自动检测技术与装置(张宏建)（第三版）

本书以信息为主线，从信息的获取、变换与处理、输出与显示等角度来介绍检测技术、检测仪表和检测系统。本书首先介绍检测技术的一般概念和检测仪表的共性知识，包括测量误差、准确度等；然后介绍各种检测元件的检测原理和使用特点；接着重点介绍各种常见参数的检测方法和检测仪表；*后简单介绍检测技术的*进展，包括软测量技术、机器视觉系统及其图像处理等。

本书可以作为高等学校自动化、测控技术与仪器、电子信息工程、电气工程及其自动化、机械设计制造及其自动化等相关专业的教材，也可以作为从事检测技术及仪表的研究生、科研工作者及工程技术人员的参考用书。

 

张宏建，浙江大学，副校长，教授，浙江大学控制科学与工程学院教授，一直从事检测技术与自动化装置方向的教学科研工作，具有丰富的教学科研经验。负责的专业课程包括传感与检测（本科）、现代传感技术与过程检测系统（本科）、智能检测技术（硕士生）和过程信息处理与先进传感技术（博士生）等；负责和参与的科研项目主要包括国家自然科学基金项目基于超声波技术的非侵入式压力检测方法研究、国家自然科学基金重点项目燃煤锅炉关键参量检测与燃烧控制中的基础理论研究等多项纵向横向项目。

