测控技术与仪器专业概论资料课件

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1、测控技术与仪器专业概论测控技术与仪器专业概论应用 |没有测量就没有科学，至少是没有测量就没有科学，至少是没有真正意义上的科学。没有真正意义上的科学。绪论|业务培养目标：本专业培养具备精密仪器设计制造以及测量与控制方面基础知识与应用能力，能在国民经济各部门从事测量与控制领域内有关技术、仪器与系统的设计制造、科技开发、应用研究、运行管理等方面的高级工程技术人才。专业简介|专业简介专业简介本专业是以高新技术综合运用和系统集成为特点的宽口径工科专业，以微机化智能化电子仪器和测控系统设计为专业特色，并向光、机、电相结合的精密仪器方向拓展。培养具有扎实的数学、物理和电子信息基础知识，具备现代测控系统

2、和智能仪器仪表设计研发能力的复合型高级专门人才。主干课程|主干课程主干课程电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、信号系统与信号处理、微机接口技术、电子测量、自动控制原理、传感器与检测技术、智能仪器、精密仪器设计。就业方向|就业方向就业方向适合到信息产业、测量与控制等高新技术领域内从事仪器装备设计制造、科技开发、运行管理等工作，适宜到科研部门和学校从事科研或教学，也可攻读仪器科学与技术及相关学科的研究生。我校|一、人才培养目标：一、人才培养目标：本专业培养测控技术与仪本专业培养测控技术与仪器的基本知识、基本理论、基器的基本知识、基本理论、基本方法，面向现代仪器仪表和本方法，面向现代仪

3、器仪表和测控技术装备，具有创新能力测控技术装备，具有创新能力和工程实践能力，能从事现代和工程实践能力，能从事现代测量、控制与仪器仪表工作的测量、控制与仪器仪表工作的维护、设计的应用型高级专门维护、设计的应用型高级专门人才，和在中、高等职业技术人才，和在中、高等职业技术学校从事测控技术与仪器教学学校从事测控技术与仪器教学工作的工作的“一体化一体化”职教师资。职教师资。业业务务培培养养要要求求|二、业务培养要求：二、业务培养要求：1、具有良好的思想道德品质、具有良好的思想道德品质、较好的文化修养以及较好的身较好的文化修养以及较好的身心素质，具有较好的专业素质、心素质，具有较好的专业素质、较好的工程

4、素质，具有较强的较好的工程素质，具有较强的获取知识的能力以及应用知识获取知识的能力以及应用知识的能力，具有一定的创新能力；的能力，具有一定的创新能力；业业务务培培养养要要求求|2、毕业生应具有较扎实的自毕业生应具有较扎实的自然科学基础，较好的人文社会然科学基础，较好的人文社会科学基础和外语综合能力，在科学基础和外语综合能力，在掌握专业知识，并具有现代仪掌握专业知识，并具有现代仪器仪表和测控技术与系统的应器仪表和测控技术与系统的应用、维护、维修、设计、实施、用、维护、维修、设计、实施、开发能力，在本专业领域内具开发能力，在本专业领域内具备一定的科学研究、科技开发备一定的科学研究、科技开发和组织管

5、理能力，具有较强的和组织管理能力，具有较强的工作适应能力；工作适应能力；业业务务培培养养要要求求|3、获得较好的技能和工程实践获得较好的技能和工程实践训练，依据学校相关规定获得训练，依据学校相关规定获得至少一个与本专业相关的中级至少一个与本专业相关的中级职业技能资格证书（或专业资职业技能资格证书（或专业资格、水平证书）；格、水平证书）；业业务务培培养养要要求求|4、具有良好的教师职业道德素、具有良好的教师职业道德素养，熟悉教育法规和教育教学规养，熟悉教育法规和教育教学规律，掌握并能够初步运用职业教律，掌握并能够初步运用职业教育心理学、职业教育学和自动化育心理学、职业教育学和自动化技术相关教育学

6、的理论，具有运技术相关教育学的理论，具有运用现代教育技术、从事测控技术用现代教育技术、从事测控技术与仪器及相关专业教学的基本能与仪器及相关专业教学的基本能力。力。|三、主干学科：仪器科学与技三、主干学科：仪器科学与技术、控制科学与工程、光学工术、控制科学与工程、光学工程、计算机科学与技术。程、计算机科学与技术。|四、主要课程：电路原理、模四、主要课程：电路原理、模拟电子技术、数字电子技术、拟电子技术、数字电子技术、光学基础、机械设计基础、信光学基础、机械设计基础、信号与系统、误差理论与数据处号与系统、误差理论与数据处理、微机原理及接口、传感器理、微机原理及接口、传感器原理、控制工程基础、现代检

7、原理、控制工程基础、现代检测技术、智能仪器及应用、测测技术、智能仪器及应用、测控与系统、过程控制控与系统、过程控制。|五、主要实践教学环节：金工实五、主要实践教学环节：金工实习、电子技术课程设计、仪器仪习、电子技术课程设计、仪器仪表技能训练、专业综合设计、教表技能训练、专业综合设计、教育实习、毕业实习、毕业设计及育实习、毕业实习、毕业设计及大学生创新实践等。大学生创新实践等。|六、修业年限：标准学制四年。六、修业年限：标准学制四年。|七、授予学位：工学学士。七、授予学位：工学学士。|八、学时与学分八、学时与学分: 总学分总学分 203|理论课最低学时理论课最低学时/学分学分 2523/158|

8、集中实践环节周数集中实践环节周数/学分学分 39/39|课外活动与社会实践学分课外活动与社会实践学分 10华北地区| 【北京市北京市】清华大学、北京科技大学、清华大学、北京科技大学、北京交通大学、北京理工大学、北京航空北京交通大学、北京理工大学、北京航空航天大学、北京化工大学、北京工业大学、航天大学、北京化工大学、北京工业大学、中国地质大学、北京机械工业学院、北京中国地质大学、北京机械工业学院、北京邮电大学、北京石油化工学院邮电大学、北京石油化工学院|【天津市天津市】天津大学、天津理工学院、天津大学、天津理工学院、天津科技大学、天津工程师范学院天津科技大学、天津工程师范学院|【河北省河北省】河

9、北工业大学、华北电力河北工业大学、华北电力大学、河北科技大学、燕山大学、河北理大学、河北科技大学、燕山大学、河北理工学院、河北大学、河北建筑科技学院、工学院、河北大学、河北建筑科技学院、石家庄铁道学院、河北农业大学石家庄铁道学院、河北农业大学|【山西省山西省】太原理工大学、华北工学太原理工大学、华北工学院、太原重型机械学院院、太原重型机械学院|【内蒙古自治区内蒙古自治区】内蒙古工业大学、内蒙古工业大学、包头钢铁学院包头钢铁学院东北地区【辽宁省辽宁省】东北大学、辽宁大学、沈东北大学、辽宁大学、沈阳工业大学、辽宁工程技术大学、大连铁阳工业大学、辽宁工程技术大学、大连铁道学院、沈阳工业学院、沈阳化

