篇基礎知識引論
1緒論1
1.1檢測儀表控制繫統1
1.1.1典型檢測儀表控制繫統1
1.1.2檢測儀表控制繫統結構分析2
1.2基本概念3
1.2.1測量範圍、上下限及量程3
1.2.2零點遷移和量程遷移3
1.2.3靈敏度和分辨率4
1.2.4誤差4
1.2.5精確度5
1.2.6滯環、死區和回差5
1.2.7重復性和再現性6
1.2.8可靠性6
1.3檢測儀表技術發展趨勢7
思考題與習題7

2誤差分析基礎及測量不確定度8
2.1檢測精度8
2.2誤差分析的基本概念8
2.2.1真值、測量值與誤差的關繫8
2.2.2幾種誤差的定義9
2.2.3測量的準確度與精密度9
2.3誤差原因分析9
2.4誤差分類10
2.5誤差的統計處理10
2.5.1隨機誤差概率及概率密度函數的性質11
2.5.2正態分布函數及其特征點11
2.5.3置信區間與置信概率12
2.6誤差傳遞法則13
2.6.1誤差傳遞法則13
2.6.2不等精度測量的加權及其誤差14
2.7誤差估計14
2.7.1平均值的誤差表示方法14
2.7.2平均值與標準偏差的無偏估計15
2.7.3測量次數少的誤差估計16
2.8粗大誤差檢驗16
2.9測量不確定度16
2.9.1測量不確定度的由來16
2.9.2測量不確定度的分類17
2.9.3測量不確定度的評定方法18
2.10小二乘法及其應用20
2.10.1小二乘法原理20
2.10.2小二乘間接檢測中的應用21
2.10.3小二乘法在曲線擬合中的應用22
思考題與習題23

3檢測技術及方法分析24
3.1檢測方法及其基本概念24
3.1.1開環型檢測與閉環型檢測24
3.1.2直接檢測與間接檢測25
3.1.3檢測與比較檢測25
3.1.4偏差法與零位法25
3.1.5強度變量檢測與容量變量檢測26
3.1.6微差法26
3.1.7替換法26
3.1.8能量變換與能量控制件26
3.1.9主動探索與信息反饋型檢測27
3.2檢測繫統模型與結構分析27
3.2.1檢測繫統的基本功能27
3.2.2信號轉換模型與信號選擇性27
3.2.3檢測繫統的結構分析28
3.3提高檢測精度的方法30
3.3.1時域信號選擇方法30
3.3.2頻域信號選擇方法30
3化檢測技術32
3.4檢測與檢測方程式32
3.4復合檢測33
3.4識別檢測34
3.4.4構造化檢測35
3.4.5多點時空檢測35
思考題與習題36


第二篇過程參數檢測技術
4溫度檢測37
4.1測溫方法及溫標37
4.1.1測溫原理及方法37
4.1.2溫標37
4.2接觸式測溫39
4.2.1熱電偶測溫39
4.2.2熱電阻測溫49
4.2.3集成溫度傳感器54
4.3非接觸式測溫54
4.3.1輻射測溫原理55
4.3.2輻射測溫儀表的基本組成及常用方法55
4.3.3輻射測溫儀表56
4.3.4輻射測溫儀表的表觀溫度57
4.4光纖溫度傳感器58
4.4.1液晶光纖溫度傳感器59
4.4.2熒光光纖溫度傳感器59
4.4.3半導體光纖溫度傳感器59
4.4.4光纖輻射溫度計59
4.5測溫實例60
4.5.1管道內流體溫度的測量60
4.5.2煙道中煙氣溫度的測量60
4.5.3非接觸法測量物體表面溫度61
思考題與習題61

5壓力檢測63
5.1壓力單位及壓力檢測方法63
5.1.1壓力的單位63
5.1.2壓力的幾種表示方法63
5.1.3壓力檢測的主要方法及分類64
5.2常用壓力檢測儀表65
5.2.1彈性壓力計65
5.2.2力平衡式壓力計68
5.2.3壓力傳感器68
5.3測壓儀表的使用及壓力檢測繫統72
5.3.1測壓儀表的使用72
5.3.2壓力檢測繫統73
思考題與習題74

