第1章 概述

1.1 传统仪器、仪表与智能仪器

在工业系统中经常可以听到仪表、仪器、传感器、智能仪表、智能仪器、智能传感器这些名称。这些名称有所区别，但也有互相包含的部分，因此比较容易混淆，在这里先做简单的讨论。

1.1.1 传统仪器、仪表

1.仪表

仪表（meter）名称使用比较久，其设计目的为测量时间、距离、速度、强度等实现显示、记录或控制数量和流量，如控制气体流量或电流等。仪表的功能一般比较单一，通常是测量某一个信号并将它显示出来或传送给其他设备，或经过变换传送给执行器。在化工、热工及自动化生产过程中经常用到各种仪表，在日常生活中也有如水表、电表及汽车上的速度表等。

最简单的仪表是直接把测量信号转换成所需要的指示值，这类指针式仪表的原理及结构最简单，价格便宜，因此应用比较广泛。

如图1.1所示为各种常见仪表的外形。

如图1.1（a）所示为电磁流量计，是测量封闭管道中导电液体和浆液体积流量的仪表，适用于化工、电力、矿冶、给排水、造纸、医药、食品等行业，有直通法兰式及直通夹持式两种类型。

如图1.1（b）所示为双金属温度计，是测量中、低温的现场检测仪表，可以用来直接测量气体和液体的温度。它与玻璃水银温度计相比，具有无汞害、可以读数、牢固耐用等优点。

当仪表需要输出控制量来控制其他设备时，通常被称为控制仪表，在自动控制系统中广泛使用的控制仪表有调节器、变送器、运算器和执行器等。

如图1.1（c）所示是1151型压力变送器，选用美国扩散硅力敏元件。它可以测量气体、液体或蒸气压力。它把压力信号转换成4～20mA的标准电流信号，可实现生产过程自动化控制。

如图1.1（d）所示为UL型阻移式物位计，它能对开口料仓与密闭料仓中的粉状、颗粒状、块状物料进行检测、报警及自动控制。它可以在钢铁、耐火、水泥、橡胶、化纤、电力等工业领域长期运行，效果比较理想。

根据控制能源不同，工业上把自动化控制仪表分为气动、液动和电动3种类型。气动和液动的仪表应用比较早，其特点是结构比较简单、性能稳定、可靠性高，且在本质上是安全与防爆的，在化工等行业中特别适用。电动控制仪表的出现比较晚，但由于其信号传输、放大、变换处理比气动、液动仪表容易，又便于实现远距离的监视与操作，所以应用越来越广泛。

2.传感器

我国国家标准GB 7665—2005对传感器的定义为：“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”其中，敏感元件指传感器可能直接感受或响应被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于测量的电信号部分。当输出为规定的标准信号时，则称为变送器。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器也可称为变送器、探测器或检测器等。与仪表相比较，传感器的种类更广泛一些，它基于各种物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律和法则所支配，进行能量和信息的转换。

目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下3种。

（1）按传感器的测量对象分类，可分为物理量传感器，如位移、力、速度、温度、流量传感器；化学量传感器，如气体成分、湿度传感器等；生物量传感器等。

（2）按传感器的工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。

（3）按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和“0”，或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟量（通常带变送器的传感器输出标准化信号即三线制，输出信号为0～10mA、4～20mA或0～5V）的模拟式传感器；输出为脉冲或代码的数字式传感器。

如图1.2所示为常见传感器的外形。图1.2（a）为位移变送器，其输出信号为4～20mA、0～5V或0～10V、0～±5V的标准电信号。图1.2（b）为轮辐式称重传感器，适用于平台秤、汽车衡、轨道衡及料仓物位测量与控制，其输出信号为一体化标准信号即三线制，0～10mA或0～5V输出。图1.2（c）为扩散硅无腔压力传感器/变送器，测量对象为黏稠性液体，适用于测量发动机喷油系统的油压、缸压、液压及药品制造和食品加工等方面，其变送器输出为4～20mA或0～5V，二线或三线制。

