仪器科学与技术讲座-

1、.仪器科学与技术仪器科学与技术Instrumentation Science and Technology 2009.112009.11.仪器科学与技术的学科分布仪器科学与技术的学科分布n一级学科：一级学科：仪器科学与技术仪器科学与技术n二级学科：二级学科：精密仪器精密仪器 测试计量技术与仪器测试计量技术与仪器 导航、制导与控制导航、制导与控制n本科专业：本科专业：测控技术与仪器测控技术与仪器特点：特点：适应性强、就业形势好、承办学校快速增加、适应性强、就业形势好、承办学校快速增加、 招生形势不容乐观招生形势不容乐观 2008年，对年，对260个专业就业排名，本专业排名为个专业就业排名，本专业

2、排名为34 1997年年70多所至今多所至今200多所多所 . 测控技术与仪器测控技术与仪器 习惯上指：习惯上指：n仪器仪表仪器仪表n检测系统检测系统n测控系统测控系统n测试系统测试系统.定义定义：被测信息：被测信息：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统传感器、检测仪器、检测装置、检测系统全部操作：全部操作：检测过程：检测过程：确定被测对象的确定被测对象的属性属性和和量值量值为目的的全部操作为目的的全部操作 测控的基本概念测控的基本概念信号采集、信号处理、信号显示、信号输出信号采集、信号处理、信号显示、信号输出物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、）被测对象被测对象：

3、宇宙万物宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体（固液气体、动物、植物、天体 ）检测器具：检测器具：化学量（化学量（PH、成份、成份）生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、） .例：空调机测量控制室温例：空调机测量控制室温 测控的基本概念测控的基本概念空气空气被测对象：被测对象：被测信息：被测信息：检测器具：检测器具：操作过程：操作过程：室内空气室内空气温度温度温度传感器温度传感器 - 热电阻、热电偶热电阻、热电偶 热敏电阻热敏电阻 电信号电信号 处理处理 显示显示空调机空调机. 测控系统的构成测控系统的构成接接口口总总线线存储存储显示显示分析分析监控监控判断判断决策决策一般构成：一般构成：信号

4、检出信号检出信号检出信号检出信号检出信号检出信号转换信号转换信号转换信号转换信号转换信号转换处理显示处理显示处理显示处理显示处理显示处理显示信号检出：信号检出：功能功能 - 将被测信号的转换为电信号的变化（将被测信号的转换为电信号的变化（detection）器件器件 - 传感器（传感器（sensor, transducer）信号转换：信号转换：功能功能 - 将传感器的输出信号转换为便于处理的形式（将传感器的输出信号转换为便于处理的形式（conversion）器件器件 - 信号调理电路（信号调理电路（signal conditioning circuit）处理显示：处理显示：功能功能 - 分析（

5、分析（analysis）、处理（）、处理（processing）、显示（）、显示（display）通讯接口通讯接口/总线接口总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、 ) 其它环节：其它环节：存储、监控、决策存储、监控、决策 .测控系统概述测控系统概述 组成组成力力位移位移 速度速度 加速度加速度 压力压力流量流量温度温度电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式 压电式压电式热电式热电式 光电式光电式磁电式磁电式电桥电桥 放大器放大器滤波器滤波器调制器调制器解调器解调器运算器运算器 阻抗变换器阻抗变换器A/D转换转换 笔式记录仪笔式记录仪光线示波器光线示波器 磁带记录仪磁带记录仪 电子示

6、波器电子示波器 半导体存储器半导体存储器 显示器显示器 磁卡磁卡 数据处理器数据处理器 频谱分析仪频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪实时信号分析仪 电子计算机电子计算机 被测对象被测对象 传感器传感器 中间变换中间变换测量装置测量装置 显示及显示及 记录装置记录装置 实验结果实验结果处理装置处理装置 激发装置激发装置 . 测控系统概述测控系统概述 分类分类n按技术范围及应用领域分按技术范围及应用领域分:1.工业自动化仪表、控制系统及相关测控技术工业自动化仪表、控制系统及相关测控技术2.科学仪器及相关测控技术科学仪器及相关测控技术3.医疗仪器及相关测控技术医疗仪器及相关测控技术4.信息技术电测、

