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仪表基础知识
一、传感器
（一）传感器的定义
能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
（二）传感器的分类
目前对传感器比较常用的有如下四种：
1、按传感器测量的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器
2、按传感器工作原理分类，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：输出为开关量的开关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。
4、按能量的传递方式分类，传感器可分为有源传感器和无源传感器两大类。
（三）温度传感器
温度传感器主要由热敏元件组成。常用温度传感器有热电偶传感器、铂热电阻传感器和热敏电阻等。
1、热电偶传感器
⑴热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：
① 测量精度高。 ② 测量范围广。③ 构造简单，使用方便。
⑵ 热电偶的种类
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。 我部门常用的有E型、K型两种标准化热电偶。
⑶ 热电偶冷端的温度补偿
在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。
⑷常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃，最高可达+2800℃。
2、热电阻传感器
⑴工业用热电阻分为铂热电阻和铜热电阻两类。常用的为铂热电阻。
⑵热电阻的典型用途是在工业生产过程中测量-200℃~600℃的液体、气体和物体表面的温度。
3、半导体热敏电阻
热敏电阻的分类及特点： 按温度特性热敏电阻可分为两类，分别为正温度系数热敏电阻（NTC）和负温度系数热敏电阻（PTC）。
普通用途热敏电阻工作温度为-55℃～+315℃，特殊低温热敏电阻的工作温度低于-55℃，可达-273℃。
4、热电偶，热电阻和热敏电阻用于测温时的优缺点比较
① 热电偶
优点：可测量到小范围内的温度，热响应快，耐振动和耐冲击，可以测量高温区。
缺点：变化率小，需修正冷接点温度。
② 热电阻
优点：测量精度很高。
缺点：热响应慢，耐振动和耐冲击性差，成本高，不适合测量高温区。
③ 热敏电阻
优点：可测量到小范围内的温度，变化率较大，固有电阻大，无需延长导线时的误差补偿。
缺点：变化率非线性，不适合测量高温区。
（四）压力变送器
压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器（0.001MPa～20MP3）和微差压变送器（0～30kPa）两类。
（五） 液位变送器
常用液位变送器有浮球式液位变送器和静压式液位变送器。
（六）流量计
我部门常用的流量计有：差压式流量计、浮子流量计、电磁流量计、涡街流量计等。
二、仪表
仪表是能检出、测量、观察、计算各种物理的量、物质成分、物性参数等的器具或设备。
（一）仪表分类
按仪表所使用的能源分类，可以分为气动仪表、电动仪表和液动仪表（很少见）；按仪表安装形式，可以分为现场仪表、盘装仪表和架装仪表；按仪表信号的形式可分为模拟仪表和数字仪表；按仪表结构形式，可以分为基地式仪表和单元组合仪表；随着微处理机的发展，根据仪表有否引入微处理机（器）又可分为智能仪表与非智能仪表。
（二）仪表的误差和精度
1、绝对误差
就是仪表的指示值与被测参量真实值之差的绝对值。但绝对误差的大小并不能表示仪表测量的精确度。
2、相对误差
用相对值表示误差的大小称相对误差，用测量的绝对误差与真实值之比的百分数来表示。
3、基本误差
仪表的最大绝对误差与仪表量程范围之比的百分数称为基本误差。
我国一般工业用仪表的精确度等级大致有：1.0、1.5、2.5、5.0
仪表的基本误差是指仪表在正常（也称标准）工作条件下的最大相对百分误差。由于外界条件变动的影响，将引起额外的误差，我们把这个额外误差叫做附加误差。
（三）单元组合仪表的发展
