测控技术与仪器(课程介绍).pptx

主要内容一 测控专业简介二 专业教学内容和知识体系三 主要课程简介四 课程与就业的关系五 考研的相关学校简介 一 测控专业简介测控技术与仪器隶属于仪器科学与技术一级学科 1998年教育部颁布新的本科专业目录 把仪器仪表类11个专业 精密仪器 光学技术与光电仪器 检测技术与仪器仪表 电子仪器及测量技术 几何量计量测试 热工计量测试 力学计量测量 光学计量测量 无线电计量测试 检测技术与精密仪器 测控技术与仪器 归并为一个大专业 测控技术及仪器 1 专业培养目标教育部1998年颁布的 普通高等学校本科专业目录 中明确了测控技术与仪器专业的培养目标 本专业培养具备精密仪器设计制造以及测量与控制方面基础知识与应用能力 能在国民经济各部门从事测量与控制领域内有关技术 仪器与系统的设计制造 科技开发 应用研究 运行管理等方面的高级工程技术人才 2 专业培养特点测控技术围绕着信息的获取 信息的处理 信息的控制 信息的传输这样一条主线进行 测控专业包含了电子技术 精密机械技术 光学技术 计算机技术和自动控制技术等多学科技术 因此 测控技术与仪器专业人才应具有以下特点 1 掌握多学科知识2 掌握最新技术3 具备实践动手能力 测控专业的人才培养要求 1 掌握高等数学 工程数学 大学物理等基础性课程的基本理论和应用方法 2 掌握一门外语 3 掌握电路分析 电子技术的基本理论 4 掌握测量信号处理 自动控制理论及微机原理 5 掌握传感器原理和应用 自动化 智能化仪器仪表设计方法 测控系统的基本原理和设计方法 6 掌握精密仪器仪表结构设计的基本原理 7 掌握基本的计算机软 硬件设计和调试方法 1 主干学科介绍仪器科学 光学工程 机械工程 电子信息工程 计算机仪器科学与技术学科是该专业的理论和应用基础 主要研究测量理论和测量方法 探讨和研究各种类型测量仪器仪表的工作原理和应用技术 以及智能化仪器仪表的设计方法 光学工程学科是该专业的应用基础 主要研究光学测量仪器以及光电测试信息获取与传输的基础理论和应用技术等内容 机械工程学科是仪器仪表结构设计的基础 主要研究机械测量仪器 光学测量仪器 电子测量仪器的系统构架 运动传递 量值传感 结果指示等内容 电子信息工程学科是该专业的理论和技术基础 主要研究信息获取技术以及与信息处理有关的基础理论和应用技术 实现信号的获取 转换 调理 传输 处理以及设备的控制 驱动和执行功能 计算机科学与技术学科是该专业的技术基础 主要研究智能化仪器仪表中的计算机软硬件设计与应用方法以及数字信息的传送与处理技术 推动仪器仪表向着数字化 智能化 虚拟化 网络化方向快速发展 2 本专业的相关学科 控制科学与工程学科 信息与通讯工程学科 考研和就业有交叉控制科学与工程学科是该专业的理论基础 主要研究自动控制理论和相关算法 为今后在测控技术理论研究和工程实际中提供必要的系统控制概念和方法 信息与通讯工程学科是该专业的应用基础 主要研究信息通讯的基础理论和相关技术 为测量与控制信息的传输提供必要的理论和技术支持 二 专业教学内容和知识体系仪器仪表学科是一个综合性 边缘性的交叉学科 它从系统工程的角度出发 以检测理论和误差分析理论为指导 合理应用机械 电子 光学 计算机 自动化 通信等各专业领域的知识 构建精确 稳定 可靠 经济 并具有小型化 集成化 智能化 网络化 自动化特征的测试 计量和控制系统 成为信息链中必不可少的环节 组成一个完整的仪器科学与技术学科 知识体系内容仪器科学与技术教学指导委员会 仪器仪表类专业规范 2006 11 中综合提出了测控专业的本科教育的知识体系内容由五部分组成 详细的知识内容如图7 3所示 测控专业本科教育的知识体系主要内容包括下列知识点 1 自然科学和人文社会科学知识 2 光 机 电 计算机相结合的测控技术基础知识 3 信息获取 分析 处理 控制 执行的基础理论和方法 4 基本参数的测控技术和方法 5 计算机技术在测量控制中的应用知识 