測控技術(shù)與儀器專業(yè)介紹

1、測控技術(shù)與儀器是研究信息的獲取和處理， 以及對相關(guān)要素進(jìn)行控制的理論 與技術(shù)；是電子、光學(xué)、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)、信息與控制技術(shù)多學(xué)科互相滲透而 形成的一門高新技術(shù)密集型綜合學(xué)科。過程步驟測控技術(shù)與儀器是將自動(dòng)化系統(tǒng)上的信號加以采集、整理、處理、而后進(jìn)行顯示或者發(fā)出控制信號的過程。英文名稱：Measuring andControl Technologyand Instrumentations 。采集在信號采集環(huán)節(jié)，主要是采集對象發(fā)出的各種信號,再將這種信號轉(zhuǎn)換成電 信號，以便于后續(xù)的處理。對象發(fā)出的信號大多數(shù)是通過傳感器來采集的，包括物理信號（如溫度、流量、壓力等）和化學(xué)信號（如濕度、氣味等）兩大

2、類,當(dāng) 然還包括不能歸為這兩類的一些信號，如可靠性、價(jià)格等。而開關(guān)量信號（帶有 數(shù)字信號的特征）則主要是靠帶有單片機(jī)電路的儀器，如無紙記錄儀，進(jìn)行采集。 此外，圖像信號自然是由攝像裝置來進(jìn)行采集。整理在信號的整理階段，主要是對采集到的電信號進(jìn)行平整、 濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等， 轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號。上述三種信號類型在整理階段的內(nèi)容有所不同,比如對傳感器傳來的信號主要是進(jìn)行信號放大、平整、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程；而 對于開關(guān)量信號通過無紙記錄儀的采集之后一般都能夠轉(zhuǎn)換成所需要的數(shù)字信 號以待輸出到下一個(gè)處理環(huán)節(jié)；對于圖像信號，經(jīng)采集之后主要是用于顯示，若 還需對圖像進(jìn)行處理，再顯示，或者發(fā)出控制信號

3、，那么也必須將圖像信號轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號，進(jìn)行處理，這就是一個(gè)復(fù)雜的問題。處理在信號的處理階段，主要是對數(shù)字信號進(jìn)行處理以便顯示， 或者發(fā)出控制信 號。我們通過顯示出來的信號來判斷自動(dòng)化系統(tǒng)上對象的運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常， 如果信 號顯示不正常,就需要對信號進(jìn)行計(jì)算與處理,得到控制信號發(fā)送給對象,使對 象調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)以復(fù)歸正常。顯示控制在顯示與控制環(huán)節(jié)，顯示主要是指將數(shù)字信號通過便于我們觀察的形式顯示 出來以便我們進(jìn)行判斷，控制主要是指將控制信號傳送給并作用于對象的過程。 上面的四個(gè)環(huán)節(jié)就構(gòu)成了整個(gè)測控的過程，如果包括控制的過程，則剛好形成了一個(gè)閉環(huán)，即信號從對象開始，經(jīng)過采集、整理、處理，最后乂將控制

4、信號作用 于對象的閉環(huán)。編輯本段技術(shù)發(fā)展自從迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)滲透到測控和儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域， 便使該領(lǐng)域的面貌不斷更新。相繼出現(xiàn)的智能儀器、總線儀器和虛擬儀器等微機(jī) 化儀器，都無一例外地利用計(jì)算機(jī)的軟件和硬件優(yōu)勢，從而既增加了測量功能， 乂提高了技術(shù)性能。由于信號被采集變換成數(shù)字形式后， 更多的分析和處理工作 都由計(jì)算機(jī)來完成，故很自然使人們不再去關(guān)注儀器與計(jì)算機(jī)之間的界限。近年來，新型微處理器的速度不斷提高，采用流水線、RISC結(jié)構(gòu)和cachE等先進(jìn)技術(shù)，乂極大提高了計(jì)算機(jī)的數(shù)值處理能力和速度。 在數(shù)據(jù)采集方面，數(shù)據(jù)采集卡、 儀器放大器、數(shù)字信號處理芯片等技術(shù)的不斷升級和更新，