我国的单元组合仪表的发展可分为四个阶段，20世纪60年代以电子管为基础的DDZ-Ⅰ型单元组合仪表；20世纪70年代以晶体管为基础的DDZ-Ⅱ型单元组合仪表；20世纪80年代以集成电路为基础的DDZ-Ⅲ型单元组合仪表； 20世纪90年代以后随着单片机和单板机的广泛使用，出现了以单片机和单板机为核心的智能化单元组合仪表。
（四）SWP系列智能化单元组合仪表
1、仪表输入信号与适配传感器
⑴配用标准分度号温度传感器 ⑵配用标准信号变送器
2、仪表输出信号
⑴模拟量输出 ⑵开关量输出 ⑶通讯输出 ⑷馈电输出
3、仪表异常时显示
⑴输入回路断线（热电偶或热电阻输入时）：显示-OH-，上限报警继电器动作输出报警指示。
⑵输入超量程：显示-OH-，上限报警继电器动作输出报警指示。
⑶输入欠量程：显示-OL-，下限报警继电器动作输出报警指示。
4、仪表面板
（1）操作键
参数设定选择键（SET）功能：
①可以记录已变更的设定值 ②可以按顺序变换参数设定模式③可以变换显示或参数设定模式
设定值减少键（ ）功能：①变更设定时，用于减少数值 　②连续按压，将快速减少数值
设定值增加键（ ）功能：①变更设定时，用于增加数值　 ③连续按压，将快速增加数值
　 复位键（RESET）功能： 仪表手动自检（面板不标出）
（2）显示器（LED）：　　显示测量值；　　在参数设定状态下，显示参数符号或设定值
（3）指示灯：　　继电器输出指示
5、控制参数（一级参数）设定
在仪表显示状态下，按压SET键，仪表将转入控制参数设定状态。每按压SET键即按顺序变换参数。
CLK 设定参数禁锁
⑴CLK=00 无禁锁（设定参数可修改）
⑵CLK≠00 、132 禁锁（设定参数不可修改）
⑶CLK=132 进入二级参数
设定参数改变后，按SET键该值才被确认保存。参数一旦设定，断电后将永远保存。
三、执行器
执行器组成：由执行机构和调节机构组成。执行机构按能源划分有气动执行器、电动执行器和液压执行器，按结构形式可以分为薄膜式、活塞式（气缸式）和长行程执行机构。
1、电动执行机构
电动执行器有直行程和角行程执行器两类。电动执行器主要由伺服放大器和执行机构两部分组成。
2、气动执行机构
气动执行机构有薄膜式和活塞式等。在工程上气动薄膜式应用最广。
3、 相对气动、液压执行器而言，电动执行器主要有3点优势：
(1)无需特殊的气源和空气净化等装置。即使电源掉电时，也能保持原执行位置；
(2)可远距离传输信号，电缆敷设比气管和液体管道敷设方便得多，且便于线路检查；
(3)与计算机连接方便简洁，更适应采用电子信息新技术。
四、工业控制自动化行业基本状况
1、主要产品
⑴PLC：按功能及规模可分为大型PLC（输入输出点数＞1024），中型PLC（输入输出点数256～1024）及小型PLC（输入输出点数＜256点）。
⑵DCS：按功能及规模亦可分为多级分层分布式控制系统、中小型分布式控制系统、两级分布式控制系统。
2、DCS与PLC的区别
PLC善于逻辑控制，如实现电气回路逻辑控制，属于强电设备，主要用于控制电机的开停等；
DCS长于模拟量控制，属于弱电设备，主要用于液位、流量、温度等模拟控制。
五、可编程控制器(PLC)
（一）可编程控制器概况
可编程控制器，简称PLC,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
（二）PLC的结构及基本配置
PLC分为箱体式和模块式两种。我部门采用的都是模块式PLC。PLC的基本配置：1、CPU 2、I/O模块 3、电源模块 4、底板或机架 5、PLC 的外部设备 6、PLC的通信联网
模拟电路
一、半导体
1、本征半导体
根据物体导电能力（电阻率）的不同划分为导体、绝缘体和半导体。
本征半导体是—种化学成分纯净、结构完整的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。
2、本征半导体的热敏性、光敏性和掺杂性
① 热敏性、光敏性—本质半导体在温度升高或光照情况下，导电率明显提高。
② 掺杂性—在本征半导体中掺入某种特定的杂质，成为杂质半导体后，其导电率会明显的发生改变。
二、 N型半导体和P型半导体
杂质半导体由于掺杂的不同，可分为两大类：一类是N型半导体,也称电子型半导体。另外一类是P型半导体，也称为空穴型半导体。