10、工学院、道学院、沈阳工业学院、沈阳化工学院、辽宁工学院、辽宁石油化工大学、鞍山科辽宁工学院、辽宁石油化工大学、鞍山科技大学技大学【吉林省吉林省】吉林大学、长春理工大学、吉林大学、长春理工大学、东北电力学院、长春工业大学、吉林化工东北电力学院、长春工业大学、吉林化工学院学院【黑龙江省黑龙江省】哈尔滨工业大学、哈尔哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、哈尔滨理工大学、大庆石油滨工程大学、哈尔滨理工大学、大庆石油学院学院华东地区【上海市】上海交通大学、华东理工大学、上海大学、上海理工大学、上海电力学院【江苏省】东南大学、中国矿业大学、南京理工大学、南京航空航天大学、南京邮电学院、南京工程学院、南京师范大

11、学、苏州大学、扬州大学、南京工业大学、南通工学院、常州工学院、华东船舶工业学院、淮阴工学院、南京林业大学【浙江省】浙江大学、中国计量学院、杭州电子工业学院、浙江工业大学、浙江工程学院【安徽省】中国科学技术大学、合肥工业大学、安徽工业大学、安徽理工大学、安徽工程科技学院陕甘宁| 【陕西省】西安交通大学、西北工业大学、西安电子科技大学、西安理工大学、陕西科技大学、西安工业学院、西安石油大学、西安工程科技学院、陕西理工学院、西安邮电学院、西安建筑科技大学、西安科技学院|【甘肃省】兰州交通大学、兰州理工大学|【宁夏回族自治区】西北第二民族学院西南地区| 【重庆市】重庆大学、重庆工商大学、重庆邮电学院、

12、重庆工学院|【四川省】四川大学、电子科技大学、西南交通大学、成都理工大学、西南石油学院、成都信息工程学院、西华大学、四川理工学院|【贵州省】贵州工业大学|【云南省】昆明理工大学中原地区【山东省】山东大学、青岛科技大学、山东科技大学、烟台大学、山东理工大学【河南省】河南大学、郑州大学、河南科技大学、郑州轻工业学院、中原工学院【湖北省】武汉大学、华中科技大学、武汉理工大学、湖北工学院、武汉化工学院、湖北科技大学、中国地质大学、江汉大学、武汉科技学院两广【广东省广东省】广东工业大学广东工业大学【广西壮族自治区广西壮族自治区】桂林电子桂林电子工业学院、广西工学院工业学院、广西工学院|【湖南省】湖南

17、号的传输、信号的产生、信号的传输、信号的处理信号的处理”，任务的完成取，任务的完成取决于决于对电子器件、电子电路、对电子器件、电子电路、电子系统的性能的研究电子系统的性能的研究。按照功能和构成原理的不同，按照功能和构成原理的不同，电子电路可分为电子电路可分为模拟电路模拟电路和和数数字电路字电路两大类两大类。电子技术1.1.1 模拟量与数字量模拟量：时间和数值连续的物理量。时间的连续函数数字量：时间和幅度都是离散的。tutu模模拟拟电电子子技技术术本课程着重讨论模拟电路的基本课程着重讨论模拟电路的基本概念、基本原理、基本分析方法本概念、基本原理、基本分析方法及基本应用。及基本应用。主要

18、内容主要内容:(1):(1)简要地介绍信号简要地介绍信号与电子系统的基本概念，与电子系统的基本概念，(2)(2)讨论讨论模拟电路的基本单元电路模拟电路的基本单元电路放大放大器（模型）及其性能。器（模型）及其性能。基本要求基本要求: :(1)(1)了解电子系统的了解电子系统的基本概念及组成基本概念及组成(2)(2)了解信号的分了解信号的分类方法及放大电路的分类类方法及放大电路的分类(3)(3)熟悉熟悉放大电路的主要性能指标。放大电路的主要性能指标。模模拟拟电电子子技技术术第一章第一章半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路第二章第二章半导体三极管及放大电路半导体三极管及放大电路第三

20、进制的数字信号，在时间上和数值上是离散的（不连续），反映在上和数值上是离散的（不连续），反映在电路上就是低电平和高电平两种状态（即电路上就是低电平和高电平两种状态（即0和和1两个逻辑值）。两个逻辑值）。（2）在数字电路中，研究的主要问题是电路）在数字电路中，研究的主要问题是电路的逻辑功能，即输入信号的状态和输出信的逻辑功能，即输入信号的状态和输出信号的状态之间的关系。号的状态之间的关系。（3）对组成数字电路的元器件的精度要求不）对组成数字电路的元器件的精度要求不高，只要在工作时能够可靠地区分高，只要在工作时能够可靠地区分0和和1两两种状态即可。种状态即可。1、数字电路的特点、数字电路的特点数

21、数字字电电子子技技术术数数字字电电子子技技术术第一章第一章逻辑代数基础逻辑代数基础第二章第二章门电路门电路第三章第三章组合逻辑电路组合逻辑电路第四章第四章触发器触发器第五章第五章时序逻辑电路时序逻辑电路第六章第六章脉冲波形的产生和整形脉冲波形的产生和整形第七章第七章半导体存储器半导体存储器第八章第八章可编程逻辑器件可编程逻辑器件C P L DCOMPLEX PROGRAMMABLE LOGIC DEVICEPLDCPLDFPGAFLIED PROGRAMMABLE GATE ARRAY现场现场可编程可编程门门阵列阵列DEVICE: 集成电路（集成电路（IC）ASIC :Appl

22、ication Specific IC产产生：生：地址地址内容内容A1A0D3D2D1D00 00 01 0 1 01 0 1 00 10 10 1 0 00 1 0 01 01 01 1 0 11 1 0 11 11 11 0 1 11 0 1 1存储器存储器发展：发展：1. PROM1. PROM、EPROM EPROM 、EEPROMEEPROM 2. 2. 专业的专业的PLDPLD芯片：芯片：PAL(PAL(可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑) )和和 GAL(GAL(通用阵列逻辑通用阵列逻辑) )。 3. 3. 复杂的复杂的PLDPLD芯片：芯片：CPLDCPLD和和FPGAFPGA。

23、CPLDFPGA：ALTERA公司公司：XILINEX公司公司；乘积项技术；乘积项技术；查找表技术；查找表技术；基于；基于Flash rom或或EEPROM；基于；基于SRAM掉电后程序丢失！掉电后程序丢失！厂家：厂家：Lattice的的ISPISP技术技术Lattice的世界第一个模拟的世界第一个模拟PLDPLD器件器件莱迪思的可编程模拟集成电路：莱迪思的可编程模拟集成电路：ispPAC 器件器件 ALTERA公司的公司的开开发工具工具：Altera公司推出的的第三代公司推出的的第三代PLD开发系统开发系统 MAX+PLUSII QuartusII 新一代新一代FPGA/PLD开发软件，适

24、合新器开发软件，适合新器件和大规模件和大规模FPGA的开发，将逐步取代的开发，将逐步取代MaxplusII。常见英文缩写解释：常见英文缩写解释：ASIC: Application Specific Integrated Circuit. 专用专用ICEDA: Electronic Design Automation. 电子设计自动化电子设计自动化PAL: Programmable Array Logic. 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑GAL: Generic Array Logic. 通用阵列逻辑通用阵列逻辑CPLD:Complex Programmable Logic Device. 复复

25、杂杂可可编编程程逻逻辑辑器器件件FPGA:Field Programmable Gate Array. 现场可编程门阵列现场可编程门阵列SOC: System On a Chip. 片上系统片上系统HDL: Hardware Description Language. 硬件描述语言硬件描述语言VHDL:Very high speed integrated circuit Hardware Description Language. 超高速集成电路硬件描述语言超高速集成电路硬件描述语言微微机机原原理理微机原理及接口技术微机原理及接口技术是计算机应是计算机应用及其相关专业本科的专业基础课。用及其相