5、也有效地加快了數(shù)據(jù) 采集的速率和效率。與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，已是當(dāng)今儀器與測控技術(shù)發(fā)展的主 潮流。對微機(jī)化儀器作一具體分析后，不難見，配以相應(yīng)軟件和硬件的計(jì)算機(jī)將 能夠完成許多儀器、儀表的功能，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)丁一臺多功能的通用測量儀器。這 樣的現(xiàn)代儀器設(shè)備的功能已不再由按鈕和開關(guān)的數(shù)量來限定，而是取決丁其中存儲器內(nèi)裝有軟件的多少。從這個(gè)意義上可認(rèn)為，計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代儀器設(shè)備日漸趨同， 兩者問已表現(xiàn)出全局意義上的相通性。據(jù)此，有人提出了 “計(jì)算機(jī)就是儀器” / 軟件就是儀器”的概念。計(jì)算機(jī)就是測控系統(tǒng)的中堅(jiān)總線式儀器、虛擬儀器等微機(jī)化儀器技術(shù)的應(yīng)用，使組建集中和分布式測控系統(tǒng)變得更為容易。 但集中測控越

6、來越滿足不了復(fù)雜、遠(yuǎn)程（異地）和范圍較大的測控任務(wù)的需求， 對此，組建網(wǎng)絡(luò)化的測控系統(tǒng)就顯得非常必要，而計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的不斷升級與進(jìn)步、給組建測控網(wǎng)絡(luò)提供了越來越優(yōu)異的技術(shù)條件。Unix、WindowsNTWindows2000 Netware等網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，為組建網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)帶來 了方便。標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如OSI的開放系統(tǒng)互連參考模型 RM Internet 上使用的TCP/IP協(xié)議，在開放性、穩(wěn)定性、可靠性方面均有很大優(yōu)勢，采用它 們很容易實(shí)現(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。在開發(fā)軟件方面，比如 NI公司的Labview 和LabWindows/CVI, HP公司的VEE微軟公司的

7、的VB VC等，都有開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng) 用項(xiàng)目的工具包。軟件是虛擬儀器開發(fā)的關(guān)鍵，如Labview和LabWindows/CVI的功能都十分強(qiáng)大，不僅使虛擬儀器的開發(fā)變得簡單方便， 而且為把虛擬儀器做 到網(wǎng)絡(luò)上，提供了可靠，便利的技術(shù)支持。LabWindows/CVI中封裝了 TCPfe庫，可以開發(fā)基丁 TCP/Ip的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。Labview的TCP/IP和UDFW絡(luò)VI能夠與遠(yuǎn) 程應(yīng)用程序建立通信，其具有的Internet工具箱還為應(yīng)用系統(tǒng)增加了 E-mail、 FTP和Wet力；利用遠(yuǎn)程自動(dòng)化 VI,還可對控制 其他設(shè)備的分散的VI進(jìn)行控 制。Labview5. 1中還特別增加有網(wǎng)絡(luò)功能，提高了開

8、發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的能力。 將計(jì)算機(jī)、高檔外設(shè)和通信線路等硬件資源以及大型數(shù)據(jù)庫、程序、數(shù)據(jù)、文件 等軟件資源納入網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)資源的共享。其次，通過組建網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)增加 系統(tǒng)冗余度的方法能提高系統(tǒng)的可靠性，便丁系統(tǒng)的擴(kuò)展和變動(dòng)。由計(jì)算機(jī)和工 作站作為結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)也就相當(dāng)丁現(xiàn)代儀器的網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)已成為現(xiàn)代測控系統(tǒng)的 中堅(jiān)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已越來越成為測控技術(shù)滿足實(shí)際需求的關(guān)鍵支撐當(dāng)今時(shí)代，以Internet為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展及相關(guān)技術(shù)的日益完善，突 破了傳統(tǒng)通信方式的時(shí)空限制和地域障礙，使更大范圍內(nèi)的通信變得十分容易， Internet擁有的硬件和軟件資源正在越來越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，比如電子商

9、務(wù)、網(wǎng)上教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制、高檔測量儀器設(shè)備資源的遠(yuǎn)程 實(shí)時(shí)調(diào)用，遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷，等等。與此同時(shí)，高性能、高可靠性、低成本的 網(wǎng)關(guān)、路由器、中繼器及網(wǎng)絡(luò)接口芯片等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的不斷進(jìn)步，乂方便了 Internet、不同類型測控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)。利用現(xiàn)有 Internet資源而 不需建立專門的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，使組建測控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及它們與Internet 的互聯(lián)都十分方便，這就為測控網(wǎng)絡(luò)的普遍建立和廣泛應(yīng)用鋪平了道路。把TCP/IP協(xié)議作為一種嵌入式的應(yīng)用，嵌入現(xiàn)場智能儀器（主要是傳感器）的ROM中，使信號的收、發(fā)都以TCP/IP方式進(jìn)行，如此，測控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、信息

