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测控技术与仪器专业

测控技术与仪器专业

摘要:简述仪器仪表与高新技术、网络信息技术的关系;简述MEMS技术与微型力学传感器;展望智能传感器与网络智能哈的应用;阐述计量科学与本专业的联系

关键词:仪器,高新技术,网络信息技术;MEMS技术,微型力学传感器;智能传感器,网络智能化;计量科学,量子单位制。

1.仪器与高新技术、网络信息技术的联系

仪器是认识物质世界的工具,它的主要作用在于测量和控制两方面。测量是为了确定量值,而控制是指在精准测量的基础上跟踪对象,传送信息,反馈状态并由此控制对象的动作。

著名科学家钱学森曾指出,“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。而测量技术是关键和基础。”科学是从测量开始的,而测控技术与仪器专业所代表的仪器科学与技术学科,在经济和科技发展中的作用是不可估量的。仪器仪表是工业生产的“倍增器”,科学研究的“先行官”,军事作战的“战斗力”,社会生活的“物化官”,这些无一不体现仪器仪表的在各个领域中的地位。

仪器科学与技术学科最显著的技术特征就是“精确”。所谓精确,即信息属性完整、量值准确。仪器技术主要研究信息转换、处理、控制、传输、储存、显示与应用等技术,并达到最终获取信息的目的。所以仪器科学是多学科理论为基础,多学科交叉的一门边缘科学。

所以,仪器科学对各种高新技术都相当敏感,并且集各种高新技

术于一身的应用型技术。早期仪器多为机械机构,而后又逐渐引入光学技术,形成光、机一体结构。随着电子技术的发展,电子技术也逐渐成为仪器科学中的重要部分,于是仪器设计中又不断引进先进的光学、激光技术,使得仪器向光、机、电结合的方向发展。随着计算机技术的发展,仪器仪表更加智能化,同时尖端现代仪器还结合了生物技术、材料科学等。仪器也不再是单纯的采集数据的工具,它同时兼备信号传输、信号处理以及控制。随着计算机网络技术、软件技术、纳米技术的发展,测量控制与仪器技术有虚拟化、远程化和微型化的发展趋势。各种高新技术为仪器技术提供了新原理、新材料、新工艺,使仪器技术学科交叉性与边缘学科属性的特点越来愈鲜明。

为什么把仪器科学与技术定位成信息技术,而且是信息技术中的源头技术呢?信息获取是靠一起来实现的。一条完整的信息链的构成是“信息获取——信息处理——信息传输”,如果不能获取准确的信息,那么信息的各种处理如存储、传输等都失去了意义。因此,信息的准确获取是信息技术的基础。而仪器正起到了不可或缺的信息源的作用。

仪器仪表发展的核心在于提高测量控制的技术指标和功能。具体而言,包括:(1)技术指标不断提高(检测范围,测量精度,测量速度,环境适应度等);(2)测量单元的微型化、智能化;(3)测控范围的立体化、全球化,测量控制的系统化、网络化;(4)便携式、手持式以及适应各种不同的特殊需要的仪表的大量发展。

在以信息技术和网络思想来指导仪器仪表的设计与应用的情况

下,传统仪器的结构在不断演变并产生了新的突破。现在,仪器仪表本身的硬件和软件的界限已经模糊化了,仪器仪表设计的主要基础是它的软件,而不是传统仪器仪表的硬件,这就是所谓的“虚拟仪表”。可以说,这是一起领域内的一次革命!实际上,它是一种基于计算机的数字化测量测试的仪器,利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。而其最大的特点,就是用户能根据自己的应用需求,设计自己的仪器系统。另外,虚拟仪器能够与网络技术结合,将虚拟仪器实时测量的数据上传。

当然,虚拟仪器本身不完全脱离硬件。如采集的本身是以硬件作为基础。虚拟仪器只是更为强调于计算机的融合度。而且相比传统仪器,虚拟仪器在测量速度、测量精度上也有一定差距。

2. MEMS技术

那么,是什么直接决定了获取信息的质量,关系到整个测试系统精度?答案是传感器。传感器作为现代测试系统中的首要环节而占有重要地位;而在基础科学研究中,传感器具有突出地位,许多重大的科学发现往往都源于一种新的传感测试手段的发明。在某些极端技术领域,如超高温、超低温、超强磁场、超弱磁场等,要获取大量的感官无法获取的信息,没有相应的传感器是不可能的。军事领域中,传感器是决定武器的性能和实战能力的重要因素,如洲际导弹惯性制导用的加速计传感器,其精度可达万分之一,保证了高精度命中能力。

MEMS技术即微电子机械,又称微机电系统。它是在微电子技术的基础上发展起来的,但又区别于微电子技术。在21世纪,MEMS技

术将对人类社会产生革命性的影响,是关系国民经济建设和国家安全保障的战略高科技。MEMS时美国建立在半导体技术基础上的称谓,而更强调系统概念的欧洲称之为为系统,在精密机械加工方面有传统优势的日本则称之为微机械。