7、计量仪器及相关测控技术信息技术电测、计量仪器及相关测控技术5.各类专用仪器仪表及相关测控技术各类专用仪器仪表及相关测控技术6.相关传感器、元器件、制造工艺、材料及其基础相关传感器、元器件、制造工艺、材料及其基础 科学技术科学技术.测控技术与仪器概述测控技术与仪器概述(分类分类)n按行业分类按行业分类: n工业自动化仪表、电工仪器仪表、光学工业自动化仪表、电工仪器仪表、光学仪器、计时仪器、导航制导仪器、分析仪器、计时仪器、导航制导仪器、分析仪器、实验室仪器、地质仪器、医疗仪仪器、实验室仪器、地质仪器、医疗仪器、船用仪表、航空仪表器、船用仪表、航空仪表20多个专业多个专业.测控系统概述测控系统概述

8、 特点特点1. 多学科交叉综合多学科交叉综合 知识面宽知识面宽2. 仪器门类繁多仪器门类繁多 一专多能一专多能3. 对新技术敏感对新技术敏感 知识更新快知识更新快4. 信息源头技术信息源头技术 信息技术信息技术5. 共同基础共同基础 适于通材教育适于通材教育 . 测控系统概述测控系统概述 内内涵涵基础宽阔的基础宽阔的 数、理、化、数、理、化、生生 基础学科基础学科门类繁多的技术学科门类繁多的技术学科 (仪器、电子、自动化、仪器、电子、自动化、计算机、光学、机械计算机、光学、机械)高度综合高度综合.测控系统概述测控系统概述 ( 地位与作用地位与作用).历史时代：历史时代：手工化手工化机械化机械化

9、自动化自动化信息化信息化生产方式：生产方式：人与简人与简单工具单工具动力机动力机与机械与机械自动测自动测量控制量控制智能机智能机械装置械装置测控系统概述测控系统概述 ( 地位作用地位作用) 1. 信息化是科学技术发展的必然信息化是科学技术发展的必然. 人与机器的机能对应关系人与机器的机能对应关系：测控系统概述测控系统概述 ( 地位作用地位作用) .2. 信息流是客观世界的一个主流信息流是客观世界的一个主流物料流物料流能流能流 信息流信息流客观世界客观世界测控系统概述测控系统概述 ( 地位作用地位作用). 著名科学家钱学森指出著名科学家钱学森指出: 发展高新技术发展高新技术,信息技术信息技术是关

10、键是关键,信息技术包括测量信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术、计算机技术和通信技术。测量技术是关键和技术。测量技术是关键和基础。基础。.测控系统概述测控系统概述 (地位与作用地位与作用)信息流信息流 信息技术信息技术 测量测量 仪器仪表仪器仪表计算机计算机通信通信（钱学森钱学森语）语） （王大衍王大衍等语）等语）信息工业重要组成部分信息工业重要组成部分信息工业的源头信息工业的源头.信息流组成信息流组成信息流信息流获取传输处理控制3.信息获取是信息流的一环信息获取是信息流的一环,是仪是仪器仪表的主要任务器仪表的主要任务测控系统概述测控系统概述 (地位与作用地位与作用). 获取信息获取信息

11、是仪器科学的基本任务是仪器科学的基本任务 仪器仪表是信息工业的仪器仪表是信息工业的源头源头 仪器仪表是信息产业仪器仪表是信息产业重要组成部分重要组成部分测控系统概述测控系统概述 (地位与作用地位与作用).地位与作用地位与作用 测控系统概述测控系统概述 工业生产工业生产 倍增器倍增器 科学研究科学研究 先行官先行官 社社 会会 物化法官物化法官 军军 事事 战斗力战斗力.测控系统概述测控系统概述 (地位与作用地位与作用)n工业生产倍增器工业生产倍增器仪器仪表技术是带动国民经济增长的仪器仪表技术是带动国民经济增长的 关键领域关键领域在美国：仪器仪表占在美国：仪器仪表占4%，拉动经济占总量的，拉动经

