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1、 现代仪器实践题目：现代智能仪器综述学 院： 机 械 工 程 学 院专 业： 测控技术与仪器班 级： 2011级 2 班 学 号： 201102540218 学生姓名： 提交日期： 2014年 3月27日 前言 据了解，作为战略新兴产业的重要内容，高端装备制造业十二五的发展思路和相关政策措施已经明确，十二五高端装备制造发展将选择五大方向重点突破，分别是航空装备、卫星及应用、轨道交通装备、海洋工程装备和智能制造装备。智能制造装备方面，将重点发展智能仪器仪表与控制系统、关键基础零部件、高档数控机床与基础制造装备、重大智能制造成套装备等四大类产品。 智能仪器仪表技术是一门集电子技术、单片机技术，自动
2、化仪表、自动控制技术、计算机应用等于一体的跨学科的专业技术。自20世纪90年代初以来，这项技术已逐步引入到国内工科专业中的电子信息、通讯、自动化、计算机应用等信息类专业中。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，测控仪器仪表的智能化、总线化、网络化发展已在各个相关行业呈现出广阔的发展前景，同时也日益成为工程界和科技界人士所关注的重要问题之一。因此，了解和熟悉现代智能仪器仪表的特点功能，发展趋向及其应用前景是十分重要和必要的。第一章智能仪器概述1.1仪器仪表概念 在我国，仪器与仪表这两个词的应用并无严格的区别，人们一般按照各自的习惯使用及定义某类装置的名称。一般地说，具有显示和记录装置的仪表，成为
3、“仪”或“表”，如温度仪，记录仪，电流表等。没有显示或虽然有显示但不作为主要功能的仪表成为“器”，如传感器、变送器等。然而有些具有显示功能的仪表也习惯地成为器，如示波器。总之，仪表和仪器术语间的区分很不明显。但是“仪表”这一术语现在不仅仅限于以指示或记录为唯一功能、以检测为主要目的的设备，想调节器、变送器、执行器及控制器的那个装置统称为仪表。所以这里沿用这一广义的概念，简略的称之为智能仪表。仪器仪表是获得信息的重要工具，钱学森院士对新技术革命做出论述：“新技术革命的关键是信息技术。信息技术有测量技术、计算机技术、通信技术三部分组成。测量技术是关键和基础。”现在人们通常最关注的信息技术，只知道就
4、是计算机技术和通信技术，而关键的基础性的测量技术往往会被忽略。所以，相对于计算机技术和通信技术的日新月异迅猛发展，国内测量技术的高科技新技术发展就显得比较滞后，无法完全满足信息时代在生产、科研、环境和社会等领域的越来越多、越来越高的需求。1.2现代智能仪表概念 近些年来，随着微处理器和单片机的发展和广泛应用，出现了一种新型的专用仪器现代智能仪器。这种仪器一微处理器或单片机为核心，具有信息采集、显示、处理、传输以及优化检测与控制等多种功能。有些甚至还具有专家推断、逻辑分析与决策的能力。智能仪器的出现，极大地扩充了常规仪器的应用范围。由于现代智能仪器一开始就显示它强大的生命力，目前已成为仪器仪表发
5、展的一个主导方向。它的不断发展对自动控制、电子技术、国防工程、航天技术与科学实验等将产生极其深远的影响。现代智能仪器是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器，拥有对数据的存储运算逻辑判断及自动化操作等功能。现代智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。现代智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。第二章现代智能仪器的历史2.1现代智能仪器的发展概况 80年代，微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，测量系统常通过IEEE488总线连接。不同于传统独立仪器模式的个人仪器得到了发展等。90年代，仪器仪表的智能化突出表现在
6、以下几个方面：微电子技术的进步更深刻地影响仪器仪表的设计；DSP芯片的问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力；图像处理功能的增加十分普遍；VXI总线得到广泛的应用。 近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。 国际上智能测量仪表更是品种繁多，例如，美国HONEYWELL公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器，