MEMS是一种典型的多学科交叉的前沿性的高科技研究领域,它设计自然科学和工程技术的方方面面,如电子工程、机械工程、生物工程、物理科学、化学科学和材料科学等,可广泛地应用于航空、航天、军事、光通信、无线通信和生物医学等人类生产生活的诸多方面,被认为是面向21世纪的新兴技术乃至主导技术之一。

MEMS测试技术主要包括几何量、机械量、材料特性、力学特性、热学特性、电学特性、光学特性及声学特性等参数的测试。以上参数的测试又可分别归属到两大类,即通用特性测试技术和专用特性测试技术。MEMS通用特性测试技术主要指与微结构相关的测试,主要包括几何量(如几何尺寸及三维形貌)、机械量(如运动位移、运动速度和谐振频率)、材料特性(如硬度)及力学特性、温度场分布等方面的测试。MEMS专用特性测试技术根据MEMS力学传感器、光MEMS、射频MEMS等不同功能MEMS器件的要求,重点是力学特性、电学特性、光学特性及声学特性等综合参数的测试。

在前沿传感技术中,微电子机械系统对精密测试技术提出了新的要求,MEMS测试技术已经成为MEMS设计、仿真、制造以及质量控制和评价的关键环节之一。MEMS具有结构尺寸小和集成度高等特点,研制精度高、简单便捷和成本低的精密测试手段已经成为MEMS发展

的迫切需要。面向微结构的MEMS通用特性测试技术按照实现方式可分为接触式和非接触式,按照测试原理又可分为光学测试非光学测试。由于MEMS具有结构尺寸小、集成度高和运动频率高等特点,而非光学测试方法一般都要求在被测结构上附加相应的传感元件,这会影响微结构的完整性和机械特性,将导致不可预计的测量误差。而光学测试技术具有非接触、快速、高灵敏度、高精度和抗干扰能力强的有点,可实现大视场的测量,能够很好地满足MEMS测试的要求,因此光学测试技术在MEMS测试中处于主导地位。

对MEMS的机械运动参数(如位移、速度、振幅和频率等)进行精确的测试已经成为MEMS发展的迫切需求。目前采用的微机械量测试方法主要有电测法和光测法等。为机械的特征尺寸一般为毫米级乃至亚微米量级,远小于宏观机械,故微机械的动态特性很容易被测试过程所干扰。由于光学测试方法属于非接触测量,同时又具有分辨率好和精度高等特点,目前已经成为微机械量测试领域的研究热点。

3.简单介绍MEMS技术最早取得成功的领域——微型力学传感器

微型力学传感器是MEMS技术最早取得成功的领域。硅有良好的力学性能和力学传感特性,而且便于加工,是目前微型力学传感器的主要构成材料。微型力学传感器根据被测量,又可细分为压力传感器、应力传感器、力矩传感器、流量传感器和惯性(角速度和加速度)传感器等几类。以下简单介绍下微型压力传感器以及微型惯性传感器。

压阻式压力传感器。目前大多数商品化的压力传感器均有采用。

电容式压力传感器。它是根据电容器两块电极板之间距离的变化

导致的电容值的变化来测量压力变化。

谐振式压力传感器。它是通过检测微机械谐振梁谐振频率的变化来实现压力的测量。

而至于未来的发展趋势,微型压力传感器在生物医疗中的应用是当前该领域的热点,其主要用于人体血管及脑内压力的监控,脉血压以及尿道、膀胱、子宫等内压力的测量,心室压力波形的检查研究和肠胃压力的短期监控等等[3]。

微型惯性传感器,包括微加速度计和微陀螺,是利用物体的惯性性质来测量物体运动情况的一类传感器。这类传感器在进行轮船、飞机、航天器和武器的导航、制导、姿态控制和惯性测量上应用性很强。与卫星导航不同,惯性传感器导航不受外界条件的影响,完全通过记录自身运动情况来完成定位,而卫星导航又常常受到地理环境或人为因素的破坏、干扰导致不能正常运行。只要确定初始的位置、速度、姿态,理论上就可以记录当前的运动状态以及位置。但实际上,能够满足惯性级性能要求的微机械惯性传感器还很不成熟。除了在器件的结构、材料等方面继续努力以外,对于测试电路和封装技术等主要制约因素的深入研究也很有必要。

4.智能传感器与网络智能化

把敏感技术和信息处理技术结合起来,就是所谓智能传感器。智能传感器的概念最初是NASA在开发宇宙飞船的过程中形成的。宇宙飞船在太空飞行时,要安装大量的传感器进行科学实验,而处理如此多的有传感器所获取的信息,需要一台大型的计算机,二者在飞船上

是无法做到的,于是提出了分散处理的设想,从而产生出智能传感器。微处理器的出现使得智能传感器的设想得以实现。一般来说,智能传感器具有如下几个特点:1. 能够进行自动补偿 2. 具有自检、自诊断和自校准功能 3. 具有复合敏感功能 4. 具有判断、决策能力 5. 具有数据存储、记忆与信息处理功能 6. 具有双向通信和标准化数字输出的功能。如此,不仅有多项功能来保证高精度,而且传感器不再只是个数据源,更扮演了整个信息链中其他环节的部分角色,优化了效率。