6 现代管理理论和方法 测控专业的课程体系课程体系是按测控专业的培养目标 技能要求和知识体系要求设计的 由于测控技术及仪器专业的应用领域十分广泛 在有限的课时内不可能每个知识点都一一展开 各个高校按照自己的发展途径和专长 培养方案各有侧重 有的侧重于光学仪器 有的侧重于机械仪器 有的侧重于电子仪器 本专业人才培养的教育内容及知识结构的总体框架 信息流学科公共基础课特色专业课程 计算机技术类课程 电工电子技术类课程 处理 获取 控制 传输 传感器技术电子测量技术等课程 数字信号处理信号与系统 虚拟仪器等课程 计算机网络等课程 机电传动控制 计算机控制 可编程控制器 单片机原理及应用 检测仪表与过程控制等课程 机械设计基础 工程光学 测控电路 测控仪器设计 智能仪表设计与虚拟仪器技术 流体传动与控制 机电传动控制 互换性与技术测量 微机原理与接口 单片机及应用 嵌入式系统 DSP原理及应用 无损检测 冶金过程检测与控制等课程 电路 模电 数电 电子EDA 测控电路等课程 C语言 Matlab语言 数据库技术 计算机文化基础等课程 测控仪器设计 智能仪表设计等课程 综合应用课程 强调综合应用能力 实践能力和创新设计能力的培养 测控专业的课程体系仪器科学与技术教学指导委员会 仪器仪表类专业规范 2006 11 中给出了测控专业本科教育的课程设置示例 根据学校类型的不同 课程的内容 学时有所不同 测控专业的主要课程设置 如 人文社会科学 马克思主义基本原理 毛泽东思想 邓小平理论和 三个代表 重要思想概论 中国近现代史纲要 思想道德修养与法律基础 大学语文 当代世界经济与政治 中西方文化比较 主干 非主干 知识体系 英语阅读 英语听力 外语 主干 课程体系 自然科学基础 体育 知识体系 课程体系 高等数学 大学物理B 物理实验 线性代数 工程数学 概率论与数理统计 普通化学 数学建模 主干 非主干 体育 主干 微机原理与接口技术 文献检索 C语言程序设计 计算机文化基础 面向对象程序设计 主干 计算机信息技术 非主干 现代企业管理导论 经济学 管理学 国际经济与贸易 非主干 经营 知识体系 课程体系 主干 工程技术基础 非主干 画法几何与工程制图 电路 模拟电子技术 数字电子技术 测试信号处理技术 测控技术导论 误差理论与数据处理 机械设计原理 专业外语 工程光学 工程力学 控制电机 知识体系 课程体系 主干 专业基础 自动控制原理 传感器原理及其应用 单片机原理及应用 现代控制理论 Matlab高级编程与工程应用 DSP原理及其应用 电子电路EDA技术 电子电路CAD技术 电气控制技术 非主干 知识体系 课程体系 仪表与过程控制 测控系统原理与设计 智能仪器原理与设计 测控系统计算机网络 系统辨识 智能控制技术 系统工程 虚拟仪器 嵌入式系统设计 监控组态软件及应用 智能控制方向 智能仪器方向 主干 专业 知识体系 课程体系 实践环节 计算机技能培训 英语翻译与写作 计算机组装 智能仪器课程设计 凌阳及PIC单片机应用 Proteus软件及应用 嵌入式系统设计实验 控制系统仿真实验 电气控制综合实验 金工实习 认识实习 电工电子设计 传感器课程设计 控制原理仿真实验 单片机课程设计 生产实习 单片机应用电路设计 毕业设计 必修 测控专业综合实验 选修 课程体现了多学科基础理论既交叉融合又各成体系 如 数学系列有 高等数学 线性代数 工程数学 数理统计等 机械系列有 机械制图 工程力学 精密机械设计 电子系列有 电路 电子技术 微机接口 编程语言 单片机原理等 测控理论有 测试信号处理技术 误差分析 传感器技术 控制理论等 测控技术有 测控系统设计 测控仪器设计 智能仪器和虚拟仪器等 课程介绍传感器技术微机原理与接口测控电路自动控制原理机电传动控制PLC单片机虚拟仪器检测仪表与过程控制 模拟电子技术模拟电子技术是研究各种电子器件 电子电路及其在各领域中的应用技术 