測控專業(yè)導(dǎo)論課程概況

教材、參考書課時(shí)安排《測控技術(shù)與儀器專業(yè)導(dǎo)論》陳毅靜主編

北京大學(xué)出版社《測控技術(shù)與儀器(專業(yè))概論》王先培主編

武漢理工大學(xué)出版社

總課時(shí)：16學(xué)時(shí)，講授第1章

緒論第2章

測控技術(shù)與儀器概述第3章

自動測量基本原理第4章

自動控制基本原理第5章

自動控制系統(tǒng)第6章

現(xiàn)代測控技術(shù)第7章

測控專業(yè)的知識體系與課程體系第8章

測控專業(yè)的就業(yè)與考研目錄1.1專業(yè)導(dǎo)論的意義1.1.1專業(yè)導(dǎo)論的目的1.1.2專業(yè)導(dǎo)論的性質(zhì)1.2大學(xué)的學(xué)習(xí)方法1.2.1學(xué)會學(xué)習(xí)1.2.2學(xué)會生活1.2.3學(xué)會合作1.2.4學(xué)會思考第1章緒論為什么要開設(shè)這門課？

作為測控技術(shù)及儀器專業(yè)的學(xué)生在踏入本專業(yè)之際，可能首先想了解測控技術(shù)及儀器專業(yè)的含義是什么？包含哪些內(nèi)容？測控技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中有哪些應(yīng)用？自己在大學(xué)的四年中將要學(xué)習(xí)哪些知識和技能？

諸如此類的問題將在《測控技術(shù)及儀器專業(yè)導(dǎo)論》課程中得到解答。1.1專業(yè)導(dǎo)論的意義1.1.1專業(yè)導(dǎo)論的目的專業(yè)是高等學(xué)校根據(jù)社會分工需要而劃分的學(xué)業(yè)門類。隨著社會的發(fā)展、科技的進(jìn)步，每個(gè)專業(yè)都有自己的歷史淵源、有自己描述問題和研究問題的詞匯和方法。專業(yè)導(dǎo)論就是將學(xué)科專業(yè)做一個(gè)總體介紹，將專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)計(jì)劃做一個(gè)系統(tǒng)的解釋。本課程是學(xué)習(xí)“測控技術(shù)與儀器專業(yè)”的引子。

測控技術(shù)與儀器專業(yè)是多學(xué)科交叉融合的專業(yè)，知識面非常廣，涉及測量與控制技術(shù)、儀器儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識。本課程主要從以下幾個(gè)方面介紹測控技術(shù)與儀器專業(yè)：（1）測控技術(shù)的定義、應(yīng)用及發(fā)展歷史；（2）測量與控制的基本原理；（3）現(xiàn)代測控技術(shù)的最新發(fā)展；（4）測控專業(yè)的知識體系和課程體系；（5）測控技術(shù)與儀器專業(yè)的就業(yè)及考研方向。通過本課程的學(xué)習(xí)，可以了解在大學(xué)的四年中，要學(xué)的每一門課（尤其是主要課程）的課程目的、內(nèi)容及該課程與其他課程之間的關(guān)系。通過本課程的學(xué)習(xí)，能對自己的專業(yè)學(xué)習(xí)做一個(gè)規(guī)劃，能獲得做出自己獨(dú)立“決策”的依據(jù)。如當(dāng)你：①進(jìn)入專業(yè)課學(xué)習(xí)，可以選擇選修課時(shí)；②進(jìn)入畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以選擇設(shè)計(jì)課題時(shí)；③準(zhǔn)備報(bào)考研究生，選擇研究方向時(shí)。本課程的性質(zhì)類似于高級科普：通俗易懂、深入淺出地介紹專業(yè)內(nèi)容、知識體系及實(shí)際應(yīng)用。1.1.1專業(yè)導(dǎo)論的性質(zhì)信息論、控制論、系統(tǒng)論是測控專業(yè)的基礎(chǔ)理論。信息技術(shù)、控制技術(shù)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是測控專業(yè)的基本技術(shù)。要對本專業(yè)的知識作全面的、系統(tǒng)的介紹，包含的內(nèi)容很廣。課程特點(diǎn)：（1）以通俗簡要的方式介紹測控技術(shù)與儀器所涉及的最基本的原理和核心概念。重點(diǎn)介紹主干學(xué)科、主干課程的內(nèi)容。（2）對于需要高深數(shù)理知識或?qū)I(yè)理論才能描述的原理技術(shù)，僅扼要介紹解決問題的思路，不介紹解決問題的具體方法。（3）鼓勵(lì)提問，通過師生間的溝通和交流互動，對測控技術(shù)有更加深入的認(rèn)識。高等教育特別是工科的專業(yè)課程學(xué)習(xí)有其自身的特點(diǎn)。比起高中和大學(xué)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，主要特點(diǎn)是由老師的嚴(yán)格督促學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾餍詫W(xué)習(xí)為主。自主性學(xué)習(xí)：教師引導(dǎo)介紹學(xué)生自主吸收問題：探索-發(fā)現(xiàn)-研究-解決實(shí)踐環(huán)節(jié)檢驗(yàn)1.2大學(xué)工科專業(yè)課程的學(xué)習(xí)方法科學(xué)的學(xué)習(xí)方法將使學(xué)習(xí)者的才能得到充分的發(fā)揮，并能給學(xué)習(xí)者帶來高效率和樂趣。那么，究竟怎樣學(xué)習(xí)才是科學(xué)的學(xué)習(xí)方法呢？1.2.1學(xué)會學(xué)習(xí)（1）盡快確立新的學(xué)習(xí)目標(biāo)

（2）盡快適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)模式（3）重視實(shí)踐能力的培養(yǎng)（4）學(xué)會合理安排時(shí)間

大學(xué)階段是大學(xué)生職業(yè)生涯發(fā)展中最重要的準(zhǔn)備階段。這個(gè)階段，將直接影響到你的就業(yè)競爭力和未來的職業(yè)發(fā)展力。大學(xué)生的基礎(chǔ)素質(zhì)包括品格、文化、體質(zhì)和能力四個(gè)方面。

1.2.2學(xué)會生活品格方面，要樹立正確的人生觀、價(jià)值觀；要樹立民主精神、科學(xué)態(tài)度、競爭觀念和法律意識等現(xiàn)代思想觀念。文化方面，應(yīng)努力做到博覽群書，提高自己科學(xué)、文化、自然、歷史、地理等方面的基本素養(yǎng)。體質(zhì)方面，在學(xué)習(xí)之余，應(yīng)積極參加體育鍛煉，應(yīng)掌握科學(xué)的健身方法和用腦方法，養(yǎng)成良好的生活習(xí)慣和行為習(xí)慣，形成健康的體魄和發(fā)達(dá)靈活的大腦。

能力方面，泛指一般人所具有的最基本的生存和生活能力。要有積極的態(tài)度，對自己的一切負(fù)責(zé)，勇敢面對人生，不要把困難的事情一味擱置起來。我們必須認(rèn)識到，不去解決也是一種解決，不做決定也是一個(gè)決定。要事事用心，事事盡力，還要把握機(jī)遇，創(chuàng)造機(jī)遇。在知識激增、更新速度不斷加快的信息社會，必須培養(yǎng)互相學(xué)習(xí)，緊密合作，在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中更好地促進(jìn)自身成長成才。1.2.3學(xué)會合作合作能力，指在工作、事業(yè)中所需要的協(xié)調(diào)、協(xié)作能力。在現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展條件下，越來越多的科研難題都是科學(xué)工作者合作研究攻克的，群體合作已成為現(xiàn)代社會活動的主要方式。要學(xué)會運(yùn)用抽象思維，掌握概念不僅是從個(gè)別到一般的過程，而且也包括一般再回到個(gè)別的過程。只有經(jīng)過這樣的反復(fù)才能真正掌握知識。提倡主動學(xué)習(xí)，勤于思考，敢于質(zhì)疑?？唇滩幕騾⒖紩鴷r(shí)，要緊緊圍繞概念、公式、法則、定理，思考它們是怎么形成與推導(dǎo)出來的？需要什么條件？與哪些知識有聯(lián)系？通過追根溯源可以使我們增強(qiáng)分析問題和解決問題的能力。1.2.4學(xué)會思考本章小結(jié)本章作為導(dǎo)論的開篇，首先介紹了開設(shè)導(dǎo)論課程的意義和大學(xué)的學(xué)習(xí)方法。專業(yè)導(dǎo)論的意義是幫助剛進(jìn)入測控專業(yè)學(xué)習(xí)學(xué)生盡快了解專業(yè)背景，盡快掌握學(xué)習(xí)方法。同時(shí)，應(yīng)從學(xué)會學(xué)習(xí)、學(xué)會生活、學(xué)會合作、學(xué)會思考這四個(gè)方面入手，鍛煉各方面的能力，提高自身素質(zhì)，爭取早日成為祖國建設(shè)的棟梁之才。第2章測控技術(shù)與儀器概述2.1測控技術(shù)與儀器專業(yè)概況2.2測控技術(shù)的應(yīng)用2.3測控技術(shù)與儀器發(fā)展歷史182.1測控技術(shù)與儀器專業(yè)概況2.1.1測控技術(shù)與儀器專業(yè)的歷史沿革2.1.2測控技術(shù)與儀器的專業(yè)定位 2.1.3測控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)科定位2.1.4測控技術(shù)的核心概念 2.1.5測控儀器的基本概念 2.1.6測控技術(shù)與儀器專業(yè)和自動化專業(yè)的異同點(diǎn)192.1.1測控技術(shù)與儀器專業(yè)的歷史沿革201949年中華人民共和國宣告成立，新中國進(jìn)入大規(guī)模經(jīng)濟(jì)建設(shè)時(shí)期，工業(yè)企業(yè)和國防建設(shè)急需儀器儀表類專門人才。1952年天津大學(xué)、浙江大學(xué)率先籌建了“精密機(jī)械儀器專業(yè)”和“光學(xué)儀器專業(yè)”。隨后，國內(nèi)其他高校也相繼籌建儀器專業(yè)，并借鑒蘇聯(lián)的辦學(xué)模式，相應(yīng)于各儀器類別，分別設(shè)有計(jì)量儀器、光學(xué)儀器、計(jì)時(shí)儀器、分析儀器、熱工儀表、航空儀表、電子測量儀器、科學(xué)儀器等10多個(gè)儀器儀表類專業(yè)。1978年后，隨著改革開放，過細(xì)的產(chǎn)品分類式的專業(yè)教育已不能適應(yīng)新時(shí)代技術(shù)交叉融合的發(fā)展需要。至1998年教育部頒布新的本科專業(yè)目錄，把原儀器儀表類11個(gè)專業(yè)歸并為一個(gè)大專業(yè)——測控技術(shù)及儀器。進(jìn)入新世紀(jì)以來，測控技術(shù)與儀器專業(yè)急速擴(kuò)大，學(xué)生規(guī)模也快速擴(kuò)大。全國開設(shè)測控技術(shù)與儀器本科專業(yè)的院校從2000年的96所增加到2009年的257所，在校生人數(shù)由2000年的27600人增加到2009年的85700人。在近10年內(nèi)，測控技術(shù)與儀器本科專業(yè)辦學(xué)規(guī)模翻了近兩番。212.1.2測控技術(shù)與儀器專業(yè)的定位22

