淺析測控技術(shù)與儀器的發(fā)展應(yīng)用

付元辰

摘 要：本文概述了測控技術(shù)與儀器這一技術(shù)的發(fā)展歷程與當(dāng)下的研究現(xiàn)狀，并對(duì)于測控技術(shù)與儀器專業(yè)給出了具體的解讀，同時(shí)簡要介紹了測控技術(shù)與相關(guān)儀器設(shè)備在日常生產(chǎn)生活和國防軍事領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，并展望了測控技術(shù)與儀器未來的技術(shù)發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：測控技術(shù)與儀器；精確制導(dǎo)武器；傳感器；虛擬儀器

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）01-0059-03

1 前言

測控技術(shù)與儀器是一門幾乎在人類開始使用工具之后即宣告誕生的相關(guān)行業(yè)，在其漫長的發(fā)展歷程中出現(xiàn)了許多凝聚人類智慧結(jié)晶的科學(xué)創(chuàng)新或技術(shù)生產(chǎn)的成果，如精密的日晷、“候風(fēng)地動(dòng)儀”、指南車等等，給人們的日常生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，測控技術(shù)與儀器已經(jīng)演變成滲透到精密機(jī)械、光學(xué)器材、信息通訊、電力電子等諸多領(lǐng)域的綜合性專業(yè)門類。在我國社會(huì)信息化程度和數(shù)字化程度日益提升的今天，可以說，缺乏先進(jìn)的測控技術(shù)和高端的精密儀器，提升工業(yè)自動(dòng)化、智能化制造的水平顯然是難以實(shí)現(xiàn)的。在大力推行“中國制造2025”的宏觀戰(zhàn)略環(huán)境下，以智能制造為主導(dǎo)核心的工業(yè)4.0體系對(duì)于測控技術(shù)和儀器基礎(chǔ)水平的仰賴是有目共睹的，測控技術(shù)與儀器將扮演著越來越重要的角色。

2 測控技術(shù)與儀器的具體解讀

（1）測控。對(duì)于測控技術(shù)與儀器這一專業(yè)門類，可以將其拆開來看，分別來弄清這幾個(gè)概念。字典釋義中“測”就是測量，“控”就是控制。“測”是指采用各種方法獲得反應(yīng)客觀事物或?qū)ο蟮倪\(yùn)動(dòng)屬性的各種數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄及必要的處理。“控”是采用各種方法支配或約束某一客觀事實(shí)事物或?qū)ο蟮倪\(yùn)動(dòng)過程以達(dá)到一定目的。

由此可見，測量控制一個(gè)是認(rèn)識(shí)事物，另一個(gè)是改造事物，兩者都需要各種手段和方式，這也即是說測控技術(shù)與儀器專業(yè)所涵蓋的知識(shí)體系必然與機(jī)械、光學(xué)等多個(gè)學(xué)科相互融貫，有較強(qiáng)的綜合性。

（2）技術(shù)。字典釋義中技術(shù)就是關(guān)于勞動(dòng)工具的規(guī)則（即制作方式與使用方法）體系，其目的在于提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。測控技術(shù)與儀器專業(yè)為國家各項(xiàng)科技項(xiàng)目，各行各業(yè)提供基本制造，研究的設(shè)備與儀器，其對(duì)技術(shù)上的要求自然會(huì)很高。機(jī)械、光學(xué)、電子信息等各方面的知識(shí)點(diǎn)都會(huì)被應(yīng)用到儀器設(shè)備的研發(fā)、制造和生產(chǎn)中來幫助人類利用和改造自然。

（3）儀器。字典釋義中儀器儀表可以簡單理解為觀察測量各種參數(shù)的器具或設(shè)備。儀器是進(jìn)行高新技術(shù)研究的基礎(chǔ)。在人類的科學(xué)探索、生活實(shí)踐與生產(chǎn)活動(dòng)中，要觀察、測量、控制的量越來越多。儀器儀表儼然成為一個(gè)重要產(chǎn)業(yè)，在支持科技進(jìn)步的同時(shí)為生產(chǎn)生活提供重要保障，見表1。