7、能进行差压值状态的复合测量，可对变送器本体的温度、静压等实现自动补偿，其精度可达到0.1%FS；美国RACA-DANA公司的9303型超高电平表，利用微处理器消除电流流经电阻所产生的热噪声，测量电平可低达-77dB；美国FLUKE公司生产的超级多功能校准器5520A，内部采用了3个微处理器，其短期稳定性达到1ppm，线性度可达到0.5ppm；美国FOXBORO公司生产的数字化自整定调节器，采用了专家系统技术，能够像有经验的控制工程师那样，根据现场参数迅速地整定调节器。这种调节器特别适合于对象变化频繁或非线性的控制系统。由于这种调节器能够自动整定调节参数，可使整个系统在生产过程中始终保持最优的状
8、态。2.2我国发展概况 随着科学技术的飞速发展和自动化程度的不断提高，我国仪器仪表行业也将发生新的变化并获得新的发展。高科技化不但是现代仪器仪表的主要特征，而且是振兴仪表工业的必由之路，也是新世纪仪器仪表及其产业的发展主流。伴随现场总线的问世，过程测控仪表发展历程出现了重大转折和难得机遇。目前现场总线已成为全球自动化技术的热点。现场总线是用于现场智能化仪表与控制室之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。它的产生，既是广大用户的实际需求和制造厂商间技术竞争的结果，也是计算机技术、通信技术和控制技术在工业控制领域相结合的产物和产品升级，以及为实现进一步的高精度、高性能(特别是多参数在线实时
9、测控与自动测控)、高稳定、高可靠、高适应性，多功能、低消耗等提供了巨大动力和发展空间。应用领域，特别是非传统应用领域的进一步拓展，为仪器仪表工业的持续发展注入了新活力、新动力。仪器仪表产品的总体发展趋势是“六高一长”和“二十化”。纵观历史，剖析现状，展望未来，可以提出如下结论：日后，传统的仪器仪表将仍然朝着高性能、高精度、高灵敏、高稳定、高可靠、高环保和长寿命的“六高一长”的方向发展。 4 第三章现代智能仪表的特点3.1现代智能仪表的功能特点 随着微电子技术的不断发展，集成了CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至AD、DA转换器等在一块芯片上的超大规模集成电路芯
10、片(即为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“现代智能化测量控制系统”，也就是现代智能仪器。与传统仪器仪表相比，智现代能仪器具有以下功能特点： 操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。 具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。 具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采
11、用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，不仅使用户从繁重的数据处理中解放出来，也有效地提高了仪器的测量精度。 具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观
12、。 具有可程控操作能力。一般智能仪器都配有GPIB、RS232C、RS485等标准的通信接口，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务3.2现代智能仪表的典型结构 现代智能仪器由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入/输出通道、人机接口电路、通信接口电路。现代智能仪器的软件分为监控程序和接口管理程序两部分。监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序；接口管理程序是面向通信接口的管理程序，接收并分析来自通信接口总线的远控命令。3.3现代智能仪表主机的选择在实际微处理器选择中，往往会感到许多型号的微处理器都能满足设计要
