1、測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)概論An Introduction for Measuring & Control Technology and Instrument1設(shè)置該課程的目的、意義使測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)生全面了解該專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，應(yīng)掌握的基本概念及知識(shí)體系、測(cè)量與控制的基本原理和基本思想、應(yīng)用狀況、前沿技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)。測(cè)控系統(tǒng)隨處可見(jiàn)，該技術(shù)具有很強(qiáng)的滲透性和擴(kuò)展性，其基本思想和方法可應(yīng)用于幾乎所有領(lǐng)域，包括工程、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、管理等。2教材：主要參考書(shū)：1、徐宏飛，測(cè)控專業(yè)概論，機(jī)械工業(yè)出 版社，2009.2、王先培，測(cè)控技術(shù)與儀器（專業(yè)）概論，武漢理工大學(xué)出版社，2010.3、林玉池，測(cè)量控制

2、與儀器儀表前沿技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)，天津大學(xué)出版社，2008.4、其它相關(guān)教材及期刊文章。3第一章 緒論1.1 測(cè)量、控制、儀器的基本概念1.2 測(cè)控專業(yè)教育的歷史和現(xiàn)狀1.3 儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的發(fā)展方向和前景1.4 儀器觀念的演變1.5 測(cè)控專業(yè)常用的術(shù)語(yǔ)45沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有科學(xué)，至少是沒(méi)有真正意義上的科學(xué)。67891.1 測(cè)量、控制、儀器的基本概念一、測(cè)量人們?yōu)榱税芽陀^世界的特性用數(shù)量表達(dá)，就需要進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一種比較過(guò)程。例如，我們用步長(zhǎng)去測(cè)量某一段距離，等。1、幾種定義測(cè)量是人們借助專門(mén)工具，通過(guò)試驗(yàn)和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算將被測(cè)量X以測(cè)量單位U的倍數(shù)u顯示出來(lái)的過(guò)程。測(cè)量是按照某

3、種規(guī)律，用數(shù)據(jù)來(lái)描述觀察到的現(xiàn)象，即對(duì)事物作出量化描述。測(cè)量是對(duì)非量化事物的量化過(guò)程。10 根據(jù)計(jì)量檢定規(guī)范JJF1001-1998通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義的規(guī)定，測(cè)量的定義為： 測(cè)量：以確定量值為目的一組操作。 （1）要選擇相應(yīng)的測(cè)量原理和方法、標(biāo)準(zhǔn)和儀器等； （2）進(jìn)行一組操作； （3）獲得被測(cè)量的量值。112、計(jì)量的定義實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確可靠的活動(dòng)。廣義的理解是指有關(guān)測(cè)量知識(shí)的整個(gè)領(lǐng)域。計(jì)量在歷史上稱之為“度量衡”。隨著生產(chǎn)和科 學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代計(jì)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出“度量衡”的范圍。現(xiàn)有長(zhǎng)度、熱學(xué)、力學(xué)、 電磁學(xué)、無(wú)線電、時(shí)間頻率、電離輻射、光學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)等計(jì)量專業(yè)，已形成了 一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科

4、計(jì)量學(xué)（計(jì)量學(xué)是研究測(cè)量、保證測(cè)量統(tǒng)一和準(zhǔn)確的科學(xué)）。計(jì)量涉及到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)試驗(yàn)、國(guó)內(nèi) 外貿(mào)易、人民生活等各方面，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)重要的技術(shù)基礎(chǔ)。 12 為了達(dá)到計(jì)量這一目的，需要： 依靠法制的手段-中華人民共和國(guó)計(jì)量法； 依靠監(jiān)督管理手段-各級(jí)計(jì)量監(jiān)管部門(mén)； 依靠科學(xué)技術(shù)-研究新的測(cè)試方法、提高測(cè)量精度； 依靠計(jì)量技術(shù)-建立基、標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行量值的傳遞、溯源等。13“計(jì)量”與“測(cè)量”在概念上的區(qū)別 在歐美國(guó)家，這兩個(gè)名詞在概念上已逐漸接近一致,只有在特殊的情況下才加以區(qū)分。 在我國(guó)，目前來(lái)講還是要對(duì)其加以區(qū)別?！坝?jì)量”是可以追溯到標(biāo)準(zhǔn)量的測(cè)量，是有“根”的測(cè)量。除了獲得量值外還要有

5、一系列“活動(dòng)” 。而測(cè)量則是為了獲得量值，通常不會(huì)考慮溯源問(wèn)題（并非不重要，而是往往被忽略）。143、測(cè)量的歷史演變測(cè)量有著非常悠久的歷史。“知己知彼，百戰(zhàn)不殆”（春秋時(shí)期）。信息的獲取方法。 我國(guó)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期已有了利用天然磁鐵制成的指南儀器，稱為司南15古代的儀器在很長(zhǎng)的歷史時(shí)期中多屬用以定向、計(jì)時(shí)或供度量衡用的簡(jiǎn)單儀器。在新石器時(shí)期晚期隨著社會(huì)結(jié)構(gòu)的變化，度量衡制度開(kāi)始出現(xiàn)萌芽。度，長(zhǎng)短的量（長(zhǎng)度）。量，多少的量（容量）。衡，輕重的量（重量）。1617秦始皇統(tǒng)一度量衡。18鄭和下西洋（13711433年）；鄭成功（16241662年），航海。17-18世紀(jì)，歐洲的一些物理學(xué)家開(kāi)始利用電流與磁

6、場(chǎng)作用力原理制成簡(jiǎn)單的檢流計(jì)，利用光學(xué)透鏡制成望遠(yuǎn)鏡，奠定了電學(xué)和光學(xué)儀器的基礎(chǔ)。同時(shí)，其它各種儀器也逐漸得到發(fā)展。19-20世紀(jì)，工業(yè)革命和現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)促進(jìn)了新學(xué)科和新技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了測(cè)量（儀器儀表）技術(shù)的發(fā)展。電子技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的發(fā)明為儀器儀表提供了技術(shù)基礎(chǔ)，而軍事、空間技術(shù)等方面的應(yīng)用更是促進(jìn)其發(fā)展的強(qiáng)大力量。19現(xiàn)代儀器儀表已成為測(cè)量、控制和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化必不可少的技術(shù)工具。測(cè)量是科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)，科學(xué)新理論的驗(yàn)證需要高精度的計(jì)量基（標(biāo)）準(zhǔn)提供測(cè)量基礎(chǔ)。測(cè)量是以確定量值為目的的一種操作，是認(rèn)識(shí)世界的一種方法?？刂剖轻槍?duì)信息獲取、變送傳輸、數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行控制等部分的需要，研究信

