學(xué)科前沿報告

1、學(xué)科前沿報告 測控技術(shù)與儀器班級：測控07-2姓名：李曉楠學(xué)號：03071444淺談現(xiàn)代測控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢內(nèi) 容 摘 要 現(xiàn)代測控技術(shù)隸屬于現(xiàn)代信息技術(shù)，是建立在計算機(jī)信息技術(shù)上的一門新型技術(shù)。21世紀(jì)的測控將是一個開放的系統(tǒng)概念，通過組建網(wǎng)絡(luò)來形成實用測控系統(tǒng)，提高生產(chǎn)率和實現(xiàn)信息資源共享，已成為現(xiàn)代測控技術(shù)以及儀器儀表的發(fā)展方向。本文正是著重介紹現(xiàn)代測控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢，分析國內(nèi)的儀器儀表在未來幾年的發(fā)展方向，并簡要介紹幾種測控新型技術(shù)在未來工業(yè)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：測控技術(shù) 現(xiàn)場總線 網(wǎng)絡(luò)化 計算機(jī)技術(shù)目 錄一、測控技術(shù)與儀器專業(yè)簡介1（一）專業(yè)的重要性1（二）專業(yè)特性1二、測

2、控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1（一）計算機(jī)技術(shù)對測控技術(shù)發(fā)展的作用1（二）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為測控技術(shù)的關(guān)鍵支撐2（三）我國儀器儀表技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀3三、測控技術(shù)的發(fā)展趨勢3（一）現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)3（二）網(wǎng)絡(luò)化虛擬測試系統(tǒng)3（三）測控技術(shù)幾個創(chuàng)新技術(shù)3（四）我國儀器科技的發(fā)展趨勢4四、測控技術(shù)的優(yōu)先領(lǐng)域及其應(yīng)用5五、結(jié)語6參考文獻(xiàn) 6一、測控技術(shù)與儀器專業(yè)簡介測控技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中的重要支柱，是解放和發(fā)展生產(chǎn)力、增強(qiáng)產(chǎn)品市場競爭力的可靠保證。目前，國內(nèi)測控行業(yè)的整體水平和國外有著很大差距，國內(nèi)測控行業(yè)和國外的差距主要表現(xiàn)在兩個層面上: 一是在先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)上，另一個是成熟技術(shù)的應(yīng)用和推廣上。因此要提高國內(nèi)測控的

3、行業(yè)整體水平，就需要我們對這個專業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢有一定的了解，并致力于加快現(xiàn)代測控技術(shù)的發(fā)展。 （一）專業(yè)的重要性測控技術(shù)與儀器是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)；是電子、光學(xué)、精密機(jī)械、計算機(jī)、信息與控制技術(shù)多學(xué)科互相滲透而形成的一門高新技術(shù)密集型綜合學(xué)科。測控技術(shù)與儀器儀表技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、能源、環(huán)保、航空、航天、國防工業(yè)以及科學(xué)研究等部門，是觀察、測量、計算、記錄和控制自然現(xiàn)象與生產(chǎn)過程的工具，它作為一門應(yīng)用工程技術(shù)，肩負(fù)著以信息化帶動自動化的重任，又扮演著以工業(yè)化促進(jìn)信息化進(jìn)一步發(fā)展的重要角色，無論信息化還是自動化，如果沒有現(xiàn)進(jìn)的儀器儀表的支撐作用是不可

