1、測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)介紹及其發(fā)展方向本專(zhuān)業(yè)以光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)一體化為特色，培養(yǎng)具有現(xiàn)代科學(xué)創(chuàng)新意識(shí)、知識(shí)面寬、基礎(chǔ)理論扎實(shí)、計(jì)算機(jī)和外語(yǔ)能力強(qiáng)，可從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用、電子信息、智能儀器、虛擬儀器、測(cè)量與控制等多領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造、科技開(kāi)發(fā)、應(yīng)用研究、企業(yè)管理等多方面的高級(jí)工程技術(shù)及經(jīng)營(yíng)管理人才。同時(shí)因?yàn)樗麄儗?zhuān)業(yè)知識(shí)面寬廣，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力和廣泛的發(fā)展空間，也可從事計(jì)量、測(cè)試、控制工程、智能儀器儀表、計(jì)算機(jī)軟件和硬件等高新技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、制造、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用等工作，轉(zhuǎn)行比較容易。測(cè)控技術(shù)自古以來(lái)就是人類(lèi)生活和生產(chǎn)的重要組成部分。最初的測(cè)控嘗試都是來(lái)自于生產(chǎn)生活的需要，對(duì)時(shí)間的測(cè)控要求使人類(lèi)有了日晷這一

2、原始的時(shí)鐘，對(duì)空間的測(cè)控要求使人類(lèi)有了點(diǎn)線(xiàn)面的認(rèn)識(shí)。現(xiàn)代社會(huì)對(duì)測(cè)控的要求當(dāng)然不會(huì)停留在這些初級(jí)階段，隨著科技的發(fā)展，測(cè)控技術(shù)進(jìn)入了全新的時(shí)代。 一.測(cè)控的幾個(gè)重要過(guò)程及其新技術(shù)1.信號(hào)采集在信號(hào)采集環(huán)節(jié)，主要是采集對(duì)象發(fā)出的各種信號(hào)，再將這種信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以便于后續(xù)的處理。對(duì)象發(fā)出的信號(hào)大多數(shù)是通過(guò)傳感器來(lái)采集的，包括物理信號(hào)（如溫度、流量、壓力等）和化學(xué)信號(hào)（如濕度、氣味等）兩大類(lèi)，當(dāng)然還包括不能歸為這兩類(lèi)的一些信號(hào)，如可靠性、價(jià)格等。而開(kāi)關(guān)量信號(hào)（帶有數(shù)字信號(hào)的特征）則主要是靠帶有單片機(jī)電路的儀器，如無(wú)紙記錄儀，進(jìn)行采集。此外，圖像信號(hào)自然是由攝像裝置來(lái)進(jìn)行采集。傳感器是一種將物理量，

3、化學(xué)量，生物量等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。輸出信號(hào)有不同形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，能滿(mǎn)足信息傳輸、處理、記錄、顯示、控制要求，是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的元件。光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材料的重大突破，其最早用于光通信技術(shù)。光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，耐腐蝕，電絕緣性好，光路可彎曲，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)等。光纖傳感器與集成光路技術(shù)相結(jié)合，加速光纖傳感器技術(shù)的發(fā)展。將集成光路器件代替原有光學(xué)元件和無(wú)源光器件，使光纖傳感器有高的帶寬低的信號(hào)處理電壓，可靠性高，成本低。半導(dǎo)體技術(shù)中的加工方法有氯化，光刻，擴(kuò)散，沉積和平面電子工藝。各向?qū)愿g及蒸鍍，濺射薄膜等，這些都已

