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科技讲座

科技讲座. 向交大附中 同学们问好！. 仪器科学与技术 Instrumentation Science and Technology. 施文康 wkshi@sjtu.edu.cn 2009.11. 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

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Presentation Transcript

  1. 科技讲座 向交大附中 同学们问好！ 1

  2. 仪器科学与技术Instrumentation Science and Technology 施文康 wkshi@sjtu.edu.cn 2009.11

  3. 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 3

  4. 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 4

  5. 测控的基本概念 定义： 确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……） 被测对象： 被测信息： 物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） … … 全部操作： 检测器具： 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 检测过程： 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出 5

  6. 测控的基本概念 例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 温度传感器 --- 热电阻、热电偶 检测器具： 操作过程： 空气  热敏电阻  电信号  处理  显示 空调机 6

  7. 信号转换 处理显示 信号检出 信号转换 信号检出 处理显示 ┇ 信号转换 信号检出 处理显示 信号检出： 功能 --- 将被测信号的转换为电信号的变化（detection） 其它环节： 通讯接口/总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、··· ···) 器件 --- 传感器（sensor, transducer） 存储、监控、决策 信号转换： 功能 --- 将传感器的输出信号转换为便于处理的形式（conversion） 器件 --- 信号调理电路（signal conditioning circuit） 处理显示： 功能 --- 分析（analysis）、处理（processing）、显示（display） 测控系统的构成 一般构成： 存储显示分析监控判断决策 接口总线 7

  8. 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 中间变换 测量装置 显示及 记录装置 实验结果 处理装置 被测对象 传感器 激发装置 8

  9. 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、制造工艺、材料及其基础 科学技术 9

  10. 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 10

  11. 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 11

  12. 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…) 12

  13. 测控系统概述 ( 地位与作用)

  14. 测控系统概述( 地位作用) 1.信息化是科学技术发展的必然 … 历史时代： 手工化 机械化 自动化 信息化 人与简单工具 动力机与机械 自动测量控制 智能机械装置 … 生产方式： 14

  15. 测控系统概述( 地位作用) 人与机器的机能对应关系： 15

  16. 测控系统概述( 地位作用) • 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 16

  17. 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。 17

  18. 测控系统概述(地位与作用) （王大衍等语） 信息工业重要组成部分 信息工业的源头 信息流 信息技术 测量 仪器仪表 计算机 通信 （钱学森语） 18

  19. 测控系统概述(地位与作用) 3.信息获取是信息流的一环,是仪器仪表的主要任务 获取 传输 处理 控制 信息流 … 信息流组成 19

  20. 测控系统概述(地位与作用) • 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 20

  21. 测控系统概述 • 地位与作用 • 工业生产 倍增器 • 科学研究 先行官 • 军 事 战斗力 • 社 会 物化法官 21

  22. 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% 22

  23. 测控系统概述( 地位作用) 检测技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% • 工业生产倍增器 23

  24. 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 在线检测 （自动化生产线）：零件尺寸、产品缺陷检测、装配定位…. 24

  25. 25

  26. 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8~12% 运载火箭试制费有一半用于仪器仪表 26

  27. 检测技术在汽车中的应用日新月异 27

  28. 测控系统概述(地位与作用) 检测技术在日常生活中的应用与日俱增 数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器 家用电器： 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 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 办公商务： 红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 医疗卫生： 数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器 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 28

  29. 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. Ernst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 29

  30. 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 30

  31. 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，以便精确的设定引爆时间。 31

  32. 1.地基拦截器 2.早期预警系统 3.前沿部署(如雷达） 4.管理与控制系统 5. 卫星红外线监测系统 测控系统概述(地位与作用) 检测技术在国防领域的应用 美国国家导弹防御计划---NMD 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 32

  33. 测控系统概述(地位与作用) 检测技术在航天领域举足轻重 火箭测控 --- 检测火箭状况、姿态、轨迹 飞行器测控 --- 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵 33

  34. 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， 神州飞船： 185台（套）仪器装置 检测参数---加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学、 34

  35. 测控系统概述( 地位作用) • “物化法官” • 检查产品质量 • 监测环境污染 • 查处违禁药物 • 识别指纹假钞 • 侦破刑事案件 35

  36. 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 36

  37. 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。 37

  38. 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.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。 38

  39. 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 39

  40. 主光栅 均匀刻线 夹角 移动 明暗相间条纹 莫尔条纹 指示光栅 (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, w1≠w2→ 纵向莫尔条纹 40

  41. 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；刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm ) 41

  42. Keyence 激光测距传感器 42

  43. 43

  44. 石英晶体的压电效应 Z Z Y Y X X (a) (b) 石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 44

  45. 声表面波 45

  46. 传感器 46

  47. 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10——15年我国仪器仪表发展的目标、方向 缩小与国际水平的差距为3～5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%. 47

  48. 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 48

  49. 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 超级企业靠标准 49

  50. 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 50

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