1、检测技术及仪器,T&M Technology and Instrumentation,CISTBUCT 2010,我的信息,于涛 自动化专业 测控领域 分布式监控系统的开发 智能仪器的研发 积累工程技术经验 研究科学理论知识,课程信息,课程代码：EEE35601E 学时学分：64(16) / 4 成绩考评： 平时（作业/考勤） 10% 实验 15% 考试 75%,参考书目,自动检测技术与装置 张宏建等，北京：化学工业出版社，2004。 检测技术与仪表 王俊杰，武汉：武汉理工大学出版社，2002。 自动检测技术及仪表控制系统 张宝芬，北京：化学工业出版社，2000。 过程检测技术及仪表 杜维等，
2、北京：化学工业出版社，1999。,教学内容,基本概念、分析方法、设计原则（8 学时） 传感器、仪器结构、基本变换电路（8 学时） 过程四大参数（TPFL）的测量（20 学时） 温度、压力、流量、物位 几何测量、运动测量、成分测量（6 学时） 调节器与执行器（4 学时） 新技术（2 学时）,教学内容,重点,关于学习,理论与实例相结合 学习难点 检测技术涵盖的知识内容繁杂（对象千变万化） 需要一定的知识基础、需要记忆的内容较多 学习方法 学会对知识进行分类结构化知识 学会查阅文献资料不断补充知识 保持好奇心和想象力,第部分 基础知识,Review & Trends 背景 Basic Concept
3、s 概念 Methods 方法 Principles 原则,第部分 基础知识,第一章 绪论,检测技术的发展 检测技术的概念,T&M,I 绪论,检测技术的地位门捷列夫（.）： “检测是认识自然界的主要手段”， “科学是从测量开始的”。钱学森院士：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术是关键和基础。”,T&M,I 绪论,检测技术的地位王大珩院士：“能不能创造高水平的科学仪器和设备体现了一个民族、一个国家的创新能力。发展科学仪器设备应当视为国家战略。” 英国著名科学家 H.Pavy 曾经明确指出：“发展一种好的仪器对于一门科学的贡献超过了任何其
4、他事情。”,T&M,I 绪论,检测技术的地位美国能源部杰出科学家 R.F.Hirsch 博士在一篇获奖演说中指出：“由新工具开创的科学新方向远比由新概念开创的科学新方向要多。由概念驱动的革命影响是用新概念去阐明旧事物。而由工具驱动的革命影响是去发现需要阐明的新事物。”,T&M,I 绪论,检测技术的地位在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开检测技术。,T&M,I 绪论,检测技术的地位检测技术是任何自动控制系统必不可少的环节。 一个电站 需 5,000 台仪表； 一家钢铁厂 需 20,000 台仪表； 一家大型石油化工厂 需 6,000 台仪表； 一套大型发电机组 需 3,
5、000 台仪表； 一部汽车 需 30100 个传感器； 一架飞机 需 3,600 个传感器； ,T&M,I 绪论,检测技术的地位检测技术是提高产品竞争力的强力手段，是获得经济效益的有效途径。 全美电站有关数据表明， 如果主汽流量测量精度改善 1%，电站的燃烧成本（热效率）将改善 1%，每年可节约 3 亿美元；若测量仪表的可利用率提高 1%，则每年可节约 30 亿美元；美国的电站采用了先进的检测技术和控制技术后， 使全美经济每年获益达 110 亿美元之多。,T&M,I 绪论,检测技术的应用领域流程工业设备运行状态监控,T&M,I 绪论,检测技术的应用领域工业自动化领域 机器人成本的 是耗费在高性
6、能 传感器上的。,T&M,I 绪论,检测技术的应用领域产品质量监控、环境监测,T&M,I 绪论,检测技术的应用领域军事、航空领域 飞机、火箭等飞行器上，要使用传感器对飞行速度、加速度、飞行距离及飞行方向、飞行姿态进行检测。,T&M,I 绪论,检测技术的应用领域医学、农业领域 在医疗上，应用传感器可以准确测量人体温度、 血压、 心脑电波，并帮助医生对肿瘤等进行诊断。,T&M,I 绪论,典型控制系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 直接数字控制（Direct Digital Control，DDC） 集散控制系统（Distributed Control S
7、ystem，DCS） 现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS）,T&M,I 绪论,典型控制系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 由组合仪表构成的单回路控制系统。 直接数字控制（Direct Digital Control，DDC） 集散控制系统（Distributed Control System，DCS） 现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS）,T&M,I 绪论,典型控制系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 由组合仪表构成的单回路控制系统。 直接数
8、字控制（Direct Digital Control，DDC） 集散控制系统（Distributed Control System，DCS） 现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS）,T&M,I 绪论,典型控制系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 由组合仪表构成的单回路控制系统。 直接数字控制（Direct Digital Control，DDC） 集散控制系统（Distributed Control System，DCS） 现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS）,T&M,I 绪论,典型控制