是电类专业学生的必修课之一和考研复试课程之一 它以半导体二极管 半导体三极管和场效应管为关键电子器件 包括功率放大电路 运算放大电路 反馈放大电路 信号运算与处理电路 信号产生电路 电源稳压电路等为研究方向 数字电子技术数字电子技术的先修课程为 高等数学 电路分析 模拟电子技术 后续课程为 微机原理与接口技术 单片机原理与应用 它实际上是计算机课程的 基础篇 主要学习逻辑代数基础 集成逻辑门电路 组合逻辑电路 触发器 时序逻辑电路 半导体存储器和可编程逻辑器件 脉冲波形的产生与变换等 1 传感器技术课程特点是测控技术与仪器专业的一门专业基础课程 它以各类传感器的工作机理为线索 详细介绍了各类传感器的工作原理 基本结构 相应的测量电路和在各个领域中的应用 使学生掌握传感器的使用方法和设计要点的基本技能 传感器 Sensor Transducer 是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的 便于应用的某种物理量的测量装置 敏感元件 直接感受被测量 并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件 转换元件 敏感元件的输出就是它的输入 它把输入转换成电路参量 基本转换电路 上述电路参数接入基本转换电路 简称转换电路 便可转换成电量输出 主要内容 各类传感器的原理传感器应用的接口电路检测技术抗干扰技术传感器信息处理 多个传感器信息的融合处理如机器人中设置的传感器有 转动 移动位置传感器 力传感器 视觉传感器 听觉传感器 接近距离传感器 触觉传感器 热觉传感器 嗅觉传感器等 这些信号如何融合处理体现了机器人的智能水平 广州中鸣数码的机器狗 广州中鸣数码的机器手 2 微机原理与接口技术 1 课程特点微型计算机现已应用于国民经济的各个领域 它的普及与应用使人们传统的工作 学习 生活乃至思维方式发生了巨大变化 微机原理与接口技术几乎是所有理工科大专院校学生的一门必修课 是考研的专业课之一 2 课程目的要求掌握微型计算机的硬件组成及使用 学会运用指令系统和汇编语言进行程序设计 熟悉各种类型的接口及其应用 树立起微型计算机体系结构的基本概念 培养利用硬件与软件相结合的方法分析解决本专业领域问题的思维方式和初步能力 为以后跟踪计算机技术的新发展 进一步学习和应用相关方面的新知识 新技术打下必要基础 3 课程内容课程以PC系列微机作为主要背景机 包括微机硬件组成及工作原理 微机接口技术 微机应用技术三大部分内容 主要包括微机系统概述 典型微处理器 指令系统 汇编语言程序设计 存储器系统 微机总线与输入 输出技术 中断系统 典型接口芯片及其应用等内容 强调与工业实际应用相结合 加强汇编语言程序设计和接口电路设计等部分的理论教学及实际操作 提高系统软硬件的设计能力 3 测控电路 1 课程特点测控电路不是一般意义上电子技术课程的深化与提高 而是如何在电子技术与测量 控制之间架起一座桥梁 使学生熟悉怎样运用电子技术来解决测量与控制中的任务 实现测控的总体思想 围绕精 快 灵和测控任务的要求来选用和设计电路 结合检测 控制两方面电路进行阐述 目前正向着检测 控制电路高度融合方向发展 2 主要内容 内容包括 信号放大电路 信号调制解调电路 信号分离电路 信号运算电路 信号转换电路 信号细分与辨向电路 逻辑控制电路 连续信号控制电路 典型测控电路分析等 增量码数字式测量电路的基本组成 4智能仪器智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物 是含有微计算机或微处理器的测量 或检测 仪器 它拥有对数据的存储 运算 逻辑判断及自动化操作等功能 具有一定智能的作用 表现为智能的延伸或加强等 近年来 智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展 模糊判断 故障诊断 容错技术 