盡管現(xiàn)代檢測儀器和檢測系統(tǒng)的種類、型號繁多，用途、性能千差萬別，但它們的作用都是用于各種物理或化學(xué)成分等參量的檢測，其組成單元按信號傳遞的流程來區(qū)分：通常由各種傳感器（變送器）將非電被測物理或化學(xué)成分參量轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)信號調(diào)理（信號轉(zhuǎn)換、信號檢波、信號濾波、信號放大等）、數(shù)據(jù)采集、信號處理后顯示并輸出（通常有4～20 ma、經(jīng)d／a轉(zhuǎn)換和放大后的模擬電壓、開關(guān)量、脈寬調(diào)制pwm、串行數(shù)字通信和并行數(shù)字輸出等），由以上設(shè)備以及系統(tǒng)所需的交、直流穩(wěn)壓電源和必要的輸入設(shè)備（如撥動開關(guān)、按鈕、數(shù)字撥碼盤、數(shù)字鍵盤等）便組成了一個完整的檢測（儀器）系統(tǒng)，其各部分關(guān)系如圖1所示。
1．傳感器
傳感器是檢測系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的器件或裝置。它的作用是感受指定被測參量的變化并按照一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成一個相應(yīng)的便于傳遞的輸出信號。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換部分組成；其中，敏感元件為傳感器直接感受被測參量變化的部分，轉(zhuǎn)換部分的作用通常是將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為便于傳輸和后續(xù)環(huán)節(jié)處理的電信號。
圖1 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)一般組成框圖
例如，半導(dǎo)體應(yīng)變片式傳感器能把被測對象受力后的微小變形感受出來，通過一定的橋路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號輸出。這樣，通過測量傳感器輸出電壓便可知道被測對象的受力情況。這里應(yīng)該說明，并不是所有的傳感器均可清楚、明晰地區(qū)分敏感和轉(zhuǎn)換兩部分；有的傳感器已將這兩部分合二為一，也有的僅有敏感元件（如熱電阻、熱電偶）而無轉(zhuǎn)換部分，但人們?nèi)粤?xí)慣稱其為傳感器（如人們習(xí)慣稱熱電阻、熱電偶為溫度傳感器）。
傳感器種類繁多，其分類方法也較多。主要有按被測參量分類法（如溫度傳感器、濕度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、荷重傳感器等），按傳感器轉(zhuǎn)換機理（工作原理）分類法（如電阻式、電容式、電感式、壓電式、超聲波式、霍爾式等）和按輸出信號分類法（分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器兩大類）等。采用按被測參量分類法有利于人們按照目標對象的檢測要求選用傳感器，而采用按傳感器轉(zhuǎn)換機理分類法有利于對傳感器做研究和試驗。
傳感器作為檢測系統(tǒng)的信號源，其性能的好壞將直接影響檢測系統(tǒng)的精度和其他指標，是檢測系統(tǒng)中十分重要的環(huán)節(jié)。本書主要介紹工程上涉及面較廣、應(yīng)用較多、需求量大的各種物理量、化學(xué)成分量常用的先進的檢測技術(shù)與實現(xiàn)方法以及如何選用合適的傳感器，對傳感器要求了解其工作原理、應(yīng)用特點，而對如何提高現(xiàn)有各種傳感器本身的技術(shù)性能，以及設(shè)計開發(fā)新的傳感器則不作深入研究。通常檢測儀器、檢測系統(tǒng)設(shè)計師對傳感器有如下要求：
（1）精確性 傳感器的輸出信號必須準確地反應(yīng)其輸入量，即被測量的變化。因此，傳感器的輸出與輸入關(guān)系必須是嚴格的單值函數(shù)關(guān)系，最好是線性關(guān)系；
（2）穩(wěn)定性 傳感器的輸入、輸出的單值函數(shù)關(guān)系最好不隨時間和溫度而變化，受外界其他因素的干擾影響亦應(yīng)很小，重復(fù)性要好；
（3）靈敏度 即要求被測參量較小的變化就可使傳感器獲得較大的輸出信號；
