测控技术与仪器专业概论.doc

测控技术与仪器专业概论班级：测控学号：姓名：摘 要：本文介绍了测控技术与仪器专业（Measuring and Control Technology and Instrumentations）的概况、应用与其发展历程，描述了测控技术的基本概念、重要理论及应用，介绍了仪器技术的相关知识，还叙述了新型传感器技术与虚拟仪器技术等。1.测控技术与仪器专业概况 1.1.测控技术与仪器专业的专业定位 测控技术与仪器专业，是一门研究信息的获取和处理，以及对相关要素进行控制的理论与技术。“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。 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，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。 测控技术是直接应用于生产生活的应用技术，它的应用涵盖了“农轻重、海陆空、吃穿用”等社会生活各个领域。仪器仪表技术是国民经济的“倍增器”，科学研究的“先行官”，军事上的“战斗力”以及法制法规中的“物化法官”。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。 1.2测控技术与仪器专业的学科定位测控技术与仪器专业涉及仪器学、电子学、光学、精密机械、计算机、信息与控制技术等多项技术，这些技术涉及多个学科领域。 测控技术与仪器专业属于仪器仪表类的本科教育层次，属于工学范畴中的仪器仪表类专业。测控技术与仪器专业的主干学科是：仪器科学与技术学科、电子信息工程学科、光学工程学科、机械工程学科、计算机科学与技术学科。测控技术专业的相关学科是：控制科学与工程学科、信息与通信工程学科。 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。当今世界已进入信息时代，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。仪器仪表是多学科交叉的综合性、边缘性学科，以信息的获取为主要任务，并综合有信息的传输、处理和控制等基础知识及应用，“仪器仪表是信息产业的重要组成部分，是信息工业的源头。”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。 冶金工业中，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。电力工业中，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。煤炭工业中，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。石油工业中，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。化学工业中，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。机械工业中，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。航空航天工业中，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。军事装备中，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）。1.4测控技术与仪器的发展历史1.4.1测控技术的早期实践 某种意义上，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。1.4.2测控技术的形成与发展科学技术发展史实人类认识自然、改造自然的历史、也是人类文明史的重要组成部分。科学技术的发展首先取决于测量技术的发展。近代自然科学是从真正意义上的测量开始的。许多杰出的科学家梦都是科学仪器的发明家和测量方法的创立者。测量技术的进步直接带动着科学技术的进步。第一次科技革命时期1718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。18世纪60年代，第一次科技革命开始于英国，直到19世纪，第一次科技革命扩展到欧美、日本，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。第二次科技革命时期19世纪初电磁领域的一系列发展，引发了第二次科技革命。由于发明了测量电流的仪表，才使电磁学迅速走上正轨，获得了一个又一个长大的发现。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也不断涌现，如使用于1891年以前的用于高程测量的精密一等经纬仪等。