4、能的。（二）專業(yè)特性測控技術(shù)與儀器專業(yè)是信息科學(xué)技術(shù)的源頭，是光學(xué)、精密機(jī)械、電子、計算機(jī)與信息技術(shù)多學(xué)科互相滲透而形成的一門高新技術(shù)密集型綜合學(xué)科。它專業(yè)面廣，小到制造車間的檢測，大到衛(wèi)星火箭發(fā)射的監(jiān)控。它是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)。二、測控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀開放化、標(biāo)準(zhǔn)化是現(xiàn)代測控技術(shù)發(fā)展的趨勢。從技術(shù)角度來看，開放化測控技術(shù)是現(xiàn)代測控技術(shù)發(fā)展的一個趨勢; 從市場角度來看，開放化測控技術(shù)也將成為市場應(yīng)用的主流。在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)迅速轉(zhuǎn)變的情況下，推進(jìn)開放性測控技術(shù)的應(yīng)用和普及有著十分重要的意義。測控技術(shù)的開放化和標(biāo)準(zhǔn)化趨勢給了國內(nèi)測控行業(yè)一個非常好的發(fā)展機(jī)會，因為國內(nèi)廠商可以直接接觸到開放標(biāo)準(zhǔn)下的先進(jìn)測

5、控技術(shù)，并融入到這種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之中，而不必要再重新去開發(fā)新的技術(shù)。隨著各種產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代測控技術(shù)也獲得了迅速的發(fā)展?？v觀其發(fā)展史，走向開放化、標(biāo)準(zhǔn)化就是一個最為明顯的趨勢。從對測控技術(shù)發(fā)展歷史的回顧中也可以清晰的看到這一點。（一） 計算機(jī)技術(shù)對測控技術(shù)發(fā)展的作用1、“計算機(jī)就是儀器”自從計算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)滲透到測量和控制技術(shù)領(lǐng)域，便使得該領(lǐng)的面貌不斷更新。相繼出現(xiàn)的智能儀器、總線儀器和虛擬儀器都無一例外的利用了計算機(jī)軟件和硬件優(yōu)勢，從而既增加了測量功能，又提高了技術(shù)性能。由于信號被采集變成數(shù)字形式后，更多的分析和處理工作由計算機(jī)來完成，因此儀器與計算機(jī)之間的界限日益模糊。近年來，新型徼

6、處理器的速度不斷提高，又極大提高了計算機(jī)的數(shù)值處理能力和速度。與計算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合已是當(dāng)今測控技術(shù)發(fā)展的主潮流。2、“計算機(jī)是測控系統(tǒng)的中堅”總線式儀器，虛擬儀器等微機(jī)化儀器技術(shù)的應(yīng)用，使組建集中和分布式測控系統(tǒng)變得更為容易。但集中測控越來越滿足不了復(fù)雜、遠(yuǎn)程和范圍較大的測控任務(wù)的需要，對此，組建網(wǎng)絡(luò)化的測控系統(tǒng)顯得非常必要，而計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的不斷升級與進(jìn)步給組建測控網(wǎng)絡(luò)提供了越來越優(yōu)異的技術(shù)條件。如osl的開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型，lnternet上使用的tcpip協(xié)議，在開放性、穩(wěn)定性方面均有很大優(yōu)勢，采用它們很容易實現(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。（二）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為測控技術(shù)的關(guān)鍵支撐20世紀(jì)70

7、年代以來，計算機(jī)、微電子等技術(shù)迅猛發(fā)展。測量技術(shù)與儀器不斷進(jìn)步，相繼誕生了智能儀器、pc儀器、vxi儀器、虛擬儀器及互換性虛擬儀器等微機(jī)化儀器及其自動測試系統(tǒng)，計算機(jī)與現(xiàn)代儀器設(shè)備間的界限日漸模糊，測量領(lǐng)域和范圍不斷拓寬。近10年來，以internet為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)以及它與其他高新科技的相互結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)化測量技術(shù)與具備網(wǎng)絡(luò)功能的新型儀器應(yīng)運(yùn)而生。 當(dāng)今時代，以internet為代表的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展及相關(guān)技術(shù)的日益完善，internet擁有的硬件和軟件資源正在越來越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，比如電子商務(wù)、網(wǎng)上教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制、高檔測量儀器設(shè)備資源的遠(yuǎn)程實時調(diào)用，遠(yuǎn)程設(shè)備故

