緒　　論

一、過(guò)程檢測(cè)的對(duì)象與需求

在工業(yè)生產(chǎn)中，反映過(guò)程的參數(shù)常見有溫度、壓力、流量、物位、成分、密度等。這些參數(shù)的檢測(cè)構(gòu)成了過(guò)程檢測(cè)的基本內(nèi)容，這對(duì)于保證產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量，對(duì)于企業(yè)節(jié)能降耗增效，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)于保障安全生產(chǎn)，都起著十分重要的作用。

過(guò)程檢測(cè)是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分。實(shí)施任何一種控制，首要問(wèn)題是要準(zhǔn)確及時(shí)地把被控參數(shù)檢測(cè)出來(lái)，并變換成為調(diào)節(jié)、控制裝置可識(shí)別的方式，作為過(guò)程控制裝置判斷生產(chǎn)過(guò)程的依據(jù)。因此，過(guò)程檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、改善工作環(huán)境、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要環(huán)節(jié)。如加熱爐的溫度控制，首先應(yīng)對(duì)被測(cè)對(duì)象即爐膛內(nèi)爐溫進(jìn)行測(cè)定，將測(cè)定數(shù)據(jù)提供給操作人員掌握爐況，并將此工況值送入調(diào)節(jié)或控制裝置以便實(shí)施自動(dòng)控制爐溫。

二、檢測(cè)系統(tǒng)的組成與功能

檢測(cè)系統(tǒng)的主要作用在于測(cè)量各種參數(shù)以用于顯示或控制。為實(shí)施測(cè)量，一般檢測(cè)系統(tǒng)都包括以下幾部分：傳感器、測(cè)量電路、顯示或輸出部分。當(dāng)然，根據(jù)傳感器輸出測(cè)量信號(hào)的形式不同及測(cè)量系統(tǒng)的功能不同，檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成也相應(yīng)地有所區(qū)別。圖1所示的計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、基本轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)預(yù)處理電路、微機(jī)處理、輸出等環(huán)節(jié)組成。其中，基本轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)預(yù)處理電路統(tǒng)稱為測(cè)量電路。

（1）傳感器

傳感器是將各種非電量（包括物理量、化學(xué)量和生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量（一般為電量）的裝置。傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)及控制的首要環(huán)節(jié)。

（2）測(cè)量電路

測(cè)量電路的功能是將傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)必要的轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理，使之便于驅(qū)動(dòng)顯示、記錄、執(zhí)行機(jī)構(gòu)或進(jìn)行微機(jī)數(shù)據(jù)處理。測(cè)量電路的組成與傳感器輸出測(cè)量信號(hào)的形式及測(cè)量系統(tǒng)（或儀器）功能要求有關(guān)，由此決定測(cè)量電路的類型，其中絕大部分為模擬量測(cè)量電路。圖2所示為模擬量測(cè)量電路的基本構(gòu)成方框圖。

（3）微機(jī)數(shù)據(jù)處理

微機(jī)在檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，使檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及虛擬設(shè)備技術(shù)等都是計(jì)算機(jī)技術(shù)在測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用的結(jié)果。

測(cè)量數(shù)據(jù)的微機(jī)處理，不僅可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、推理，產(chǎn)生控制量，還可以用數(shù)字、圖表顯示測(cè)量結(jié)果。如果在微機(jī)中采用多媒體技術(shù)，可使測(cè)量結(jié)果的顯示豐富多彩。

（4）顯示輸出部分

顯示輸出部分是檢測(cè)系統(tǒng)向觀察者顯示或輸出被測(cè)量數(shù)值的裝置。顯示輸出部分包含顯示和打印記錄裝置、數(shù)據(jù)處理和控制裝置等，它們不僅可以實(shí)時(shí)檢測(cè)，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的控制。目前，顯示方式可分為指針式、數(shù)字式、屏幕式三種。

三、檢測(cè)系統(tǒng)的分類

在生產(chǎn)過(guò)程中，不同行業(yè)生產(chǎn)流程復(fù)雜多樣，被測(cè)對(duì)象多樣性和復(fù)雜化對(duì)過(guò)程檢測(cè)提出了諸多要求。從企業(yè)的原輔材料、燃料進(jìn)廠到生產(chǎn)過(guò)程安全、環(huán)保、質(zhì)量、產(chǎn)品監(jiān)控等，均涉及檢測(cè)問(wèn)題。下面介紹常見的檢測(cè)分類方法。