三、 PN结
1.PN结的形成
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。在其交界面上就出现一层薄膜，我们把这一层薄膜称为PN结。
2. PN结的单向导电性
PN结P区的电位高于N区的电位称为加正向电压，简称正偏；
PN结P区的电位低于N区的电位称为加反向电压，简称反偏。
PN结加正向电压时，呈现低电阻；PN结加反向电压时，呈现高电阻。由此得出：PN结具有单向导电性。
四、半导体二极管
1． 结构
二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。
2.二极管的伏安特性
正向区分为两段： 当0＜U＜Uth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压。 当U＞Uth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。
反向区也分两个区域：当UBR＜U＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS； 当U≥UBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。
五、二极管整流电路
1、 半波整流电路：最简单的整流电路。是以"牺牲"一半交流为代价而换取整流效果的，电流利用率很低。
2、全波整流电路：全波整流电路，可以看作是由两个半波整流电路组合成的，整流效率高。
3、桥式整流电路： 桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，是在全波整流电路的基础上增加两只二极管连接成“桥”式结构。
六、 三极管
1、基本结构和类型
半导体三极管有两种类型：NPN型和PNP型。包含三层半导体：基区（相连电极称为基极，用B或b表示）； 发射区（相连电极称为发射极，用E或E表示）；集电区（相连电极称为集电极，用C或c表示）。 E-B间的PN结称为发射结， C-B间的PN结称为集电结。
2、 电流分配与放大
半导体三极管工作在放大状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。
发射极电流等于集电极电流与基极电流之和； Ie=Ic+Ib
基极的微小电流变化将会引起集电极的较大电流变化，可以认为是把基极的电流放大了，我们用β表示电流放大系数。 β=ΔIc/ΔIb
3、三极管的特性曲线
（1）输入特性曲线分为三个区域：死区、非线性区、线性区。
（2）输出特性曲线分为三个区域：饱和区、截止区、放大区。
七、 放大电路
常用多级放大电路级间耦合方式：直接耦合、 阻容耦合和变压器耦
集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路。合。
八、集成运算放大器，居
集成运算放大器的电路构成：输入级、中间放大级 、输出级、偏置电流源。
数字电路
一、数字电路概述
1、模拟信号：它的变化在时间上和数值上是连续的，不会突变，比如电压、电流的变化。在模拟电路中处理的就是这类信号。
2、数字信号：它的变化在时间上和数值上是不连续的、离散的。在数字电路中处理的就是这类信号，它在两种稳定状态间作阶跃式变化，这两种状态用“0”和“1”表示。
3、数字电路： 数字电路技术是用数字信号来实现运算、控制和测量的技术，实现这些功能所用的电路称数字电路。
4、数字电路的分类：数字脉冲电路和数字逻辑电路。
5、数字电路的划分：按功能分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。按结构分为分立元件电路和集成电路。
二、 半导体器件的开关特性
数字电路的半导体器件主要工作于开关状态，作为开关一般有两种状态：开态和关态。这些器件在实际中都不是理想开关。一般要做简化处理。
1、二极管的开关特性（单向导电性）
死区电压Ｖｒ和钳位电压Ｖｒ＇是二极管的两个重要参数。
2、三极管的开关特性：
三极管可以分为三个工作区域：放大区、截止区和饱和区。对应这三个工作区域，三极管具有放大、截止和饱和三种工作状态。在数字电路中，三极管作为开关主要工作于截止和饱和两种状态，而放大状态是截止和饱和之间的过渡状态，它主要应用于模拟电路中。
