?自動檢測技術及儀表?2021年2月湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院自動化系楊樺〔一〕1-1：實現(xiàn)自動化的意義及主要內(nèi)容1-2：自動化及儀表的開展及應用1-3：自動檢測技術的開展及應用1-4：學習自動化的意義1-5：討論、思考題、作業(yè)目錄第一章：緒論第一章緒論主要內(nèi)容：自動化的開展與應用實現(xiàn)自動化的目的及主要內(nèi)容自動檢測技術的開展與應用自動化儀表的開展與應用課程學習的目的與要求1何為自動化？2如何來構筑一個控制系統(tǒng)3自動化的主要內(nèi)容4自動檢測技術、自動化儀表的簡要開展過程5自動檢測技術的作用及開展6自動化儀表的作用及信號制7本課程的主要知識點第一章緒論

1-1實現(xiàn)自動化的意義及主要內(nèi)容

一、日常生活中的自動控制模式1.洗衣機的控制：如標準漂洗過程→45分鐘→：開始注水→洗滌〔20min〕→排水→脫水〔4min〕→漂洗1〔6min〕→排水→脫水〔4min〕→漂洗2〔6min〕→排水→脫水〔5min〕→結束漂洗過程說明：啟動后按照預設先定好的步驟和時間，逐項自動進行〔通常時間也是廠家設好的〕。系統(tǒng)特點：開環(huán)控制系統(tǒng)工作和生活中常有自動化一說，何為自動化？2.

普通空調(diào)的控制制冷過程說明：開機后，按照預設先定好的溫度值，對環(huán)境溫度進行循環(huán)溫度檢測，比較檢測結果和設定溫度值，根據(jù)比較后的差值進行空調(diào)壓縮機的開停調(diào)節(jié)，由此保證環(huán)境溫度和設定溫度的一致。系統(tǒng)特點：位式調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)3.

變頻空調(diào)的控制制冷過程說明：開機后，按照預設先定好的溫度值，對環(huán)境溫度進行循環(huán)溫度檢測，比較檢測結果和設定溫度值，根據(jù)比較后的差值進行控制空調(diào)壓縮機的運轉(zhuǎn)方向和速度，由此保證環(huán)境溫度和設定溫度的一致。系統(tǒng)特點：連續(xù)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)4.工業(yè)過程的控制

控制過程說明：人工控制時通過眼、腦、手完成液位控制；采用了自動化儀表后，由自動化裝置自動完成液位參數(shù)的自動檢測、自動比較分析、自動調(diào)節(jié)等作用，自動的將液位控制在設工藝定值上。系統(tǒng)特點：連續(xù)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)

5.控制方式的比較

手動與自動開環(huán)與閉環(huán)開環(huán)系統(tǒng)：自動機在操作時，一旦開機，就只能是按照預先規(guī)定好的程序周而復始地運轉(zhuǎn)。這時被控變量如果發(fā)生了變化，自動機不會自動地根據(jù)被控變量的實際工況來改變自己的操作。開環(huán)——系統(tǒng)的輸出沒有被反響回輸入端，執(zhí)行器僅只根據(jù)輸入信號進行控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)，此時系統(tǒng)的輸出與設定值與測量值之間的偏差無關。閉環(huán)系統(tǒng)：有針對性地根據(jù)被控變量的變化情況而改變控制作用的大小和方向，從而使系統(tǒng)的工作狀態(tài)始終等于或接近于所希望的狀態(tài)。閉環(huán)——系統(tǒng)的輸出被反響到輸入端并與設定值進行比較的系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)，此時系統(tǒng)根據(jù)設定值與測量值的偏差進行控制，直至消除偏差二、自動化的定義在工藝設備上，配備一些技術先進的設備〔也稱為自動化裝置〕，用它們來代替操作人員的〔眼睛、大腦、手等〕直接勞動，使生產(chǎn)在不同程度上按照規(guī)定的要求自動地進行。自動化即是：用自動化裝置來管理和操縱設備〔生產(chǎn)過程〕，使之按要求正常運行。從工藝的角度上講：所謂自動化是使工藝參數(shù)保持在需要的值或狀態(tài)上；從控制的角度上講：所謂自動化是使生產(chǎn)過程按照一定的程序或步驟運行，保證生產(chǎn)過程運行在最正確狀態(tài)上〔最高目標〕。三、實現(xiàn)自動化的目的1、提高勞動效率、減輕勞動強度、改善勞動條件；表現(xiàn)在：自動化生產(chǎn)可以減輕操作人員的勞動強度，防止從事危險的操作，特別是在易燃、易爆、有毒、腐蝕性、刺激性的生產(chǎn)過程中更是如此。2、提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證生產(chǎn)平安、延長設備的使用壽命等；表現(xiàn)在：加快生產(chǎn)速度、減低本錢、提高產(chǎn)量和質(zhì)量、增加產(chǎn)品的附加值。例如：聚合反響釜控制不當極易發(fā)生爆炸。