26、关专业本科的专业基础课。它以它以计算机概论计算机概论、计算机原计算机原理理、电路分析电路分析、电子技术电子技术等课程为先修课程，与等课程为先修课程，与汇编语汇编语言程序设计言程序设计、微机接口实验微机接口实验相互配合，形成完整的教学和实践相互配合，形成完整的教学和实践体系，是一门具有重要地位的主干体系，是一门具有重要地位的主干课程。掌握微型计算机原理及接口课程。掌握微型计算机原理及接口技术，可为今后单片机、技术，可为今后单片机、DSP原理、原理、检测、控制等后续课程学习以及开检测、控制等后续课程学习以及开发应用打下基础。发应用打下基础。微微机机原原理理微型计算机的基础知识微型计算机的基础知识

27、微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成微型计算机的工作原理微型计算机的工作原理微型计算机的特点、应用及微型计算机的特点、应用及发展发展计算机运算基础计算机运算基础微微机机原原理理|计算机的计算机的产生产生与与发展发展|电子计算机，它是一种能够自动、高速、精确地完成各种信息的存储、处理和控制功能的电子器件。|电子计算机的产生z社会需求z电子器件微微机机原原理理|计算机的计算机的产生产生与与发展发展|电子计算机的几个阶段z电子计算机和电子器件相互影响、相互促进电子器件的发展电子管-晶体管-集成电路-大规模集成电路电子计算机的发展电子管计算机-晶体管计算机-集成电路计算机 -大规模集成电路计算

28、机-人工智能计算机微微机机原原理理|计算机的计算机的产生产生与与发展发展|微型计算机的发展z第第一一代代(19711974(19711974年年) )主主要要是是4 4位位和和低低档档8 8位微型机。（位微型机。（40044004）z第第二二代代(1974-1978(1974-1978年年) )主主要要是是中中高高档档8 8位位微微型机。（型机。（80808080、80858085、Z80Z80）z第第三三代代(1978-1981(1978-1981年年) )主主要要为为1616位位微微型型机机（80868086）z第第四四代代(1981-1993(1981-1993年年) )主主要要为为32

30、指令：、、、增量、增量、减量减量l 逻辑指令：逻辑指令：AND、OR、NOT、XOR、移位、循环移位、循环l 串处理指令：数据块的传送、比较、串处理指令：数据块的传送、比较、搜索搜索|控制转移指令：程序的转移、子程控制转移指令：程序的转移、子程序的调用、返回序的调用、返回|CPU控制指令：标志的处理、控制指令：标志的处理、CPU的状态控制的状态控制|其它指令：如高速缓存处理指令等其它指令：如高速缓存处理指令等微微机机原原理理汇编语言及其程序设计汇编语言及其程序设计汇编语言的特点汇编语言的特点格式格式编辑环境编辑环境基本程序设计：基本程序设计：顺序结构，分支结构，循环结顺序结构，分支结构，

31、循环结构，子程序结构构，子程序结构微微机机原原理理|半导体存储器半导体存储器|存储器接口技术存储器接口技术z 存储器接口中应考虑的问题存储器接口中应考虑的问题z 存储器地址译码方法存储器地址译码方法|主存储器接口主存储器接口z EPROM与与CPU的接口（以的接口（以Intel 2716为例）为例）z SRAM与与CPU的接口（以的接口（以Intel 2114为例）为例）z DRAM与与CPU的接口（以的接口（以Intel 2164为例）为例）|高速缓冲存储器接口高速缓冲存储器接口|虚拟存储器虚拟存储器微微机机原原理理|总线技术总线技术总线与接口总线与接口总线的分类、特点总线的分类、特点系统

32、总线：系统总线：ISA PCI串行总线：串行总线：USB微微机机原原理理|I/OI/O接口与中断技术接口与中断技术I/OI/O接口接口中断的基本原理中断的基本原理80868086中断系统中断系统82598259中断控制器中断控制器微微机机原原理理|接口技术接口技术计时器计时器并行接口并行接口串行接口串行接口DMAD/A 与与A/D单单片片机机原原理理主要介绍微型计算机应用形态、单片机的特点及应用领域、单片机应用系统开发方式。1.1 电子计算机的发展概述电子计算机的发展概述1.2 单片机的发展过程及产品近单片机的发展过程及产品近况况1.3 单片机的特点及应用领域单片机的特点及应用领域1.4 单片

33、机应用系统开发简介单片机应用系统开发简介1.1 电子子计算算机机发展展概概述述1.1.1 1.1.1 电子子计算机的算机的问世及其世及其经典典结构构|1946年年2月月15日，第一台日，第一台电子数字子数字计算机算机ENIAC问世，世，这标志着志着计算算机机时代的到来。代的到来。（CALCULATOR）| ENIAC是是电子子管管计算算机机，时钟频率率仅有有100 KHz，但但能能在在1秒秒钟的的时间内完成内完成5000次加法运算。次加法运算。| 与与现代代的的计算算机机相相比比，有有许多多不不足足，但但它它的的问世世开开创了了计算算机机科科学学技技术的的新新纪元元，对人人类的的生生产和和生生

34、活方式活方式产生了巨大的影响生了巨大的影响。| 匈匈牙牙利利籍籍数数学学家家冯冯诺诺依依曼曼在在方方案案的的设设计计上上做做出出了了重重要要的的贡贡献献。1946年年6月月，他他又又提提出出了了“程程序序存存储储”和和“二二进进制制运运算算”的的思思想想，进进一一步步构构建建了了计计算算机机由由运运算算器器、控控制制器器、存存储储器器、输输入入设设备备和和输输出出设设备备组组成成这这一一计计算算机机的的经典结构。经典结构。1.1 1.1 单片机的概念单片机的概念控制器控制器运算器运算器存储器存储器输入输入/输出设备输出设备CPU单片机单片机电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路大规模、超大

35、大规模、超大规模集成电路规模集成电路甚大规模集成甚大规模集成电路电路发展方向：发展方向： 1.1.高速度、大容量、高性能高速度、大容量、高性能2.2.体积小、价格廉、稳定可靠体积小、价格廉、稳定可靠1.1 1.1 单片机的概念单片机的概念1.1.1 1.1.1 单片机的名称单片机的名称一片芯片相当于一个计算机系统一片芯片相当于一个计算机系统单片机单片机Single Chip MicroComputer微控制器微控制器Micro Control Unit国内通称国内通称国际通称国际通称嵌入式嵌入式微控制器微控制器Embed1.1 1.1 单片机的概念单片机的概念1.1.1 1.1.1 单片机的名

36、称单片机的名称1.1.2 1.1.2 通用单片机和专用单片机通用单片机和专用单片机ASIC1.1.3 1.1.3 单片机和单片机系统单片机和单片机系统（1）单片机：芯片本身）单片机：芯片本身（2）单片机系统：以单片机为中心组成的一定功能的）单片机系统：以单片机为中心组成的一定功能的计算机系统。计算机系统。1.1.5 1.1.5 单片机的程序设计语言和软件单片机的程序设计语言和软件（1）单片机的程序设计语言：）单片机的程序设计语言：机器语言、机器语言、汇编语言、汇编语言、C语言语言（2）单片机的软件）单片机的软件：编程软件、编程软件、仿真软件、仿真软件、编译软件、编译软件、写入软件、写入软件