3 日常工業(yè)生產(chǎn)中的主要應(yīng)用

3.1 測控技術(shù)在冶金工業(yè)中的應(yīng)用

冶金工業(yè)中的煉鐵和軋鋼兩個(gè)方面是測控技術(shù)與儀器的主要應(yīng)用領(lǐng)域。目前世界上普遍用的煉鋼法是高爐煉鋼，這種方法工藝簡單，產(chǎn)量大，能耗低。此法生產(chǎn)的鐵占世界鐵產(chǎn)量的95%。在高爐冶鐵中，需要檢測的參數(shù)有：爐頂煤氣氣體成分分析，爐身各層靜壓力，全壓差，半壓差檢測，爐內(nèi)焦，礦層厚度，風(fēng)口檢測，冷熱風(fēng)溫度，載氣流量和壓力監(jiān)測，料面形狀等等。其中需要進(jìn)行自動(dòng)控制的環(huán)節(jié)主要有：熱風(fēng)爐控制，噴吹煤粉控制，給排水控制，高爐，裝料控制，高爐鼓風(fēng)機(jī)控制，煤氣凈化控制。

軋鋼生產(chǎn)中的自動(dòng)控制系統(tǒng)：液壓控制系統(tǒng)，活套控制，卷曲控制，潤滑劑系統(tǒng)控制，運(yùn)輸鏈轉(zhuǎn)運(yùn)控制，軋鋼機(jī)速度控制，帶鋼厚度控制等等。使用的檢測儀表有：軋件跟蹤儀表，針孔測量儀，稱重儀，延展率測量儀，鍍層厚度測量儀，測力儀，測長儀，測寬儀等等。

3.2 測控技術(shù)在煤炭工業(yè)中的應(yīng)用

現(xiàn)代化的采煤不論是勘探，開采還是加工都離不開測控技術(shù)的支持。煤炭轉(zhuǎn)化，加工更離不開自動(dòng)控制系統(tǒng)。其中在保障安全性方面的儀表就有：煤礦噪聲測量儀，檢測瓦斯含量儀器，塵粉檢測儀，礦井大氣參數(shù)和氣候條件檢測儀，礦井環(huán)境與安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。不僅如此，在煤炭焦化加工過程中，在很多環(huán)節(jié)中也要用到檢測與自動(dòng)控制技術(shù)。其中主要測量儀表有以下四類：（1）原料煤性狀的檢測；（2）燃燒過程中的檢測；（3）爐體狀態(tài)的檢測；（4）焦炭品質(zhì)與熄焦過程的檢測。在整個(gè)煤炭工藝中，幾乎所有程序都是自動(dòng)控制過程，如煤炭的定量給料控制，加水加粘結(jié)劑控制，煉焦?fàn)t的燃燒控制等等（圖1）。

3.3 測控技術(shù)在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用

化學(xué)工業(yè)是屬于知識(shí)和資金密集型的行業(yè)，基于其高能耗、生產(chǎn)流程復(fù)雜以及對(duì)生產(chǎn)連續(xù)性的嚴(yán)格要求等特點(diǎn)，化工工程中控制的自動(dòng)化水平，生產(chǎn)安全性，節(jié)能降耗以及綠色環(huán)保綜合考慮是保證其企業(yè)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。從提高化工企業(yè)的生產(chǎn)效率，在電子信息時(shí)代更多地以計(jì)算機(jī)控制代替簡易人工操作，改善勞動(dòng)條件等方面來考量，化工自動(dòng)化將在可預(yù)見的未來成為發(fā)展的趨勢，而測控技術(shù)在其中則扮演著重要的角色。化工過程中常見測控儀表與裝置包括溫度壓力等檢測與執(zhí)行儀表和安全儀表系統(tǒng)等控制策略分析的部分（圖2）。