第三次科技革命时期 二战后，各国对高科技的迫切需要，推动了生产技术有一般的机械化带电气化、自动化转变，科学理论研究取得一系列重大突破。在此期间，以机电产品为典型代表的制造业开始产业化发展，产品大批量生产的特点是循环作业和流水作业，要让这些自动起来，就要求加工生产的灭个阶段自动检测工件的位置、尺寸、形状、姿态或性能等。为此，需要大量的测控装置。另一方面，以石油为原料的化工工业兴起，就需要大量的测控仪表。自动化仪表开始标准化生产，按需构成自动控制系统。同时，此期间还诞生了数控机床和机器人技术，测控技术与仪器在其中都有重要的应用。随着科学技术的发展，仪器仪表从只能进行简单的测量、观察开始，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，如纳米级的精密机械研究成果、分子层次的现代化学研究成果、基因层次的生物学研究成果，以及高精密超性能特张功能材料研究成果和全球网络技术推广应用成果等相继问世，是仪器仪表领域发生了根本性的变革，促进了高科技化、智能花的新型仪器仪表时代的来临。2.测量技术 人类对自然界的一切认识与改造离不开对自然界信息的获取，因此获取信息的活动是人类最基本的活动之一，测量就是获取信息的一种活动。2.1测量的基本概念2.1.1测量的定义测量时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一起装置，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。也就是说，测量时将被测量与标准量（单位）进行比较，从而确定被测量对标准量的倍数，并用数字表达这一结果。实现测量的工具一般称为测量仪器、仪表、计或器，一般体积大、功能多、精度高的称为仪器。1 检测传统的测量是被测量与标准量值的直接比对（如对长度等的直接测量）。随着测量领域的不断扩大，测量方法也逐渐复杂多样。不只是简单的比对就能得到结果，也不是直接读数就可以表达出结果，需要测量信号的输出。这样，测量过程就需要经过多次转换处理，将信号变成易于显示和传输的物理量(如，对温度的测量，需要将温度信号转换成易于读出的长度信号等)。有时，我们还要对输出结果进行分析、判断（如进行血压的定性测量）。因此，检测是将测量信号经过多次转换、处理，最后变成易于显示和传输的物理量进行显示和输出。一般的电子、光电、机电测量仪器都可称为检测仪器。2.测试测试通常被认为是具有实验性质的测量，是测量与实验的综合，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，实验是对未知事物探索性的检验过程。测试可以说是更加复杂的测量，需要外加激励信号，把未知的被测参数转化为可以观察的信号，并获取有用的信息。2.1.2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。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。2.1.3测量系统的构成一般测量系统有传感器、中间变换器和显示记录仪组成。传感器将被测量检出并转换成已与测量的物理量，中间变换器对传感器的输出量进行分析、处理、转换成后级仪表能接受的信号，输出给其他系统，或由显示记录仪对测量结果进行显示、记录。2.2传感器的基本概念传感器是测量系统的第一的环节，对于控制系统来说，如果把计算机比作大脑，那么传感器就相当于五官，直接影响到系统的控制精度。2.2.1传感器的定义传感器在我国国家标准中的定义是：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。由于传感器基本上都是与电子仪器详解，因此可以狭义地说，传感器是根据自身对某种参数敏感的特点，利用各种物理效应、化学效应及生物效应把被测的非电量转换成点亮的器件或装置。2.2.2传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换文件、转换电路组成。由敏感元件直接感受被测量，同时它自身的某一参数值变化与被测量值的变化有确定的关系，且这一参数容易测量输出；然后由转换元件将敏感元件的输出转换成电参数；最后又转换电路将转换元件输出的电参数放大，转换成便于显示、记录、处理、控制的有用电信号。2.2.3传感器的分类 按测量的基本原理分类,可分为：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、热电式传感器、光电式传感器、霍尔式传感器、光纤传感器、磁栅式传感器、谐振式传感器等2.3新型传感器技术2.3.1新型传感器的现状与发展传感技术是当今世界发展最为迅速的高新技术之一。新型传感器不仅追求高精度、大量程、高可靠、低功耗，还向着集成化、微型化、数字化、智能化发展。