8、障診斷，等等。與此同時，高性能、高可靠性、低成本的網(wǎng)關(guān)、路由器、中繼器及網(wǎng)絡(luò)接口芯片等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的不斷進(jìn)步，又方便了internet、不同類型測控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)。利用現(xiàn)有internet資源而不需建立專門的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，使組建測控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及它們與internet的互聯(lián)都十分方便，這就為測控網(wǎng)絡(luò)的普遍建立和廣泛應(yīng)用鋪平了道路。 把tcpip協(xié)議作為一種嵌入式的應(yīng)用，嵌入現(xiàn)場智能儀器（主要是傳感器）的rom中，使信號的收、發(fā)都以tcpip方式進(jìn)行，如此，測控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、信息發(fā)布、系統(tǒng)集成等方面都以企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)（intranet）為依托，將測控網(wǎng)和企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)及internet互

9、聯(lián)，便于實現(xiàn)測控網(wǎng)和信息網(wǎng)的統(tǒng)一。在這樣構(gòu)成的測控網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)儀器設(shè)備充當(dāng)著網(wǎng)絡(luò)中獨立節(jié)點的角色，信息可跨越網(wǎng)絡(luò)傳輸至所及的任何領(lǐng)域，實時、動態(tài)（包括遠(yuǎn)程）的在線測控成為現(xiàn)實，將這樣的測量技術(shù)與過去的測控、測試技術(shù)相比不難發(fā)現(xiàn)，今天，測控能節(jié)約大量現(xiàn)場布線、擴(kuò)大測控系統(tǒng)所及地域范圍。使系統(tǒng)擴(kuò)充和維護(hù)都極大便利的原因，就是因為在這種現(xiàn)代測量任務(wù)的執(zhí)行和完成過程中，網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮了不可替代的關(guān)鍵作用，即網(wǎng)絡(luò)實實在在地介入了現(xiàn)代測量與測控的全過程。 基于web的信息網(wǎng)絡(luò)intranet，是目前企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)的主流。目前，測控系統(tǒng)的設(shè)計思想明顯受到計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響，基于網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、開放性等原則，測控

10、網(wǎng)絡(luò)由傳統(tǒng)的集中模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植寄Ｊ?，成為具有開放性、可互操作性、分散性、網(wǎng)絡(luò)化。智能化的測控系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點上不僅有計算機(jī)、工作站，還有智能測控儀器儀表，測控網(wǎng)絡(luò)將有與信息網(wǎng)絡(luò)相似的體系結(jié)構(gòu)和通信模型。比如目前測控系統(tǒng)中迅猛發(fā)展的現(xiàn)場總線，它的通信模型和osi模型對應(yīng)，將現(xiàn)場的智能儀表和裝置作為節(jié)點，通過網(wǎng)絡(luò)將節(jié)點連同控制室內(nèi)的儀器儀表和控制裝置聯(lián)成有機(jī)的測控系統(tǒng)。測控網(wǎng)絡(luò)的功能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)中各獨立個體功能的總和。結(jié)果是測控系統(tǒng)的功能顯著增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域及范圍明顯擴(kuò)大。（三）我國儀器儀表技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1、由于長期習(xí)慣于仿制國外產(chǎn)品，我國的儀器儀表工業(yè)缺乏創(chuàng)新能力，跟不上科學(xué)研究和工程建設(shè)的需要

11、。2、我國儀器科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域積累了大量科研成果，許多成果處于國際領(lǐng)先水平，有待篩選、提高和轉(zhuǎn)化，但產(chǎn)業(yè)化程度很低，沒有形成具有國際競爭力的完整產(chǎn)業(yè)。三、測控技術(shù)的發(fā)展趨勢（一）現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)用現(xiàn)場總線這一開放的，具有互操作性的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場各控制器及儀器儀表設(shè)備互連，構(gòu)成現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)，同時控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。因此，現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)是一種開放式的、具有互操作性的、徹底分散的分布式測控系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線把通用或?qū)Ｓ玫奈⑻幚砥髦萌雮鹘y(tǒng)的測量儀表，使之具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，采用一定的介質(zhì)(如雙絞線、同軸電纜、光纖、無線、紅外)作為通信總線，按照公開