传感器融合 机件寿命预测等 使智能仪器的功能向更高的层次发展 智能仪器对仪器仪表的发展以及科学实验研究产生了深远影响 是仪器设计的里程碑 智能仪器的基本结构 其结构可有两种基本类型 微机内嵌式 微机扩展式 将单片或多片的微处理器与传统仪器有机地结合在一起形成的单机 其形态是仪器 以个人计算机 PC 为核心的应用扩展型测量仪器 个人计算机仪器 PCI 或称微机卡式仪器 其形态可以是计算机 测量过程的软件控制 CPU 软件控制测量过程 以软代硬 灵活性强 可靠性强 数据处理 数字滤波 随机误差 系统误差 非线性校准等处理 改善测量的精确度相关 卷积 反卷积 幅度谱 相位谱 功率谱等信号分析 提供更多高质量的信息 多功能化 一机多用 智能化电力需求分析仪 智能仪器的特点 5 自动控制原理 1 课程特点无须人的直接参与 通过控制装置 使机器 设备 生产过程等按照预定的规律运行 完成要求的任务 就叫自动控制 自动控制原理是一门理论性较强的课程 作为电类各专业的学科基础课 它既是基础课程向专业课程的深入 又是专业课程的理论基础 也是考研的专业课之一 研究内容 构成自动控制系统的一般规律 研究对象 各种自动控制系统 例如连续系统 离散系统 研究手段 现代数学分析工具 拉斯变换和传递函数 经典控制理论 矩阵理论等工程数学 现代控制理论 2 主要内容自动控制系统的基本组成和结构 自动控制系统的性能指标 自动控制系统的类型 连续 离散 线性 非线性等 及特点 系统数学模型的建立和动态结构图等效变换法则 自动控制系统的分析 时域法 频域法等 和设计方法等 通过学习可以了解有关自动控制系统的运行机理 控制器参数对系统性能的影响以及自动控制系统的各种分析和设计方法等 导弹的准确击中目标 雷达系统的准确跟踪目标 家用电器 电扇 控制转速 电冰箱 空调 电饭煲 控制温度 洗衣机 控制水位 强弱 时间等 课程覆盖的基本概念 系统 反馈 方框图 方块图 信号流图 传递函数 稳定性 稳定裕量 基本环节 时间常数 阻尼系数 脉冲响应 阶跃响应 动态性能指标 稳态误差 根轨迹 主导极点 频率特性 校正和综合 典型的非线性特性 描述函数 相平面 自持振荡 采样控制 Z变换 脉冲传递函数 3 学习方法抓住重点 掌握基本概念 自动控制原理 引入了一系列互相关联的基本概念 如稳定性 准确性 快速性 输入与输出 动态与稳态 反馈与前馈等 是学习理解的重点 认真思考 提高抽象思维能力 自动控制原理 的理论性较强 抽象程度较高 要充分了解抽象的基础 在实际应用中反复体会 抓住主线 建立不同方法间的联系稳定性 准确性 快速性是对控制系统的基本要求 稳 准 快贯穿了时域分析 根轨迹分析和频域分析方法的始终 也是系统综合设计要求 6 机电传动控制 1 课程特点 机电传动控制 融合了电力拖动 自动控制原理 计算机技术 继电器 接触器控制 电力电子技术 交 直流调速系统等相关技术 是机电一体化技术的重要课程 即把机电一体化技术所需要的强电控制知识都集中在这一门课程中 它的先修课程是 电路分析 模拟电子 数字电子 自动控制原理 等 为后续课程如 PLC 计算机测控技术 等打下基础 2 课程内容现代生产机械一般由工作机构 传动机构 原动机极其控制系统等几个部分组成 即由电动机通过传动机构带动工作机构进行工作时 这种传动方式称为 机电传动 人们一般把电动机及其传动机构一起称为 机电传动 部分 把满足加工工艺要求使电动机启动 制动 反向 调速 快速定位等的电气控制和电气操作称为 控制 部分 人们对机电传动控制提出的要求 对于专用加工设备和数控机床的控制要求有很高的精度 对重型数控机床要求有很高的调速范围 对可逆式轧钢机拖动系统要求正反转换向频繁 现代大型生产线 柔性制造系统要求各拖动系统能相互协调 军事和宇航方面的火炮瞄准 惯性导航 卫星姿态的控制等 不仅要求精度高 更要求稳定性能好 民用方面如电梯拖动系统要求启动 制动快速 平稳 停车位置准确可靠 