第二章_测控技术与仪器专业概述ok.pptx

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本章教学目标与重点难点,第一节测控技术与仪器专业概况,四足机器人“大狗”,这个形似狗的四足机器人被命名为“大狗”（Bigdog），由波士顿动力学工程公司（Bostondynamics）专门为美国军队研究设计。

这只机器狗与真狗一般大小，它能够在战场上发挥重要作用：

为士兵运送弹药、食物和其他物品。

“大狗”可以攀越35的斜坡，其液压装置由单缸两冲程发动机驱动。

它可以承载40多公斤的装备，还可以自行沿着简单的路线行进，或是被远程控制。

“四足”机器人,“四足”机器人,其原理是：

由汽油机驱动的液压系统带动装有关节的四肢运动；陀螺仪和其他传感器帮助机载计算机规划每一步的运动，其中压力传感器可探测到地势变化，根据情况做出调整；如果有一条腿比预期更早地碰到了地面，计算机就会认为它可能踩到了岩石或是山坡，“大狗”就会相应调节自己的步伐；每条腿有三个靠传动装置提供动力的关节，并有一个“弹性”关节，这些关节由一个机载计算机处理器控制以维持“大狗”平衡。

随着电子技术和网络技术的飞速发展，测控仪器正朝着微型化、集成化、远程化、网络化、虚拟化、智能化方向发展。

测控技术与仪器专业概况,测控技术与仪器专业研究信息的获取、处理、储存、传输以及对相关要素进行控制的理论与技术，涉及光学、精密机械、电子学、计算机、信息与控制技术等多个学科基础及高新技术。

1998年教育部颁布新的本科专业目录，把仪器仪表类11个专业归并为一个大专业测控技术与仪器。

这是我国高等教育由专才教育向通才教育转变的重要里程碑。

进入新世纪以来，仪器仪表专业的发展速度是空前的，全国开设测控技术与仪器本科专业的院校从2000年的96所增加到2009年的257所。

测控技术与仪器专业最新形势,2017年，全国设有“测控技术与仪器”专业的学校达到300余所。

由中国科学技术协会主编、中国仪器仪表学会编著的2009年度仪器科学与技术学科发展报告提出的我国仪器科学与技术学科发展的总体目标是：

从目前到2020年，必须充分利用我国经济高速发展的机会和巨大的市场优势，结合测控技术的深化研究，大力推进新器件、新技术、新工艺在仪器仪表中的应用研究，掌握仪器仪表材料、元件、设计生产工艺等关键技术，满足国民经济、人民健康和国防安全各个方面对测量控制技术与仪器仪表的需求。

要完成这个发展目标无疑需要一大批具有高素质及创新能力的仪器科学与技术工程技术人员。

测控技术与仪器定义,测控技术与仪器的内涵,测控技术与仪器是指对信息进行采集、处理、存储、传输和控制的手段与设备。

测控技术与仪器对应的英译名为measurementandcontroltechnologyandinstrumentation，测控技术与仪器包含测量技术、控制技术和实现这些技术的仪器仪表及系统。

所谓测量是人们对客观事物或过程取得数量概念的一种认识过程，测量技术是对客观事物或过程取得测量数据的方法手段，而测量仪器是实现测量的工具，是实现测量技术的载体。

所谓控制是人们对客观事物或过程进行驾驭、支配的一种操纵过程，控制技术是实现这一过程的方法手段，而控制仪器是实现控制的工具，是实现控制技术的载体。

什么是测量,科学技术经过近两百年的发展，已经建立了一个比较完整的体系。

从人类现有知识的总体出发，广义的科学技术体系大致可分为以下四个层次。

科学技术体系结构,广义科学技术体系结构,仪器仪表的定义和分类,1仪器仪表的定义仪器仪表（instrumentation）是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。

广义来说，仪器仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能，仪器仪表可以完成信息检测、处理、分析、判断、操纵等控制全过程。

在很多应用场合，仪器仪表已和设备结合在一起。

例如，室内空调机就将测控仪表装在空调设备中，空调机可以按照温度设定要求，自动检测、控制，实现房间温度的控制目标。

2仪器仪表的分类根据现代仪器仪表按其应用领域和自身技术特性大致划分为6个大类。

（1）工业自动化仪表和控制系统：

（2）科学仪器：

（3）医疗仪器：

（4）电子与电工测量仪器：

（5）各类专用仪器仪表：

（6）传感器及仪器仪表元器件材料：

第二节测控技术的应用,精密数控机床：

是一种装有计算机控制系统的自动化机床。

该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。

在加工过程中，各种操作加工数据和质量检测信息都送往数控单元进行逻辑判断和控制运算，数控机床的操作全部由数控单元控制。

在机械工业中的应用,数控机床,自动生产线：

自动生产线就是在机械制造过程中实现加工对象的连续自动生产，实现优化有效的自动生产过程，加快生产投入物的加工变换和流动速度。

自动化生产线的核心技术就是测控技术，汽车制造业就是典型代表之一。

在汽车生产制造过程中广泛应用了自动化生产线和机器人，从板材的冲压、部件的焊接、外壳喷漆到汽车的总装等整个生产过程都可以实现自动化生产。

在机械工业中的应用,图2.14汽车自动焊接生产线,医学仪器是医学中用于诊断、治疗和研究的必要工具，是工程技术与医学结合的产物。

医学仪器是测控技术的重要应用领域之一，它独立成为仪器仪表的一个分支。

现代医学仪器是现代工程技术的结晶，涉及多个学科及其相关技术，如物理、化学、传感技术、电子技术、计算机技术等，是人类从生理、细胞乃至分子原子层面解析生命进程和健康状态的利器。

