¿Cuáles son las principales cosas que se deben aprender en tecnología de la información electrónica?

Según las tendencias de desarrollo internacional y la situación actual de mi país, los instrumentos modernos se pueden dividir aproximadamente en seis categorías según sus campos de aplicación y sus propias características técnicas, a saber, instrumentos y control de automatización industrial. sistemas, instrumentos científicos, mediciones electrónicas y eléctricas, instrumentación, instrumentos médicos, diversos instrumentos especiales, sensores y componentes y materiales de instrumentos. Los instrumentos y sistemas de control de automatización industrial se refieren principalmente a diversos instrumentos de detección, actuadores y dispositivos de sistemas de control automático utilizados en la industria, especialmente en las industrias de procesos. Los instrumentos científicos se refieren principalmente a instrumentos y medidores utilizados en investigaciones científicas, experimentos de enseñanza, pruebas metrológicas, monitoreo ambiental, inspección de calidad y seguridad, etc. Los instrumentos de medición electrónicos y eléctricos se refieren principalmente a instrumentos especiales y generales para probar y medir en diversas bandas de frecuencia, como baja frecuencia, alta frecuencia, frecuencia ultraalta, microondas, etc. Los instrumentos médicos se refieren principalmente a instrumentos utilizados para la investigación en ciencias biológicas y el diagnóstico y tratamiento clínico. Varios tipos de instrumentos especiales se refieren a instrumentos utilizados en agricultura, meteorología, hidrología, geología, océanos, industria nuclear, aviación, aeroespacial y otros campos. Los instrumentos científicos se pueden subdividir en 14 subcategorías, a saber, instrumentos ópticos electrónicos, instrumentos ópticos de iones, instrumentos de rayos X, instrumentos espectroscópicos, instrumentos cromatográficos, instrumentos espectroscópicos, instrumentos electroquímicos, instrumentos de análisis de separación bioquímica, instrumentos de análisis de gases, microscopios y sistemas de imágenes, químicos. instrumentos de análisis térmico y de reacción, instrumentos de vibración acústica, instrumentos de prueba de rendimiento mecánico (máquinas de prueba de materiales) e instrumentos de medición fotoeléctrica. Entre ellos, varios tipos de instrumentos ópticos e instrumentos analíticos tienen el desarrollo más rápido, la aplicación más amplia y la mayor capacidad de mercado. Aunque los instrumentos modernos están clasificados de manera amplia, en realidad existe mucha superposición. Por ejemplo, muchos instrumentos especiales son instrumentos científicos.

2. La tendencia de desarrollo de la instrumentación moderna

El desarrollo de la instrumentación internacional es extremadamente rápido. Tomando como ejemplo los instrumentos analíticos en instrumentos científicos, las ventas anuales totales del mercado mundial de instrumentos analíticos aumentaron de 25.600 millones de dólares EE.UU. en 2000 a 365.438+600 millones de dólares EE.UU. en 2002, con una tasa de crecimiento anual de más del 65.438+0,1%, lo que es la tasa más alta de crecimiento económico mundial 3-4 veces. Las principales tendencias de desarrollo de la instrumentación internacional en los últimos 10 años son:

