自动检测技术及仪表控制系统（第四版）

　　本书是有关过程参数检测和自动化仪表系统的基础理论和应用技术的教材。全书分为五篇共20章。篇中第1、2章介绍检测和仪表的基本知识及误差分析方法，第3章介绍检测技术基本方法；第二篇中第4章~第9章分别介绍温度、压力、流量、物位、机械量、成分分析等参数的检测方法；第三篇中第10章介绍自动化仪表特性及发展，第11章~第14章分别介绍仪表系统中的变送、显示、调节和执行等单元；第四篇中第15章、第16章分析和讨论由仪表构成的计算机控制系统和现场总线控制系统的相关技术及其发展趋势；第五篇中第17章~第20章介绍现代检测与仪表技术。本书作为高校自动化及相关专业的本科生教材，亦可满足相关研究生和工程技术人员的需要。

　　张毅，清华大学自动化系，研究所所长，教授，中国人工智能学会会士。清华大学自动化系系统工程研究所所长，车路协同与自动驾驶研究中心主任。享受国务院颁发的政府特殊津贴，国家“863计划”先进交通技术领域专家。主要从事基于车路协同的自动驾驶技术、智能交通群体决策与控制、自动检测与仪表系统、智能系统与技术测试评估、智能车路协同关键技术研究与实现、智能交通控制与管理、智慧城市研究与实践、大数据分析与应用等。提出了城市区域交通状态分析的概念并研究形成了体系化理论与方法；提出和建立了我国智能车路协同技术体系，并在此基础上研究了智能群决策群控制理论与方法；提出和构建了基于车路协同的全新的自动驾驶技术体系与平台。主持和承担国家和各类重大项目近40项，获国家及省部级奖励7项，发表学术论文300余篇，其中被SCI/EI收录200余篇，出版专著5本、教材1本。兼任中国智能交通协会常务理事、中国人工智能学会常务理事、中国指挥与控制学会理事、中国公路学会自动驾驶工作委员会副主任等。

篇基础知识引论
1绪论1
1.1检测仪表控制系统1
1.1.1典型检测仪表控制系统1
1.1.2检测仪表控制系统结构分析2
1.2基本概念3
1.2.1测量范围、上下限及量程3
1.2.2零点迁移和量程迁移3
1.2.3灵敏度和分辨率4
1.2.4误差4
1.2.5精确度5
1.2.6滞环、死区和回差5
1.2.7重复性和再现性6
1.2.8可靠性6
1.3检测仪表技术发展趋势7
思考题与习题7
2误差分析基础及测量不确定度8
2.1检测精度8
2.2误差分析的基本概念8
2.2.1真值、测量值与误差的关系8
2.2.2几种误差的定义9
2.2.3测量的准确度与精密度9
2.3误差原因分析9
2.4误差分类10
2.5误差的统计处理10
2.5.1随机误差概率及概率密度函数的性质11
2.5.2正态分布函数及其特征点11
2.5.3置信区间与置信概率12
2.6误差传递法则13
2.6.1误差传递法则13
2.6.2不等精度测量的加权及其误差14
2.7误差估计14
2.7.1平均值的误差表示方法14
2.7.2平均值与标准偏差的无偏估计15
2.7.3测量次数少的误差估计16
2.8粗大误差检验16
2.9测量不确定度16
2.9.1测量不确定度的由来16
2.9.2测量不确定度的分类17
2.9.3测量不确定度的评定方法18
2.10小二乘法及其应用20
2.10.1小二乘法原理20
2.10.2小二乘法在多元间接检测中的应用21
2.10.3小二乘法在曲线拟合中的应用22
思考题与习题23
3检测技术及方法分析24
3.1检测方法及其基本概念24
3.1.1开环型检测与闭环型检测24
3.1.2直接检测与间接检测25
3.1.3检测与比较检测25
3.1.4偏差法与零位法25
3.1.5强度变量检测与容量变量检测26
3.1.6微差法26
3.1.7替换法26
3.1.8能量变换与能量控制型检测元件26
3.1.9主动探索与信息反馈型检测27
3.2检测系统模型与结构分析27
3.2.1检测系统的基本功能27
3.2.2信号转换模型与信号选择性27
3.2.3检测系统的结构分析28
3.3提高检测精度的方法30
3.3.1时域信号选择方法30
3.3.2频域信号选择方法30
3.4多元化检测技术32
3.4.1多元检测与检测方程式32
3.4.2多元复合检测33
3.4.3多元识别检测34
3.4.4构造化检测35
3.4.5多点时空检测35
思考题与习题36