7、號(hào)產(chǎn)生、對(duì)象跟蹤、狀態(tài)反饋、信息傳送、動(dòng)作控制、結(jié)果輸出等技術(shù)環(huán)節(jié)中的控制技術(shù)和方法。 204、測(cè)量的重要性 俄國(guó)著名科學(xué)家門(mén)捷列夫（1834-1907）說(shuō)過(guò)：“沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有科學(xué)”。英國(guó)科學(xué)家開(kāi)爾文（1824-1907）說(shuō)過(guò)：“我們只有測(cè)量后才能了解”。我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森說(shuō)過(guò)：“發(fā)展高新技術(shù)，信息技術(shù)是關(guān)鍵，信息技術(shù)包括測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，測(cè)量技術(shù)是關(guān)鍵的基礎(chǔ)?！眱稍涸菏客醮箸裾f(shuō)過(guò)：“在當(dāng)今以信息技術(shù)帶動(dòng)工業(yè)化發(fā)展的時(shí)代，儀器儀表與測(cè)試技術(shù)是信息科學(xué)技術(shù)最根本的組成部分?！弊畛踝鳛闇y(cè)量器具的儀器在促進(jìn)科技和生產(chǎn)發(fā)展的同時(shí)，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的推動(dòng)下，已形成較為完善的儀器科學(xué)

8、與技術(shù)學(xué)科。21作為測(cè)量和測(cè)試技術(shù)集中體現(xiàn)的儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科，在當(dāng)今我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中起著非常重要的作用。儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的內(nèi)涵就是專門(mén)研究、開(kāi)發(fā)、制造、應(yīng)用各類儀器，以使人的感覺(jué)、思維和體能器官得以延伸的科學(xué)技術(shù)學(xué)科，從而使人類具有更強(qiáng)的感知和操作工具的能力來(lái)面對(duì)客觀世界，能以最佳或最接近的方法發(fā)展生產(chǎn)力、進(jìn)行科學(xué)研究、預(yù)防和診斷疾病及從事社會(huì)活動(dòng)。測(cè)控技術(shù)與儀器就是信息科學(xué)的源頭，是研究信息獲取、信息處理、信息傳輸與信息應(yīng)用的學(xué)科。22例：電加熱爐的爐溫控制外部擾動(dòng)：電源電壓波動(dòng)，環(huán)境溫度變化等內(nèi)部擾動(dòng)：元器件老化、參數(shù)改變，工件體積和質(zhì)量變化等給定電位器 給定電壓 加熱爐+

9、-交流電源 電熱絲功率放大器工件測(cè)量與控制的關(guān)系： 最簡(jiǎn)單的控制開(kāi)環(huán)控制23原理圖：方塊圖：功率放大器加熱爐控制輸入（給定電壓）（電功率）輸出量（爐溫）控制裝置受控對(duì)象擾動(dòng)量擾動(dòng)量給定電位器 給定電壓 加熱爐+-交流電源 電熱絲功率放大器工件特點(diǎn)：沒(méi)有反饋，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但抗擾性差，控制精度低24自動(dòng)控制的精髓反饋控制（需要測(cè)量）例：電加熱爐的爐溫反饋控制（人作為控制器）給定電位器 給定電壓 加熱爐+-交流電源 電熱絲功率放大器工件溫度檢測(cè)根據(jù)爐溫的高低調(diào)節(jié)給定電壓，從而調(diào)節(jié)溫度25給定電位器 控制量 加熱爐控制器誤差 e 溫度變送器 變換電壓 uf電熱絲溫度傳感器功率放大器溫度信號(hào)+-交流電源

10、給定電壓uru輸出量 y （爐溫） +-工件注：反饋控制又稱為“閉環(huán)控制”電加熱爐的爐溫反饋控制（自動(dòng)控制）26方塊圖：控制器加熱爐爐溫檢測(cè)ur擾動(dòng)yeufu相加點(diǎn)(綜合點(diǎn))檢測(cè)噪聲27小結(jié)：測(cè)量：就是用儀器來(lái)度量；控制：就是節(jié)制、駕馭、控制；測(cè)控結(jié)合在一起就是利用儀器進(jìn)行測(cè)量，并利用測(cè)量得到的結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。只測(cè)量，不控制。如醫(yī)學(xué)應(yīng)用及日常生活等。只控制，不測(cè)量。如既測(cè)量，又控制。如，（人工/自動(dòng)）281.2 測(cè)控專業(yè)教育的歷史和現(xiàn)狀測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)隸屬儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科。（在教育部1998年頒布的本科專業(yè)目錄中，大的學(xué)科分類為11類；在工學(xué)類中又分為21個(gè)子類，其中測(cè)控技術(shù)與儀器是儀器儀

11、表類下唯一的本科專業(yè)“080401”。而電氣工程自動(dòng)化080601、自動(dòng)化080602、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)080605等七個(gè)專業(yè)屬電氣信息類。）29一、測(cè)控專業(yè)的歷史沿革1、我國(guó)高等學(xué)校中最早設(shè)置的儀器儀表類專業(yè)1952年天津大學(xué)：“精密機(jī)械儀器專業(yè)”浙江大學(xué)：“光學(xué)儀器專業(yè)” 1953年北京理工大學(xué)：“軍用光學(xué)儀器專業(yè)”1958年清華、哈工大、交大、北航，等2、之后，很多高校設(shè)置了儀器儀表類專業(yè)參照前蘇聯(lián)模式，相應(yīng)于各儀器類別，分別設(shè)有計(jì)量?jī)x器、光學(xué)儀器、計(jì)時(shí)儀器、分析儀器、熱工儀表、航空儀表、導(dǎo)航儀表、自動(dòng)化儀表、電子測(cè)量?jī)x器、科學(xué)儀器、醫(yī)療儀器等10多個(gè)專業(yè)。儀器儀表類專業(yè)的建立，為我國(guó)培

