具体描述
《智能仪器设计基础》是教育部高等学校仪器仪表学科教学指导委员会选定的“十一五”国家级规划教材。《智能仪器设计基础》在讲述智能仪器工作原理的基础上，介绍智能仪器的设计方法。主要内容有智能仪器的输入输出通道、外设及其控制技术、通信接口等。以提高学生设计能力为目标，介绍智能仪器总体设计、电路设计及实现、软件设计、抗干扰措施及减少测量误差的设计方法。《智能仪器设计基础》介绍智能仪器的一些新技术，理论联系实际，实用性强。
《智能仪器设计基础》是测控技术与仪器、自动化及相关专业本科生教材，也可供测控技术、自动化、电子、电力、机电一体化、计算机应用等领域的工程技术人员参考。
工业自动化系统中的精密测量与控制 本书聚焦于工业自动化领域的核心技术——精密测量与控制，为读者深入剖析实现高效、精准生产流程的关键要素。我们不触及“智能仪器设计基础”的特定范畴，而是从更广阔的视角，探讨在复杂工业环境中，如何有效地获取、处理和利用信息，以达成对生产过程的优化与掌控。 第一章：工业测量技术概览 本章将带您走进工业测量世界的广阔图景。我们将首先梳理工业测量在现代制造业中的基石地位，阐述其在质量控制、过程监控、安全保障等方面的不可或缺性。接着，深入介绍各类主流的工业测量原理，包括但不限于： 电阻式测量： 探讨应变片、热敏电阻等元件如何通过电阻变化来反映物理量，如力、压力、温度等，并分析其在称重传感器、温度传感器等应用中的机理。 电容式测量： 揭示电容量变化与物理量（如位移、液位、湿度）之间的关系，介绍电容式传感器的结构、工作原理及其在非接触测量中的优势。 电感式测量： 讲解电感变化如何被用于测量位移、速度等，重点分析电磁感应原理在电感式传感器中的应用，以及其在金属检测、角度测量等方面的表现。 光学测量： 涵盖光电转换、光栅尺、激光测量等技术，分析光信号的产生、传输与处理过程，重点关注其在尺寸测量、位置跟踪、表面检测等高精度应用中的作用。 声学测量： 探讨超声波在工业测量中的应用，包括距离测量、液位检测、无损探伤等，并分析声波传播特性与测量参数之间的关系。 此外，本章还会对不同测量技术的适用范围、精度等级、环境适应性进行比较分析，为读者提供选择合适测量方法的理论依据。 第二章：工业传感器的工作原理与应用 传感器是工业测量系统中信息的“触角”，本章将深入剖析各类核心工业传感器的内部构造、工作机制以及在实际工业场景中的广泛应用。 压力传感器： 详细介绍膜片式、应变片式、压阻式等压力传感器的结构与压阻效应，分析其在液压系统、气动系统、管道压力监测等领域的应用。 温度传感器： 重点阐述热电偶、热电阻（PT100）、红外测温仪等温度传感器的原理，分析其在高温环境、远程测量、非接触测温等场景下的适用性。 位移传感器： 讲解线性变量位移传感器（LVDT）、编码器、激光位移传感器等的工作原理，分析其在机械臂定位、生产线对齐、产品尺寸检测等方面的作用。 液位传感器： 探讨浮子式、超声波式、电容式、雷达式等液位传感器的测量方法，分析其在储罐监测、反应釜液位控制等工业过程中的重要性。 流量传感器： 介绍涡轮流量计、电磁流量计、质量流量计等不同类型流量传感器的测量原理，分析其在流体计量、工艺控制等方面的应用。 力与扭矩传感器： 深入分析应变片式力/扭矩传感器的设计与应用，探讨其在材料测试、机器人末端执行器、扭矩控制等领域的关键作用。 本章将通过丰富的案例，帮助读者理解传感器如何将物理世界中的各种参数转化为可供系统处理的电信号。 第三章：信号调理与数据采集 原始的传感器信号往往需要经过一系列的“预处理”才能被可靠地读取和分析。本章将专注于信号调理与数据采集技术。 信号调理电路： 详细介绍放大器（差分放大、仪表放大）、滤波器（低通、高通、带通）的作用，以及如何通过这些电路来增强信号、抑制噪声、匹配阻抗，确保信号的准确性。 模拟-数字转换（ADC）： 深入解析ADC的工作原理，包括采样、量化、编码的过程，介绍不同类型的ADC（逐次逼近型、Σ-Δ型）的特点与选择依据，以及采样率、分辨率等关键参数的意义。 