一、從傳統(tǒng)儀器到智能儀器

儀器儀表、智能儀器、重要性認(rèn)識(shí)

二、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

4個(gè)層次、2種結(jié)構(gòu)、3個(gè)特點(diǎn)三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)

傳感器、A/D、單片機(jī)和PC、DSP、嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)(SOC)、FPGA/CPLD、軟件、網(wǎng)絡(luò)與通信、微型化、掌上實(shí)驗(yàn)室第一章概述1.儀器儀表定義、作用、分類定義：儀器儀表是信息獲取的手段、是認(rèn)識(shí)世界的工具，是一個(gè)系統(tǒng)或裝置?；咀饔茫貉由?、擴(kuò)展、補(bǔ)充或代替人的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等器官的功能。分類：行業(yè)、性質(zhì)、特點(diǎn)。一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器2.九類測(cè)試計(jì)量?jī)x器幾何量：長(zhǎng)度、角度、形貌、相互位置、位移、距離測(cè)量?jī)x器等；機(jī)械量：各種測(cè)力儀、硬度儀、加速度與速度測(cè)量?jī)x、力矩測(cè)量?jī)x、振動(dòng)測(cè)量?jī)x等；熱工量：溫度、濕度、流量測(cè)量?jī)x器等；光學(xué)參數(shù)：如光度計(jì)、光譜儀、色度計(jì)、激光參數(shù)測(cè)量?jī)x、光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x等；一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器同學(xué)在學(xué)習(xí)和生活中，接觸、使用或了解哪些儀器儀表？一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器電離輻射：各種放射性、核素計(jì)量，X、γ射線及中子計(jì)量?jī)x器等；時(shí)間頻率：各種計(jì)時(shí)儀器與鐘表、銫原子鐘、時(shí)間頻率測(cè)量?jī)x等；電磁量：交、直流電流表、電壓表、功率表、RLC測(cè)量?jī)x、靜電儀、磁參數(shù)測(cè)量?jī)x等；電信號(hào)測(cè)量?jī)x器：如示波器、信號(hào)發(fā)生器、相位測(cè)量?jī)x、頻譜分析儀、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀等；集成電路測(cè)試儀器:模擬或數(shù)字集成電路測(cè)試儀。三代儀器儀表第一代為指針式（或模擬式）儀器儀表第二代為數(shù)字式儀器儀表第三代就是智能式儀器儀表第四代是….一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器3.智能儀器的概念與歷史沿革智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量?jī)x器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微計(jì)算機(jī)或微處理器的測(cè)量(或檢測(cè))儀器，它擁有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能，具有一定智能的作用(表現(xiàn)為智能的延伸或加強(qiáng)等)。一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器1984年：我國(guó)儀器學(xué)會(huì)成立“自動(dòng)測(cè)試與智能儀器專業(yè)學(xué)組”；1986年：IMEKO(國(guó)際測(cè)量聯(lián)合會(huì))以“智能儀器”為主題召開(kāi)了專門的討論會(huì)；1988年：IFAC(國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì))的理事會(huì)正式確定“智能元件及儀器”。近年來(lái)，智能儀器已開(kāi)始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識(shí)處理發(fā)展。模糊判斷、故障診斷、容錯(cuò)技術(shù)、傳感器融合、機(jī)件壽命預(yù)測(cè)等，使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。智能儀器對(duì)儀器儀表的發(fā)展以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，是儀器設(shè)計(jì)的里程碑。一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器4.對(duì)儀器儀表重要性的認(rèn)識(shí)儀器儀表是：國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“倍增器”

科學(xué)研究的“先行官”

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的“戰(zhàn)斗力”

法庭審判的“物化法官”一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器門捷列夫：“科學(xué)是從測(cè)量開(kāi)始的”錢學(xué)森：“新技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)是信息技術(shù)。信息技術(shù)由測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)三部分組成。測(cè)量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)”

科學(xué)儀器是信息的源頭

科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)4.對(duì)儀器儀表重要性的認(rèn)識(shí)一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器王大珩院士：4.對(duì)儀器儀表重要性的認(rèn)識(shí)一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器“能不能創(chuàng)造高水平的科學(xué)儀器和設(shè)備體現(xiàn)了一個(gè)民族、一個(gè)國(guó)家的創(chuàng)新能力。發(fā)展科學(xué)儀器設(shè)備應(yīng)當(dāng)視為國(guó)家戰(zhàn)略”英國(guó)著名科學(xué)家H.Pavy曾明確指出：“Nothingbegetsgoodsciencelikedevelopmentofagoodinstrument”（發(fā)展一種好的儀器對(duì)于一門科學(xué)的貢獻(xiàn)超過(guò)了任何其他事情）

4.對(duì)儀器儀表重要性的認(rèn)識(shí)一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器二、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)(按智能化程度和層次分類）1.分類高級(jí)智能儀器類模型化智能儀器類初級(jí)智能儀器類聰敏儀器類趨勢(shì)兼容電子、傳感、測(cè)量計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理系統(tǒng)辨識(shí)人工智能2.智能儀器的基本結(jié)構(gòu)微機(jī)內(nèi)嵌式將單片或多片的微處理器與儀器有機(jī)地結(jié)合在一起形成的儀器。二、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)微機(jī)擴(kuò)展式以個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)為核心的應(yīng)用擴(kuò)展型測(cè)量?jī)x器。兩種基本類型:二、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)內(nèi)嵌微處理器智能儀器二、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)個(gè)人儀器結(jié)構(gòu)圖工控機(jī)PCI微機(jī)擴(kuò)展式二、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)個(gè)人儀器結(jié)構(gòu)圖◆測(cè)量過(guò)程的程序控制：