12、養(yǎng)了一大批儀器儀表類專門(mén)人才，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究等方面的中堅(jiān)技術(shù)力量。 303、改革開(kāi)放后1998年，教育部頒布新的本科專業(yè)目錄，將儀器儀表類11個(gè)專業(yè)歸并為一個(gè)大專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器。這是高等教育由“專才教育”向“通識(shí)教育”轉(zhuǎn)變的重要里程碑。儀器儀表類專業(yè)的發(fā)展速度是空前的，1997年之前設(shè)立該專業(yè)的約有80余所，到2005年（根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、教育部等部門(mén)統(tǒng)計(jì)）達(dá)180余所，并且呈現(xiàn)出招生和就業(yè)兩頭熱的良好狀態(tài)。儀器儀表行業(yè)的發(fā)展也是如此，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（數(shù)值略）表明其超過(guò)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的平均年增長(zhǎng)率1倍以上。測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)大發(fā)展的原因，既源于較大的社會(huì)需求，也源于社會(huì)對(duì)該專業(yè)教

13、育的認(rèn)同。測(cè)控專業(yè)以光、機(jī)、電、算為學(xué)科基礎(chǔ)的人才知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面廣的寬口徑人才，既符合人才市場(chǎng)的需求，也順應(yīng)了信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭。 31華北地區(qū) 【北京市】清華大學(xué)、北京科技大學(xué)、北京交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京化工大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院、北京郵電大學(xué)、北京石油化工學(xué)院【天津市】天津大學(xué)、天津理工學(xué)院、天津科技大學(xué)、天津工程師范學(xué)院【河北省】河北工業(yè)大學(xué)、華北電力大學(xué)、河北科技大學(xué)、燕山大學(xué)、河北理工學(xué)院、河北大學(xué)、河北建筑科技學(xué)院、石家莊鐵道學(xué)院、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)【山西省】太原理工大學(xué)、華北工學(xué)院、太原重型機(jī)械學(xué)院【內(nèi)蒙古自治區(qū)】

14、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)、包頭鋼鐵學(xué)院32東北地區(qū) 【遼寧省】東北大學(xué)、遼寧大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)、大連鐵道學(xué)院、沈陽(yáng)工業(yè)學(xué)院、沈陽(yáng)化工學(xué)院、遼寧工學(xué)院、遼寧石油化工大學(xué)、鞍山科技大學(xué)【吉林省】吉林大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)、東北電力學(xué)院、長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)、吉林化工學(xué)院【黑龍江省】哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、大慶石油學(xué)院33華東地區(qū) 【上海市】上海交通大學(xué)、華東理工大學(xué)、上海大學(xué)、上海理工大學(xué)、上海電力學(xué)院【江蘇省】東南大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、南京郵電學(xué)院、南京工程學(xué)院、南京師范大學(xué)、蘇州大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、南通工學(xué)院、常州工學(xué)院、華東船舶工業(yè)

15、學(xué)院、淮陰工學(xué)院、南京林業(yè)大學(xué)【浙江省】浙江大學(xué)、中國(guó)計(jì)量學(xué)院、杭州電子工業(yè)學(xué)院、浙江工業(yè)大學(xué)、浙江工程學(xué)院【安徽省】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、安徽工業(yè)大學(xué)、安徽理工大學(xué)、安徽工程科技學(xué)院34陜甘寧 【陜西省】西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、西安理工大學(xué)、陜西科技大學(xué)、西安工業(yè)學(xué)院、西安石油大學(xué)、西安工程科技學(xué)院、陜西理工學(xué)院、西安郵電學(xué)院、西安建筑科技大學(xué)、西安科技學(xué)院【甘肅省】蘭州交通大學(xué)、蘭州理工大學(xué)【寧夏回族自治區(qū)】西北第二民族學(xué)院35西南地區(qū) 【重慶市】重慶大學(xué)、重慶工商大學(xué)、重慶郵電學(xué)院、重慶工學(xué)院【四川省】四川大學(xué)、電子科技大學(xué)、西南交通大學(xué)、成都理工大學(xué)、西

16、南石油學(xué)院、成都信息工程學(xué)院、西華大學(xué)、四川理工學(xué)院【貴州省】貴州工業(yè)大學(xué)【云南省】昆明理工大學(xué)36中原地區(qū) 【山東省】山東大學(xué)、青島科技大學(xué)、山東科技大學(xué)、煙臺(tái)大學(xué)、山東理工大學(xué)【河南省】河南大學(xué)、鄭州大學(xué)、河南科技大學(xué)、鄭州輕工業(yè)學(xué)院、中原工學(xué)院【湖北省】武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)、湖北工學(xué)院、武漢化工學(xué)院、湖北科技大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、江漢大學(xué)、武漢科技學(xué)院37華南地區(qū) 【廣東省】廣東工業(yè)大學(xué)【廣西壯族自治區(qū)】桂林電子工業(yè)學(xué)院、廣西工學(xué)院【湖南省】湖南大學(xué)、湘潭大學(xué)、湖南科技大學(xué)【福建省】廈門(mén)大學(xué)、華僑大學(xué)、集美大學(xué)【江西省】南昌航空工業(yè)學(xué)院、華東交通大學(xué)、南方冶金學(xué)院、南昌大學(xué)

17、、東華理工學(xué)院38二、測(cè)控技術(shù)在當(dāng)代社會(huì)中的地位和作用儀器儀表學(xué)科是由多學(xué)科交叉及多系統(tǒng)集成而形成的邊緣學(xué)科。儀器儀表是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“倍增器”；儀器儀表是科學(xué)研究的“先行官”；儀器儀表是軍事中的“戰(zhàn)斗力”；儀器儀表是當(dāng)今社會(huì)的“物化法官”。 39 測(cè)控技術(shù)與儀器是建立在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、智能信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、光學(xué)工程和機(jī)械工程等學(xué)科基礎(chǔ)上的儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科高新技術(shù)專業(yè)。 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)屬儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域，是研究信息的獲取和預(yù)處理，以及對(duì)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(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)多學(xué)科相互滲透而形成的一門(mén)高新