37、、监控软件。监控软件。1.1.4 1.1.4 单片机的应用系统和开发系统单片机的应用系统和开发系统（1）应用系统）应用系统（2）开发系统：仿真器）开发系统：仿真器1.1 1.1 单片机的概念单片机的概念1.2 1.2 单片机的发展单片机的发展1.2.1 1.2.1 单片机的发展概述单片机的发展概述1946 1946 第一台计算机诞生第一台计算机诞生1971 1971 第一个微处理器诞生第一个微处理器诞生1976 1976 MCS-48(8MCS-48(8位位) )1980 1980 MCS-51(8MCS-51(8位位) )8080年代末年代末 Motorola 680X Motorola 6

38、80X Zilog Z-8Zilog Z-8 Rockwell 650X Rockwell 650X1983 1983 MCS-96(16MCS-96(16位位) )当前：当前：(1) MCS-51MCS-51、MCS-96MCS-96系列发展。系列发展。(2) PIC (Microchip公司公司)(6) DSP(3) ARM(5) AVR(4) 凌阳单片机凌阳单片机二、微型计算机的应用形态二、微型计算机的应用形态从应用形态上，微型计算机可以分成三种：从应用形态上，微型计算机可以分成三种：（1 1）多板机（系统机）多板机（系统机）将将CPU、存储器、存储器、I/O接口电路和总线接口接口电路

39、和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）上，等组装在一块主机板（即微机主板）上，再通过系统总线和其它多块外设适配板卡再通过系统总线和其它多块外设适配板卡连接键盘、显示器、打印机、软连接键盘、显示器、打印机、软/硬盘驱硬盘驱动器及光驱等设备。各种适配板卡插在主动器及光驱等设备。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。统（简称系统机）。工业工业PC机机也属于多板机。也属于多板机。（2 2

40、）单板机单板机将将CPU芯片、芯片、存储器存储器芯片、芯片、I/O接口接口芯片和简单的芯片和简单的I/O设备设备（小（小键盘、键盘、LED显示器）等装配在显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上一块印刷电路板上，再配上监监控程序控程序（固化在（固化在ROM中），就中），就构成了一台单板微型计算机构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。（简称单板机）。单单板板机机的的I/O设设备备简简单单，软软件件资资源源少少，使使用用不不方方便便。早早期期主主要要用用于于微微型型计计算算机机原原理理的的教教学学及及简简单单的的测测控控系系统统，现现在在已已很很少少使用。使用。单片机单片机在一片集成电路芯片上

41、集成微处在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、理器、存储器、I/O接口电路，接口电路，从而构成了从而构成了单芯片微型计算机，单芯片微型计算机，即单片机即单片机。三种应用形态的比较三种应用形态的比较：系统机（多板机）系统机（多板机）单板机单板机单片机单片机3.1 可编程控制器概述可编程控制器概述u可编程控制器的英文名称是可编程控制器的英文名称是Programmable Controller，早期简称，早期简称PC，后来为了与个人，后来为了与个人计算机（计算机（PC）区分，在行业中多称之为）区分，在行业中多称之为Programmable Logic Controller，即可编程，即可编程逻

42、辑控制器，简称逻辑控制器，简称PLC，而这种称呼又与可，而这种称呼又与可编程控制器的起源和它本身的特点有关。编程控制器的起源和它本身的特点有关。返回返回3.1.1 可编程控制器的产生与发展可编程控制器的产生与发展 u美国数字设备公司（美国数字设备公司（DEC）根据提出）根据提出10项指标，项指标，于于1969年研制出第一台控制器，型号为年研制出第一台控制器，型号为PDP-14，它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计算机技术在工业控制领域的应用开辟了空间。算机技术在工业控制领域的应用开辟了空间。 u至上世纪至上世纪70年代，年代，PLC技术已经进入

43、成熟期。推技术已经进入成熟期。推动动PLC技术发展的动力主要来自于两个方面：其技术发展的动力主要来自于两个方面：其一是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客一是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客观需要和追求；其次，大规模及超大规模集成电观需要和追求；其次，大规模及超大规模集成电路技术的飞速发展，微处理器性能的不断提高，路技术的飞速发展，微处理器性能的不断提高，为为PLC技术的发展奠定了基础并开拓了空间技术的发展奠定了基础并开拓了空间。返回返回3.1.2 可编程控制器的特点可编程控制器的特点 u可编程控制器的产生是基于工业控制的需要，是可编程控制器的产生是基于工业控制的需要，是面向工业控

44、制领域的专用设备，它具有以下特点：面向工业控制领域的专用设备，它具有以下特点： CPU为可靠性高，抗干扰能力强；为可靠性高，抗干扰能力强；灵活性强，控制系统具有良好的柔性；灵活性强，控制系统具有良好的柔性；编程简单，使用方便；编程简单，使用方便；控制系统易于实现，开发工作量少，周期短；控制系统易于实现，开发工作量少，周期短；维修方便；维修方便；体积小，能耗低；体积小，能耗低；功能强，性能价格比高功能强，性能价格比高。 3.2 可编程控制器的组成可编程控制器的组成uPLCPLC的基本组成部件如下图所示：的基本组成部件如下图所示：返回返回3.2.1 中央处理单元（中央处理单元（CPUCPU） u

45、中央处理单元是中央处理单元是PLC的核心部件，负责完成逻辑的核心部件，负责完成逻辑运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。它在系统程序的管理下运行，主要功能有它在系统程序的管理下运行，主要功能有：接受并存储由编程器键入的用户程序和数据；接受并存储由编程器键入的用户程序和数据；诊断电源故障以及用户程序的语法错误；诊断电源故障以及用户程序的语法错误；读取输入状态和数据并存储到相应的存储区；读取输入状态和数据并存储到相应的存储区；读读取取用用户户程程序序指指令令，解解释释执执行行用用户户程程序序，完完成成逻逻辑辑运运算算、数数字字运运算算、数数据据传传

46、递递等等任任务务，刷刷新新输出映像，将输出映像内容送至输出单元。输出映像，将输出映像内容送至输出单元。返回返回3.2.2 存储器单元存储器单元uPLC的存储器单元分成两个部分：的存储器单元分成两个部分：系系统统程程序序存存储储器器；用用于于存存放放PLCPLC生生产产厂厂家家编编写写的的系系统统程程序序，系系统统程程序序在在出出厂厂时时已已经经被被固固化化在在PROMPROM或或EPROMEPROM中。中。用用户户程程序序存存储储器器。可可分分为为程程序序存存储储区区和和数数据据存存储储区区，程程序序存存储储器器用用于于存存放放用用户户编编写写的的控控制制程程序序，数数据据存存储储区区存

47、存放放的的是是程程序序执执行行过过程程中中所所需需要的或者所产生的中间数据。要的或者所产生的中间数据。 3.2.3 电源单元电源单元 u电源单元将外界提供的电源转换成电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电的工作电源后，提供给源后，提供给PLC。有些电源单元也可以作为负。有些电源单元也可以作为负载电源，通过载电源，通过PLC的的I/O接口向负载提供直流接口向负载提供直流24V电源。电源。 u电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。在面板上通常有发光二极管（

48、不会丢失。在面板上通常有发光二极管（LCD）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。常。 3.2.4 输入输出单元输入输出单元 uPLC的输入、输出单元也叫的输入、输出单元也叫I/O单元，对于模块式单元，对于模块式的的PLC来说，来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称单元以模块形式出现，所以又称为为I/O模块。模块。 I/O单元是单元是PLC与工业现场的接口，与工业现场的接口，现场信号与现场信号与PLC之间的联系通过之间的联系通过I/O单元实现。单元实现。 u工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量两