3、滿足現(xiàn)代工業(yè)規(guī)模化、速度化、精確化的要求。表現(xiàn)在：生產(chǎn)過程趨向于大型化、復雜化，沒有自控系統(tǒng)將無法生產(chǎn)；先進生產(chǎn)工藝、環(huán)保等對自動化的要求日益提高?？傊鹤詣涌刂萍夹g已經(jīng)成了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)平安、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的根本條件和重要保證。四、自動化的意義〔1〕自動化是提高社會生產(chǎn)力的有力工具之一；〔2〕自動化水平是衡量國家興旺程度的重要標志；表現(xiàn)在：無人化生產(chǎn)、優(yōu)越的生產(chǎn)環(huán)境、優(yōu)秀的產(chǎn)品質(zhì)量……〔3〕“儀表、控制和自動化技術“決定現(xiàn)代企業(yè)的興衰；〔4〕〔計算機〕控制系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的神經(jīng)中樞。表現(xiàn)在：控制數(shù)量、控制速度、控制精度、復雜控制模式、算法等…….五、自動化的主要內(nèi)容1、自動檢測系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng)利用各種檢測儀表對工藝參數(shù)進行測量、指示或記錄。它代替了操作人員對工藝參數(shù)的不斷觀察與記錄，起到人的眼睛的作用。檢測技術及儀表是完成對各種過程參數(shù)的測量，并實現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)處理的功能單元。自動檢測系統(tǒng)特點：開環(huán)系統(tǒng)被測信號形式：多種〔電量、非電量〕工業(yè)生產(chǎn)過程中被測量為非電量〔參量〕信號形式，如壓力、溫度、流量、物位、成份等。自動檢測系統(tǒng)結構如下：

2、自動控制系統(tǒng)當被控制變量在受到外界干擾〔擾動〕的影響而偏離工藝要求的數(shù)值時，自動控制系統(tǒng)能克服干擾，自動地將被控變量控制回到工藝規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。控制技術及儀表那么是實現(xiàn)各種控制作用的手段和條件，它將檢測得到的數(shù)據(jù)進行運算處理，并通過相應的功能單元實現(xiàn)對被控變量的調(diào)節(jié)。自動控制系統(tǒng)特點：閉環(huán)負反響控制系統(tǒng)被控變量的信號形式：多種〔電量、非電量〕工業(yè)生產(chǎn)過程中被控變量為非電量〔參量〕信號形式，如壓力、溫度、流量、物位、成份等。系統(tǒng)結構如下：要實現(xiàn)自動控制，系統(tǒng)必須閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件是負反響。3、自動信號聯(lián)鎖保護系統(tǒng)當工藝參數(shù)超過了允許范圍，在事故即將發(fā)生以前，信號系統(tǒng)就自動地發(fā)出聲光信號，提醒操作人員注意，并及時采取措施。如工況已到達危險狀態(tài)時，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動采取緊急措施，翻開平安閥或切斷某些通路，必要時緊急停車，以防止事故的發(fā)生和擴大。它是生產(chǎn)過程中的一種平安裝置。系統(tǒng)特點：電氣控制系統(tǒng)開關量信號形式4.自動操縱及自動開、停車系統(tǒng)自動操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設備進行某種周期性操作。自動開停車系統(tǒng)可以按照預先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動地投入運行或自動停車。系統(tǒng)特點：電氣控制系統(tǒng)開關量信號形式1-2自動化及儀表的開展及應用自動控制的本質(zhì)：是指應用自動化儀器儀表、自動控制裝置代替人，自動地對儀器設備或工業(yè)生產(chǎn)過程進行控制，使之有目的地修正被控對象的動力學行為，以到達預期的狀態(tài)或滿足預期的性能要求?？刂茊栴}的本質(zhì)：就是要求基于對象內(nèi)在的動力學本質(zhì)和規(guī)律，運用適當?shù)臄?shù)學工具求取問題的解?！翱刂屁曔@一概念本身即反映了人們對征服自然與外在的渴望，作為自動控制科學的核心的控制理論與技術也自然而然地在人們征服自然與改造自然的歷史中開展起來。一、控制理論的簡要開展過程主要分為2大類： 經(jīng)典控制理論 現(xiàn)代控制理論1、經(jīng)典控制理論〔40年代末到50年代〕經(jīng)典控制理論建立在傳遞函數(shù)根底上的，主要針對線性定常、單輸入單輸出對象，基于反響控制的主導思想，完成控制系統(tǒng)的穩(wěn)定定任務。實現(xiàn)了：單機自動化；局部自動化；單變量控制；自動調(diào)節(jié)器；伺服系統(tǒng)的應用與開展。經(jīng)典控制理論最輝煌的成果首推PID控制規(guī)律，直到目前，在工業(yè)過程控制中仍然被廣泛應用。〔90％以上〕2、現(xiàn)代控制理論