4、引進(jìn)到傳感器制造。因而產(chǎn)生了各種新型傳感器，如利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出硅微傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏濕敏傳感器，利用濺射薄膜工藝制壓力傳感器等。集成傳感器的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)傳感器無(wú)法達(dá)到的，它不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器，其將輔助電路中的元件與傳感元件同時(shí)集成再一塊芯片上，使之具有校準(zhǔn)，補(bǔ)償，自診斷和網(wǎng)絡(luò)通信的能力，它可降低成本，增加產(chǎn)量。智能化傳感器是一種帶微處理器的傳感器，是微型計(jì)算機(jī)和傳感器相結(jié)合的成果，它兼有檢測(cè)，判斷和信息處理功能，與傳統(tǒng)傳感器相比有很多特點(diǎn)：具有判斷和信息處理能力，能對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正，誤差補(bǔ)償，因而提高測(cè)量精度，可實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)測(cè)量，有自診斷和自校準(zhǔn)功能，提高可

5、靠性。2.信號(hào)整理在信號(hào)的整理階段，主要是對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行平整、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號(hào)。上述三種信號(hào)類(lèi)型在整理階段的內(nèi)容有所不同，比如對(duì)傳感器傳來(lái)的信號(hào)主要是進(jìn)行信號(hào)放大、平整、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程；而對(duì)于開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)無(wú)紙記錄儀的采集之后一般都能夠轉(zhuǎn)換成所需要的數(shù)字信號(hào)以待輸出到下一個(gè)處理環(huán)節(jié)；對(duì)于圖像信號(hào)，經(jīng)采集之后主要是用于顯示，若還需對(duì)圖像進(jìn)行處理，再顯示，或者發(fā)出控制信號(hào)，那么也必須將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行處理，這就是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。我們通常使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器大多為積分型和逐次逼近型，積分型轉(zhuǎn)換效果不夠好，轉(zhuǎn)換過(guò)程中帶來(lái)的誤差較大，逐次逼近型轉(zhuǎn)換效果好但是

6、制作成本較高，尤其是高位數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換位數(shù)越多，精度越高，制作成本就越高。而-ADC可以以相對(duì)逐次逼近型簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)，而得到低成本，高位數(shù)及高精度的轉(zhuǎn)換效果-ADC大多設(shè)計(jì)為16或24bit轉(zhuǎn)換精度，近幾年來(lái)，在相關(guān)的高精度儀器制作領(lǐng)域該轉(zhuǎn)換器得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。-模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理簡(jiǎn)單的講，就是將模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)后的數(shù)字量再做一次窄帶低通濾波處理。當(dāng)模擬量進(jìn)入轉(zhuǎn)換器后，先在調(diào)制器中做求積處理，并將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的量化噪聲，這種噪聲將影響到輸出結(jié)果，因此，采用將轉(zhuǎn)換過(guò)的數(shù)字量以較低的頻率一位一位地傳送到輸出端，同時(shí)在這之間加一級(jí)低通濾波器的方法，就可將量化噪聲過(guò)濾掉

7、，從而得到一組精確的數(shù)字量。AD7708和AD7718就是-的典型應(yīng)用。3.信號(hào)處理在信號(hào)的處理階段，主要是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理以便顯示，或者發(fā)出控制信號(hào)。我們通過(guò)顯示出來(lái)的信號(hào)來(lái)判斷自動(dòng)化系統(tǒng)上對(duì)象的運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，如果信號(hào)顯示不正常，就需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算與處理，得到控制信號(hào)發(fā)送給對(duì)象，使對(duì)象調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)以復(fù)歸正常。單片機(jī)是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的芯片。單片機(jī)在目前的發(fā)展形勢(shì)下，有以下幾大趨勢(shì)：可靠性及應(yīng)用越來(lái)越高和互聯(lián)網(wǎng)連接已是一種明顯的走向，所集成的部件越來(lái)越多，NS公司的單片機(jī)已經(jīng)把語(yǔ)音圖像部件也集成到了單片機(jī)中，也就是說(shuō)，單片機(jī)的意義只是在于單片集成電路，而不在于其功能了，如果從功能上講，它可以