医学仪器可以分为检验仪器、图像仪器、诊断仪器、治疗仪器、康复仪器和家庭保健医疗仪器6大类。

在医疗中的应用,航空指的是在地球周围稠密大气层内的航行活动，航天指的是在超出大气层的近地空间、行星际空间、行星附近以及恒星际空间的航行活动。

也有人把太阳系内的航行活动称为航天，把太阳系外的航行活动称为宇航。

航空航天技术是人类在认识自然、改造自然的过程中，发展最迅速、对人类社会影响最大的科学技术领域之一，是衡量一个国家科学技术水平、国防力量和综合实力的重要标准。

航空航天技术是一门高度综合的现代科学技术，其中测控技术起着非常关键的作用。

航天技术（又称空间技术）是指将航天器送入太空，以探索开发和利用太空及地球以外天体的综合性工程技术，其组成主要包括以下几个部分。

（1）航天运载器技术

（2）航天器技术（3）航天测控技术,在航空航天业中的应用,在农业生产中的应用,

（1）植物自动嫁接机，可以自动完成植物的嫁接操作嫁接是植物的人工营养繁殖方法之一，即将一种植物的枝或芽嫁接到另一种植物的茎或根上，使接在一起的两部分长成一个完整的植株。

植物自动嫁接机,在农业生产中的应用,

（2）温室的控制和管理是农业自动化中发展较快的领域。

一般的温室控制与管理系统由传感器、计算机和相应的控制系统组成。

它能自动调节光、水、肥、温度、湿度和二氧化碳浓度，为植物创造最优的生长环境，促进植物的光合作用和呼吸、蒸发、能量转换等生理活动。

温室控制与管理系统,在体育运动中的应用,（3）相信许多中国人都记得2004年第28届奥运会希腊雅典奥林匹克体育场，中国选手刘翔在男子110米栏决赛中以12秒91获得金牌成为第一个获得奥运田径短跑项目世界冠军的黄种人。

“12秒91”，这个成绩记录精确到秒后两位数，是用何种方法记录下来的？

为什么记录得如此精确？

量子计时器图,田径赛场上使用的起跑器,在大众生活中的应用,1智能建筑智能建筑是建筑技术和信息技术相结合的产物。

智能楼宇利用系统集成的疗法，将智能型计算机技术、通信技术、信息技术与建筑艺术有机结合起来，通过对设备的自动监控，对信息资源的管理和对使用者的信息服务等功能的优化组合，获得适合信息社会需要，并且具有安全、高效、舒适、便利和灵活等特点的建筑物。

2.环境监测环境监测指运用现代科学技术手段对代表环境污染和影响环境质量因素的代表值进行测定、监视和监控，从而科学评价环境质量（或污染程度）及其变化趋势。

其基本目的是全面、及时、准确地掌握人类活动对环境影响的水平、效应和趋势。

3.汽车汽车传感器过去集中用于发动机上，现在已扩展到底盘、车身和灯光电气系统等各方面，它们在汽车电子稳定性控制系统（包括轮速传感器、陀螺仪以及刹车处理器）、车道偏离警告系统和盲点探测系统（包括雷达、红外线或者光学传感器）的各个方面都得到了使用。

汽车传感器,在大众生活中的应用,第三节测控技术的历史渊源,从某种意义上说，从人类在地球上诞生的第一天起，为了自身的生存与发展，就开始了对大自然及其规律的观察、探索和利用，不断地发明各种认识世界和改造世界的方法和工具，相应的科学研究和科学技术已经诞生。

1.水钟人类在很早就发明了测量器具，这方面最有代表性的例子当属古代的计时器“水钟”。

据古代楔形文字记载和从埃及古墓出土的实物可以看到，巴比伦和埃及在公元前1500年以前便已有很长的水钟使用历史了。

测控技术的早期实践,单壶图,2.司南早在两千多年钱的两汉时期（公元前206年公元220年），中国人就发现有一块石头具有吸铁的特性，并发现一种长条的石头能指南北，人们把这种石头叫做磁石。

