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1、一、从传统仪器到智能仪器 仪器仪表、智能仪器、重要性认识 二、智能仪器的分类、基本结构与特点 4个层次、2种结构、3个特点 三、推动智能仪器发展的主要技术 四、智能仪器与人工智能关系 -智能仪器2.0,第一章 概 述,1.仪器仪表定义、作用、分类 定义：仪器仪表是信息获取的手段、是认识世界的工具，是一个系统或装置。 基本作用：延伸、扩展、补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。 分类：行业、性质、特点。,一、从传统仪器仪表到智能仪器,2.九类基础性测试计量仪器 几何量：长度、角度、形貌、相互位置、位移、距离测量仪器等； 机械量：各种测力仪、硬度仪、加速度与速度测量仪、力矩测量仪、振动测量仪
2、等； 热工量：温度、湿度、流量测量仪器等； 光学量：如光度计、光谱仪、色度计、激光参数测量仪、光学传递函数测量仪等；,一、从传统仪器仪表到智能仪器,同学在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？期中智能化如何？,一、从传统仪器仪表到智能仪器,电离辐射：各种放射性、核素计量，X、射线及中子计量仪器等； 时间频率：各种计时仪器与钟表、铯原子钟、时间频率测量仪等； 电磁量：交、直流电流表、电压表、功率表、RLC测量仪、静电仪、磁参数测量仪等； 电信号测量仪器 ：如示波器、信号发生器、相位测量仪、频谱分析仪、动态信号分析仪等； 集成电路测试仪器: 模拟或数字集成电路测试仪。,一、从传统仪器仪表到智
3、能仪器,3.当下标志性的重大科学仪器 中国天眼：,500米口径球面射电望远镜,一、从传统仪器仪表到智能仪器,3.当下标志性的重大科学仪器 引力波探测仪器：听到宇宙星球并合音波,LIGO激光逊干涉仪,3.当下标志性的重大科学仪器平台 深海触摸：蛟龙号载人潜器,一、从传统仪器仪表到智能仪器,一、从传统仪器仪表到智能仪器,3.当下标志性的重大科学仪器平台 精准时空信息：北斗(BDS)、GPS卫星,4. 三代仪器仪表 第一代为指针式（或模拟式）仪器仪表 第二代为数字式仪器仪表 第三代就是智能式仪器仪表 第四代是：？,一、从传统仪器仪表到智能仪器,5.智能仪器的概念与历史沿革 智能仪器是计算机技术与测量
4、仪器相结合的产物； 是含有微计算机或微处理器的测量(或检测)仪器； 具有对数据的存储、处理、逻辑判断及自动化操作等功能； 具有一定智能的作用(表现为智能的延伸或加强等) 。,一、从传统仪器仪表到智能仪器,1984年：我国仪器学会成立“自动测试与智能仪器专业学组”； 1986年：IMEKO(国际测量联合会)以“智能仪器”为主题召开了专门的讨论会； 1988年：IFAC (国际自动控制联合会) 的理事会正式确定“智能元件及仪器”。 近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展。 模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、复杂系统健康预测等，使智能仪器的功能向更高的层次发展。 智能仪器对
5、仪器的发展以及科学实验研究产生了深远影响，是仪器设计的里程碑。,一、从传统仪器仪表到智能仪器,6.对仪器仪表重要性的认识,仪器仪表是： 国民经济的“倍增器” 科学研究的“先行官” 现代战争的“战斗力” 法庭审判的“物化法官”,一、从传统仪器仪表到智能仪器,门捷列夫：科学是从测量开始的； 钱学森：新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术是关键和基础； 王大珩：能不能创造高水平的科学仪器和设备体现了一个民族、一个国家的创新能力。,6.对仪器仪表重要性的认识：测量,一、从传统仪器仪表到智能仪器,英国著名科学家H. Pavy曾明确指出： “Nothi
6、ng begets good science like development of a good instrument” （发展一种好的仪器对于一门科学的贡献超过了任何其他事情）,6.对仪器仪表重要性的认识,一、从传统仪器仪表到智能仪器,二、智能仪器的分类、基本结构与特点,(按智能化程度和层次分类）,1.分类,2.智能仪器的基本结构,微机内嵌式 将单片或多片的微处理器与仪器有机地结合在一起形成的仪器。,二 、智能仪器的分类、基本结构与特点,微机扩展式 以个人计算机(PC)为核心的应用扩展型测量仪器。,两种基本类型:,二、智能仪器的分类、基本结构与特点,基本内嵌微处理器智能仪器,二、智能仪器的
7、分类、基本结构与特点,PC仪器结构图,工控机PCI,微机扩展式,二、智能仪器的分类、基本结构与特点,PC仪器结构图, 测量过程的程序控制（自动化）： 没有或极少人为手动操作， “以软代硬” 灵活性强、可靠性高 数据处理 ： 改善测量的精确度 提供更多高质量的信息量 多功能化：一机多用,3.智能仪器的特点,二、智能仪器的分类、基本结构与特点,三、推动智能仪器发展的主要技术,传感器技术 A/D等新器件 高性能单片机与DSP的广泛应用 嵌入式与片上系统(SOC、SOPC) ASIC、FPGACPLD技术 LabVlEW等图形化软件技术 网络与通信技术 微型化技术 仪器云（并行计算）,1.传感器技术
