测量控制与仪器仪表现代系统集成技术

当今世界已进入信息时代，信息技术成为推动科学技术和国民经济发展的关键技术。测量控制与仪器仪表作为对物质世界的信息进行采集、处理、控制的基础手段和设备，是信息产业的源头和重要组成部分。仪器仪表是工业生产的“倍增器”，科学研究的“先行官”，军事上的“战斗力”，国民活动中的“物化法官”，应用无所不在。

现代测量控制与仪器仪表是机械、电子、计算机、材料、物理、化学、生物等领域先进技术的高度综合，是一个国家科技和国民经济发展水平的重要标志。测量控制与仪器仪表工程师是国家急需的专业技术人才。为了适应我国经济发展的需要和政府职能的转变，发展和规范专业人才评价工作，推动人才的合理交流和用人单位的量才录用，促进工程师资格国际互认，经中国科学技术协会批准，中国仪器仪表学会已正式开展测量控制与仪器仪表工程师资格认证(Measurement & Control and Instrumentation Engineer Accreditation,MCIEA)工作。为保证MCIEA工作的顺利进行和确保MCIEA的质量，将MCIEA与专业继续教育、培训和资格考试紧密结合，中国仪器仪表学会委托授权15所高校建立第一批MCIEA培训考试中心，开展培训和组织考试。为此，中国仪器仪表学会组织专家、教授专门编写了这套MCIEA培训教材，经MCIEA教材编审委员会及有关单位的专家审定正式试用。

这套MCIEA培训教材包括《测量控制与仪器仪表的前沿技术及发展趋势》与《测量控制与仪器仪表现代系统集成技术》两本教材。两本教材对测量控制与仪器仪表应用最多且发展较快的一些前沿技术及发展趋势进行了全面描述，对测量控制与仪器仪表现代系统集成技术的原理、应用和发展进行了重点说明。这套教材内容广泛、深入浅出、条理分明，在突出技术先进性的同时，兼顾技术的实用性，力求学员在领会测量控制与仪器仪表的前沿技术及发展趋势、提高接受和运用新技术能力的同时，了解测量控制与仪器仪表现代系统集成技术的本质、提高解决实际问题的能力。这些知识和能力是一个现代测量控制与仪器仪表工程师需要具备的。中国仪器仪表学会名誉理事长

Foreword随着经济的全球化，制造业也正快速地走向国际化、集成化和柔性化。现在已经进入了信息时代，信息工业的发展仰赖于信息的获取，而信息的获取是由仪器仪表来实现的，仪器仪表是现代科技的前沿技术，是复杂大系统集成的基础。

为适应我国政府职能的转变，发展和规范专业人才评价工作，充分发挥工程技术人员的积极性和创造性，促进人才的合理交流，鼓励他们在推进技术进步、振兴经济中作出贡献； 为适应科技发展的需要，赶上世界科技进步的步伐，提高我国测控技术的水平，在政府宏观指导下，开展社会化的测量控制与仪器仪表工程师资格认证工作，推进测量控制与仪器仪表工程师资格国际互认，中国仪器仪表学会和人事部全国人才交流中心推出了测量控制与仪器仪表工程师资格培训、考试和认证。本书就是根据测量控制与仪器仪表工程师资格认证标准（MCIEA）的教学大纲编写而成的。

本书总结了编著者长期的教学经验与科研工作成果，荟萃了有关现代测量控制与仪器仪表系统集成技术的理论和成果，着力反映这一学术领域的当代发展水平，使培训学员在系统掌握测控系统的基础理论、技术与方法的基础上，重点学会系统集成，以提高解决实际问题的能力。同时本书力图做到概念清楚、深入浅出，对测量控制与仪器仪表现代系统集成技术有关的共同性理论和方法进行了系统全面的阐述。

本书共分6章。

第1章绪论。人类在其自身的社会发展中创造并发展了仪器测量学，本章介绍了仪器仪表在国民经济中的地位、仪器仪表技术的发展现状、现代仪器仪表系统的基本结构与组成、仪器仪表集成的基本概念及意义。

