緒言

一、課程的意義

人們對自然界的認識，在很大程度上取決于檢測和儀表。無論是日常生活，還是工程、醫學、科學實驗等各個領域，都與檢測有著密切關系。例如，工業生產中，為了正確地指導生產操作，保證生產安全、產品質量和實現生產過程自動化，一項必不可少的工作，是準確而及時地檢測出生產過程中各有關參數。又如，在科學技術的發展中，新的發明和突破，都是以實驗測試為基礎的。1916年愛因斯坦提出的廣義相對論，由于當時不具備驗證的測試條件，而在將近半個世紀的時間內沒有得到很快的發展，后來天文學上的發現和許多精確的檢測技術對該理論進行了成功的驗證，才使廣義相對論重新得到重視和發展，這一事實說明科學和檢測之間的密切關系。各種新的設備，新的工藝過程的研究與產生，都與各參數的檢測有著密不可分的關系。工業生產的不斷發展和科學技術的突飛猛進，對檢測技術和儀表又提出了許多新要求，而新的檢測技術和儀表的出現，又進一步推動了科學技術的發展，故檢測技術的發展程度決定了科學技術的水平，換句話說，檢測技術和儀表是現代科學技術水平高低的一個標志。

二、課程討論的內容

在過程工業中，由于處理和生產的物質是各種各樣的，因而相應的生產過程類型各不相同，物質形態各異，可能是氣態、液態、固態和混合態。物質的性質可能是腐蝕性的、黏稠的、易揮發的等千變萬化。對于這樣復雜的生產過程的管理和控制，首先必須取得過程中各裝置、設備工況以及各種物質的組分、儲存、輸送、能量變化和動力供應等信息。而這些信息的取得，必須由檢測工具和顯示裝置來承擔，因此檢測方法及檢測元件的種類必定很多，而它們所處的環境條件又相差懸殊，因而檢測系統設計和組成也是千變萬化的，不可能也沒有必要一一加以介紹。所以，本書以使讀者掌握共性的檢測技術的基本理論和檢測、變換的物理方法和概念為基礎，通過典型示例，舉一反三，著重介紹檢測系統的特性分析及系統設計。關于參數的顯示，主要分析帶微處理器的數字及屏幕顯示裝置。近年來隨著計算機多媒體技術、網絡技術和通信技術的發展，集散控制系統（DCS）和現場總線儀表系統在工業中的應用日益廣泛，其數據采集和顯示也得以應用。本書對集散控制系統（現場總線儀表系統也類似）的數據采集和顯示的一些基本概念和功能分類給予一定程度的闡述，其組成的部分模塊電路原理，及應用時工程量的標度變換等，在數字儀表和屏幕顯示裝置中有較詳盡的分析和示例。本書還增加了智能檢測技術和現場總線儀表的相關知識。所謂智能檢測技術就是將人工智能的技術和方法引入參數的檢測。智能檢測技術主要對難測參數（現有檢測儀表測量誤差大或者沒有合適檢測儀表）和測量精度要求高的重要設備和對象的參數進行測量。本書主要對智能檢測技術中的軟測量技術和虛擬儀表技術進行介紹。書中闡述了軟測量的基本概念，并給出了簡單直觀的示例，以拓展學習者的學科視野。而虛擬儀表以通用微型計算機的軟、硬件資源為基礎，將儀表功能板插入計算機或直接與微型計算機連接，使計算機具有儀表的功能。

現場總線檢測儀表是將現場總線系統引入到現場檢測儀表。和傳統檢測儀表相比，現場總線儀表具有數字化、多參數化、多功能化等特點，它不僅具有自動化測量、數據處理和模擬人工智能的功能，而且還具備了遠程測量硬件重構等功能，適用于對象規模日益龐大的工業現場的參數檢測。通過引入這些現代檢測技術，讓學習者了解在計算機技術、微電子技術和數字通信技術、網絡技術飛速發展的今天，檢測系統也不是一成不變的，它不斷將當今先進科學技術融合進來，儀表功能也不僅僅是測量，而是檢測、數據處理、顯示和通信甚至控制為一體的。因此大家在學習時，必須融會貫通，掌握精髓，不局限于檢測和儀表的范圍之內。

