探析測控技術與儀器儀表技術的應用

測控技術與儀器是一門研究信息的獲取和處理，以及對相關要素進行控制的理論與技術?！皽y控技術與儀器”是指對信息進行采集、測量、存儲、傳輸、處理和控制的手段與設備，包含測量技術、控制技術和實現(xiàn)這些技術的儀器儀表及系統(tǒng)。

測控技術

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

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

測控技術與儀器儀表技術的應用

測控技術是一門應用性技術，廣泛用于工業(yè)、農業(yè)、交通、航海、航空、軍事、電力和民用生活各個領域。隨著生產技術的發(fā)展需要，測控技術從最初的控制單個及其、設備，到控制整個過程，乃至系統(tǒng)，特別是在當今現(xiàn)代科技領域的尖端技術中，測控技術起著至關重要的作用。

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

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

煤炭工業(yè)中，測控技術的應用有：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、生產機械傳動控制等。

石油工業(yè)中，測控技術的應用有：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)、儲運系統(tǒng)和三廢處理系統(tǒng)與其連續(xù)生產過程中大量參數(shù)的檢測儀表等。

化學工業(yè)中，測控技術的應用有：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定規(guī)律控制被控參數(shù)的控制儀表等。

機械工業(yè)中，測控技術的應用有：精密數(shù)字控制機床、自動生產線、工業(yè)機器人等。

航空航天工業(yè)中，測控技術的應用有：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)動機狀態(tài)等參數(shù)的測量，航天技術的航天運載器技術、航天器技術、航天測控技術等。

軍事裝備中，測控技術的應用有：精確制導武器、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、預警、導航衛(wèi)星等等）。

測控技術的形成與發(fā)展

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

第一次科技革命時期

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

第二次科技革命時期

19世紀初電磁領域的一系列發(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，才使電磁學迅速走上正軌，獲得了一個又一個長大的發(fā)現(xiàn)。電磁學領域的許多發(fā)明，如電報、電話、發(fā)電機等，促進了電氣時代的到來。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，推動了生產技術有一般的機械化帶電氣化、自動化轉變，科學理論研究取得一系列重大突破。

在此期間，以機電產品為典型代表的制造業(yè)開始產業(yè)化發(fā)展，產品大批量生產的特點是循環(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。自動化儀表開始標準化生產，按需構成自動控制系統(tǒng)。同時，此期間還誕生了數(shù)控機床和機器人技術，測控技術與儀器在其中都有重要的應用。

·隨著科學技術的發(fā)展，儀器儀表從只能進行簡單的測量、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工具。為了滿足各方面的需求，儀器儀表已從傳統(tǒng)的應用領域擴展到了生物醫(yī)學、生態(tài)環(huán)境、生物工程等非傳統(tǒng)應用領域。

21世紀以來，一大批當代最新的技術成果，如納米級的精密機械研究成果、分子層次的現(xiàn)代化學研究成果、基因層次的生物學研究成果，以及高精密超性能特張功能材料研究成果和全球網(wǎng)絡技術推廣應用成果等相繼問世，是儀器儀表領域發(fā)生了根本性的變革，促進了高科技化、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換成已與測量的物理量，中間變換器對傳感器的輸出量進行分析、處理、轉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果進行顯示、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，如果把計算機比作大腦，那么傳感器就相當于五官，直接影響到系統(tǒng)的控制精度。

傳感器一般由敏感元件、轉換文件、轉換電路組成。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系，且這一參數(shù)容易測量輸出；然后由轉換元件將敏感元件的輸出轉換成電參數(shù)；最后又轉換電路將轉換元件輸出的電參數(shù)放大，轉換成便于顯示、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

傳感技術是當今世界發(fā)展最為迅速的高新技術之一。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或其他元件的功能相結合構成一個獨立的組合體，使其既具有信息拾取和信號轉化功能，又有數(shù)據(jù)處理、補償分析和決策能力。

2.網(wǎng)絡化

傳感器的網(wǎng)絡化就是使傳感器具備和計算機網(wǎng)絡連接的功能，實現(xiàn)遠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、轉換元件、轉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)遠距離、高精度傳輸，同時可無需中間環(huán)節(jié)接入計算機等數(shù)字處理設備。

傳感器的集成化、智能化、微型化、網(wǎng)絡化和數(shù)字化等不是獨立的，而是相輔相成、相互關聯(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

基本控制理論

1.經典的控制理論

經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。經典控制論以拉普拉斯變換和Z變換為數(shù)學工具，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，一根軌跡發(fā)和頻率發(fā)威研究手段，重點分析反饋控制系統(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)的分析和設計主要是通過對系統(tǒng)的狀態(tài)變量的描述來進行的，基本的方法是時間域方法?，F(xiàn)代控制理論比經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)字計算機上進行?，F(xiàn)代控制理論還為設計和構造具有指定的性能指標的最優(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

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

獨立儀器把儀器的信號收集、處理、輸出放在獨立的機箱內，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、結果的表達和輸出放到計算機上來完成，或在計算機上插上數(shù)據(jù)采集卡，把儀器的三個部分去不放到計算機上來實現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)儀器的局限性。

虛擬儀器技術特點

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

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

3.給予計算機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，可方便的構建模塊化儀器。

虛擬儀器系統(tǒng)的構成

虛擬儀器由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以PC為基礎的內置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備，設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序，虛擬儀器通過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。用戶用鼠標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科，這使它仍然具有強大的生命力。

隨著現(xiàn)代測控技術、電子信息技術和計算機技術等的進一步發(fā)展，它迎來了一個創(chuàng)新發(fā)展的新機遇，必將在各領域產生更多更關鍵的應用。