1检测技术基础1

1.1检测技术的基本概念1

1.2检测仪表的基本概念1

1.2.1检测仪表的定义1

1.2.2检测仪表的分类3

1.2.3检测仪表的基本性能6

1.3测量误差的理论基础9

1.3.1测量误差的分类与测量不确定度10

1.3.2误差的估计和评价处理方法12

1.3.3消除和减少误差的一般方法19

思考题与习题21

参考文献22

2检测技术与检测元件23

2.1检测技术的一般原理23

2.1.1参数检测的一般方法23

2.1.2敏感元件25

2.2机械式检测元件25

2.2.1弹性式检测元件26

2.2.2其他机械式检测元件31

2.2.3机械式检测元件的应用32

2.3电阻式检测元件33

2.3.1应变式检测元件33

2.3.2热电阻检测元件39

2.3.3其他电阻式检测元件42

2.4电容式检测元件44

2.4.1电容检测元件的工作原理45

2.4.2电容元件的结构和特性45

2.4.3电容式检测元件的温度补偿及抗干扰问题48

2.4.4电容式检测元件的应用50

2.5热电式检测元件50

2.5.1热电偶检测元件50

2.5.2晶体管温度检测元件54

2.6压电式检测元件55

2.6.1压电效应与压电材料55

2.6.2压电式检测元件的等效电路及连接方式57

2.6.3压电式检测元件的误差58

2.6.4压电式检测元件的应用59

2.7光电式检测元件60

2.7.1光电效应60

2.7.2光电器件的基本特性60

2.7.3光敏元件及特性61

2.7.4光电式检测元件的应用65

2.8磁电式检测元件66

2.8.1磁电感应式检测元件66

2.8.2霍尔检测元件70

2.9磁弹性式检测元件73

2.9.1磁弹性效应73

2.9.2磁弹性式检测元件的结构及工作原理74

2.10核辐射式检测元件77

2.10.1放射源77

2.10.2探测器79

2.10.3核辐射式检测元件的应用84

2.11红外传感器84

2.11.1红外传感器的分类85

2.11.2红外传感器的基本特性86

2.11.3红外辐射的基本定律87

2.11.4红外传感器的结构88

2.11.5红外传感器的应用88

2.12超声波传感器89

2.12.1超声波90

2.12.2超声波的传播特性91

2.12.3超声波的激发与接收93

2.12.4超声探头的频率特性与指向性94

2.12.5超声波传感器工作原理96

2.12.6误差影响因素97

2.12.7超声波传感器的应用97

思考题与习题97

参考文献98

3检测仪表100

3.1检测仪表的构成和设计方法100

3.1.1检测仪表的组成100

3.1.2检测仪表的设计方法101

3.1.3检测仪表中常见的信号变换方法110

3.1.4检测仪表常用非线性补偿方法126

3.1.5检测仪表常用信号传输方式和标准128

3.2温度检测仪表131

3.2.1概述131

3.2.2热电偶温度计133

3.2.3热电阻温度计139

3.2.4其他接触式温度检测仪表141

3.2.5非接触式温度检测仪表145

3.2.6温度检测仪表的使用148

3.3压力检测仪表150

3.3.1概述150

3.3.2液体压力计151

3.3.3弹性式压力检测仪表153

3.3.4电远传式压力检测仪表155

3.3.5物性型压力传感器162

3.3.6压力检测仪表的使用165

3.4物位检测仪表170

3.4.1概述170

3.4.2静压式液位计171

3.4.3浮力式液位计174

3.4.4电容式物位计175

3.4.5超声波物位计177

3.4.6射线式物位计180

3.4.7微波物位计181

3.4.8磁致伸缩式液位计183

3.4.9物位检测的使用184

3.5流量检测仪表185

3.5.1概述185

3.5.2节流式流量计187

3.5.3转子流量计195

3.5.4涡街流量计197

3.5.5电磁流量计200

3.5.6容积式流量计203

3.5.7质量流量计205

3.5.8涡轮流量计207

3.5.9超声波流量计208

3.5.10多相流流量测量方法209

3.5.11流量检测仪表的使用212

3.6气体成分分析仪表214

3.6.1概述214

3.6.2氧量分析仪215

3.6.3热导式气体分析仪217

3.6.4红外式气体分析仪219

3.6.5色谱仪221

3.6.6气体成分分析仪表的使用224

3.7显示装置与仪表226

3.7.1概述226

3.7.2模拟显示仪表228

3.7.3数字式显示仪表235

思考题与习题238

参考文献239

4现代检测技术240

4.1软测量技术240

4.1.1软测量技术的概念240

4.1.2软测量技术的数学描述241

4.1.3软测量的结构和实现步骤242

4.1.4影响软测量技术的因素242

4.1.5软测量模型建模方法244

4.1.6软测量技术应用举例基于相关分析的软测量251

4.2机器视觉系统及其图像处理技术254

4.2.1概述254

4.2.2机器视觉系统的构成255

4.2.3数字图像处理技术260

4.2.4过程层析成像270

4.3多传感器数据融合技术276

4.3.1概述276

4.3.2多传感器数据融合技术的类别278

4.3.3多传感器数据融合算法282

4.3.4多传感器数据融合的应用285

思考题与习题286

参考文献287

附录1热电偶的分度表288

附录2主要热电偶的参考函数和逆函数303

附录3热电阻分度表306

附录4压力单位换算表310

附录5节流件和管道常用材质的热膨胀系数311

 

第三版前言

《自动检测技术与装置》(第二版)于2010年8月出版发行，受到了广大读者的欢迎，先后印刷了5次，为多所高等院校选用。为适应科学技术的发展和新的教学体系，现结合教材使用过程各方面的反馈意见，经修订编写了第三版。

与第二版相比，第三版基本上保留了第二版的主要内容，但更新、补充和调整了不少地方，变动较大的章节主要有：(1)由于红外和超声波传感器的应用越来越重要和普及，第2章新增了2.11节(红外传感器)和2.12节(超声波传感器)；(2)原第3章3.7节(机械量测量仪表)和3.9节(检测仪表的检定)部分，整节删除，并大幅度精简了原3.8节(显示仪表与装置)中陈旧的内容，以使相关内容更为紧凑并突出重点内容；(3)机器人技术的飞速发展使机器视觉检测越来越受到关注，因此，原第4章4.2节“图像检测系统”更新为“机器视觉系统及其图像处理技术”，并进行了内容的更新补充，并将原4.3节(过程层析成像)并入4.2节中，变为4.2.4节(过程层析成像)；新增了4.3节(多传感器数据融合技术)。其他章节无大的修改，主要是内容及措辞上的完善。

第三版保留了前两版的特点和体系，强调“原理元件仪表检测系统”这一教学主线，使内容更丰富、完整和与时俱进。

本书内容已制作成用于多媒体教学的电子课件，并将免费提供给采用本书作为教材的大专院校使用，如有需要可联系[email protected]。

参加第三版修订工作的均为多年从事本课程教学的任课老师，修订工作由张宏建组织牵头，黄志尧负责第1章、第3章的修订,周洪亮负责第2章的修订，冀海峰负责第4章的修订。全书由张宏建和黃志尧整理定稿。