測控技術(shù)與儀器專業(yè)是多個(gè)儀器儀表類專業(yè)合并而成的大專業(yè)，“測控技術(shù)與儀器”是指對信息進(jìn)行采集、測量、存貯、傳輸、處理和控制的手段與設(shè)備。包含測量技術(shù)、控制技術(shù)和實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的儀器儀表及系統(tǒng)。其內(nèi)涵如所示。測控技術(shù)與儀器測量技術(shù)測量儀器測量系統(tǒng)控制技術(shù)控制儀器控制系統(tǒng)測控技術(shù)涉及電子學(xué)、光學(xué)、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)、信息與控制技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，主要研究各種精密測試和控制技術(shù)的新原理、新方法和新工藝。

測控技術(shù)即“測量”和“控制”的技術(shù)測控技術(shù)與儀器即“測量技術(shù)”、“控制技術(shù)”和實(shí)現(xiàn)它們的儀器。232.1.3測控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)科定位24我國高等教育本科專業(yè)按學(xué)科門類設(shè)置，博士、碩士研究生專業(yè)按學(xué)科大類（一級學(xué)科、二級學(xué)科）兩個(gè)層次設(shè)置。按照1998年國家教育部公布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》的規(guī)定，測控技術(shù)與儀器專業(yè)屬于工學(xué)范疇中的儀器儀表類專業(yè)，也就是俗稱的工科專業(yè)，本科畢業(yè)獲得工學(xué)學(xué)士學(xué)位。工科學(xué)科的任務(wù)：對具有普遍性或共性的新的技術(shù)和方法進(jìn)行研究，為工程技術(shù)提供科學(xué)理論基礎(chǔ)。一級學(xué)科下又分若干個(gè)二級學(xué)科，有碩士層次也有博士層次。工科專業(yè)的任務(wù)：一方面將科學(xué)技術(shù)理論轉(zhuǎn)化為工程實(shí)用技術(shù)（包括工具和手段），使之能應(yīng)用于工程實(shí)際；另一方面將工程實(shí)際中遇到的技術(shù)問題提煉、抽象成為科學(xué)問題，為科學(xué)技術(shù)研究提供新的研究對象。25測控技術(shù)與儀器專業(yè)的學(xué)科定位26測控技術(shù)與儀器學(xué)科儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科電子信息工程學(xué)科光學(xué)工程學(xué)科機(jī)械工程學(xué)科計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科學(xué)科控制科學(xué)與工程學(xué)科信息與通訊工程學(xué)科每個(gè)專業(yè)都有相應(yīng)的學(xué)科理論作為基礎(chǔ)支撐，測控技術(shù)與儀器專業(yè)的相關(guān)學(xué)科是：27培養(yǎng)目標(biāo)測控技術(shù)與儀器專業(yè)以培養(yǎng)信息技術(shù)領(lǐng)域測量控制與儀器儀表類的專門人才為目標(biāo)。培養(yǎng)具有良好綜合素質(zhì)，德、智、體、美全面發(fā)展，掌握信息的獲取、處理、傳輸和利用技術(shù)，掌握電路、測控電子技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)、現(xiàn)代儀器儀表設(shè)計(jì)技術(shù)、分布式即插即用智能組網(wǎng)信息處理等方面的基本理論和設(shè)計(jì)方法；具有較高的外語、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力的現(xiàn)代高級工程科學(xué)技術(shù)人才。主干課程：電路理論、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、誤差理論與數(shù)據(jù)處理、自動控制理論、過程控制儀表、微控制器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、智能儀器、虛擬儀器特色課程：數(shù)字圖像采集與處理、測量與控制總線、現(xiàn)代測控系統(tǒng)282.1.4測控技術(shù)的核心概念29測控技術(shù)研究的是如何運(yùn)用各種技術(shù)工具延伸人的信息獲取、處理、控制和操縱的功能，使動態(tài)過程穩(wěn)定準(zhǔn)確、提高效率、降低能耗等。測控技術(shù)的核心是信息、控制與系統(tǒng)，尤其是高度復(fù)雜系統(tǒng)的信息獲取和控制問題，具有很大的挑戰(zhàn)性和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。如圖水箱液位自動控制系統(tǒng)是典型的測控系統(tǒng)30給定值＋－傳感器控制器執(zhí)行器對象控制變量被控變量干擾單回路自動控制系統(tǒng)的通用框圖31構(gòu)成測控系統(tǒng)的基本儀表有：--控制儀表--測量儀表--自動裝置給定值＋－傳感器控制器執(zhí)行器對象控制變量被控變量干擾傳感器控制器執(zhí)行器測控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)習(xí)內(nèi)容將圍繞這些儀表和系統(tǒng)進(jìn)行。其核心就是測量和控制技術(shù)。32測量：是人們對客觀事物取得數(shù)量概念的一種認(rèn)識過程。測量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一過程的方法?？刂疲菏侨藗儗陀^事物或過程進(jìn)行駕馭、支配的一種操縱過程?？刂萍夹g(shù)是實(shí)現(xiàn)這一過程的方法。2.1.5測控儀器的基本概念測量和控制是測控技術(shù)的重要手段。測控儀器屬于儀器儀表范疇。33傳統(tǒng)的測量儀器儀表用以測量、觀察、監(jiān)視、驗(yàn)證、記錄各種物理量、物質(zhì)成分、物性參數(shù)等。如壓力表、測長儀、顯微鏡等。隨著工業(yè)的發(fā)展，測量和分析、計(jì)算、控制常常融為一體。因此，現(xiàn)代儀器儀表還包括計(jì)算、分析、控制、報(bào)警、信號傳遞和數(shù)據(jù)處理等功能。儀器儀表定義：儀器儀表是人們對客觀事物或過程進(jìn)行測量、觀察、監(jiān)視、驗(yàn)證、記錄、傳輸、變換、顯示、分析處理與控制的各種器具與系統(tǒng)的總稱。34在人類的科學(xué)探索與生產(chǎn)活動中，需要測量、觀察或控制的參數(shù)越來越多，儀器儀表已成為國民經(jīng)濟(jì)中的一項(xiàng)重要產(chǎn)業(yè)。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器儀表的功能從測量個(gè)別參數(shù)擴(kuò)展為測量整個(gè)系統(tǒng)的各種參數(shù)；從使用單個(gè)儀器進(jìn)行測量轉(zhuǎn)變?yōu)橛脺y量系統(tǒng)進(jìn)行測量；從單純的測量顯示擴(kuò)展為測量、分析、處理、計(jì)算、控制與通訊。溫濕度計(jì)控制器35現(xiàn)代儀器儀表按其應(yīng)用領(lǐng)域和自身技術(shù)特性大致劃分為6個(gè)大類：1）工業(yè)自動化儀表和控制系統(tǒng)2）科學(xué)儀器3）醫(yī)療儀器4）電子與電工測量儀器5）各類專用儀器儀表6）傳感器及儀器儀表元器件材料362.1.6測控技術(shù)與儀器專業(yè)和自動化專業(yè)的

異同點(diǎn)37相同點(diǎn)：

同樣的測控理論。不同點(diǎn)：應(yīng)用對象不同、側(cè)重點(diǎn)不同。測控技術(shù)與儀器自動化過程控制運(yùn)動控制使用自動化儀表一般操縱動力電機(jī)儀器儀表2.2測控技術(shù)的應(yīng)用38除了衛(wèi)星測控等非常專業(yè)的領(lǐng)域外，日常生活中較少聽到“測控”這個(gè)名詞。更多聽到的是這個(gè)設(shè)備(工藝)是“自動化的”或“自動控制的”。上述功能的本質(zhì)都是測控技術(shù)。測控技術(shù)不僅應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)、科學(xué)研究、航空航天，也越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)代生活中。

