第二章数字化测控技术基础

测控技术基础1. 概述测控技术是指通过测量和控制技术手段，对被测对象的各种物理量进行准确测量和有效控制的技术领域。

在各个领域中，如工业生产、科学研究、环境监测等，测控技术都扮演着至关重要的角色。

本文将介绍测控技术的基础知识和原理。

2. 测量技术测量技术是测控技术中的重要组成部分，它通过传感器和测量设备对被测量物理量进行准确测量。

测量技术主要包括以下几个重要方面：2.1 传感器传感器是测量技术中的核心设备，它能将被测量的物理量转化为电信号或其他形式的信号。

常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、光电传感器等。

传感器的选择要根据被测量物理量的性质和测量要求进行合理选择。

2.2 测量仪器测量仪器是用来将传感器获得的信号进行放大、过滤、处理和显示的设备。

常见的测量仪器有示波器、万用表、信号发生器等。

测量仪器的精确度和灵敏度对测量结果的准确性至关重要。

2.3 数据采集和处理数据采集是将测量仪器获取的数据进行采集和存储的过程，数据处理则是对采集到的数据进行分析、计算和展示的过程。

数据采集和处理的精确性和高效性对于测控技术的应用至关重要。

3. 控制技术控制技术是测控技术中的另一个重要组成部分，它通过控制设备对被控对象进行控制。

控制技术主要包括以下几个重要方面：3.1 控制系统控制系统是实现对被控对象进行控制的系统，它由控制器、执行器和反馈装置组成。

控制系统的设计和调试是控制技术的关键环节。

3.2 控制算法控制算法是控制系统中的核心，它根据被控对象的状态和控制要求，通过数学建模和计算方法实现对被控对象的控制。

常见的控制算法包括比例控制、积分控制和微分控制等。

3.3 控制策略控制策略是指在特定的控制任务下选择合适的控制算法和参数，以实现对被控对象的最优控制。

不同的控制任务需要采用不同的控制策略。

4. 应用领域测控技术广泛应用于各个领域，下面介绍几个常见的应用领域：4.1 工业自动化工业自动化是指通过测控技术实现对生产过程中各种物理量的测量和控制，提高生产效率和产品质量。

一．概述1.计算机测控技术的含义：是传感技术，自动控制技术，计算机技术，通信技术，计算机网络技术，智能技术和数据库管理技术综合发展的产物。

2.计算机测控系统的含义：是以测量与控制为目的，在无人直接参与的情况下，应用计算机测控技术实现目标对象的数据采集，信息处理，决策控制，监督管理的综合自动化系统。

3.测试系统特点：网络化，多功能，智能化，易操作，可靠性高等。

4.测控系统的基本组成：测控对象；测控系统硬件（测试主机，检测与执行机构，过程通道，通信与网络接口，人机接口）；测控系统软件（数据采集，分析及处理，控制决策，控制输出，监控报警，数据通信系统管理）5.典型的测控系统：1）基于处理器的测控系统；2）基于工控机的测控系统；3）集散控制系统（DCS）；4）基于现场总线的测控系统；5）工业以太网测控系统；6）基于无线通信的测控系统；7）基于Internet的网络测控系统。

6.微处理器化测控系统的组成：嵌入式微处理器（最核心），外围硬件设备，接口部件及软件。

特点：1）功能丰富，性价比高；2）结构紧凑，可靠性高；3）具有自测试和自诊断功能；4）系统自动化水平高；5）系统能实现复杂的运算和控制功能；6）系统的人机对话能力强；7）系统构成柔性化。

7.集散控制系统（DCS）：体系机构按垂直分解通常分为三级：第一级即分散过程控制级（基础）；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级。

集散控制系统特点：1）采用分级递阶结构；2）采用微处理器技术；3）采用工业以太网络通信技术；4）采用高可靠性技术；5）具有丰富的软件功能。

8.现场总线控制系统（FTS）是以现场总线为基础，是开放式，数字化，多点，铜线的网络化控制系统。

FCS的特点：1）全数字化；2）系统开放性；3）互操作与互换性；4）现场是被智能化，功能自治；5）高度分散性；6）高度环境适应性；7）低成本；8）信息系统化。

9.测控系统发展趋势：测控系统的智能化，网络换，虚拟化，多样化，标准化。

测控总线与仪器通信技术课后答案第二章1、模拟输入通道有哪几种类型？各有何特点？答案：多路模拟输入通道分为集中采集式（简称集中式）和分散采集式（简称分布式）两大类型。