第二篇过程参数检测技术
4温度检测37
4.1测温方法及温标37
4.1.1测温原理及方法37
4.1.2温标37
4.2接触式测温39
4.2.1热电偶测温39
4.2.2热电阻测温49
4.2.3集成温度传感器54
4.3非接触式测温54
4.3.1辐射测温原理55
4.3.2辐射测温仪表的基本组成及常用方法55
4.3.3辐射测温仪表56
4.3.4辐射测温仪表的表观温度57
4.4光纤温度传感器58
4.4.1液晶光纤温度传感器59
4.4.2荧光光纤温度传感器59
4.4.3半导体光纤温度传感器59
4.4.4光纤辐射温度计59
4.5测温实例60
4.5.1管道内流体温度的测量60
4.5.2烟道中烟气温度的测量60
4.5.3非接触法测量物体表面温度61
思考题与习题61
5压力检测63
5.1压力单位及压力检测方法63
5.1.1压力的单位63
5.1.2压力的几种表示方法63
5.1.3压力检测的主要方法及分类64
5.2常用压力检测仪表65
5.2.1弹性压力计65
5.2.2力平衡式压力计68
5.2.3压力传感器68
5.3测压仪表的使用及压力检测系统72
5.3.1测压仪表的使用72
5.3.2压力检测系统73
思考题与习题74
6流量检测76
6.1流量检测基本概念76
6.1.1流量的概念和单位76
6.1.2流量测量涉及的流体力学基本概念76
6.1.3流量检测方法及流量计分类78
6.2体积流量检测方法80
6.2.1容积式流量计80
6.2.2差压式流量计82
6.2.3速度式流量计92
6.3质量流量检测方法101
6.3.1间接式质量流量测量方法101
6.3.2直接式质量流量计103
6.4流量标准装置105
6.4.1液体流量标准装置105
6.4.2气体流量标准装置107
思考题与习题107
7物位检测109
7.1物位的定义及物位检测仪表的分类109
7.1.1物位的定义109
7.1.2物位检测仪表的分类109
7.2常用物位检测仪表110
7.2.1静压式液位检测仪表110
7.2.2浮力式物位检测仪表112
7.2.3其他物位测量仪表114
7.3影响物位测量的因素118
7.3.1液位测量的特点118
7.3.2料位测量的特点118
7.3.3界位测量的特点119
思考题与习题119
8机械量检测120
8.1模拟式位移检测120
8.1.1电容式位移检测方法120
8.1.2电感式位移检测方法122
8.1.3差动变压器位移检测方法123
8.1.4光纤位移检测方法124
8.2光学数字式位移检测125
8.2.1光栅标尺125
8.2.2莫尔条纹标尺125
8.2.3激光扫描测长与图像检测126
8.2.4激光测距测速127
8.3转速检测127
8.3.1离心力检测法127
8.3.2光电码盘转速检测法127
8.3.3空间滤波器式检测法129
8.3.4MEMS陀螺仪测转速130
8.4力的检测方法131
8.4.1金属应变元件131
8.4.2半导体应变元件133
8.4.3压电效应133
8.4.4压敏导电橡胶134
8.5加速度与振动检测134
8.5.1加速度检测原理134
8.5.2动电型振动检测方法137
8.5.3微机械加速度传感元件138
思考题与习题139
9成分分析仪表140
9.1成分分析方法及分析系统的构成140
9.1.1成分分析方法及分类140
9.1.2自动分析系统的构成140
9.2几种工业用成分分析仪表141
9.2.1热导式气体分析器141
9.2.2红外线气体分析器143
9.2.3氧化锆氧分析器144
9.2.4气相色谱仪146
9.2.5半导体气敏传感器148
9.2.6工业酸度计151
9.3湿度的检测153
9.3.1湿度的表示方法及湿度检测的特点153
9.3.2干湿球湿度计154
9.3.3电解质系湿敏传感器154
9.3.4陶瓷湿敏传感器155
9.3.5高分子聚合物湿敏传感器155
思考题与习题156

