浅析测控技术与仪器的发展应用

付元辰

摘 要：本文概述了测控技术与仪器这一技术的发展历程与当下的研究现状，并对于测控技术与仪器专业给出了具体的解读，同时简要介绍了测控技术与相关仪器设备在日常生产生活和国防军事领域中的广泛应用，并展望了测控技术与仪器未来的技术发展趋势。

关键词：测控技术与仪器；精确制导武器；传感器；虚拟仪器

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）01-0059-03

1 前言

测控技术与仪器是一门几乎在人类开始使用工具之后即宣告诞生的相关行业，在其漫长的发展历程中出现了许多凝聚人类智慧结晶的科学创新或技术生产的成果，如精密的日晷、“候风地动仪”、指南车等等，给人们的日常生产生活带来了极大的便利。随着科学技术日新月异的发展，测控技术与仪器已经演变成渗透到精密机械、光学器材、信息通讯、电力电子等诸多领域的综合性专业门类。在我国社会信息化程度和数字化程度日益提升的今天，可以说，缺乏先进的测控技术和高端的精密仪器，提升工业自动化、智能化制造的水平显然是难以实现的。在大力推行“中国制造2025”的宏观战略环境下，以智能制造为主导核心的工业4.0体系对于测控技术和仪器基础水平的仰赖是有目共睹的，测控技术与仪器将扮演着越来越重要的角色。

2 测控技术与仪器的具体解读

（1）测控。对于测控技术与仪器这一专业门类，可以将其拆开来看，分别来弄清这几个概念。字典释义中“测”就是测量，“控”就是控制。“测”是指采用各种方法获得反应客观事物或对象的运动属性的各种数据，并对数据进行记录及必要的处理。“控”是采用各种方法支配或约束某一客观事实事物或对象的运动过程以达到一定目的。

由此可见，测量控制一个是认识事物，另一个是改造事物，两者都需要各种手段和方式，这也即是说测控技术与仪器专业所涵盖的知识体系必然与机械、光学等多个学科相互融贯，有较强的综合性。

（2）技术。字典释义中技术就是关于劳动工具的规则（即制作方式与使用方法）体系，其目的在于提高劳动生产力。测控技术与仪器专业为国家各项科技项目，各行各业提供基本制造，研究的设备与仪器，其对技术上的要求自然会很高。机械、光学、电子信息等各方面的知识点都会被应用到仪器设备的研发、制造和生产中来帮助人类利用和改造自然。

（3）仪器。字典释义中仪器仪表可以简单理解为观察测量各种参数的器具或设备。仪器是进行高新技术研究的基础。在人类的科学探索、生活实践与生产活动中，要观察、测量、控制的量越来越多。仪器仪表俨然成为一个重要产业，在支持科技进步的同时为生产生活提供重要保障，见表1。

3 日常工业生产中的主要应用

3.1 测控技术在冶金工业中的应用

冶金工业中的炼铁和轧钢两个方面是测控技术与仪器的主要应用领域。目前世界上普遍用的炼钢法是高炉炼钢，这种方法工艺简单，产量大，能耗低。此法生产的铁占世界铁产量的95%。在高炉冶铁中，需要检测的参数有：炉顶煤气气体成分分析，炉身各层静压力，全压差，半压差检测，炉内焦，矿层厚度，风口检测，冷热风温度，载气流量和压力监测，料面形状等等。其中需要进行自动控制的环节主要有：热风炉控制，喷吹煤粉控制，给排水控制，高炉，装料控制，高炉鼓风机控制，煤气净化控制。

轧钢生产中的自动控制系统：液压控制系统，活套控制，卷曲控制，润滑剂系统控制，运输链转运控制，轧钢机速度控制，带钢厚度控制等等。使用的检测仪表有：轧件跟踪仪表，针孔测量仪，称重仪，延展率测量仪，镀层厚度测量仪，测力仪，测长仪，测宽仪等等。

3.2 测控技术在煤炭工业中的应用

现代化的采煤不论是勘探，开采还是加工都离不开测控技术的支持。煤炭转化，加工更离不开自动控制系统。其中在保障安全性方面的仪表就有：煤矿噪声测量仪，检测瓦斯含量仪器，尘粉检测仪，矿井大气参数和气候条件检测仪，矿井环境与安全监测监控系统。不仅如此，在煤炭焦化加工过程中，在很多环节中也要用到检测与自动控制技术。其中主要测量仪表有以下四类：（1）原料煤性状的检测；（2）燃烧过程中的检测；（3）炉体状态的检测；（4）焦炭品质与熄焦过程的检测。在整个煤炭工艺中，几乎所有程序都是自动控制过程，如煤炭的定量给料控制，加水加粘结剂控制，炼焦炉的燃烧控制等等（图1）。

3.3 测控技术在化学工业中的应用

化学工业是属于知识和资金密集型的行业，基于其高能耗、生产流程复杂以及对生产连续性的严格要求等特点，化工工程中控制的自动化水平，生产安全性，节能降耗以及绿色环保综合考虑是保证其企业正常运行的关键。从提高化工企业的生产效率，在电子信息时代更多地以计算机控制代替简易人工操作，改善劳动条件等方面来考量，化工自动化将在可预见的未来成为发展的趋势，而测控技术在其中则扮演着重要的角色。化工过程中常见测控仪表与装置包括温度压力等检测与执行仪表和安全仪表系统等控制策略分析的部分（图2）。