60年代，由于工業(yè)生產(chǎn)過程向著大型化、連續(xù)化的方向開展，經(jīng)典控制理論已無法滿足解決多變量、非線性、不確定性以及最正確性能要求等問題的需要。此時控制理論上出現(xiàn)了以狀態(tài)空間法為根底，以極小值原理和動態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為根本特征的現(xiàn)代控制理論?，F(xiàn)代控制理論開展的根底：Pontryagin提出的“極大值原理Bellman提出的動態(tài)規(guī)劃理論Kalman濾涉及其能控、能觀和反響鎮(zhèn)定理論Lyapunov穩(wěn)定性理論實現(xiàn)了：傳統(tǒng)的單輸入單輸出系統(tǒng)開展到多輸入多輸出的多變量控制系統(tǒng)；最優(yōu)控制；多種變化因素；航天系統(tǒng)；導彈系統(tǒng)；人造衛(wèi)星等的應用與開展。

現(xiàn)代控制理論主要研究分支有：自適應控制魯棒控制非線性控制大系統(tǒng)理論模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡控制預測控制……70年代是大系統(tǒng)理論時期，隨著工業(yè)生產(chǎn)過程向著大型化、連續(xù)化的方向開展，逐步實現(xiàn)了：規(guī)模龐大、結構復雜、變量參數(shù)多、目標不單一、生物系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、機器人等多方面的控制系統(tǒng)的開發(fā)和應用，以滿足社會對控制越來越高要求?？刂葡到y(tǒng)的漸趨復雜在在整體結構上，表現(xiàn)為非線性、時變性、無窮維、多層次等；在處理信息上，表現(xiàn)為不確定性、隨機性、不完全性等。對控制的要求是：穩(wěn)定控制＋最優(yōu)控制。開展前景：向大系統(tǒng)理論開展----規(guī)模龐大結構復雜功能綜合因數(shù)眾多……向智能控制系統(tǒng)開展----自組織自學習自修復自繁殖……經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論二者的關系對于經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論而言，并非意味著相互的否認和排斥，它們之間有著共同開展、互相滲透、相互結合的開展關系。需要提出的是，在當今的過程控制領域中，幾乎有90％以上的控制回路仍然沿用經(jīng)典的PID控制算法或PID控制算法的變形，并能夠獲取比較滿意的控制效果。控制論的根本概念和方法是人類認識史上的一個飛躍，開辟了認識世界的新途徑?？刂评碚撘研纬闪艘岳碚摽刂普摓橹行牡乃拇蠓种А惨灿胁煌址ā常汗こ炭刂普摚杭夹g系統(tǒng)工程系統(tǒng)生物控制論：生物系統(tǒng)社會控制論：社會系統(tǒng)智能控制論：思維系統(tǒng)20世紀40年代以前根本上屬于手工操作狀態(tài)，只有少量的檢測儀表用于生產(chǎn)過程，操作人員主要根據(jù)觀測到的反映生產(chǎn)過程的關鍵參數(shù)，用人工來改變操作條件，憑經(jīng)驗去控制生產(chǎn)過程。20世紀40年代末～50年代：基地儀表與局部自動化階段，其特點是：自動化儀表：采用的是基地式儀表和局部單元組合儀表〔氣動QDZ-Ⅰ型和電動DDZ-Ⅰ型〕。DDZ-Ⅰ型儀表核心器件：電子管作為主要放大元件。控制方案：多為單輸入、單輸出簡單控制系統(tǒng)控制理論：以反響為中心的經(jīng)典控制理論二、儀表及自動化的開展過程20世紀60年代：儀表自動化階段自動化儀表：單元組合儀表〔QDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅱ型〕成為主流產(chǎn)品。DDZ-Ⅱ型儀表核心器件：晶體管作為主要放大元件。60年代后期，出現(xiàn)了專門用于過程控制的小型計算機，直接數(shù)字控制系統(tǒng)和監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)開始應用于過程控制領域?？刂品桨福捍?、比值、均勻、前饋和選擇性等多種復雜控制系統(tǒng)?？刂颇康模菏潜３止I(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，減少擾動，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程的集中控制。以單回路PID〔比例、積分、微分〕控制策略為主，同時針對不同的對象與要求，制造一些專門的控制器，如物料按比例配置的比值控制；克服大滯后的Smith預估器；克服特定干擾的前饋控制器等?？刂评碚摚含F(xiàn)代控制理論20世紀70～80年代：計算機、DCS控制全盤自動化階段自動化儀表：核心器件：線性集成電路、微處理器QDZ-Ⅲ型和DDZ-Ⅲ型、以微處理器為主要構成單元的智能控制裝置、集散控制系統(tǒng)〔DCS〕、可編程邏輯控制器〔PLC〕、工業(yè)PC機、和數(shù)字控制器等，已成為控制裝置的主流?？