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文獻(xiàn)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)介紹及其發(fā)展方向
測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)介紹及其發(fā)展方向 摘要：測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)是儀器儀表一級(jí)學(xué)科下的二級(jí)學(xué)科專業(yè),是測(cè)控領(lǐng)域唯一的本科專業(yè)。21世紀(jì)的儀器儀表學(xué)科將是集機(jī)、光、電、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)多學(xué)科相互融合、相互滲透而形成的一門(mén)高新技術(shù)密集型綜合學(xué)科
關(guān)鍵詞：測(cè)控 介紹 發(fā)展
一． 概述
測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)是國(guó)內(nèi)近年來(lái)發(fā)展最快的專業(yè)之一,是一個(gè)集光、機(jī)、電、算一體化的實(shí)踐性、技術(shù)性、工程性和綜合性很強(qiáng)的專業(yè)，培養(yǎng)具有現(xiàn)代科學(xué)創(chuàng)新意識(shí)、知識(shí)面寬、基礎(chǔ)理論扎實(shí)、計(jì)算機(jī)和外語(yǔ)能力強(qiáng)，可從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用、電子信息、智能儀器、虛擬儀器、測(cè)量與控制等多領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造、科技開(kāi)發(fā)、應(yīng)用研究、企業(yè)管理等多方面的高級(jí)工程技術(shù)及經(jīng)營(yíng)管理人才。同時(shí)因?yàn)樗麄儗I(yè)知識(shí)面寬廣，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力和廣泛的發(fā)展空間，也可從事計(jì)量、測(cè)試、控制工程、智能儀器儀表、計(jì)算機(jī)軟件和硬件等高新技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、制造、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用等工作，轉(zhuǎn)行比較容易。
二.測(cè)控的幾個(gè)重要過(guò)程及其新技術(shù)
1.信號(hào)采集
在信號(hào)采集環(huán)節(jié)，主要是采集對(duì)象發(fā)出的各種信號(hào)，再將這種信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以便于后續(xù)的處理。對(duì)象發(fā)出的信號(hào)大多數(shù)是通過(guò)傳感器來(lái)采集的，包括物理信號(hào)（如溫度、流量、壓力等）和化學(xué)信號(hào)（如濕度、氣味等）兩大類，當(dāng)然還包括不能歸為這兩類的一些信號(hào)，如可靠性、價(jià)格等。而開(kāi)關(guān)量信號(hào)（帶有數(shù)字信號(hào)的特征）則主要是靠帶有單片機(jī)電路的儀器，如無(wú)紙記錄儀，進(jìn)行采集。此外，圖像信號(hào)自然是由攝像裝置來(lái)進(jìn)行采集。
傳感器是一種將物理量，化學(xué)量，生物量等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。輸出信號(hào)有不同形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，能滿足信息傳輸、處理、記錄、顯示、控制要求，是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的元件。光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材料的重大突破，其最早用于光通信技術(shù)。光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，耐腐蝕，電絕緣性好，光路可彎曲，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)等。光纖傳感器與集成光路技術(shù)相結(jié)合，加速光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展。將集成光路器件代替原有光學(xué)元件和無(wú)源光器件，使光纖傳感器有高的帶寬低的信號(hào)處理電壓，可靠性高，成本低。
2.信號(hào)整理
在信號(hào)的整理階段，主要是對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行平整、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號(hào)。上述三種信號(hào)類型在整理階段的內(nèi)容有所不同，比如對(duì)傳感器傳來(lái)的信號(hào)主要是進(jìn)行信號(hào)放大、平整、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程；而對(duì)于開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)無(wú)紙記錄儀的采集之后一般都能夠轉(zhuǎn)換成所需要的數(shù)字信