12、济占总量的 66%.测控系统概述测控系统概述 ( 地位作用地位作用)n工业生产倍增器工业生产倍增器检测技术是带动国民经济增长的一个检测技术是带动国民经济增长的一个 关键领域关键领域在美国：检测技术占在美国：检测技术占4%，拉动经济增长，拉动经济增长66%.检测技术在工业生产领域的应用检测技术在工业生产领域的应用 测控系统概述测控系统概述 (地位与作用地位与作用)在线检测在线检测 （自动化生产线）：（自动化生产线）：零件尺寸、产品缺陷检测、零件尺寸、产品缺陷检测、装配定位装配定位.测控系统概述测控系统概述 (地位与作用地位与作用)检测技术在工业生产领域的应用检测技术在工业生产领域的应用离线检测离

13、线检测 （对已加工对象进行质量检验）：对已加工对象进行质量检验）： 零件参数、零件参数、 尺寸与形位公差、尺寸与形位公差、 品质参数品质参数作作 用：现代工程装备中，用：现代工程装备中， 检测环节的成本约占检测环节的成本约占812% 运载火箭试制费运载火箭试制费有一半用于仪器仪表有一半用于仪器仪表.检测技术在汽车中的应用日新月异检测技术在汽车中的应用日新月异.检测技术在日常生活中的应用与日俱增检测技术在日常生活中的应用与日俱增测控系统概述测控系统概述 (地位与作用地位与作用) 家用电器家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器红外测距传感器数字体温计

14、：接触式数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式热敏电阻，非接触式-红外传感器红外传感器自动感应灯：亮度检测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器驻极电容传感器遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管办公商务办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取可视对讲、可视电话：图像获取-面阵面阵CCDCCD扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵CCDCCD红外传输数据：红外检测红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光

15、敏三极管光敏二极管、光敏三极管医疗卫生医疗卫生：电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测 - - 压力传感器压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪 - - 离子传感器离子传感器. 测控系统概述测控系统概述 (地位与作用地位与作用)n科学研究的先行官科学研究的先行官 工欲善其事 必先利其器 诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者R. R. Ernst说说“现代科学的进现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展步越来越依靠尖端仪器的发展” 俄国化学家门捷列夫指出俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始科学是从测量开始的的” 近近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得年来，与科学仪器密切相

16、关的诺贝尔奖获得 者达者达38人人. 测控系统概述测控系统概述 (地位与作用地位与作用)n军事战斗力军事战斗力 快速 精确 1991年海湾战争年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占精确制导炸弹和导弹占8% 2003年伊拉克战争年伊拉克战争 90% 1994年美国防部建立自动测试系统执行局年美国防部建立自动测试系统执行局立体作战立体作战. 测控系统概述测控系统概述 (地位与作用地位与作用)检测技术在军事上的应用检测技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器美军研制的未来单兵作战武器-OICW 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射

17、激光测距仪：可精确的定位目标。在发射2020毫米高爆弹时，激光测距仪可毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。间。.美国国家导弹防御计划美国国家导弹防御计划-NMD 测控系统概述测控系统概述 (地位与作用地位与作用)检测技术在国防领域的应用检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器地基拦截器2.早期预警系统早期预警系统3.前沿部署前沿部署(如雷达）如雷达）4.管理与控制系统管理与控制系统5. 卫星红外线监测系统卫星红外线监测系统 监测系统监测系统: 探测和发现探测和发现敌人导弹的发

18、射并追踪敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；导弹的飞行轨道； 拦截器：能识别真假拦截器：能识别真假弹头，敌友方弹头，敌友方.检测技术在航天领域举足轻重检测技术在航天领域举足轻重 测控系统概述测控系统概述 (地位与作用地位与作用)飞行器测控飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵 火箭测控火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹检测火箭状况、姿态、轨迹 .测控系统概述测控系统概述 ( 地位作用地位作用)“阿波罗阿波罗10”：火箭部分火箭部分-2077个传感器个传感器飞船部分飞船部分-1218个传感器，个传感器，检测参数检测参数-加速度、温度、压力

19、、加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、振动、流量、应变、 声学、声学、神州飞船：神州飞船：185台（套）仪器装置台（套）仪器装置.测控系统概述测控系统概述 ( 地位作用地位作用)n“物化法官物化法官” 检查产品质量检查产品质量 监测环境污染监测环境污染 识别指纹假钞识别指纹假钞 查处违禁药物查处违禁药物 侦破刑事案件侦破刑事案件.测控系统概述测控系统概述 ( 地位作用地位作用)教学实验、气象预报、大地测教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、绘、灾情预报、交通指挥、涵盖涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空吃穿用、农轻重、海陆空.传感技术所基于的物理基础传感技术所基于的物理基础n1.守恒定