三、檢測技術及儀表發展概況

工業生產的不斷發展，對檢測技術提出了新的要求。隨著科學技術的進步，新的檢測理論和檢測方法也逐漸出現，因而出現了各種新的檢測工具，這就有可能開拓新的檢測領域。可以從以下幾個方面來看檢測技術及儀表的發展。

（1）檢測信號數字化　隨著計算機技術和數字通信技術的發展，檢測信號數字化，是當前的主要趨勢之一，它利于信息的傳輸、存儲、運算、處理、判斷和顯示，同時還可以提高檢測的可靠性和穩定性，使儀表的精度有較大提高，抗干擾能力加強，也為綜合自動化提供了堅實的基礎。

（2）檢測理論方面　隨著科學技術的發展，生產規模的擴大和強度的提高，對于生產的控制與管理要求也越來越高，因而需要收集生產過程中的信息的種類也越來越多，這就對過程參數檢測提出了更高要求。由于過程參數的檢測理論和方法與物理、化學、電子學、激光、材料、信息等學科密切相關，隨著這些學科的發展，檢測技術覆蓋的范圍也相應增大，不僅能對過程的操作參數，如溫度、壓力等進行檢測，也能對物料或產品的成分進行檢測，甚至對物性、噪聲、厚度、泄露、火焰、顆粒尺寸及分布等也能進行檢測。近年來隨著信息類學科的發展，智能檢測技術快速發展并廣泛用于檢測領域，從而實現對傳統檢測方法無法測量的參數進行檢測和估計。例如油田汽驅現場的濕蒸汽干度檢測，多通過人工手動檢測實現，而利用神經網絡軟測量模型可以快速準確地實現對濕蒸汽干度的估計，同時可以有效地消除干擾噪聲。將模糊推理技術引入檢測儀表構成模糊傳感器，可以使儀表具有識別和判斷能力。

（3）檢測領域方面　科學技術的發展，生活水平的提高，極大地擴展了人類的活動范圍。對檢測的影響，首先反映在新的檢測對象、檢測領域和檢測要求。例如，隨著工業生產的發展，工業中的“三廢”對自然界造成了嚴重污染，破壞了生態平衡和人類賴以生存的自然環境。為了保護環境，改善污染問題，就需要對環境所含的各種雜質進行微量檢測并加以控制，這就需要制造新的靈敏度極高的檢測元件和尋找新的檢測方法。隨著過程工業不斷發展，生產過程中的參數檢測已逐漸由表征生產過程間接參數如溫度、流量、壓力、物位等轉向表征生產過程本質的物性、成分、氣分和能量等參數的檢測；同時對于裝置的檢測，也已逐漸由單參數轉向多參數的綜合檢測；參數的顯示，也由模擬式轉向數字式圖像顯示。檢測范圍也從工業生產擴展到日常生活之中，如出現了聲音、味道、視頻等信號的檢測等。

（4）檢測器件、檢測方法和儀表　一方面，隨著新的檢測領域的出現，新的檢測方法和檢測工具也隨之出現。如利用激光脈沖原理測量大距離（如地球到月球距離），可以大大提高精度。仿照動物某些方面的超常能力研制的仿生傳感器（如視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器等），利用量子力學諸效應研制的高靈敏度傳感器，響應速度極快的紅外傳感器、光纖傳感器等新的檢測器件不斷涌現。另一方面，隨著計算機技術、微電子技術、通信和網絡技術的突飛猛進，儀表功能也大大擴展。在儀表中嵌入微處理器、圖形處理器等各種功能模塊，可實現數據分析、計算、處理、檢驗、存儲等功能，實現了原來單個儀表無法實現的諸多功能，大大提高了測量效率、測量精度和測量的經濟性。如質量流量智能檢測儀，利用微處理器等模塊能存儲大量數據和高速運算的特點，可對飽和蒸汽進行溫度、壓力補償，同時還可以隨時根據工況變化對流量系數進行即時修正，獲得高精度的質量流量檢測；現場總線的逐步應用，為信號的傳輸提供了條件，使得單信號傳輸逐步過渡到多信號傳輸；隨著產品的日益豐富，各大公司都建立了自己的通信網絡和接口，以實現與其他公司的網絡連接，這樣便可以真正實現系統集成，例如生產過程自動化、樓宇自動化、保安自動化、消防自動化等各系統通過各自接口，使不同功能的系統集成為一個整體，最終形成綜合自動化。