10、 發(fā)布、系統(tǒng)集成等方面都以企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(Intranet )為依托，將測控網(wǎng)和企業(yè) 內(nèi)部網(wǎng)及Internet互聯(lián)，便于實(shí)現(xiàn)測控網(wǎng)和信息網(wǎng)的統(tǒng)一。在這樣構(gòu)成的測控 網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)儀器設(shè)備充當(dāng)著網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的角色，信息可跨越網(wǎng)絡(luò)傳輸至所及的任何領(lǐng)域，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)(包括遠(yuǎn)程)的在線測控成為現(xiàn)實(shí)，將這樣的測量技 術(shù)與過去的測控、測試技術(shù)相比不難發(fā)現(xiàn)，今天，測控能節(jié)約大量現(xiàn)場布線、擴(kuò) 大測控系統(tǒng)所及地域范圍。使系統(tǒng)擴(kuò)充和維護(hù)都極大便利的原因， 就是因?yàn)樵谶@ 種現(xiàn)代測量任務(wù)的執(zhí)行和完成過程中，網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮了不可替代的關(guān)鍵作用，即網(wǎng)絡(luò)實(shí)實(shí)在在地介入了現(xiàn)代測量與測控的全過程。測控技術(shù)與儀器基于Web的信息網(wǎng)絡(luò)Int

11、ranet ，是目前企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)的主流。應(yīng)用 Internet 的具有開放性的互聯(lián)通信標(biāo)準(zhǔn)，使Intranet成為基丁 TCP/IP協(xié)議的開放系統(tǒng)， 能方便地與外界連接，尤其是與Internet連接。借助Internet的相關(guān)技術(shù)， Intranet給企業(yè)的經(jīng)營和管理能帶來極大便利，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。Internet也已開始對傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)產(chǎn)生越來越大的影響。目前，測控系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)思想明顯受到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響，基于網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、開放性等原則，測控網(wǎng)絡(luò)由傳統(tǒng)的集中模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植寄Ｊ剑蔀榫哂虚_放性、可互操作性、分 散性、網(wǎng)絡(luò)化。智能化的測控系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)上不僅有計(jì)算機(jī)、工作站，還

12、有 智能測控儀器儀表，測控網(wǎng)絡(luò)將有與信息網(wǎng)絡(luò)相似的體系結(jié)構(gòu)和通信模型。比如目前測控系統(tǒng)中迅猛發(fā)展的現(xiàn)場總線， 它的通信模型和OSI模型對應(yīng)，將現(xiàn)場的 智能儀表和裝置作為節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)將節(jié)點(diǎn)連同控制室內(nèi)的儀器儀表和控制裝置 聯(lián)成有機(jī)的測控系統(tǒng)。測控網(wǎng)絡(luò)的功能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)中各獨(dú)立個(gè)體功能的總 和。結(jié)果是測控系統(tǒng)的功能顯著增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域及范圍明顯擴(kuò)大。測控技術(shù)與儀器Jini軟件技術(shù)問世。Jini軟件技術(shù)旨在使各種電器設(shè)備、測量儀器及采用JAVA芯片的各種裝置能連接上網(wǎng)，Jini軟件連同以Java語言編寫的簡單程序，可使 聯(lián)網(wǎng)的任何儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)其自身功能的同時(shí)，還能為其他儀器設(shè)備加以利用。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的

13、出現(xiàn)，正在并將極大地改變?nèi)藗兩畹母鱾€(gè)方面。具體到計(jì)量測試、 測控技術(shù)及儀器儀表領(lǐng)域，微機(jī)化儀器的聯(lián)網(wǎng)，高檔測量儀器設(shè)備以及測量信息 的地區(qū)性、全國性乃至全球性資源共享，各等級計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)跨地域?qū)嵤┲苯拥臄?shù)字 化溯源比對，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與測控，遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷，電、水、燃?xì)狻崮艿?的自動(dòng)抄表，等等，都是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步并全面介入其中發(fā)揮關(guān)鍵作用的必然結(jié)果。 編輯本段目前發(fā)展(1) 以自然基準(zhǔn)溯源和傳遞，同時(shí)在不同量程實(shí)現(xiàn)國際比對。如果自己沒有 能力比對就要依靠其它國家。(2)高精度。目前半導(dǎo)體工藝的典型線寬為 0.25 mi并正向0.18 m過渡，2009年的預(yù)測線寬是0.07 m如果定位要求 占線寬