6流量檢測76
6.1流量檢測基本概念76
6.1.1流量的概念和單位76
6.1.2流量測量涉及的流體力學基本概念76
6.1.3流量檢測方法及流量計分類78
6.2體積流量檢測方法80
6.2.1容積式流量計80
6.2.2差壓式流量計82
6.2.3速度式流量計92
6.3質量流量檢測方法101
6.3.1間接式質量流量測量方法101
6.3.2直接式質量流量計103
6.4流量標準裝置105
6.4.1液體流量標準裝置105
6.4.2氣體流量標準裝置107
思考題與習題107

7物位檢測109
7.1物位的定義及物位檢測儀表的分類109
7.1.1物位的定義109
7.1.2物位檢測儀表的分類109
7.2常用物位檢測儀表110
7.2.1靜壓式液位檢測儀表110
7.2.2浮力式物位檢測儀表112
7.2.3其他物位測量儀表114
7.3影響物位測量的因素118
7.3.1液位測量的特點118
7.3.2料位測量的特點118
7.3.3界位測量的特點119
思考題與習題119

8機械量檢測120
8.1模擬式位移檢測120
8.1.1電容式位移檢測方法120
8.1.2電感式位移檢測方法122
8.1.3差動變壓器位移檢測方法123
8.1.4光纖位移檢測方法124
8.2光學數字式位移檢測125
8.2.1光柵標尺125
8.2.2莫爾條紋標尺125
8.2.3激光掃描測長與圖像檢測126
8.2.4激光測距測速127
8.3轉速檢測127
8.3.1離心力檢測法127
8.3.2光電碼盤轉速檢測法127
8.3.3空間濾波器式檢測法129
8.3.4MEMS陀螺儀測轉速130
8.4力的檢測方法131
8.4.1金件131
8.4.2半導件133
8.4.3壓電效應133
8.4.4壓敏導電橡膠134
8.5加速度與振動檢測134
8.5.1加速度檢測原理134
8.5.2動電型振動檢測方法137
8.5.3微機械加速件138
思考題與習題139

9成分分析儀表140
9.1成分分析方法及分析繫統的構成140
9.1.1成分分析方法及分類140
9.1.2自動分析繫統的構成140
9.2幾種工業用成分分析儀表141
9.2.1熱導式氣體分析器141
9.2.2紅外線氣體分析器143
9.2.3氧化鋯氧分析器144
9.2.4氣相色譜儀146
9.2.5半導體氣敏傳感器148
9.2.6工業酸度計151
9.3濕度的檢測153
9.3.1濕度的表示方法及濕度檢測的特點153
9.3.2干濕球濕度計154
9.3.3電解質繫濕敏傳感器154
9.3.4陶瓷濕敏傳感器155
9.3.5高分子聚合物濕敏傳感器155
思考題與習題156


第三篇儀表繫統分析
10儀表繫統及其理論分析157
10.1儀表發展概況157
10.2常用儀表分類及特性158
10.2.1常用儀表分類158
10.2.2組合儀表及DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型儀表比較159
10.3儀表輸入輸出靜態特性分析160
10.3.1輸入輸出特性分析160
10.3.2儀表特性線性化處理分析161
10.4儀表繫統建模162
10.4.1時域模型162
10.4.2頻域模型163
10.4.3離散模型164
10.5儀表繫統時域分析165
10.5.1時域分析指標165
10.5.2階躍擾動動態特性分析166
10.5.3等速擾動動態特性分析166
10.6儀表繫統頻域分析167
10.6.1正弦擾動動態特性分析167
10.6.2頻率響應Bode圖分析168
10.6.3頻帶分析169
10.7混合儀表繫統淺析170
10.7.1混合儀表繫統建模170
10.7.2時域分析171
10.7.3頻域分析171
思考題與習題172