*家庭：全自動照相機(jī)、洗衣機(jī)、電飯煲

*建筑：自動門禁、自動監(jiān)控系統(tǒng)*交通：自動控制紅綠燈

*銀行：自動取款機(jī)ATM2.2.1測控技術(shù)在冶金工業(yè)中的應(yīng)用2.2.2測控技術(shù)在電力工業(yè)中的應(yīng)用2.2.3測控技術(shù)在煤炭工業(yè)中的應(yīng)用2.2.4測控技術(shù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用2.2.5測控技術(shù)在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用2.2.6測控技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用2.2.7測控技術(shù)在航空航天業(yè)中的應(yīng)用2.2.8測控技術(shù)在軍事裝備中的應(yīng)用2.2.9測控技術(shù)在醫(yī)藥醫(yī)療業(yè)中的應(yīng)用2.2.10測控技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用2.2.11測控技術(shù)在大眾生活中的應(yīng)用39煉鐵高爐冶金生產(chǎn)工藝從采礦、選礦開始，然后把選得的精礦燒結(jié)或制成球團(tuán)，經(jīng)高爐練成生鐵，再由轉(zhuǎn)爐、平爐或電爐煉成鋼、鑄成鋼錠后，經(jīng)各式軋機(jī)軋成板材、管材、型材和線材等。冶金生產(chǎn)過程工序復(fù)雜，設(shè)備多種多樣，環(huán)境條件惡劣，工藝要求特別。如冶煉溫度超過1600℃，線材軋機(jī)出口速度達(dá)50m/s。沒有先進(jìn)的測控技術(shù)，則不能保證質(zhì)量、保證安全、節(jié)約能源、降低成本。2.2.1測控技術(shù)在冶金工業(yè)中的應(yīng)用4040大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法研究中南大學(xué)控制工程研究所研發(fā)案例大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法項(xiàng)目背景大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息和重要過程參數(shù)的高性能檢測方法是實(shí)現(xiàn)大型高爐高性能運(yùn)行控制和解決大型高爐的高能耗、高排放問題的基礎(chǔ)。工序燒結(jié)球團(tuán)焦化煉鐵轉(zhuǎn)爐電爐軋鋼動力比例7.41.215.549.45.93.69.67.5煉鋼工藝中各工序能耗占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)總能耗的比例（%）環(huán)境惡劣、工藝復(fù)雜，運(yùn)行信息在線連續(xù)測量難，致使反映高爐能耗、排放等指標(biāo)處于盲目狀態(tài)大型高爐是我國鋼鐵行業(yè)高能耗、高排放的主要源頭運(yùn)行信息檢測困難是造成高爐冶煉高能耗、高排放的主要原因之一大型高爐的工藝特征分析大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法項(xiàng)目背景將含鐵原料（燒結(jié)礦、球團(tuán)礦）、燃料（焦炭等）及其輔助原料（石灰石等）按一定比例分批送入高爐爐頂，焦炭和礦石形成分層結(jié)構(gòu)熱風(fēng)爐向高爐內(nèi)鼓入熱風(fēng)助焦炭燃燒，原料、燃料隨著爐內(nèi)熔煉等過程的進(jìn)行而下降爐料下降和煤氣上升過程中發(fā)生傳熱，形成軟熔帶和滴落帶，經(jīng)過還原、溶化、脫炭過程而生成生鐵，鐵礦石中的雜質(zhì)與加入爐內(nèi)的溶劑結(jié)合成渣，爐底鐵水間斷地放出裝入鐵水罐大型高爐本體的檢測現(xiàn)狀分析總結(jié)爐頂測點(diǎn)個(gè)數(shù)：37爐基測溫點(diǎn)個(gè)數(shù)：386爐身測溫和測壓的測點(diǎn)個(gè)數(shù)：104風(fēng)口檢測設(shè)備出鐵口檢測設(shè)備雖然大型高爐檢測設(shè)備眾多，但大多是從高爐安全角度考慮的，無法在線獲取高爐真實(shí)的料面形狀、料面煤氣流分布、料面溫度場分布以及爐內(nèi)溫度場分布和爐缸內(nèi)鐵水溫度等關(guān)鍵參數(shù)大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法項(xiàng)目背景大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法項(xiàng)目背景大型高爐運(yùn)行信息檢測難點(diǎn)及其影響大型高爐運(yùn)行信息無法直接檢測料面形狀及煤氣流分布爐內(nèi)溫度場分布軟熔帶的形狀與位置鐵水溫度噴吹煤粉流動參數(shù)從運(yùn)行信息檢測角度看，高爐特征：密閉、高溫、高塵多相多場耦合多時(shí)空尺度不確定性、強(qiáng)干擾性造成大型高爐建模、運(yùn)行控制和安全運(yùn)行所需數(shù)據(jù)欠缺，致使控制盲目、故障不明缺乏反映能耗與排放等指標(biāo)的數(shù)據(jù)，造成能耗與排放指標(biāo)描述不清運(yùn)行信息的高性能檢測是大型高爐實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗減排等目標(biāo)亟需突破的瓶頸問題之一。大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法項(xiàng)目背景大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法研究具有重大的科學(xué)意義和巨大的應(yīng)用價(jià)值為大型高爐建模、控制、非正常工況診斷與安全運(yùn)行提供可用、有效的信息來源和基礎(chǔ)為復(fù)雜工業(yè)過程的信息獲取提供了思路和方法，推動了控制科學(xué)與工程的發(fā)展為解決大型高爐的節(jié)能、降耗和減排的難題創(chuàng)造條件研究內(nèi)容大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法

大型高爐爐頂料面信息檢測研究－現(xiàn)狀紅外攝像儀直接成像料面形狀檢測通過雷達(dá)、機(jī)械探尺、相陣?yán)走_(dá)、激光料面測量儀等設(shè)備獲取料面每點(diǎn)高度信息后進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合重構(gòu)，獲取料面形狀常規(guī)的雷達(dá)和機(jī)械探尺只能獲取料面上有限幾個(gè)點(diǎn)的高度信息，無法獲取高爐全料面圖像激光和相陣?yán)走_(dá)料面測量儀成本高，安裝困難，受粉塵影響大，精度低途經(jīng)一途經(jīng)二以直接檢測的料面形狀作為突破口，是實(shí)現(xiàn)高爐運(yùn)行信息高精度檢測的重中之重。研究內(nèi)容大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法

大型高爐爐頂料面信息檢測研究－方案反推出整個(gè)料面煤氣流強(qiáng)度分布及其變化趨勢由煤氣流強(qiáng)弱變化趨勢獲得料面溫度的變化趨勢通過平行低光損背光高溫工業(yè)內(nèi)窺鏡通過溜槽布料實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)獲得精確的理論布料模型獲得獲取精確的布料模型獲得基于氣、固二相流體力學(xué)運(yùn)動規(guī)律，和物理運(yùn)動學(xué)知識建立現(xiàn)場布料模型分析兩種料面形狀的差別與煤氣流強(qiáng)弱的關(guān)系結(jié)合料面十字測溫儀等其它測溫設(shè)備獲得測點(diǎn)溫度獲得理論料面形狀實(shí)際料面形狀研究內(nèi)容大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法

大型高爐爐頂料面信息檢測研究－進(jìn)展實(shí)時(shí)獲取清晰的高爐全景料面光學(xué)圖像信息，為爐頂料面信息的檢測打開突破口研制全料面光學(xué)成像系統(tǒng)研制全料面光學(xué)成像系統(tǒng)關(guān)鍵平行低光損高溫工業(yè)內(nèi)窺鏡的研制內(nèi)窺鏡的安裝方案及現(xiàn)場安裝實(shí)驗(yàn)高爐料面3D重構(gòu)顯示研究內(nèi)容大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法

大型高爐爐頂料面信息檢測研究－進(jìn)展設(shè)備研制高爐全料面成像系統(tǒng)現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)視頻拼接設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安裝方案設(shè)計(jì)現(xiàn)場安裝調(diào)試現(xiàn)場試驗(yàn)總結(jié)無重疊變結(jié)構(gòu)定點(diǎn)定向視頻拼接方法研制了一代原型機(jī)研制開發(fā)二代原型機(jī)無重疊區(qū)域的定點(diǎn)定向視頻拼接裝置獲取了第一手料面圖像設(shè)備成功安裝長期運(yùn)行搭建了爐頂實(shí)驗(yàn)室模型初步實(shí)現(xiàn)了模擬料面全景拼接研究內(nèi)容大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法

大型高爐爐頂料面信息檢測研究－設(shè)備研制進(jìn)展設(shè)備組成結(jié)構(gòu)成像組件：實(shí)現(xiàn)低光損爐外冷背光，達(dá)到爐內(nèi)高溫取像，爐外成像的目的設(shè)備運(yùn)行情況運(yùn)行：爐內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行長達(dá)2個(gè)月，期間一直傳回爐內(nèi)視頻圖像，光源也一直保持常亮拆除：拆除后，設(shè)備外形沒有明顯變形，也沒有明顯磨損痕跡，成像組件一切正常保護(hù)套成像組件設(shè)備全景設(shè)備保護(hù)套：保護(hù)設(shè)備既能在高溫環(huán)境下，正常工作，又能抵抗?fàn)t內(nèi)腐蝕和氣流沖涮研究內(nèi)容大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法

大型高爐爐頂料面信息檢測研究－設(shè)備現(xiàn)場安裝環(huán)境剛開天窗，人眼觀看爐內(nèi)環(huán)境開天窗10個(gè)小時(shí)后人眼觀看爐內(nèi)環(huán)境關(guān)天窗后，布一批料后人眼觀看爐內(nèi)環(huán)境研究內(nèi)容大型高爐煉鐵過程運(yùn)行信息的高性能檢測方法

