第1章 概述

1.1 傳統儀器、儀表與智能儀器

在工業系統中經常可以聽到儀表、儀器、傳感器、智能儀表、智能儀器、智能傳感器這些名稱。這些名稱有所區別，但也有互相包含的部分，因此比較容易混淆，在這里先做簡單的討論。

1.1.1 傳統儀器、儀表

1.儀表

儀表（meter）名稱使用比較久，其設計目的為測量時間、距離、速度、強度等實現顯示、記錄或控制數量和流量，如控制氣體流量或電流等。儀表的功能一般比較單一，通常是測量某一個信號并將它顯示出來或傳送給其他設備，或經過變換傳送給執行器。在化工、熱工及自動化生產過程中經常用到各種儀表，在日常生活中也有如水表、電表及汽車上的速度表等。

最簡單的儀表是直接把測量信號轉換成所需要的指示值，這類指針式儀表的原理及結構最簡單，價格便宜，因此應用比較廣泛。

如圖1.1所示為各種常見儀表的外形。

如圖1.1（a）所示為電磁流量計，是測量封閉管道中導電液體和漿液體積流量的儀表，適用于化工、電力、礦冶、給排水、造紙、醫藥、食品等行業，有直通法蘭式及直通夾持式兩種類型。

如圖1.1（b）所示為雙金屬溫度計，是測量中、低溫的現場檢測儀表，可以用來直接測量氣體和液體的溫度。它與玻璃水銀溫度計相比，具有無汞害、可以讀數、牢固耐用等優點。

當儀表需要輸出控制量來控制其他設備時，通常被稱為控制儀表，在自動控制系統中廣泛使用的控制儀表有調節器、變送器、運算器和執行器等。

如圖1.1（c）所示是1151型壓力變送器，選用美國擴散硅力敏元件。它可以測量氣體、液體或蒸氣壓力。它把壓力信號轉換成4～20mA的標準電流信號，可實現生產過程自動化控制。

如圖1.1（d）所示為UL型阻移式物位計，它能對開口料倉與密閉料倉中的粉狀、顆粒狀、塊狀物料進行檢測、報警及自動控制。它可以在鋼鐵、耐火、水泥、橡膠、化纖、電力等工業領域長期運行，效果比較理想。

根據控制能源不同，工業上把自動化控制儀表分為氣動、液動和電動3種類型。氣動和液動的儀表應用比較早，其特點是結構比較簡單、性能穩定、可靠性高，且在本質上是安全與防爆的，在化工等行業中特別適用。電動控制儀表的出現比較晚，但由于其信號傳輸、放大、變換處理比氣動、液動儀表容易，又便于實現遠距離的監視與操作，所以應用越來越廣泛。

2.傳感器

我國國家標準GB 7665—2005對傳感器的定義為：“能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。”其中，敏感元件指傳感器可能直接感受或響應被測量的部分，轉換元件指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于測量的電信號部分。當輸出為規定的標準信號時，則稱為變送器。

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器也可稱為變送器、探測器或檢測器等。與儀表相比較，傳感器的種類更廣泛一些，它基于各種物理的、化學的和生物的效應，并受相應的定律和法則所支配，進行能量和信息的轉換。

目前對傳感器尚無一個統一的分類方法，但比較常用的有如下3種。

（1）按傳感器的測量對象分類，可分為物理量傳感器，如位移、力、速度、溫度、流量傳感器；化學量傳感器，如氣體成分、濕度傳感器等；生物量傳感器等。

（2）按傳感器的工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。

（3）按傳感器輸出信號的性質分類，可分為：輸出為開關量（“1”和“0”，或“開”和“關”）的開關型傳感器；輸出為模擬量（通常帶變送器的傳感器輸出標準化信號即三線制，輸出信號為0～10mA、4～20mA或0～5V）的模擬式傳感器；輸出為脈沖或代碼的數字式傳感器。

如圖1.2所示為常見傳感器的外形。圖1.2（a）為位移變送器，其輸出信號為4～20mA、0～5V或0～10V、0～±5V的標準電信號。圖1.2（b）為輪輻式稱重傳感器，適用于平臺秤、汽車衡、軌道衡及料倉物位測量與控制，其輸出信號為一體化標準信號即三線制，0～10mA或0～5V輸出。圖1.2（c）為擴散硅無腔壓力傳感器/變送器，測量對象為黏稠性液體，適用于測量發動機噴油系統的油壓、缸壓、液壓及藥品制造和食品加工等方面，其變送器輸出為4～20mA或0～5V，二線或三線制。