刂品桨福鹤顑?yōu)控制、非線性分布式參數(shù)控制、解耦控制、模糊控制?？刂评碚摚捍笙到y(tǒng)理論、智能控制理論、模糊控制、專家系統(tǒng)控制、模式識別技術。20世紀90年代至今：現(xiàn)場總線、計算機集成過程系統(tǒng)自動化儀表：核心器件：高性能微處理器總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，引起過程控制系統(tǒng)體系結構和功能結構上的重大變革?，F(xiàn)場儀表的數(shù)字化和智能化，形成了真正意義上的全數(shù)字過程控制系統(tǒng)。出現(xiàn)各種智能儀表、變送器、無紙紀錄儀。

控制方案：管控一體化現(xiàn)場，綜合自動化是當今生產(chǎn)過程控制的開展方向?？刂评碚摚喝斯ぶ悄?、神經(jīng)網(wǎng)絡控制。50多年來，中國控制儀表和控制系統(tǒng)在經(jīng)歷了氣動基地式儀表、電動〔氣動〕單元組合儀表、智能數(shù)字調(diào)節(jié)器幾代控制儀表的開展過程后，進入了DCS、PLC、FCS、PCBCS控制系統(tǒng)并存的時代。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，1969年問世的PLC可編程控制器和1975年問世的DCS集散控制系統(tǒng)可能是兩類影響最為深遠的計算機控制系統(tǒng)。PLC的問世取代了繼電器之類的器件，實現(xiàn)了開關量的連鎖控制、程序控制；DCS的問世取代了顯示儀、調(diào)節(jié)器之類的儀表，實現(xiàn)了模擬量的指示、記錄和PID回路調(diào)節(jié)等功能。20世紀80年代末期，隨著計算機技術、通信技術、集成電路技術、智能傳感器技術的開展而出現(xiàn)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)〔FieldbusControlSystem,FCS〕改變了原有控制系統(tǒng)的結構，使控制系統(tǒng)由封閉向開放走出了重要的一步。20世紀90年代中期，以PC為根底的控制系統(tǒng)〔PC-BasedControlSystem，PCBCS〕開始出現(xiàn)，不少學者認為它將是工業(yè)自動化領域最具開展?jié)摿Φ男录夹g，他們將PCBCS與PLC、DCS、(或者再加上FCS)并稱為工業(yè)生產(chǎn)過程三大〔或四大〕控制系統(tǒng)。PCBCS控制系統(tǒng)主要由以三局部組成：PC機；I/O組件及其連接件；操作系統(tǒng)軟件和應用軟件。PCBCS是將經(jīng)過加固的PC機硬件與控制軟件相結合，實施通常由專用PLC、DCS執(zhí)行的控制功能，或者說將PLC的控制功能"封裝在"軟件內(nèi)，運行在PC的環(huán)境中。PC機將以往PLC、DCS控制系統(tǒng)中的操作站、控制站溶為一體，同時具備實施控制、通信及操作顯示等多項功能。第一章緒論目前應用最多的檢測儀表主要是DDZ－Ⅲ型模擬儀表和局部智能型儀表?？紤]到控制系統(tǒng)逐漸向FCS方向開展，因此現(xiàn)場總線技術和現(xiàn)場總線儀表的應用將日漸廣泛。當采用常規(guī)檢測和控制儀表時，控制系統(tǒng)的結構是由各儀表單元組合而成和各自獨立的控制系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)之間采用的是點對點聯(lián)接的方法。當采用計算機或數(shù)字控制器作為控制單元時，系統(tǒng)的結構就可能是多樣的，但其根本控制原理差異不大。例如：有直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC、集散控制系統(tǒng)DCS、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。在網(wǎng)絡化的控制回路系統(tǒng)中，多數(shù)檢測和儀表單元均是通過網(wǎng)絡相互聯(lián)接和傳送信息的。科技的進步，促使自動化儀表的不斷更新與完善，從而又進一步拓展了自動化儀表的應用領域，構成各種不同功能的自動化裝置，推動了控制系統(tǒng)的變革與開展，使控制系統(tǒng)由原來的常規(guī)控制系統(tǒng)到直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC、集散控制系統(tǒng)DCS、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS等，以滿足社會生產(chǎn)力的不同需要。從控制系統(tǒng)的開展來說，集散型控制系統(tǒng)DCS、可編程序控制器PLC是近年來應用最多的系統(tǒng)，而現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS、基于PC的控制系統(tǒng)PCBCS無疑是開展最快的控制系統(tǒng)。