18、技術(shù)密集型綜合學(xué)科。它作為信息的源頭技術(shù)和核心高技術(shù)之一，是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。 401.3 儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的發(fā)展方向和前景一、發(fā)展科學(xué)儀器是國(guó)家的戰(zhàn)略措施 現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展水平是國(guó)家科技水平和綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)，儀器儀表的制造水平反映出國(guó)家的文明程度。為此，世界發(fā)達(dá)國(guó)家都高度重視和支持儀器儀表的發(fā)展，美、日、 歐等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)早已制定各自的發(fā)展戰(zhàn)略并鎖定目標(biāo)，有專門(mén)的投入，以加速原創(chuàng)性的發(fā)明、發(fā)展、轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。發(fā)達(dá)國(guó)家中科學(xué)儀器的發(fā)展，已從自發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)入到有意識(shí)、有目標(biāo)的政府行為上來(lái)（數(shù)據(jù)略）。 41二、我國(guó)儀器儀表的現(xiàn)狀 目前，我國(guó)儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科從理論研究、

19、計(jì)量基準(zhǔn)、產(chǎn)品制造技術(shù)、新器件、新材料、新工藝的研究和應(yīng)用等方面已日趨完善，并形成了門(mén)類品種比較齊全、布局較為合理、具有相當(dāng)技術(shù)基礎(chǔ)和生產(chǎn)規(guī)模的儀器儀表產(chǎn)業(yè)體系。 我國(guó)儀器儀表落后于國(guó)際先進(jìn)水平，差距是全方位的，包括產(chǎn)品技術(shù)方面的差距和企業(yè)綜合實(shí)力上的差距。在產(chǎn)品技術(shù)方面，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品的可靠性較差、產(chǎn)品的性能和功能落后、產(chǎn)品技術(shù)更新周期長(zhǎng)、缺乏針對(duì)使用對(duì)象而開(kāi)發(fā)的專用解決方案；在企業(yè)綜合實(shí)力上，主要是行業(yè)規(guī)模小(儀器儀表行業(yè)總產(chǎn)值較低)、企業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率低、企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)投入普遍不足、低水平的重復(fù)生產(chǎn)異常突出等。 （如：火電廠所用儀表等） 42三、儀器儀表的發(fā)展方向 根據(jù)國(guó)際發(fā)展潮流和我國(guó)現(xiàn)狀，

20、儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科主要包括6個(gè)方面： 工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)及工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)； 科學(xué)測(cè)試、分析技術(shù)及科學(xué)儀器； 人體診療技術(shù)及醫(yī)學(xué)儀器； 信息計(jì)測(cè)技術(shù)及電測(cè)儀器； 專用檢測(cè)技術(shù)及各類專用測(cè)量?jī)x器； 相關(guān)傳感器、元器件、材料及技術(shù)。 43 儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)是： 學(xué)科面對(duì)的產(chǎn)品種類和品種多樣化； 產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性和適應(yīng)性要求很高； 產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和功能不斷提高； 最先應(yīng)用新的科學(xué)研究成果，高新技術(shù)被大量采用； 儀器及測(cè)控單元微小型化、智能化，可獨(dú)立使用，也可嵌入式使用和聯(lián)網(wǎng)使用； 儀器測(cè)控范圍向立體化、全球化擴(kuò)展，測(cè)控功能向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展； 便攜式

21、、手持式以至個(gè)性化儀器大量發(fā)展。44四、未來(lái)幾年儀器儀表的關(guān)鍵技術(shù) 1技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)科學(xué)儀器新技術(shù)、新成果層出不窮。目前，科學(xué)儀器已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出“光機(jī)電一體化”這個(gè)概念，除了加入計(jì)算機(jī)技術(shù)，還大量引進(jìn)日新月異的高新技術(shù)，如納米、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、芯片、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化、免疫學(xué)、仿生學(xué)、基因工程等，同時(shí)，一些高精尖的軍用技術(shù)向民用技術(shù)轉(zhuǎn)移，大大提高了科學(xué)儀器的技術(shù)水平和更新?lián)Q代，速度。當(dāng)今科學(xué)儀器發(fā)展總體上呈現(xiàn)出如下趨勢(shì)：45 1)常規(guī)科學(xué)儀器向多功能、自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展； 2)生命科學(xué)儀器向在體、實(shí)時(shí)、在線、高靈敏度、高質(zhì)量、高選擇性方向發(fā)展； 3)用于復(fù)雜組

22、分樣品檢測(cè)分析的科學(xué)儀器向聯(lián)用技術(shù)方向發(fā)展； 4)用于環(huán)境、能源、農(nóng)業(yè)、食品、臨床檢驗(yàn)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的儀器向?qū)Ｓ?、小型化方向發(fā)展； 5)樣品前處理科學(xué)儀器向?qū)Ｓ?、快速、自?dòng)化方向發(fā)展； 6)監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的科學(xué)儀器向在線分析方向發(fā)展。 46 2儀器儀表工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)框架 總體來(lái)說(shuō)，共有51項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，屬于3個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，10個(gè)方面。 信息獲取技術(shù) 信息處理控制技術(shù) 精密制造技術(shù) 47 (1)信息獲取技術(shù) 1)傳感器技術(shù)：敏感材料技術(shù)、傳感器制造技術(shù)、傳感器應(yīng)用技術(shù)； 2)精密測(cè)試技術(shù)：自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、在線測(cè)試技術(shù)、多參數(shù)綜合測(cè)量技術(shù)、視覺(jué)測(cè)量技術(shù)、人工智能測(cè)試技術(shù)、測(cè)試軟件技術(shù)、微成像技術(shù)、儀器

23、儀表標(biāo)定技術(shù)； 3)智能儀表技術(shù)：專用電路技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)集成技術(shù)、傳感變送一體化技術(shù)； 4)現(xiàn)場(chǎng)溯源技術(shù)：納米溯源技術(shù)、自校準(zhǔn)技術(shù)。48 (2)信息處理控制技術(shù) 1) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)：微計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成電路技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)； 2) 智能控制技術(shù)：模糊控制技術(shù)、專家控制技術(shù)、分級(jí)遞階智能控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、擬人智能控制技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)； 3) 系統(tǒng)集成技術(shù)：多媒體技術(shù)、故障診斷技術(shù)、通信接口技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。49 (3) 精密制造技術(shù) 1)儀器儀表現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)、產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)技術(shù)、專用功能