“以軟代硬”→靈活性強(qiáng)、可靠性高◆數(shù)據(jù)處理：

→改善測(cè)量的精確度→提供更多高質(zhì)量的信息量◆多功能化：一機(jī)多用3.智能儀器的特點(diǎn)二、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)

傳感器技術(shù)

A/D等新器件單片機(jī)與DSP的廣泛應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)(SOC、SOPC)ASIC、FPGA／CPLD技術(shù)

LabVlEW等圖形化軟件技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)

微型化技術(shù)1.傳感器技術(shù)聾啞傳感器(DumbSensor)智能傳感器(SmartSensor)網(wǎng)絡(luò)化傳感器(NetworkedSensor)

三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)傳統(tǒng)的傳感器是模擬儀器儀表時(shí)代的產(chǎn)物。它的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號(hào)。功能單一，因而被稱為“聾啞傳感器”。聾啞傳感器三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)微處理器和傳感器結(jié)合，產(chǎn)生了具有一定數(shù)據(jù)處理能力，并能自檢、自校、自補(bǔ)償?shù)男乱淮鷤鞲衅鳌悄軅鞲衅?。微電子、光電子技術(shù)發(fā)展加工工藝新型智能敏感材料智能傳感器半導(dǎo)體傳感器、MEMS傳感器三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)接口芯片與智能傳感器集成起來(lái)并使通信協(xié)議固化到智能傳感器的ROM中，就產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)傳感器。網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)：The

Internet

ofThings（戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)）

網(wǎng)絡(luò)化儀器網(wǎng)絡(luò)傳感器三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)A／D芯片是智能儀器不可缺少的核心部件之一，在向高速、低功耗、高分辨率、高性能的方向發(fā)展。A／D等電路與微處理器集成、傳感器與控制電路都集成在一塊芯片上，這將縮小體積，增強(qiáng)可靠性，從而實(shí)現(xiàn)智能儀器的多功能化、微小化。2.A/D等新器件增強(qiáng)儀器的性能三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)3.單片機(jī)、DSP處理器廣泛應(yīng)用51系列、AVR、MSP430、ARMDSP（DigitalSignalProcessor)是通過(guò)硬件來(lái)完成乘法和加法運(yùn)算的，極大地增強(qiáng)了智能儀器的數(shù)字濾波、FFF、相關(guān)、卷積等信號(hào)處理能力。新型DSP芯片接口功能大大加強(qiáng)，甚至集成了DSP與ARM雙核。三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)4.嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)(SOC)將使智能儀器的設(shè)計(jì)提升到一個(gè)新階段微機(jī)內(nèi)嵌式的智能儀器屬于嵌入式系統(tǒng)，它雖然以微型計(jì)算機(jī)為核心，但它不以計(jì)算機(jī)的形態(tài)出現(xiàn)；而是作為宿主設(shè)備的控制器體現(xiàn)儀器設(shè)備的功能。三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)片上系統(tǒng)(SOC、SOPC)的發(fā)展更是為智能儀器的開(kāi)發(fā)及性能的提高開(kāi)辟了更加廣闊的前景。

SOPC的核心思想就是要把整個(gè)應(yīng)用電子系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片中，基本上消除了器件信息障礙，避免了大量PCB板的設(shè)計(jì)及板級(jí)調(diào)試工作；加快了設(shè)計(jì)速度，SOC將使系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)生革命性的變化，這標(biāo)志一個(gè)全新時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。4.可編程片上系統(tǒng)（SOPC)將使智能儀器的設(shè)計(jì)提升到一個(gè)新階段三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)5.ASIC、FPGA／CPLD技術(shù)ASIC對(duì)儀器設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，很有意義的一項(xiàng)工作是把一些性能要求很高的線路單元設(shè)計(jì)成專用集成電路而使智能儀器的結(jié)構(gòu)更緊湊，性能更優(yōu)良，保密性更強(qiáng)。三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)這種芯片具有可編程性和實(shí)現(xiàn)方案容易改動(dòng)的特點(diǎn)。電路保持不動(dòng)的情況下，改變內(nèi)部硬件連接關(guān)系的描述，就能實(shí)現(xiàn)一種新的功能。應(yīng)用FPGA／CPLD的優(yōu)點(diǎn)在計(jì)算機(jī)和必要的儀器硬件確定之后，軟件就是PCI儀器發(fā)展的關(guān)鍵。軟件就是儀器成為流行的說(shuō)法。

NI公司1986年設(shè)計(jì)的LabVlEWl.0，2003年發(fā)展到Labview7．0，推動(dòng)虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。

6.圖形化軟件技術(shù)→虛擬儀器三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)智能儀器要上網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制與故障診斷等；構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)，將分散的各種不同測(cè)試設(shè)備掛接在網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源、信息共享，協(xié)調(diào)工作，共同完成大型復(fù)雜系統(tǒng)的測(cè)試任務(wù)。7.網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)

三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)系統(tǒng)集成、材料制造技術(shù)的發(fā)展,儀器儀表可以把微光學(xué)器件、微結(jié)構(gòu)、微傳感器、微致動(dòng)器、信號(hào)處理器等集成在一起，能夠?qū)ν饨绲母鞣N物理、化學(xué)、生物等各種信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣、處理、操作和控制的智能化信息系統(tǒng)。手持實(shí)驗(yàn)室、桌面實(shí)驗(yàn)室…….8.微型化技術(shù)

三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)思考題1．你在學(xué)習(xí)和生活中，接觸、使用或了解哪些儀器儀表？屬于哪種類型？指出它們的共同之處、主要區(qū)別。選擇一種儀器，針對(duì)其存在的問(wèn)題或不足，提出改進(jìn)設(shè)想。