第三篇仪表系统分析
10仪表系统及其理论分析157
10.1仪表发展概况157
10.2常用仪表分类及特性158
10.2.1常用仪表分类158
10.2.2电动单元组合仪表及DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型仪表比较159
10.3仪表输入输出静态特性分析160
10.3.1输入输出特性分析160
10.3.2仪表特性线性化处理分析161
10.4仪表系统建模162
10.4.1时域模型162
10.4.2频域模型163
10.4.3离散模型164
10.5仪表系统时域分析165
10.5.1时域分析指标165
10.5.2阶跃扰动动态特性分析166
10.5.3等速扰动动态特性分析166
10.6仪表系统频域分析167
10.6.1正弦扰动动态特性分析167
10.6.2频率响应Bode图分析168
10.6.3频带分析169
10.7混合仪表系统浅析170
10.7.1混合仪表系统建模170
10.7.2时域分析171
10.7.3频域分析171
思考题与习题172
11变送单元173
11.1常用变送器工作原理173
11.1.1常用变送器结构分析173
11.1.2力矩平衡式原理174
11.1.3桥式电路原理174
11.1.4差动方式原理175
11.2DDZ-Ⅲ型差压变送器176
11.3DDZ-Ⅲ型温度变送器179
11.3.1直流毫伏输入电路179
11.3.2热电偶输入电路180
11.3.3热电阻输入电路181
11.4新型变送器182
11.4.1微电子式变送器182
11.4.2数字式变送器184
思考题与习题184
12显示单元185
12.1显示仪表工作原理185
12.1.1显示仪表结构分析185
12.1.2电位差计式自动平衡原理186
12.1.3电桥式自动平衡原理186
12.1.4差动变压器式自动平衡原理187
12.2传统显示及记录仪表187
12.2.1电位差计式自动平衡显示仪表187
12.2.2电桥式自动平衡显示仪表188
12.3数字式显示及记录仪表191
12.3.1数字模拟混合记录仪191
12.3.2全数字式记录仪193
思考题与习题194
13调节控制单元195
13.1常规控制规律195
13.1.1典型控制系统195
13.1.2基本控制规律196
13.1.3常规控制规律197
13.1.4实用PID控制规律的构成200
13.2调节器控制规律的实现202
13.2.1DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律的实现202
13.2.2数字式调节器控制规律的实现207
13.3常规调节器基本电路分析209
13.3.1DDZ-Ⅲ型调节器基本电路分析209
13.3.2数字式调节器基本电路分析210
13.4可编程序调节器212
13.4.1可编程序调节器的工作原理212
13.4.2程序控制规律的构成和实现214
13.5先进调节器215
13.5.1增强型调节器215
13.5.2改进型PID控制算法217
思考题与习题218
14执行单元220
14.1执行器工作原理220
14.1.1执行器分类与比较220
14.1.2执行器基本构成及工作原理220
14.2气动执行器221
14.2.1气动执行器基本构成221
14.2.2阀门定位器222
14.3电动执行器223
14.4调节阀224
14.4.1调节阀工作原理224
14.4.2调节阀结构及分类225
14.4.3调节阀的流量特性227
14.4.4调节阀的流量系数228
思考题与习题228

第四篇系统控制技术
15计算机仪表控制系统230
15.1仪表控制系统230
15.1.1闭环回路控制系统230
15.1.2闭环回路连续特性分析231
15.1.3闭环回路数字化离散分析231
15.1.4闭环回路控制系统网络化分析232
15.2计算机控制系统234
15.2.1计算机控制系统的发展和评价234
15.2.2集中控制系统235
15.2.3集散控制系统235
15.2.4分布式控制系统236
15.3计算机控制系统发展趋势237
15.3.1控制系统的控制网络化237
15.3.2控制系统的系统扁平化238
思考题与习题239
16现场总线控制系统241
16.1现场总线控制系统的发展241
16.1.1现场总线的产生241
16.1.2现场总线系统的发展过程241
16.1.3底层总线系统242
16.1.4现场总线控制系统特征243
16.2主要现场总线系统244
16.2.1CAN总线系统244
16.2.2LonWorks总线系统246
16.2.3ProfiBus总线系统247
16.2.4FF总线系统248
16.3现场总线控制系统250
16.3.1现场总线单元设备250
16.3.2现场总线控制系统结构251
16.3.3现场总线系统集成与扩展252
16.4现场总线控制系统发展趋势255
16.4.1控制系统的组织重构化255
16.4.2控制系统的工作协调化255
思考题与习题256

第五篇现代检测与仪表技术
17虚拟仪器257
17.1虚拟仪器概念及发展257
17.2虚拟仪器结构和硬件模块258
17.3虚拟仪器的软件技术260
思考题与习题262
18软测量方法及技术263
18.1软测量概述263
18.2基于统计方法的软测量方法264
18.3基于状态估计的软测量方法266
18.4基于神经元网络技术的软测量方法266
18.5软测量方法应用实例267
思考题与习题271
19多传感器数据融合技术272
19.1多传感器数据融合概念272
19.2多传感器数据融合框架273
19.2.1多传感器数据融合中的传感器工作方式273
19.2.2多传感器数据融合结构275
19.3多传感器数据融合算法276
19.3.1基于Kalman滤波的多传感器数据融合方法276
19.3.2基于贝叶斯决策的多传感器数据融合方法281
19.3.3基于DS证据论的多传感器数据融合方法284
19.4多传感器数据融合应用实例287
思考题与习题289
20传感器网络290
20.1传感器网络的产生与发展290
20.1.1传感器网络290
20.1.2传感器网络的构成291
20.1.3传感器网络的发展291
20.2传感器网络功能与特点292
20.2.1传感器网络主要功能292
20.2.2传感器网络主要特点293
20.3传感器网络关键技术294
20.3.1自组织网络体系结构294
20.3.2自组织路由算法295
20.3.3信道接入技术296
20.3.4电源管理技术296
20.3.5微型化技术296
20.3.6协同检测与感知技术296
20.4传感器网络的延展和应用297
20.4.1物联网298
20.4.2车联网300
20.4.3传感器网络应用案例分析301
思考题与习题307
参考文献308