测控技术与仪器专业概论

测控技术与仪器专业概论摘要本文介绍了测控技术与仪器专业（MeasuringandControlTechnologyandInstrumentations）的概况、历史发展及其现阶段发展状况，描述了测控技术的基本概念、重要理论及应用，同时也介绍了仪器技术的相关知识。[关键词]测量技术，历史发展，仪器仪表，控制。0引言人类生活离不开测试测量与控制，科学进步也离不开测试测量与控制。随着计算机技术和先进自动控制技术的迅猛发展，测试测量与控制的重要性也日益凸显，业已成为人类社会发展以及科技领域创新发展的基础技术支持。1测控技术与仪器专业概况1.1测控技术与仪器专业基本定义测控技术与仪器专业是一门通过测试、测量技术采集，处理数据信息以期达到控制工业，农业等领域设备器械的技术。“测控技术与仪器”是指对信息进行采集、测量、存储、传输、处理和控制的手段与设备，包含测量技术、控制技术和实现这些技术的仪器仪表及系统。1.2测控技术与仪器专业的特点及范畴测控技术与仪器是多学科技术交叉融合的典型之一。信息论、控制论、系统论是测控专业的理论基础，信息技术、控制技术、系统网络技术是测控专业的基本技术，多学科交叉及多系统集成是测控专业的显著特点。测控技术与仪器专业属于工程技术专业，是建立在精密机械、电子技术、光学、自动控制和计算机技术的基础上，以工为主、多学科综合的专业，涉及仪器学、电子学、光学、精密机械、计算机、信息与控制技术等多项技术，它主要研究各种精密测试和控制技术的新原理、新方法和新工艺。近年来，计算机技术在测控技术的应用研究中呈现出越来越重要的地位。计算机化的测试与控制技术以及智能化得精密测控仪器与系统是现代化工农业生产、科学技术研究、管理检测监控等领域的重要标志和手段，发挥着越来越重要的作用。1.3测控技术与仪器专业的应用测控技术是一门应用性技术，广泛用于工业、农业、交通、航海、航空、军事、电力和民用生活各个领域。随着生产技术的发展需要，测控技术从最初的控制单个及其、设备，到控制整个过程，乃至系统，特别是在当今现代科技领域的尖端技术中，测控技术起着至关重要的作用。冶金工业，测控技术的应用有：炼铁过程的热风炉控制、装料控制与高炉控制，轧钢过程的压力控制、轧机速度控制、卷曲控制等及其中使用的多种检测仪表等。电力工业，测控技术的应用有锅炉的燃烧控制系统、汽轮机的自动监控、自动保护、自动调节与自动程序控制系统与发动机的电力输入输出控制系统等。煤炭工业，测控技术的应用有：采煤过程的煤层气测井仪器、矿井空气成分检测仪器、矿井瓦斯检测仪、井下安全保障监控系统等，煤精炼过程的熄焦过程控制、煤气回收控制、精炼过程控制、生产机械传动控制等。石油工业，测控技术的应用有：采油过程的磁性定位仪、含水仪、压力计等支撑测井技术的各种测量仪表，炼油过程的供电系统、供水系统、供蒸汽系统、供气系统、储运系统和三废处理系统与其连续生产过程中大量参数的检测仪表等。化学工业，测控技术的应用有：温度测量、流量测量、液位测量、浓度、酸度、湿度、密度、浊度、热值及各种混合气体组分等参数测量需要的测量仪表与按照预定规律控制被控参数的控制仪表等。机械工业，测控技术的应用有：精密数字控制机床、自动生产线、工业机器人等。航空航天工业，测控技术的应用有：飞行器的飞行高度、飞行速度、飞行状态与方向、加速度、过载以及发动机状态等参数的测量，航天技术的航天运载器技术、航天器技术、航天测控技术等。军事装备，测控技术的应用有：精确制导武器、智能型弹药、军队自动化指挥系统（C4IRS系统）、外层空间军事装备（如各种军用侦察、通信、预警、导航卫星等等）。2测控技术与仪器的历史发展以及未来发展方向2.1测控技术与仪器发展的各个阶段测控技术与仪器的发展大致分以下三个阶段（1）测控技术与仪器的早期发展阶段，某种意义上讲，从人类在地球上诞生的第一天起，就为了自身的生存发展需要，为了对大自然及其规律的观察、探索、和利用，不断地发明各种人事世界和改造世界的相应工具，并产生了相应的科学研究和科学技术。但受知识积累和工艺条件所限，在很长的历史时期内大多属于定向、计时或度量衡用的简单仪器。早期的测量仪器有：计时仪器——水钟、漏壶；定向仪器——指南针、司南；天文仪器——浑天仪；地震测量仪器——地动仪等等。（2）工业大革命发展阶段，17~18世纪，测控技术初见端倪，欧洲的一些物理学家开始利用电流与磁场作用力制成简单的检流计，利用光学透镜制成望远镜，从而奠定了电学和光学仪器的基础。其间，一些简单的测量器具，如测量长度、温度、压力等的器具已经用于生活当中，创造了巨大的生产力。19世纪初电磁领域的一系列发展，引发了第二次工业革命。电磁学领域的许多发明，如电报、电话、发电机等，促进了电气时代的到来。同时，其他各种用于测量和观察的仪器仪表也大量涌现。（3）计算机技术及智能控制系统迅速发展背景下的现阶段，随着科学技术的发展，仪器仪表已成为测量、控制和实现自动化必不可少的技术工具。为了满足各方面的需求，仪器仪表已从传统的应用领域扩展到了生物医学、生态环境、生物工程等非传统应用领域。