13、求，这时主要取决于设计人员对某种微处理器的熟悉程度。由于51系列单片机是单片机的主流机型，技术性能及开发手段都较成熟，并在我国应用较普遍，因而，51系列单片机在智能仪表设计中得到了广泛应用。在选择智能仪表主机电路时，目前应尽量先选用性能价格比高的8位/16位单片机，同时也要关注最新技术的进展，不失时机地把最先进的含有微处理器的电路芯片或平台引入到智能仪器的设计中来。3.4现代智能仪表的分类智能仪表分类的方式有很多，也没有统一的标准。如果从功能用途和智能化程度两方面划分，均可分为三大类。1、从软件结构和功能用途分类传统仪表分类，以工业自动化仪表为例，按这类仪表的功能可分为检测仪表、显示仪表和调节
14、仪表及执行器等。现代智能仪表按照功能可以分为三大类：智能化测量仪表（包括分析仪器）、智能化控制仪表和智能化执行仪表（智能终端）。2、从智能化程度分类含有微型计算机或微处理器的智能仪表，按其智能化程度不同，其层次就有较大的区别。 这种分类具有兼容性、相关性、方向性的特点。这种细致分法是有向的，高一级别向下兼容，第一级别向高级发展，相邻两类之间有重叠（即交叉）。初级智能仪器除了应用了电子及测量技术以外，其主要特点是应用了计算机测量处理技术。更严格地讲，还应包括测量数学。这类仪器仪表已具有了拟人的记忆、判断及简单的决策功能，但没有自学习、自适应功能。初级智能仪器仪表从使用角度看，已具有自校准、自诊断
15、、人机对话等功能。目前绝大多数智能仪表可归于这一类。模型化仪表是在初级智能仪表基础上又应用了建模技术和方法。它是以建模的数学方法及系统辨识技术作为支持。这类仪器仪表可以对被测对象状态或行为作出估计，可以建立对环境、干扰以及仪器仪表的参数变化作出自适应反应的数学模型，并对测量误差（静态或动态误差）进行补偿。模式识别可以作为状态估计的方法而得到应用。这类仪器仪表具有一定的自适应、自学习能力，目前这类仪器仪表的技术与方法及其工程实现问题正在研究。高级智能仪器仪表是智能仪表的最高级别。人工智能的应用是这类仪表显著特征。这类仪器仪表可能是自主测量仪表。人们只需要告诉仪表要做什么，而不要人为地去操作。这类
16、仪表运用模糊判断、容错技术、传感器融合、人工智能、专家系统等技术。这类仪器仪表具有较强的自适应、自学习、自决策、自推断的能力，从而使仪器仪表工作在最佳状态。 第四章现代智能仪表的应用与发展4.1现代智能仪表的应用及主要趋势 数字技术的出现把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别参量的测量转变成测量整个系统的特征参数，从单纯的接受、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。计算机技术在仪器仪表中的进一步渗透，使电子仪器在传统的时域与频域之外，又出现了数据域测
17、试。90年代，仪器仪表与测量科学技术突破性进展是仪器仪表智能化程度的提高；DSP芯片的大量问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力和图象处理功能；现场总线技术是90年代迅速发展起来的一种用于各种现场自动化 设备与其控制系统的网络通信技术，Internet和Internet技术也将进入控制领域。现代仪器仪表产品将向着计算机化、网络化、智能化、多功能化的方向发展，跨学科的综合设计、高精尖的制造技术使它能更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、检测、控制对象的全方位信息。未来10年，而更高程度的智能化应包括理解、推理、判断与分析等一系列功能，是数值
18、、逻辑与知识的结合分析结果，智能化的标志是知识的表达与应用。利用物理学的新效应和高新技术及其成就开发新型高灵敏度、高稳定性、强抗干扰能力传感器技术和测试仪器仪表。如：利用高温超导量子干涉仪（SGUID）开发计量测试仪器、物理学测试仪器、地理和地质学仪器、化学分析仪器、医疗仪器、无损材料检测仪器等。利用椭偏技术来检测光纤、光学玻璃等，它与近场光学相结合，不仅可以测量表面精细结构，同时根据近场光学反射偏振信息可以分辨出被测物体的材料，这是目前实验研究新探索。将可调谐稳频激光光谱仪技术用于高精密的几何量与机械量和多种无形态的量的测量，开发以新一代微型光纤传导激光干涉仪，它的测量范围可以从纳米到几米或
19、更大的范围，分辨率可达10mm。4.2现代智能仪表的技术趋势 仪器仪表作为信息工业的源头，是以电脑和微处理器的技术为核心技术，以计算机、网络、系统、通信、图像显示、自动控制理论为共性关键技术基础。这些信息技术应用到仪器仪表中，促成仪器仪表产品升级为智能仪器仪表，发展成为信息工业领域中一大系列产品群体。仪器仪表产品正向智能化、微型化、网络化和虚拟化方向迅速迈进。微型化：仪器仪表产品微型化主要归结于超大规模集成（VLSI）新器件、微机电系统（MEMS）、圆片规模集成（WSI）和多芯片模块（MCM）等；采用微控技术、微加工技术、微检测技术、微光源、微分光光学系统、微传感器等，使仪器仪表产品体积缩小，