49、类，因此两类，因此I/O单元也有数字单元也有数字I/O和模拟和模拟I/O两种，两种，前者又称为前者又称为DI/DO，后者又称为，后者又称为AI/AO。PLC的的输入、输出单元还应包括一些功能模块，所谓功输入、输出单元还应包括一些功能模块，所谓功能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。 3.2.5 接口单元接口单元 u接口单元包括扩展接口、通信接口、编程器接口接口单元包括扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口及其它外部设备接口等。和存储器接口及其它外部设备接口等。 uPLC的的I/O单元也属于接口单元的范畴，它完成单元也属于接口单元的范畴，它完成PLC

50、与工业现场之间电信号的往来联系。除此之与工业现场之间电信号的往来联系。除此之外，外，PLC与其它外界设备和信号的联系都需要相与其它外界设备和信号的联系都需要相应的接口单元应的接口单元。 3.2.6 外部设备外部设备 uPLC的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：编编程程设设备备；除除了了用用于于编编程程，还还可可对对系系统统作作一一些些设定，以确定设定，以确定PLCPLC的工作方式。的工作方式。监监控控设设备备；将将现现场场数数据据动动态态实实时时显显示示出出来来，以以便操作人员随时掌握系统运行的情况。便操作人员随时掌握系统运行的情况。存储设备；

51、用于保存用户数据，避免程序丢失。存储设备；用于保存用户数据，避免程序丢失。输输入入输输出出设设备备。用用于于接接受受信信号号和和输输出出信信号号的的专专用设备用设备。返回返回测量与传感技术测量与传感技术|参考书籍参考书籍测测量量与与传传感感技技术术|是自动化技术的重要组成部分。|是机械、电子、计算机有机结合的中间环节。|专业基础课程电工学、电子技术、光学等。一、传感器的作用一、传感器的作用测测量量与与传传感感技技术术人们为了从外界获取信息，必须借助于感人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官，而单靠人们自身的感觉器官，在研究觉器官，而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律及生产

52、活动中它们的功能远远自然现象和规律及生产活动中它们的功能远远不够。为适应这种情况，传感器就应运而生了。不够。为适应这种情况，传感器就应运而生了。因此可以说，传感器是人类五官的延长，因此可以说，传感器是人类五官的延长，又又称为电五官。称为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。领域中信息的主要途径与手段。测测量量与与传传感感技技术术目前，传感器早已渗透到诸如工业生产

53、、目前，传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、健康管理、生物工程、甚至文物保护等及其广健康管理、生物工程、甚至文物保护等及其广泛的领域。泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。可见，传感器技术在发展经济、推动社会可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用是十分明显的。世界各国进步方面的重要作用是十分明显的

54、。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。地位相称的新水平。测测量量与与传传感感技技术术 |没有测量就没有科学，至少是没有测量就没有科学，至少是没有真正意义上的科学。没有真正意义上的科学。常见的传感器智能仪器智能仪器一、一、智能仪器的典型结构智能仪器的典型结构智能仪器由硬件和软件两大部分组成。智能仪器由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入/输出输出通道、人机接口电路、通信接口电路

55、。通道、人机接口电路、通信接口电路。智能仪器的软件分为监控程序和接口管理程序智能仪器的软件分为监控程序和接口管理程序两部分。监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的两部分。监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序；接口管理程序是面向通信接口的管理程管理程序；接口管理程序是面向通信接口的管理程序，接收并分析来自通信接口总线的远控命令。序，接收并分析来自通信接口总线的远控命令。智能仪器智能仪器二、二、智能仪器的主要特点智能仪器的主要特点 (1)、智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式、智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关来实施对仪器的控制，从而使仪器面板的布置和仪切换

56、开关来实施对仪器的控制，从而使仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连。有利于提高仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连。有利于提高仪器技术指标，并方便了仪器的操作。器技术指标，并方便了仪器的操作。例如，传统仪器中与衰减器相连的旋转式开关必须安装在衰例如，传统仪器中与衰减器相连的旋转式开关必须安装在衰减器正前方的面板上，这样，可能由于面板的布置受仪器内减器正前方的面板上，这样，可能由于面板的布置受仪器内部结构的限制，不能充分考虑用户使用的方便性；也可能由部结构的限制，不能充分考虑用户使用的方便性；也可能由于衰减器的安装位置必须服从面板布局的需要，而给内部电于衰减器的安装位置

57、必须服从面板布局的需要，而给内部电气连接带来许多的不便。气连接带来许多的不便。二、二、智能仪器的主要特点智能仪器的主要特点 (2) 微处理器的运用极大地提高了仪器的性能。微处理器的运用极大地提高了仪器的性能。例如：利用微处理器的运算和逻辑判断功能，按照一定的例如：利用微处理器的运算和逻辑判断功能，按照一定的算法可以方便地消除由于漂移、增益的变化和干扰等因素所算法可以方便地消除由于漂移、增益的变化和干扰等因素所引起的误差，从而提高了仪器的测量精度。引起的误差，从而提高了仪器的测量精度。例如：传统的数字多用表例如：传统的数字多用表(DMM)只能测量电阻、交直流电只能测量电阻、交直流电压、电流

58、等，压、电流等，而智能型的数字多用表不仅能进行上述测量，而智能型的数字多用表不仅能进行上述测量，而且还能对测量结果进行诸如零点平移、平均值、极值、统而且还能对测量结果进行诸如零点平移、平均值、极值、统计分析以及更加复杂的数据处理功能，使用户从繁重的数据计分析以及更加复杂的数据处理功能，使用户从繁重的数据处理中解放出来。处理中解放出来。目前有些智能仪器还运用了专家系统技术，使仪器具有更目前有些智能仪器还运用了专家系统技术，使仪器具有更深层次的分析能力，解决专家才能解决的问题。深层次的分析能力，解决专家才能解决的问题。二、二、智能仪器的主要特点智能仪器的主要特点 (3) 智能仪器运用微处理器

59、的控制功能，可以方便地实现量智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便地实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自诊断等功能，有力地改善了仪器的自动化测量水平。诊断等功能，有力地改善了仪器的自动化测量水平。例如：智能型的数字示波器有一个自动分度键例如：智能型的数字示波器有一个自动分度键(Autoset)，测，测量时只要一按这个键，量时只要一按这个键，仪器就能根据被测信号的频率及幅度，仪器就能根据被测信号的频率及幅度，自动设置好最合理的垂直灵敏度、时基以及最佳的触发电平，自动设置好最合理的垂直灵敏度、时基以及最佳的触发电平，使

60、信号的波形稳定地显示在屏幕上。使信号的波形稳定地显示在屏幕上。例如：智能仪器一般都具有自诊断功能，当仪器发生故障时例如：智能仪器一般都具有自诊断功能，当仪器发生故障时，可以自动检测出故障的部位并能协助诊断故障的原因，甚，可以自动检测出故障的部位并能协助诊断故障的原因，甚至有些智能仪器还具有自动切换备件进行自维修功能，极大至有些智能仪器还具有自动切换备件进行自维修功能，极大地方便了仪器的维护。地方便了仪器的维护。二、二、智能仪器的主要特点智能仪器的主要特点 (4) 智能仪器具有友好的人机对话的能力，使用人员只需通智能仪器具有友好的人机对话的能力，使用人员只需通过键盘打入命令，过键盘打入命令

