檢測技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計

檢測技術(shù)與系統(tǒng)是一門集電子技術(shù)、通信技術(shù)、儀表技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及誤差理論、信號處理、信號與系統(tǒng)等學(xué)科于一體的綜合學(xué)科的專業(yè)技術(shù)課程。在當(dāng)今信息化時代，人們所從事的生產(chǎn)和科研活動可歸結(jié)為對信息資源的開發(fā)、傳輸、處理和獲取。作為信息技術(shù)三大支柱之一的檢測技術(shù)，其重要性已越來越被人們所重視，并深深地滲透到人類的科學(xué)研究、工程實踐和日常生活的各個方面。“科學(xué)是從測量開始的”、“沒有檢測技術(shù)就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”已被人們所共識，檢測技術(shù)與系統(tǒng)的研究已日益成為工程界和科學(xué)界所普遍關(guān)注的重要問題。因此，了解和熟悉檢測技術(shù)與系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計方法、發(fā)展方向等都是十分重要和必要的。

目前，系統(tǒng)、深入地介紹現(xiàn)代檢測技術(shù)與系統(tǒng)的書籍并不多，為此，作者對多年來從事檢測技術(shù)與系統(tǒng)的教學(xué)與科研成果進行整理，并充實了一些新成果與新技術(shù)，撰寫了本書，以滿足廣大讀者學(xué)習(xí)現(xiàn)代檢測技術(shù)與系統(tǒng)的愿望。

本書內(nèi)容共分10章。第1章為緒論，主要介紹檢測技術(shù)與系統(tǒng)的基本概念與發(fā)展趨勢；第2章介紹檢測技術(shù)與系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性；第3章介紹測量誤差理論；第4章介紹工程中常見參數(shù)的檢測方法；第5章介紹經(jīng)傳感檢測后電信號的各種調(diào)理電路；第6章介紹檢測系統(tǒng)中的各種不同信號的輸入輸出電路；第7章介紹檢測系統(tǒng)中數(shù)字信號分析與處理的常用方法；第8章介紹檢測系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù)；第9章介紹各種不同檢測系統(tǒng)的組成原理；第10章結(jié)合具體實例詳細討論基于現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以態(tài)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化檢測系統(tǒng)的組成、工作原理和設(shè)計方法。本書適用于高校信息類及相關(guān)專業(yè)本科生和研究生，也適用于工礦企事業(yè)單位從事檢測技術(shù)與系統(tǒng)研究、開發(fā)、設(shè)計、服務(wù)、維護等方面的工程技術(shù)人員。

參加本書編寫的還有劉經(jīng)宇、習(xí)博、張大海、周子瑾、侯慧慧、朱小平、徐文聞、程文俊等，在此衷心地向他們表示感謝。同時也衷心感謝所列參考書目中的作者，沒有他們的研究成果，作者實難系統(tǒng)地對日益發(fā)展的檢測技術(shù)與系統(tǒng)作全面論述。

由于作者水平有限，且本書涉及內(nèi)容面寬廣，很多理論和實踐的問題還在不斷的發(fā)展中，并且有待進一步探討，因此書中錯誤和不足之處在所難免，希望讀者批評指正。