第2章仪器仪表中的传感集成技术。传感器是测控技术的基础，本章介绍了现代传感技术的发展、现代传感技术在仪器仪表集成系统中的位置和作用、测量系统的基本功能、传感器的分类、典型传感器及其在仪器仪表系统集成中的应用，以及光电传感技术和微型传感集成系统。

第3章系统及系统特性描述。集成信息化大系统向着开放、集成、高速和网络管理智能化方向发展。本章介绍了系统集成的概念、基本集成模块，阐述了系统建模及仿真以及系统控制集成技术。

第4章仪器仪表计算机系统集成技术。仪器仪表计算机系统是大生产的重要组成部分。本章论述了计算机集成仪器仪表系统的基本功能结构、系统集成中的计算机接口技术、智能仪器系统的硬件处理技术、智能仪器系统处理技术及基于虚拟仪器技术的系统集成。

第5章典型仪器仪表集成系统应用实例。本章介绍了典型仪器仪表集成系统应用实例，包括集成多传感技术的产品质量检测系统、基于虚拟仪器的大型桥梁结构动态特性测试系统集成、大型电站设备状态监测与故障诊断系统、锅炉燃烧质量监测控制系统、惯性仪表自动测试系统。

第6章现代测控与仪器微纳米系统集成技术。微纳米技术是近年来发展起来的新技术，在测控系统中应用越来越广泛。本章系统地阐述了微纳米测试系统集成技术，介绍了生物工程中测控集成技术与纳米自组装技术。

本书由丁天怀教授主持编写。参加编写的人员有： 王伯雄教授（1"para" label-module="para">

本书为测量控制与仪器仪表工程师资格培训教材，同时也可供从事测控技术与仪器、电子精密机械、机电一体化、光学仪器、精密仪器与机械、微纳米机电系统的研究、设计、制造、使用和调修的工程技术人员学习和参考。