24、塊線路設(shè)計(jì)技術(shù)、反求工程設(shè)計(jì)技術(shù)、虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)； 2)儀器儀表特種工藝技術(shù)：計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)、精細(xì)加工技術(shù)、特種加工技術(shù)、高密度電子組裝技術(shù)、微機(jī)械加工技術(shù)、精密快速成形技術(shù)、表面涂覆技術(shù)； 3)現(xiàn)代管理技術(shù)：全面質(zhì)量管理技術(shù)、準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)、精益生產(chǎn)技術(shù)、并行工程技術(shù)、柔性生產(chǎn)技術(shù)。 501.4 儀器觀念的演變一、儀器結(jié)構(gòu)的演變 虛擬儀器概念：美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments CorPoration，NI公司)于1986年提出“軟件即儀器”的口號(hào)，開(kāi)辟了“虛擬儀器”的嶄新概念。 軟測(cè)量、軟儀表、軟傳感器等概念：軟儀表是指在測(cè)量中，不存在直接的物理傳感器或儀表實(shí)體，而是利

25、用其它由直接物理傳感器實(shí)體得到的信息，通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算手段得到所需檢測(cè)信息的一種功能實(shí)體。 測(cè)量系統(tǒng)、分布式測(cè)量系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量系統(tǒng)等：是綜合運(yùn)用信息技術(shù)、測(cè)試測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、網(wǎng)絡(luò)及其支持軟件構(gòu)成的綜合控制系統(tǒng)，使單機(jī)向多機(jī)、單點(diǎn)向多點(diǎn)、單參數(shù)向多參數(shù)、平面向空間、近距離向遠(yuǎn)程測(cè)量、事后向?qū)崟r(shí)測(cè)量演變等。51 “有界無(wú)限”統(tǒng)一模型的“儀器庫(kù)”思想 近幾年，有人提出建立“有界無(wú)限”統(tǒng)一模型的“儀器庫(kù)”思想。“有界無(wú)限”是指“領(lǐng)域測(cè)試”(如機(jī)械測(cè)試類)是一個(gè)“界”，只要在這個(gè)“界”內(nèi)，同類測(cè)試的功能或儀器都將被包含或可添加到這一系統(tǒng)中。這樣一個(gè)統(tǒng)一模型被稱為“巖石模型”?；谠?/p>

26、模型理論，對(duì)測(cè)試功能虛擬控件進(jìn)行多次深度集成制造，便可由上述某些演變成為一個(gè)“有界無(wú)限”、包含大量測(cè)試儀器并可實(shí)際使用的復(fù)雜、巨型虛擬儀器庫(kù)。這是一個(gè)復(fù)雜的功能測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)也是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)。對(duì)于它，已有的資源可以立即滿足測(cè)試的要求，它還沒(méi)有的資源可以很快地在模型內(nèi)自動(dòng)生成或開(kāi)發(fā)，從而可以繼續(xù)滿足任何新的測(cè)試需要。通過(guò)這一模型的建立，將使傳統(tǒng)儀器的“單機(jī)”概念消失，取而代之的是經(jīng)多次深度集成制造而成的大型“儀器庫(kù)”。在將來(lái)的測(cè)試儀器中，“儀器庫(kù)”將成為測(cè)試測(cè)量所使用的儀器“單位”，而在同一行業(yè)中，只需使用這一“單位”便可滿足其測(cè)試要求。 52更加精確地測(cè)量和校準(zhǔn)輸出性能，準(zhǔn)確度高達(dá) 0.01

27、%。 兩個(gè)相互獨(dú)立的通道；允許同步測(cè)量、輸出和查看過(guò)程信號(hào) 測(cè)量電壓、毫安、RTD、熱電偶、頻率和電阻，以便測(cè)試傳感器和傳送器 輸出/模擬電壓、毫安、熱電偶、RTD、頻率和壓力信號(hào)，以便校準(zhǔn)傳送器 使用 29 個(gè) Fluke 700Pxx 壓力模塊中的任何一個(gè)測(cè)量或輸出壓力* 如：美國(guó)FLUKE公司生產(chǎn)的Fluke 726 高精度多功能過(guò)程校準(zhǔn)器 53二、虛擬儀器開(kāi)辟了儀器領(lǐng)域的新時(shí)代 “軟件即儀器”(the software is the instrument) 虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)不僅使儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和總線技術(shù)緊密結(jié)合，而且還采用了數(shù)字信號(hào)處理

28、、系統(tǒng)辨識(shí)和數(shù)學(xué)建模等現(xiàn)代方法。 虛擬儀器是一種以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一平臺(tái)，充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等基本智能化功能，同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控制軟件化，使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)融為一體，這樣構(gòu)成了一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器一致，同時(shí)又充分享用計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。 54 1虛擬儀器的硬件系統(tǒng) 主要分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件兩大塊。標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)有如下4種： 1)GPIB (General Purpose Interface Bus，通用接口總線)； 2)VXI(VME bus eXtension for Instrumentat

29、ion)，即VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展； 3)PXI(PCI eXtension for Instrumentation)，即PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展； 4)DAQ (Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集)，指基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的內(nèi)置功能插卡。55 2虛擬儀器的軟件系統(tǒng) 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)框架如下頁(yè)圖所示。 從軟件結(jié)構(gòu)圖可以看出，由低到高可分為3個(gè)部分。 虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(Virtual Instrument Software Architecture，VISA)庫(kù)：是標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱； 驅(qū)動(dòng)程序：每個(gè)儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序，儀器制造廠商以源代碼形式提供給用戶

30、； 應(yīng)用軟件：是建立在驅(qū)動(dòng)程序之上，直接面對(duì)操作用戶，提供直觀友好的測(cè)控操作界面，豐富的數(shù)據(jù)分析和處理功能，來(lái)完成自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。5657 3虛擬儀器的形式 虛擬儀器通常由計(jì)算機(jī)、儀器模塊和軟件3部分組成。儀器的功能主要靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)編程在顯示屏上構(gòu)成如波形示波器、數(shù)字萬(wàn)用表等傳統(tǒng)儀器的軟面板；而波形發(fā)生器發(fā)生的波形、頻率、占空比、幅值和偏置，或者示波器的測(cè)量通道、標(biāo)尺比例、時(shí)基、極性、觸發(fā)信號(hào)等都可用鼠標(biāo)或按鍵進(jìn)行設(shè)置，如同常規(guī)儀器一樣使用。不過(guò)，虛擬儀器還具有更強(qiáng)的分析和處理能力。 將軟功能庫(kù)、軟控件庫(kù)置入計(jì)算機(jī)，在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行軟裝配、軟連接、軟組合、軟修改、軟測(cè)試等一系列的操作，最后