61、，仪器就能实现某种测量和处理功能，与此仪器就能实现某种测量和处理功能，与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器运行情况、工作状态以同时，智能仪器还通过显示屏将仪器运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉使用人员，使人及对测量数据的处理结果及时告诉使用人员，使人机之间机之间的联系非常密切。的联系非常密切。 (5) 智能仪器一般都配有智能仪器一般都配有GPIB或或RS232等通信接口，使智能等通信接口，使智能仪器具有可程控操作的能力。仪器具有可程控操作的能力。从而可以很方便地与计算机和从而可以很方便地与计算机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，其他仪器一起组成用户所需要

62、的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。来完成更复杂的测试任务。典型典型智能仪器智能仪器数字多用表数字多用表典型典型智能仪器智能仪器函数信号发生器函数信号发生器典型典型智能仪器智能仪器数字存贮示波器数字存贮示波器典型典型智能仪器智能仪器频谱分析仪频谱分析仪2、自动测试系统自动测试系统自动测量系统自动测量系统被测器件或过程被测器件或过程GP-IB仪器总线仪器总线A/D转换器转换器D/A转换器转换器输入输入电路电路模拟模拟执行器执行器I/O接口接口被被测量量微处理器微处理器MPU程序存储器程序存储器(ROM)数据存储器数据存储器(RAM)标准仪用标准仪用通讯接口通讯接口键盘显

63、示接口键盘显示接口键盘键盘显示显示外部外部仪用用标准准总线智能仪器智能仪器卡式卡式仪器的演变仪器的演变计算机部分计算机部分测测试试部部分分虚拟仪器虚拟仪器虚拟仪器概述虚拟仪器概述虚拟仪器通常是指以通用计算机作为控制器，添加必要的模块化硬虚拟仪器通常是指以通用计算机作为控制器，添加必要的模块化硬件来完成数据采集，由高效、功能强大的软件系统完成人件来完成数据采集，由高效、功能强大的软件系统完成人机交互及数机交互及数据处理的一种计算机系统。据处理的一种计算机系统。虚拟仪器的出现使测量仪器与计算机之间的界限模糊了，用户操作虚拟仪器的出现使测量仪器与计算机之间的界限模糊了，用户操作这台计算机就像操

64、作一台他自己专门设计的传统电子仪器一样。这台计算机就像操作一台他自己专门设计的传统电子仪器一样。虚拟仪器概念是在个人仪器和计算机软件不断发展的基础上提出来虚拟仪器概念是在个人仪器和计算机软件不断发展的基础上提出来的。它更加强调软件的作用，提出了的。它更加强调软件的作用，提出了“软件就是仪器软件就是仪器”的思想。的思想。用户通过在已建立的通用仪器平台上，调用不同的测试软件就可以用户通过在已建立的通用仪器平台上，调用不同的测试软件就可以构成各种功能的虚拟仪器。这个概念克服了传统仪器的功能在制造时就构成各种功能的虚拟仪器。这个概念克服了传统仪器的功能在制造时就被限定而不能变动的限制，打破了仪器功能只

65、能由厂家定义，用户无法被限定而不能变动的限制，打破了仪器功能只能由厂家定义，用户无法改变的模式。改变的模式。虚拟仪器设计举例虚拟仪器设计举例本节拟通过虚拟电子实验室系统的设计说明虚拟仪器的设计方法本节拟通过虚拟电子实验室系统的设计说明虚拟仪器的设计方法仪器功能：仪器功能：示波器示波器动态信号分析仪动态信号分析仪任意波形发生器任意波形发生器函数发生器函数发生器数字万用表数字万用表数字记录仪数字记录仪等精度频率计等精度频率计软件平台：软件平台： LabView硬件平台：硬件平台： NI-6024E DAQ NI-6024E DAQ 板板自研信号调理器自研信号调理器设计目标：把电子实验室的主要仪器

66、功能设计目标：把电子实验室的主要仪器功能”装进装进”计算机内部计算机内部基于基于 LabViewLabView 虚拟电子实验室系统的设计虚拟电子实验室系统的设计计算机计算机信号调理器信号调理器NI-6024E自制自制通用计算机通用计算机(LabVIEW)“虚拟电子实验室系统虚拟电子实验室系统”的整体结构的整体结构DAQ板采用板采用NI公司生产的公司生产的PCI6024E DAQ多功能数据采集板，它具多功能数据采集板，它具有有16个模拟输入的程控放大器；一个个模拟输入的程控放大器；一个12bit A/D转换器；两个转换器；两个12bit的的D/A转换转换器；两个器；两个24bit的定时器的定时器

67、/计数器以及计数器以及8个个TTL电平的数字电平的数字I/O端口等资源。端口等资源。它采用了先进的即插即用，不需要任何开关与跨接器，仅通过安装驱动它采用了先进的即插即用，不需要任何开关与跨接器，仅通过安装驱动程序即可实现设备的完全配置。驱动程序可以从程序即可实现设备的完全配置。驱动程序可以从NI网站上下载。网站上下载。双踪数字示波器双踪数字示波器函数发生器函数发生器数字多用表数字多用表任意波形发生器任意波形发生器数据记录仪数据记录仪等精度频率计等精度频率计动态信号分析仪动态信号分析仪下图为虚拟电子实验室系统的总面板，选择不同的下图为虚拟电子实验室系统的总面板，选择不同的“软键软键”，便可以

68、进入不同的虚拟仪器的环境。，便可以进入不同的虚拟仪器的环境。EDACAD计算机辅助设计计算机辅助设计CAE计算机辅助工程计算机辅助工程EDA电子设计自动化电子设计自动化|系统工具软件：C、VB、VC|专业设计软件：Protel、DXP|专业仿真软件：EWB、 Multisim|专业工具软件：Matlab|专业配套软件： PLD设计 MaxplusII、QuartusII PLC设计 Step 7 虚拟仪器 Labview 单片机 Keil cEDA集成计数器构成任意进制计数器集成计数器构成任意进制计数器1 1、用、用复位法复位法组成组成N N进制计数器进制计数器例例: :用复位法将用复位法将

72、迄今：鲁棒控制、H控制、非线性控制、智能控制等测控与系统|本课程主要任务|控制系统性能分析动态性能：过渡过程分析、稳定性分析等稳态性能：控制精度（稳态误差）|控制系统设计选择适当的控制器及控制规律以改善控制系统的性能使其满足控制要求。光光学学基基础础辐射度学起源于物理学上对物体热辐射度学起源于物理学上对物体热辐射特性的研究。随着光学辐射在辐射特性的研究。随着光学辐射在工业、农业、军事和科学研究等方工业、农业、军事和科学研究等方面的应用日益广泛，辐射测量的重面的应用日益广泛，辐射测量的重要性也与日俱增。使光度技术从以要性也与日俱增。使光度技术从以目视法占统治的状态，逐渐过渡到目视法占统治

73、的状态，逐渐过渡到使用各种光电和热电接收器的物理使用各种光电和热电接收器的物理方法，大大改善了测量精度和提高方法，大大改善了测量精度和提高了工作效率。另一方面，在辐射度了工作效率。另一方面，在辐射度技术中，也借用了光度学的表达方技术中，也借用了光度学的表达方法来描述辐射源和辐照场的各种辐法来描述辐射源和辐照场的各种辐射度特性，而建立起与光度学相似射度特性，而建立起与光度学相似的理论体系。这两门学科之间建立的理论体系。这两门学科之间建立了紧密的联系。了紧密的联系。光光学学基基础础一、基本概念一、基本概念在光度学和辐射度学中，测在光度学和辐射度学中，测量对象都是光学辐射，仅仅是量对象都是光学辐射