3.儀器

儀器（instrument）通常是指用于記錄、測量、顯示或控制的獨立裝置（設備）。與儀表相比較，儀器的結構比較復雜，測量功能比較多。在實驗室中可以看到各種儀器，如示波器、低頻信號發生器、直流穩壓電源等。

如圖1.3所示為常見儀器的外形，其中圖1.3（a）為雙蹤示波器，圖1.3（b）為高頻信號源（300MHz標準信號源）。

從上述討論中可知，儀表、傳感器、儀器均是用于測量輸入信號的裝置。只是傳感器一般僅用于把輸入信號轉換成標準的輸出電信號，供給其他設備進行處理。儀表的輸出信號并不僅是電信號，且儀表、儀器通常還有指示輸出。儀表與儀器相比，儀表的功能比較單一，體積也相對比較小，而儀器的測試功能比較強，且往往有多種功能可以選擇。

如圖1.4所示為傳統儀器、儀表系統的一般功能方框圖。控制對象送出的是被控量，如壓力、流量、溫度等變量，檢測元件把它們轉換成易于傳遞或測量的信號，變送器則把它們轉換成規定的標準電信號（或其他信號），該信號被送到調節器中，與給定值（零點、控制要求值等）進行比較，輸出調節量（或顯示值），控制執行器的動作。有些儀表可能只有部分功能，如顯示儀表可能由檢測元件、變送器和顯示器構成；傳感器一般僅由檢測元件與變送器組成；較為復雜的系統自動化控制過程中變送器、調節器、執行器均為獨立儀表，而儀器則可能包含了整個系統。

從結構上來看，這種傳統的儀表、儀器系統的各部分均由硬件組成。從測量原理上來看，傳統的儀表、儀器測量輸入信號的準確與否完全取決于儀表、儀器內部各功能部件的精密性和穩定性水平。傳統的儀器、儀表及其測試手段只適用于測量靜態或慢速變化的各種物理量和化學量。隨著科學技術的迅速發展，需要測量的信號種類不斷增加，要求測量處理的速度不斷提高，傳統儀表面臨很多新的挑戰。

長期以來，人們為了提高傳統儀表的準確度、可靠性和穩定性，在硬件方面做了不少的努力，如利用新材料研制檢測元件，采用外部電路補償方法來改善測量的線性度和零點漂移等，但都沒有根本性的突破。20世紀70年代計算機的出現，對儀器、儀表的發展起到了巨大的推動作用，將傳統的測試技術與現代的計算機技術結合起來，則形成了新一代儀器—智能儀器。

1.1.2 智能儀器

智能儀器（Intelligent Instrument）通常是指含有微型計算機或微處理器的測量控制儀器。由于它擁有對信號數據的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定的智能作用（表現為智能的延伸或加強），故被稱為智能儀器。

智能儀器系統的結構比較多，為了與傳統儀器、儀表做對照，圖1.5給出了單機型智能儀器系統的簡單框圖。從圖1.5中可以看到，單機型智能儀器由檢測元件（傳感器）、信號輸入接口電路、微機系統、人機界面接口、信號輸出接口電路5個模塊組成。

通常微機系統只能處理數字（電）信號，當檢測的是非電量信號時，一般都要通過信號處理電路將檢測元件檢測到的信號轉換成微機能處理的數字（電）信號。檢測元件往往由傳感器（包含了檢測及變送功能）組成，它輸出標準的（模擬）電信號，通過信號處理接口電路進行處理后送給微機系統，微機系統對數據進行處理，可以按要求存儲、校正、調節、顯示或輸出控制信號，通過輸出接口電路控制被控設備，而人機界面接口則使操作員可以輸入、修正控制要求，查看測控結果等。

由于智能儀器中加入了微處理器系統，因此在測量過程中能自動處理測量結果的數據，并可實現多路信號測量。到了20世紀90年代，高準確度、高性能、多功能的測量儀器中一般都采用微型計算機技術，即便在日常生活中，電視機、空調、電冰箱、洗衣機、手機等也都含有微處理器，具有一定的智能控制功能。可以說智能儀器已經是無處不在了。