仪器科学与技术概论.docx
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仪器科学与技术概论
仪器科学与技术概论
课程论文
姓名：
学号：
院系：
日期：
2012-9-14
评定成绩：
_______________审阅老师：
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步入大三的警钟——前篇
即将步入大三，我本以为自己对自己正在读并且还要继续读下去的这个专业已经算是了解的了，硬件与软件的结合，最终做出成品，理论与实践的连接，如此而已，仪科概论不应该是针对大一刚接触这个专业的学生而言的么？
开始的时候我便是这样想的，不过既然它放在大二与大三之间，自然是有它的道理的，而且讲这门课的都是我们院凤毛麟角的四位资深教授，自然也包括我们的院长，我们竟是有点期待的了，到现在的时候便成了惊喜了，我们原来竟是这样的，这门课放在大二与大三之间，大概是因为大三即将涉及我们的专业知识了吧，总要给我们一个方向，一个引导，不禁要问，这便算是给我们的引导么，他们现在做的事情便是未来我们做的事情么？
一般的课程是由一位老师来讲授的，但仪科概论这门课是由我们四位资深教授讲授的，他们讲授的都是他们自己从事的研究，所以经验丰富而且见解独辟，当然，作为听者而言，能在一门课上听到四个老师的不同观点，可谓是收益良多，这四位老师分别是研究3S系统的王庆教授，研究微机电系统的李宏生教授，研究惯性导航技术的徐晓苏教授和研究机器人的院长宋爱国教授，我们学院选择这四个方向既是贴合专业的需求，更是追赶时代的步法，作为时代的领航者，他们正努力将这把接力棒交到我们手上，于是我便有了上了这四位老师课的一点小小的想法，希望以后这些想法能不断地浮现在我的脑子里，给我一点警示。
三轮车开始的创业——王庆教授
当我听王教授的课时，王教授主要是以他的经历来讲这节课的，从三轮车开始到现在一直坚持的道路测绘，事情不总是一蹴而就，不要因为是世界难题就临阵退缩，知难而进才能成就自我。
我印象最深刻的便是他讲的一个字“土”，对于我们仪科的研究生来说，他说就算是王教授自己，做出来的东西也是如此，这大概是他自己的谦词吧。
不过这也从侧面说明了一些问题，我们满脑子都是一些公式，按钮，波形图，工科化的思维，按钮式的界面，即使我们的功能更强大，即使我们内部的构造更精密，市场可能更愿意选择那些触屏的花哨的界面。
别人可能会花上几十万让顾客们挑选哪种大小的更合适，哪种颜色更受人喜欢，这是我们最容易忽略的却往往是最重要的，“土”字就这样盖在我们的头上，难道工科就一定是呆板的么，我们为什么不能弄出别人喜欢的东西出来，我们是太注重功能了吧，倘若你对一个产品一无所知，却要你对它改进，你一定会尽量使它的外形美观，颜色怡人，倘若你对这件产品原理构造了如指掌，就一定会对它增加功能。
结果却是，前者受欢迎度远比后者高，这便是一种悲哀吧。
王教授依旧从他的四牌楼大礼堂前的三轮车开始说起，条件艰苦却依旧坚持，开始自己的大地测绘工程研究，电路板直接连在三轮车的转轴上，简易却又实用，方向依仗于陀螺仪，后来发展到摩托车，汽车载仪器的时候，中间已经经历了好多年，但成果却在这一年又一年的磨合中锤炼出精华。
多丘陵的大地测绘，省级的项目，卫星无法到达的峡谷地带，王教授带着他的陀螺仪测绘机器完成了测绘，用不同的数字代表路段不同的标志，桥头，桥尾，隧道头，隧道尾，一辆车开过，路段便已测出，资金不够，申请贷款。
香港反光镜似的建筑，高楼林立，世界难题，依然用那台测绘机器将它完成，遇到三叉路口，停顿几秒再监测。
一个问题来了，就用最简单的方法去解决它，别人需要的并不是深奥难懂的理论，而是能解决问题的最最朴实的办法。
就像开始的那辆三轮车一样，虽然朴实，虽然简单，虽然不起眼，但是它却是一个新探索的开始，世界难题不一定要用最最难懂的理论去解决，就像你看见一个东西掉在地上，你不必想是该用杠杆原理还是用定滑轮，你只需弯个腰，将它捡起就行了。
