仪器科学与技术讲座-PPT.ppt

1、a,1,仪器科学与技术 Instrumentation Science and Technology,施文康 wkshi 2009.11,a,2,仪器科学与技术的学科分布,一级学科：仪器科学与技术 二级学科：精密仪器 测试计量技术与仪器 导航、制导与控制 本科专业：测控技术与仪器 特点：适应性强、就业形势好、承办学校快速增加、 招生形势不容乐观 2008年，对260个专业就业排名，本专业排名为34 1997年70多所至今200多所,a,3,测控技术与仪器,习惯上指： 仪器仪表 检测系统 测控系统 测试系统,a,4,定义：,被测信息：,传感器、检测仪器、检测装置、检测系统,全部操作：,检测过程：

2、,确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作,测控的基本概念,信号采集、信号处理、信号显示、信号输出,物理量（光、电、力、热、磁、声、）,被测对象：,宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ）,检测器具：,化学量（PH、成份）,生物量（酶、葡萄糖、）, ,a,5,例：空调机测量控制室温,测控的基本概念,空气,被测对象：,被测信息：,检测器具：,操作过程：,室内空气,温度,温度传感器 - 热电阻、热电偶, 热敏电阻, 电信号, 处理, 显示,空调机,a,6,测控系统的构成,接口总线,存储显示分析监控判断决策,一般构成：,a,7,测控系统概述 组成,力 位移 速度 加速度 压力 流量 温度,电阻式 电

3、容式 电感式 压电式 热电式 光电式 磁电式,电桥 放大器 滤波器 调制器 解调器 运算器 阻抗变换器 A/D转换,笔式记录仪 光线示波器 磁带记录仪 电子示波器 半导体存储器 显示器 磁卡,数据处理器 频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪 电子计算机,被测对象,传感器,中间变换 测量装置,显示及 记录装置,实验结果 处理装置,激发装置,a,8,测控系统概述 分类,按技术范围及应用领域分: 1.工业自动化仪表、控制系统及相关测控技术 2.科学仪器及相关测控技术 3.医疗仪器及相关测控技术 4.信息技术电测、计量仪器及相关测控技术 5.各类专用仪器仪表及相关测控技术 6.相关传感器、元器件、制造工

4、艺、材料及其基础 科学技术,a,9,测控技术与仪器概述(分类),按行业分类: 工业自动化仪表、电工仪器仪表、光学仪器、计时仪器、导航制导仪器、分析仪器、实验室仪器、地质仪器、医疗仪器、船用仪表、航空仪表20多个专业,a,10,测控系统概述 特点,1. 多学科交叉综合 知识面宽 2. 仪器门类繁多 一专多能 3. 对新技术敏感 知识更新快 4. 信息源头技术 信息技术 5. 共同基础 适于通材教育,a,11,测控系统概述 内涵,基础宽阔的 数、理、化、生 基础学科,门类繁多的技术学科 (仪器、电子、自动化、计算机、光学、机械),a,12,测控系统概述,( 地位与作用),a,13,历史时代：,手工

5、化,机械化,自动化,信息化,生产方式：,人与简单工具,动力机与机械,自动测量控制,智能机械装置,测控系统概述 ( 地位作用),1. 信息化是科学技术发展的必然,a,14,人与机器的机能对应关系：,测控系统概述 ( 地位作用),a,15,2. 信息流是客观世界的一个主流,物料流 能流 信息流,客观世界,测控系统概述 ( 地位作用),a,16,著名科学家钱学森指出:,发展高新技术,信息技术是关键,信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。测量技术是关键和基础。,a,17,测控系统概述 (地位与作用),信息流 信息技术,测量 仪器仪表,计算机,通信,（钱学森语）,（王大衍等语） 信息工业重要组成部

6、分 信息工业的源头,a,18,信息流组成,信息流,获取,传输,处理,控制,3.信息获取是信息流的一环,是仪器仪表的主要任务,测控系统概述 (地位与作用),a,19,获取信息是仪器科学的基本任务 仪器仪表是信息工业的源头 仪器仪表是信息产业重要组成部分,测控系统概述 (地位与作用),a,20,地位与作用,测控系统概述,工业生产 倍增器,科学研究 先行官,社 会 物化法官,军 事 战斗力,a,21,测控系统概述 (地位与作用),工业生产倍增器,仪器仪表技术是带动国民经济增长的 关键领域 在美国：仪器仪表占4%，拉动经济占总量的 66%,a,22,测控系统概述 ( 地位作用),工业生产倍增器,检测技

7、术是带动国民经济增长的一个 关键领域 在美国：检测技术占4%，拉动经济增长66%,a,23,检测技术在工业生产领域的应用,测控系统概述 (地位与作用),在线检测 （自动化生产线）：零件尺寸、产品缺陷检测、装配定位.,a,24,a,25,测控系统概述 (地位与作用),检测技术在工业生产领域的应用 离线检测 （对已加工对象进行质量检验）： 零件参数、 尺寸与形位公差、 品质参数 作 用：现代工程装备中， 检测环节的成本约占812% 运载火箭试制费有一半用于仪器仪表,a,26,检测技术在汽车中的应用日新月异,a,27,检测技术在日常生活中的应用与日俱增,测控系统概述 (地位与作用),家用电器：,数码