在人類的各項生產(chǎn)活動和科學實驗中，為了了解和掌握整個過程的進展及其最后結果，經(jīng)常需要對各種根本參數(shù)或物理量進行檢查和測量，從而獲得必要的信息，并以之作為分析判斷和決策的依據(jù)。檢測技術就是人們?yōu)榱藢Ρ粶y對象所包含的信息進行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技術措施。隨著人類社會進入信息時代，以信息的獲取、轉(zhuǎn)換顯示和處理為主要內(nèi)容的檢測技術已經(jīng)開展成為一門完整的技術學科，在促進生產(chǎn)開展和進步的廣闊領域內(nèi)發(fā)揮著重要作用。第一章緒論1-3：自動檢測技術的開展及應用一、自動檢測技術的作用現(xiàn)代信息技術主要有三大支柱：一是信息的采集技術〔檢測技術〕二是信息的傳輸技術〔通信技術〕三是信息的處理技術〔計算機技術〕所謂信息的采集就是指從自然界中、生產(chǎn)過程中或科學實驗中獲取人們所需的信息，而信息的采集就通過檢測技術實現(xiàn)的，因此檢測技術實質(zhì)上就是信息采集技術。可見檢測技術在自動化領域里是有著非常重要的地位。檢測技術及儀表是人們認識世界和改造世界必不可少的重要手段。在現(xiàn)代新技術的不斷開展和引入下，特別是先進的檢測技術、現(xiàn)代的傳感器技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術、多媒體技術的不斷開展與更新給現(xiàn)代儀表工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)帶來了深刻的變革，為適應不斷開展的現(xiàn)代工業(yè)自動化的要求，世界各國一直未停止進行新的技術革命和探索，其根底就是信息技術的革命，它的開展給人類社會的各個領域都帶來了巨大的、廣泛的、深刻的的變化，并正在改變著傳統(tǒng)工業(yè)的生產(chǎn)方式，以及其它新興產(chǎn)業(yè)的更新和變革，是人類社會開展的強大動力。宇宙中信息的種類很多，除了工業(yè)生產(chǎn)、生活中的一些常用的電量和非電量之外，軍事國防、航空航天、海洋開發(fā)、生物工程、醫(yī)療保健、商檢質(zhì)檢、環(huán)境保護、平安防范、家用電器等等，幾乎每一個現(xiàn)代化工程都離不開自動檢測技術，其檢測技術的表達即主要是在“傳感器〞技術及裝置上。應用于工業(yè)過程中的自動檢測和自動控制系統(tǒng)，其結構中都有與自動檢測技術相關的“傳感器〞環(huán)節(jié)，它是實現(xiàn)自動化的重要支柱。檢測手段水平?jīng)Q定科學研究的深度和廣度；理論研究成果離不開必要的檢測手段。1、產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制的重要手段在科學技術的開展過程中，人們通過對客觀事物所做的大量試驗和測量，形成定性和定量的認識，總結出客觀世界的規(guī)律，并利用這些規(guī)律來促進科技的開展。2、在大型設備平安經(jīng)濟運行監(jiān)測中得到廣泛應用科學的開展和突破就是以檢測技術水平為根底的。特別是在工業(yè)生產(chǎn)中，采用自動化技術是提高勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益最有效的措施。3、自動化系統(tǒng)中不可缺少的組成局部自動化：信息獲取、信息轉(zhuǎn)換、信息處理、信息傳送、信息執(zhí)行采用自動檢測系統(tǒng)進行實時測量及分析產(chǎn)品性能，采用自動控制系統(tǒng)對產(chǎn)品加工過程進行實時控制，那么是提高產(chǎn)品質(zhì)量的現(xiàn)代化方法。可以說，一個國家現(xiàn)代化水平是用自動化水平來衡量的，而在自動化技術中，現(xiàn)代檢測技術是有著非常重要的地位和作用的。4、檢測技術的完善和開展推動著現(xiàn)代科學技術的進步隨著新技術的不斷涌現(xiàn)，特別是先進的檢測技術、現(xiàn)代傳感器技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術和多媒體技術的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)的檢測技術及儀表系統(tǒng)發(fā)生了很大的變化，其變化又促使其自身得到了不斷的更新和完善。新技術的不斷涌現(xiàn)，促進檢測技術和儀表方面的開展和創(chuàng)新----比方：成組傳感器的復合檢測技術、微機械量的檢測技術、檢測信息的融合處理技術、智能傳感器和儀表的開展、計算機多媒體化的虛擬儀表以及各種檢測單元和儀表的網(wǎng)絡化產(chǎn)品等等。新型的檢測技術和儀表的開展更深層次的引導了工業(yè)自動控制系統(tǒng)的開展與變革----比方：控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡化；控制系統(tǒng)的系統(tǒng)扁平化；控制系統(tǒng)的組織重構化；控制系統(tǒng)的工作協(xié)調(diào)化等。