绪　　论

一、过程检测的对象与需求

在工业生产中，反映过程的参数常见有温度、压力、流量、物位、成分、密度等。这些参数的检测构成了过程检测的基本内容，这对于保证产品的产量与质量，对于企业节能降耗增效，提高市场竞争力，对于保障安全生产，都起着十分重要的作用。

过程检测是生产过程自动控制系统的重要组成部分。实施任何一种控制，首要问题是要准确及时地把被控参数检测出来，并变换成为调节、控制装置可识别的方式，作为过程控制装置判断生产过程的依据。因此，过程检测是实现生产过程自动化、改善工作环境、提高劳动生产率的重要环节。如加热炉的温度控制，首先应对被测对象即炉膛内炉温进行测定，将测定数据提供给操作人员掌握炉况，并将此工况值送入调节或控制装置以便实施自动控制炉温。

二、检测系统的组成与功能

检测系统的主要作用在于测量各种参数以用于显示或控制。为实施测量，一般检测系统都包括以下几部分：传感器、测量电路、显示或输出部分。当然，根据传感器输出测量信号的形式不同及测量系统的功能不同，检测系统的构成也相应地有所区别。图1所示的计算机辅助检测系统主要由传感器、基本转换电路、信号预处理电路、微机处理、输出等环节组成。其中，基本转换电路和信号预处理电路统称为测量电路。

（1）传感器

传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量和生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。传感器是检测系统中的关键器件，是实现自动检测及控制的首要环节。

（2）测量电路

测量电路的功能是将传感器输出的电信号经过必要的转换和信号处理，使之便于驱动显示、记录、执行机构或进行微机数据处理。测量电路的组成与传感器输出测量信号的形式及测量系统（或仪器）功能要求有关，由此决定测量电路的类型，其中绝大部分为模拟量测量电路。图2所示为模拟量测量电路的基本构成方框图。

（3）微机数据处理

微机在检测系统中的应用，使检测系统产生了质的飞跃。如计算机数据采集系统、智能数据采集系统及虚拟设备技术等都是计算机技术在测量系统中应用的结果。

测量数据的微机处理，不仅可以对信号进行分析、判断、推理，产生控制量，还可以用数字、图表显示测量结果。如果在微机中采用多媒体技术，可使测量结果的显示丰富多彩。

（4）显示输出部分

显示输出部分是检测系统向观察者显示或输出被测量数值的装置。显示输出部分包含显示和打印记录装置、数据处理和控制装置等，它们不仅可以实时检测，而且可以实现对被测对象的控制。目前，显示方式可分为指针式、数字式、屏幕式三种。

三、检测系统的分类

在生产过程中，不同行业生产流程复杂多样，被测对象多样性和复杂化对过程检测提出了诸多要求。从企业的原辅材料、燃料进厂到生产过程安全、环保、质量、产品监控等，均涉及检测问题。下面介绍常见的检测分类方法。

（1）按被测参数分类

常见的被测参数有过程参数、电气参数、机械参数等几大类。

电气参数有电能、电流、电压、频率等。

机械参数有质量、距离、振动、缺陷检查、故障诊断等。

过程参数主要是热工参数，通常又可细分为温度、压力、流量、物位、湿度、密度、成分分析等。每种参数被测对象范围、特性不同需采用检测方法和装置不同，因此过程参数检测仪表用量大、检测介质多变、所处环境恶劣，故本书重点讲述这类非电量的过程参数。

（2）按使用性质分类

检测仪表使用场合不同决定其使用性质的差异，通常可据此分为工业用表、实验室仪表和标准表三种。

工业用表，是指在实际工业现场长期使用的仪表，为数最多，根据安装地点的不同又分为现场安装和控制室安装。

实验室仪表精确度比工业仪表高，但对使用环境如温度、湿度、振动等要求较严，往往无需特殊的防水、防尘措施，宜在实验室条件下使用。

标准表是专用于校准工业用表和实验室仪表的。各企业使用计量标准表时须经所在地计量部门定期检定，获得有效检定合格证书方可使用。

（3）按是否接触被测介质分类

可分为接触式和非接触式检测仪表。

接触式仪表的检测元件与被测介质直接接触，感受被测量的作用或变化，从而获得测量信号。如热电阻温度计测温、电容式物位计测物位等都是接触式，其测量结果较准确，但易受介质物理、化学性质影响。