31、形成一臺(tái)從外觀到功能到操作方法都與同類硬件儀器一樣的虛擬儀器。5859 4虛擬儀器的開(kāi)發(fā)系統(tǒng) 圖形化的編程語(yǔ)言，如LabVIEW、HPVEE等； 文本式的編程語(yǔ)言，如VisualC+、LabWindows/CVI等。 以LabVIEW為例，LabVIEW是美國(guó)NI公司研制的一個(gè)強(qiáng)大的虛擬儀器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是具有直觀界面、便于開(kāi)發(fā)、便于學(xué)習(xí)且具有多種儀器驅(qū)動(dòng)程序和工具的大型儀器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具。 LabVIEW基于圖形化編程語(yǔ)言G開(kāi)發(fā)環(huán)境，它采用了工作人員所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)等圖形化符號(hào)來(lái)代替基于文字的常規(guī)程序語(yǔ)言，把繁瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言程序簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué)的圖形編程。同傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言相比，可以節(jié)省

32、約80的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間。 60 LabVIEW的基本程序是虛擬儀器(VI)?？梢酝ㄟ^(guò)圖形編程的方法建立一系列的VI，來(lái)完成用戶指定的測(cè)試任務(wù)。對(duì)于簡(jiǎn)單的測(cè)試任務(wù)，可以由一個(gè)VI完成；對(duì)于一項(xiàng)較復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)，則可以采取模塊設(shè)計(jì)的概念，把測(cè)試任務(wù)分解為一系列的子任務(wù)，每一項(xiàng)子任務(wù)還可以再分解為多項(xiàng)小任務(wù)，直至把一項(xiàng)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)變成一系列子任務(wù)。設(shè)計(jì)時(shí)，先設(shè)計(jì)各種子VI，以完成每項(xiàng)子任務(wù)，然后把所有子VI組合起來(lái)以完成更大的任務(wù)，最后建成的頂層虛擬儀器為包括所有子功能虛擬儀器的集合。 LabVIEW的模板有3類： 工具(Too1)模板，用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試程序； 控制(Contro1s)模板，用于

33、給前面板增加輸入控制量和輸出指示量； 功能(Functions)模板，包括16個(gè)子模板，用來(lái)創(chuàng)建框圖程序。61 5虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器的構(gòu)成框圖如圖所示。虛擬儀器就是用“搭積木”的方法，在熒光屏上選項(xiàng)、組合成所需要的儀表。 前面板 框圖 62諧波分析子VI框圖 63 6虛擬儀器的特點(diǎn) 綜上所述，與傳統(tǒng)硬件化儀器相比，虛擬儀器除了在性能、易用性和用戶可自定義等方面的優(yōu)點(diǎn)外，明顯有以下特點(diǎn)：功能軟件化，功能模塊化，模塊控件化，儀器控件模塊化，硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化，系統(tǒng)集成化，程序設(shè)計(jì)圖形化，計(jì)算可視化，硬件接口軟件驅(qū)動(dòng)化。 一方面，目前我國(guó)高檔儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還是主要依賴進(jìn)

34、口，這些儀器加工工藝復(fù)雜，要求很高的制造技術(shù)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)尚有困難。采用虛擬儀器技術(shù)便可以自己設(shè)計(jì)高檔儀器系統(tǒng)。 另一方面，用戶可以將一些先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法應(yīng)用于虛擬儀器的設(shè)計(jì)，提供傳統(tǒng)硬件化儀器不具備的功能，而且完全可以通過(guò)軟件配置實(shí)現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計(jì)。因此，可以說(shuō)虛擬儀器代表了未來(lái)測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)的方向。 64三、軟測(cè)量技術(shù) 1、什么是軟測(cè)量技術(shù) 軟測(cè)量就是依據(jù)可測(cè)、易測(cè)的過(guò)程變量(稱為輔助變量)與難以直接檢測(cè)的待測(cè)變量(稱為主導(dǎo)變量)的數(shù)學(xué)關(guān)系，根據(jù)某種最優(yōu)準(zhǔn)則，采用各種計(jì)算方法，用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)變量的測(cè)量或估計(jì)。 軟測(cè)量技術(shù)主要包括四個(gè)方面： (1)輔助變量的選?。?(2)數(shù)據(jù)處理；

35、(3)軟測(cè)量模型的建立； (4)軟測(cè)量模型的在線校正。65 2軟測(cè)量的構(gòu)成框架 軟測(cè)量技術(shù)是依據(jù)某種最優(yōu)化準(zhǔn)則，利用由輔助變量構(gòu)成的可測(cè)信息，通過(guò)軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)主導(dǎo)變量的測(cè)量。軟測(cè)量的核心是建立表征輔助變量和主導(dǎo)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系的軟測(cè)量模型，如下圖所示。因此，構(gòu)建軟測(cè)量的本質(zhì)就是如何建立軟測(cè)量模型，即一個(gè)數(shù)學(xué)建模問(wèn)題。相應(yīng)地，建立軟測(cè)量模型的過(guò)程也就是軟儀表的構(gòu)造過(guò)程。66 建模的方法多種多樣，且各種方法互有交叉，目前用到的建模方法和技術(shù)包括機(jī)理建模、回歸分析、狀態(tài)估計(jì)、模式識(shí)別、模糊數(shù)學(xué)、過(guò)程層析成像、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。根據(jù)所采用的建模方法不同，軟測(cè)量技術(shù)可分為三大類： 基于機(jī)理分析 基于