一个研究生摔倒了，摔坏了仪器，王教授想的并不是怎样去怪罪，去赔偿，而是想到，这样手持的方式确实有弊端，容易摔倒，所以将其改进为背在身上的方式。
从这样一个细节就可以看出，如果想要做成大事，就要抛开表面，立足本质，抓住每一个细节，要从身边发生的事情中吸取教训，自我反思，改进认识，完善自我，而并不是在事情发生后一味抱怨，最终一事无成。
没有哪一件事情是你一生下来就会做的，每一件事都要从零开始，不过当你开始决定去做一件事情的时候，就不应该中途而废，随时吸取别人的长处，随时反思自己，这就算是我从王教授三轮车开始的创业所得到的一点小小的认识吧。
1加1不等于2——李宏生教授
如果把挖掘机缩小一万倍，它就能进入你的血管，帮你疏通堵塞的瘀血！
这一开始是我想都不敢想象的事情，这样看来，现在有许多病不都可以迎刃而解了，心肌梗塞，结石，甚至可以刮除管壁油脂，治疗高血压，还可以疏通脑部血液，治疗很多脑部疾病，我一开始便是这样想的，而且为这种想法兴奋起来了。
不过听了李教授的课，我觉得事情远比这样复杂，因为1加1不总是等于2，李教授是讲微系统与测控技术的，我这边单对微系统说一下吧，李教授讲了概念，发展历程，国内外现状与我们的科研情况，但让我印象最深刻的还是机电两者的统一史。
在我的印象里，由电路来带动机器运动，机器与电路是分开的，电路部分用硅，铜导线构成，机械部分用钢筋，铸铁做成，好像便是天经地义的了，但我没有意识到，这是宏观的机器，1加1等于2，到了微观就远不是这样了，日本当然已经做出来了一台微型机床，李教授已经拿给我们看了，而且它做的事情与实际机床做的事情也是一样的，但是它又有多少实用价值呢？
世界上可能也只有这样一台吧，我们需要的是能够成批生产的，这在微机电系统的定义中也提到了。
然后，我想都没有想过，机电一体化竟然是这样表现出来的，完全打破了我先前的认识：
电路带动机械。
在微观世界里，机械就是电路，电路就是机械，机械的力臂用来导电，电路的导线可以是齿轮，可以是转动轴，他们是一个东西，他们又是两个东西，1加1竟然不
等于2了，这大概便是定势思维的影响吧，我不知是谁想出来机械就可以是电路的，但我很是佩服那个人，我可能就缺少那种想象力吧，书本的知识看多了，形成了一种习惯，这种习惯就开始将自己禁锢在里面了，这也算是对我的一个小小的启发吧，为什么窗户就一定是窗户，窗帘就一定是窗帘，窗户可以是窗帘，窗帘也可以是窗户，理论上只要用偏振光便可以实现吧，我不禁为自己的想法有些得意了。
1加1不等于2，将宏观物体缩小一万倍就不一定是那个物体了，李教授讲宏观世界与微观世界有很大的差别。
微观世界中，表面力起到了主要作用，如表面张力，摩擦力等。
只有在特殊场合。
惯性力和质量对微系统才有意义，而且微系统齿轮的驱动基本是用静电力实现的，又与宏观物体烧柴油汽油甚至电动机都不一样了，这些都与我熟知的观念大相径庭，所以说，一切东西不能死板硬套，要懂得灵活变通。
一个人活在这个世界上，既要学习他人，有不能盲目照搬，要有自己的一点想法与见解，要有自己的创意，1加1不是永远都等于2，这也算是李教授这两节课给我的一点启发吧。
附：
MEMS惯性传感器（李教授要求作业）
MEMS惯性传感器
一．MEMS惯性传感器原理
MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的工作原理是经典力学中的牛顿定律。
二者合称为MEMS惯性传感器。
它们的主要功能是测量运动体（如车辆、飞机、导弹、舰艇和人造卫星等）的质心运动和姿态运动（共6自由度），可以对运动体实现控制和导
航。
用于线性运动检测的MEMS器件通常是基于一个微加工的多晶硅表面结构，该结构形成于硅晶圆之上，通过多晶硅弹簧悬挂在晶圆的表面上，提供对加速度力的阻力。
在加速度下，MEMS轴的偏转由一个差分电容测量，该差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成。
这样，运动使差分电容失衡，导致传感器输出的幅度与加速度成正比。
二．MEMS惯性传感器分类
MEMS惯性传感器主要分为MEMS加速度计（MMA）和MEMS陀螺仪（MMG）.
