測控技術(shù)與儀器儀表技術(shù)的應(yīng)用

測控技術(shù)與儀器是一門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)?！皽y控技術(shù)與儀器”是指對信息進(jìn)行采集、測量、存儲、傳輸、處理和控制的手段與設(shè)備，包含測量技術(shù)、控制技術(shù)和實現(xiàn)這些技術(shù)的儀器儀表及系統(tǒng)。

測控技術(shù)

測控技術(shù)與儀器，是建立在精密機(jī)械、電子技術(shù)、光學(xué)、自動控制和計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，主要研究各種精密測試和控制技術(shù)的新原理、、新方法和新工藝。近年來，計算機(jī)技術(shù)在測控技術(shù)的應(yīng)用研究中呈現(xiàn)出越來越重要的地位。

測控技術(shù)是直接應(yīng)用于生產(chǎn)生活的應(yīng)用技術(shù)，它的應(yīng)用涵蓋了“農(nóng)輕重、海陸空、吃穿用”等社會生活各個領(lǐng)域。儀器儀表技術(shù)是國民經(jīng)濟(jì)的“倍增器”，科學(xué)研究的“先行官”，軍事上的“戰(zhàn)斗力”以及法制法規(guī)中的“物化法官”。計算機(jī)化的測試與控制技術(shù)以及智能化得精密測控儀器與系統(tǒng)是現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)研究、管理檢測監(jiān)控等領(lǐng)域的重要標(biāo)志和手段，發(fā)揮著越來越重要的作用。

測控技術(shù)與儀器儀表技術(shù)的應(yīng)用

測控技術(shù)是一門應(yīng)用性技術(shù)，廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航海、航空、軍事、電力和民用生活各個領(lǐng)域。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展需要，測控技術(shù)從最初的控制單個及其、設(shè)備，到控制整個過程，乃至系統(tǒng)，特別是在當(dāng)今現(xiàn)代科技領(lǐng)域的尖端技術(shù)中，測控技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。

冶金工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：煉鐵過程的熱風(fēng)爐控制、裝料控制與高爐控制，軋鋼過程的壓力控制、軋機(jī)速度控制、卷曲控制等及其中使用的多種檢測儀表等。

電力工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)、汽輪機(jī)的自動監(jiān)控、自動保護(hù)、自動調(diào)節(jié)與自動程序控制系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的電力輸入輸出控制系統(tǒng)等。

煤炭工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：采煤過程的煤層氣測井儀器、礦井空氣成分檢測儀器、礦井瓦斯檢測儀、井下安全保障監(jiān)控系統(tǒng)等，煤精煉過程的熄焦過程控制、煤氣回收控制、精煉過程控制、生產(chǎn)機(jī)械傳動控制等。

石油工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：采油過程的磁性定位儀、含水儀、壓力計等支撐測井技術(shù)的各種測量儀表，煉油過程的供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、供蒸汽系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、儲運(yùn)系統(tǒng)和三廢處理系統(tǒng)與其連續(xù)生產(chǎn)過程中大量參數(shù)的檢測儀表等。

化學(xué)工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：溫度測量、流量測量、液位測量、濃度、酸度、濕度、密度、濁度、熱值及各種混合氣體組分等參數(shù)測量需要的測量儀表與按照預(yù)定規(guī)律控制被控參數(shù)的控制儀表等。

機(jī)械工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：精密數(shù)字控制機(jī)床、自動生產(chǎn)線、工業(yè)機(jī)器人等。

航空航天工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：飛行器的飛行高度、飛行速度、飛行狀態(tài)與方向、加速度、過載以及發(fā)動機(jī)狀態(tài)等參數(shù)的測量，航天技術(shù)的航天運(yùn)載器技術(shù)、航天器技術(shù)、航天測控技術(shù)等。

軍事裝備中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：精確制導(dǎo)武器、智能型彈藥、軍隊自動化指揮系統(tǒng)（C4IRS系統(tǒng)）、外層空間軍事裝備（如各種軍用偵察、通信、預(yù)警、導(dǎo)航衛(wèi)星等等）。

測控技術(shù)的形成與發(fā)展

科學(xué)技術(shù)發(fā)展史實人類認(rèn)識自然、改造自然的歷史、也是人類文明史的重要組成部分?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展首先取決于測量技術(shù)的發(fā)展。近代自然科學(xué)是從真正意義上的測量開始的。許多杰出的科學(xué)家夢都是科學(xué)儀器的發(fā)明家和測量方法的創(chuàng)立者。測量技術(shù)的進(jìn)步直接帶動著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。