從而擴大和穩(wěn)固了自動化的應用領域，并提出了新的亟待解決的問題。自動控制系統(tǒng)的開展，又進一步拓展了自動檢測技術的應用場所和應用范圍，并促使檢測技術及儀表的不斷更新與完善，以滿足社會生產(chǎn)力的需求。自動檢測技術的開展標志著一個國家的自動化水平的高度，自動檢測技術的具體表達那么是由傳感器來完成的。二、傳感器的開展趨勢1、傳感器的作用傳感器----是對象與系統(tǒng)之間實現(xiàn)信息交換的“接口〞，它為系統(tǒng)提供進行處理和決策所需的對象的信息，是高度自動化系統(tǒng)及至現(xiàn)代尖端技術必不可少的關鍵組成局部。傳感器----不僅用于工業(yè)自動化、軍事國防和宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)等為代表的尖端科學與工程等重要領域，還滲透于與人們生活密切相關的如生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護、平安防范、家用電器等等方面，并且正日新月異地開展。傳感器----可以解決和處理人的感官和一般的電子設備無能為力的一些極端巨微的信息。因此某些傳感器的開展是一些邊緣科學研究和高、新技術開發(fā)的先驅(qū)?？傊簾o論是何種復雜的工程系統(tǒng)，還是日常生活的衣食住行，幾乎每一個現(xiàn)代化工程，都離不開各種各樣的傳感器，今后的社會將充滿傳感器。2、傳感器的開展趨勢在現(xiàn)實世界里，很多信息都是通過傳感器獲得的，而且與我們的生活息息相關。而信息的生成、獲取、存儲、傳輸、處理及其應用是現(xiàn)代信息科學的六大組成局部，其中信息的獲取是信息技術產(chǎn)業(yè)鏈上重要的環(huán)節(jié)之一，沒有它就沒有信息的傳輸、處理和應用。傳感器從測試物理參數(shù)、無智能、扁平結構的傳感器開展到著重于應用的智能型傳感器再到今天的網(wǎng)絡智能傳感器，其最大的特點就是在信息交換上的高度自由。從目前傳感器的產(chǎn)品方向來看，它一方面向小型化高精度的方向開展，一方面向網(wǎng)絡化開展，而且更著重在與控制系統(tǒng)進行雙向通信方面。隨著無線通信技術、計算機網(wǎng)絡技術等的進步以及互聯(lián)網(wǎng)的迅猛開展，傳統(tǒng)的傳感器信息獲取技術從獨立的單一化模式向集成化、微型化，進而向智能化、網(wǎng)絡化方向開展，成為信息獲取最重要和最根本的技術之一?，F(xiàn)代的計算機技術和通信技術由于超大規(guī)模集成電路的飛速開展而已經(jīng)充分興旺后，不僅對傳感器的精度、可靠性、響應速度、獲取的信息量要求越來越高，還要求其本錢低廉且使用方便。顯然傳統(tǒng)傳感器因功能、特性、體積、本錢等已難以滿足要求而逐漸被淘汰。世界許多興旺國家都在加快對傳感器新技術的研究與開發(fā)，并且都已取得極大的突破。傳感器的開發(fā)趨勢將包含著社會對傳感器的新需求和傳感器新技術的開展這兩個方面。我們主要從以下幾點考慮：1〕發(fā)現(xiàn)并利用新現(xiàn)象，開發(fā)新型傳感器由于傳感器的工作原理是基于各種效應和定律，因此啟發(fā)人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，利用物理現(xiàn)象、化學反響、生物效應作為傳感器原理，以此研制出具有新原理、高性能、多功能、低本錢和小型化的新型物性型傳感器件，來滿足新領域、新需求。例如：利用量子力學諸效應研制的高靈敏閾傳感器，用來檢測極微弱的信號；利用核磁共振吸收效應的磁敏傳感器，將檢測限擴展到地磁強度的10-7；利用約瑟夫遜效應的熱噪聲溫度傳感器，可以測量10-6K的超低溫；利用光子滯后效應，制造出響應速度極快的紅外傳感器等等。利用抗體和抗原在電極外表上相遇復合時，會引起電極電位的變化，利用這一現(xiàn)象可制出免疫傳感器。用這種抗體制成的免疫傳感器可對某生物體內(nèi)是否有這種抗原作檢查。如用肝炎病毒抗體可檢查某人是否患有肝炎，起到快速、準確作用。美國加州大學巳研制出這類傳感器。傳感器材料是傳感器技術的重要根底，由于材料科學進步，人們可制造出各種新型傳感器。例如用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器：因為高分子聚合物能隨周圍環(huán)境的相對濕度大小成比例地吸附和釋放水分子。高分子電介常數(shù)小，水分子能提高聚合物的介電常數(shù)。將高分子電介質(zhì)做成電容器，測定電容容量的變化，即可得出相對濕度。利用這個原理制成等離子聚合法聚苯乙烯薄膜溫度傳感器，其有以下特點：測濕范圍寬〔可達-400℃～+1500℃〕；響應速度快，小于1S；尺寸小，可用于小空間測濕；溫度系數(shù)小。用光導纖維制成壓力、流量、溫度、位移等多種傳感器：光導纖維的應用是傳感材料的重大突破，光導纖維最早用于光通信技術，在光通信利用中發(fā)現(xiàn)當溫度、壓力、電場、磁場等環(huán)境條件變化時，引起光纖傳輸?shù)墓獠◤姸?、相位、頻率、偏振態(tài)等變化，測量光波量的變化，就可知道導致這些光波量變化的溫度、壓力、電場、磁場等物理量的大小。