12、、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個設(shè)備之間及現(xiàn)場設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，形成各種適應(yīng)實際需要的測控系統(tǒng)。（二） 網(wǎng)絡(luò)化虛擬測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化虛擬測試是發(fā)展的必然趨勢。虛擬儀器的出現(xiàn)給自動測試系統(tǒng)帶來了變革，把計算機(jī)軟、硬件技術(shù)結(jié)合起來，易于集成。網(wǎng)絡(luò)化測試已成為當(dāng)前研究的熱點，尤其是lxi儀器總線出現(xiàn)后，對于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)帶來極大方便，構(gòu)建以虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬儀器測試系統(tǒng)是測試技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。目前，被人們稱之為“下一代互聯(lián)網(wǎng)”的網(wǎng)格技術(shù)將高速互聯(lián)網(wǎng)、高性能計算機(jī)、大型數(shù)據(jù)庫、傳感器、遠(yuǎn)程設(shè)備等融為一體，為科技人員提供更多的資源、功能和交互性。（三）

13、測控技術(shù)幾個創(chuàng)新技術(shù)1、配合數(shù)控設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新(如主軸速度，精度創(chuàng)成)數(shù)控設(shè)備的主要誤差來源可分為幾何誤差（共有21項）和熱誤差。對于重復(fù)出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差，可采用軟件修正；對于隨機(jī)誤差較大的情況，要采用實時修正方法。對于熱誤差，一般要通過溫度測量進(jìn)行修正。我國機(jī)床行業(yè)市場萎縮同時又大量進(jìn)口國外設(shè)備的原因之一就是因為這方面的技術(shù)沒有得到推廣應(yīng)用。為此，需要高速多通道激光干涉儀：其測量速度達(dá)60m/min以上，采樣速度達(dá)5000次/sec以上，以適應(yīng)熱誤差和幾何誤差測量的需要。空氣折射率實時測量應(yīng)達(dá)到210的-7次方水平，其測量結(jié)果和長度測量結(jié)果可同步輸入計算機(jī)。2、運(yùn)行和制造過程的監(jiān)控和在線檢測技

14、術(shù)綜合運(yùn)用圖像、頻譜、光譜、光纖以及其它光與物質(zhì)相互作用原理的傳感器具有非接觸、高靈敏度、高柔性、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點。在這個領(lǐng)域綜合創(chuàng)新的天地十分廣闊，如振動、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。3、配合信息產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)科學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新為了在開放環(huán)境下求得生存空間，沒有自主創(chuàng)新技術(shù)是沒有出路的。因此應(yīng)該根據(jù)有專利權(quán)、有技術(shù)含量、有市場等原則選擇一些項目予以支持。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）我國儀器科技的發(fā)展趨勢未來幾年間，我國儀器儀表將重點圍繞以下方面發(fā)展：1

15、、工業(yè)自動化儀表重點發(fā)展基于現(xiàn)場總線技術(shù)的主控系統(tǒng)裝置及智能化儀表、特種和專用自動化儀表；全面擴(kuò)大服務(wù)領(lǐng)域，推進(jìn)儀器儀表系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，完成自動化儀表從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)變，5年內(nèi)數(shù)字儀表比例達(dá)到60%以上；推進(jìn)具有自主版權(quán)的自動化軟件的商品化。2、電工儀器儀表重點發(fā)展長壽命電能表、電子式電度表、特種專用電測儀表和電網(wǎng)計量自動管理系統(tǒng)。2005年，中低檔電工儀器儀表國內(nèi)市場占有率要達(dá)到95%；到2010年，高中檔電工儀器儀表國內(nèi)市場占有率達(dá)到80%。3、科學(xué)測試儀器重點發(fā)展過程分析儀器、環(huán)保監(jiān)測儀器儀表、工業(yè)爐窯節(jié)能分析儀器以及圍繞基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)所需的汽車零部件動平衡、動力測試及整

