测控技术与仪器概论

我所了解的测控技术与仪器专业

李腾飞学号2015050038

（清华大学精仪系，北京100084）

摘要：简介测控技术与仪器，发展现状，测控和仪器仪表技术与计算机技术及微电子技术的关系，测控技术与仪器专业未来的发展方向。

关键词：仪器仪表，信息采集、获取、处理，计算机技术，微电子技术，

引言：所谓测控，就是指测量和控制，显然，它是与仪器密不可分的。培根说过：“没有测量就没有科学。”因此，我们现在所学的测控技术与仪器专业是科学的基石。那么，到底什么是测控技术与仪器呢？它是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；是电子、光学、精密机械、计算机、信息与控制技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。

1：简介测控技术与仪器

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。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，测控技术与仪器应运而生。

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。

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。

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。

2：测控技术与仪器发展现状

(1)以自然基准溯源和传递 同时在不同量程实现国际比对。如果自己没有能力比对就要依靠其它国家。

(2)高精度。目前半导体工艺的典型线宽为0.25μm 并正向0.18μm过渡，2009年的预测线宽是0.07μm。如果定位要求占线宽的1/3，那么就要求10nm量级的精度 而且晶片尺寸还在增大，达到300nm。这就意味着测量定位系统的精度要优于3×10的-8次方 相应

的激光稳频精度应该是10的-9次方数量级。

(3)高速度。目前加工机械的速度已经提高到1m/sec以上，上世纪80年代以前开发研

制的仪器已不适应市场的需求。例如惠普公司的干涉仪市场大部分被英国Renishaw所占领其原因是后者的速度达到了1m/sec。

(4)高灵敏，高分辨，小型化。如将光谱仪集成到一块电路板上。

(5)标准化。通讯接口过去常用GPIB，RS232，目前有可能成为替代物的高性能标准是USB、IEEE1394和VXI。现在，术领先者设法控制技术标准，参与标准制订是仪器开发的

基础研究工作之一。

3：测控和仪器仪表技术与计算机技术及微电子技术的关系

现代测控技术是建立在计算机信息基础上的一门新兴技术，是测量技术、微电子技术、计算机技术等多种技术相互渗透、相互结合、综合发展的一门新兴学科。

自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透到测控技术与仪器仪表技术领域，便使该领域的面貌不断更新。相继出现的智能仪器，总线仪器和虚拟仪器等微机化仪器，都无一例外地利用计算机的软件和硬件优势，既增加了测量功能，有提高了技术性能。由于信号被采集变换成数字形式后，更多的分析和处理工作都由计算机来完成，自然的使人们不再去关注仪器与计算机之间的界限。近年来，新型微处理器的速度不断提高，采用流水线、RISC结构和cachE等先进技术，又极大提高了计算机的数值处理能力和速度。在数据采集方面，数据采集卡、仪器放大器、数字信号处理芯片等技术的不断升级和更新，也有效地加快了数据采集的速率和效率。与计算机技术紧密结合，已是当今仪器与测控技术发展的主潮流。对微机化仪器作一具体分析后，不难见，配以相应软件和硬件的计算机将能够完成许多仪器、仪表的功能，实质上相当于一台多功能的通用测量仪器。这样的现代仪器设备的功能已不再由按钮和开关的数量来限定，而是取决于其中存储器内装有软件的多少。从这个意义上可认为，计算机与现代仪器设备日渐趋同，两者间已表现出全局意义上的相通性。

总线式仪器、虚拟仪器等微机化仪器技术的应用 使组建集中和分布式测控系统变得更为容易。但集中测控越来越满足不了复杂、远程（异地）和范围较大的测控任务的需求对

此组建网络化的测控系统就显得非常必要，而计算机软、硬件技术的不断升级与进步、给组建测控网络提供了越来越优异的技术条件。Unix、WindowsNT、Windows2000、Netware 等网络化计算机操作系统，为组建网络化测试系统带来了方便。标准的计算机网络协议，如OSI的开放系统互连参考模型RM、Internet上使用的TCP/IP协议，在开放性、稳定性、