集中式的特点是多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，模拟多路切换器MUX对多路信号分时切换、轮流选通到S/H和A/D进行数据采集。

分布式的特点是每一路信号都有一个S/H和A/D，因而也不再需要模拟多路切换器MUX。

每一个S/H和A/D只对本路模拟信号进行数字转换即数据采集，采集的数据按一定顺序或随机地输入计算机。

2、什么情况下需要设置低噪声前置放大器？为什么？答案：没有信号输入时，输出端仍输出一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。

把电路输出端测得的噪声有效值除以该电路的增益K，得到该电路的等效输入噪声。

如果电路输入端的信号幅度小到比该电路的等效输入噪声还要低，这个信号就会被噪声所“淹没”，就必须在该电路前面加一级放大器——“前置放大器”。

只要前置放大器的等效输入噪声比其后级电路的等效输入噪声低，加入前置放大器后，整个电路的等效输入噪声就会降低，因而，输入信号就不会再被电路噪声所淹没。

3、图2-1-14（a）所示采集电路结构只适合于什么情况？为什么？答案：采集电路仅由A/D转换器和前面的模拟多路切换器MUX构成，只适合于测量恒定的各点基本相同的信号。

恒定信号不随时间变化，无须设置S/H，各点基本相同的信号无需设置PGA。

4、多路测试系统什么情况下会出现串音干扰?怎样减少和消除?答案：多路测试系统由于模拟开关的断开电阻Roff不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电容的缘故，当某一道开关接通时，其它被关断的各路信号也出现在负载上，对本来是唯一被接通的信号形成干扰，这种干扰称为道间串音干扰，简称串音。

为减小串音干扰，应采取如下措施：①减小Ri，为此模拟多路切换器MUX前级应采用电压跟随器；②MUX选用Ron极小、Roff极大的开关管；③选用寄生电容小的MUX。

测控电路内容：第⼀章绪论第⼀章测控电路设计实⽤技术基础测量与控制是认识客观世界和顺应客观规律的必不可少的重要⼿段。

现代⽣产为了保证产品质量和提⾼⽣产效益，必须对⽣产过程进⾏严格控制，⽽要实现这种控制，就必须对⽣产过程的各种参数和状态进⾏实时有效的测量。

因此，测量是控制的基础，控制离不开测量。

实际上，在科学技术⾼度发达的今天，测量与控制已经渗透到⼯业、农业、国防、科学研究和现代社会⽣活等各个领域。

由于⽬前电参量在信息转换、处理、传输、存储等⽅⾯具有较成熟的技术和⼿段，多数物理量的测量和控制以电参量的形式进⾏，故测量和控制电路在测控系统中具有不可替代的作⽤1.1测控电路的作⽤与基本组成现代测控系统常见的基本构成如图1-1所⽰。

测控系统的最前级为传感器，其作⽤是将各类被测量转换成与之具有⼀定函数关系的电量（通常为电压）；但是，传感器的输出信号⼀般都很微弱，还可能伴随着各种噪声，需要⽤测量电路即信号调理及数字化等电路将它放⼤，剔除噪声，选取有⽤信号，按照测量与控制功能的要求，进⾏所需演算、处理与变换，形成为计算机能够识别及处理的信号；计算机系统的作⽤是对数字化了的被测信号进⾏计算、定标、误差校正或⾃校准等处理，⼀⽅⾯，经处理的测量结果由显⽰输出系统显⽰，由记录系统打印、绘图或由报警系统给出报警信息；另⼀⽅⾯，经算法运算过的控制信号经控制电路驱动执⾏机构，对测控对象进⾏控制。

通常我们将测量电路和控制电路统称为测控电路，它已融⼊测控系统的各个环节，并在其中发挥重要的作⽤，可以说离开测控电路，测控系统是⽆法实现的。

测量电路担负着信号⼆次变换的重任，其实质是电位或波形变换，其主要功能是放⼤有⽤信号，抑制传感器输出信号中的噪声，并将放⼤后的信号进⾏数字化；控制电路担负着实现控制功能的输出驱动信号的重任。