8、是萬(wàn)用機(jī)，原因是其內(nèi)部已集成上各種應(yīng)用電路了。功耗越來(lái)越低，和模擬電路結(jié)合越來(lái)越多，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的提高，單片機(jī)還會(huì)不斷產(chǎn)生新的變化和進(jìn)步，最終人們可能發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)與微機(jī)系統(tǒng)之間的距離越來(lái)越小，甚至難以辨認(rèn)。單片機(jī)比專(zhuān)用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)。現(xiàn)代人類(lèi)生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話(huà)、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車(chē)上一般配備40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片

9、機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過(guò)PC機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類(lèi)的數(shù)量還要多。4.數(shù)據(jù)顯示控制在顯示與控制環(huán)節(jié)，顯示主要是指將數(shù)字信號(hào)通過(guò)便于我們觀察的形式顯示出來(lái)以便我們進(jìn)行判斷，控制主要是指將控制信號(hào)傳送給并作用于對(duì)象的過(guò)程。上面的四個(gè)環(huán)節(jié)就構(gòu)成了整個(gè)測(cè)控的過(guò)程，如果包括控制的過(guò)程，則剛好形成了一個(gè)閉環(huán)，即信號(hào)從對(duì)象開(kāi)始，經(jīng)過(guò)采集、整理、處理，最后又將控制信號(hào)作用于對(duì)象的閉環(huán)。二發(fā)展方向與學(xué)科前沿 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(lái)源可分為幾何誤差（共有21項(xiàng)）和熱誤差。對(duì)于重復(fù)出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差，可采用軟件修正；對(duì)于隨機(jī)誤差較大的情況，要采用實(shí)時(shí)修正

10、方法。對(duì)于熱誤差，一般要通過(guò)溫度測(cè)量進(jìn)行修正。中國(guó)機(jī)床行業(yè)市場(chǎng)萎縮同時(shí)又大量進(jìn)口國(guó)外設(shè)備的原因之一就是因?yàn)檫@方面的技術(shù)沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。為此，需要高速多通道激光干涉儀：其測(cè)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(cè)量的需要。空氣折射率實(shí)時(shí)測(cè)量應(yīng)達(dá)到210的-7次方水平，其測(cè)量結(jié)果和長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果可同步輸入計(jì)算機(jī)。 2運(yùn)行和制造過(guò)程的監(jiān)控和在線(xiàn)檢測(cè)技術(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(diǎn)。在這個(gè)領(lǐng)域綜合創(chuàng)新的天地十分廣闊，如振動(dòng)、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。

11、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(kāi)放環(huán)境下求得生存空間，沒(méi)有自主創(chuàng)新技術(shù)是沒(méi)有出路的。因此應(yīng)該根據(jù)有專(zhuān)利權(quán)、有技術(shù)含量、有市場(chǎng)等原則選擇一些項(xiàng)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。三優(yōu)先領(lǐng)域 在基礎(chǔ)研究的初期，對(duì)于能否有突破性進(jìn)展是很難預(yù)測(cè)的。但是，當(dāng)已經(jīng)取得突破性進(jìn)展時(shí)，則需要有一個(gè)轉(zhuǎn)化機(jī)制以進(jìn)入市場(chǎng)。 1納米溯源技術(shù)和系統(tǒng)。 2介入安裝和制造的坐標(biāo)跟蹤測(cè)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

12、密跟蹤測(cè)角系統(tǒng)(0.20.5)，通用信號(hào)處理系統(tǒng)(工作頻率5兆)，無(wú)導(dǎo)軌半導(dǎo)體激光測(cè)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(lái)的共同點(diǎn)。如采用無(wú)導(dǎo)軌干涉儀，對(duì)跟蹤系統(tǒng)的要求可以降低；采用二維精密跟蹤測(cè)角系統(tǒng)在1M3測(cè)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(chǎng)進(jìn)行介入制造和裝配不能等待很長(zhǎng)時(shí)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。 3非接觸測(cè)頭以