大型高爐爐頂料面信息檢測研究－設(shè)備運(yùn)行效果窄角度相機(jī)最清晰成像效果新研制內(nèi)窺鏡設(shè)備成像效果vs發(fā)電廠電力控制室2.2.2測控技術(shù)在電力工業(yè)中的應(yīng)用電力工業(yè)是轉(zhuǎn)化能源的工業(yè)，它把一次能源轉(zhuǎn)化成通用性強(qiáng)、效率高的二次能源。無論是火力發(fā)電、水力發(fā)電、原子能發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、風(fēng)力發(fā)電或者太陽能發(fā)電，其發(fā)電過程都離不開測控技術(shù)。例如火力發(fā)電就利用煤炭、石油、天然氣或沼氣等燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能來加熱水，使水變成高溫、高壓水蒸氣，來推動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。54煤炭是地下資源，也是人類生活的重要能源。現(xiàn)代化的采煤作業(yè)不論是煤層勘探、露天開采、還是井工開采，都離不開測控技術(shù)的支持。煤礦安全生產(chǎn)一直是我國煤炭業(yè)的突出問題，礦井通風(fēng)與安全檢測儀器儀表尤為重要。此外，煤炭的轉(zhuǎn)化加工業(yè)如煤氣廠、煤化工廠更是離不開自動控制系統(tǒng)。2.2.3測控技術(shù)在煤炭工業(yè)中的應(yīng)用焦化加工過程及產(chǎn)品55石油工業(yè)包括油田氣田開發(fā)、采油采氣、油氣集輸、煉油等工藝。無論是采油采氣還是油氣集輸和煉油都需要測控技術(shù)的支持。從原油生產(chǎn)出各種石油產(chǎn)品一般須經(jīng)過多個(gè)物理及化學(xué)的煉油過程。煉油生產(chǎn)是連續(xù)過程，多為高溫、高壓、易燃、易爆的操作環(huán)境，對工藝參數(shù)要求嚴(yán)格，必須由自動控制系統(tǒng)完成。測控的大量參數(shù)是溫度、壓力、流量、液位、成分等參數(shù)。2.2.4測控技術(shù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用煉油廠生產(chǎn)裝置56化學(xué)工業(yè)是將各種原料經(jīng)過化學(xué)過程和物理過程而生成各種化工產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)，它包括了合成氨及化肥、酸堿及無機(jī)鹽、基本有機(jī)原料、合成纖維，合成橡膠及橡膠制品、合成樹脂及塑料、油漆及顏料、染料及中間體、溶劑及助劑、化學(xué)農(nóng)藥、化學(xué)試劑、感光材料及各種新型材料等，有一定批量生產(chǎn)的化工產(chǎn)品超過一萬種以上。因此，化工行業(yè)工藝設(shè)備復(fù)雜多樣，多為高溫、高壓、易燃、易爆的操作環(huán)境，對工藝參數(shù)要求嚴(yán)格，必須由自動控制系統(tǒng)完成。2.2.5測控技術(shù)在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用合成氨生產(chǎn)設(shè)備57化工控制使用的儀表種類繁多，溫度測量使用的儀表有熱電偶、熱電阻等；流量測量使用的儀表有差壓式流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)等；液位測量使用的儀表有差壓液位計(jì)、浮筒液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)等；還有許多與產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)的物性如濃度、酸度、濕度、密度、濁度、熱值以及各種混合氣體組分等測量儀表。58化工廠的控制室汽車自動焊接生產(chǎn)線機(jī)械工業(yè)是制造機(jī)械設(shè)備和工具的行業(yè)，生產(chǎn)的特點(diǎn)是產(chǎn)品批量大，自動化程度高，主要生產(chǎn)過程包括熱加工（如鑄造、鍛造、焊接、熱處理等）冷加工（如車、銑、刨、磨等）、裝配、調(diào)校等。生產(chǎn)中的許多參數(shù)信息需要通過檢測來提供，生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種故障要通過檢測去發(fā)現(xiàn)和防止，沒有可靠的檢測手段就沒有高效率和高質(zhì)量。2.2.6測控技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用59在自動機(jī)械加工過程中，要求隨時(shí)將位移、位置、速度、加速度、力、溫度、濕度等各種參數(shù)檢測出來，以輔助機(jī)械實(shí)現(xiàn)精確的操作加工。現(xiàn)代機(jī)械加工中對檢測有很高的要求，檢測儀表能自動檢測產(chǎn)品質(zhì)量，檢測過程無需人工參與，對檢測的質(zhì)量數(shù)據(jù)能夠自動進(jìn)行評價(jià)、分析，并將結(jié)果反饋到加工控制系統(tǒng)。質(zhì)量檢測的主要對象是機(jī)械零件，主要檢測內(nèi)容：零件表面的尺寸、形狀和位置誤差、零件表面的粗糙度、零件材質(zhì)（如表面硬度、夾砂缺陷）等。數(shù)控機(jī)床602.2.7測控技術(shù)在航空航天業(yè)中的應(yīng)用航空指的是在地球周圍稠密大氣層內(nèi)的航行活動；航空飛行器有氣球、飛艇、飛機(jī)等。航空儀表相當(dāng)于飛機(jī)的耳目、大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，用來測量、計(jì)算飛機(jī)的飛行參數(shù)、調(diào)整飛機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)，對保障飛機(jī)飛行安全、改善飛行性能起著重要作用。飛機(jī)駕駛艙內(nèi)的儀表盤是顯示和控制飛行狀態(tài)的核心，航空儀表測量的數(shù)據(jù)主要有：（1）飛行高度和飛行速度的測量（2）飛機(jī)狀態(tài)和方向測量（3）過載測量：（4）發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)測量：（5）加速度測量：空中客車A380飛機(jī)駕駛艙61航天指的是超出大氣層的近地空間、行星際空間、行星附近以及恒星際空間的航行活動。航天測控技術(shù)是對飛行中的運(yùn)載火箭及航天器進(jìn)行跟蹤測量、監(jiān)視和控制的技術(shù)。為了保證火箭正常飛行和航天器在軌道上正常工作，除了火箭和航天器上載有測控設(shè)備外，還必須在地面建立測控(包括通信)系統(tǒng)，地面測控系統(tǒng)由分布全球各地的測控站及測量船組成。西安衛(wèi)星測控中心62軍事裝備是運(yùn)用軍事技術(shù)研制的作戰(zhàn)武器系統(tǒng)，是軍事技術(shù)的具體成果。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，世界軍事裝備正經(jīng)歷從工業(yè)化戰(zhàn)爭軍事裝備向信息化戰(zhàn)爭軍事裝備的更新?lián)Q代。霹靂12空空導(dǎo)彈是中國研制的第四代先進(jìn)中距攔射空空導(dǎo)彈，采用主動雷達(dá)制導(dǎo)，主動式雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)射照射目標(biāo)的電磁波并接收從目標(biāo)反射的回波。導(dǎo)引頭內(nèi)的跟蹤裝置根據(jù)回波信號使導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)，同時(shí)這個(gè)回波信號還形成控制導(dǎo)彈的信號，通過自動駕駛儀控制導(dǎo)彈飛向目標(biāo)。2.2.8測控技術(shù)在軍事裝備中的應(yīng)用中國霹靂12中距空空導(dǎo)彈63中國于2000年10月開始發(fā)射“北斗”定位衛(wèi)星，如今中國人民解放軍已經(jīng)擁有一整套獨(dú)立、先進(jìn)的定位和制導(dǎo)工具來引導(dǎo)其導(dǎo)彈，如“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)和“望遠(yuǎn)”號導(dǎo)彈衛(wèi)星跟蹤測量船。中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，可提供高精度的定位、測速和授時(shí)服務(wù)，目前已經(jīng)完成衛(wèi)星發(fā)射34顆，覆蓋中國本土和東南亞地區(qū)。目前，外層空間軍事裝備的主體是軍用衛(wèi)星，總量已達(dá)2000多顆。其種類有偵察、通信、導(dǎo)航、預(yù)警、測地、氣象衛(wèi)星等等。64在醫(yī)藥醫(yī)療業(yè)中，測控技術(shù)主要應(yīng)用在藥品的生產(chǎn)過程控制和醫(yī)學(xué)儀器的研制生產(chǎn)，為診病、治病提供物理手段。隨著基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究的深入和高新技術(shù)及電子計(jì)算機(jī)在實(shí)驗(yàn)方法學(xué)的應(yīng)用，使藥品生產(chǎn)工藝越來越先進(jìn)、醫(yī)學(xué)儀器不斷出新。2.2.9測控技術(shù)在醫(yī)藥醫(yī)療業(yè)中的應(yīng)用

藥片壓片機(jī)藥片生產(chǎn)過程自動化監(jiān)控和檢驗(yàn)系統(tǒng)對藥片壓制時(shí)的壓力大小、藥片重量、硬度、直徑和密度等參數(shù)進(jìn)行檢測控制，并對藥片的有效藥物成分進(jìn)行分析。楚天科技案例65農(nóng)業(yè)自動化意味著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的電子化、儀表化和計(jì)算機(jī)控制化，而不僅僅是機(jī)械化（如拖拉機(jī)、收割機(jī)、插秧機(jī)等）和電氣化（小水電站、電力灌溉等）。農(nóng)業(yè)自動化主要包括耕耘、栽培、收割、運(yùn)輸、排灌、作物環(huán)境的自動控制和最優(yōu)管理。2.2.10測控技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用植物自動嫁接機(jī)智能溫室控制系統(tǒng)66隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、生活水平的提高，大眾生活用品越來越自動化、智能化，這都測控技術(shù)的功勞。最常見的家用電器如音響、電視機(jī)、熱水器、空調(diào)機(jī)、微波爐、電飯煲、洗衣機(jī)、冰箱、照相機(jī)等都含有測控技術(shù)的應(yīng)用。另外，大眾的居住房屋、生活環(huán)境、交通工具等更是需要測控技術(shù)的支持。2.2.11測控技術(shù)在大眾生活中的應(yīng)用智能家居系統(tǒng)67汽車傳感器環(huán)境監(jiān)測682.3測控技術(shù)與儀器的發(fā)展歷史2.3.1測控技術(shù)的早期實(shí)踐2.3.2測控技術(shù)的形成和發(fā)展2.3.3控制理論的發(fā)展歷程2.3.4測控技術(shù)的發(fā)展思考69

2.3.1測控技術(shù)的早期實(shí)踐人類在很早期就發(fā)明了測量器具?？梢钥甲C的最早的計(jì)時(shí)器具是“水鐘”，水鐘在中國叫作“刻漏”，也叫“漏壺”。在中國歷史博物館中收藏有一套元代延佑三年（1316年）漏壺，這套銅漏壺由日壺、月壺、星壺和受水壺4部分組成。在受水壺中央立一銅尺，上刻十二時(shí)辰，銅尺前插一木浮箭，下為浮舟，隨著受水壺中水位的升高，舟浮箭升，以銅尺刻度測定時(shí)間。70公元120年張衡研制出表演天象的漏水轉(zhuǎn)渾天儀漏水轉(zhuǎn)渾天儀是有明確歷史記載的世界上第一架用水力發(fā)動的天文儀器。在球的外表面上刻有二十八星宿和其它恒星。在球面上還有地平圈和子午圈另外還有黃道圈和赤道圈，互成24度的交角。在赤道和黃道上，各列有二十四節(jié)氣成一渾象。用漏壺滴出來的水的力量帶動齒輪，齒輪帶動渾象繞軸旋轉(zhuǎn)，一天一周，與天球同步轉(zhuǎn)動。這樣，就可以準(zhǔn)確地表示天象的變化，人在屋子里觀看儀器，就可以知道某星正從東方升起，某星已到中天，某星就要從西方落下。71公元235年馬鈞研制出能自動指示方向的指南車