8、相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器,数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器,自动感应灯：亮度检测-光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶,电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器,遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,办公商务：,可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD,扫描仪：文档扫描-线阵CCD,红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,医疗卫生：,电子血压计：血压检测 - 压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪 - 离子传感器,a,28,测控系统概述 (地位与作用),科学研究的先行官 工欲善其事 必先利其器,诺贝尔奖获得者R. R. Erns

9、t说“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展”,俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的”,近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得 者达38人,a,29,测控系统概述 (地位与作用),军事战斗力 快速 精确,1991年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占8%,2003年伊拉克战争 90%,1994年美国防部建立自动测试系统执行局,立体作战,a,30,测控系统概述 (地位与作用),检测技术在军事上的应用,美军研制的未来单兵作战武器-OICW,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术,激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精

10、确的设定引爆时间。,a,31,美国国家导弹防御计划-NMD,测控系统概述 (地位与作用),检测技术在国防领域的应用,监测系统: 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；,拦截器：能识别真假弹头，敌友方,a,32,检测技术在航天领域举足轻重,测控系统概述 (地位与作用),飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵,火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹,a,33,测控系统概述 ( 地位作用),“阿波罗10”：,火箭部分-2077个传感器,飞船部分-1218个传感器，,检测参数-加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学、,神州飞船：,185台（套）仪器装置,a,34,测控系

11、统概述 ( 地位作用),“物化法官”,检查产品质量,监测环境污染,识别指纹假钞,查处违禁药物,侦破刑事案件,a,35,测控系统概述 ( 地位作用),教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、,涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空,a,36,传感技术所基于的物理基础,1.守恒定律：包括能量、动量、电荷守恒。 2.场的定律：包括运动法则、电磁场定律等。物质在某时刻的状态与物体在空间的位置、分布、运动方式等有关，一般可用物理方程描述。,a,37,传感技术所基于的物理基础,3.物质法则：它是表示物质某种客观性质的法则。例如用于弹性材料的虎克定律，欧姆定律，某些材料的压电、光电、热电、磁电等特性。 4.

12、统计法则：它是把微观系统和宏观系统联系起来的物理定律。,a,38,传感技术所基于的主要效应,物理效应 光电、电光、电磁、磁光、热磁、压磁、压电、热电、热-红外等效应、光与声本身的效应（多普勒、喇曼效应等）半导体（吸附、表面场、隧道效应等） 化学效应 生物效应,a,39,(1) 莫尔条纹（Moire）,条纹宽度：,W-栅距， a-线宽， b-缝宽,W=a+b ，a=b=W/2,特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹 当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹,a,40,长光栅 - 直线位移；圆光栅 - 角位移,构成：主光栅 - 标尺光栅，定光栅；指示光栅 - 动光栅,长度 - 测量范围；刻线密

13、度 - 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm ),a,41,Keyence 激光测距传感器,a,42,a,43,石英晶体的压电效应,Z,X,Y,(a),(b),石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系,Z,Y,X,a,44,声表面波,a,45,传感器,a,46,我国仪器仪表业发展方向 1）“六高一长二十化” 高性能、高精度、高稳定、高可靠、高环境性和长寿命；小型化、集成化、成套化、电子化、数字化、多功能化、智能化、网络化、计算机化、综合自动化、光机电一体化、服务专门化、简捷化、家庭化、个人化、无维护化、组装生产自动化、无尘化、专业化、规模化。 2）今后1015年我国仪

14、器仪表发展的目标、方向 缩小与国际水平的差距为35年； 30的产品达国际先进水平； 产品在大工程中的配套能力85%,国内市场份额75%.,a,47,我国仪器仪表业发展领域： 1）工业自动化仪表与控制系统； 2）科学仪器； 3）电子与电工测量仪器； 4）医疗仪器； 5）传感器技术、新型传感器； 6）基础技术、应用技术开发研究。 重点项目： 1）新型传感器及信息获取、传感技术 2）过程测控系统、装备及集成技术 3）微系统测量控制仪器仪表及其制造技术 4）新型计量测试仪器及计量基准研究,a,48,新型计量测试仪器及计量基准研究的重要性,四流企业靠降价 三流企业靠质量 二流企业靠服务 一流企业靠品牌

15、超级企业靠标准,a,49,现代检测技术发展趋势,智能化 虚拟化 网络化 微型化 软测量技术,a,50,a,51,a,52,MEMS 是美国的简称 Microsystem 欧洲的称谓 Micromachine 日本的称谓,a,53,MEMS 是美国的简称 Microsystem 欧洲的称谓 Micromachine 日本的称谓,a,54,MEMS应用, 汽车安全气囊传感器,a,55, 医疗用压力传感器,a,56,直径: 1 mm 重量: 12.5 mg 最大转速: 18000 rpm 最大力矩: 1.5 Nm,直径: 2 mm 重量: 38 mg 最大转速: 25000 rpm 最大力矩: 4.6 Nm,