La aparición de la tecnología digital ha aumentado la precisión, resolución y velocidad de medición de los instrumentos analógicos en varios órdenes de magnitud, sentando una buena base para el Realización de automatización de pruebas. Con la introducción de las computadoras, las funciones de los instrumentos han experimentado cambios cualitativos, desde medir un solo parámetro hasta medir los parámetros característicos de todo el sistema, desde la simple aceptación y visualización hasta el control, análisis, procesamiento, cálculo y visualización de la salida, desde medir con un solo instrumento Medir mediante un sistema de medición. Con la mayor penetración de la tecnología informática en la instrumentación, además de las pruebas tradicionales en el dominio del tiempo y la frecuencia, las pruebas en el dominio de los datos también han aparecido en instrumentos electrónicos. En la década de 1990, los avances en la ciencia de la instrumentación y la tecnología de medición llevaron a la mejora de la inteligencia de los instrumentos. La aparición de una gran cantidad de chips DSP ha mejorado en gran medida las funciones de procesamiento de señales digitales de los instrumentos y medidores; con el desarrollo de microcomputadoras, los instrumentos y medidores tienen capacidades de procesamiento de datos más sólidas y las funciones de procesamiento de imágenes se desarrollaron rápidamente en la década de 1990; uso en la tecnología de comunicación de red de diversos equipos de automatización de campo y sus sistemas de control, Internet y la tecnología de Internet también ingresarán al campo de control. Los productos de instrumentos modernos se desarrollarán en la dirección de la informatización, la creación de redes, la inteligencia y la multifunción. El diseño integral interdisciplinario y la tecnología de fabricación de precisión le permiten obtener información completa de los objetos que se analizan, detectan y controlan de forma más rápida, sensible, fiable y sencilla. En los próximos 10 años, un mayor grado de inteligencia debería incluir una serie de funciones como comprensión, razonamiento, juicio y análisis. Es el resultado de la combinación de valores numéricos, lógica y conocimiento. expresión y aplicación del conocimiento. Utilice los nuevos efectos de la física, la alta tecnología y sus resultados para desarrollar nuevas tecnologías de sensores e instrumentos de prueba con alta sensibilidad, alta estabilidad y fuerte capacidad antiinterferente. Por ejemplo, el interferómetro cuántico superconductor de alta temperatura (SGUID) se utiliza para desarrollar instrumentos de prueba metrológica, instrumentos de prueba física, instrumentos geográficos y geológicos, instrumentos de análisis químico, instrumentos médicos, instrumentos de prueba de materiales no destructivos, etc. Utilice elipsómetro para detectar fibra óptica, vidrio óptico, etc. Combinado con la óptica de campo cercano, no solo puede medir la estructura fina de la superficie, sino también distinguir el material del objeto medido basándose en la información de polarización de la reflexión óptica de campo cercano, lo cual es una nueva exploración en la investigación experimental actual. La tecnología del espectrómetro láser sintonizable de frecuencia estabilizada se aplica a la medición de alta precisión de cantidades geométricas, cantidades mecánicas y diversas cantidades intangibles, y se desarrolla una nueva generación de interferómetro láser guiado por microfibras. Su rango de medición puede ser desde nanómetros hasta varios metros o incluso mayor, con una resolución de hasta 10 mm. También se puede utilizar para pesar, desarrollar nuevas balanzas electrónicas, básculas electrónicas de cinta de alta precisión, manómetros de alta resolución, etc. .

El desarrollo de tecnología de medición nanométrica y el establecimiento de estándares de prueba de medición nanométrica son temas muy activos en la investigación de metrología y tecnología de prueba. La instrumentación analítica está experimentando un cambio revolucionario. Las tecnologías analíticas tradicionales, como la óptica, la térmica, la electroquímica, la cromatografía y la espectroscopia, se han transformado de la clásica estructura electrónica mecánica de precisión química y modo de aplicación de operación manual en el laboratorio a una estructura integrada y automatizada de luz, maquinaria, electricidad e informática (computadora). , está evolucionando hacia un sistema más verdaderamente inteligente (con funciones altamente inteligentes como el autodiagnóstico, el autocontrol, la autorregulación y la autoevaluación). Debido al rápido desarrollo de la alta tecnología representada por la tecnología de la información, los principios de funcionamiento, las ideas de diseño y los métodos de diseño de los instrumentos científicos han sufrido cambios significativos. Las tecnologías clave son las siguientes: (1) Tecnología de microanálisis, es decir, la miniaturización y miniaturización de instrumentos analíticos. Sus tecnologías incluyen microcontrol, micromecanizado, microdetección, fuentes de microluz, sistemas ópticos diferenciales, microsensores, etc. (2) Los sensores biológicos y químicos incluyen la aplicación de nuevas tecnologías de detección en instrumentos analíticos, la tecnología de biochips, las nuevas tecnologías de detección química y las tecnologías de sensores inteligentes se utilizan en el desarrollo de instrumentos analíticos. (3) La tecnología de imágenes incluye imágenes generalizadas, imágenes de ultra alta resolución a nanoescala, procesamiento de información, etc. Los campos específicos incluyen: tecnología de resonancia magnética nuclear, tecnología de síntesis y análisis automático de imágenes, tecnología de espectroscopia de imágenes y tecnología de imágenes ópticas de campo cercano. (4) La tecnología de combinación de instrumentos realiza la combinación de varias tecnologías científicas a través de la separación de información y tecnología de interfaz de software especial, y realiza análisis integrales de sistemas complejos como análisis de componentes traza, análisis estructural y análisis morfológico, como cromatografía-espectrometría de masas, cromatografía. -análisis espectral, etc. LIMS (Sistema de Gestión de Información de Laboratorio) se ha utilizado ampliamente. Los instrumentos se pueden conectar a Internet y los fabricantes pueden diagnosticar de forma remota, guiar el uso correcto o proporcionar instrucciones de mantenimiento. Los usuarios de instrumentos similares o los usuarios que realizan el mismo trabajo de análisis pueden disfrutar directamente de los datos y la información. La calibración remota y la trazabilidad del valor de los instrumentos están a la vuelta de la esquina. Las aplicaciones de instrumentos analíticos en biología, protección ambiental, medicina y otros campos relacionados con la supervivencia y el desarrollo humanos cambian cada día que pasa. El desarrollo del ejército moderno de alta tecnología también ha promovido la expansión de la aplicación de la tecnología analítica y las tareas de soporte vital y detección de envenenamiento in situ sensibles y precisas han ampliado enormemente los campos de aplicación de los instrumentos analíticos.