非接触式仪表不直接接触被测介质，而是间接感受被测量的变化达到检测目的。如辐射温度计不与被测物直接接触，而是接收被测物热辐射的能量并转换为电信号，再按辐射定律以温度值显示出来。其特点是不受被测对象污染或影响，使用寿命长，适用于接触式仪表某些难以胜任的场合，但测量精度一般比接触式略低。

（4）按被测对象状态分类

检测仪表按被测对象状态可分为静态和动态测量。静态测量是指被测对象处于稳定状态，其被测参数不随时间变化或随时间缓慢变化；动态测量是指被测对象处于不稳定状态，或被测参数随时间变化的情况下实施的测量。

（5）按仪表各环节连接方式分类

如前所述，检测仪表是由传感器、测量电路及显示输出部分等环节组成，这些内部环节的连接方式不同，使检测仪表有开环式与闭环式之分。

开环式仪表中各环节按开环方式连接，如图3所示，仪表中前一环节的输出是后一环节的输入，首尾相接形成测量链，信号由输入端到输出端沿一个方向传递。

闭环式仪表又称反馈式仪表，如图4所示。闭环式仪表最大特点是整个仪表的传递函数只与反馈环节传递函数Kf有关，而与各串联环节无关，故在很大程度上消除或减少了其他环节的影响。

四、检测技术的发展

目前，非电量测量技术发展的总趋势如下。

（1）不断扩大测量范围，提高可靠性和精度

随着科学技术的发展，对测量技术要求不断提高，尤其是测量范围的进一步扩大。如为满足超低温技术发展的要求，利用超导体的约瑟夫逊效应已开发出能测量10-6K的超低温传感器；辐射型温度传感器最高测量温度原理上可达105K，但可控聚核反应理想温度却要达到108K，这就要求超高温测量范围还要进一步扩大。此外，超高压测量、大吨位如3×107N以上测量等也都需要扩大测量范围。

随着测量范围的不断扩大，测量环境将变得越来越复杂和恶劣，这就要求测量的可靠性随之提高。如导弹和卫星上安装的测量仪器，既要能耐高温，又要能在极低温和强辐射的环境下保持正常工作，因此，它必须有极高的可靠性和工作寿命。

科学技术的发展，对测量精度要求也在不断提高。因为，只有测量精度更高，才能更准确地反映被测量的真实情况。

（2）开发集成化、一体化、多功能化的传感器

随着半导体技术的发展，现在部分传感器实现了传感器与信号调节电路的集成化、一体化。在半导体技术基础上，利用某些固体材料的物理性质变化（机械特性、电特性、热特性等）实现物理量的变换，同时把测量电路也集成在一起，可以直接转换出所需要的电信号供显示输出单元使用。如压阻式传感器、集成温度传感器等。多功能化是指把两种或两种以上敏感元件集成于一体，在一块芯片上可实现多种功能。如半导体温湿敏传感器、多功能气体传感器等。

（3）非接触测量技术

接触式测量是把传感器安装在被测对象上，直接感受其物理量的变化，但在有些情况下，这会使被测对象工作状态受到干扰。如温度传感器贴在被测物体上，会使被测物体散热、导热状态发生变化，影响测温精度。此外，有些被测体上不可能安装传感器，如测量高速旋转体的转速、振动等。因此，非接触测量技术越来越受重视，已开发出光电式、电涡流式、超声波及微波等传感器，同时人们也正在研究利用其他的原理及方法进行非接触测量。

（4）利用计算机技术使测量智能化，提高测试水平

自从微处理器特别是单片机问世以来，使传统的测量仪器变为智能仪器，增加了功能，提高了精度。智能仪器一般都可以完成自校准、自调零、自动测试，并能对传感器非线性进行校正，从而提高测量精度，增加可靠性。

此外，配备计算机大型数据采集系统，可同时采集多达数千路信号，并可根据误差理论自动进行测量数据处理，其处理后的结果，既可以用磁盘长期储存、用打印机打印、用绘图仪绘出曲线，又可以在计算机屏幕上观看。因此，大大增强了数据采集的功能和测量水平。

20世纪末，国外提出了虚拟仪器的概念。在通用计算机系统上，利用与此计算机相配的硬件板卡和组态软件组成具有测量控制功能的系统。在虚拟仪器中软件集成了数据采集、控制、处理、打印输出及用户界面等功能，用户可以根据自己的需要，组建自己专用的测量仪器，打破了传统测量仪器由厂家定义而用户无法改变的方式，给测量领域注入了新观念。