儀器儀表是用以檢出、測量、觀察、計算各種物理量、物質(zhì)成分、物性參數(shù)等的器具或設(shè)備。真空檢漏儀、壓力表、測長儀、顯微鏡、乘法器等均屬于儀器儀表。廣義來說，儀器儀表也可具有自動控制、報警、信號傳遞和數(shù)據(jù)處理等功能，例如用于工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制中的氣動調(diào)節(jié)儀表，和電動調(diào)節(jié)儀表，以及集散型儀表控制系統(tǒng)也皆屬于儀器儀表。
儀器儀表能改善、擴展或補充人的官能。人們用感覺器官去視、聽、嘗、摸外部事物，而顯微鏡、望遠鏡、聲級計、酸度計、高溫計等儀器儀表，可以改善和擴展人的這些官能；另外，有些儀器儀表如磁強計、射線計數(shù)計等可感受和測量到人的感覺器官所不能感受到的物理量；還有些儀器儀表可以超過人的能力去記錄、計算和計數(shù)，如高速照相機、計算機等。
儀器儀表發(fā)展已有悠久的歷史。據(jù)《韓非子·有度》記載，中國在戰(zhàn)國時期已有了利用天然磁鐵制成的指南儀器，稱為司南。古代的儀器在很長的歷史時期中多屬用以定向、計時或供度量衡用的簡單儀器。
17～18世紀(jì)，歐洲的一些物理學(xué)家開始利用電流與磁場作用力的原理制成簡單的檢流計；利用光學(xué)透鏡制成的望遠鏡，奠定了電學(xué)和光學(xué)儀器的基礎(chǔ)。其它一些用于測量和觀察的各種儀器也遂逐漸得到了發(fā)展。
19世紀(jì)到20世紀(jì)，工業(yè)革命和現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)促進了新學(xué)科和新技術(shù)的發(fā)展，后來又出現(xiàn)了電子計算機和空間技術(shù)等，儀器儀表因而也得到迅速的發(fā)展。現(xiàn)代儀器儀表已成為測量、控制和實現(xiàn)自動化必不可少的技術(shù)工具。
儀器儀表是多種科學(xué)技術(shù)的綜合產(chǎn)物，品種繁多，使用廣泛，而且不斷更新，有多種分類方法。按使用目的和用途來分，主要有量具量儀、汽車儀表、拖拉機儀表、船用儀表、航空儀表、導(dǎo)航儀器、駕駛儀器、無線電測試儀器、載波微波測試儀器、地質(zhì)勘探測試儀器、建材測試儀器、地震測試儀器、大地測繪儀器、水文儀器、計時儀器、農(nóng)業(yè)測試儀器、商業(yè)測試儀器、教學(xué)儀器、醫(yī)療儀器、環(huán)保儀器等。
屬于機械工業(yè)產(chǎn)品的儀器儀表有工業(yè)自動化儀表、電工儀器儀表、光學(xué)儀器，分析儀器、實驗室儀器與裝置、材料試驗機、氣象晦洋儀器、電影機械、照相機械、復(fù)印縮微機械、儀器儀表元器件、儀器儀表材料、儀器儀表工藝裝備等十三類。它們通用性較強，批量較大，或為儀器儀表工業(yè)所必需的基礎(chǔ)。
各類儀器儀表按不同特征，例如功能、檢測控制對象、結(jié)構(gòu)、原理等還可再分為若干的小類或子類。如工業(yè)自動化儀表按功能可分為檢測儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表和執(zhí)行器等；其中檢測儀表按被測物理量又分為溫度測量儀表、壓力測量儀表、流量測量儀表、物位測量儀表和機械量測量儀表等；溫度測量儀表按測量方式又分為接觸式測溫儀表和非接觸式測溫儀表；接觸式測溫儀表又可分為熱電式、膨脹式、電阻式等。
其他各類儀器儀表的分類法大體類似，主要與發(fā)展過程、使用習(xí)慣和有關(guān)產(chǎn)品的分類有關(guān)。儀器儀表在分類方面尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，儀器儀表的命名也存在類似情況。
衡量儀器儀表性能的主要技術(shù)指標(biāo)有精確度、靈敏度、響應(yīng)時間等。精確度表示儀表測量結(jié)果與被測量真值的一致程度。儀器儀表的精確度常用精確度等級來表示，如0.1級、0.2級、0.5級、1.0級、1.5級等，0.1級表示儀表總的誤差不超過±0.1％范圍。精確度等級數(shù)小，說明儀表的系統(tǒng)誤差和隨機誤差都小，也就是這種儀表精密。
靈敏度表示當(dāng)被測的量有一個很小的增量時與此增量引起儀表示值增量之比，它反映儀表能夠測量的最小被測量；響應(yīng)時間是指儀表輸入一個階躍量時，其輸出由初始值第一次到達最終穩(wěn)定值的時間間隔，一般規(guī)定以到達穩(wěn)定值的95％時的時間為準(zhǔn)；此外，還有重復(fù)性、線性度、滯環(huán)、死區(qū)、漂移等性能技術(shù)指標(biāo)。