由于被测和被控物理量及其相应传感器和驱动器的多样性，与此相应的测量与控制电路必然具有多样性，因此测控电路在设计上灵活性很强。

现代测控技术在建筑监测中的应用在当今建筑领域，保障建筑物的安全、稳定和高效运行至关重要。

随着科技的不断进步，现代测控技术凭借其高精度、实时性和智能化的特点，在建筑监测中发挥着越来越重要的作用。

现代测控技术涵盖了众多先进的测量、控制和监测手段，如传感器技术、数据采集与传输技术、数据分析与处理技术等。

这些技术的综合应用，为建筑结构健康监测、环境参数监测、能耗监测等方面提供了有力的支持。

首先，传感器技术是现代测控技术的基础。

在建筑监测中，各种类型的传感器被广泛应用。

例如，应变传感器可以安装在建筑物的关键结构部位，如梁、柱、节点等，实时监测结构的应变变化。

通过对应变数据的分析，可以判断结构是否处于正常受力状态，及时发现潜在的结构损伤。

加速度传感器则用于监测建筑物在地震、风荷载等作用下的振动情况，为抗震设计和结构加固提供依据。

此外，还有温度传感器、湿度传感器、压力传感器等，分别用于监测建筑内部的环境参数和设备运行状态。

数据采集与传输技术是将传感器获取的数据准确、及时地传输到数据处理中心的关键环节。

传统的数据采集方式往往存在着精度低、实时性差等问题。

而现代测控技术采用了先进的数字化采集设备和高速通信网络，如无线传感器网络、以太网等，能够实现多通道、高速率的数据采集和远程传输。

这不仅提高了数据的采集效率和质量，还便于对分布广泛的监测点进行集中管理和控制。

数据分析与处理技术则是从海量的监测数据中提取有用信息的核心手段。

通过运用各种数据分析算法和软件，如时域分析、频域分析、小波分析等，可以对监测数据进行深入挖掘和处理。

例如，通过对结构振动数据的频谱分析，可以识别出结构的固有频率和振型，从而评估结构的动力特性。

同时，利用机器学习和人工智能算法，可以对监测数据进行预测和预警，提前发现可能出现的异常情况，为建筑的维护和管理提供决策支持。

在建筑结构健康监测方面，现代测控技术的应用具有重要意义。

建筑物在长期使用过程中，受到自然环境和使用荷载的影响，可能会出现结构损伤和性能退化。

数字化测控技术实验报告课程名称数字化测控技术实验名称数字化测控技术课程实验实验日期学生专业测控技术与仪器学生学号学生姓名实验室名称测控技术实验室教师姓名周严成绩南京理工大学机械工程学院实验一 基于集成锁相环的频率合成器的设计1、 实验目的本实验旨在使学生深入了解频率合成器的基本概念及基于锁相环的频率合成器的基本原理，学习并掌握复杂数字电路的调试方法。

掌握单片集成锁相环CD4046的技术性能指标及电路设计方法，学会应用CD4046制作数字频率合成器。

2、实验内容根据设计要求设计基于集成锁相环CD4046的频率合成器电路，确定锁相环的元件参数，搭建并调试电路，使之输出1kHz ～1MHz ，步进0.5kHz 的时钟信号。

3、实验原理及方法频率合成是用任一指定的基准频率经过一些功能电路的处理，产生一系列需要的稳定的多种基准频率。

利用锁相环实现频率合成，主要是产生可数字或程序控制的基准频率的倍频基准频率。

其原理是在锁相环的反馈回路中插入一N 分频的分频电路，形成闭环，此时VCO 输出为Nf R 。

f R 是基准频率，改变N 值即可改变电路的输出频率，其稳定度与基准频率相同。

原理框图如图1.1所示。

图1.1 频率合成器原理框图设计基于CD4046集成锁相环的频率合成器的主要工作有： （1）设计调试晶体振荡电路，产生基准频率f R 。

（2）设计N 分频器，N 的调节范围根据合成的频率范围和基准频率的大小确定。

这里设基准频率为0.5kHz ，要求合成器输出频率1kHz ～1MHz ，步进0.5kHz ，则N =2~2000。

分频器应根据N 的范围设计。

（3）设计锁相环CD4046的相关元件参数，这是本设计的关键及难点所在，需要反复设计、调试及修改确定。

图1.2提供了一基于CD4046的频率合成器的参考性原理电路，其合成频率范围是2kHz~1MHz ，步进1kHz 。

实验时可参考之进行设计。

CD4046 晶振 基准比较器I VCO N 分频器低通滤波器f o图1.2 频率合成器参考原理电路4、实验仪器设备1）双路直流稳压电源2）双踪示波器3）信号发生器4）41/2位数字万用表5）面包板5、实验电路设计及工作原理说明1）实验电路设计2）电路的工作原理说明2分频后得到0.5Hz的信号输出，通过Q13输入由晶振电路产生的4.096MHz的基准时钟，经13到CD4046作为基准频率。