74、，仅仅是所依据的评价标准不同。常用所依据的评价标准不同。常用的光度量和辐射度量如表。的光度量和辐射度量如表。光光学学基基础础光光学学基基础础|光学辐射是指波长为光学辐射是指波长为 1纳米到纳米到1毫米毫米范围的电磁辐射范围的电磁辐射,它包括真空紫外辐它包括真空紫外辐射、紫外辐射、可见辐射和红外辐射、紫外辐射、可见辐射和红外辐射等部分。射等部分。|辐射度学就是对光学辐射进行定量辐射度学就是对光学辐射进行定量评价的一门实验科学。评价的一门实验科学。|可见辐射作用于人眼所引起的可见辐射作用于人眼所引起的“光光”感觉，是一种生理效应，它与辐感觉，是一种生理效应，它与辐射的组成、强弱及人的视觉器官的射的

75、组成、强弱及人的视觉器官的生理特性和人的心理活动都有关系；生理特性和人的心理活动都有关系；光度学就是根据人类视觉器官的生光度学就是根据人类视觉器官的生理特性和某些约定的规范来评价辐理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生的视觉效应。射所产生的视觉效应。光光学学基基础础|对于具有连续光谱的辐射，某种辐射度量对于具有连续光谱的辐射，某种辐射度量e（如辐射强度、辐射亮度等）的光谱（如辐射强度、辐射亮度等）的光谱密集度定义为：在包含给定波长密集度定义为：在包含给定波长的无限的无限小波长间隔内，相应的辐射度量与该波长小波长间隔内，相应的辐射度量与该波长间隔之商，间隔之商，e,= de /d。辐射度量的光。

76、辐射度量的光谱密集度与波长的函数关系叫做该辐射度谱密集度与波长的函数关系叫做该辐射度量的光谱分布。对于光度量也可给出类似量的光谱分布。对于光度量也可给出类似的定义。光度量和辐射度量之间的关系可的定义。光度量和辐射度量之间的关系可以表示为：以表示为：| V = K m e,V()d| V = Km e,V()d|式中式中V和和V分别为与分别为与e,相对应的明视相对应的明视觉光度量和暗视觉光度量，觉光度量和暗视觉光度量，K m 683流流明瓦，明瓦，Km1700流明瓦，分别为明流明瓦，分别为明视觉和暗视觉的最大光谱光视效能。视觉和暗视觉的最大光谱光视效能。光光学学基基础础|二、基本原理二、基本原理

77、二、基本原理二、基本原理光度学和辐射度学的研究对象主光度学和辐射度学的研究对象主要是非相干光学辐射，并且认为辐要是非相干光学辐射，并且认为辐射的传播服从几何光学定律。射的传播服从几何光学定律。| 1 1、距离平方反比法则和照度的余、距离平方反比法则和照度的余、距离平方反比法则和照度的余、距离平方反比法则和照度的余弦法则弦法则弦法则弦法则：| 点辐射点辐射(光光)源在处于某方向的面元源在处于某方向的面元上建立的照度与点源朝该方向的辐上建立的照度与点源朝该方向的辐射（发光）强度射（发光）强度I成正比，与点源和成正比，与点源和面元之间距离面元之间距离d的平方成反比，与的平方成反比，与面元法线和入射

78、光线夹角的余弦成面元法线和入射光线夹角的余弦成正比（见图正比（见图1.2.1-2 ），），| E = cos/d2 。光光学学基基础础图图1.2.1-2 距离平方反比法则和照度的余弦法则距离平方反比法则和照度的余弦法则光光学学基基础础|2 2、叠加原理、叠加原理、叠加原理、叠加原理：| 若干辐射（光）源在一面元上建若干辐射（光）源在一面元上建立的照度等于各辐射（光）源单独立的照度等于各辐射（光）源单独建立的照度之和。建立的照度之和。|3 3、均匀漫射面及其特性、均匀漫射面及其特性、均匀漫射面及其特性、均匀漫射面及其特性：| 均匀漫射面（包括漫反射、漫透均匀漫射面（包括漫反射、漫透射及自身发光的

79、漫射面）在任何方射及自身发光的漫射面）在任何方向都具有相等的亮度，因而在与面向都具有相等的亮度，因而在与面的法线成的法线成角的方向上的辐射强度角的方向上的辐射强度或发光强度或发光强度I = I0 cos，I0为漫射为漫射面在法线方向的辐射强度或发光强面在法线方向的辐射强度或发光强度。度。光光学学基基础础|三、标准与测量三、标准与测量三、标准与测量三、标准与测量1 1、辐射度标准与辐射测量、辐射度标准与辐射测量、辐射度标准与辐射测量、辐射度标准与辐射测量辐射度的原始标准有两种类型：标准辐射源和辐射度的原始标准有两种类型：标准辐射源和绝对辐射计。前者主要是工作在不同温度下的黑绝对辐射计。前者主要

80、是工作在不同温度下的黑体炉。根据斯忒藩玻耳兹曼定律，黑体的辐射体炉。根据斯忒藩玻耳兹曼定律，黑体的辐射亮度亮度 | Le = T4/|= 5.6703210-8W/(m2 K4叫斯忒藩叫斯忒藩-玻耳兹曼玻耳兹曼常数，常数，T为黑体的绝对温度。因此只要测得为黑体的绝对温度。因此只要测得T，就，就能算得能算得Le 。对于实际的人工黑体。对于实际的人工黑体,还必须根据黑体还必须根据黑体的腔型、尺寸和所用材料的发射率确定黑体的发的腔型、尺寸和所用材料的发射率确定黑体的发射率射率(即黑度系数即黑度系数),Le才为人工黑体的辐射亮度。才为人工黑体的辐射亮度。在黑体前面加光阑即可作为标定辐射计的标准在黑体前

81、面加光阑即可作为标定辐射计的标准。辐射计入射光阑面上的辐射照度为辐射计入射光阑面上的辐射照度为| Ee =T4 r12 g/d2|g为几何因子为几何因子,由由d、r1和和r2确定确定(见图见图1.2.1-3)。光光学学基基础础|根据普朗克定律，可以算出黑体辐射亮度的光谱根据普朗克定律，可以算出黑体辐射亮度的光谱密度密度| Le,=c1-1-5exp(c2 /T)-1|式中式中c1和和c2分别是第一和第二普朗克辐射常数。分别是第一和第二普朗克辐射常数。因而黑体可作为光谱辐射亮度标准，通过光谱测因而黑体可作为光谱辐射亮度标准，通过光谱测量系统标定标准灯的光谱辐射亮度作为次级标准量系统标定标准灯的

82、光谱辐射亮度作为次级标准（见图（见图1.2.1-4）。为了消除光路不对称的影响，）。为了消除光路不对称的影响，必须使用比较灯。必须使用比较灯。图图1.2.1-3人工黑体标定辐射计示意图人工黑体标定辐射计示意图光光学学基基础础在黑体前面适当位置加一开口面积已知的光阑，就在黑体前面适当位置加一开口面积已知的光阑，就可计算一定距离处的漫射板上辐射照度的光谱密可计算一定距离处的漫射板上辐射照度的光谱密集度值。通过光谱测量系统，可以作为光谱辐射集度值。通过光谱测量系统，可以作为光谱辐射照度标准标定光谱辐射照度标准灯在漫射板上产照度标准标定光谱辐射照度标准灯在漫射板上产生的辐射照度的光谱密度值生的辐射照度