智能传感器是传感器今后一个重要的发展方向。随着硅微细加工技术的发展,新一代智能传感器功能将会更加丰富,体积更加微型化;它将利用人工神经网络、人工智能、信息处理技术等,使传感器具有更高级的智能化水平。

早在上世纪80年代,人们就开始探索将神经网络应用到智能传感器上。人工神经网络使智能传感器具有更多的潜能,对于传感器应用而言,提高其测量精度,特别是在不清楚传感器的数学模型或其传递函数的情况下,就更具有重要意义。目前,神经网络主要用于智能传感器的多传感器融合、数据处理、目标识别和故障诊断等方面。

网络化智能传感器是目前国内外竞相研究的传感器前沿技术之一。网络化智能传感器融合了通信技术和计算机技术,其实质是在智能传感器的基础上实现网络化和信息化,是传感器具备自检、自校、自诊断和网络通信功能,从而实现信息的采集、传输和处理。网络化智能传感器是以嵌入式微处理器为核心,集成了传感单元、信号处理

单元和网络接口单元的新一代传感器。

应用网络接口技术是传感器能方便地接入网络,为系统的扩充和维护提供了极大的方便。网络化智能传感器时传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展,从孤立元件向系统化、网络化发展,从就地测量向远距离实时在线检测发展成为了可能。

而网络化智能传感器的关键技术是网络接口。网络化智能传感器必须符合某种网络协议,是测控数据能直接入网。随着电子和信息技术的高速发展,通过软件或硬件方式将通信协议嵌入到智能化传感器已经成为可能。

5.计量科学与本专业的联系

计量科学与制造自动化与测控技术专业紧密相关,更是自然科学的基础和前沿。计量是保证仪器仪表质量,研究测试方法和规范国民经济和社会发展各领域量的度量,是直接体现测量控制与仪器仪表作用的科学。

毫无例外,每一项科技发明、每一项技术创新从论证、实验、鉴定乃至推广,验证其科学与成功的每一环节都必然需要计量测试数据,是自然科学的发展中不可缺少的手段。例如,美籍华人吴健雄博士就是通过精密测量,用实验方法在美国国家标准技术研究院的实验室里验证了世界著名物理学家诺贝尔奖获得者李政道和杨振宁所提出的弱相互作用下的宇称不守恒理论。

而在现代化生产过程中,产品质量是企业的一大根本。没有精确的计量仪器和测量方法,就难以保证产品的质量和效益。原材料、元

器件进场的监测和分析,生产加工的质量监控,到成品的检验,以及物料和能源的消耗情况都需要计量提供准确的数据。所以质量的管理与效益的提高,必须建立在计量科学技术的基础上。

我们可以从几个侧面大致了解当今计量测试技术的发展情况。

激光铯原子喷泉钟350万年不差一秒。铯原子时间频率基准复现的原子秒,其准确度比其他计量单位提高了10^6倍。这样的准确度并非没有意义。相反,比如像导弹上面安装了精密传感装置,以接受装有GPS的卫星发来的信号,但要使导弹命中率高,关键有精确的计时装置。亿分之一秒的误差就可能导致导弹3米的误差!

又如中国计量科学研究院在03年建成了量子化霍尔电阻标准装置,并使我国的量子化霍尔电阻标准准确度比国外最好的同类装置高出近10倍,误差仅为百亿分之一。这一重大成果,不仅突破了国外技术封锁,还为课题提供了核心器件,并具有我国自主知识产权。

当代计量学正处于经典物理学与量子物理学的交界处。21世纪的计量学是利用原子与原子间的物理特性及其新型量子效应和基本物理常数,建立的新型量子单位制。

例如,利用量子跃迁现象来复现计量单位,就可以从原理上消除各种宏观参数不稳定产生的影响,所复现的计量单位不再会发生缓慢飘移,计量基准的稳定性和准确度可以达到空前的高度。更重要的是,量子跃迁现象可以在任何时间、任何地点用原理相同的装置重复产生,不像实物基准是特定的物体,一旦由于事故而损毁,就不可能再准确复制。如第一个使用量子计量基准的长度单位,其原理是利用86Kr

原子在两个特定能级之间发生量子跃迁时所发射的光波波长作为长度基准,准确度达到10^(-9)量级。又如秒的新定义为“铯-133原子基态的两个超精细能级之间月前所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间”

小结:制造自动化与测控技术是一门应用性较强的学科。它与时俱进,同许多最新高新技术都有密切联系;并且其学科交叉性很强。测量是自然科学的基础,所以要想适应科技发展的需要,有所突破,必须对多个领域均有所涉猎。并且,一定要树立“仪器科学技术是信息技术”的观念,因为只有这样的仪器仪表科学技术才是高度发展、顺应时代的。