利用這些原理研制出光導纖維傳感器，它與傳統(tǒng)傳感器相比有許多特點：靈敏度高，結構簡單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便于實現(xiàn)遙測等。光纖傳感受器與集成光路技術相結合，加速光纖傳感器技術的開展。將集成光路器件代替原有光學元件和無源光器件，使光纖傳感器有高的帶寬、低的信號處理電壓，可靠性高，本錢低。用陶瓷制成壓力傳感器：陶瓷電容式壓力傳感器是一種無中介液的干式壓力傳感器。采用先進的陶瓷技術，厚膜電子技術，其技術性能穩(wěn)定，年漂移量小于0.1%F.S，溫漂小于±0.15%/10K，抗過載強，可達量程的數(shù)百倍。測量范圍可從0到60MPa。用高分子有機材料為敏感元件制成光纖傳感器、液晶傳感器、壓敏傳感器；利用化學效應和生物效應開發(fā)的代替視覺、嗅覺、味覺和聽覺的化學傳感器、微生物傳感器、仿生傳感器；它是一個全新的領域。以及檢測超高溫、超高壓、超低溫和超高真空等極端參數(shù)的新型傳感器?？傊貉芯堪l(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應、新材料是傳感器技術開展的重要工作，是研究開發(fā)新型傳感器的根底。2〕傳感器的高精度小型化、集成化和多功能化半導體技術中的加工方法有氧化、光刻、擴散、沉積、平面電子工藝，各向?qū)愿g及蒸鍍，濺射薄膜等，這些都已引進到傳感器制造，因而產(chǎn)生了各種新型傳感器。例如：①日本橫河公司利用各向?qū)愿g技術進行高精度三維加工，制成全硅諧振式壓力傳感器：其核心局部由感壓硅膜片和硅膜片上面制作的兩個諧振梁結成，兩個諧振梁的頻差對應不同的壓力，用頻率差的方法測壓力，可消除環(huán)境溫度等因素帶來的誤差。當環(huán)境溫度變化時，兩個諧振梁頻率和幅度變化相同，將兩個頻率差后，其相同變化量就能夠相互抵消。其測量最高精度可達0.01%FS。②美國(SMI)公司開發(fā)一系列低價位,線性度在0.1%到0.65%范圍內(nèi)的硅微壓力傳感器,最低滿量程為0.15psi(1KPa)，其以硅為材料制成,具有獨特的三維結構，輕細微機械加工，和屢次蝕刻制成惠斯登電橋于硅膜片上，當硅片上方受力時，其產(chǎn)生變形，電阻產(chǎn)生壓阻效應而失去電橋平衡，輸出與壓力成比例的電信號?？傊?，利用半導體技術制造出硅微傳感器，它是當今傳感器開展的前沿技術，其根本特點是敏感元件體積為微米量級，是傳統(tǒng)傳感器的幾十、幾百分之一。另外還有利用薄膜工藝制造出快速響應的氣敏、濕敏傳感器，利用濺射薄膜工藝制壓力傳感器等。新工藝、新技術、新材料的開發(fā)和利用，可以生產(chǎn)出精度高、體積小、重量輕、可靠穩(wěn)定的、適用于各種不同領域要求的新型傳感器。新工藝新技術構成的固態(tài)功能材料——半導體、電介質(zhì)、強磁體的進一步開發(fā)和集成技術的不斷開展，為傳感器集成化開辟了廣闊的前景。隨著微電子機械系統(tǒng)〔MEMS〕技術的開展，采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術制造的各種微型新型傳感器、執(zhí)行器和微系統(tǒng)的巨大潛力日益顯現(xiàn)。這項研發(fā)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、航空航天、航海、醫(yī)學、生物工程、交通、家庭效勞等各個領域都有巨大的應用前景。采用微機電系統(tǒng)〔MEMS〕技術開發(fā)的微傳感器〔尺寸從幾微米到幾毫米的傳感器總稱〕是今后開展的重點之一。微系統(tǒng)研究已處于突破前夜，創(chuàng)新的空間很大，已成為競爭研究開發(fā)的重點領域。

①集成化傳感器：就是采用微電子技術將輔助電路中的元件與傳感元件同時集成在同一芯片上，或?qū)⒈姸嗤活愋偷膯蝹€傳感器件集成一個芯片或陣列上，形成一維線型、二維陣列〔面〕的傳感器。特點：可使傳感器的檢測參數(shù)由“點—線—面—體〞多維圖象化，甚至能加上時序，變單參數(shù)檢測為多參數(shù)檢測，從而進行點測量、以及平面、空間測量。并具有校準、補償、自診斷和網(wǎng)絡通信的功能。它可降低本錢、增加產(chǎn)量。例：電荷耦合器件〔CCD〕----光敏元陣列→→數(shù)碼相機；②一體化：在同一芯片上，將傳感器件與調(diào)理、補償?shù)忍幚黼娐芳梢惑w。特點：減少干擾，提高靈敏度，方便使用；可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理〔傳感器和數(shù)據(jù)處理電路集成〕微型化：微米/納米技術、微機電系統(tǒng)MEMS技術→→體積微小、重量輕微。例如：目前MEMS器件主要分為慣性測量、壓力測量、微流量、光MEMS、射頻MEMS以及其它MEMS器件等多種類型及品種，而市售的MEMS器件主要有5種：壓力傳感器、加速度傳感器、微型陀螺、噴墨頭、硬盤驅(qū)動頭。銷售最多的是IT領域的噴墨頭、硬盤驅(qū)動頭和汽車領域中的壓力傳感器、加速度傳感器、微型陀螺。而用于生物、化學測試系統(tǒng)的Lab-onchip(實驗室-芯片)和其他類型生物芯片那么剛剛顯露出巨大的潛力。