號(hào)以待輸出到下一個(gè)處理環(huán)節(jié)；對(duì)于圖像信號(hào)，經(jīng)采集之后主要是用于顯示，若還需對(duì)圖像進(jìn)行處理，再顯示，或者發(fā)出控制信號(hào)，那么也必須將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行處理，這就是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。
我們通常使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器大多為積分型和逐次逼近型，積分型轉(zhuǎn)換效果不夠好，轉(zhuǎn)換過(guò)程中帶來(lái)的誤差較大，逐次逼近型轉(zhuǎn)換效果好但是制作成本較高，尤其是高位數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換位數(shù)越多，精度越高，制作成本就越高。
3.信號(hào)處理
在信號(hào)的處理階段，主要是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理以便顯示，或者發(fā)出控制信號(hào)。我們通過(guò)顯示出來(lái)的信號(hào)來(lái)判斷自動(dòng)化系統(tǒng)上對(duì)象的運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，如果信號(hào)顯示不正常，就需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算與處理，得到控制信號(hào)發(fā)送給對(duì)象，使對(duì)象調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)以復(fù)歸正常。
單片機(jī)是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的芯片。單片機(jī)在目前的發(fā)展形勢(shì)下，有以下幾大趨勢(shì)：可靠性及應(yīng)用越來(lái)越高和互聯(lián)網(wǎng)連接已是一種明顯的走向，所集成的部件越來(lái)越多，NS公司的單片機(jī)已經(jīng)把語(yǔ)音圖像部件也集成到了單片機(jī)中，也就是說(shuō)，單片機(jī)的意義只是在于單片集成電路，而不在于其功能了，如果從功能上講，它可以是萬(wàn)用機(jī)，原因是其內(nèi)部已集成上各種應(yīng)用電路了。功耗越來(lái)越低，和模擬電路結(jié)合越來(lái)越多，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的提高，單片機(jī)還會(huì)不斷產(chǎn)生新的變化和進(jìn)步，最終人們可能發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)與微機(jī)系統(tǒng)之間的距離越來(lái)越小，甚至難以辨認(rèn)。
4.數(shù)據(jù)顯示控制
在顯示與控制環(huán)節(jié)，顯示主要是指將數(shù)字信號(hào)通過(guò)便于我們觀察的形式顯示出來(lái)以便我們進(jìn)行判斷，控制主要是指將控制信號(hào)傳送給并作用于對(duì)象的過(guò)程。上面的四個(gè)環(huán)節(jié)就構(gòu)成了整個(gè)測(cè)控的過(guò)程，如果包括控制的過(guò)程，則剛好形成了一個(gè)閉環(huán)，即信號(hào)從對(duì)象開(kāi)始，經(jīng)過(guò)采集、整理、處理，最后又將控制信號(hào)作用于對(duì)象的閉環(huán)。
三．發(fā)展方向與學(xué)科前沿
1配合數(shù)控設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新
數(shù)控設(shè)備的主要誤差來(lái)源可分為幾何誤差（共有21項(xiàng)）和熱誤差。對(duì)于重復(fù)出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差，可采用軟件修正；對(duì)于隨機(jī)誤差較大的情況，要采用實(shí)時(shí)修正方法。對(duì)于熱誤差，一般要通過(guò)溫度測(cè)量進(jìn)行修正。中國(guó)機(jī)床行業(yè)市場(chǎng)萎縮同時(shí)又大量進(jìn)口國(guó)外設(shè)備的原因之一就是因?yàn)檫@方面的技術(shù)沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。
2配合信息產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)科學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新