（1）按被測(cè)參數(shù)分類

常見的被測(cè)參數(shù)有過(guò)程參數(shù)、電氣參數(shù)、機(jī)械參數(shù)等幾大類。

電氣參數(shù)有電能、電流、電壓、頻率等。

機(jī)械參數(shù)有質(zhì)量、距離、振動(dòng)、缺陷檢查、故障診斷等。

過(guò)程參數(shù)主要是熱工參數(shù)，通常又可細(xì)分為溫度、壓力、流量、物位、濕度、密度、成分分析等。每種參數(shù)被測(cè)對(duì)象范圍、特性不同需采用檢測(cè)方法和裝置不同，因此過(guò)程參數(shù)檢測(cè)儀表用量大、檢測(cè)介質(zhì)多變、所處環(huán)境惡劣，故本書重點(diǎn)講述這類非電量的過(guò)程參數(shù)。

（2）按使用性質(zhì)分類

檢測(cè)儀表使用場(chǎng)合不同決定其使用性質(zhì)的差異，通常可據(jù)此分為工業(yè)用表、實(shí)驗(yàn)室儀表和標(biāo)準(zhǔn)表三種。

工業(yè)用表，是指在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用的儀表，為數(shù)最多，根據(jù)安裝地點(diǎn)的不同又分為現(xiàn)場(chǎng)安裝和控制室安裝。

實(shí)驗(yàn)室儀表精確度比工業(yè)儀表高，但對(duì)使用環(huán)境如溫度、濕度、振動(dòng)等要求較嚴(yán)，往往無(wú)需特殊的防水、防塵措施，宜在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。

標(biāo)準(zhǔn)表是專用于校準(zhǔn)工業(yè)用表和實(shí)驗(yàn)室儀表的。各企業(yè)使用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)表時(shí)須經(jīng)所在地計(jì)量部門定期檢定，獲得有效檢定合格證書方可使用。

（3）按是否接觸被測(cè)介質(zhì)分類

可分為接觸式和非接觸式檢測(cè)儀表。

接觸式儀表的檢測(cè)元件與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，感受被測(cè)量的作用或變化，從而獲得測(cè)量信號(hào)。如熱電阻溫度計(jì)測(cè)溫、電容式物位計(jì)測(cè)物位等都是接觸式，其測(cè)量結(jié)果較準(zhǔn)確，但易受介質(zhì)物理、化學(xué)性質(zhì)影響。

非接觸式儀表不直接接觸被測(cè)介質(zhì)，而是間接感受被測(cè)量的變化達(dá)到檢測(cè)目的。如輻射溫度計(jì)不與被測(cè)物直接接觸，而是接收被測(cè)物熱輻射的能量并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再按輻射定律以溫度值顯示出來(lái)。其特點(diǎn)是不受被測(cè)對(duì)象污染或影響，使用壽命長(zhǎng)，適用于接觸式儀表某些難以勝任的場(chǎng)合，但測(cè)量精度一般比接觸式略低。

（4）按被測(cè)對(duì)象狀態(tài)分類

檢測(cè)儀表按被測(cè)對(duì)象狀態(tài)可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量。靜態(tài)測(cè)量是指被測(cè)對(duì)象處于穩(wěn)定狀態(tài)，其被測(cè)參數(shù)不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間緩慢變化；動(dòng)態(tài)測(cè)量是指被測(cè)對(duì)象處于不穩(wěn)定狀態(tài)，或被測(cè)參數(shù)隨時(shí)間變化的情況下實(shí)施的測(cè)量。

（5）按儀表各環(huán)節(jié)連接方式分類

如前所述，檢測(cè)儀表是由傳感器、測(cè)量電路及顯示輸出部分等環(huán)節(jié)組成，這些內(nèi)部環(huán)節(jié)的連接方式不同，使檢測(cè)儀表有開環(huán)式與閉環(huán)式之分。

開環(huán)式儀表中各環(huán)節(jié)按開環(huán)方式連接，如圖3所示，儀表中前一環(huán)節(jié)的輸出是后一環(huán)節(jié)的輸入，首尾相接形成測(cè)量鏈，信號(hào)由輸入端到輸出端沿一個(gè)方向傳遞。

閉環(huán)式儀表又稱反饋式儀表，如圖4所示。閉環(huán)式儀表最大特點(diǎn)是整個(gè)儀表的傳遞函數(shù)只與反饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)Kf有關(guān)，而與各串聯(lián)環(huán)節(jié)無(wú)關(guān)，故在很大程度上消除或減少了其他環(huán)節(jié)的影響。