（4）其他 如耐腐蝕性好、低能耗、輸出阻抗小和售價相對較低等。
各種傳感器輸出信號的形式也不盡相同，通常有電荷、電壓、電流、頻率等，在設(shè)計檢測系統(tǒng)及選擇傳感器時對此也應(yīng)給予重視。
2．信號調(diào)理
信號調(diào)理在檢測系統(tǒng)中的作用是對傳感器輸出的微弱信號進行檢波、轉(zhuǎn)換、濾波、放大等，以方便檢測系統(tǒng)后續(xù)環(huán)節(jié)處理或顯示。例如，工程上常見的熱電阻型數(shù)字溫度檢測（控制）儀表，其傳感器ptl00的輸出信號為熱電阻值的變化。為便于處理，通常需設(shè)計一個四臂電橋，把隨被測溫度變化的熱電阻阻值轉(zhuǎn)換成電壓信號；由于信號中往往夾雜著50 hz工頻等噪聲電壓，故其信號調(diào)理電路通常包括濾波、放大、線性化等環(huán)節(jié)。需要遠傳的話，通常采取d／a或v／i電路將獲得的電壓信號轉(zhuǎn)換成標準的4～20 ma電流信號后再進行遠距離傳送。檢測系統(tǒng)種類繁多，復(fù)雜程度差異很大，信號的形式也多種多樣，各系統(tǒng)的精度、性能指標要求各不相同，它們所配置的信號調(diào)理電路的多寡也不盡一致。對信號調(diào)理電路的一般要求是：
（1）能準確轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定放大、可靠地傳輸信號；
（2）信噪比高，抗干擾性能要好。
3．數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集（系統(tǒng)）在檢測系統(tǒng)中的作用是對信號調(diào)理后的連續(xù)模擬信號進行離散化并轉(zhuǎn)換成與模擬信號電壓幅度相對應(yīng)的一系列數(shù)值信息，同時以一定的方式把這些轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)及時傳遞給微處理器或依次自動存儲。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常以各類模／數(shù)（a／d）轉(zhuǎn)換器為核心，輔以模擬多路開關(guān)、采樣／保持器、輸入緩沖器、輸出鎖存器等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標是：
（1）輸入模擬電壓信號范圍，單位 v；
（2）轉(zhuǎn)換速度（率），單位 次／s；
（3）分辨率，通常以模擬信號輸入為滿度時的轉(zhuǎn)換值的倒數(shù)來表征；
（4）轉(zhuǎn)換誤差，通常指實際轉(zhuǎn)換數(shù)值與理想a／d轉(zhuǎn)換器理論轉(zhuǎn)換值之差。
4．信號處理
信號處理模塊是現(xiàn)代檢測儀表、檢測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和各種控制的中樞環(huán)節(jié)，其作用和人的大腦相類似?，F(xiàn)代檢測儀表、檢測系統(tǒng)中的信號處理模塊通常以各種型號的單片機、微處理器為核心來構(gòu)建，對高頻信號和復(fù)雜信號的處理有時需增加數(shù)據(jù)傳輸和運算速度快、處理精度高的專用高速數(shù)據(jù)處理器（dsp）或直接采用工業(yè)控制計算機。
當然，由于檢測儀表、檢測系統(tǒng)種類和型號繁多，被測參量不同，檢測對象和應(yīng)用場合各異，用戶對各檢測儀表的測量范圍、測量精度、功能的要求差別也很大。對檢測儀表、檢測系統(tǒng)的信號處理環(huán)節(jié)來說，只要能滿足用戶對信號處理的要求，則是愈簡單愈可靠，成本愈低愈好。對一些容易實現(xiàn)且傳感器輸出信號大，用戶對檢測精度要求不高，只要求被測量不要超過某一上限值，一旦越限，送出聲（喇叭或蜂鳴器）、光（指示燈）信號即可的檢測儀表的信號處理模塊，往往只需設(shè)計一個可靠的比較電路，該電路的一端為被測信號，另一端為表示上限值的固定電平；當被測信號小于設(shè)定的固定電平值，比較器輸出為低電平，聲、光報警器不動作，一旦被測信號電平大于固定電平值，比較器翻轉(zhuǎn)，經(jīng)功率放大驅(qū)動揚聲器、指示燈動作。這種簡單系統(tǒng)的信號處理就很簡單，只要一片集成比較器芯片和幾個分立元件即可。但對于熱處理和爐溫檢測、控制系統(tǒng)來說，其信號處理電路將大大復(fù)雜化。因為對熱處理爐爐溫測控系統(tǒng)，用戶不僅要求系統(tǒng)高精度地實時測量爐溫，而且需要系統(tǒng)根據(jù)熱處理工件的熱處理工藝制定的時間-溫度曲線進行實時控制（調(diào)節(jié)）。如果采用一般通用的中小規(guī)模集成電路來構(gòu)建這一類較復(fù)雜的檢測系統(tǒng)的信號處理模塊，則不僅構(gòu)建技術(shù)難度很大，而且所設(shè)計的信號處理模塊必然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試困難，性能和可靠性差。