家用电器中的控制要求结构精巧 功能全 成本低等 3 课程任务了解机电传动的一般知识 掌握机电传动控制的静态特性和动态特性 掌握直流电机和交流电机的工作原理 特性极其应用 了解控制电机与特种电机的工作原理极其应用知识 了解典型生产机械常用的低压电器 掌握继电器 接触器控制的基本线路 学会分析常见典型生产机械控制线路 掌握电动机控制线路的设计方法极其元器件的选择原则 掌握现代电力电子技术在机电传动中的应用 掌握交流和直流调速系统的方法 普通车床 主轴箱 主电机 卡盘 工件 中心架 尾架 刀架 刀架电机 溜板 进给变速手柄 7 可编程逻辑控制系统 工业过程中有很多工艺操作是按工艺条件顺序进行的逻辑控制 日常生活中也常见逻辑控制的应用 如电子广告牌图案变化就是逻辑控制的结果 可编程逻辑控制器PLC ProgrammableLogicController 是专为逻辑控制开发的一种工业计算机 就是用软件代替硬件 继电器 完成逻辑控制 可编程控制器的特点是 硬件配置灵活 组态方便 编程方法简便 抗干扰能力强 能适应较恶劣的工业环境 体积小 维护费用低 1 PLC能接收 处理和输出各种开关量 模拟量和不同码制的数码 除能实现一般的逻辑控制 顺序 步进 时序 条件和锁存等 功能外 还能实现数值运算 数据转换及数据通信等功能 配备适当的外围设备可以进行打印 2 由于编程软件化 可新编程序 可修改程序和可接口性 当生产工艺 或流程 改变时只需要修改软件 而不需要改变硬件即可满足新的控制要求 大大方便了设计和现场使用 缩短了设计施工和调试周期 3 PLC能与上一级计算机直接相连 在综合自动化控制系统中可以合理地实现分级控制 作为基础控制级使用 4 PLC采用独特而简便的编程方法 并采用与工艺流程相适应的一般符号 编程方法简明通俗 易学 易编 易改 很容易将原来的继电器控制线路直接翻译到PLC软件上 可编程逻辑控制系统主要由可编程逻辑控制器 现场输入设备和现场输出设备组成 可编程逻辑控制器内部包括中央处理器CPU 存储器和输入输出接口电路等 用总线进行数据传输 8 单片机单片机又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个计算机系统集成到一个芯片上 和计算机相比 单片机只缺少了I O设备 也就是一块芯片就成了一台计算机 它的体积小 质量轻 价格便宜 不超过10元 为学习 应用和开发提供了便利条件 我们现在用的全自动滚筒洗衣机 排烟罩 VCD等等的家电里面都可以看到它的身影 它是作为控制部分的核心部件 9 虚拟仪器虚拟仪器主要是以计算机为核心 通过最大限度地利用计算机的软硬件资源 使计算机不但能完成传统仪器测量控制 数据运算和处理工作 而且可以用强大的软件去代替传统仪器的某些硬件功能 灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面 模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成 标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求 虚拟仪器 VirtualInstrument简称VI 是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器 是对传统仪器概念的重大突破 是仪器领域内的一次革命 虚拟仪器是继第一代仪器 模拟式仪表 第二代仪器 分立元件式仪表 第三代仪器 数字式仪表 第四代仪器 智能化仪器之后的新一代仪器 虚拟仪器组成上的特点 软件和硬件功能的模块化软件和硬件功能的分层仪器功能的软件化虚拟仪器的功能可以借助计算机软件来生成 10 检测仪表与过程控制主要讨论生产过程自动化中使用的各种测控仪表的工作原理 以及和过程控制系统的设计整定方法 上篇为自动化仪表 介绍工业上最常用的检测仪表 控制仪表 