由于编著者水平有限，书中难免有不妥甚至错误之处，殷切希望读者提出宝贵意见。

1绪论

1.1仪器仪表在国民经济中的地位

1.2仪器仪表技术的发展现状

1.3现代仪器仪表系统的基本结构与组成

1.4仪器仪表系统集成的基本概念及意义

思考题

参考文献

2仪器仪表中的传感集成技术

2.1现代传感技术的发展

2.2现代传感技术在仪器仪表集成系统中的

置和作用

2.3测量系统的基本功能

2.3.1测量系统的功能模块组成

2.3.2功能模块间的相互作用

2.4传感器的分类

2.4.1按被测物理量进行分类

2.4.2按作用原理进行分类

2.4.3按能量转换关系进行分类

2.4.4常用传感器的种类

2.5典型传感器及其在仪器仪表系统集成中的

应用

2.5.1电阻式传感器及其应用

2.5.2电感式传感器及其应用

2.5.3涡流传感器及其应用

2.5.4电容式传感器及其应用

2.5.5压电传感器及其应用

2.5.6磁电式传感器及其应用

2.6光电传感技术

2.6.1光电传感技术基础

2.6.2光谱测试技术

2.6.3莫尔条纹测量技术

2.6.4干涉测量技术

2.6.5光纤传感技术

2.7微型传感集成系统

2.7.1概述

2.7.2微型传感器

2.7.3微型传感集成系统的应用

思考题

参考文献

3系统及系统特性描述

3.1系统集成的概念

3.1.1系统集成概念的提出和发展

3.1.2系统集成的基本结构形式

3.2基本集成模块

3.2.1物理层配置

3.2.2应用层

3.3系统建模及仿真

3.3.1系统需求分析

3.3.2建模及仿真

3.4系统控制

3.4.1分散型控制系统

3.4.2现场总线控制系统

3.4.3可编程逻辑控制

3.4.4数字信号处理器

3.4.5嵌入式控制器

3.4.6PID控制器

3.4.7最优控制

3.4.8自适应控制

思考题

参考文献

4仪器仪表计算机系统集成技术

4.1计算机集成仪器仪表系统的基本功能结构

4.1.1数据的融合与综合利用

4.1.2网络体系结构与网络协议

4.1.3Internet国际互联网

4.1.4现场总线技术

4.2系统集成中的计算机接口技术

4.2.1接口技术概述

4.2.2简单I/O接口

4.2.3中断

4.2.4异步串行I/O

4.3智能仪器系统的硬件处理技术

4.3.1概述

4.3.2智能仪器的输入通道及数据采集

4.3.3智能仪器的输出通道

4.3.4智能仪器的通信原理与人机接口

4.4智能仪器系统处理技术

4.4.1智能仪器的典型处理功能

4.4.2智能仪器硬件电路的抗干扰

4.4.3智能仪器的设计与实现

4.5基于虚拟仪器技术的系统集成

4.5.1虚拟仪器的概念及系统构成

4.5.2虚拟仪器的软件技术

4.5.3虚拟仪器的硬件技术

思考题

参考文献

5典型仪器仪表集成系统应用实例

5.1集成多传感技术的产品质量检测系统

5.1.1概述

5.1.2融合接触与非接触测量技术的产品集成检测系统

5.1.3系统模块设计与功能介绍

5.1.4传感器的选择与系统的集成

5.1.5测量装置的协调与测量过程自动化

5.2基于虚拟仪器的大型桥梁结构动态特性测试系统的集成

5.2.1桥梁结构动态特性测试需求分析

5.2.2桥梁结构动态特性测试系统功能设计

5.2.3基于虚拟仪器技术的大型桥梁测试系统的集成

5.2.4便携式桥梁结构测试系统集成案例

5.2.5长期监测的桥梁结构测试系统集成案例

5.3大型电站设备状态监测与故障诊断系统

5.3.1概述

5.3.2电站机械设备状态监测常用传感器

5.3.3电站机械设备状态参数监测

5.3.4电站机械设备故障的机理与诊断

5.3.5设备状态监测与故障诊断典型系统介绍

5.3.6新华电站XDPS"_blank" href="/item/分散控制系统/5179639" data-lemmaid="5179639">分散控制系统

5.4锅炉燃烧质量监测控制系统

5.4.1概述

5.4.2锅炉燃烧质量监测控制系统设计

5.5惯性仪表自动测试系统

5.5.1性能指标要求

5.5.2总体方案

5.5.3部件选择

5.5.4控制器及接口电路

5.5.5控制系统框图

思考题

参考文献

6现代测控与仪器微纳米系统集成技术

6.1微纳米测试系统集成技术

6.1.1微纳米测试技术概述

6.1.2表面粗糙度测试系统

6.1.3线条宽度测试系统

6.1.4台阶高度测试系统

6.1.5膜厚测量系统

6.2生物工程中测控集成技术

6.2.1生物单元测控集成技术

6.2.2典型应用系统

6.3纳米自组装技术

6.3.1纳米自组装技术概述

6.3.2纳米自组装原理、特点

6.3.3纳米自组装技术的典型应用

思考题

参考文献

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本书共分6章，内容包括绪论、仪器仪表中的传感集成技术、系统及系统特性描述、仪器仪表计算机系统集成技术、典型仪器仪表集成系统应用实例、现代测控与仪器微纳米系统集成技术。