国外研发的微机电加速度计（MMA）的结构方案很多，如叉指式、扭摆式、悬臂梁式和“三明治”式等。
国外研制的MMG都是采用振动式陀螺原理，有多种结构形式，如框架式、音叉式、振动轮式、振动环式和四叶式等等。
三．MEMS惯性传感器特点
惯性传感器在工业中用作辅助导航器件已经相当广泛。
通常，惯性传感器与GPS等其他导航设备一起使用。
当GPS访问不可靠时，惯性导航可以利用所谓航位推算技术来弥补空隙。
除了最简单的导航之外，多数解决方案都会依赖多种类型的传感器，在所有条件下提供所需的精度和性能。
GPS、光学和磁性检测技术已广为认知，相关产品也很丰富。
然而，每种技术都有其不足之处，即使一起使用，互相之间也不能完全补偿彼此的不精确性。
MEMS惯性传感器则有可能完全补偿传感器的不精确性，因为它不存在上述干扰，并且不需要外部基础结构：
无需卫星、磁场或相机，只需惯性。
四．MEMS惯性传感器研究现状
MEMS陀螺仪在军用领域的研究中，处于国际领先水平的主要有三家。
第一家是美国DraperLab。
第二家是美国NASAJPL和Hughes空间与通信公司合作开发长寿命四叶式MMG（一种振动棒式结构），用于航天器的姿态控制。
第三家是BritishAerospaceSystem&Equipment公司的电磁驱动振动环式MMG。
目前国内研制MEMS加速度计的单位很多。
例如，清华大学、东南大学等。
但是，至今尚无正式产品问世。
从已经公开的研制成果来看，清华大学的处于国内领先水平。
清华大学的微机械加速度计为定齿偏置叉指式闭环测量方案，表头采用体硅薄片溶解法制造工艺制作，电路为差动电容桥测量、静电力反馈薄膜集成电路。
国内研究微机电陀螺仪的单位主要有清华大学、东南大学以及上海冶金所。
东南大学于2002年11月公布的微机械陀螺偏置稳定性为0.1度/s-1.0度/s。
清华大学的微机电陀螺为振动轮式方案。
振动模态采用闭环控制自激振荡电路，检测模态采用高频调制式电容电桥、交流前置放大器以及解调器组成的开环测量电路。
表头采用体硅薄片溶解法制造。
微机电惯性仪表进一步研究的主要方向是提高精度，开拓应用领域。
根据文献报道，MEMS惯性传感器的具体研究方向如下。
1.适当增加试验质量的厚度，以有效地提高仪表分辨率、减小横向灵敏度及增加信噪比。
2.全数字化处理电路，以提高仪表稳定性和降低系统接口的复杂性。
例如，U．C．Berkeley研究了数字输出的MMG。
又如，德国HSG--IMIT研究所与清华大学合作正在研究一种全数字化MMG电路。
3.电磁驱动电路改为静电驱动电路，可有效地减小仪表体积、功耗和提高仪表精度。
4.研究多轴仪表，即一个表头可同时检测几个自由度的加速度和／或角速度。
5.芯片级组装技术，以极大地缩小MIMU系统的体积，并提高系统工作可靠性。
五．MEMS惯性传感器的应用
MEMS惯性传感器由于具有许多突出的优点，它在军民两方面都具有广泛的应用。
并且，随着仪表本身的性能提高，其前景将越来越好。
从目前情况看，MEMS惯性传感器主要市场是在低精度、小体积、高可靠性和量大面广的应用领域。
在民用领域，MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的需求情况，在汽车工业中占有很大比例。
由3只MMA和3只MMG组成MEMS惯性测量组合（MIMU），并与全球定位系统（GPS）组合成MIMU／GPS导航系统，可实现精确、不间断的汽车导航。
MEMS惯性传感器在汽车中主要应用有：
1提高安全性能。
②提高动态性能和操作性。