20、精度提高。智能化：仪器仪表产品智能化主要归结于微处理器和人工智能技术的发展与应用。以美国德州仪器公司提出的“DSPC”概念为例，以DSP芯片为核心，配合先进的混合信号电路、ASIC电路、元件及开发工具等提供整个应用系统的解决方案。目前DSP的生产工艺正在由0.35m转向0.25m、0.18m、0.13m，2005年可达到0.075m。到2010年，DSP芯片的集成度将会提高11倍，单个芯片上将会集成5亿只晶体管。 网络化：由于测量设备自动化、智能化水平的提高，多台仪器联网已推广应用，虚拟仪器、三维多媒体等新技术开始实用化。仪器仪表产品网络化主要归结于现场总线技术。基于现场总线的FCS（Fiei
21、dbusControlSystem）将取代DCS成为控制系统的主角，Internet和Intranet技术也进入控制领域，网络化系统渗透到企业从生产到管理、直到经营等各方面。通过Internet网，仪器用户之间可异地交换信息和浏览，厂商能直接与异地用户交流，能及时完成如仪器故障诊断、指导用户维修或交换新仪器改进的数据、软件升级等工作。国外著名仪器厂商正在积极研制和开发新型网络化智能化测量设备，如美国P&SDataCom（Microchip）公司通过多年对智能设备与网络间通讯方式的研究和开发，发明了具有专利的通用网络通讯控制器芯片-WebChipTM，并提供了一种简单、低价格、完整的智能设备网络
22、连接方案。虚拟化：仪器仪表产品虚拟化主要归结于虚拟现实技术。它是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生各种感官信息，使参与者有身临其境的感觉，能体验、接受和认识客观世界中的客观事物，深化概念和建造新的构想和创意。4.3现代智能仪表发展的新阶段 测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。在虚拟现实系统中，数据分析和显示完全用PC机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC机组成测量仪器。这种基于PC机的测量仪器称为虚拟仪器。在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。可见，软件系统是虚
23、拟仪器的核心，“软件就是仪器”。传统的智能仪表主要在仪器技术中用了某种计算机技术控制工程网版权所有，而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。 第五章心得体会 随着计算机技术、网络技术的进步和不断拓展，21世纪的仪器仪表概念将是一个开放的系统概念。以PC机和工作站为基础，通过组建网络来构成实用的测控系统，提高生产效率和共享信息资源，已成为现代智能仪器仪表发展的方向。网络化仪器仪表的概念是对传统测量仪器仪表概念的突破。从某种意义上说，计算机和
24、现代智能仪器仪表已相互包容，计算机网络也就是通用的仪器仪表网络。如果在测控系统中由更多不同类型的智能设备也像计算机和工作站一样成为网络的节点联入网络，它们充分利用目前已比较成熟的Internet网络的设备，则将不仅能实现更多资源的共享、降低组建系统的费用，还可提高测控系统的功能，并拓展其应用的范围。“网络就是仪器”的概念，确切的概述了仪器的网络化发展趋势。“十二五”期间，我国智能仪表行业实现大规模发展还须做好三方面工作：一、目前智能仪表还处于初级智能化阶段，亟须结合具体的应用需求全力开发高级智能化的仪表技术，智能仪表的智能化程度有待进一步提高；二、随着智能仪表技术的不断拓展、新型的智能仪表将陆续投放市场，智能仪表的稳定性、可靠性有待进一步提高；三、仪表厂商需要与用户建立良好的合作伙伴关系，加强长期合作，以短期投资促长期效益，智能仪表的潜在功能应用有待最大化；四、目前国内智能仪表技术及产品开发正面临着更大的挑战，在日益优厚的国家及政府扶持政策下，坚持产、学、研的密切结合，继续加大国内智能仪表的开发投入。现代智能仪表体现了制造业的智能化、数字化和网络化的发展要求。随着计算机技术、网络技术的进步和不断拓展，“十二五”期间，现代智能仪表行业将迎来大发展。