·第一次科技革命時期

17~18世紀(jì)，測控技術(shù)初見端倪，歐洲的一些物理學(xué)家開始利用電流與磁場作用力制成簡單的檢流計，利用光學(xué)透鏡制成望遠(yuǎn)鏡，從而奠定了電學(xué)和光學(xué)儀器的基礎(chǔ)。18世紀(jì)60年代，第一次科技革命開始于英國，直到19世紀(jì)，第一次科技革命擴(kuò)展到歐美、日本，其間，一些簡單的測量器具，如測量長度、溫度、壓力等的器具已經(jīng)用于生活當(dāng)中，創(chuàng)造了巨大的生產(chǎn)力。

·第二次科技革命時期

19世紀(jì)初電磁領(lǐng)域的一系列發(fā)展，引發(fā)了第二次科技革命。由于發(fā)明了測量電流的儀表，才使電磁學(xué)迅速走上正軌，獲得了一個又一個長大的發(fā)現(xiàn)。電磁學(xué)領(lǐng)域的許多發(fā)明，如電報、電話、發(fā)電機(jī)等，促進(jìn)了電氣時代的到來。同時，其他各種用于測量和觀察的儀器也不斷涌現(xiàn)，如使用于1891年以前的用于高程測量的精密一等經(jīng)緯儀等。

·第三次科技革命時期

二戰(zhàn)后，各國對高科技的迫切需要，推動了生產(chǎn)技術(shù)有一般的機(jī)械化帶電氣化、自動化轉(zhuǎn)變，科學(xué)理論研究取得一系列重大突破。

在此期間，以機(jī)電產(chǎn)品為典型代表的制造業(yè)開始產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)是循環(huán)作業(yè)和流水作業(yè)，要讓這些自動起來，就要求加工生產(chǎn)的滅個階段自動檢測工件的位置、尺寸、形狀、姿態(tài)或性能等。為此，需要大量的測控裝置。另一方面，以石油為原料的化工工業(yè)興起，就需要大量的測控儀表。自動化儀表開始標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，按需構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。同時，此期間還誕生了數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人技術(shù)，測控技術(shù)與儀器在其中都有重要的應(yīng)用。

·隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，儀器儀表從只能進(jìn)行簡單的測量、觀察開始，已成為測量、控制和實現(xiàn)自動化必不可少的技術(shù)工具。為了滿足各方面的需求，儀器儀表已從傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到了生物醫(yī)學(xué)、生態(tài)環(huán)境、生物工程等非傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。

21世紀(jì)以來，一大批當(dāng)代最新的技術(shù)成果，如納米級的精密機(jī)械研究成果、分子層次的現(xiàn)代化學(xué)研究成果、基因?qū)哟蔚纳飳W(xué)研究成果，以及高精密超性能特張功能材料研究成果和全球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推廣應(yīng)用成果等相繼問世，是儀器儀表領(lǐng)域發(fā)生了根本性的變革，促進(jìn)了高科技化、智能花的新型儀器儀表時代的來臨。

測控系統(tǒng)中的傳感器

一般測控系統(tǒng)有傳感器、中間變換器和顯示記錄儀組成。傳感器將被測量檢出并轉(zhuǎn)換成已與測量的物理量，中間變換器對傳感器的輸出量進(jìn)行分析、處理、轉(zhuǎn)換成后級儀表能接受的信號，輸出給其他系統(tǒng)，或由顯示記錄儀對測量結(jié)果進(jìn)行顯示、記錄。

傳感器是測量系統(tǒng)的第一的環(huán)節(jié)，對于控制系統(tǒng)來說，如果把計算機(jī)比作大腦，那么傳感器就相當(dāng)于五官，直接影響到系統(tǒng)的控制精度。

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換文件、轉(zhuǎn)換電路組成。由敏感元件直接感受被測量，同時它自身的某一參數(shù)值變化與被測量值的變化有確定的關(guān)系，且這一參數(shù)容易測量輸出；然后由轉(zhuǎn)換元件將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成電參數(shù)；最后又轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換元件輸出的電參數(shù)放大，轉(zhuǎn)換成便于顯示、記錄、處理、控制的有用電信號。

新型傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展

傳感技術(shù)是當(dāng)今世界發(fā)展最為迅速的高新技術(shù)之一。新型傳感器不僅追求高精度、大量程、高可靠、低功耗，還向著集成化、微型化、數(shù)字化、智能化發(fā)展。

1.智能化

傳感器的智能化指把常規(guī)傳感器的功能同計算機(jī)或其他元件的功能相結(jié)合構(gòu)成一個獨(dú)立的組合體，使其既具有信息拾取和信號轉(zhuǎn)化功能，又有數(shù)據(jù)處理、補(bǔ)償分析和決策能力。

2.網(wǎng)絡(luò)化

傳感器的網(wǎng)絡(luò)化就是使傳感器具備和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的功能，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息傳遞和處理能力，即實現(xiàn)測控系統(tǒng)的“超視距”測量。

3.微型化

傳感器的微型化值在功能不變甚至增強(qiáng)的條件下，大幅度減小傳感器的體積。微型化是現(xiàn)代精密測量與控制的要求，原則上將，傳感器的尺寸越小對被測對象及環(huán)境的影響越小，對能量的消耗越少，越易實現(xiàn)精確測量。