36、統(tǒng)計(jì)分析 基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 67 (1)基于機(jī)理分析的軟測(cè)量方法 通過(guò)分析過(guò)程對(duì)象中的物理、化學(xué)機(jī)理，獲得描述被測(cè)變量與觀測(cè)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。如密度變化的流體其質(zhì)量流量的在線測(cè)量，如下頁(yè)圖所示。 由于流體密度是溫度T、壓力p的函數(shù)，通過(guò)測(cè)量流體的溫度T和壓力p(這是較易獲取的)，再經(jīng)過(guò)模型計(jì)算獲得與體積流量qv的乘積便可求出流體的質(zhì)量流量qm。在實(shí)際的測(cè)控系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)可以非常輕松地解決計(jì)算問(wèn)題。從這個(gè)例子可以清楚地看到，建立一個(gè)好的模型是提高軟測(cè)量準(zhǔn)確度的必要條件。 6869 (2)基于統(tǒng)計(jì)分析的軟測(cè)量技術(shù) 這類方法以大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)選擇合理的模型，并采用統(tǒng)計(jì)的方法得到觀測(cè)變量

37、和待測(cè)變量之間的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。這種方法不需要對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的機(jī)理了解十分透徹，但需要以大量的準(zhǔn)確實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)測(cè)量誤差較敏感。這就要求我們平時(shí)注意積累設(shè)備運(yùn)行等各方面的樣本數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)積累越多；經(jīng)驗(yàn)就越豐富，診斷和預(yù)測(cè)就越準(zhǔn)確(類似于專家系統(tǒng))。 70 (3)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的軟測(cè)量方法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Network)是在現(xiàn)代神經(jīng)生物學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)，其由大量互相聯(lián)系的處理單元組成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能模擬人腦的機(jī)能完成相應(yīng)的計(jì)算，在信號(hào)處理、模式識(shí)別、數(shù)學(xué)建模、優(yōu)化、函數(shù)映射等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)也是不需要過(guò)多了解被檢測(cè)對(duì)象的工作機(jī)理，而只需將其等效為一個(gè)黑盒子

38、，其輸入是能夠測(cè)到的變量，輸出是“難以用一般儀表檢測(cè)的”待測(cè)變量。同樣，這種方法也大量需要實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)不斷訓(xùn)練和完善神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的處理能力。其建模框圖如圖下頁(yè)所示。 7172 3軟測(cè)量技術(shù)的實(shí)現(xiàn) 軟測(cè)量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵是軟件。 1)正確建立軟測(cè)量模型：軟測(cè)量模型直接關(guān)系到軟測(cè)量值的可靠性和實(shí)用性，所以軟測(cè)量模型是軟測(cè)量技術(shù)的核心。獲得軟測(cè)量模型，如前所說(shuō)有多種方法，需要從過(guò)程內(nèi)在的變化規(guī)律出發(fā)，通過(guò)物料平衡、能量平衡和動(dòng)量平衡建立數(shù)學(xué)模型。為了獲得軟測(cè)量模型，必須對(duì)被控對(duì)象的工業(yè)流程的工藝參數(shù)變化、設(shè)備性能、控制過(guò)程非常詳熟，全面掌握過(guò)程中各個(gè)物理量變化的一般規(guī)律和其在特殊工況時(shí)的特異性，所建立的軟

39、測(cè)量模型要適應(yīng)過(guò)程對(duì)象全程的變化。同時(shí)，所采用的軟測(cè)量模型能用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的工程師軟件工具準(zhǔn)確、貼切地表達(dá)，這樣軟測(cè)量模型才能建立并在實(shí)際中得到良好的運(yùn)用。 73 2)正確選擇輔助變量： 輔助變量選擇得好壞直接影響軟測(cè)量應(yīng)用的效果，因而輔助變量必須與主導(dǎo)變量關(guān)系非常密切。輔助變量的選擇包括 變量的類型 數(shù)目 測(cè)點(diǎn)位置 這3個(gè)方面是相互關(guān)聯(lián)的，并由過(guò)程特性所決定，同時(shí)還應(yīng)考慮到靈敏性、特異性、過(guò)程適用性、精確性、魯棒性、經(jīng)濟(jì)性以及維護(hù)性等原則。對(duì)于輔助變量，要特別關(guān)注它的特異性，由于軟測(cè)量值要盡量反映被控對(duì)象的過(guò)程全程變化，所以對(duì)于一些特殊和異常的工況，所要采用的輔助變量數(shù)目會(huì)有增加。 74

40、3)正確處理輔助變量： 軟儀表是根據(jù)過(guò)程測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算從而實(shí)現(xiàn)軟測(cè)量的，其性能在很大程度上取決于所獲過(guò)程測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性，因此對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理是軟測(cè)量技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)重要方面。輔助變量的準(zhǔn)確性和可靠性關(guān)系到軟測(cè)量的精度，而任一數(shù)據(jù)的失效都會(huì)導(dǎo)致整體性能的大幅度下降。對(duì)輔助變量的處理主要包括測(cè)量誤差的處理和測(cè)量數(shù)據(jù)的變換兩個(gè)部分，前者是為了提高信號(hào)的可靠性，后者是為了改善算法的精度以及計(jì)算的穩(wěn)定性。 75 4)軟測(cè)量模型在線校正： 工業(yè)裝置在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，隨著操作條件的變化，其過(guò)程對(duì)象特性和工作點(diǎn)不可避免地要發(fā)生變化和漂移，因此任何模型在實(shí)際運(yùn)用中都需要進(jìn)行不斷地調(diào)整，以使其能真

41、實(shí)地表征對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。軟測(cè)量模型在自動(dòng)控制系統(tǒng)中運(yùn)用時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)貎?yōu)化軟測(cè)量模型(需要積累一定量的樣本數(shù)據(jù))和對(duì)模型參數(shù)的修正(自適應(yīng)法、增量法和多時(shí)標(biāo)法等)，以使軟測(cè)量模型能精確地反映主導(dǎo)變量，使其更具實(shí)用性和可靠性。 761.5 測(cè)控專業(yè)常用術(shù)語(yǔ) 在實(shí)現(xiàn)對(duì)象的控制過(guò)程中，必須首先實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的認(rèn)識(shí)和了解，因此需要對(duì)被控對(duì)象特性進(jìn)行測(cè)量。對(duì)被控對(duì)象特性測(cè)量的目的是為了加深對(duì)其認(rèn)識(shí)，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制和利用。所以檢測(cè)和控制是密不可分的。 現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)的基本任務(wù)是借助專門(mén)的傳感器感知對(duì)象信息，并傳輸?shù)较到y(tǒng)處理器，在處理器中，通過(guò)信號(hào)處理方法對(duì)對(duì)象信息進(jìn)行處理和數(shù)據(jù)分析，得到控制對(duì)象的有