16、車性能檢測儀、大地測量儀器、電子速測儀、測量型全球定位系統(tǒng)以及其他試驗機(jī)、實驗室儀器等新產(chǎn)品。產(chǎn)品以技術(shù)含量較高的中檔產(chǎn)品為主，到2005年在總產(chǎn)值中占50%60%。4、環(huán)保儀器儀表重點發(fā)展大氣環(huán)境、水環(huán)境的環(huán)保監(jiān)測儀器儀表、取樣系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測自動化控制系統(tǒng)產(chǎn)品，2005年技術(shù)水平達(dá)到20世紀(jì)90年代后期國際先進(jìn)水平，國內(nèi)市場占有率達(dá)到50%60%，到2010年國內(nèi)市場占有率達(dá)到70%以上。5、儀器儀表儀器儀表元器件“十五”及2010年前，盡快開發(fā)出一批適銷對路、市場效果好的產(chǎn)品，品種占有率達(dá)到70%80%，高檔產(chǎn)品市場占有率達(dá)60%以上；通過科技攻關(guān)、新品開發(fā)，使產(chǎn)品質(zhì)量水平達(dá)到國際20世紀(jì)

17、90年代末水平，部分產(chǎn)品接近國外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。6、信息技術(shù)電測儀器主要發(fā)展電測儀器軟件化、智能化技術(shù)，總線式自動測試技術(shù)，綜合自動化測試系統(tǒng)，新型元器件測量技術(shù)及測試儀器，在線測試技術(shù)，信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品測試技術(shù)，多媒體測量技術(shù)以及相應(yīng)測試儀器，用電監(jiān)控管理技術(shù)等。四、測控技術(shù)的優(yōu)先領(lǐng)域及其應(yīng)用在基礎(chǔ)研究的初期，對于能否有突破性進(jìn)展是很難預(yù)測的。但是，當(dāng)已經(jīng)取得突破性進(jìn)展時，則需要有一個轉(zhuǎn)化機(jī)制以進(jìn)入市場。納米溯源技術(shù)和系統(tǒng)。介入安裝和制造的坐標(biāo)跟蹤測量系統(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35兆)，二維精密跟蹤測角系統(tǒng)(0.20.5)，通用信號處理系

18、統(tǒng)(工作頻率5兆)，無導(dǎo)軌半導(dǎo)體激光測量系統(tǒng)(分辨率1m)，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)方案中概括出來的共同點。如采用無導(dǎo)軌干涉儀，對跟蹤系統(tǒng)的要求可以降低；采用二維精密跟蹤測角系統(tǒng)在1m3測量范圍內(nèi)可以得到高精度；有了超半球反射鏡可以提高4路跟蹤方案的精度。在現(xiàn)場進(jìn)行介入制造和裝配不能等待很長時間，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。非接觸測頭以及各種掃描探針顯微鏡航空航天行業(yè)對此已經(jīng)提出迫切要求，

19、這是今后坐標(biāo)測量機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前接觸式測頭已完全被國外所壟斷，非接觸測頭還沒有發(fā)展成熟，我們有參與競爭的機(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。應(yīng)該突破0.10.5m分辨率。計算機(jī)輔助測量理論信號處理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、兼容和集成。例如，目前多數(shù)采用isa總線、ieee488口，今后計算機(jī)可能取消isa總線，用于筆記本電腦的usb接口將廣泛應(yīng)用。過去，我國生產(chǎn)的儀器滿足于數(shù)字顯示，沒有數(shù)據(jù)交換接口，難以進(jìn)入國際市場。國外生產(chǎn)的儀器普遍配備ieee488(gpib)口。rs232：目前有可能成為替代物的高性能標(biāo)準(zhǔn)是usb、ieee1394和vxi。在此轉(zhuǎn)折期為我們提供了機(jī)遇。目前虛擬儀器的工作頻段在千赫數(shù)量級，對于干涉信號處理顯得太低，可以采取聯(lián)合互補(bǔ)的方法形成模塊系列，同時降低成本，從總體