11173
11.1常用變送器工作原理173
11.1.1常用變送器結構分析173
11.1.2力矩平衡式原理174
11.1.3橋式電路原理174
11.1.4差動方式原理175
11.2DDZ-Ⅲ型差壓變送器176
11.3DDZ-Ⅲ型溫度變送器179
11.3.1直流毫伏輸入電路179
11.3.2熱電偶輸入電路180
11.3.3熱電阻輸入電路181
11.4新型變送器182
11.4.1微電子式變送器182
11.4.2數字式變送器184
思考題與習題184

12185
12.1顯示儀表工作原理185
12.1.1顯示儀表結構分析185
12.1.2電位差計式自動平衡原理186
12.1.3電橋式自動平衡原理186
12.1.4差動變壓器式自動平衡原理187
12.2傳統顯示及記錄儀表187
12.2.1電位差計式自動平衡顯示儀表187
12.2.2電橋式自動平衡顯示儀表188
12.3數字式顯示及記錄儀表191
12.3.1數字模擬混合記錄儀191
12.3.2全數字式記錄儀193
思考題與習題194

13調節195
13.1常規控制規律195
13.1.1典型控制繫統195
13.1.2基本控制規律196
13.1.3常規控制規律197
13.1.4實用PID控制規律的構成200
13.2調節器控制規律的實現202
13.2.1DDZ-Ⅲ型調節器PID控制規律的實現202
13.2.2數字式調節器控制規律的實現207
13.3常規調節器基本電路分析209
13.3.1DDZ-Ⅲ型調節器基本電路分析209
13.3.2數字式調節器基本電路分析210
13.4可編程序調節器212
13.4.1可編程序調節器的工作原理212
13.4.2程序控制規律的構成和實現214
13.5先進調節器215
13.5.1增強型調節器215
13.5.2改進型PID控制算法217
思考題與習題218

14220
14.1執行器工作原理220
14.1.1執行器分類與比較220
14.1.2執行器基本構成及工作原理220
14.2氣動執行器221
14.2.1氣動執行器基本構成221
14.2.2閥門定位器222
14.3電動執行器223
14.4調節閥224
14.4.1調節閥工作原理224
14.4.2調節閥結構及分類225
14.4.3調節閥的流量特性227
14.4.4調節閥的流量繫數228
思考題與習題228


第四篇繫統控制技術
15計算機儀表控制繫統230
15.1儀表控制繫統230
15.1.1閉環回路控制繫統230
15.1.2閉環回路連續特性分析231
15.1.3閉環回路數字化離散分析231
15.1.4閉環回路控制繫統網絡化分析232
15.2計算機控制繫統234
15.2.1計算機控制繫統的發展和評價234
15.2.2集中控制繫統235
15.2.3集散控制繫統235
15.2.4分布式控制繫統236
15.3計算機控制繫統發展趨勢237
15.3.1控制繫統的控制網絡化237
15.3.2控制繫統的繫統扁平化238
思考題與習題239

16現場總線控制繫統241
16.1現場總線控制繫統的發展241
16.1.1現場總線的產生241
16.1.2現場總線繫統的發展過程241
16.1.3底層總線繫統242
16.1.4現場總線控制繫統特征243
16.2主要現場總線繫統244
16.2.1CAN總線繫統244
16.2.2LonWorks總線繫統246
16.2.3ProfiBus總線繫統247
16.2.4FF總線繫統248
16.3現場總線控制繫統250
16.3.1現場設備250
16.3.2現場總線控制繫統結構251
16.3.3現場總線繫統集成與擴展252
16.4現場總線控制繫統發展趨勢255
16.4.1控制繫統的組織重構化255
16.4.2控制繫統的工作協調化255
思考題與習題256


第五篇現代檢測與儀表技術
17虛擬儀器257
17.1虛擬儀器概念及發展257
17.2虛擬儀器結構和硬件模塊258
17.3虛擬儀器的軟件技術260
思考題與習題262

18軟測量方法及技術263
18.1軟測量概述263
18.2基於統計方法的軟測量方法264
18.3基於狀態估計的軟測量方法266
18.4基網絡技術的軟測量方法266
18.5軟測量方法應用實例267
思考題與習題271