公元132年張衡研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀722.3.2測控技術(shù)的形成和發(fā)展當(dāng)人類活動的領(lǐng)域越過感覺器官極限的時(shí)候，測量技術(shù)就成了一切事業(yè)取得成功的前提?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展首先取決于測量儀器儀表技術(shù)的進(jìn)展。1.第一次科技革命17～18世紀(jì)，測控技術(shù)初見端倪。歐洲的一些物理學(xué)家開始利用電流與磁場作用力的原理制成簡單的檢流計(jì)，利用光學(xué)透鏡制成望遠(yuǎn)鏡，從而奠定了電學(xué)和光學(xué)儀器的基礎(chǔ)。1609年，著名的意大利科學(xué)家伽利略第一次用自制望遠(yuǎn)鏡觀測星球，從此人類踏上了探索宇宙的征程。732.第二次科技革命19世紀(jì)初電磁學(xué)領(lǐng)域的一系列發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了第二次科技革命。由于發(fā)明了測量電流的儀表，才使電磁學(xué)的研究迅速走上正軌，獲得了一個(gè)又一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)。電磁學(xué)領(lǐng)域的許多發(fā)明，如電報(bào)、電話、發(fā)電機(jī)等在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了電氣時(shí)代的來臨。同時(shí)，其他各種用于測量和觀察的儀器也不斷涌現(xiàn)。德國制造的精密一等經(jīng)緯儀（使用于1891年以前）743.第三次科技革命20世紀(jì)20年代，以機(jī)電產(chǎn)品為典型代表的機(jī)械制造業(yè)開始產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)是循環(huán)動作和流水作業(yè)，要求在加工生產(chǎn)的每個(gè)階段自動檢測工件的位置、尺寸、形狀、姿態(tài)或性能等，要求對加工過程及零部件裝配、運(yùn)送、包裝、儲存等作業(yè)按程序自動進(jìn)行操作，同時(shí)還要解決不同加工機(jī)械間的傳動控制問題。另一方面，以石油為原料的化學(xué)工業(yè)興起。以石油化工為典型代表的液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程開始規(guī)?；＿@類生產(chǎn)過程大都是連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)過程，工藝條件常常具有高溫、高壓、腐蝕等特點(diǎn)，要求對工藝參數(shù)進(jìn)行在線測量和自動控制，需要大量的測控儀表。751913年美國建成最早的汽車裝配流水線1926年美國建成第一條汽車自動生產(chǎn)線

1952年美國研制出第一臺數(shù)控機(jī)床

761954年美國發(fā)明家德沃研制成功世界第一臺工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)，并同時(shí)申請具有記憶和重復(fù)操作功能的機(jī)器人專利。1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機(jī)器人組成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。1970年代，美國研制出具有視覺、觸覺和行走能力并具有識別和一定理解能力的智能機(jī)器人。第一臺工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)77現(xiàn)代自動化工廠生產(chǎn)線（國產(chǎn)）奇瑞、長安汽車沖壓生產(chǎn)線長春汽車焊接生產(chǎn)線78現(xiàn)代高速大型數(shù)控中心（沈陽第一機(jī)床廠）792005年神舟6號載人飛船1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機(jī)首次發(fā)射成功802010年X37B空天飛機(jī)2013年嫦娥三號采松果機(jī)器人挖樹根機(jī)器人測控技術(shù)的發(fā)展面越來越寬闊81嫁接機(jī)器人采摘機(jī)器人82壁面清洗機(jī)器人擦玻璃機(jī)器人83飛機(jī)清洗機(jī)器人84汽車加油機(jī)器人85家用清潔機(jī)器人86高壓輸電線維修（遙操作）機(jī)器人87醫(yī)用機(jī)器人88中國骨科機(jī)器人系統(tǒng)89國產(chǎn)反恐機(jī)器人火星探測機(jī)器人90

91微型機(jī)器人（仿生）機(jī)器魚92仿人機(jī)器人93足球機(jī)器人94拾球機(jī)器人95當(dāng)今世界已進(jìn)入信息時(shí)代。儀器儀表作為信息工業(yè)的源頭，是信息流中的重要一環(huán)。測控技術(shù)伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，同時(shí)又為信息技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮著不可替代的作用。進(jìn)入21世紀(jì)，一大批當(dāng)代最新技術(shù)成果，如納米級的精密機(jī)械研究成果、分子層次的現(xiàn)代化學(xué)研究成果、基因?qū)哟蔚纳飳W(xué)研究成果，以及高精密超性能特種功能材料研究成果和全球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推廣應(yīng)用成果等競相問世，使得儀器儀表領(lǐng)域發(fā)生了根本性的變革，促進(jìn)了高科技化、智能化的新型儀器儀表時(shí)代的來臨。96國家自然科學(xué)基金委員會（NSFC）剪輯-全球最新機(jī)器人/v_show/id_XOTE5NzU3MjY4.html2.3.3控制理論的發(fā)展歷程雖然很早以前人類就創(chuàng)造了自動控制裝置，但控制方式簡單，應(yīng)用不多。隨著產(chǎn)業(yè)革命的開始，能源的開發(fā)和動力的發(fā)展對自動控制提出了迫切要求，自動控制技術(shù)開始迅速發(fā)展。在工業(yè)中起重要作用的第一個(gè)自動控制裝置是1788年英國發(fā)明家瓦特（J.Watt）發(fā)明的“離心式飛球調(diào)節(jié)器”（見圖2.29）。

97離心式飛球調(diào)速器

瓦特給蒸汽機(jī)添加了一個(gè)節(jié)流閥，它由一個(gè)“離心式飛球調(diào)節(jié)器”操縱，利用飛球來調(diào)節(jié)蒸汽流，以保證蒸汽機(jī)引擎的恒速運(yùn)行。當(dāng)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，飛球上升，使氣閥的開啟度減小，反之，開啟度增大。這樣可以保證引擎工作時(shí)速度大致均勻，這是當(dāng)時(shí)反饋調(diào)節(jié)器最成功的應(yīng)用。但后來發(fā)現(xiàn)這種反饋調(diào)節(jié)器并不完善，在某些情況下容易產(chǎn)生震蕩，這就提出了自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。9899公元1788年

J.瓦特將離心式調(diào)速器與蒸汽機(jī)的閥門連接起來，構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)英國數(shù)學(xué)、物理學(xué)家麥克斯韋（J.C.Maxwell）從微分方程角度討論了這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象，開始了用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)分析對反饋控制動力學(xué)問題的理論研究。

目前公認(rèn)的第一篇控制理論論文是麥克斯韋在1868年發(fā)表的《論調(diào)節(jié)器》，他在論文中提出了反饋控制的思想，導(dǎo)出了調(diào)節(jié)器的微分方程模型，從描述系統(tǒng)微分方程的解中有無增長指數(shù)函數(shù)項(xiàng)解釋了反饋控制不穩(wěn)定現(xiàn)象，并提出了低階系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù)，從而開創(chuàng)了控制理論研究的先河。100第二次世界大戰(zhàn)期間（1938~1945年），為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等基于反饋原理的軍用裝備，科學(xué)家們開始重點(diǎn)研究系統(tǒng)的暫態(tài)性能問題。1938年美國學(xué)者伯德（H.W.Bode）提出了奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，又于1945年提出了用圖解法分析和綜合線性控制系統(tǒng)的方法——伯德圖法。這構(gòu)成了自動控制理論中的頻率法或稱頻域法。1948年，美國學(xué)者伊萬斯（W.R.Evans）提出了直觀形象的根軌跡法。至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率法和根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。101隨著空間技術(shù)的發(fā)展，控制對象越來越復(fù)雜，控制要求越來越高。航空領(lǐng)域中的飛機(jī)導(dǎo)航和控制，人造衛(wèi)星的發(fā)射和回收等，都涉及多變量動態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定問題。20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論和狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來。1954年貝爾曼（R.Belman）提出狀態(tài)空間法和動態(tài)規(guī)劃理論，解決了多輸入多輸出系統(tǒng)穩(wěn)定性的整定問題；1956年龐特里雅金（L.S.Pontryagin）提出極大值原理，奠定了研究最優(yōu)控制的基礎(chǔ)；1960年卡爾曼（R.K.Kalman）提出多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論。102從20世紀(jì)70年代開始，現(xiàn)代控制理論繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。如自適應(yīng)控制理論、大系統(tǒng)理論、智能控制、魯棒控制等。103進(jìn)入新世紀(jì)以來，信息技術(shù)的快速發(fā)展為控制理論和應(yīng)用技術(shù)的探索提供了新環(huán)境，也提出了新課題。104自動控制理論發(fā)展的歷史回顧20世紀(jì)初的Lyapunov穩(wěn)定理論；20世紀(jì)10年代的PID控制律概念；20世紀(jì)20年代的反饋放大器；20世紀(jì)30年代的Nyquist與Bode圖；20世紀(jì)40年代維納的經(jīng)典控制論；20世紀(jì)50年代貝爾曼動態(tài)規(guī)劃理論和龐特里亞金極大值原理；20世紀(jì)60年代卡爾曼的系統(tǒng)狀態(tài)空間法、能控性和能觀性以及Kalman濾波器；20世紀(jì)70年代的自校正控制和自適應(yīng)控制；20世紀(jì)80年代基于不確定模型下的魯棒控制；20世紀(jì)90年代基于智能推理的智能控制理論；21世紀(jì)的前10年：工業(yè)4.0，CPS，智能制造，兩化融合105在控制理論發(fā)展史上有三部重要文獻(xiàn)特別值得一提。第一部是被稱為信息論創(chuàng)立者香農(nóng)(C.E.Shannon)的論文：《通訊的數(shù)學(xué)理論》（AMathematicalTheoryofCommunication,1948）。這篇論文奠定了信息論的基礎(chǔ)，對今天的通信工業(yè)具有重大影響。ClaudeElwoodShannon1916-2001第二部是控制論創(chuàng)立者維納的經(jīng)典論著：《控制論——關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》（CyberneticsorControlandCommunicationintheanimalandthemachines.1949）。維納在《控制論》中對動物和機(jī)器進(jìn)行類比來闡述其控制論思想：“人是一個(gè)控制和通訊的系統(tǒng)，自動機(jī)器也是一個(gè)控制和通訊的系統(tǒng)?！?06NorbertWiener1894-1964維納對控制論的闡釋：“設(shè)有兩個(gè)狀態(tài)變量，其中一個(gè)是能由我們進(jìn)行調(diào)節(jié)的，而另一個(gè)則不能控制。這時(shí)我們面臨的問題是如何根據(jù)那個(gè)不可控制變量從過去到現(xiàn)在的信息來適當(dāng)?shù)卮_定可以調(diào)節(jié)的變量的最優(yōu)值，以實(shí)現(xiàn)對于我們最為合適、最有利的狀態(tài)?！钡谌渴侵袊茖W(xué)家錢學(xué)森的著作：《工程控制論》（EngineeringCybernetics.1954）。這是世界上第一部系統(tǒng)講述工程控制論的著作。錢學(xué)森在《工程控制論》中闡述了系統(tǒng)分析的基本方法，輸入、輸出和傳遞函數(shù)，工程控制系統(tǒng)分析等。錢學(xué)森在《工程控制論》序中寫道，控制論討論的主要問題是一個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)不同部分之間的相互作用的定性性質(zhì)，以及整個(gè)系統(tǒng)的總的運(yùn)動狀態(tài)。107