3.4 測控技術(shù)在電力工業(yè)中的應(yīng)用

電力工業(yè)是一種能源轉(zhuǎn)化的工業(yè)，而測控技術(shù)在其中發(fā)揮了重要作用。在生活中，發(fā)電的主要形式還是火力發(fā)電。其中蒸汽鍋爐在火電系統(tǒng)中占主要地位，而鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)分為燃燒、給水和氣溫控制三個(gè)部分。燃料部分實(shí)時(shí)監(jiān)控的部分包括燃料量檢測，爐膛安全監(jiān)測，風(fēng)煤比例控制爐膛壓力監(jiān)測，二次風(fēng)（輔助風(fēng)，燃料風(fēng)，燃盡風(fēng)）的控制等等，給水部分需要通過控制保證充足的蒸汽流量。而鍋爐氣溫控制系統(tǒng)則是為了防止汽輪機(jī)末級(jí)帶水，在保障安全性的同時(shí)盡可能地提高熱力循環(huán)效率。

3.5 測控技術(shù)在醫(yī)藥醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用

醫(yī)療行業(yè)以治愈疾病為目的的，同時(shí)也具備了機(jī)械、生物、光學(xué)等多學(xué)科綜合交叉的特點(diǎn)。醫(yī)學(xué)上一共包括6大類圖像儀器：檢測儀器、檢驗(yàn)儀器、治療儀器、康復(fù)儀器、診斷儀器、遠(yuǎn)程醫(yī)療儀器。醫(yī)療儀器的豐富，能確保病人康復(fù)進(jìn)程、治療效果和手術(shù)安全，在一方面減少病患者的痛苦，而在另一方面大大提高了手術(shù)安全性（圖3）。endprint

在醫(yī)藥行業(yè)方面，醫(yī)療用藥關(guān)乎病人健康，所以對(duì)其的要求也相應(yīng)很高。隨著電子信息技術(shù)和先進(jìn)機(jī)械技術(shù)的引進(jìn)，藥品工藝越來越先進(jìn)，醫(yī)療儀器一再創(chuàng)新。比如，壓片機(jī)可以瞬間將原材料壓成藥片形狀，并且產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)都嚴(yán)格符合標(biāo)準(zhǔn)。此外，對(duì)藥品成分分析監(jiān)控與檢測裝置一體化，在提高了藥品生產(chǎn)率的同時(shí)大大增加了藥品可靠性和質(zhì)量。

4 軍事領(lǐng)域的主要應(yīng)用

任何一種現(xiàn)代化軍事裝備離不開測控技術(shù)與儀器，縱觀近幾十年的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭及演練，各種戰(zhàn)爭武器都離不開測控技術(shù)與儀器，精確制導(dǎo)武器即是一個(gè)典例（圖4）。其制導(dǎo)方式主要包括了以下幾種類型：（1）無線電制導(dǎo)，紅外制導(dǎo)以及電視制導(dǎo)都是利用其探測物理量進(jìn)行的，利用這種物理量來進(jìn)行導(dǎo)彈定位和位置引導(dǎo)，可以又快又準(zhǔn)地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊；（2）雷達(dá)制導(dǎo)：分為雷達(dá)波束制導(dǎo)方式和雷達(dá)尋的制導(dǎo)。我國殲十機(jī)載兩枚8空空導(dǎo)彈就采用主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)，無線電近炸音信，有多目標(biāo)攻擊能力；（3）自主式制導(dǎo)：其飛行過程與目標(biāo)，雷達(dá)站，指揮所沒有任何關(guān)系。事先由人為給予飛行路線，包括慣性制導(dǎo)，方案制導(dǎo)以及地形匹配制導(dǎo)還有星光制導(dǎo)，在各種傳感技術(shù)和精密導(dǎo)航技術(shù)的支持下，自主式制導(dǎo)導(dǎo)彈的抗干擾能力會(huì)極大增強(qiáng)；（4）遙控制導(dǎo)：這種制導(dǎo)方式下，導(dǎo)彈飛行參數(shù)與人為控制如指揮站，雷達(dá)站聯(lián)系比較密切。主要是指令制導(dǎo)和波束制導(dǎo)。在制導(dǎo)站向武器傳輸命令的同時(shí)，指揮站會(huì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和跟蹤，并計(jì)算飛行速度和角度然后控制導(dǎo)彈按一定方向飛去；（5）復(fù)合式制導(dǎo)：由不少于兩種制導(dǎo)方式復(fù)合而成。由于導(dǎo)彈在飛行過程中會(huì)遭遇種種不利天氣或地勢因素的影響，多種制導(dǎo)方式組合會(huì)大大增加命中率。