数字-模拟转换（DAC）： 阐述DAC的作用，即如何将数字信号还原为模拟信号，介绍其在控制系统中的应用，如驱动执行器。 数据采集系统（DAQ）： 介绍DAQ系统的组成部分，包括传感器接口、信号调理模块、ADC、数据处理单元等，分析不同DAQ硬件的性能指标，并探讨其在多通道数据同步采集、实时数据处理中的能力。 本章将帮助读者理解如何构建一个高效、可靠的数据采集链，为后续的分析和控制奠定基础。 第四章：工业控制系统的基础理论 本章将从理论层面，探讨工业控制系统的核心概念与方法，为实现对工业过程的精确调控提供理论支撑。 反馈控制系统： 深入分析反馈控制的基本原理，即利用输出信号的偏差来修正输入信号，以达到稳定控制的目的。重点介绍PID（比例-积分-微分）控制器的工作原理、参数整定方法及其在各种工业控制场景中的应用。 开环控制与闭环控制： 比较开环控制与闭环控制的优缺点，分析闭环控制在应对扰动、提高鲁棒性方面的优势。 系统辨识： 介绍如何通过实验数据来建立被控对象的数学模型，分析模型的准确性对控制性能的影响。 现代控制理论简介： 简要介绍状态空间方法、最优控制、自适应控制等更高级的控制理论，为读者提供进一步学习的入口。 可编程逻辑控制器（PLC）： 介绍PLC作为工业自动化领域的核心控制单元，分析其在顺序控制、逻辑控制、数据处理等方面的功能，以及在不同自动化设备中的应用。 第五章：工业通信与网络 在现代工业自动化系统中，设备间的有效通信是实现协同工作、数据共享的关键。本章将聚焦工业通信协议与网络。 串行通信： 介绍RS-232、RS-485等串行通信接口的标准、通信方式与应用场景。 工业以太网： 深入分析Ethernet/IP、Profinet、Modbus TCP等工业以太网协议的工作原理、数据帧结构、实时性保障机制，以及在自动化生产线中的广泛应用。 现场总线技术： 探讨CAN总线、Profibus、DeviceNet等现场总线技术的特点，分析其在工业现场分布式控制、传感器/执行器通信中的优势，以及在提高布线效率、降低成本方面的作用。 无线通信技术在工业中的应用： 介绍Zigbee、LoRa、Wi-Fi等无线技术在工业物联网、移动设备通信等方面的应用前景与挑战。 本章将帮助读者理解不同通信方式的特点，以及如何构建一个稳定、高效的工业通信网络。 第六章：工业数据分析与应用 从传感器获取的大量数据是优化生产、提升效率的宝贵资源。本章将探讨工业数据的分析与应用。 数据预处理与清洗： 介绍如何处理缺失值、异常值，以及进行数据归一化、特征提取等操作，以提高数据分析的质量。 统计分析方法： 涵盖描述性统计、推断性统计，以及回归分析、方差分析等在工业数据分析中的应用，例如工艺参数优化、故障诊断等。 机器学习与人工智能在工业中的应用： 简要介绍监督学习、无监督学习、强化学习等机器学习算法，以及其在预测性维护、质量检测、智能调度等工业场景中的潜力。 数据可视化技术： 探讨如何利用图表、仪表盘等可视化工具，直观地展示和理解工业数据，支持决策制定。 第七章：系统集成与维护 工业自动化系统的成功部署和长期稳定运行，离不开有效的系统集成与科学的维护策略。 系统集成流程： 阐述从需求分析、方案设计、设备选型、安装调试到最终验收的完整系统集成过程。 人机界面（HMI）设计： 讨论良好HMI设计的重要性，以及如何通过直观、友好的用户界面，提升操作效率和安全性。 系统测试与验证： 介绍功能测试、性能测试、压力测试等关键测试环节，确保系统的可靠性和稳定性。 工业自动化系统的维护： 探讨预防性维护、预测性维护、纠错性维护等策略，以及日常巡检、故障排除、备件管理等重要维护实践。 通过对以上章节的深入学习，读者将能够全面掌握工业自动化系统中精密测量、信号处理、控制理论、通信技术以及数据分析等关键环节的知识与技能，从而更好地理解和参与到现代工业生产流程的优化与升级之中。
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