13、及各種掃描探針顯微鏡 航空航天行業(yè)對(duì)此已經(jīng)提出迫切要求，這是今后坐標(biāo)測(cè)量機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前接觸式測(cè)頭已完全被國(guó)外所壟斷，非接觸測(cè)頭還沒(méi)有發(fā)展成熟，我們有參與競(jìng)爭(zhēng)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。 4計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量理論 信號(hào)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(xiàn)、IEEE488口，今后計(jì)算機(jī)可能取消ISA總線(xiàn)，用于筆記本電腦的USB接口將廣泛應(yīng)用。過(guò)去，中國(guó)生產(chǎn)的儀器滿(mǎn)足于數(shù)字顯示，沒(méi)有數(shù)據(jù)交換接口，難以進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。國(guó)外生產(chǎn)的儀器普遍配備IEEE488(GPIB)口。RS23

14、2：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(jí)，對(duì)于干涉信號(hào)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(shí)降低成本，從總體上提高研發(fā)工作的效率。根據(jù)已有基礎(chǔ)，發(fā)展特長(zhǎng)，有利于克服重復(fù)研究。 5新器件，新材料 過(guò)去，科研評(píng)價(jià)體系存在偏重于整機(jī)和系統(tǒng)，忽視材料和器件的趨向。新的突破點(diǎn)可能出現(xiàn)在新光源、新型高頻探測(cè)器。目前探測(cè)器的響應(yīng)頻率只有10的9次方，而光頻高達(dá)10的14次方，目前干涉儀實(shí)際上是起著混頻器的作用，適應(yīng)探測(cè)器的不足(如果探測(cè)器的響應(yīng)果真能超過(guò)光頻，干涉儀也就沒(méi)有用了)。如果探測(cè)器的性能得

15、到顯著提高，對(duì)于通訊也是很大的突破。 6半導(dǎo)體激光器計(jì)量特性的研究和創(chuàng)新 半導(dǎo)體激光器用于計(jì)量需要解決很多問(wèn)題(如線(xiàn)寬、定標(biāo)、變頻等)。但如果解決了諸多問(wèn)題以后，半導(dǎo)體激光系統(tǒng)比氣體激光系統(tǒng)更復(fù)雜，就不會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)力。有些問(wèn)題在物理層面上也沒(méi)有完全解決。例如半導(dǎo)體激光器如果能形成雙頻，無(wú)疑是一種十分重要的特性，如果既能掃頻又有兩個(gè)相近的頻率掃描，就會(huì)成為一種新的無(wú)導(dǎo)軌測(cè)量工具。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，光機(jī)電一體化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制與應(yīng)用越來(lái)越受到重視。但是由于傳統(tǒng)觀念的影響，很多考生對(duì)本專(zhuān)業(yè)存在一個(gè)明顯的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，以為測(cè)控技術(shù)就是用三角板、直尺之類(lèi)的儀器進(jìn)行吃力勞苦的測(cè)量，其實(shí)這只是很淺顯的認(rèn)識(shí)，也是很淺薄的錯(cuò)誤。我們可以聽(tīng)聽(tīng)清華大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)一位同學(xué)的話(huà)，他說(shuō)：“進(jìn)入大學(xué)以前，我認(rèn)為我將來(lái)的工作就是拿著大三角板，到處量量，呵呵，誰(shuí)知開(kāi)始上專(zhuān)業(yè)課了，才知道原來(lái)我們的專(zhuān)業(yè)是多么尖端，什么激光啦，納米啊，都是我們測(cè)試的手段。現(xiàn)有的電腦硬件和軟件，可以讓我輕松地模擬實(shí)地環(huán)境，不僅學(xué)起來(lái)輕松省事，更提出了各式各樣的問(wèn)題，可以發(fā)揮自己的想像，設(shè)計(jì)更復(fù)雜完備的系統(tǒng)。”可見(jiàn)，一個(gè)