科學(xué)技術(shù)的進步不斷對儀器儀表提出更高更新的要求。在現(xiàn)代科學(xué)研究試驗、精密測試系統(tǒng)、生產(chǎn)過程自動檢測控制系統(tǒng)，以及各種管理自動化系統(tǒng)中，儀器儀表都是重要的技術(shù)工具。
為了進一步提高儀器儀表的各種性能，增強耐受各種苛刻使用環(huán)境的能力，提高可靠性和使用壽命，儀器儀表將不斷利用新的工作原理和采用新材料及新的元器件。例如利用超聲波微波、射線、紅外線、核磁共振、超導(dǎo)、激光等原理，以及采用各種新型半導(dǎo)體敏感元件、集成電路、集成光路、光導(dǎo)纖維等元器件。其目的是實現(xiàn)儀器儀表的小型化、減輕重量、降低生產(chǎn)成本和便于使用與維修等。
另一重要的趨勢是，通過微型計算機的使用來提高儀器儀表的性能，提高儀器儀表本身自動化、智能化程度和數(shù)據(jù)處理能力。儀器儀表不僅供單頂使用，而且可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口和數(shù)據(jù)通道，與電子計算機結(jié)合起來，組成各種測試控制管理綜合系統(tǒng)，滿足更高的要求。
隨著工業(yè)自動化發(fā)展的需求，智能儀器儀表業(yè)飛速發(fā)展，但是這些內(nèi)部應(yīng)用了大量微電器件的智能儀器儀表，卻在大多存在絕緣強度低、耐電涌能力低等問題。因此智能儀器儀表的防雷，就顯得十分重要了，尤其是在雷暴季節(jié)，以免造成重大損失。測控技術(shù)與儀器是一門研究信息的獲取和處理，以及對相關(guān)要素進行控制的理論與技術(shù)。“測控技術(shù)與儀器”是指對信息進行采集、測量、存儲、傳輸、處理和控制的手段與設(shè)備，包含測量技術(shù)、控制技術(shù)和實現(xiàn)這些技術(shù)的儀器儀表及系統(tǒng)
測控技術(shù)
測控技術(shù)與儀器，是建立在精密機械、電子技術(shù)、光學(xué)、自動控制和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上，主要研究各種精密測試和控制技術(shù)的新原理、、新方法和新工藝。近年來，計算機技術(shù)在測控技術(shù)的應(yīng)用研究中呈現(xiàn)出越來越重要的地位。
測控技術(shù)是直接應(yīng)用于生產(chǎn)生活的應(yīng)用技術(shù)，它的應(yīng)用涵蓋了“農(nóng)輕重、海陸空、吃穿用”等社會生活各個領(lǐng)域。儀器儀表技術(shù)是國民經(jīng)濟的“倍增器”，科學(xué)研究的“先行官”，軍事上的“戰(zhàn)斗力”以及法制法規(guī)中的“物化法官”。計算機化的測試與控制技術(shù)以及智能化得精密測控儀器與系統(tǒng)是現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)研究、管理檢測監(jiān)控等領(lǐng)域的重要標(biāo)志和手段，發(fā)揮著越來越重要的作用。
測控技術(shù)與儀器儀表技術(shù)的應(yīng)用
測控技術(shù)是一門應(yīng)用性技術(shù)，廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、航海、航空、軍事、電力和民用生活各個領(lǐng)域。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展需要，測控技術(shù)從初的控制單個及其、設(shè)備，到控制整個過程，乃至系統(tǒng)，特別是在當(dāng)今現(xiàn)代科技領(lǐng)域的技術(shù)中，測控技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。
冶金工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：煉鐵過程的熱風(fēng)爐控制、裝料控制與高爐控制，軋鋼過程的壓力控制、軋機速度控制、卷曲控制等及其中使用的多種檢測儀表等。
電力工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)、汽輪機的自動監(jiān)控、自動保護、自動調(diào)節(jié)與自動程序控制系統(tǒng)與發(fā)動機的電力輸入輸出控制系統(tǒng)等。
煤炭工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：采煤過程的煤層氣測井儀器、礦井空氣成分檢測儀器、礦井瓦斯檢測儀、井下安全保障監(jiān)控系統(tǒng)等，煤精煉過程的熄焦過程控制、煤氣回收控制、精煉過程控制、生產(chǎn)機械傳動控制等。