19多傳感器數據融合技術272
19.1多傳感器數據融合概念272
19.2多傳感器數據融合框架273
19.2.1多傳感器數據融合中的傳感器工作方式273
19.2.2多傳感器數據融合結構275
19.3多傳感器數據融合算法276
19.3.1基於Kalman濾波的多傳感器數據融合方法276
19.3.2基於貝葉斯決策的多傳感器數據融合方法281
19.3.3基於DS證據論的多傳感器數據融合方法284
19.4多傳感器數據融合應用實例287
思考題與習題289

20傳感器網絡290
20.1傳感器網絡的產生與發展290
20.1.1傳感器網絡290
20.1.2傳感器網絡的構成291
20.1.3傳感器網絡的發展291
20.2傳感器網絡功能與特點292
20.2.1傳感器網絡主要功能292
20.2.2傳感器網絡主要特點293
20.3傳感器網絡關鍵技術294
20.3.1自組織網絡體繫結構294
20.3.2自組織路由算法295
20.3.3信道接入技術296
20.3.4電源管理技術296
20.3.5微型化技術296
20.3.6協同檢測與感知技術296
20.4傳感器網絡的延展和應用297
20.4.1物聯網298
20.4.2車聯網300
20.4.3傳感器網絡應用案例分析301
思考題與習題307

參考文獻308

現代工業控制繫統中的檢測技術和儀表繫統，是實現自動控制的基礎。隨著新技術的不斷湧現，特別是現代傳感技術、新一代互聯網技術和無線通信技術的不斷升級，給傳統的自動控制繫統帶來了新的挑戰，並由此引出許多新的發展，如數據融合理論與方法、虛擬儀器、軟測量技術、傳感器網絡技術、物聯網技術以及近年發展的大數據技術等。
本書是有關過程參數檢測和自動化儀表繫統的基礎理論和應用技術的教材，由《自動檢測技術及儀表控制繫統》(第三版)修訂和增加相關內容形成。全書在第三版的基礎上，根據檢測技術和儀表繫統發展和實際應用的需要，對相關內容進行了補充，重點針對檢測技術的應用，補充了一些新的檢測方法及應用案例；同時，結合大數據技術和無線通信技術的發展，增加了近來廣受關注的智能車路協同繫統和協同感知等技術在狀態感知和參數檢測中的應用分析。
在再版編寫過程中，本書繼續堅持突出繫統概念、注重理論分析與實例解剖、強調技術和繫統的模塊化與模型化等原則，維持了原書的整體風格；同時結合技術的產生和發展，重點闡述了包括數據融合理論與方法、虛擬儀器、軟測量技術、傳感器網絡、物聯網技術和大數據技術等在內的新技術在檢測和儀表控制繫統中的應用，希望能夠為讀者打開新的視角。
全書共分五篇。篇介紹檢測技術和儀表繫統的基礎知識；第二篇介紹溫度、壓力、流量、物位、機械量、成分分析等過程參數的檢測技術；第三篇介紹並分析儀表繫統所包含的變送、顯示、調節和執；第四篇分析和討論由儀表所構成的計算機控制繫統和現場總線控制繫統的相關技術及其發展趨勢；第五篇介紹部分現代檢測和儀表技術的發展和應用。
本書由清華大學自動化繫張毅教授、張寶芬教授、曹麗副教授和彭黎輝教授編著，相關內容先後分別由金以慧教授和王俊傑教授主審。其中篇第1章、第三篇、第四篇和第五篇第20章由張毅教授執筆，第二篇第4~7章和第9章由張寶芬教授執筆，篇第2~3章、第二篇第8章和第五篇第17章由曹麗副教授執筆，第五篇第18、19章由彭黎輝教授執筆。
本次修訂在內容結構上未做調整，所有修改和補充的內容均在原篇章節內進行。再版後，本書能更好地滿足自動化及相關專業的本科生和研究生的學習需要，同時也能更好地滿足相關領域的工程技術人員的工作需要。
在教學過程中有需要電子教案者，可登陸化工教育（www.cipedu.com.cn）注冊後下載。
限於作者的水平和能力有限，本書難免存在不足或不妥之處，衷心希望得到廣大讀者的批評和指正。

作者
2022年11月於清華園