為了在開(kāi)放環(huán)境下求得生存空間，沒(méi)有自主創(chuàng)新技術(shù)是沒(méi)有出路的。因此應(yīng)該根據(jù)有專利權(quán)、有技術(shù)含量、有市場(chǎng)等原則選擇一些項(xiàng)目予以支持。根據(jù)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，信息、生命醫(yī)學(xué)、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域需要的產(chǎn)品應(yīng)給予優(yōu)先支持。如醫(yī)學(xué)中介入治療的精密儀器設(shè)備、電子工業(yè)中的超分辨光刻和清潔方法和機(jī)理研究等。
四．優(yōu)先領(lǐng)域
在基礎(chǔ)研究的初期，對(duì)于能否有突破性進(jìn)展是很難預(yù)測(cè)的。但是，當(dāng)已經(jīng)取得突破性進(jìn)展時(shí)，則需要有一個(gè)轉(zhuǎn)化機(jī)制以進(jìn)入市場(chǎng)。
1介入安裝和制造的坐標(biāo)跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。
關(guān)鍵理論和技術(shù)：超半球反射器(n=2或在機(jī)構(gòu)上創(chuàng)新)，快速、多路干涉儀(頻差3～5兆)，二維精密跟蹤測(cè)角系統(tǒng)(0.2″～0.5″)，通用信號(hào)處理系統(tǒng)(工作頻率5兆)，無(wú)導(dǎo)軌半導(dǎo)體激光測(cè)量系統(tǒng)(分辨率1μm)，熱變形仿真，力變形仿真。
這些內(nèi)容不局限于一種技術(shù)方案，而是幾種不同技術(shù)方案中概括出來(lái)的共同點(diǎn)。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行介入制造和裝配不能等待很長(zhǎng)時(shí)間，力和熱變形的補(bǔ)償是必須的而且需要足夠快，現(xiàn)在的技術(shù)還有相當(dāng)大的差距，所以這些進(jìn)展是關(guān)鍵性的。
應(yīng)用范圍：新型并行機(jī)構(gòu)機(jī)床的鑒定，飛機(jī)裝配型架的鑒定，大型設(shè)備安裝，用于生物芯片精密機(jī)器人校準(zhǔn)等。
2非接觸測(cè)頭以及各種掃描探針顯微鏡
航空航天行業(yè)對(duì)此已經(jīng)提出迫切要求，這是今后坐標(biāo)測(cè)量機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前接觸式測(cè)頭已完全被國(guó)外所壟斷，非接觸測(cè)頭還沒(méi)有發(fā)展成熟，我們有參與競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)遇。以前較多采用的激光三角法原理受到很多限制，難以有突破性進(jìn)展，但可在原理創(chuàng)新上下功夫。
3新器件，新材料
過(guò)去，科研評(píng)價(jià)體系存在偏重于整機(jī)和系統(tǒng)，忽視材料和器件的趨向。新的突破點(diǎn)可能出現(xiàn)在新光源、新型高頻探測(cè)器。目前探測(cè)器的響應(yīng)頻率只有10的9次方，而光頻高達(dá)10的14次方，目前干涉儀實(shí)際上是起著混頻器的作用，適應(yīng)探測(cè)器的不足(如果探測(cè)器的響應(yīng)果真能超過(guò)光頻，干涉儀也就沒(méi)有用了)。如果探測(cè)器的性能得到顯著提高，對(duì)于通訊也是很大的突破。
4半導(dǎo)體激光器計(jì)量特性的研究和創(chuàng)新
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，光機(jī)電一體化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制與應(yīng)用越來(lái)越受到重視。但是由于傳統(tǒng)觀念的影響，很多考生對(duì)本專業(yè)存在一個(gè)明顯的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，以為測(cè)控技術(shù)就是用三角板、直尺之類的儀器進(jìn)行吃力勞苦的測(cè)量，其實(shí)這只是很淺顯的認(rèn)識(shí)，也是很淺薄的錯(cuò)誤。我們可以聽(tīng)聽(tīng)清華大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)一位同學(xué)的話，他說(shuō)：“進(jìn)入大學(xué)以前，我認(rèn)為我將來(lái)的工作就是拿著大三角板，到處量量，呵呵，誰(shuí)知開(kāi)始上專業(yè)課了，才知道原來(lái)我們的專業(yè)是多么尖端，什么激光啦，納米啊，都是我們測(cè)試的手段�，F(xiàn)有的電腦硬件和軟件，可以讓我輕松地模擬實(shí)地環(huán)境，不僅學(xué)起來(lái)輕松省事，更提出了各式各樣的問(wèn)題，可以發(fā)揮自己的想像，設(shè)計(jì)更復(fù)雜完備的系統(tǒng)�！笨梢�(jiàn)，一個(gè)真正的測(cè)控專業(yè)學(xué)生，需要掌握更多電學(xué)方面的知識(shí)，他們要掌握基本的電路知識(shí)，具有新穎設(shè)計(jì)思路，并且能運(yùn)用多種新技術(shù)、手段進(jìn)行工作。
參考文獻(xiàn)：[1]劉紅波等 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)現(xiàn)狀分析 期刊2007-07-15 [2]劉志剛 現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用探析 期刊
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