工程控制論是研究控制論這門科學(xué)中能夠直接應(yīng)用在工程上設(shè)計(jì)被控制系統(tǒng)或被操縱系統(tǒng)的那些部分。錢學(xué)森1911-2009《通訊的數(shù)學(xué)理論》、《控制論——關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》、《工程控制論》這三部著作創(chuàng)立了新型的綜合性基礎(chǔ)理論：信息論，控制論和工程控制論。這都是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)最重要的理論基礎(chǔ)。2.3.4測控技術(shù)的發(fā)展思考從測控技術(shù)的發(fā)展歷程可以看出，測控技術(shù)伴隨著社會生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，反映了人類從機(jī)械化時(shí)代進(jìn)入電氣化時(shí)代，并且走向自動化、信息化、智能化的時(shí)代歷程。108機(jī)械化（應(yīng)用機(jī)器系統(tǒng)）電氣化（加入電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)）自動化（加入自動控制器）數(shù)字化（應(yīng)用數(shù)字計(jì)算機(jī)）網(wǎng)絡(luò)化（實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）智能化（引入智能）知識化（處理知識）信息化工業(yè)化知識化社會生產(chǎn)力發(fā)展歷程109從社會生產(chǎn)力發(fā)展歷程，可以總結(jié)出科學(xué)發(fā)展的幾個(gè)特點(diǎn)：社會發(fā)展的需要是科學(xué)發(fā)展的動力。

科學(xué)的進(jìn)步是集體努力的結(jié)果。沒有理論，實(shí)踐就不能成為系統(tǒng)的科學(xué)，也就難以深入和系統(tǒng)地發(fā)展。只有具備了堅(jiān)實(shí)的知識基礎(chǔ)和持久的探索熱情，才能在科學(xué)領(lǐng)域有所建樹。110本章小結(jié)本章介紹了測控技術(shù)與儀器專業(yè)的基本概況和測控技術(shù)的定義、特點(diǎn)及其發(fā)展歷程，并通過大量實(shí)例介紹了測控技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展需要，測控系統(tǒng)從最初的控制單個(gè)機(jī)器、設(shè)備，到控制整個(gè)過程（如化工過程、制藥過程等）、控制整個(gè)系統(tǒng)（如交通運(yùn)輸系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等）。特別是在現(xiàn)代科技領(lǐng)域的尖端技術(shù)中，都離不開測控技術(shù)的支持。111第3章測量基本原理3.1測量的基本概念3.2傳感器的基本概念3.3常見傳感器的轉(zhuǎn)換原理3.4電信號的處理1123.1測量的基本概念人們用感覺器官去視、聽、嘗、摸外部事物的能力是有限的，借助測量儀器能改善、擴(kuò)展或補(bǔ)充人的感覺觀察能力。如顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、聲級計(jì)、酸度計(jì)、高溫計(jì)等可以改善和擴(kuò)展人的感官能力；磁強(qiáng)計(jì)、射線計(jì)數(shù)器等可測量到人的感覺器官不能感受到的物理量。3.1.1測量的定義3.1.2測量技術(shù)的分類3.1.3測量系統(tǒng)的構(gòu)成1133.1.1測量的定義測量是人們對客觀事物取得數(shù)量概念的一種認(rèn)識過程。測量儀器是實(shí)現(xiàn)這一過程的工具。傳統(tǒng)的測量是被測量與標(biāo)準(zhǔn)量值的直接比對。人類早期在從事生產(chǎn)活動時(shí)，就已經(jīng)對長度﹑時(shí)間、重量等參數(shù)進(jìn)行測量。直到今天，我們?nèi)匀粫褂煤芏嗪唵螠y量工具進(jìn)行直接比對測量。提到測量時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)檢測、測試這樣的說法，它們和測量有什么區(qū)別呢？1141.檢測隨著測量領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，測量方法復(fù)雜多樣。很多測量不能直接比對，測量結(jié)果也不只是直接讀數(shù)，往往需要測量信號的輸出。例如溫度的測量就需要將熱量轉(zhuǎn)換成其它便于顯示的信號才能讀數(shù)，如果要送往自動控制系統(tǒng)還需要轉(zhuǎn)換成自動控制系統(tǒng)能識別的信號輸出。這樣的測量過程一般需要經(jīng)過多次信號轉(zhuǎn)換、處理（如放大、校正），將被測量變成易于顯示和傳輸?shù)奈锢砹浚ㄈ珉娏浚┻M(jìn)行顯示和輸出。115有些測量中，還需對測量值進(jìn)行分析、判斷。如測量人體血壓值為18kPa或更精確的數(shù)值（如17.9kPa）只實(shí)現(xiàn)了單一目的，往往還需要判斷血壓是否正常，這可視為定性測量。因此，檢測一般是指將被測量經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換、處理（包括分析、判斷），最后變成易于顯示和傳輸?shù)奈锢砹窟M(jìn)行顯示和輸出。檢測過程中，被測信號要經(jīng)過不斷的轉(zhuǎn)換、傳遞和處理，測量方法比較復(fù)雜。一般的電子、光電、機(jī)電測量儀器都可稱為檢測儀器。1162.測試隨著被測對象的多維性或復(fù)雜性，測量有時(shí)需要外加激勵(lì)信號，把未知的被測參數(shù)轉(zhuǎn)化為可以觀察的信號，并獲取有用的信息。例如我們對一個(gè)軟件的性能進(jìn)行“測試”時(shí)，需要用各種信號對這個(gè)軟件進(jìn)行“試探”，測量它在各種可能出現(xiàn)的情況下，運(yùn)行是否正常、數(shù)據(jù)是否正確。這樣的測量不單是數(shù)值的測量、傳輸，它還結(jié)合了試驗(yàn)、判斷、推理等功能。測試可以說是更加復(fù)雜的測量，117因此，測試通常被認(rèn)為是具有試驗(yàn)性質(zhì)的測量，是測量和試驗(yàn)的綜合。從廣義的角度來講，測試涉及到試驗(yàn)設(shè)計(jì)、信號的測量、加工與處理（傳輸、分析、處理）、系統(tǒng)辨識、參數(shù)估計(jì)和綜合判斷等內(nèi)容。從狹義來講，測試則是在選定激勵(lì)方式下，對信號的檢測、變換、處理、顯示、紀(jì)錄以及輸出的一系列數(shù)據(jù)處理工作。1183.1.2測量技術(shù)的分類測量是依靠一定的方法、手段定量地獲取對象某種信息的過程，測量的方法、手段統(tǒng)稱為測量技術(shù)。自然界的各種參數(shù)復(fù)雜多樣，測量方法也五花八門，測量技術(shù)按其測量結(jié)果的產(chǎn)生方式可分為：1.直接測量將被測量與標(biāo)準(zhǔn)量值直接比對就能得到測量結(jié)果，或經(jīng)檢測轉(zhuǎn)換后比對就能得到測量結(jié)果的方式稱為直接測量。例如，用電流表測量電路的支路電流，用壓力表測量鍋爐壓力等就為直接測量。1192.間接測量對有些參數(shù)進(jìn)行測量時(shí)，不能通過直接測量的方法得到結(jié)果，只能對與被測參數(shù)有確定函數(shù)關(guān)系的其他參數(shù)進(jìn)行測量。將測量值代入函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)過計(jì)算得到所需要的結(jié)果，這種測量稱為間接測量。例如對電功率的測量就是通過測量電壓、電流值進(jìn)行計(jì)算得到功率值。間接測量環(huán)節(jié)較多，但有時(shí)可以通過多種測量途徑，得到較高的測量精度。1203.聯(lián)立測量在間接測量時(shí)，若被測參數(shù)必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程才能得到最后結(jié)果，則稱這樣的測量為聯(lián)立測量(也稱為組合測量)。在進(jìn)行聯(lián)立測量時(shí)，一般通過改變測試條件來獲得一組聯(lián)立方程所需要的數(shù)據(jù)。如測電阻的溫度系數(shù)，就需要測出不同溫度下的電阻值，經(jīng)過求解聯(lián)立方程才能得到溫度系數(shù)值。聯(lián)立測量的測試過程較復(fù)雜，是一種特殊的精密測量方法，多用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)或工藝試驗(yàn)。1213.1.3測量系統(tǒng)的構(gòu)成有的測量工具很簡單，如玻璃管溫度計(jì)，它直接將被溫度變化轉(zhuǎn)化為內(nèi)裝膨脹液體的液面高度而顯示溫度。而有的測量工具比較復(fù)雜，如環(huán)境噪聲計(jì)就需要先將環(huán)境噪聲量轉(zhuǎn)換為電信號，再對電信號進(jìn)行處理、傳輸和顯示。這一系列的環(huán)節(jié)就構(gòu)成了測量系統(tǒng)。122測量方法種類繁多，原理各異，但有一定的共性。一般測量系統(tǒng)由傳感器、中間變換器和顯示記錄儀三部分組成。測量系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)可以在一個(gè)儀器儀表中，也可以由若干個(gè)儀器儀表或部件構(gòu)成。傳感器將被測物理量(如噪聲,溫度)檢出并轉(zhuǎn)換為電量；中間變換裝置對接收到的電信號進(jìn)行電量變換及分析處理；顯示記錄裝置顯示、記錄測量結(jié)果或輸出。