可靠性方面均有很大优势，采用它们很容易实现测控网络的体系结构。在开发软件方面 比如NI公司的Labview和LabWindows/CVI,HP公司的VEE，微软公司的VB、VC等 都有

开发网络应用项目的工具包。软件是虚拟仪器开发的关键 如Labview和LabWindows CVI 的功能都十分强大 不仅使虚拟仪器的开发变得简单方便,而且为把虚拟仪器做到网络上提供了可靠 便利的技术支持。LabWindows/CVI中封装了TCP类库 可以开发基于TCP/IP的网络应用。Labview的TCP/IP和UDP网络VI能够与远程应用程序建立通信，其具有

的Internet工具箱还为应用系统增加了E-mail、FTP和Web能力 利用远程自动化VI 还可对控制其他设备的分散的VI进行控制。Labview5.1中还特别增加有网络功能，提高了

开发网络应用程序的能力。将计算机、高档外设和通信线路等硬件资源以及大型数据库、程序、数据、文件等软件资源纳入网络，可实现资源的共享。其次，通过组建网络化测控系统增加系统冗余度的方法能提高系统的可靠性，便于系统的扩展和变动。由计算机和工作站作为结点的网络也就相当于现代仪器的网络。计算机就是测控系统的中坚。

目前，测控系统的设计思想明显受到计算机网络技术的影响，基于网络化、模块化、开放性等原则，测控网络由传统的集中模式转变为分布模式，成为具有开放性、可互操作性、分散性、网络化。智能化的测控系统。网络的节点上不仅有计算机、工作站，还有智能测控仪

器仪表，测控网络将有与信息网络相似的体系结构和通信模型。比如目前测控系统中迅猛发展的现场总线，它的通信模型和OSI模型对应，将现场的智能仪表和装置作为节点，通过网络将节点连同控制室内的仪器仪表和控制装置联成有机的测控系统。

测控网络的功能将远远大于系统中各独立个体功能的总和。结果是测控系统的功能显著增强，应用领域及范围明显扩大。测控技术与仪器Jini软件技术问世。Jini软件技术旨在使各种电器设备、测量仪器及采用JAVA芯片的各种装置能连接上网，Jini软件连同以Java语言编写的简单程序，可使联网的任何仪器设备实现其自身功能的同时，还能为其他仪器设备加以利用。

网络技术的出现，正在并将极大地改变人们生活的各个方面。具体到计量测试、测控技术及仪器仪表领域，微机化仪器的联网，高档测量仪器设备以及测量信息的地区性、全国性乃至全球性资源共享，各等级计量标准跨地域实施直接的数字化溯源比对，远程数据采集与测控，远程设备故障诊断，电、水、燃气、热能等的自动抄表，等等，都是网络技术进步并全面介入其中发挥关键作用的必然结果。

4：测控技术与仪器未来的发展方向

发展方向与学科前沿

(1)配合数控设备的技术创新(如主轴速度，精度创成)

数控设备的主要误差来源可分为几何误差和热误差。对于重复出现的系统误差，可采用

软件修正；对于随机误差较大的情况，要采用实时修正方法。对于热误差，一般要通过温度测量进行修正。中国机床行业市场萎缩同时又大量进口国外设备的原因之一就是因为这方面的技术没有得到推广应用。为此，需要高速多通道激光干涉仪，其测量速度达60m/min以上，采样速度达5000次/sec以上，以适应热误差和几何误差测量的需要。空气折射率实时测量应达到2×10的-7次方水平，其测量结果和长度测量结果可同步输入计算机。

(2)运行和制造过程的监控和在线检测技术

综合运用图像、频谱、光谱、光纤以及其它光与物质相互作用原理的传感器具有非接触、高灵敏度、高柔性、应用范围广的优点。在这个领域综合创新的天地十分广阔，如振动、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。