3.4 测控技术在电力工业中的应用

电力工业是一种能源转化的工业，而测控技术在其中发挥了重要作用。在生活中，发电的主要形式还是火力发电。其中蒸汽锅炉在火电系统中占主要地位，而锅炉自动控制系统分为燃烧、给水和气温控制三个部分。燃料部分实时监控的部分包括燃料量检测，炉膛安全监测，风煤比例控制炉膛压力监测，二次风（辅助风，燃料风，燃尽风）的控制等等，给水部分需要通过控制保证充足的蒸汽流量。而锅炉气温控制系统则是为了防止汽轮机末级带水，在保障安全性的同时尽可能地提高热力循环效率。

3.5 测控技术在医药医疗行业中的应用

医疗行业以治愈疾病为目的的，同时也具备了机械、生物、光学等多学科综合交叉的特点。医学上一共包括6大类图像仪器：检测仪器、检验仪器、治疗仪器、康复仪器、诊断仪器、远程医疗仪器。医疗仪器的豐富，能确保病人康复进程、治疗效果和手术安全，在一方面减少病患者的痛苦，而在另一方面大大提高了手术安全性（图3）。endprint

在医药行业方面，医疗用药关乎病人健康，所以对其的要求也相应很高。随着电子信息技术和先进机械技术的引进，药品工艺越来越先进，医疗仪器一再创新。比如，压片机可以瞬间将原材料压成药片形状，并且产品的各项参数都严格符合标准。此外，对药品成分分析监控与检测装置一体化，在提高了药品生产率的同时大大增加了药品可靠性和质量。

4 军事领域的主要应用

任何一种现代化军事装备离不开测控技术与仪器，纵观近几十年的现代化战争及演练，各种战争武器都离不开测控技术与仪器，精确制导武器即是一个典例（图4）。其制导方式主要包括了以下几种类型：（1）无线电制导，红外制导以及电视制导都是利用其探测物理量进行的，利用这种物理量来进行导弹定位和位置引导，可以又快又准地对目标进行打击；（2）雷达制导：分为雷达波束制导方式和雷达寻的制导。我国歼十机载两枚8空空导弹就采用主动雷达制导，无线电近炸音信，有多目标攻击能力；（3）自主式制导：其飞行过程与目标，雷达站，指挥所没有任何关系。事先由人为给予飞行路线，包括惯性制导，方案制导以及地形匹配制导还有星光制导，在各种传感技术和精密导航技术的支持下，自主式制导导弹的抗干扰能力会极大增强；（4）遥控制导：这种制导方式下，导弹飞行参数与人为控制如指挥站，雷达站联系比较密切。主要是指令制导和波束制导。在制导站向武器传输命令的同时，指挥站会对目标进行识别和跟踪，并计算飞行速度和角度然后控制导弹按一定方向飞去；（5）复合式制导：由不少于两种制导方式复合而成。由于导弹在飞行过程中会遭遇种种不利天气或地势因素的影响，多种制导方式组合会大大增加命中率。

5 测控技术与仪器的未来发展趋势

5.1 新型傳感器

传感器作为信息化工业的关键元器件，其性能和成本方面的研究一直是测控技术与仪器领域的关注热点。未来传感器将沿着功能不断集成、数字网络化程度不断提高、智能化程度不断提高的方向发展，同时电子信息、材料科学、通讯技术等领域的最新研究成果也会不断在传感器上应用以丰富传感器的适用探测范围，提高传感器的感知性能。目前应用了仿生学领域成果的生物传感器和应用了无机材料领域成果的光纤传感器正逐渐成为最受人关注的研发成果。可以预见的未来，传感器必将体积更加轻便，探测感知性能更加灵敏且具备网络化的特征，甚至兼具越来越多的智能功能。

5.2 虚拟仪器设备系统

随着LabVIEW等系统工程软件逐渐广泛而深入的应用于测控技术与仪器行业，虚拟仪器设备系统的概念不再是一个全新的词汇。计算机信息技术的发展使得仪器的研发、设计、制造乃至使用都可以在相应的仿真环境下完成，由计算机相关软件和数据采集设备等硬件所构成的虚拟仪器设备系统已经逐渐成为现代测控技术的中流砥柱，与传统的仪器设备相比虚拟仪器设备系统具备很多不可比拟的优势，譬如依托计算机强大的数据处理能力拜托了对仪器设备物理实现形式的依赖，在系统内部实现了各种软硬件的资源共享，且虚拟仪器强大的可视化操作、图形化编程的能力是传统仪器设备难以望其项背的。在未来虚拟仪器将凭借其快捷方便的数据通讯、灵活的数据编辑功能以及低廉的成本进一步扩大其相对于传统测控仪器设备的优势（图5）。

5.3 远程测控

随着工业化的不断推进，可预见的未来大范围远距离的测控将成为常态，远程测控技术的蓬勃发展给解决这一问题带来了曙光，类比于互联网以及新兴的物联网、车联网等概念，网络化的远程测控系统将逐渐成为未来发展的主流，这样在降低生产制造和维护保养成本的同时可以极大地提高测控仪器设备的使用效率，并且使得测控数据信息的即时交互和共享成为了可能。

6 结语

毋庸置疑的是，在“中国制造2025”的宏观战略推动下，精密测量技术的快速发展必将对即将迎来工业4.0时代的中国制造行业提供强力的支撑，可以说没有先进的精密测控技术和仪器就没有处于世界一流的制造水平。目前我国在精密测量仪器方面与国外先进水平之间还存在的很大的差距，很多高新技术产业所需的高端测量仪器严重仰赖国外进口，这是我国在科研创新和工业制造方面的必须正视的短板，因此国内相关领域需要抓住当下信息化与工业化相互渗透、深度融合的发展机遇期，迎头赶上，凿除中国自主创新的尖端精密测控仪器，为我国工业和科创的发展提供强劲的动力。

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