5 測控技術(shù)與儀器的未來發(fā)展趨勢

5.1 新型傳感器

傳感器作為信息化工業(yè)的關(guān)鍵元器件，其性能和成本方面的研究一直是測控技術(shù)與儀器領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。未來傳感器將沿著功能不斷集成、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化程度不斷提高、智能化程度不斷提高的方向發(fā)展，同時(shí)電子信息、材料科學(xué)、通訊技術(shù)等領(lǐng)域的最新研究成果也會(huì)不斷在傳感器上應(yīng)用以豐富傳感器的適用探測范圍，提高傳感器的感知性能。目前應(yīng)用了仿生學(xué)領(lǐng)域成果的生物傳感器和應(yīng)用了無機(jī)材料領(lǐng)域成果的光纖傳感器正逐漸成為最受人關(guān)注的研發(fā)成果。可以預(yù)見的未來，傳感器必將體積更加輕便，探測感知性能更加靈敏且具備網(wǎng)絡(luò)化的特征，甚至兼具越來越多的智能功能。

5.2 虛擬儀器設(shè)備系統(tǒng)

隨著LabVIEW等系統(tǒng)工程軟件逐漸廣泛而深入的應(yīng)用于測控技術(shù)與儀器行業(yè)，虛擬儀器設(shè)備系統(tǒng)的概念不再是一個(gè)全新的詞匯。計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展使得儀器的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造乃至使用都可以在相應(yīng)的仿真環(huán)境下完成，由計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件和數(shù)據(jù)采集設(shè)備等硬件所構(gòu)成的虛擬儀器設(shè)備系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代測控技術(shù)的中流砥柱，與傳統(tǒng)的儀器設(shè)備相比虛擬儀器設(shè)備系統(tǒng)具備很多不可比擬的優(yōu)勢，譬如依托計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力拜托了對(duì)儀器設(shè)備物理實(shí)現(xiàn)形式的依賴，在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了各種軟硬件的資源共享，且虛擬儀器強(qiáng)大的可視化操作、圖形化編程的能力是傳統(tǒng)儀器設(shè)備難以望其項(xiàng)背的。在未來虛擬儀器將憑借其快捷方便的數(shù)據(jù)通訊、靈活的數(shù)據(jù)編輯功能以及低廉的成本進(jìn)一步擴(kuò)大其相對(duì)于傳統(tǒng)測控儀器設(shè)備的優(yōu)勢（圖5）。

5.3 遠(yuǎn)程測控

隨著工業(yè)化的不斷推進(jìn)，可預(yù)見的未來大范圍遠(yuǎn)距離的測控將成為常態(tài)，遠(yuǎn)程測控技術(shù)的蓬勃發(fā)展給解決這一問題帶來了曙光，類比于互聯(lián)網(wǎng)以及新興的物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等概念，網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)將逐漸成為未來發(fā)展的主流，這樣在降低生產(chǎn)制造和維護(hù)保養(yǎng)成本的同時(shí)可以極大地提高測控儀器設(shè)備的使用效率，并且使得測控?cái)?shù)據(jù)信息的即時(shí)交互和共享成為了可能。

6 結(jié)語

毋庸置疑的是，在“中國制造2025”的宏觀戰(zhàn)略推動(dòng)下，精密測量技術(shù)的快速發(fā)展必將對(duì)即將迎來工業(yè)4.0時(shí)代的中國制造行業(yè)提供強(qiáng)力的支撐，可以說沒有先進(jìn)的精密測控技術(shù)和儀器就沒有處于世界一流的制造水平。目前我國在精密測量儀器方面與國外先進(jìn)水平之間還存在的很大的差距，很多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)所需的高端測量儀器嚴(yán)重仰賴國外進(jìn)口，這是我國在科研創(chuàng)新和工業(yè)制造方面的必須正視的短板，因此國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域需要抓住當(dāng)下信息化與工業(yè)化相互滲透、深度融合的發(fā)展機(jī)遇期，迎頭趕上，鑿除中國自主創(chuàng)新的尖端精密測控儀器，為我國工業(yè)和科創(chuàng)的發(fā)展提供強(qiáng)勁的動(dòng)力。

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