作 者

2007年4月

前言
第1章 緒論 1
1.l 檢測技術(shù)的作用 1
1.2 檢測系統(tǒng)的組成 2
1.3 檢測系統(tǒng)的分類 4
1.4 檢測系統(tǒng)的發(fā)展過程 7
1.5 檢測技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 8
第2章 檢測系統(tǒng)基本特性 11
2.1 概述 11
2.2 檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性 12
2.2.1 靜態(tài)數(shù)學(xué)模型 12
2.2.2 線性度 13
2.2.3 靈敏度 14
2.2.4 重復(fù)性 14
2.2.5 遲滯性 15
2.2.6 準確度 16
2.2.7 分辨率 16
2.2.8 漂移 17
2.2.9 量程及測量范圍 17
2.3 檢測系統(tǒng)的靜態(tài)標(biāo)定 17
2.4 檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性 18
2.4.1 動態(tài)數(shù)學(xué)模型 19
2.4.2 典型檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性 20
2.4.3 動態(tài)特性參數(shù)的測定 26
2.5 檢測系統(tǒng)無失真測試條件 28
2.6 動態(tài)誤差修正 29
2.6.1 頻域修正方法 29
2.6.2 時域修正方法 30
第3章 測量與誤差 31
3.1 測量誤差的綜述 31
3.1.1 測量的幾個名詞術(shù)語 31
3.1.2 測量誤差的定義 32
3.1.3 測量誤差的來源 33
3.1.4 測量誤差的分類 33
3.1.5 測量的方法 34
3.2 隨機誤差分析 36
3.2.1 隨機誤差的統(tǒng)計特性和概率分布 36
3.2.2 等精度測量隨機誤差的數(shù)據(jù)處理 37
3.2.3 不等精度測量隨機誤差的數(shù)據(jù)處理 41
3.3 系統(tǒng)誤差分析 43
3.3.1 系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生原因 43
3.3.2 系統(tǒng)誤差的消除方法 44
3.4 粗大誤差分析 45
3.5 測量誤差的合成 47
3.5.1 系統(tǒng)誤差的合成 47
3.5.2 隨機誤差的合成 49
3.5.3 綜合誤差的合成 50
3.5.4 測量結(jié)果的表示 51
第4章 參數(shù)檢測技術(shù) 52
4.1 溫度檢測 52
4.1.1 測溫方法及溫標(biāo) 52
4.1.2 熱電偶測溫 54
4.1.3 熱電阻測溫 61
4.1.4 其他測溫方法 66
4.2 壓力檢測 71
4.2.1 概述 72
4.2.2 彈性式壓力檢測 73
4.2.3 電測式壓力檢測 76
4.2.4 測壓儀表的使用 82
4.3 物位檢測 83
4.3.1 物位檢測方法和分類 84
4.3.2 靜壓式物位檢測 84
4.3.3 浮力式物位檢測 88
4.3.4 其他物位檢測 89
4.4 流量檢測 95
4.4.1 流量檢測方法和分類 95
4.4.2 體積流量檢測方法 97
4.4.3 質(zhì)量流量檢測方法 114
4.5 成分檢測 119
4.5.1 熱導(dǎo)式氣體分析儀 120
4.5.2 氧分析儀 123
4.5.3 紅外線氣體分析器 129
4.5.4 色譜分析儀 131
4.6 機械量檢測 134
4.6.1 位移檢測 135
4.6.2 轉(zhuǎn)速檢測 140
4.6.3 加速度與振動檢測 142
第5章 信號調(diào)理電路 146
5.1 測量電橋 146
5.1.1 電橋的分類 147
5.1.2 直流電橋 148
5.1.3 交流電橋 155
5.1.4 雙電橋 161
5.2 信號轉(zhuǎn)換電路 162
5.2.1 電容與電壓的轉(zhuǎn)換 162
5.2.2 電流與電壓的相互轉(zhuǎn)換 166
5.2.3 電壓與頻率的相互轉(zhuǎn)換 170
5.3 放大電路 175
5.3.1 電荷放大電路 175
5.3.2 儀器放大電路 178
5.3.3 程控放大器 180
5.3.4 隔離放大電路 184
5.4 濾波電路 187
5.4.1 濾波器的分類 188
5.4.2 模擬有源濾波器 192
5.4.3 開關(guān)電容濾波器 197
5.5 非線性校正電路 202
5.5.1 模擬量的非線性校正法 202
5.5.2 模擬非線性校正環(huán)節(jié)的實現(xiàn) 206
5.6 調(diào)制與解調(diào) 213
5.6.1 幅度調(diào)制和解調(diào) 213
5.6.2 頻率調(diào)制與解調(diào) 219
第6章 檢測系統(tǒng)過程通道 222
6.1 模擬量輸入通道 222
6.1.1 采樣/保持 222
6.1.2 多路模擬開關(guān) 226
6.1.3 程控增益放大器 230
6.1.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及參數(shù)設(shè)計和選擇 235
6.1.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用舉例 239
6.2 模擬量輸出通道 239
6.2.1 輸出保持器 239
6.2.2 濾波電路 241
6.2.3 D/A轉(zhuǎn)換電路及參數(shù)設(shè)計和選擇 242
6.2.4 模擬量輸出通道應(yīng)用舉例 250
6.3 開關(guān)量輸入輸出通道 251
6.3.1 開關(guān)量輸入輸出通道的結(jié)構(gòu) 251
6.3.2 開關(guān)量輸入輸出單元電路 252
6.3.3 開關(guān)量輸入去抖動 254
6.4 頻率量檢測通道 257
6.4.1 頻率量檢測的基本方法 257
6.4.2 多路頻率量檢測 260
6.5 多路溫度檢測通道 262
6.5.1 熱電阻多路溫度檢測 263
6.5.2 熱電偶多路溫度檢測 266
第7章 檢測系統(tǒng)中數(shù)字信號分析與處理 270
7.1 量程轉(zhuǎn)換 270
7.2 標(biāo)度變換 273
7.3 零位和增益誤差校正 273
7.4 非線性校正 275
7.4.1 查表法 276
7.4.2 插值法 276
7.4.3 擬合法 279
7.5 數(shù)字濾波 282
7.5.1 限幅濾波 282
7.5.2 中位值濾波 283
7.5.3 平均濾波 284
7.5.4 低通濾波 286
7.5.5 復(fù)合濾波 287
第8章 檢測系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù) 289
8.1 干擾的形成 289
8.1.1 干擾的分類 289
8.1.2 干擾的耦合 290
8.2 硬件抗干擾措施 293
8.2.1 接地技術(shù) 294
8.2.2 屏蔽技術(shù) 298
8.2.3 共模干擾及其抑制 299
8.2.4 串模干擾的抑制 301
8.2.5 其他抗干擾措施 301
8.3 軟件抗干擾措施 302
8.3.1 軟件冗余技術(shù) 302
8.3.2 軟件陷阱 303
8.3.3 “看門狗”技術(shù) 306
8.3.4 故障自動恢復(fù)程序 307
第9章 檢測系統(tǒng)的組成 310
9.1 自動測試系統(tǒng) 310
9.1.1 自動測試系統(tǒng)概述 310
9.1.2 自動測試系統(tǒng)的組成 312
9.1.3 自動測試系統(tǒng)實例 313
9.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 314
9.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的概述 314
9.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成 314
9.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例 318
9.3 虛擬儀器系統(tǒng) 319
9.3.1 虛擬儀器概述 319
9.3.2 虛擬儀器的系統(tǒng)組成 321
9.3.3 虛擬儀器應(yīng)用實例 323
9.4 現(xiàn)場總線系統(tǒng) 325
9.4.1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)概述 325
9.4.2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)組成 328
9.4.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計 330
9.4.4 現(xiàn)場總線系統(tǒng)應(yīng)用實例 330
9.5 工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng) 332
9.5.1 工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)概述 332
9.5.2 工業(yè)以太網(wǎng)檢測系統(tǒng)組成 334
第10章 網(wǎng)絡(luò)化檢測系統(tǒng)設(shè)計 337
10.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲與傳輸介質(zhì) 337
10.1.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲 337
10.1.2 網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì) 338
10.1.3 網(wǎng)絡(luò)互連相關(guān)概念 338
10.1.4 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計原則與步驟 340
10.2 網(wǎng)絡(luò)化檢測系統(tǒng)應(yīng)用實例 341
10.2.1 系統(tǒng)概述 341
10.2.2 硬件系統(tǒng)組成 344
10.2.3 下位機模塊簡介 346
10.2.4 MODBUS儀表與PROFIBUS總線通信 348
10.2.5 軟件系統(tǒng)組成 349
10.2.6 系統(tǒng)硬件組態(tài) 352
10.2.7 Web瀏覽的實現(xiàn) 356
10.2.8 小結(jié) 359
參考文獻 360　　

1. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師考前沖刺100題 [倪奕文 王建平 編著]
2. 機電概念設(shè)計（MCD）應(yīng)用實例教程 [主 編 黃文漢 陳斌]
3. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師5天修煉 [倪奕文 編著]
4. 云平臺通信技術(shù)應(yīng)用 [主編　王浩　王偉旗]
5. 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù) [主編 張翼英 史艷翠]
6. 汽車性能與檢測技術(shù) [刁立福 趙修強]
7. 警用移動通信技術(shù)與設(shè)備 [胡記文]
8. 移動通信技術(shù) [閆云利]
9. 用戶體驗及Axure交互設(shè)計——不懂交互的設(shè)計師不是好設(shè)計師！ [北京課工場教育科技有限公司Q]
10. PLC系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 [主編 王紅 遲恩先]
11. 檢測技術(shù) [程瑛 方彥軍 編著]
12. 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計安裝與調(diào)試 [主編 田浩鵬]
13. PLC控制系統(tǒng)設(shè)計安裝與調(diào)試 [趙偉]
14. 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與訓(xùn)練 [胡輝 主編]
15. 現(xiàn)代檢測技術(shù) [李英順 主編]
16. 單片機原理及基于單片機的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計 [蔡方凱 主編]
17. 建筑智能化技術(shù) [謝莉 等編著]
18. 單片機原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 [李云鋼 等編著]