由于编者自身的水平和学识所限，虽经努力，书中难免存在不妥和遗漏之处，恳请读者批评指正。

编著者

2018年12月于杭州浙大求是园

第二版前言

本书第一版自2004年出版以来得到了广大读者的关注，荣获第八届中国石油和化学工业优秀教材奖一等奖，使用量也较大。现根据读者的反馈意见以及科学技术的最新发展，经修订编写了第二版。与第一版相比，第二版对部分章节作了调整，如删去原书的第4章（检测技术中的信息处理与传输技术）、第3章的3.8节（变送器），其中的部分内容插入到相关章节中；对原书的第2章2.1节（检测技术的原理与方法）、第3章的3.1节（检测仪表的构成和设计方法）、3.5节（流量检测仪表）、3.9节（显示记录仪表与装置）以及第5章（现代检测技术）做了较大的调整；对其他章节也作了相应的修改。第二版尽量保持第一版的特点和体系，但努力在内容上更丰富、体系上更完整。

本书以广义信息论为主线，从检测元件和检测仪表角度，介绍和讨论有关信息的获取、信息的变换、信息的处理和信息的显示等方面的技术。

根据笔者多年来的教学实践体会，在结合本书教学时采用自学讨论式这样的一种教学方式较为合适。课堂教学主要讲一些有关检测技术及仪表的共性问题，然后布置思考题与习题，让学生在做习题和回答思考题的过程中看书，参考其他教材，学生之间相互讨论；教师选择部分有代表性的思考题让学生上讲台来回答、讨论甚至争论，最后教师进行归纳和总结。有条件的教师可以引导学生根据自己的爱好和特点撰写小论文、小报告。通过这样的教学活动，可以提高学生的学习积极性和学习兴趣，保证教学质量和教学效果。在教学内容安排上，教师可以根据专业特点选择本书的章节。对于自动化等相关专业，建议选择本书的第1、第2和第3章作为教学重点内容，第4章作为选学内容。

本书内容已制作成用于多媒体教学的电子课件，并将免费提供给采用本书作为教材的大专院校使用，如有需要可联系：cipedu＠163.com。

参加第二版修订工作并负责第1章编写的有张宏建；第2章有周洪亮、张宏建；第3章有黄志尧、张宏建；第4章有冀海峰。全书由张宏建整理定稿。

由于水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请读者批评指正。

编著者

2010年7月于杭州浙大求是园

第一版前言

本书是为高等学校自动化专业编写的国家“十五”规划教材，也可以作为测控技术与仪器等相关专业开设的“传感技术”“检测技术”等专业课程的教材。随着信息技术的飞速发展，信息的获取、信息的处理、信息的传输、信息的显示已成为信息领域的关键技术。基于这个思想，本书以广义信息论为主线，介绍和讨论自动检测技术和自动化仪表中的信息技术。本书的主要特点有：

（1）力求将最新的传感技术、仪表技术及信息传输和处理技术等及时反映在教材中，同时还增加了软测量、图像检测和虚拟检测等现代检测技术；

（2）以信息为主线，围绕信息的获取、信息的变换、信息的处理、信息的传输和信息的显示等方面来讨论检测技术与检测系统；

（3）将传感技术与检测技术和自动化仪表结合起来，读者在通过本书的学习后不仅能理解一个个独立的传感器的原理，而且可以掌握由传感器及其他环节（仪表）构成的完整的检测系统。

根据作者多年来的教学实践的体会，在结合本书教学时采用自学讨论这样的一种教学方式较为合适。课堂教学主要讲一些有关检测技术及仪表的共性问题，然后布置思考题和习题，让学生在做习题和回答思考题的过程中看书，参考其他教材，学生之间相互讨论；教师可选择部分有代表性的思考题让学生上讲台来回答、讨论甚至争论，最后教师进行归纳和总结。如有条件，教师可以引导学生根据自己的爱好和特点撰写小论文、小报告。通过这样的教学活动，可以提高学生的学习积极性和学习兴趣，保证教学质量和教学效果。在教学内容安排上，教师可以根据专业特点选择本教材的章节。对于自动化专业，建议将本书的第1、第2和第3章作为教学重点内容，第4、第5章作为选学内容。

本书内容已制作成用于多媒体教学的电子课件，并将免费提供给采用本书作为教材的大专院校使用，如有需要可联系：[email protected]。另外，与本书配套的《检测控制仪表学习指导》已经出版，该书收集了大量的例题与习题，给出了例题分析、题解与习题答案，欢迎广大师生及读者选用。

参加本书编写的有：第1章张宏建、戴克中、杨先麟；第2章张志君、张宏建；第3章张宏建、戴克中、冀海峰、韩雪飞；第4章蒙建波；第5章冀海峰、张志君。全书由张宏建整理定稿，韩雪飞和程路也参加了部分章节的整理工作。全书由李海青教授审定。

虽然编者对书稿作了多次校核，但由于水平有限，书中难免存在问题和错误，恳请读者批评指正。

编者

2004年4月于杭州浙大求是园