21世纪以来，一大批当代最新的技术成果，使仪器仪表领域发生了根本性的变革，促进了高科技化、智能化的新型仪器仪表时代的来临。目前，测控系统的设计思想明显受到计算机网络技术的影响，基于网络化、模块化、开放性等原则，测控网络由传统的集中模式转变为分布模式，成为具有开放性、可互操作性、分散性、网络化、智能化的测控系统。网络技术的出现，正在并将极大地改变人们生活的各个方面。具体到计量测试、测控技术及仪器仪表领域，微机化仪器的联网，高档测量仪器设备以及测量信息的地区性、全国性乃至全球性资源共享，各等级计量标准跨地域实施直接的数字化溯源比对，远程数据采集与测控，远程设备故障诊断，电、水、燃气、热能等的自动抄表，等等，都是网络技术进步并全面介入其中发挥关键作用的必然结果。2.2测控技术与仪器的未来发展方向（1）非接触测头以及各种扫描探针显微镜。航空航天行业对此已经提出迫切要求，这是今后坐标测量机发展的关键技术。目前接触式测头已完全被国外所垄断，非接触测头还没有发展成熟，我们有参与竞争的机遇。以前较多采用的激光三角法原理受到很多限制，难以有突破性进展，但可在原理创新上下功夫。应该突破0.1～0.5μm分辨率。（2）计算机辅助测量理论。信号处理系统的标准化、模块化、兼容和集成。例如，目前多数采用ISA总线、IEEE488口，今后计算机可能取消ISA总线，用于笔记本电脑的USB接口将广泛应用。过去，中国生产的仪器满足于数字显示，没有数据交换接口，难以进入国际市场。国外生产的仪器普遍配备IEEE488(GPIB)口。RS232：目前有可能成为替代物的高性能标准是USB、IEEE1394和VXI。在此转折期为我们提供了机遇。目前虚拟仪器的工作频段在千赫数量级，对于干涉信号处理显得太低，可以采取联合互补的方法形成模块系列，同时降低成本，从总体上提高研发工作的效率。根据已有基础，发展特长，有利于克服重复研究。（3）新器件，新材料。过去，科研评价体系存在偏重于整机和系统，忽视材料和器件的趋向。新的突破点可能出现在新光源、新型高频探测器。如果探测器的性能得到显著提高，对于通讯也是很大的突破。（4）半导体激光器计量特性的研究和创新。半导体激光器用于计量需要解决很多问题(如线宽、定标、变频等)。但如果解决了诸多问题以后，半导体激光系统比气体激光系统更复杂，就不会有竞争力。有些问题在物理层面上也没有完全解决。例如半导体激光器如果能形成双频，无疑是一种十分重要的特性，如果既能扫频又有两个相近的频率扫描，就会成为一种新的无导轨测量工具。3测量，测试技术3.1测量，测试技术的基本概念测量是人们对客观事物取得数量概念的一种认识过程，是借助专门的技术和仪器装置，采用一定的方法获取某一客观事物定量数据资料的认识过程。根据国际通用计量学基本名词的定义，测量是以确定被测量值为目的的一组操作，也就是说测量是将被测量与标准量（单位）进行比较从而确定被测量对标准量的倍数，并用数字表示这个结果。测量结果也可以表示为一条曲线，或显示成某种图形，既包含数值（大小和符号），又包含单位。实现测量的工具一般称为测量仪器、仪表、计或具。测试通常被认为是具有试验性质的测量，是测量和试验的综合，属于信息科学的范畴。测量是为了确定被测信号的量值而进行的操作过程，而试验是对未知事物探索性的试验过程。从广义的角度来讲。测试涉及试验设计、信号的测量、加工与处理、系统辨识、参数估计和综合判断等内容。从狭义的角度来讲，测试则是在选定的激励方式下，对信号的检测、变换、处理、显示、记录以及输出的一系列数据处理工作。3.2测量，测试技术的基本原理测试系统原理框图3.3测量技术的分类测量技术按其测量结果的产生方式可分为直接、间接与联立测量三种。（1）直接测量将被测量与标准量直接对比就能得到测量结果，或经检测转换后就能得到检测结果的测量方式称为直接测量。优点是测量过程简单且迅速，是生产生活中最常用的测量方法。被测对象传感器信号调理数据显示与记录观察者（2）间接测量对被测参数有确定的函数关系的其他参数进行测量，然后将测量值代入函数关系式，经过计算的到所需结果，这种测量方式称为间接测量。间接测量环节较多，但有时可以通过多种测量途径的到较高的测量精度（3）联立测量在间接测量师，若被测参数必须经过求解联系方程才能得到最后结果，则称这样的测量为联立测量。联立测量的测试过程较复杂，是一种特殊的精密测量方法，多用于科学实验或工艺试验。结语在如今的信息时代，测控技术、计算机技术和通信技术并称信息科学技术的三大支柱，而测控技术是信息技术的源头，是信息流中的重要一环，为信息技术的发展发挥着不可替代的作用。相信在未来的发展中测控技术的应用会更加广泛而重要。参考文献[1]韩九强等现代测控技术与系统清华大学出版社2007[2]陈毅静，暂宏洋，候媛彬.测控技术与仪器专业导论.北京大学出版社，2010年.[3]王伯雄.测试技术基础（第二版）.清华大学出版社.2012年5月.[4]池万乐.软件测试技术的应用.电脑知识与技术.2005.12.21.[5]沙占友.数字化测量技术与应用.机械工业出版社.2004年3月.