加速、后减速0的行驶方法对载荷检测结果的影响。

4 结束语

随着科学技术的飞速发展和工程技术的迫切需求，传感器与测试技术已越来越广泛地应用于工业、农业、国防、航空、航天、医疗卫生和生物工程等各个领域。测试是科学研究的基础，传感器是实现测试的首要环节。人工智能原理及技术的发展，人工神经网络技术、专家系统、模糊控制理论等在检测中的应用，进一步促进了检测技术智能化的进程。智能检测技术已成为二十一世纪检测技术的主要发展方向，逐步形成了一个新的研究领域。

智能检测系统以其测量速度快，高度灵活，智能化数据处理和多形性数据融合、自检查和故障诊断，以及检测过程中软件控制等优势。检测系统的智能化发展，是工业现代化的必然要求，也是工业自动化的新方向。