石油工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：采油過程的磁性定位儀、含水儀、壓力計等支撐測井技術(shù)的各種測量儀表，煉油過程的供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、供蒸汽系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、儲運系統(tǒng)和三廢處理系統(tǒng)與其連續(xù)生產(chǎn)過程中大量參數(shù)的檢測儀表等。
化學(xué)工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：溫度測量、流量測量、液位測量、濃度、酸度、濕度、密度、濁度、熱值及各種混合氣體組分等參數(shù)測量需要的測量儀表與按照預(yù)定規(guī)律控制被控參數(shù)的控制儀表等。
機械工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：精密數(shù)字控制機床、自動生產(chǎn)線、工業(yè)機器人等。
航空航天工業(yè)中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：飛行器的飛行高度、飛行速度、飛行狀態(tài)與方向、加速度、過載以及發(fā)動機狀態(tài)等參數(shù)的測量，航天技術(shù)的航天運載器技術(shù)、航天器技術(shù)、航天測控技術(shù)等。
軍事裝備中，測控技術(shù)的應(yīng)用有：制導(dǎo)武器、智能型彈藥、軍dui自動化指揮系統(tǒng)（C4IRS系統(tǒng)）、外層空間軍事裝備（如各種軍用偵察、通信、預(yù)警、導(dǎo)航衛(wèi)星等等）。
測控技術(shù)的形成與發(fā)展
科學(xué)技術(shù)發(fā)展史實人類認識自然、改造自然的歷史、也是人類文明史的重要組成部分。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展首先取決于測量技術(shù)的發(fā)展。近代自然科學(xué)是從真正意義上的測量開始的。許多杰出的科學(xué)家夢都是科學(xué)儀器的發(fā)明家和測量方法的創(chuàng)立者。測量技術(shù)的進步直接帶動著科學(xué)技術(shù)的進步。
·次科技革命時期
17~18世紀(jì)，測控技術(shù)初見端倪，歐洲的一些物理學(xué)家開始利用電流與磁場作用力制成簡單的檢流計，利用光學(xué)透鏡制成望遠鏡，從而奠定了電學(xué)和光學(xué)儀器的基礎(chǔ)。18世紀(jì)60年代，次科技革命開始于英國，直到19世紀(jì)，次科技革命擴展到歐美、日本，其間，一些簡單的測量器具，如測量長度、溫度、壓力等的器具已經(jīng)用于生活當(dāng)中，創(chuàng)造了巨大的生產(chǎn)力。
·第二次科技革命時期
19世紀(jì)初電磁領(lǐng)域的一系列發(fā)展，引發(fā)了第二次科技革命。由于發(fā)明了測量電流的儀表，才使電磁學(xué)迅速走上正軌，獲得了一個又一個長大的發(fā)現(xiàn)。電磁學(xué)領(lǐng)域的許多發(fā)明，如電報、電話、發(fā)電機等，促進了電氣時代的到來。同時，其他各種用于測量和觀察的儀器也不斷涌現(xiàn)，如使用于1891年以前的用于高程測量的精密一等經(jīng)緯儀等。
·第三次科技革命時期
二戰(zhàn)后，各國對高科技的迫切需要，推動了生產(chǎn)技術(shù)有一般的機械化帶電氣化、自動化轉(zhuǎn)變，科學(xué)理論研究取得一系列重大突破。
在此期間，以機電產(chǎn)品為典型代表的制造業(yè)開始產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的特點是循環(huán)作業(yè)和流水作業(yè)，要讓這些自動起來，就要求加工生產(chǎn)的滅個階段自動檢測工件的位置、尺寸、形狀、姿態(tài)或性能等。為此，需要大量的測控裝置。另一方面，以石油為原料的化工工業(yè)興起，就需要大量的測控儀表。自動化儀表開始標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，按需構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。同時，此期間還誕生了數(shù)控機床和機器人技術(shù)，測控技術(shù)與儀器在其中都有重要的應(yīng)用。
·隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，儀器儀表從只能進行簡單的測量、觀察開始，已成為測量、控制和實現(xiàn)自動化必不可少的技術(shù)工具。為了滿足各方面的需求，儀器儀表已從傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域擴展到了生物醫(yī)學(xué)、生態(tài)環(huán)境、生物工程等非傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。
21世紀(jì)以來，一大批當(dāng)代的技術(shù)成果，如納米級的精密機械研究成果、分子層次的現(xiàn)代化學(xué)研究成果、基因?qū)哟蔚纳飳W(xué)研究成果，以及高精密超性能特張功能材料研究成果和全球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推廣應(yīng)用成果等相繼問世，是儀器儀表領(lǐng)域發(fā)生了根本性的變革，促進了高科技化、智能花的新型儀器儀表時代的來臨。
測控系統(tǒng)中的傳感器
一般測控系統(tǒng)有傳感器、中間變換器和顯示記錄儀組成。傳感器將被測量檢出并轉(zhuǎn)換成已與測量的物理量，中間變換器對傳感器的輸出量進行分析、處理、轉(zhuǎn)換成后級儀表能接受的信號，輸出給其他系統(tǒng)，或由顯示記錄儀對測量結(jié)果進行顯示、記錄。
傳感器是測量系統(tǒng)的的環(huán)節(jié)，對于控制系統(tǒng)來說，如果把計算機比作大腦，那么傳感器就相當(dāng)于五官，直接影響到系統(tǒng)的控制精度。
傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換文件、轉(zhuǎn)換電路組成。由敏感元件直接感受被測量，同時它自身的某一參數(shù)值變化與被測量值的變化有確定的關(guān)系，且這一參數(shù)容易測量輸出；然后由轉(zhuǎn)換元件將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成電參數(shù)；后又轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換元件輸出的電參數(shù)放大，轉(zhuǎn)換成便于顯示、記錄、處理、控制的有用電信號。
新型傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展
傳感技術(shù)是當(dāng)今世界發(fā)展為迅速的高新技術(shù)之一。新型傳感器不僅追求高精度、大量程、高可靠、低功耗，還向著集成化、微型化、數(shù)字化、智能化發(fā)展。
1.智能化
傳感器的智能化指把常規(guī)傳感器的功能同計算機或其他元件的功能相結(jié)合構(gòu)成一個獨立的組合體，使其既具有信息拾取和信號轉(zhuǎn)化功能，又有數(shù)據(jù)處理、補償分析和決策能力。
2.網(wǎng)絡(luò)化
傳感器的網(wǎng)絡(luò)化就是使傳感器具備和計算機網(wǎng)絡(luò)連接的功能，實現(xiàn)遠距離的信息傳遞和處理能力，即實現(xiàn)測控系統(tǒng)的“超視距”測量。
3.微型化
傳感器的微型化值在功能不變甚至增強的條件下，大幅度減小傳感器的體積。微型化是現(xiàn)代精密測量與控制的要求，原則上將，傳感器的尺寸越小對被測對象及環(huán)境的影響越小，對能量的消耗越少，越易實現(xiàn)測量。
4.集成化
傳感器的集成化指下面兩個方向的集成：
（1）多測量參數(shù)的集成，即可測量多種參數(shù)。
（2）傳感去與后續(xù)電路的集成，即將敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路乃至電源等集成在同一塊芯片上，使其具有很高的性能。
5.數(shù)字化
傳感器的數(shù)字化值的是傳感器輸出的信息為數(shù)字量，可以實現(xiàn)遠距離、高精度傳輸，同時可無需中間環(huán)節(jié)接入計算機等數(shù)字處理設(shè)備。
傳感器的集成化、智能化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化等不是獨立的，而是相輔相成、相互關(guān)聯(lián)的，它們之間并沒有明確的界限。
測控系統(tǒng)中的控制技術(shù)
基本控制理論
1.經(jīng)典的控制理論