83、的光谱密度值,作为次级标准（见图作为次级标准（见图1.2.1-5）。在这种测量光路中，不用任何成像系）。在这种测量光路中，不用任何成像系统统;而在光谱辐射亮度的测量光路中而在光谱辐射亮度的测量光路中,必须使用成像必须使用成像系统系统,这是两者不同之处。这是两者不同之处。图图1.2.1-4黑体炉标定光谱辐射亮度标准灯示意图黑体炉标定光谱辐射亮度标准灯示意图光光学学基基础础一定温度的黑体仅在有限的波长范围才能发出足够一定温度的黑体仅在有限的波长范围才能发出足够强的辐射。因此，为要建立不同波长范围的积分强的辐射。因此，为要建立不同波长范围的积分辐射度标准和光谱辐射度标准，就需要有不同温辐射度标准和

84、光谱辐射度标准，就需要有不同温度的黑体炉。在目前技术条件下，由高温黑体炉度的黑体炉。在目前技术条件下，由高温黑体炉所建立的光谱辐射度标准在短波方向只能达到所建立的光谱辐射度标准在短波方向只能达到250纳米。近十几年来纳米。近十几年来,发展了同步加速器辐射技术，发展了同步加速器辐射技术，可以作为从软可以作为从软X 射线、真空紫外辐射、紫外辐射、射线、真空紫外辐射、紫外辐射、可见辐射、一直到近红外辐射的原始标准。可见辐射、一直到近红外辐射的原始标准。图图1.2.1-5黑体炉标定光谱辐射照度标准灯示意黑体炉标定光谱辐射照度标准灯示意图图光光学学基基础础各种电校准绝对各种电校准绝对辐射计能测量辐射计能

85、测量辐射束的功率辐射束的功率值，也是一种值，也是一种重要的辐射度重要的辐射度原始标准。其原始标准。其基本原理如图基本原理如图1.2.1-6 所示，所示，图图1.2.1-6 吉勒姆吉勒姆(Gilham)型型绝对辐射计原理图绝对辐射计原理图光光学学基基础础|上述两种类型的原始标准各有其一定的适应范围，上述两种类型的原始标准各有其一定的适应范围，在实际工作中，两者互为补充。在实际工作中，两者互为补充。| 辐射测量可分为相对测量和绝对测量两类。前辐射测量可分为相对测量和绝对测量两类。前者测量两同名辐射度量之间的比值，因此测量系者测量两同名辐射度量之间的比值，因此测量系统不用定标，但必须有良好的线性。在

86、某些情况统不用定标，但必须有良好的线性。在某些情况下，如测量选择性光学材料的积分反射比或透射下，如测量选择性光学材料的积分反射比或透射比，还要求测量系统的接收器在所考虑的波长范比，还要求测量系统的接收器在所考虑的波长范围内是中性的。绝对测量要求测量辐射量的量值，围内是中性的。绝对测量要求测量辐射量的量值，因此测量系统必须由辐射度标准定标。因此测量系统必须由辐射度标准定标。2 2、光度标准与光度测量、光度标准与光度测量、光度标准与光度测量、光度标准与光度测量| 目前技术上最成熟的方法是在绝对辐射计前加目前技术上最成熟的方法是在绝对辐射计前加V()滤光器，使它具有标准光度观察者的光谱响滤光器，使它

87、具有标准光度观察者的光谱响应特性（见图应特性（见图1.2.1-7 ）。由公式）。由公式Ev = K m Ee /m 即可得到光源在辐射计入射光阑面上建立的光照即可得到光源在辐射计入射光阑面上建立的光照度值度值Ev 。式中。式中Ee =m Ee,V()d,是经过是经过V()滤滤光器后为辐射计实际测得的辐射照度光器后为辐射计实际测得的辐射照度, m 是滤光是滤光器在波长器在波长555纳米处的透射比。纳米处的透射比。光光学学基基础础图图1.2.1-7 绝对辐射计绝对辐射计 - V()滤光器构滤光器构成成光度基准标定发光强度副基准灯光度基准标定发光强度副基准灯由一组辐射计由一组辐射计- V()滤光器系

88、统组滤光器系统组成光度基准，用以标定一组色温度成光度基准，用以标定一组色温度为为2856K 的标准灯的发光强度值，的标准灯的发光强度值，作为次级标准，即发光强度副基准，作为次级标准，即发光强度副基准，且作保持发光强度单位且作保持发光强度单位坎德拉。坎德拉。光光学学基基础础|发光强度标准灯同时也是光照度标发光强度标准灯同时也是光照度标准灯。它在一定距离处的面上所建准灯。它在一定距离处的面上所建立的光照度可以根据距离平方反比立的光照度可以根据距离平方反比法则计算得出，用来标定光照度计。法则计算得出，用来标定光照度计。| 当光照射均匀漫反射面时，若漫当光照射均匀漫反射面时，若漫反射面的反射比为反射面

89、的反射比为，面上的照度，面上的照度为为E,则它的亮度为则它的亮度为L = E/。因此。因此可用发光强度标准灯照射已知漫反可用发光强度标准灯照射已知漫反射比的标准漫反射板来标定亮度计射比的标准漫反射板来标定亮度计（见图（见图1.2.1-8）。）。光光学学基基础础图图1.2.1-8标定亮度计示意图标定亮度计示意图光光学学基基础础光度测量方法分目视法和客观法。目光度测量方法分目视法和客观法。目视法是人眼直接参与测量过程视法是人眼直接参与测量过程, 多多用于作人眼的视觉试验，而光度测用于作人眼的视觉试验，而光度测量则用客观法，或称物理接收器法。量则用客观法，或称物理接收器法。客观法所用接收器必须带有客

90、观法所用接收器必须带有V() 修修正滤光器正滤光器(见图见图1.2.1-9),它的响应与它的响应与所接收的光通量或照度直接相关。所接收的光通量或照度直接相关。因而一切使用客观法的光度测量都因而一切使用客观法的光度测量都归结为光通量或照度的测量。归结为光通量或照度的测量。光光学学基基础础图图1.2.1-9 客观法光度测量示意图客观法光度测量示意图实践环节|金工实习传统机械产品设计方法用纸、铅笔或二维绘图软件建造实验环境，用传感器测量载荷、变形和运动状态设计绘图制造实物样机实物样机实验产品定型生产制造实物零件并装配发现问题、重新修改设计现代机械产品设计方法产品概念设计三维结构设计运动学、动力学仿真分析有限元分析、尺寸、结构优化虚拟样机验证产品中的运动机构原理是否正确验证产品是否有强刚度振动等问题运动学问题动力学问题|CAD概念的产生和发展 20世纪60年代初，美国麻省理工学院开发了名为Sketchpad的计算机交互图形处理系统，形成了CAD的最初概念：科学计算、绘图。 20世纪70年代中期，CAD开始进入实用阶段，主要技术特点是二维、三维线框造型，只能表达基本的几何信息。不能有效表达几何数据的拓扑关系，价格昂贵。工艺实习|焊接工艺

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