9、系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 直接数字控制（Direct Digital Control，DDC） 以计算机为核心的多回路集中控制系统。 集散控制系统（Distributed Control System，DCS） 现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS）,T&M,I 绪论,典型控制系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 直接数字控制（Direct Digital Control，DDC） 以计算机为核心的多回路集中控制系统。 集散控制系统（Distributed Contr
10、ol System，DCS） 现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS）,T&M,I 绪论,典型控制系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 直接数字控制（Direct Digital Control，DDC） 集散控制系统（Distributed Control System，DCS） 以计算机网络为核心的、能够实现集中管理的多回路分布式控制系统。 现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS）,T&M,I 绪论,典型控制系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 直
11、接数字控制（Direct Digital Control，DDC） 集散控制系统（Distributed Control System，DCS） 以计算机网络为核心的、能够实现集中管理的多回路分布式控制系统。 现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS）,T&M,I 绪论,典型控制系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 直接数字控制（Direct Digital Control，DDC） 集散控制系统（Distributed Control System，DCS） 以计算机网络为核心的、能够实现集中管理的多回路分布式控制系统。
12、现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS）,T&M,I 绪论,典型控制系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 直接数字控制（Direct Digital Control，DDC） 集散控制系统（Distributed Control System，DCS） 以计算机网络为核心的、能够实现集中管理的多回路分布式控制系统。 现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS）,T&M,I 绪论,典型控制系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 直接数字控制（Direct Di
13、gital Control，DDC） 集散控制系统（Distributed Control System，DCS） 现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS） 基于计算机技术的全数字、开放式、多回路、分布式控制系统。,T&M,I 绪论,典型控制系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 直接数字控制（Direct Digital Control，DDC） 集散控制系统（Distributed Control System，DCS） 现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS） 基于计算机技术的全数字、开放
14、式、多回路、分布式控制系统。,T&M,I 绪论,典型控制系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 直接数字控制（Direct Digital Control，DDC） 集散控制系统（Distributed Control System，DCS） 现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS） 基于计算机技术的全数字、开放式、多回路、分布式控制系统。,T&M,I 绪论,典型控制系统仪表控制系统（Instrument Control System，ICS） 直接数字控制（Direct Digital Control，DDC） 集散控制系
15、统（Distributed Control System，DCS） 现场总线控制（Fieldbus Control System，FCS） 基于计算机技术的全数字、开放式、多回路、分布式控制系统。,T&M,I 绪论,典型控制系统,ICS,DDC,DCS,FCS,T&M,I 绪论,典型控制系统计算机的性价比在 1970 年到 1990 年 20 年中提高了 1000 倍，而执行器和检测仪器仪表的性价比仅提高了 10 倍和 3 倍。,T&M,I 绪论,检测技术的发展检测技术获得极为迅速的发展 计算机技术的拉动 在计算机技术的普及、信息处理技术飞速发展的同时，获取信息的检测技术处于明显落后的、拖后腿
16、的状态，形成推动检测技术发展的动力。 生产力发展的推动,T&M,I 绪论,检测技术的发展,T&M,I 绪论,检测技术的发展大多数豪华轿车拥有约 50 个微处理器。 波音 777 宽体客机上约有 1000 个微处理器。 遵循 Moore 定律继续发展，Intel 在其发展蓝图上规划了 2010 年推出 32 核处理器。 或许到 2012 年的 时候， 平均每个人 都拥有 1 万个微处 理器。 （这个是依 据了 Moore 定律）,T&M,I 绪论,检测技术的发展检测技术获得极为迅速的发展 计算机技术的拉动 生产力发展的推动 上世纪 80 年代，日本、西欧市场传感器销售值年增长率为 30%40%；