經(jīng)典控制論包括線性控制理論、采樣控制理論、非線性控制理論三個部分。經(jīng)典控制論以拉普拉斯變換和Z變換為數(shù)學(xué)工具，以單輸入-單輸出的線性定常系統(tǒng)為主要的研究對象。通過拉普拉斯變換或者Z變換將描述系統(tǒng)的微分方程變換到復(fù)數(shù)域中，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。并以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，一根軌跡發(fā)和頻率發(fā)威研究手段，重點分析反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度。
2.現(xiàn)代控制理論
現(xiàn)代控制理論使建立在狀態(tài)空間法基礎(chǔ)上的一種控制理論，是自動控制理論的一個主要組成部分。在現(xiàn)代控制理論中，對控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計主要是通過對系統(tǒng)的狀態(tài)變量的描述來進行的，基本的方法是時間域方法。現(xiàn)代控制理論比經(jīng)典控制理論所能處理的控制問題要廣泛得多，包括線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)。它所采用的方法和算法也更適合于在數(shù)字計算機上進行?，F(xiàn)代控制理論還為設(shè)計和構(gòu)造具有指定的性能指標(biāo)的zui優(yōu)控制系統(tǒng)提供了可能性。
控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是由控制裝置（包括控制器、執(zhí)行器和傳感器）與被控制對象組成。控制裝置可以是人，也可以是一臺機器，這就是自動控制與人工控制的不同。對于自動控制系統(tǒng)，按照控制原理的不同，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；按給定信號分類，可分為恒值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。
虛擬儀器技術(shù)
測量儀器是測控系統(tǒng)的重要組成部分，它分為獨立儀器與虛擬儀器兩種。
獨立儀器把儀器的信號收集、處理、輸出放在獨立的機箱內(nèi)，有操作面板和各種端口，全部的功能以硬件或固化軟件的形式存在，這就決定了獨立儀器只能由廠家來定義、執(zhí)照，而用戶無法改變。
虛擬儀器則把信號的分析與處理、結(jié)果的表達和輸出放到計算機上來完成，或在計算機上插上數(shù)據(jù)采集卡，把儀器的三個部分去不放到計算機上來實現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)儀器的局限性。
虛擬儀器技術(shù)特點
1.功能強大，融合了計算機強大的硬件支援，突破了傳統(tǒng)儀器在處理、顯示、存儲方面的限制。標(biāo)準(zhǔn)配置為：高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤。
2.計算機軟件資源實現(xiàn)了部分機器硬件的軟件化，節(jié)省了物質(zhì)資源，由增強了系統(tǒng)的靈活性；通過相應(yīng)數(shù)值算法，實時直接地對測試數(shù)據(jù)進行各種分析與處理；通過GUI（圖形用戶界面）技術(shù)，真正做到界面友好，人機交互。
3.給予計算機總線和模塊化儀器總線，儀器硬件實現(xiàn)了模塊化、系列化，大大縮小了系統(tǒng)尺寸，可方便的構(gòu)建模塊化儀器。
虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成
虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測試設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。
測控技術(shù)與儀器專業(yè)，是一個傳統(tǒng)，而又充滿著發(fā)展前景的專業(yè)。說它傳統(tǒng)，是因為它有著古老的起源，經(jīng)歷了數(shù)百年的發(fā)展，對社會發(fā)展起了重要的作用。作為一個傳統(tǒng)的專業(yè)，它同時涉及到了許多學(xué)科，這使它仍然具有強大的生命力。
隨著現(xiàn)代測控技術(shù)、電子信息技術(shù)和計算機技術(shù)等的進一步發(fā)展，它迎來了一個創(chuàng)新發(fā)展的新機遇，必將在各領(lǐng)域產(chǎn)生更多更關(guān)鍵的應(yīng)用。
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