现代测控技术的发展及其应用探析作者：隋龙来源：《环球市场》2017年第18期摘要：现代测控技术能够利用其科学性与严谨性，对工业生产建设进行实时监测。

因为现代测控技术与精密电子、自动一体化等领域有着密切的联系，可以使人们免于繁杂的体力劳动，所以有着较大的需求和较深的影响力。

随着经济发展，现代测控技术也越来越智能化与网络化，这项技术在多个方面都能展现其许多优势，发展前景较好。

基于此，文章就现代测控技术的发展及其应用进行简要的分析，希望可以提供一个借鉴。

关键词：现代测控技术；发展；应用1.现代测控技术的特点1.1数字化数字化是指大量的复杂信息转变为数字或是数据，再将这些数字和数据通过建模的方式转化为二进制代码，再输入计算机，让计算机进行统一处理。

数字化的应用使得现代测控技术的质量得到了较高保证，具体体现在信号处理、传感器控制、控制器到远程终端设备的数字化控制等方面。

1.2网络化目前，计算机信息网络经过了快速的发展，并已逐渐被完善，而网络在现代测控技术中的基础地位，就保障了现代测控技术能够突破时间和地域上的局限，它可以在任何时间、任何地点被使用。

除此之外，现代测控技术与网络的结合，使得其具有网络化的特性，使得组建测控系统变得非常容易，而且信息得以便捷地传输。

1.3分布式现代测控技术具有分布式化的特性，这一特性的实现是以网络技术和微型计算机为基础，使得测控设备可以分布在各个地方，将各地的信息分布式地连接起来，进而将这些所有的信息综合汇总，组成最符合要求的分布式测控系统。

这样的分布式系统具有很多优点：①分布式系统可以不断研发新功能模板，高速的更新可以加强系统的使用功能；②因为各个设备是既联系在一起，又独立统一的，若是某一部分出现任何的故障，并不会对其它设备造成连带影响，其它设备依旧可以正常地工作测控；除此之外，分布式的工作环境让系统既可以单模块组网，也可以多模块组网，使用方式灵活多变；③因为整个系统的各设备是并行工作的，一定程度上可以大大提高整个系统的工作速度。

《机电传动控制》笔记第一章引言1.1 研究背景与意义随着工业自动化技术的迅猛进步，机电传动控制作为机械工程与电气工程交叉领域的关键技术，已广泛应用于各类生产制造系统和设备中。

其对于提升生产效率、降低能源消耗以及确保产品质量具有显著的影响。

因此，对机电传动控制的基础理论、关键技术及其应用进行深入的研究，不仅有助于推动工业自动化的发展，还能为产业升级提供有力的技术支持。

机电传动控制课程作为测控技术与仪器、机械电子工程等专业的核心课程，其教学内容与实践环节对于培养学生的工程实践能力和创新思维至关重要。

在当前的教学过程中，仍存在一些问题，如课程内容的广泛性与深度难以平衡，理论教学与实践教学脱节等。

因此，需要结合新工科背景下工科教育的变革要求，对机电传动控制课程进行教学改革，以优化课程教学体系，提高教学效果[1]。

在工程教育认证的背景下，机电传动控制课程的教学也需要进行相应的改革，以满足专业认证的要求。

这不仅包括课程内容的优化和更新，还包括教学方法和手段的改进，以及对学生学习效果的有效评价。

通过这些改革措施，可以进一步提升机电传动控制课程的教学质量，为学生的全面发展提供有力的保障[2][3][4]。

随着数字化技术的不断发展，机电传动控制领域也面临着新的挑战和机遇。

数字化技术的应用不仅可以提高机电传动系统的控制精度和效率，还可以为系统的故障诊断和预防性维护提供新的解决方案。

因此，在机电传动控制课程的教学中，也需要注重数字化技术的融入，培养学生掌握现代控制技术的能力[5]。

对机电传动控制进行深入的研究和教学改革，不仅有助于推动工业自动化和产业升级，还能为培养高素质的工程技术人才提供有力的支持。

通过优化课程体系、改进教学方法和手段、融入数字化技术等措施，可以进一步提升机电传动控制课程的教学效果和质量，为学生的未来发展奠定坚实的基础。

1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状在机电传动控制领域，国外的研究起步时间较早，技术积淀深厚，因此其技术成熟度相对较高。