古代的能工巧匠把磁石打磨凿雕成一个勺型，把磁勺放在底盘的中间，用手拨动它的柄，使它转动。

等到磁勺停下来，它的长柄就指向南方，勺子的口则指向北方。

这就是我国发明的世界上最早的指示方向的仪器，称为司南。

司南模型,测控技术的早期实践,3.浑天仪约在公元120年，东汉著名的科学家张衡制作出“漏水转浑天仪”，简称浑天仪。

在赤道和黄道上，各列有二十四节气浑象。

为了让浑天仪能自己转动，张衡采用齿轮系统把浑象和计时用的漏壶联系起来，用漏壶滴出来的水的力量带动齿轮，齿轮带动浑象绕轴旋转，一天一周，与天球同步转动。

这样，就可以准确地表示天象的变化，人在屋子里观看仪器，就可以知道某星正从东方升起，某星已到中天，某星就要从西方落下。

漏水转浑天仪是有明确历史记载的世界上第一架用水力发动的天文仪器。

浑天仪模型,4.地动仪公元132年张衡研制出自动测量地震的地动仪。

当某个地方发生地震时，仪器底座起始的运动方向指向震中，向相反方向运动。

由于惯性作用，悬垂摆拨动小球通过“八道”，触动机关，使发生地震方向的龙头张开嘴，吐出铜球，落到铜蛤蟆嘴里，发出很大的声响，这样人们就可以知道地震发生的方向。

虽然地动仪只能探测地震波的主冲方向，不是现代意义上的地震仪，但张衡发明的地震仪开创了人类使用科学仪器测报地震的历史。

地动仪模型,测控技术的早期实践,测控技术的形成和发展,1第一次科技革命1718世纪，测控技术初见端倪。

欧洲的一些物理学家开始利用电流与磁场作用力的原理制成简单的检流计，利用光学透镜制成望远镜，从而奠定了电学和光学仪器的基础。

1609年，著名的意大利科学家伽利略第一次用自制望远镜观测星球，从此人类踏上了探索宇宙的征程。

400年来望远镜从小口径到大口径，从光学望远镜到全电磁波段望远镜，从地面望远镜到空间望远镜，望远镜已经成为人类文化最伟大的奇迹之一。

古代望远镜,2第二次科技革命19世纪初电磁学领域的一系列发现，引发了第二次科技革命。

由于发明了测量电流的仪表，才使电磁学的研究迅速走上了正轨。

电磁学领域的许多发明，如电报、电话、发电机等在实际中得到了广泛的应用，促进了电气时代的来临。

同时，其他各种用于测量和观察的仪器也不断涌现。

例如，精密一等经纬仪使用于1891年以前，用于高程测量，利用各控制点高程差，建立水准网，以推算控制点高程。

精密一等经纬仪,测控技术的形成和发展,3第三次科技革命第二次世界大战（1939年9月1日1945年8月15日）后，资本主义推行福利制度与国家垄断资本主义，政局稳定。

各国对高科技迫切的需要，推动了生产技术由一般的机械化到电气化、自动化转变，科学理论研究取得一系列的重大突破。

第三次科技革命表现如下：

（1）原子能的利用。

（2）计算机的诞生。

（3）微电子技术的发展。

（4）航天技术领域取得重大突破。

测控技术的形成和发展,控制理论的发展历程,1控制问题的提出进入20世纪后，工业生产中广泛应用各种自动调节装置，促进了对调节系统进行分析和综合的研究工作。

这一时期虽然在自动调节器中已广泛应用反馈控制的结构，但从理论上研究反馈控制的原理则是从20世纪20年代开始的。

1833年英国数学家C.巴贝奇在设计分析机时首先提出程序控制的原理。

1939年世界上第一批系统与控制的专业研究机构成立，为20世纪40年代形成经典控制理论和发展局部自动化做了理论上和组织上的准备。

2控制理论发展的3个阶段

（1）经典控制理论

（2）现代控制理论（3）大系统理论和智能控制,3控制理论发展的3部重要文献

（1）通信的数学理论

（2）控制论关于在动物和机器中控制和通信的科学（3）工程控制论,控制理论3部重要文献,控制控制理论的发展历程,测控技术的发展思考,社会生产力发展历程,从测控技术和控制理论的发展历程可以看出，其发展过程是伴随着社会生产力和科学技术的发展而发展的，反映了人类从机械化时代进入电气化时代，并且走向自动化、信息化、智能化的时代。

社会生产力发展历程如图所示。

我们可以总结出科学发展的4个特点。

（1）社会发展的需要是科学发展的动力。

（2）科学的进步是集体努力的结果。

（3）没有理论，实践就不能称为系统的科学，也就难以深入和系统地发展。

（4）只有具备了坚实的知识基础和持久的探索热情，才能在科学领域有所建树。

测控技术的发展思考,本章介绍了测控技术与仪器专业的基本概况和测控技术的定义、特点及其发展历程，并通过大量实例介绍了测控技术在各个领域中的应用。

测控技术是一门应用性技术，广泛应用于工业、农业、交通、航海、航空、军事、电力和民用生活等各个领域。

小到普通的生产过程，大到庞大的城市交通网络、供电网络、通信网络等都有测控技术的身影。

测控技术的优势如下：

（1）比人做的更快、更好。

（2）可以完成人无法完成的工作。

测控技术的发展思考,