1.智能化传感器的智能化指把常规传感器的功能同计算机或其他元件的功能相结合构成一个独立的组合体，使其既具有信息拾取和信号转化功能，又有数据处理、补偿分析和决策能力。2.网络化传感器的网络化就是使传感器具备和计算机网络连接的功能，实现远距离的信息传递和处理能力，即实现测控系统的“超视距”测量。3.微型化传感器的微型化值在功能不变甚至增强的条件下，大幅度减小传感器的体积。微型化是现代精密测量与控制的要求，原则上将，传感器的尺寸越小对被测对象及环境的影响越小，对能量的消耗越少，越易实现精确测量。4.集成化传感器的集成化指下面两个方向的集成：（1）多测量参数的集成，即可测量多种参数。（2）传感去与后续电路的集成，即将敏感元件、转换元件、转换电路乃至电源等集成在同一块芯片上，使其具有很高的性能。5.数字化传感器的数字化值的是传感器输出的信息为数字量，可以实现远距离、高精度传输，同时可无需中间环节接入计算机等数字处理设备。传感器的集成化、智能化、微型化、网络化和数字化等不是独立的，而是相辅相成、相互关联的，它们之间并没有明确的界限。2.3.2典型新型传感器 1.智能化传感器 现在已经研制成功了如智能检测传感器、智能流量传感器、智能位置传感器、智能压力传感器、智能速度传感器、智能超声测距传感器等多种产品，这些智能化传感器已广泛应用在航空航天、国防、科技和工农业生产等各种领域中。 2.光纤传感器 光纤传感器是在70年代中期伴随着光线技术一起发展起来的。在实验和应用中发现，光在光纤中传播是特性会随着检测环境而变化，即环境对所传播的光波进行了调制。光纤传感器就是利用这种现象工作的。 与传统传感器相比，光纤传感器有着下列优点： 体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、测量范围宽、耗电少 可在强电磁干扰、高温高压等恶劣条件下使用，光路的绕曲，便于遥测等 3.生物传感器 生物传感器是由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科相互渗透发展起来的新型传感器。它的关键在于识别各种代表生命的生物高分子，通过各种梨花换能器捕捉目标物与，敏感元件之间的作用，并把这种作用的程度用信号表达出来，从而得出被测物的种类和含量的参量。 生物传感器具有如下特点： 可测定范围广，准确度高，操作简单，成本低 可进行活体分析，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能的道德信息3.控制技术3.1控制的基本概念控制是指采取各种方法支配或约束某一客观事物或对象的运动过程以达到某种目的。控制分为人工控制和自动控制。人工控制由人来进行控制操作，如人工控制室温，操作者需要随时测量室温，判断如何操作加热系统，然后实施操作使室温稳定。进一步地，可以看到，控制就是指“某个主体使其他对象按照一定的目的来动作”，上面的例子中，主体就是操作者，对象就是加热器及房间，目的就是使得室内温度稳定，整个控制过程就是一个测量偏差，再纠正偏差的过程。自动控制与人工控制的原理相同，只是将控制过程交给一套机器和仪器组成的控制系统，从而完成控制过程，比人工控制更高精度、高速度。所谓自动控制，就是在无人参与的情况下，利用控制装置使被控对象自动按照预定的规律运动的一种控制。3.2基本控制理论 1.经典的控制理论经典控制论包括线性控制理论、采样控制理论、非线性控制理论三个部分。经典控制论以拉普拉斯变换和Z变换为数学工具，以单输入-单输出的线性定常系统为主要的研究对象。通过拉普拉斯变换或者Z变换将描述系统的微分方程变换到复数域中，得到系统的传递函数。并以传递函数为基础，一根轨迹发和频率发威研究手段，重点分析反馈控制系统的稳定性和稳态精度。2.现代控制理论现代控制理论使建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。3.3控制系统控制系统是由控制装置（包括控制器、执行器和传感器）与被控制对象组成。控制装置可以是人，也可以是一台机器，这就是自动控制与人工控制的不同。对于自动控制系统，按照控制原理的不同，可分为开环控制系统和闭环控制系统；按给定信号分类，可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。4.虚拟仪器技术4.1虚拟仪器的概念测量仪器是测控系统的重要组成部分，它分为独立仪器与虚拟仪器两种。独立仪器把仪器的信号收集、处理、输出放在独立的机箱内，有操作面板和各种端口，全部的功能以硬件或固化软件的形式存在，这就决定了独立仪器只能由厂家来定义、执照，而用户无法改变。虚拟仪器则把信号的分析与处理、结果的表达和输出放到计算机上来完成，或在计算机上插上数据采集卡，把仪器的三个部分去不放到计算机上来实现，突破了传统仪器的局限性。4.2虚拟