④多功能傳感：不同功能的傳感器集成化。特點：一個傳感器可以同時測量不同種類的多個參數(shù)。例：測量血液中各種成分的多功能傳感器?？傊哼@種集成化可使傳感器由單一的信號變換功能擴展為兼有放大、運算、干擾補償?shù)榷喙δ?。實現(xiàn)了橫向和縱向的多功能化。3〕傳感器的智能化智能化傳感器----是一種帶微處理器的傳感器，是微型計算機和傳感器相結合的成果，它兼有檢測、判斷和信息處理等功能。與傳統(tǒng)傳感器相比有很多特點：具有判斷和信息處理功能，能對測量值進行修正、誤差補償，因而提高測量精度；可實現(xiàn)多傳感器多參數(shù)測量；有自診斷和自校準功能，提高可靠性；測量數(shù)據(jù)可存取，使用方便；有數(shù)據(jù)通信接口，能與微型計算機直接通信。高級智能傳感器----是把傳感器、信號調(diào)節(jié)電路、單片機集成在一芯片上，形成超大規(guī)模集成化的高級智能傳感器。其特點：高精度；高可靠性、高穩(wěn)定性、強自適應性；高信噪比、高分辨率；高性能價格比。例如：美國霍尼維爾公司ST-3000型智能傳感器，芯片尺寸僅有3×4×2mm3，采用半導體工藝，在同一芯片上制成CPU、EPROM、靜壓、壓差、溫度等三種敏感元件。智能化傳感器的研究與開發(fā)，美國處于領先地位。美國宇航局在開發(fā)宇宙飛船時稱這種傳感器為靈巧傳感器〔SmartSensor〕，在宇宙飛船上這種傳感器是非常重要的。我國在這方面的研究與開發(fā)還很落后，主要是因為我國半導體集成電路工藝水平有限。4〕研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器在大千世界里，大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設計者，它經(jīng)過漫長的歲月，創(chuàng)造了集多種感官于一體的人類本身，而且還設計了許多功能奇特、性能高超的生物傳感器。例如：狗的嗅覺〔靈敏閾為人的106倍〕；鳥的視覺〔視力為人的8~50倍〕；蝙蝠、飛蛾、海豚的聽覺〔主動型生物雷達——超生波的傳感器〕；蛇的接近覺〔分辨力達0.001℃的紅外測溫傳感器〕等等。這些動物的感官性能是當今傳感器技術望塵莫及的。研究它們的機理，開發(fā)仿生傳感器將是引人注目的方向?？傊瑐鞲衅鞯难芯?、開發(fā)和利用是未來世界科技開展的一個重要方向。注意：只有傳感器并不等于已具有了完備的檢測技術或方法，除傳感器外還需要有一定的檢測結構，用于有選擇地實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。由此構成一個完整的檢測系統(tǒng)。5〕檢測系統(tǒng)由模擬式、數(shù)字式向智能化方向開展隨著傳感器技術的開展和計算機技術的開展，檢測系統(tǒng)已由模擬式、數(shù)字式向智能化方向開展。在以計算機為中心的檢測系統(tǒng)中，可以進行復雜對象或系統(tǒng)的多路、多參數(shù)檢測；數(shù)據(jù)存貯、傳輸、處理或復雜分析加工；故障診斷等等。總之：檢測技術理論就是針對復雜問題的檢測方法、檢測結構以及檢測信號處理等方面進行研究的一門綜合性的科學。目前傳感器無論在數(shù)量上、質(zhì)量上、功能上都還遠遠地不能適應于社會多方面的開展需求，人們正在充分地利用先進的電子技術條件，研究和采用適宜的外部電路，以及最大限度地提高現(xiàn)有傳感器的性能價格比的同時，尋求著傳感器技術開展的新途徑。1-4：課程學習的意義1、課程學習的意義典型的工業(yè)生產(chǎn)過程＝生產(chǎn)工藝＋生產(chǎn)設備＋自動控制；自控與工藝的關系：自控為工藝效勞；自控人員必須深入了解和熟悉生產(chǎn)工藝和設備；了解生產(chǎn)對象的根本特性及其對控制的影響；根據(jù)工藝要求選擇合理的自控方案；綜合考慮工藝與自控雙方面的因素，掌握準確的工藝條件和數(shù)據(jù)；了解根本測控參數(shù)的測量原理、要求，便于確定適宜的測控參數(shù)、選擇適宜的測控點等；2、本課程的知識點本課程就是將傳感器技術、自動檢測技術、電子測量技術、計算機技術等有機地整合而成的一門專業(yè)根底課。重點突出地學習應用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的各種檢測技術和儀表單元的結構原理；掌握檢測方法的應用知識和檢測系統(tǒng)的設計思想；結合新技術開展的需要，了解多元化檢測技術和檢測信息融合技術的應用和開展；從系統(tǒng)的角度出發(fā)，將新技術的開展系統(tǒng)地、有機地融合到典型的自動檢測和自動控制系統(tǒng)中。1-5：討論、思考題、作業(yè)：1.實現(xiàn)自動化的目的和方法是什么？2.自動化的主要內(nèi)容有哪些？3.自動化儀表的開展過程中，我國儀表經(jīng)歷了哪幾個階段？4.自動檢測技術的開展趨勢是什么？5.自動檢測系統(tǒng)的根本構成是什么？各環(huán)節(jié)的作用是什么？課后作業(yè)好好學習！天天向上！天生我才必有用！hbgydxzdh@163zdh1239、靜夜四無鄰，荒居舊業(yè)貧。。4月-224月-22Friday