③汽车导航。
在军用领域，MEMS加速度计和MEMS陀螺仪可用于弹药安全与引信、战术武器f如制导弹药、战术导弹和微型卫星）的惯性导航与制导，以及单兵便携式导航仪等。
当前微机电惯性传感器的性能水平，已经满足战术武器（特别是弹药）的使用要求。
在军用领域的近期及长远目标是：
1低价战术级制导（弹药、火箭及鱼雷）。
2商用及军用飞机的航姿系统（AHRS）。
3用于运载体制导及导航的GPS／1NS系统。
4长寿命空间应用。
5平台稳定。
6便携式个人导航。
六．MEMS惯性传感器的前景
近20年来，微机械传感器的研究已经取得重大进步。
压力传感器、加速度计以及陀螺仪都已有比较成熟的产品，占领了一定比例的民用市场。
不断增长的势头有增无减。
但是，微机械惯性传感器（包括微机械加速度计和微机械陀螺仪）的精度和稳定性还可进一步提高，不仅能满足民用市场的需求，而且可广泛应用于军用领域。
这方面的潜力巨大，世界各国正在投入巨大力量进行开发研究。
自20世纪80年代以来，经过近20年的努力，MEMS惯性传感器技术上已经取得巨大进展。
低精度的MEMS加速度计和MEMS陀螺仪已有产品问世，正在推广应用。
向更高精度发展，已经探索出了一些技术途径。
专家们预言，不久研制出腰带扣小的微型惯性系统是完全可能的。
预计在未来几年，MEMS惯性仪表将独占低精度的军民两用市场。
永不倾斜的陀螺——徐晓苏教授
当然了，在说陀螺之前，先说说徐教授给我们讲了什么吧，惯性导航，地球坐标系等一些基础知识，当然有些是我们已经学过的，有些是大三即将要学习的，导航是热门词汇，上到火箭，下到家用轿车，我们院研究这一块其实是面向国防而言的，是用于舰艇上的，也算是一个方向吧，我现在已经步入大三，也开始考虑自己的社会归宿问题，仪科系的出路也算广泛，惯性导航的应用层面很多，就连王庆教授的大地测量领域也算是其中的一个分支，对于这样广泛的出路，我现在开始抱有信心的了。
简略说完了惯性导航，我其实主旨是在陀螺这一块，听完了徐教授的课后，我尤其对陀螺印象深刻且感触良多，因为我们院本来就叫陀螺系，我一开始就想，简简单单一个陀螺，每个小孩子都玩过，能有什么可以深究的呢？
还特地为它组建了一个系，有些夸大了吧，但现在我意识到我的想法的确是错了。
徐教授让我们想，将有陀螺旋转的木板倾斜，看陀螺依旧正直，这一点我是知道的，但只是觉得好玩，一直没有深究，竟认为这是理所当然的了，我大概不会像牛顿那样了，牛顿连苹果掉下来都要深究，我一定又会认为那是理所当然的，我突然觉得我以前失去的东西太多太多，这节课给我最大的感觉就是这样，我不知道徐教授自己是看到书上写定轴性才猛然意识到陀螺原来真的是这样，还是自己倾斜木板后自己想到并为此兴奋了好几天，当然了，高速旋转的陀螺还有进动
特性，章动特性，这一定是从课上知道的了，其实我们就是利用这些特性计算偏转角速度，原理现在是知道的了，我却陷入了另一种沉思。
我虽然到现在对陀螺罗经也是模糊不清，但从我们院从事陀螺专业的起步来看还算比较早的，这也意味着我们就要从零做起，或者基于外国已有的技术，这也算的上是一种创业吧。
到现在用于国防舰艇装配也已经算是成果斐然了，而且，徐教授说我们的技术方向面向组合系统技术、系统集成系统技术、智能化技术。
预计，未来十年智能化技术将要集中开发。
这就是说，未来十年，我们可能要进行惯性导航智能化研究，前提是我考研成功，而且继续留在仪科专业，而且在惯性导航实验室里。
这对我来说不能不说是一种新的挑战了，但是知难而进才是有勇气的，就像这永不倾斜的陀螺一样。