14、的1/3，那么就要求10nm量級的精度，而且晶片尺寸還在增大，達(dá)到300mm 這就意味著測量定位系統(tǒng)的精度要優(yōu)于 3X 10的-8次方，相應(yīng)的激光穩(wěn)頻精度 應(yīng)該是10的-9次方數(shù)量級。(3)高速度。目前加工機(jī)械的速度已經(jīng)提高到1m/sec以上，上世紀(jì)80年代以前開發(fā)研制的儀器已不適應(yīng)市場的需求。例如惠 普公司的十涉儀市場大部分被英國 Renishaw所占領(lǐng),其原因是后者的速度達(dá)到了 1m/sec。（4）高靈敏，高分辨，小型化。如將光譜儀集成到一塊電路板上。（5）標(biāo)準(zhǔn)化。通訊接口過去常用 GP舊，RS232目前有可能成為替代物的高性能標(biāo)準(zhǔn)是USB IEEE1394和VXI?，F(xiàn)在，技術(shù)領(lǐng)先者設(shè)法控

15、制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)， 參與標(biāo)準(zhǔn)制訂是儀器開發(fā)的基礎(chǔ)研究工作之一。 編輯本段未來趨勢1 .發(fā)展方向與學(xué)科前沿 （1）配合數(shù)控設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新（如主軸速度，精 度創(chuàng)成）數(shù)控設(shè)備的主要誤差來源可分為幾何誤差 （共有21項(xiàng)）和熱誤差。對于重復(fù)出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差，可采用軟件修正；對于隨機(jī)誤差較大的情況， 要采用實(shí)時(shí)修正方法。對于熱誤差，一般要通過溫度測量進(jìn)行修正。中國機(jī)床行 業(yè)市場萎縮同時(shí)乂大量進(jìn)口國外設(shè)備的原因之一就是因?yàn)檫@方面的技術(shù)沒有得 到推廣應(yīng)用。為此，需要高速多通道激光十涉儀：其測量速度達(dá)60m/min以上，采樣速度達(dá)5000次/sec以上，以適應(yīng)熱誤差和幾何誤差測量的需要。空氣折射 率實(shí)時(shí)測量應(yīng)達(dá)到2X

16、10的-7次方水平，其測量結(jié)果和長度測量結(jié)果可同步輸 入計(jì)算機(jī)。測控技術(shù)與儀器（2）運(yùn)行和制造過程的監(jiān)控和在線檢測技術(shù)綜合運(yùn)用圖像、頻譜、光譜、光纖以及其它光與物質(zhì)相互作用原理的傳感器具有非接觸、 高靈敏度、高柔性、應(yīng) 用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。在這個(gè)領(lǐng)域綜合創(chuàng)新的天地十分廣闊，如振動(dòng)、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。（3）配合信息產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)科學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新 為了在開放環(huán)境下求得生存空間，沒有自主創(chuàng)新技術(shù)是沒有出路的。 因此應(yīng)該根據(jù)有專利權(quán)、有技術(shù)含量、有市場等原則選擇一些項(xiàng)目予以支持。 根 據(jù)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，信息、生命醫(yī)學(xué)、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域需要的產(chǎn)品應(yīng)給予優(yōu)先支 持。如醫(yī)學(xué)中介入治療的精密儀