四、檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

目前，非電量測(cè)量技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)如下。

（1）不斷擴(kuò)大測(cè)量范圍，提高可靠性和精度

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)量技術(shù)要求不斷提高，尤其是測(cè)量范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。如為滿足超低溫技術(shù)發(fā)展的要求，利用超導(dǎo)體的約瑟夫遜效應(yīng)已開發(fā)出能測(cè)量10-6K的超低溫傳感器；輻射型溫度傳感器最高測(cè)量溫度原理上可達(dá)105K，但可控聚核反應(yīng)理想溫度卻要達(dá)到108K，這就要求超高溫測(cè)量范圍還要進(jìn)一步擴(kuò)大。此外，超高壓測(cè)量、大噸位如3×107N以上測(cè)量等也都需要擴(kuò)大測(cè)量范圍。

隨著測(cè)量范圍的不斷擴(kuò)大，測(cè)量環(huán)境將變得越來(lái)越復(fù)雜和惡劣，這就要求測(cè)量的可靠性隨之提高。如導(dǎo)彈和衛(wèi)星上安裝的測(cè)量?jī)x器，既要能耐高溫，又要能在極低溫和強(qiáng)輻射的環(huán)境下保持正常工作，因此，它必須有極高的可靠性和工作壽命。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)量精度要求也在不斷提高。因?yàn)椋挥袦y(cè)量精度更高，才能更準(zhǔn)確地反映被測(cè)量的真實(shí)情況。

（2）開發(fā)集成化、一體化、多功能化的傳感器

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在部分傳感器實(shí)現(xiàn)了傳感器與信號(hào)調(diào)節(jié)電路的集成化、一體化。在半導(dǎo)體技術(shù)基礎(chǔ)上，利用某些固體材料的物理性質(zhì)變化（機(jī)械特性、電特性、熱特性等）實(shí)現(xiàn)物理量的變換，同時(shí)把測(cè)量電路也集成在一起，可以直接轉(zhuǎn)換出所需要的電信號(hào)供顯示輸出單元使用。如壓阻式傳感器、集成溫度傳感器等。多功能化是指把兩種或兩種以上敏感元件集成于一體，在一塊芯片上可實(shí)現(xiàn)多種功能。如半導(dǎo)體溫濕敏傳感器、多功能氣體傳感器等。

（3）非接觸測(cè)量技術(shù)

接觸式測(cè)量是把傳感器安裝在被測(cè)對(duì)象上，直接感受其物理量的變化，但在有些情況下，這會(huì)使被測(cè)對(duì)象工作狀態(tài)受到干擾。如溫度傳感器貼在被測(cè)物體上，會(huì)使被測(cè)物體散熱、導(dǎo)熱狀態(tài)發(fā)生變化，影響測(cè)溫精度。此外，有些被測(cè)體上不可能安裝傳感器，如測(cè)量高速旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等。因此，非接觸測(cè)量技術(shù)越來(lái)越受重視，已開發(fā)出光電式、電渦流式、超聲波及微波等傳感器，同時(shí)人們也正在研究利用其他的原理及方法進(jìn)行非接觸測(cè)量。

（4）利用計(jì)算機(jī)技術(shù)使測(cè)量智能化，提高測(cè)試水平

自從微處理器特別是單片機(jī)問(wèn)世以來(lái)，使傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器變?yōu)橹悄軆x器，增加了功能，提高了精度。智能儀器一般都可以完成自校準(zhǔn)、自調(diào)零、自動(dòng)測(cè)試，并能對(duì)傳感器非線性進(jìn)行校正，從而提高測(cè)量精度，增加可靠性。

此外，配備計(jì)算機(jī)大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可同時(shí)采集多達(dá)數(shù)千路信號(hào)，并可根據(jù)誤差理論自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)處理，其處理后的結(jié)果，既可以用磁盤長(zhǎng)期儲(chǔ)存、用打印機(jī)打印、用繪圖儀繪出曲線，又可以在計(jì)算機(jī)屏幕上觀看。因此，大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)采集的功能和測(cè)量水平。

20世紀(jì)末，國(guó)外提出了虛擬儀器的概念。在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，利用與此計(jì)算機(jī)相配的硬件板卡和組態(tài)軟件組成具有測(cè)量控制功能的系統(tǒng)。在虛擬儀器中軟件集成了數(shù)據(jù)采集、控制、處理、打印輸出及用戶界面等功能，用戶可以根據(jù)自己的需要，組建自己專用的測(cè)量?jī)x器，打破了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器由廠家定義而用戶無(wú)法改變的方式，給測(cè)量領(lǐng)域注入了新觀念。