除此之外，徐教授讲了液体中，空气中以至于其它的陀螺，为了就是让陀螺的运动不受外界的影响，一直高速旋转。
我突然觉得，我们就应当像这高速旋转的陀螺一样不停鞭策自己向前，唯有这样才会永不倾斜，如果你停止旋转了，停止了前进的脚步，你便会倒下，就像这陀螺一样！
放大自己的力量——宋爱国教授
对于机器人本身来说，虽然内部构造我是模糊的，但接触到的听到的却是比较多的，遥操作机器人，工业机器人，仿生智能机器人也
都耳濡目染，但宋院长对我们这次的课程倒使我受益良多，一方面而言，宋院长讲解了现在机器人的发展情况，另一方面，他也讲了我们院机器人发明的一些成果。
宋院长说，有些公司发明机器人完全是为了证明自己公司的实力，不计成本，我觉得这样做当然也是为了吸引更大的市场，肯定能起到盈利的目的。
但就我们学院而言，虽然“紫金猎手”的成长史颇引人注意，但是我还是更为赞同医疗康复训练的机器人，因为它将机器人更多地用于帮助弱势群体，当我看到视频中那些玩游戏的笑着的老人们和费力地用假肢写字的人们，我着实感到欣慰，我相信宋院长也一定是这样，他们只想像一个正常人那样活动，机器人的应用方面非常多，从卫星到潜艇，从周围身边到荒无人烟的地方，难道我们连他们这点小小的愿望都满足不了他们么？
对于弱势群体，机器人帮助恢复他们的力量，对于正常人，机器人帮助放大他们的力量，这也是我深有体会的一点。
我们是研究力觉临场感遥操作机器人的，与美国西北大学合作。
我们做什么动作，机器也做什么动作，但是机器却帮我们把力量放大了，我们拿起的是一只筷子，机器人拿起的可能就是一条铁板，机器人是我们手臂的延伸，力量的延伸，譬如说“大狗”能够扛起几百斤重的东西，而且还装有平衡协议，不会倒下，这让我想到，机器人代替人类干活的时代正在来临，不过人类的思维是无法替代的，宋院长说，人们擅长理解，机器人擅长记忆，机器人只是将人的力量放大了，
将人的效率提高了。
我觉得，机器人的例子有很多很多，但都离不开效用和市场，有需求才会有动力，我们现在能用脑电信号模拟虚拟环境治疗多动症的孩子，训练他们的大脑，也逐步用机器人来进行精密手术，虽然目前对于虚拟模拟要求较高，但是以后一定会在这方面有很大突破，机器人进行手术不再是天方夜谭了。
但是，做机器人的人一定要有创新意识，能够随着时代的发展不断改进自己的产品，就像“资金猎手”的成长史一样，这一代机器人虽然完成了，但是随着时代的推移，要对其进行改进来跟上时代的步伐，所以说，“紫金猎手”一定还会出现下一代产品，我对我们院的机器人研究还是抱有很大信心的。
每一个人都会遇到这样那样的事情，即使自己正在做的事情不是最好，但是只要坚持下去，放大自己的力量和优点，我们就又充满信心，就像这机器人一样。
对本课程的建议——后篇
1.对于《仪器科学与技术概论》这门课来说，我认为可以配合四牌楼实验室参观同时进行，第一周周末用于参观实验室，这样对于这门课程的理解会起到事半功倍的效果。
2.对于四位教授的建议，我认为课堂可以深入交流一点，可以与在场的同学进行某一问题的讨论，如果时间不够可以
留下作为课后需要讨论的任务，这样增加了一种学习氛围
与对仪科学院本身的了解程度。
对于我来说，学了这门课之后，我才真正懂得了我所学的这个专业的含义与以后的发展方向，这对刚步入大三，准备学习专业知识的我来说指明了一个方向，无论以后选择的道路如何，从这门课上学到的一些东西将使我终生受益，每一个人经历过一件事情都会从中学到很多，也只有在这样的经历中才能不断成长，不断成熟，不断走向成功。
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