17、器設(shè)備、 電子工業(yè)中的超分辨光刻和活潔方法和 機(jī)理研究等。2 .優(yōu)先領(lǐng)域在基礎(chǔ)研究的初期，對于能否有突破性進(jìn)展是很難預(yù)測的。但是，當(dāng)已經(jīng)取得突破性進(jìn)展時(shí)，則需要有一個(gè)轉(zhuǎn)化機(jī)制以進(jìn) 入市場。測控技術(shù)與儀器 （1）納米溯源技術(shù)和系統(tǒng)。（2）介入安裝和制造的坐標(biāo)跟蹤測量系統(tǒng)。關(guān)鍵理論和技術(shù)：超半球反射器（n=2或在機(jī)構(gòu)上創(chuàng)新），快速、多路十涉儀（頻 差35兆），二維精密跟蹤測角系統(tǒng)（0.20.5 ），通用信號處理系統(tǒng)（工作 頻率5兆），無導(dǎo)軌半導(dǎo)體激光測量系統(tǒng)（分辨率1 m）,熱變形仿真，力變形仿 真。 這些內(nèi)容不局限于一種技術(shù)方案，而是幾種不同技術(shù)方案中概括出來 的共同點(diǎn)。如采用無導(dǎo)軌十涉儀，對跟

18、蹤系統(tǒng)的要求可以降低；采用二維精密跟 蹤測角系統(tǒng)在1M3測量范圍內(nèi)可以得到高精度；有了超半球反射鏡可以提高4路跟蹤方案的精度。在現(xiàn)場進(jìn)行介入制造和裝配不能等待很長時(shí)間,力和熱變形 的補(bǔ)償是必須的而且需要足夠快， 現(xiàn)在的技術(shù)還有相當(dāng)大的差距，所以這些進(jìn)展 是關(guān)鍵性的。應(yīng)用范圍：新型并行機(jī)構(gòu)機(jī)床的鑒定，飛機(jī)裝配型架的鑒定，大型設(shè)備安裝，用于生物芯片精密機(jī)器人校準(zhǔn)等。測控技術(shù)與儀器（3）非接觸測頭以及各種掃描探針顯微鏡航空航天行業(yè)對此已經(jīng)提出迫切要求，這是今后坐標(biāo)測量機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前接觸式測頭已完全被國外所壟 斷,非接觸測頭還沒有發(fā)展成熟,我們有參與競爭的機(jī)遇。以前較多采用的激光 三角法原理受

19、到很多限制，難以有突破性進(jìn)展，但可在原理創(chuàng)新上下功夫。應(yīng)該突破0.10.5頭m分辨率。（4）計(jì)算機(jī)輔助測量理論信號處理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、兼容和集成。例如，目前多數(shù)采用ISA總線、IEEE488 口，今后計(jì)算機(jī)可能取消ISA總線，用丁筆記本電腦的USE口將廣泛應(yīng)用。過去，中 國生產(chǎn)的儀器滿足丁數(shù)字顯示，沒有數(shù)據(jù)交換接口，難以進(jìn)入國際市場。國外生 產(chǎn)的儀器普遍配備IEEE488（GPIB）口。RS232目前有可能成為替代物的高性能 標(biāo)準(zhǔn)是USB IEEE1394和VXI。在此轉(zhuǎn)折期為我們提供了機(jī)遇。目前虛擬儀器的 工作頻段在千赫數(shù)量級，對丁干涉信號處理顯得太低，可以采取聯(lián)合互補(bǔ)的方法 形成模塊

20、系列，同時(shí)降低成本，從總體上提高研發(fā)工作的效率。根據(jù)已有基礎(chǔ)， 發(fā)展特長，有利丁克服重復(fù)研究。（5）新器件，新材料過去，科研評價(jià)體系存在偏重丁整機(jī)和系統(tǒng)，忽視材料和器件的趨向。新的突破點(diǎn)可能出現(xiàn)在 新光源、新型局頻探測器。目前探測器的響應(yīng)頻率只有10的9次方，而光頻局達(dá)10的14次方，目前干涉儀實(shí)際上是起著混頻器的作用，適應(yīng)探測器的不足（如 果探測器的響應(yīng)果真能超過光頻，干涉儀也就沒有用了）。如果探測器的性能得到顯著提高，對丁通訊也是很大的突破。（6）半導(dǎo)體激光器計(jì)量特性的研究和創(chuàng)新半導(dǎo)體激光器用丁計(jì)量需要解決很多問題（如線寬、定標(biāo)、變頻等）。但如果解決了諸多問題以后，半導(dǎo)體激光系統(tǒng)比氣體激光系統(tǒng)更復(fù)雜， 就不會有 競爭力。有些問題在物理層面上也沒有完全解決。例如半導(dǎo)體激光器如果能形成 雙頻，無疑是一種十分重要的特性，如果既能掃頻乂有兩個(gè)相近的頻率掃描， 就