42、效狀態(tài)信息和測(cè)試結(jié)果，進(jìn)而將這些對(duì)象的控制信息傳輸給控制環(huán)節(jié)進(jìn)行對(duì)象的行為控制，并將測(cè)試結(jié)果通過(guò)顯示裝置輸出。實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)所涉及的感知技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)、處理技術(shù)以及軟硬件集成技術(shù)都是測(cè)控技術(shù)與儀器的重要內(nèi)容。 以下是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)常接觸的一些術(shù)語(yǔ)與常識(shí)。 77一、檢測(cè)和檢測(cè)技術(shù) 檢測(cè)是認(rèn)識(shí)自然界的主要手段，是科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和軍事等領(lǐng)域中不可缺少的過(guò)程。 檢測(cè)技術(shù)是研究如何獲取被測(cè)參數(shù)信息的一門(mén)科學(xué)。 檢測(cè)過(guò)程就是用敏感元件將被測(cè)參數(shù)的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息，通過(guò)信息顯示或其他形式被人們所認(rèn)識(shí)。 測(cè)量方法 測(cè)量過(guò)程三要素： 測(cè)量單位 測(cè)量工具 測(cè)量方法就是實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與測(cè)量單位的比較

43、并給出比值的方法。78二、檢測(cè)儀器及性能指標(biāo) 測(cè)控技術(shù)的基礎(chǔ)是測(cè)量技術(shù)。儀器儀表是實(shí)現(xiàn)測(cè)量的工具。一般儀器儀表由三部分組成： （1）感受件（傳感器）：直接與被測(cè)對(duì)象相聯(lián)系，感受被測(cè)量的量值，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào)輸出。 （2）顯示件：向觀察者反映被測(cè)量的變化。 （3）傳送件：將感受件輸出信號(hào)，按顯示件的要求，傳輸給顯示件。79 傳感器是指能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸入信號(hào)的器件或裝置。對(duì)傳感器的要求主要有： （1）輸出信號(hào)必須隨被測(cè)量變化，它們之間的關(guān)系是穩(wěn)定的、可復(fù)現(xiàn)的； （2）輸出信號(hào)只能隨被測(cè)量變化而變化。如果其它參數(shù)的變化會(huì)影響傳感器的輸出，那么測(cè)量過(guò)程中這些參數(shù)的變化

44、就是測(cè)量誤差的來(lái)源； （3）輸出信號(hào)與被測(cè)量之間必須是單值關(guān)系，最好是線性關(guān)系。80 衡量一臺(tái)儀器儀表的優(yōu)劣有多項(xiàng)指標(biāo)，主要有如下幾項(xiàng)： 1)測(cè)量范圍(Span)和量程(Range):在保證符合要求的前提下能夠測(cè)量參數(shù)的最小值(測(cè)量下限)和最大值(測(cè)量上限)的范圍叫測(cè)量范圍；測(cè)量上限與測(cè)量下限的代數(shù)差稱為儀表的量程。 2)線性度(Linearity):是指檢測(cè)儀表實(shí)際輸入輸出偏離線性關(guān)系的最大偏差，以滿量程的百分比表示。 3)回差(Poor):也稱變差，是反映檢測(cè)儀表對(duì)于同一個(gè)被測(cè)量在其上升和下降時(shí)對(duì)應(yīng)輸出值之間的差值。 4)靈敏度(Sensitivity):是檢測(cè)儀表對(duì)被測(cè)量變化的靈敏程度。

45、定義為輸出變化與輸入變化的比值。 5)重復(fù)性(Repeatability):是在相同測(cè)量條件下，對(duì)于同一被測(cè)量，按同一方向多次測(cè)量時(shí)，檢測(cè)儀表提供相近輸出值的能力。 81 6)分辨率：分辨率是指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量，以滿量程的百分比表示。 7)穩(wěn)定性：是在與讀數(shù)時(shí)間相比的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，恒定輸入下試驗(yàn)結(jié)果的一致性。在工作條件保持恒定時(shí)，儀表輸出值在一段時(shí)間內(nèi)隨機(jī)變動(dòng)量的大小稱為時(shí)間穩(wěn)定性；而儀表在規(guī)定的使用條件內(nèi)某個(gè)變化對(duì)儀表輸出的影響稱為使用條件變化穩(wěn)定性。 8)可靠性：是指儀表在確定的時(shí)期內(nèi)和確定的外界條件下，儀表工作在允許的性能水平(即無(wú)故障)的概率。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，產(chǎn)品的可靠性

46、是指：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。 9)誤差：絕對(duì)誤差是儀表輸出值與真值之間的差值；相對(duì)誤差是儀表絕對(duì)誤差與約定真值比的百分?jǐn)?shù)；相對(duì)百分誤差(引用誤差)是儀表絕對(duì)誤差與儀表的量程比的百分?jǐn)?shù)。 10)精度：也稱準(zhǔn)確度或精確度，通常是用儀表滿刻度相對(duì)百分誤差略去百分號(hào)來(lái)表示。將儀表的精度分成若干等級(jí)，稱精度等級(jí)。82三、自動(dòng)控制常用的術(shù)語(yǔ) 1)科學(xué)(Science)。是運(yùn)用范疇、定理、定律等思維形式反映現(xiàn)實(shí)世界各種現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律的知識(shí)體系，是社會(huì)意識(shí)形態(tài)之一?？茖W(xué)是人類的分門(mén)別類的學(xué)問(wèn)。其本意是“知識(shí)”、“學(xué)問(wèn)”。 社會(huì)科學(xué) 自然科學(xué) 科學(xué)的主題包括所受到科學(xué)方法支配而產(chǎn)生普遍真理的自然現(xiàn)象。與社會(huì)科學(xué)研究的領(lǐng)域不一樣，自然科學(xué)的研究方法和結(jié)論往往沒(méi)有爭(zhēng)議，其結(jié)論往往是普遍的規(guī)律或是真理。在限定條件之內(nèi)獲得科學(xué)結(jié)