4.集成化

傳感器的集成化指下面兩個方向的集成：

（1）多測量參數(shù)的集成，即可測量多種參數(shù)。

（2）傳感去與后續(xù)電路的集成，即將敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路乃至電源等集成在同一塊芯片上，使其具有很高的性能。

5.數(shù)字化

傳感器的數(shù)字化值的是傳感器輸出的信息為數(shù)字量，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度傳輸，同時可無需中間環(huán)節(jié)接入計算機(jī)等數(shù)字處理設(shè)備。

傳感器的集成化、智能化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化等不是獨(dú)立的，而是相輔相成、相互關(guān)聯(lián)的，它們之間并沒有明確的界限。

測控系統(tǒng)中的控制技術(shù)

基本控制理論

1.經(jīng)典的控制理論

經(jīng)典控制論包括線性控制理論、采樣控制理論、非線性控制理論三個部分。經(jīng)典控制論以拉普拉斯變換和Z變換為數(shù)學(xué)工具，以單輸入-單輸出的線性定常系統(tǒng)為主要的研究對象。通過拉普拉斯變換或者Z變換將描述系統(tǒng)的微分方程變換到復(fù)數(shù)域中，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。并以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，一根軌跡發(fā)和頻率發(fā)威研究手段，重點(diǎn)分析反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度。

2.現(xiàn)代控制理論

現(xiàn)代控制理論使建立在狀態(tài)空間法基礎(chǔ)上的一種控制理論，是自動控制理論的一個主要組成部分。在現(xiàn)代控制理論中，對控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計主要是通過對系統(tǒng)的狀態(tài)變量的描述來進(jìn)行的，基本的方法是時間域方法。現(xiàn)代控制理論比經(jīng)典控制理論所能處理的控制問題要廣泛得多，包括線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)。它所采用的方法和算法也更適合于在數(shù)字計算機(jī)上進(jìn)行?，F(xiàn)代控制理論還為設(shè)計和構(gòu)造具有指定的性能指標(biāo)的最優(yōu)控制系統(tǒng)提供了可能性。

控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是由控制裝置（包括控制器、執(zhí)行器和傳感器）與被控制對象組成?？刂蒲b置可以是人，也可以是一臺機(jī)器，這就是自動控制與人工控制的不同。對于自動控制系統(tǒng)，按照控制原理的不同，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；按給定信號分類，可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。

虛擬儀器技術(shù)

測量儀器是測控系統(tǒng)的重要組成部分，它分為獨(dú)立儀器與虛擬儀器兩種。

獨(dú)立儀器把儀器的信號收集、處理、輸出放在獨(dú)立的機(jī)箱內(nèi)，有操作面板和各種端口，全部的功能以硬件或固化軟件的形式存在，這就決定了獨(dú)立儀器只能由廠家來定義、執(zhí)照，而用戶無法改變。

虛擬儀器則把信號的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)和輸出放到計算機(jī)上來完成，或在計算機(jī)上插上數(shù)據(jù)采集卡，把儀器的三個部分去不放到計算機(jī)上來實現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)儀器的局限性。

虛擬儀器技術(shù)特點(diǎn)

1.功能強(qiáng)大，融合了計算機(jī)強(qiáng)大的硬件支援，突破了傳統(tǒng)儀器在處理、顯示、存儲方面的限制。標(biāo)準(zhǔn)配置為：高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤。

2.計算機(jī)軟件資源實現(xiàn)了部分機(jī)器硬件的軟件化，節(jié)省了物質(zhì)資源，由增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性；通過相應(yīng)數(shù)值算法，實時直接地對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理；通過GUI（圖形用戶界面）技術(shù)，真正做到界面友好，人機(jī)交互。

3.給予計算機(jī)總線和模塊化儀器總線，儀器硬件實現(xiàn)了模塊化、系列化，大大縮小了系統(tǒng)尺寸，可方便的構(gòu)建模塊化儀器。

虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成

虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測試設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機(jī)屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。

測控技術(shù)與儀器專業(yè)，是一個傳統(tǒng)，而又充滿著發(fā)展前景的專業(yè)。說它傳統(tǒng)，是因為它有著古老的起源，經(jīng)歷了數(shù)百年的發(fā)展，對社會發(fā)展起了重要的作用。作為一個傳統(tǒng)的專業(yè)，它同時涉及到了許多學(xué)科，這使它仍然具有強(qiáng)大的生命力。

隨著現(xiàn)代測控技術(shù)、電子信息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等的進(jìn)一步發(fā)展，它迎來了一個創(chuàng)新發(fā)展的新機(jī)遇，必將在各領(lǐng)域產(chǎn)生更多更關(guān)鍵的應(yīng)用。

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