本书可供从事测控技术与仪器、电子精密机械、机电一体化、光学仪器、精密仪器与机械、微纳米机电系统的研究、设计、制造、使用和调修的工程技术人员学习和参考。

第1篇 总论

1 概述

1.1 测量控制与仪器仪表

1.2 测量控制与仪器仪表的作用与地位

1.3 测量控制与仪器仪表的评价

1.4 量值的传递与溯源

1.5 测量信息论

思考题

参考文献

2 现代测量控制与仪器信表的发展概述

2.1 现代产品几何技术规范标准体系的研究与展望

2.2 我国仪器仪表产业的现状与发展趋势

2.3 现代测量控制与仪器仪表的发展

思考题

参考文献

第2篇 测量控制与仪器仪表前沿技术

3 传感与测试前沿技术

3.1 概述

3.2 前沿传感技术

3.3 前沿测试技术

思考题

参考文献

4 模拟信号调理技术

4.1 引言

4.2 信号放大

4.3 开关电容滤波器

4.4 高速24位∑-△型模数转换器

4.5 模拟信号调理技术的发展趋势

思考题

参考文献

5 数字信号处理中的前沿技术

5.1 仪器仪表与数字信号处理

5.2 小波变换

5.3 提升小波变换

5.4 独立分量分析

5.5 模糊计算技术

5.6 神经计算技术

5.7 进化计算技术

5.8 混沌计算技术

5.9 分形计算技术

5.10 智能技术的综合集成

思考题

参考文献

6 智能控制与系统

6.1 新型微控制器

6.2 仪器仪表与系统控制网络总线

6.3 虚拟仪器及嵌入式系统

6.4 智能控制技术

习题与思考题

参考文献

7 现代仪器仪表的设计与制造

7.1 先进设计制造技术对仪器仪表的作用

7.2 仪器仪表的现代设计技术

7.3 仪器仪表的前沿制造技术

7.4 微米纳米制造技术与现代仪器科学

习题与思考题

参考文献

第3篇 典型测量控制与仪器仪表的发展趋势

8 典型工业过程参数检测与控制系统的发展趋势

8.1 地位、作用和特点

8.2 典型工业过程参数检测的发展与趋势

8.3 工业过程控制的发展与趋势

习题与思考题

参考文献

9 典型科学仪器的发展趋势

9.1 科学仪器的地位、作用和前沿技术

9.2 典型科学仪器的发展现状和趋势

9.3 科学仪器发展的融合与分蘖

习题与思考题

参考文献

10 典型电子与电工测量仪器的发展趋势

10.1 电子与电工测量仪器的作用和基本特性

10.2 典型电子与电工测量仪器的发展现状与趋势

习题与思考题

参考文献

11 典型医疗仪器的发展趋势

11.1 医疗仪器的作用与特点

11.2 典型医疗仪器的发展现状与趋势

习题与思考题

参考文献2100433B

本书为测量控制与仪器仪表工程师格认证（MCIEA）培训教材之一。书中对现代测量控制与仪器仪表相关领域的前沿技术和发展趋势进行了全面阐述，内容广泛、深入浅出、条理分明。

全书分三篇十一章。内容包括测控制与仪器仪表的基本理论基础、学科发展现状和总体趋势，以及与仪器仪表密切相关的信息传感与测试、模拟信号调理、数字信号处理、智能控制与系统、现代仪器仪表的设计与制造技术等学术领域的前沿技术，还以工业过程参数检测与控制系统、科学仪器、电子与电工测量仪器、医疗仪器为典型，分门别类地介绍了典型仪器仪表的发展现状与趋势。

本书供从事测控技术与仪器、电子精密机械、光学仪器、精密仪器与机械、微纳米机电系统、自动化、机电一体化的研究、设计、制造、使用的调修的工程技术人员学习和参考。

大地测量控制为所有地理数据建立坐标提供共同的参考系统，它提供把所有地理特征联系到共同的、广泛使用的水平和垂直坐标系统的方法。大地测量控制信息的主要特征是大地测量控制站。这些永久点（有时是GPS控制站）有精确测量的水平和垂直位置，作为确定其他点的位置的基础。框架的大地测量控制包括大地测量控制站和相关的信息：名字、特征标识码、经纬度、绝对高度和椭球高度，以及每个站的元数据。

大地测量控制信息在开发所有的框架数据和用户应用数据中扮演着重要的角色。因为它提供了登记所有其他空间数据的空间参考源。另外，大地测量控制信息可用于规划测绘、评估数据质量、规划数据收集和转换，使新的数据区域适合已存在的覆盖层。用于解决大地测量学学科问题和在广大地区内为建立平面和高程控制网所进行的精密测量。测量时，通常应顾及地球形状、大小和重力场因素。它是建立国家和区域大地控制网的基本手段，也是地形测量和其他各种工程测量的基础工作，并为研究和测定地球形状和大小、空间目标坐标和方位，以及地壳变形等提供资料。