3.仪器

仪器（instrument）通常是指用于记录、测量、显示或控制的独立装置（设备）。与仪表相比较，仪器的结构比较复杂，测量功能比较多。在实验室中可以看到各种仪器，如示波器、低频信号发生器、直流稳压电源等。

如图1.3所示为常见仪器的外形，其中图1.3（a）为双踪示波器，图1.3（b）为高频信号源（300MHz标准信号源）。

从上述讨论中可知，仪表、传感器、仪器均是用于测量输入信号的装置。只是传感器一般仅用于把输入信号转换成标准的输出电信号，供给其他设备进行处理。仪表的输出信号并不仅是电信号，且仪表、仪器通常还有指示输出。仪表与仪器相比，仪表的功能比较单一，体积也相对比较小，而仪器的测试功能比较强，且往往有多种功能可以选择。

如图1.4所示为传统仪器、仪表系统的一般功能方框图。控制对象送出的是被控量，如压力、流量、温度等变量，检测元件把它们转换成易于传递或测量的信号，变送器则把它们转换成规定的标准电信号（或其他信号），该信号被送到调节器中，与给定值（零点、控制要求值等）进行比较，输出调节量（或显示值），控制执行器的动作。有些仪表可能只有部分功能，如显示仪表可能由检测元件、变送器和显示器构成；传感器一般仅由检测元件与变送器组成；较为复杂的系统自动化控制过程中变送器、调节器、执行器均为独立仪表，而仪器则可能包含了整个系统。

从结构上来看，这种传统的仪表、仪器系统的各部分均由硬件组成。从测量原理上来看，传统的仪表、仪器测量输入信号的准确与否完全取决于仪表、仪器内部各功能部件的精密性和稳定性水平。传统的仪器、仪表及其测试手段只适用于测量静态或慢速变化的各种物理量和化学量。随着科学技术的迅速发展，需要测量的信号种类不断增加，要求测量处理的速度不断提高，传统仪表面临很多新的挑战。

长期以来，人们为了提高传统仪表的准确度、可靠性和稳定性，在硬件方面做了不少的努力，如利用新材料研制检测元件，采用外部电路补偿方法来改善测量的线性度和零点漂移等，但都没有根本性的突破。20世纪70年代计算机的出现，对仪器、仪表的发展起到了巨大的推动作用，将传统的测试技术与现代的计算机技术结合起来，则形成了新一代仪器—智能仪器。

1.1.2 智能仪器

智能仪器（Intelligent Instrument）通常是指含有微型计算机或微处理器的测量控制仪器。由于它拥有对信号数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定的智能作用（表现为智能的延伸或加强），故被称为智能仪器。

智能仪器系统的结构比较多，为了与传统仪器、仪表做对照，图1.5给出了单机型智能仪器系统的简单框图。从图1.5中可以看到，单机型智能仪器由检测元件（传感器）、信号输入接口电路、微机系统、人机界面接口、信号输出接口电路5个模块组成。

通常微机系统只能处理数字（电）信号，当检测的是非电量信号时，一般都要通过信号处理电路将检测元件检测到的信号转换成微机能处理的数字（电）信号。检测元件往往由传感器（包含了检测及变送功能）组成，它输出标准的（模拟）电信号，通过信号处理接口电路进行处理后送给微机系统，微机系统对数据进行处理，可以按要求存储、校正、调节、显示或输出控制信号，通过输出接口电路控制被控设备，而人机界面接口则使操作员可以输入、修正控制要求，查看测控结果等。

由于智能仪器中加入了微处理器系统，因此在测量过程中能自动处理测量结果的数据，并可实现多路信号测量。到了20世纪90年代，高准确度、高性能、多功能的测量仪器中一般都采用微型计算机技术，即便在日常生活中，电视机、空调、电冰箱、洗衣机、手机等也都含有微处理器，具有一定的智能控制功能。可以说智能仪器已经是无处不在了。