执行器及防爆栅的工作原理及使用特点 重点讨论电动单元组合仪表 数字调节器 集散控制系统和现场总线控制系统 下篇为过程控制系统 在介绍对象动态特性的测试方法 单回路及串级调节系统的设计方法和调节器参数整定的基础上 介绍解耦控制 推理控制及预测控制等先进控制系统的基本原理 工业仪表的种类很多 按被参数分有温度 压力 流量 物位 机械量 流程分析仪器等 工业仪表按功能可分为检测仪表 显示仪表 调节仪表等 检测仪表主要用于检测工业生产过程的参数 如温度 压力 流量 物位和机械量等 有时也带有记录和调节功能 显示仪表将与检测仪表 变送器和传感器配套使用 按显示方式不同分为模拟式显示仪表 数字式显示仪表和字符图像显示仪等 调节仪表又称调节器 它的作用是将生产过程中的被测参数与设定参数进行比较 然后按一定调节规律发出调节信号给执行器 调节仪表按调节方式不同分为断续调节器和连续调节器 按结构形式又分为基地式 单元组合式和组装式 按工作能源和介质分为自力式 电动式 气动式和液动式 有的调节仪表也带有检测和显示部分 执行器又称执行机构 它用于接受来自调节仪表的调节信号和调节规律 直接调节工业生产过程的输入 输出量 集中控制装置能对分散参数进行集中检测和控制 按预定的程序进行控制或对被测量进行处理 集中控制装置包括巡回检测装置 顺序控制器和数据处理装置等 现代测控技术的定义现代测控技术隶属于现代信息技术 是以电子 测量及控制等学科为基础 融合了电子技术 计算机技术 网络技术 信息处理技术 测试测量技术 自动控制技术 仪器仪表技术等多门技术 利用现代最新科学研究方法和成果 对测控系统进行设计和实现的综合性技术 现代测控系统中的每一个环节都有新技术的影子 如 新型传感器 专用集成芯片 以计算机为核心 构建网络等 现代测控技术的特点现代测控技术呈现微型化 集成化 远程化 网络化和虚拟化特点 1 测控设备软件化 软件代替了很多硬件功能 2 测控过程智能化 自诊断 自屏蔽 自学习等功能 3 高度的灵活性 以软件为核心 功能实现方便 4 实时性强 CPU运算速度快 5 可视性好 具有友好的人机交互界面 6 立体化 全球卫星定位 无线通信 雷达探测等 现代测控技术的应用1 现代工业现代测控技术是现代工业的核心技术 2 国防安全现代武器系统离不开现代测控技术的支持 3 航空航天测控系统是航天发射和飞行的重要支持系统 4 医药医疗现代医药医疗业越来越依赖于现代测控技术 6 1 4现代测控系统的设计方法设计现代测控系统要遵循的原则 1 硬件设计原则 1 约束条件 2 模块化设计2 软件设计原则 1 软件开发平台 2 软件代替硬件 3 人机交互界面 3 网络互联规范4 抗干扰设计1 隔离屏蔽 2 软件补偿 3 接地布线 四 电类专业基础课与就业的关系测控专业学生理论基础扎实 专业知识宽泛 涉及电子 信息 计算机 光学 机械 控制等多个学科 是一个全能型的专业 适应性强 发展面宽 毕业生可在机械 汽车 冶炼 轻工 化工 电子等行业从事技术和管理工作 也可在高等学校 科研机构和国家机关从事教学 科研和行政管理工作 是我们学校就业形势排名较前的专业之一 可以从事的工作类型有 研发工程师 从事新仪器仪表的研究开发工作测量工程师 从事各种设备的专业检测以及仪器维护工作维修工程师 从事各专业设备的仪器仪表维护和校准工作 上研究生的有三分之一 工作的三分之二中有一些是进工厂的 进公司的 剩下的三分之一零散各种工作 1 技术方向工厂的工作主要是开发 设计 生产及销售大型精密机床 精密测量设备和精密位移传感器 熟悉计量器具的维修与管理 熟悉计量器具的报检等流程 公司的工作就是做些电路同时为微处理器编一些小应用程序 要不就是对着现成的电路根据需求编程 两者兼而有之 2 销售市场类方向如北京领邦仪器技术有限公司招聘销售工程师 要求有较强的客户谈判能力 善于同客户交流和良好的团队合作意识 门槛比较低 建议根据自身特产考虑 大学毕业做一段销售对了