信息轉(zhuǎn)換信息提取123例1爐溫的測量:熱電偶放大、轉(zhuǎn)換顯示輸出爐溫傳感器（元件）是儀器儀表實(shí)現(xiàn)檢測的基礎(chǔ)。彈簧管放大、轉(zhuǎn)換顯示輸出壓力例2壓力的測量:124電子測量技術(shù)精確度高、靈敏度高、響應(yīng)速度快、功耗低、體積小，可以連續(xù)測量、自動控制和方便地與計(jì)算機(jī)接口等特點(diǎn)，使之達(dá)到了用機(jī)械方法和一般光學(xué)方法測量很難達(dá)到的水平，因此電測法(把被測的非電量參數(shù)變換成電量再加以測量)在測控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。電容式差壓變送器

1253.2.1傳感器的定義3.2.2傳感器的組成3.2.3傳感器的分類3.2.4傳感器的技術(shù)指標(biāo)3.2.5傳感器的選用原則3.2傳感器的基本概念1263.2.1傳感器（Transducer/Sensor)的定義我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）中對傳感器的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。這一定義包含了以下幾方面的意思：1、傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)。2、它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等。3、它的輸出量是某種物理量，要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理，主要是電、氣、光。4、輸入輸出有對應(yīng)關(guān)系，且能保證一定的精度。127敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測量電量敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：把敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成電路參量。轉(zhuǎn)換電路：將上述電路參量轉(zhuǎn)換成電量輸出。有些傳感器的敏感元件和轉(zhuǎn)換元件合二為一，有些傳感器則將上述三個(gè)環(huán)節(jié)合為一體。3.2.2傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成。128如圖是一種氣體壓力傳感器的示意圖。膜盒是敏感元件，其外部通大氣壓力pa，內(nèi)部感受被測壓力p，當(dāng)p

變化時(shí)引起膜盒上半部移動，即輸出相應(yīng)的位移量。轉(zhuǎn)換元件是可變電感線圈3，它把位移量轉(zhuǎn)換成電感量的變化，接入轉(zhuǎn)換電路便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。膜盒2的下部與殼體1固接，上部通過連桿與磁芯4相連，磁芯4置于兩個(gè)電感線圈3中，后者接入轉(zhuǎn)換電路5。1293.2.3傳感器的分類由于被測量內(nèi)容廣泛、傳感器的工作原理各不相同，有不同角度的分類法，如表3.1所示。１.按被測量分類：位移、壓力、流量、溫度、速度等。２.按工作原理分類：熱電式、電感式、電容式、光電式、壓電式、應(yīng)變式等。３.按敏感機(jī)理分類：結(jié)構(gòu)型（敏感元件的結(jié)構(gòu)在被測量作用下發(fā)生形變）；物性型（敏感元件的固有性質(zhì)在被測量作用下發(fā)生變化）。４.按能量關(guān)系分類：能量控制型（傳感器輸出能量由外源供給，但受被測量控制）；能量轉(zhuǎn)換型（不需外源）。５.按輸出信號分類：模擬式、數(shù)字式。1303.2.4傳感器的一般指標(biāo)各種傳感器的使用環(huán)境、條件、目的不同，但基本要求卻是共同的。傳感器的一般指標(biāo)包括：（1）精度高（2）線性度好（3）靈敏度高（4）穩(wěn)定性好（5）反應(yīng)快（6）抗干擾能力強(qiáng)（7）可靠性高1313.2.5傳感器的選用原則如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測量時(shí)首先要解決的問題。選用傳感器時(shí)要考慮：（1）傳感器的類型（2）量程范圍（3）精度（4）靈敏度（5）反應(yīng)時(shí)間（6）穩(wěn)定性1323.3.1電阻式傳感器3.3.2電容式傳感器3.3.3電感式傳感器3.3.4磁電式傳感器3.3.5壓電式傳感器3.3.6熱電式傳感器3.3常見傳感器的轉(zhuǎn)換原理3.3.7光電式傳感器3.3.8霍爾式傳感器3.3.9光纖傳感器3.3.10磁柵式傳感器3.3.11諧振式傳感器傳感器種類繁多，傳感器技術(shù)融合了多學(xué)科的知識。在此按工作原理來簡單介紹工業(yè)中常用傳感器的轉(zhuǎn)換原理。1333.3.1電阻式傳感器電阻式傳感器通過形變把被測量的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。電阻傳感器常用于測量物體的位移、受力、機(jī)械變形等參數(shù)。1.滑線式變阻器滑線式變阻器又稱電位器。這種傳感器可以用來測量線性位移，在輸入量變化時(shí)，其輸出電阻可以在很大的區(qū)間內(nèi)變化，屬于大電阻變化式傳感器。1342.電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器屬于微電阻變化式傳感器。就是將彈性金屬材料做成應(yīng)變片，當(dāng)其受力而產(chǎn)生變形時(shí)電阻值發(fā)生變化，通過電路測出其電阻值變化，從而可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度等多種物理量。金屬應(yīng)變片有金屬絲和或金屬箔兩類。135縱向R=ρL/S金屬電阻應(yīng)變原理：

當(dāng)金屬應(yīng)變片產(chǎn)生縱向拉伸變形時(shí)，L變大、S變小，其阻值增加；當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生縱向壓縮變形時(shí)，S變大、L變小，其阻值減小。L-長度S-截面積136金屬應(yīng)變片的應(yīng)用金屬應(yīng)變片使用時(shí)要緊貼在應(yīng)變物上，如貼在梁上測其受力。案例：橋梁固有頻率測量應(yīng)變片1、2、3、4、5、6、7137案例：電子秤原理：將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。138案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測139若沒有應(yīng)變物，則要專門制作，如測氣體的壓力要借助于應(yīng)變筒。P應(yīng)變片r1軸向貼壓縮阻值變小應(yīng)變片r2徑向貼拉伸阻值變大1--應(yīng)變筒2--外殼3--膜片P--被測壓力140

應(yīng)變片電阻的變化可用電橋測出。r1和r2的變化，使橋路失去平衡，有不平衡電壓ΔU輸出。

＋－應(yīng)變片r2應(yīng)變片r1ΔU1413.3.2電容式傳感器電容式傳感器是將被測量（如位移、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。其本質(zhì)就是一個(gè)可變電容器。平行板電容器的電容為：δAεδ---極板間距離A---極板遮蓋面積ε---電介質(zhì)介電常數(shù)142電容式傳感器可以用于測量部件的位移、振動、厚度等機(jī)械量，以及測量壓力、荷重、液位；還可根據(jù)電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量溫度、濕度；甚至還可以轉(zhuǎn)換聲音、辨別指紋。1.電容式位移傳感器2）直線位移傳感器1）角位移傳感器143通過改變電容極板的遮蓋面積從而改變電容量，又稱面積型傳感器。1443）測厚傳感器極板間介質(zhì)板的厚度變化也可以改變電容極板間的介電常數(shù)從而改變電容量。如圖3.12所示，軋制金屬板時(shí)，讓板材通過電容式測厚儀的傳感電容的兩極板之間，監(jiān)測電容的變化，就可以實(shí)現(xiàn)板材厚度的在線監(jiān)測。145

2.電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器屬于極距變化型電容式傳感器，可以測量壓力、壓差、荷重等參數(shù)。如：1）壓力傳感器改變不同參數(shù)，可做成不同類型的電容式傳感器。如改變極板間距離(δ)的極距型傳感器：1462）荷重傳感器單電容式壓力傳感電容可以用于重負(fù)載的稱重，如地磅秤。荷重傳感電容由受力彈簧（可動電極）與固定電極構(gòu)成，等距離分布在稱重臺內(nèi)，如圖3.14所示。受力彈簧在重力F的作用下變形，使傳感電容極板間距離d發(fā)生變化，引起電容C的變化，就可以知道F的值。1473）差壓傳感器電容式差壓傳感器是將彈性金屬膜片作為動電極夾在兩個(gè)固定電極之間，構(gòu)成一對差動電容。在兩邊被測壓力PL、PH的作用下，兩個(gè)電容的電容量一個(gè)增大，一個(gè)減小，通過引出線將這兩個(gè)電容引出，測出電容的變化便可知道差壓的數(shù)值。

1484）電容式傳聲器傳聲器（Microphone）俗稱話筒，是一種聲/電換能器件，也是傳感器，大多數(shù)是靠電容量變化而起換能作用的。如圖，話筒表面的振膜（動電極）和里面的背極（固定電極）構(gòu)成可變電容，聲音產(chǎn)生的壓力使膜片振動，使電容兩極板間的距離隨振動而變化，電容量也隨之變化。后級電路將電容量變化信號檢出，送到放大器放大后，再通過喇叭還原成聲音。1493.電容式振動傳感器電容式振動傳感器也屬于極距變化型電容式傳感器，可以測量振動加速度、振幅等參數(shù)。如：1）振動加速度傳感器2）振動振幅傳感器1504.電容式物位傳感器電容式物位傳感器是利用改變電容極板的遮蓋面積從而改變電容量，或者利用改變電容極板間的介電常數(shù)從而改變電容量?？梢詼y量液位、料位、界位參數(shù)等。如：1）導(dǎo)電液位傳感器2）非導(dǎo)電液位傳感器1515.電容式濕度傳感器電容極板間介質(zhì)的相對濕度變化可以改變介質(zhì)介電常數(shù)從而改變電容量。利用這一機(jī)理可以測量環(huán)境空氣的相對濕度，還可以測量谷物的含水量。δAε1526.電容式指紋傳感器指紋識別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。IBM—ThinkpadT42/T43的指紋識別傳感器153指紋識別所用的電容傳感器是一個(gè)大約有數(shù)萬個(gè)金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面。當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，金屬導(dǎo)體陣列/絕緣物/皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠(yuǎn)的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。154電容點(diǎn)陣的電容信號可復(fù)原成指紋成像圖。經(jīng)過圖像處理后可清晰地展現(xiàn)指紋圖，用來和存儲的指紋圖比對。經(jīng)過處理后的指紋成像圖1553.3.3電感式傳感器電感式傳感器建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上，利用線圈電感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)對非電量的測量，可以進(jìn)行位移、振動、壓力、流量、比重等參數(shù)的測量。電感傳感器的主要特征是具有電感繞組。利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量變化這一物理現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)測量。電感式傳感器又分為自感式和互感式兩大類。1561.