8、聋哑传感器(Dumb Sensor) 智能传感器(Smart Sensor) 网络化传感器(Networked Sensor),三、推动智能仪器发展的主要技术,传统的传感器是模拟仪器仪表时代的产物。它的设计指导思想是把外部信息变换成模拟电压或电流信号。功能单一，因而被称为“聋哑传感器”。,聋哑传感器,三、推动智能仪器发展的主要技术,传感器和微处理器结合，产生了具有一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器智能传感器。 微电子、光电子技术发展 加工工艺 新型智能敏感材料,智能传感器,代表性：半导体传感器、MEMS传感器 智能手机中的电子罗盘、姿态测量,三、推动智能仪器发展的主要技术,
9、将网络接口芯片与智能传感器集成起来并使通信协议固化到智能传感器的ROM中，就产生了网络传感器。 网络信息技术 物联网：The Internet of Things （战略性新兴产业） 网络化仪器、数据仪器系统的前端设备,网络传感器,三、推动智能仪器发展的主要技术,典型模拟与数字混合集成电路; AD芯片是智能仪器不可缺少的核心部件之一，高速、低功耗、高分辨率; AD与MCU、传感器集成，缩小体积，增强可靠性，从而实现智能仪器的多功能化、微小化。,2.A/D等新器件增强仪器的性能,三、推动智能仪器发展的主要技术,3.高性能单片MCU、DSP处理器广泛应用,MSP430系列、TM32系列、 ARM
10、（8位单片机很少用了）,DSP（Digital Signal Processor)是通过硬件来完成乘法和加法运算，极大地增强了智能仪器的数字滤波、FFF、相关、卷积等信号处理能力。新型DSP芯片接口功能大大加强，甚至集成了DSP与ARM双核。,三、推动智能仪器发展的主要技术,4.嵌入式系统智能仪器的设计提升到一个新阶段,微机内嵌式的智能仪器属于嵌入式系统，它虽然以微型计算机为核心，但它不以计算机的形态出现；而是作为宿主设备的控制器体现仪器设备的功能。,三、推动智能仪器发展的主要技术,SOPC的核心思想就是要把整个应用电子系统集成在一个芯片中，基本上消除了器件信息障碍，避免了大量PCB板的设计及
11、板级调试工作,加快了设计速度； 系统设计技术发生革命性的变化，这标志一个全新时代已经到来,为智能仪器的开发及性能的提高开辟了更加广阔的前景。,可编程片上系统（SOPC)将使微型智能仪器的设计提升到一个新水平,三、推动智能仪器发展的主要技术,5.ASIC、FPGACPLD技术,ASIC:把一些性能要求很高的线路单元设计成专用集成电路而使智能仪器的结构更紧凑，性能更优良，保密性更强。,三、推动智能仪器发展的主要技术,FPGA/CPLD:这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点。电路保持不动的情况下，改变内部硬件连接关系的描述，就能实现一种新的功能。,应用FPGACPLD的优点,在计算机和必要的
12、仪器硬件确定之后，软件就是PCI仪器发展的关键。软件就是仪器成为流行的说法。 NI公司1986年设计的LabVlEWl.0，2003年发展到Labview70，推动虚拟仪器技术的发展。,6.图形化软件技术虚拟仪器,三、推动智能仪器发展的主要技术,智能仪器要上网，完成数据传输、远程控制与故障诊断等； 构建网络化测试系统，将分散的各种不同测试设备挂接在网络上，通过网络实现资源、信息共享，协调工作，共同完成大型复杂系统的测试任务。 无线网络体系不断推陈出新。,7.网络与通信技术,三、推动智能仪器发展的主要技术,系统集成、材料制造技术的发展, 仪器仪表可以把微光学器件、微结构、微传感器、信号处理器等集
13、成在一起，能够对外界的各种物理、化学、生物等各种信号进行实时采样、处理、操作和控制的智能化信息系统。 手持实验室、桌面实验室.,8.微型化技术,三、推动智能仪器发展的主要技术,智能化测量仪器领域的新兴研究热点之一； 采用云计算的技术架构和特征； 现代传感器已具备与测量仪器云互联的性能； 并行计算使测量仪器云实现快捷测算成为可能； 测量仪器网格是测量仪器云的雏形。,9.测量仪器云（新增）,三、推动智能仪器发展的主要技术,9.测量仪器云（新增）,三、推动智能仪器发展的主要技术,1.第四代智能仪器：数据仪器； 2.智能仪器从1.0升级到2.0问题； 3.智能仪器2.0的体系、架构与核心技术； 4.与智能仪器1.0的衔接问题； 5.人工智能2.0对智能仪器2.0支撑。,四、智能仪器与人工智能关系,思考题 1你在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？属于哪种类型？指出它们的共同之处、主要区别。选择一种仪器，针对其存在的问题或不足，提出改进设想。 2结合你对智能仪器概念的理解，讨论“智能化”的层次和特点。 3智能仪器有哪几种结构形式？对其作简要描述。 4简述推动智能仪器发展的主要技术。 5. 机器智能、人工智能的概念，二者的区别与联系。 6. 智能仪器，仪器智能：深度学习、超强学习,