(3)配合信息产业和生产科学的技术创新

为了在开放环境下求得生存空间，没有自主创新技术是没有出路的。因此应该根据有专

利权、有技术含量、有市场等原则选择一些项目予以支持。根据当前发展现状，信息、生命医学、环保、农业等领域需要的产品应给予优先支持。如医学中介入治疗的精密仪器设备、电子工业中的超分辨光刻和清洁方法和机理研究等。

优先领域

在基础研究的初期，对于能否有突破性进展是很难预测的。但是，当已经取得突破性进展时，则需要有一个转化机制以进入市场。

(1)纳米溯源技术和系统。

(2)介入安装和制造的坐标跟踪测量系统。

关键理论和技术：超半球反射器(n=2或在机构上创新)，快速、多路干涉仪(频差3～5兆)，二维精密跟踪测角系统(0.2″～0.5″)，通用信号处理系统(工作频率5兆)，无导轨半导体激光测量系统(分辨率1μm)，热变形仿真，力变形仿真。

这些内容不局限于一种技术方案，而是几种不同技术方案中概括出来的共同点。如采用无导轨干涉仪，对跟踪系统的要求可以降低；采用二维精密跟踪测角系统在1M3测量范围内可以得到高精度；有了超半球反射镜可以提高4路跟踪方案的精度。在现场进行介入制造和装配不能等待很长时间，力和热变形的补偿是必须的而且需要足够快，现在的技术还有相当大的差距，所以这些进展是关键性的。

应用范围：新型并行机构机床的鉴定，飞机装配型架的鉴定，大型设备安装，用于生物芯片精密机器人校准等。

(3)非接触测头以及各种扫描探针显微镜

航空航天行业对此已经提出迫切要求，这是今后坐标测量机发展的关键技术。目前接触式测头已完全被国外所垄断，非接触测头还没有发展成熟，我们有参与竞争的机遇。以前较多采用的激光三角法原理受到很多限制，难以有突破性进展，但可在原理创新上下功夫。应该突破0.1～0.5μm分辨率。

(4)计算机辅助测量理论

信号处理系统的标准化、模块化、兼容和集成。例如，目前多数采用ISA总线、IEEE488口，今后计算机可能取消ISA总线，用于笔记本电脑的USB接口将广泛应用。过去，中国生产的仪器满足于数字显示，没有数据交换接口，难以进入国际市场。国外生产的仪器普遍配备IEEE488(GPIB)口。RS232：目前有可能成为替代物的高性能标准是USB、IEEE1394和VXI。在此转折期为我们提供了机遇。目前虚拟仪器的工作频段在千赫数量级，对于干涉信号处理显得太低，可以采取联合互补的方法形成模块系列，同时降低成本，从总体上提高研发工作的效率。根据已有基础，发展特长，有利于克服重复研究。

(5)新器件，新材料

过去，科研评价体系存在偏重于整机和系统，忽视材料和器件的趋向。新的突破点可能出现在新光源、新型高频探测器。目前探测器的响应频率只有10的9次方，而光频高达10的14次方，目前干涉仪实际上是起着混频器的作用，适应探测器的不足(如果探测器的响应果真能超过光频，干涉仪也就没有用了)。如果探测器的性能得到显著提高，对于通讯也是很大的突破。

(6)半导体激光器计量特性的研究和创新

半导体激光器用于计量需要解决很多问题(如线宽、定标、变频等)。但如果解决了诸多问题以后，半导体激光系统比气体激光系统更复杂，就不会有竞争力。有些问题在物理层面上也没有完全解决。例如半导体激光器如果能形成双频，无疑是一种十分重要的特性，如果既能扫频又有两个相近的频率扫描，就会成为一种新的无导轨测量工具。

结论:在我看来，测控技术与仪器专业，是一个传统，而又充满着发展前景的专业。说它传统，是因为它有着古老的起源，经历了数百年的发展，对社会发展起了重要的作用。作为一个传统的专业，它同时涉及到了许多学科，这使它仍然具有强大的生命力。随着现代测控技术、电子信息技术和计算机技术等的进一步发展，它迎来了一个创新发展的新机遇，必将在各领域产生更多更关键的应用。

参考文献：《现代测控技术及应用》《测控和技术与仪器专业概论》