自感式傳感器原理簡介：工作時(shí)銜鐵與被測物體連接，被測物體的位移將引起空氣隙的磁阻發(fā)生變化，導(dǎo)致線圈電感量的變化。線圈的電感可用下式表示：式中：N—線圈匝數(shù)Rm—磁路總磁阻測量時(shí)空氣隙有不同的變化方式。157

1）

變間隙型結(jié)構(gòu)示意圖如右圖所示。被測物體的位移使空氣隙的長度δ變化，引起氣隙磁阻的變化，導(dǎo)致線圈電感量的變化。2）變面積型如右圖所示，被測物體的位移使鐵心與銜鐵之間相對覆蓋面積變化，引起氣隙磁阻的變化，導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化。1583）

螺管型如右圖所示，線圈中放入圓柱形銜鐵，被測物體的位移使銜鐵左右位移，自感量將相應(yīng)變化。下圖所示是一個(gè)測量位移用的軸向自感式傳感器測頭測桿電感線圈磁芯1592.互感式傳感器互感式傳感器把被測物理量如力、位移等轉(zhuǎn)換為傳感器互感系數(shù)的變化，本質(zhì)上是一個(gè)互感系數(shù)可變的變壓器，當(dāng)一次線圈接入激勵(lì)電壓后，二次線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓，互感變化時(shí)，感應(yīng)電壓將相應(yīng)變化。很多互感式傳感器設(shè)置兩個(gè)二次線圈，以差動方式接線，故也可以稱作是變壓器式傳感器。160軸向式差動變壓器式傳感器總行程：100mm線性度：0.15%

總行程：2～7mm測量力：0.9～1.2N示值變動性：0.5μm161旁向式差動變壓器式傳感器總行程：1.5mm測量力：0.4～0.7N示值變動性：0.2μm軸向式差動變壓器式傳感器總行程：3mm測量力：0.45～0.65N示值變動性：0.03μm總行程：1.5mm測量力：0.12～0.18N示值變動性：0.05μm162案例：板的厚度測量~1633.電渦流式傳感器把成塊的金屬放在變化著的磁場中，或者在固定的磁場中運(yùn)動，金屬體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流的流線在金屬體內(nèi)是閉合的，呈漩渦狀，被稱為渦流。這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。渦流效應(yīng)的本質(zhì)是互感作用?？蓪?shí)現(xiàn)對位移、厚度、振動、表面溫度、速度、溫度、應(yīng)力、電解質(zhì)濃度等參數(shù)的測量。164

反射式渦流傳感器當(dāng)線圈中通有交變電流I1時(shí)，線圈周圍就產(chǎn)生交變磁場H1。置于這一磁場中的金屬導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流I2及磁場H2，H2與H1方向相反，因而抵消部分H1磁場，使通電線圈的有效阻抗發(fā)生變化。165若將被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)，就可得到如圖b的電感等效電路。當(dāng)其它條件一定時(shí)，線圈的阻抗是被測距離H的單值函數(shù)。即通過線圈的交變電流I1一定時(shí)，測線圈兩端電壓U1即得被測距離X。此方法可測位移、振幅、轉(zhuǎn)速及無損探傷等。b)電渦流傳感器等效電路圖a)電渦流傳感器原理圖166渦流傳感器應(yīng)用案例：測量旋轉(zhuǎn)軸振幅零件計(jì)數(shù)167案例：無損探傷原理：裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測168低頻透射式電渦流傳感器采用低頻激勵(lì)，因而有較大的貫穿深度，可以測量金屬材料的厚度。如圖，傳感器上、下方分別設(shè)置發(fā)射線圈和接收線圈。發(fā)射線圈L1兩端加激勵(lì)電壓u1，接收線圈L2兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電壓u2。

兩線圈間的被測導(dǎo)體越薄，則L1的磁力能較多穿過L2，在L2上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓u2越大。輸出特性169磁電式傳感器是利用磁電相互作用的現(xiàn)象將被測量轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。磁電式傳感器不需要輔助電源就能把被測對象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。磁電式傳感器只適合進(jìn)行動態(tài)測量，如振動、速度、扭矩等參數(shù)的測量，如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速度。3.3.4磁電式傳感器1701.動圈式傳感器磁電式傳感器用來測速度時(shí)，其傳感部件是一個(gè)置于固定磁場中的線圈。線圈運(yùn)動時(shí)，穿過它的磁通量發(fā)生變化，線圈就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。動圈式傳感器能直接測量線速度或角速度。a.線速度型b.角速度型171動圈式傳聲器1722.磁阻式傳感器磁阻式傳感器，又稱為變磁通式傳感器或變氣隙式傳感器，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速。如圖3.36所示，磁鐵外繞線圈固定在旋轉(zhuǎn)物體旁邊，旋轉(zhuǎn)物體用導(dǎo)磁材料制成并有齒口。物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，每到齒口處就改變一次磁路的磁阻，即改變了貫穿線圈的磁通量，從而使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。1733.電磁流量傳感器當(dāng)被測流體介質(zhì)是具有導(dǎo)電性的液體介質(zhì)時(shí)，可以用電磁感應(yīng)的方法來測量流量的大小。1743.3.5壓電式傳感器某些晶體電介質(zhì)材料，在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷；外力去掉后又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。FF+-+-+-+-+-175具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料有天然的單晶體，如石英（二氧化硅）等；還有壓電陶瓷，即人工制造的多晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。壓電陶瓷燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫且靈敏度較高，得到廣泛應(yīng)用。壓電陶瓷片的結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖：1761.壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器是利用壓電材料做敏感元件，依據(jù)電介質(zhì)的正壓電效應(yīng)研制的一類傳感器。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷，此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換后就成為正比于所受外力的電量輸出。所以，壓電式壓力傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量，如壓力、液位、振動、加速度、聲音等；又可以做成壓電換能器發(fā)出超聲波來探查物體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。177有些材料同時(shí)具有半導(dǎo)體特性和壓電特性，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等，利用這種材料可以制成集敏感元件和電子線路于一體的新型壓電傳感器，體積更小、性能更優(yōu)越。1）壓力傳感器2）加速度傳感器1782.超聲波傳感器超聲波傳感器是以超聲波作為探測信號，利用壓電材料的壓電效應(yīng)研制的一類傳感器，也可以歸類為壓電式傳感器。給壓電晶片的極化方向上施加高頻交變電壓，壓電材料發(fā)生振動、發(fā)出超聲波；超聲波碰到阻礙物形成反射回波，壓電材料接受到回波后又會產(chǎn)生感應(yīng)電荷。完成這種發(fā)射、接受功能的裝置稱為超聲換能器，或者稱超聲探頭。1791）B型超聲診斷儀（B超）超聲波傳感技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。B超是由探頭、發(fā)射電路、接收電路和顯示系統(tǒng)組成，利用脈沖回波成像技術(shù)顯示人體組織的斷層圖像。診斷的依據(jù)是斷層圖像的特征，如圖像形態(tài)、輝度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、邊界回聲、回聲總體、臟器后方情況以及周圍組織表現(xiàn)等。1802）超聲波探傷儀在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料組織的不連續(xù)，這種不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致。脈沖反射式超聲波探傷儀就是根據(jù)超聲波在兩種不同的聲阻抗介質(zhì)的交界面上發(fā)生反射，反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關(guān)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。1813.3.6熱電式傳感器熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量的裝置。它是利用金屬材料和半導(dǎo)體材料的電特性隨溫度變化的特性來進(jìn)行測量的。例如將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻、熱電動勢、熱膨脹、導(dǎo)磁率等的變化，再通過適當(dāng)?shù)臏y量電路達(dá)到檢測溫度的目的。熱電式傳感器主要應(yīng)用于對溫度的檢測，廣泛應(yīng)用于冶金、鍛造、化工、電子、環(huán)境監(jiān)測、溫控等領(lǐng)域。1821．熱電偶傳感器熱電偶是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)來測溫的。工作原理：當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體連接成閉合回路時(shí)，若兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同，回路中會產(chǎn)生熱電勢。將熱電勢引出，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路處理后，便可顯示或輸出。熱端

t冷端

t01832．熱電阻傳感器大多數(shù)金屬電阻的阻值隨溫度升高而增大。具有正溫度系數(shù)。用來測溫的金屬電阻稱為熱電阻。如鉑電阻的電阻溫度關(guān)系：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3](-200~0℃)Rt=R0(1+At+Bt2)(

0~850℃)184

3.熱敏電阻傳感器有些半導(dǎo)體材料的電阻值具有負(fù)溫度系數(shù)，可以作溫度傳感元件，熱敏電阻的特點(diǎn)是：溫度(℃)1081061041021001601208040電阻(Ω)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻特性

電阻率大—電阻體積小，響應(yīng)快；溫度系數(shù)大—靈敏度高；非線性嚴(yán)重—影響精度。溫度特性分散—互換性差185

4.集成溫度傳感器晶體管是半導(dǎo)體器件，其電流放大倍數(shù)隨溫度而變化。將熱敏晶體管和外圍電路集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成集成溫度傳感器?？芍苯虞敵鲭妷骸㈦娏骰驍?shù)字信號。特點(diǎn)：體積小、反應(yīng)快、線性好、價(jià)格便宜，后接電路簡單。測溫范圍為-50~150℃。1865．紅外溫度傳感器由于分子的熱運(yùn)動，溫度高于絕對零度（-273.15℃）的物體都在不停地向周圍輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波。輻射能量的大小與該物體的溫度關(guān)系符合普朗克（Plank）定律。紅外溫度傳感器頂部開有窗口。被測物體的輻射能經(jīng)過窗口和光闌聚焦在受熱片