20、律守恒定律：包括能量、动量、电荷守恒。n2.场的定律场的定律：包括运动法则、电磁场定律等。物质在某时刻的状态与物体在空间的位置、分布、运动方式等有关，一般可用物理方程描述。.传感技术所基于的物理基础传感技术所基于的物理基础n3.物质法则物质法则：它是表示物质某种客观性质的法则。例如用于弹性材料的虎克定律，欧姆定律，某些材料的压电、光电、热电、磁电等特性。 n4.统计法则统计法则：它是把微观系统和宏观系统联系起来的物理定律。 .传感技术所基于的主要效应传感技术所基于的主要效应物理效应物理效应 光电、电光、电磁、磁光、热磁、光电、电光、电磁、磁光、热磁、压磁、压电、热电、热压磁、压电、热电、热-红

21、外等效应、红外等效应、光与声本身的效应（多普勒、喇曼光与声本身的效应（多普勒、喇曼效应等）半导体（吸附、表面场、效应等）半导体（吸附、表面场、隧道效应等）隧道效应等）化学效应化学效应生物效应生物效应.(1) 莫尔条纹（莫尔条纹（Moire） 条纹宽度：条纹宽度： WWB)2/sin(2W-栅距，栅距， a-线宽，线宽， b-缝宽缝宽W=a+b ，a=b=W/2 特例：当特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 当当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动.长光栅长光栅 - 直线位移；圆光栅直线位移；圆光栅 - 角位移角位

22、移 构成：主光栅构成：主光栅 - 标尺光栅，定光栅；指示光栅标尺光栅，定光栅；指示光栅 - 动光栅动光栅长度长度 - 测量范围；刻线密度测量范围；刻线密度 - 测量精度测量精度 ( 10、25、50、100、125线线/mm ).Keyence 激光测距传感器激光测距传感器.石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX.声表面波声表面波.传感器传感器. 我国仪器仪表业发展方向我国仪器仪表业发展方向1）“六高一长二十化六高一长二十化” 高性能、高精度、高稳定、高可靠、高环境性和长寿命；小型化、集成化、成套化、电子化、数字化、多功能化、

23、智能化、网络化、计算机化、综合自动化、光机电一体化、服务专门化、简捷化、家庭化、个人化、无维护化、组装生产自动化、无尘化、专业化、规模化。2）今后1015年我国仪器仪表发展的目标、方向目标、方向 缩小与国际水平的差距为35年； 30的产品达国际先进水平； 产品在大工程中的配套能力85%,国内市场份额75%. 我国仪器仪表业发展领域：我国仪器仪表业发展领域：1）工业自动化仪表与控制系统；）工业自动化仪表与控制系统；2）科学仪器；）科学仪器；3）电子与电工测量仪器；）电子与电工测量仪器；4）医疗仪器；）医疗仪器；5）传感器技术、新型传感器；）传感器技术、新型传感器；6）基础技术、应用技术开发研究。

24、）基础技术、应用技术开发研究。重点项目：重点项目：1）新型传感器及信息获取、传感技术）新型传感器及信息获取、传感技术2）过程测控系统、装备及集成技术）过程测控系统、装备及集成技术3）微系统测量控制仪器仪表及其制造技术）微系统测量控制仪器仪表及其制造技术4）新型计量测试仪器及计量基准研究）新型计量测试仪器及计量基准研究.新型计量测试仪器及计量基准研究的重要性新型计量测试仪器及计量基准研究的重要性四流企业靠降价四流企业靠降价三流企业靠质量三流企业靠质量二流企业靠服务二流企业靠服务一流企业靠品牌一流企业靠品牌超级企业靠标准超级企业靠标准.现代检测技术发展趋势现代检测技术发展趋势n智能化智能化n虚拟化虚拟化n网络化网络化n微型化微型化n软测量技术软测量技术.nMEMS 是美国的简称是美国的简称nMicrosystem 欧洲的称谓欧洲的称谓nMicromachine 日本的称谓日本的称谓MEMS微传感器微传感器微电子电路微电子电