由于微處理器、單片機和大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和這類芯片價格不斷降低，對稍復(fù)雜一點的檢測系統(tǒng)（儀器）其信號處理環(huán)節(jié)都應(yīng)考慮選用合適型號的單片機、微處理器、dsp或新近開始推廣的嵌入式模塊為核心來設(shè)計和構(gòu)建（或者由工控機兼任），從而使所設(shè)計的檢測系統(tǒng)獲得更高的性能價格比。
5．信號顯示
通常人們都希望及時知道被測參量的瞬時值、累積值或其隨時間的變化情況，因此，各類檢測儀表和檢測系統(tǒng)在信號處理器計算出被測參量的當前值后通常均需送至各自的顯示器作實時顯示。顯示器是檢測系統(tǒng)與人聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)之一，顯示器一般可分為指示式、數(shù)字式和屏幕式三種。
（1）指示式顯示又稱模擬式顯示。被測參量數(shù)值大小由光指示器或指針在標尺上的相對位置來表示。用有形的指針位移模擬無形的被測量是較方便、直觀的。指示式儀表有動圈式和動磁式等多種形式，但均有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、顯示直觀的特點，在檢測精度要求不高的單參量測量顯示場合應(yīng)用較多。指針式儀表存在指針驅(qū)動誤差和標尺刻度誤差，這種儀表的讀數(shù)精度和儀器的靈敏度等受標尺最小分度的限制，如果操作者讀儀表示值時，站位不當就會引入主觀讀數(shù)誤差。
（2）數(shù)字式顯示以數(shù)字形式直接顯示出被測參量數(shù)值的大小。在正常情況下，數(shù)字式顯示徹底消除了顯示驅(qū)動誤差，能有效地克服讀數(shù)的主觀誤差，（相對指示式儀表）可提高顯示和讀數(shù)的精度，還能方便地與計算機連接并進行數(shù)據(jù)傳輸。因此，各類檢測儀表和檢測系統(tǒng)正越來越多地采用數(shù)字式顯示方式。
（3）屏幕顯示實際上是一種類似電視顯示方法，具有形象性和易于讀數(shù)的優(yōu)點，又能同時在同一屏幕上顯示一個被測量或多個被測量的（大量數(shù)據(jù)式）變化曲線，有利于對它們進行比較、分析。屏幕顯示器一般體積較大，價格與普通指示式顯示和數(shù)字式顯示相比要高得多，其顯示通常需由計算機控制，對環(huán)境溫度、濕度等指標要求較高，在儀表控制室、監(jiān)控中心等環(huán)境條件較好的場合使用較多。
6．信號輸出
在許多情況下，檢測儀表和檢測系統(tǒng)在信號處理器計算出被測參量的瞬時值后除送顯示器進行實時顯示外，通常還需把測量值及時傳送給控制計算機、可編程控制器（plc）或其他執(zhí)行器、打印機、記錄儀等，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)打?。ㄓ涗洠┹敵?。檢測儀表和檢測系統(tǒng)的信號輸出通常有4～20 ma的電流信號，經(jīng)d／a轉(zhuǎn)換和放大后的模擬電壓、開關(guān)量、脈寬調(diào)制pwm、串行數(shù)字通信和并行數(shù)字輸出等多種形式，需根據(jù)測控系統(tǒng)的具體要求確定。
7．輸入設(shè)備
輸入設(shè)備是操作人員和檢測儀表或檢測系統(tǒng)聯(lián)系的另一主要環(huán)節(jié)，用于輸入設(shè)置參數(shù)，下達有關(guān)命令等。最常用的輸入設(shè)備是各種鍵盤、撥碼盤、條碼閱讀器等。近年來，隨著工業(yè)自動化、辦公自動化和信息化程度的不斷提高，通過網(wǎng)絡(luò)或各種通信總線利用其他計算機或數(shù)字化智能終端，實現(xiàn)遠程信息和數(shù)據(jù)輸入的方式