三、基本逻辑运算
基本的逻辑运算有“与”运算、“或”运算、“非”运算。
若规定以高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”，这种规定称正逻辑。反之，若规定低电平来表示逻辑“1”，高电平表示逻辑“0”，这种规定称负逻辑。在实际电路中多采用正逻辑。同一个门电路，若逻辑规定不同，可能表现不同的逻辑功能。如按正逻辑规定它是与门，如按负逻辑规定则是或门。

一、填空
自动调节系统主要由（测量元件）、（调节器）、（调节阀）和（调节对象）四大部分组成。
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由（敏感元件）和（转换元件）组成”。
温度传感器主要由（热敏元件）组成。常用温度传感器有（热电偶传感器）、（铂热电阻传感器）和（热敏电阻）等。
常用热电偶可分为（标准热电偶）和（非标准热电偶）两大类。我部门常用的有（E型）、（K型）两种标准化热电偶。
工业用热电阻分为（铂热电阻）和（铜热电阻）两类。
按温度特性热敏电阻可分为两类：（正温度系数热敏电阻NTC）和（负温度系数热敏电阻PTC）。
我部门使用的流量计主要有：（差压式流量计）、（浮子流量计）、（电磁流量计）、（涡街流量计）等。
我国常用一般工业用仪表精确度等级大致有：（1.0）、（1.5）、（2.5）、（5.0）
根据物体导电能力的不同划分为（导体）、（绝缘体）和（半导体）。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到（99.9999999%），常称为（"九个9"）。制造半导体器件的半导体材料在物理结构上呈单晶体形态。
二极管按结构分有（点接触型）、（面接触型）和（平面型）三大类。
数字电路按功能分为（组合逻辑电路）和（时序逻辑电路）两大类，结构分为（分立元件电路）和（集成电路）。
三极管可以分为三个工作区域：（放大区）、（截止区）和（饱和区）。对应这三个工作区域，三极管具有（放大）、（截止）和（饱和）三种工作状态。在数字电路中，三极管作为开关主要工作于（截止）和（饱和）两种状态，而（放大）状态主要应用于模拟电路中。　
基本的逻辑运算有（“与”）运算、（“或”）运算、（“非”）运算。
集成运算放大器是一个（高增益）的多级直接耦合放大电路，一般由四部分组成(输入级)、（中间放大级）、(输出级)和（偏置电流源）。
多级放大电路常用的耦合方式有（阻容耦荷）、（直接耦荷）和（变压器耦荷）
电动执行器有（直行程）和（角行程）执行器两类。电动执行器主要由（伺服放大器）和（执行机构）两部分组成。
绝对误差就是仪表的指示值与被测参量真实值之差的绝对值基本误差
杂质半导体由于掺杂的不同，可分为两大类：一类是N型半导体,也称电子型半导体。另外一类是P型半导体，也称为空穴型半导体。
数字电路中多采用负逻辑。（×）
PN结具有单向导电性。（√）
半导体三极管工作在放大状态，发射极电流等于集电极电流与基极电流之和。（√）
半导体三极管工作在放大状态：发射结加反向电压，集电结加正向电压。（×）
规定以高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”，这种规定称正逻辑。（√）

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：
① 测量精度高。② 测量范围广。③ 构造简单，使用方便。
DCS与PLC的区别
PLC善于逻辑控制，如实现电气回路逻辑控制，属于强电设备，主要用于控制电机的开停等；
DCS长于模拟量控制，属于弱电设备，主要用于液位、流量、温度等模拟控制。
热电偶，热电阻和热敏电阻用于测温时的优缺点比较
① 热电偶
优点：可测量到小范围内的温度，热响应快，耐振动和耐冲击，可以测量高温区。
缺点：变化率小，需修正冷接点温度。
② 热电阻
优点：测量精度很高。
缺点：热响应慢，耐振动和耐冲击性差，成本高，不适合测量高温区。
③ 热敏电阻
优点：可测量到小范围内的温度，变化率较大，固有电阻大，无需延长导线时的误差补偿。
缺点：变化率非线性，不适合测量高温区。

2．PN结具有单向导电性（√）
3．三极管工作在放大状态时，其发射结正偏，集电结正偏（×）