17、 上世纪 90 年代，全世界年增长率约为 8.8%， 我国国内市场所需各类仪器仪表约 3 亿件。,T&M,I 绪论,检测技术的发展 东海大桥振动信号分析,T&M,I 绪论,检测技术的发展 Boeing 飞机噪声分析,T&M,I 绪论,检测技术的发展检测技术的发展趋势 检测的精确性、可靠性、稳定性不断提高； 仪表的智能化、一体化、微型化不断提高； 仪表的使用更方便、操作更简单、性价比更高； 新技术、新材料、新结构、新方法,T&M,I 绪论,检测技术的发展“突然间，手机界面不再死板和 单调，而是灵活多变的。软件取 代了硬件。”时代杂志对于 Apple iPhone 的评论,T&M,I 绪论,检测技
18、术的发展,Jeff Kodosky,T&M,I 绪论,我国检测技术与仪器技术发展现状由于长期习惯于仿制国外产品，我国的仪器仪表工业缺乏创新能力，跟不上科学研究和工程建设的需要； 我国仪器科学与技术领域积累了一些科研成果，某些成果处于国际领先水平，但产业化程度很低，没有形成具有国际竞争力的完整产业。,T&M,I 绪论,我国检测技术与仪器技术发展现状由于长期习惯于仿制国外产品，我国的仪器仪表工业缺乏创新能力，跟不上科学研究和工程建设的需要； 我国仪器科学与技术领域积累了一些科研成果，某些成果处于国际领先水平，但产业化程度很低，没有形成具有国际竞争力的完整产业。,国产原创性科研仪器研发都欠哪些账 哈
19、尔滨工业大学 吕喆教授 欠需求牵引 科学研究、技术开发以及生产的具体任务对某种仪器的需求； 欠投入和政策 目前我国的仪器研发经费是不足的，而且还很不均衡（拿来主义）； 欠基础和能人 我国在基础材料、加工技术和理论基础方面比较落后，这种落后影响到了包括仪器仪表行业在内的整个工业技术领域； 欠核心和深度 我国对科研仪器研发的介入深度不够，经常是浅尝（赚钱）辄止。新原理的原创科研仪器的价值通常不容易迅速被人所认识； 欠信心和人气 国产仪器的生产者、销售者和使用者往往都缺少足够信心。,第部分 基础知识,第一章 绪论,检测技术的发展 检测技术的概念,T&M,I 绪论,检测技术的概念测量 计量单位 测量的
20、准确度 误差的分类,T&M,I 绪论,检测技术的概念 测量测量是以确定量值为目的的一组操作 采集和表达被测物理量 量值是被测量与同类型计量单位的比值 与标准作比较,T&M,I 绪论,检测技术的概念 测量测量是以确定量值为目的的一组操作 采集和表达被测物理量 量值是被测量与同类型计量单位的比值 与标准作比较 将量值 q 作为计量单位 N 的倍数赋予被测量 x 则有 x = qN 从量纲上考虑对应上式有 x = -x,T&M,I 绪论,检测技术的概念 测量测量的前提 被测量必须有明确的定义 计量单位必须事先通过协议确定 没有明确定义的量是不可测的 如：气候的“舒适度”或人的“智力”等,T&M,I
21、绪论,检测技术的概念 计量单位计量单位 基本标准绝对标准，彼此相互独立的标准。 在国际度量衡大会（Confrence Gnrale des Poids et Msures，CGPM）上定义了七个基本标准：长度、质量、时间、温度、电流、光强和原子物理中的物质量由其构成的计量单位系统称为国际单位制（Systme International dUnits，SI）,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位国际单位制（SI）,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位国际单位制（SI）基本单位的定义 1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983 年）。 1千克定义
22、为国际千克原型器的质量（1889 年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。 1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间（1967年）。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位国际单位制（SI）基本单位的定义 1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983 年）。 1千克定义为国际千克原型器的质量（1889 年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。 1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周
23、期的持续时间（1967年）。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位国际单位制（SI）基本单位的定义 1安培定义为流经在真空中两根平行且相距1米的无限长直导线（其圆横截面可忽略不计）上，并能在其每米长导线之间产生 0.210-6 牛顿的电动力的不随时间变化的电流量（1948年）。 1开尔文被定义为水的三相点的热力学 温度的1/273.16（1967年）。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位国际单位制（SI）基本单位的定义 1摩尔定义为一个由确定成份组成的系统，如果它含有粒子的个数等于碳12原子核的12/1000千克质量中所含原子的个数，则该系统的物质量为1摩尔（1971年）。 1坎
24、德拉定义为一个在一定方向上发送频率为5401012赫兹的单色光辐射的辐射源， 在该方向上的辐射强度为1/683瓦特每立方角时的光强（1979年）。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位在我国最高精度的测量基准保留在“中国计量科学研究院”。根据测量的不同要求，采用不同的测量精度，以及相应的仪器。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位导出单位从基本单位出发，用乘、除符号以代数式表达。 SI 辅助单位 具有专有名称的导出单位 国家选定的非 SI 单位,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位,T&M,I 绪论,小结测量：（比较）操作 有无 / 量值 测量的前提：定义、标准（计量单位） 国际单位制：辅助单位、导出单位,工具,