Con base en las tendencias internacionales de desarrollo de instrumentación mencionadas anteriormente, se puede ver claramente que el desarrollo de la instrumentación moderna tiene las siguientes características principales:

(1) Los indicadores técnicos continúan mejorando .

Así como el lema del Movimiento Olímpico es más alto, más rápido y más fuerte, la instrumentación es la eterna búsqueda de mejorar los indicadores técnicos de medición y control. En términos de indicadores de rango técnico de instrumentación y control de medición, como voltaje desde nanovoltios hasta 1 millón de voltios; resistencia desde superconductor hasta 1014ω; medición armónica hasta el 51; la frecuencia medida es de 1010Hz; la presión medida es 108 pa; el rango de medición de temperatura es desde cerca del cero absoluto hasta 1010°C, etc. En términos de mejorar los indicadores de precisión de la medición, la medición de parámetros industriales está por encima del 0,02% y la medición de parámetros aeroespaciales está por encima del 0,05%. La precisión de la medición y la precisión lograda por los instrumentos científicos están a la altura de los tiempos. Para mejorar la sensibilidad de la medición, se desarrolla al nivel de partículas, moléculas y átomos individuales. Mejore la velocidad de medición (velocidad de respuesta), estática 0,1 ~ 0,2 ms, dinámica 1 μ s Mejore la confiabilidad, generalmente requiere 20 000 ~ 50 000 horas, la alta confiabilidad requiere 250 000 horas. Estabilidad (variación anual) < 0,05% (para instrumentos de alta precisión) o < 0,1% (para instrumentos generales). Además, la adaptabilidad medioambiental de los productos sigue mejorando.

(2) La primera aplicación de nuevos resultados de investigación científica y la adopción de un gran número de altas y nuevas tecnologías.

Como herramienta de primera mano para que la humanidad comprenda y transforme el mundo material, la instrumentación moderna es la herramienta más básica para que la humanidad realice investigaciones científicas y desarrolle tecnología de ingeniería. Los seres humanos han comprendido desde hace mucho tiempo la verdad de que "si quieres hacer bien tu trabajo, primero debes afilar tus herramientas". Nuevos resultados y descubrimientos de investigaciones científicas, como la teoría de la información, la cibernética y la teoría de la ingeniería de sistemas, resultados de investigaciones del mundo micro y macro, y una gran cantidad de tecnologías nuevas y avanzadas, como la tecnología de extracción de señales débiles, la tecnología de software y hardware de computadora, La tecnología de redes, la tecnología láser, la tecnología superconductora, la nanotecnología, etc., se han convertido en una importante fuerza impulsora para el desarrollo de la ciencia y la tecnología de instrumentación y medición y control. La instrumentación moderna no sólo se ha convertido en sí misma en un nuevo producto de alta tecnología.

③Un solo dispositivo es miniaturizado e inteligente, y puede usarse de forma independiente, integrado y en red.

Los instrumentos y medidores de medición y control utilizan una gran cantidad de nuevos productos de tecnología de la información, como sensores, circuitos integrados de gran y muy gran escala, computadoras y sistemas expertos, y continúan desarrollándose hacia la miniaturización y la inteligencia. .

A juzgar por la aparición actual de "instrumentos de chips" y "laboratorios de chips", la miniaturización y la inteligencia de dispositivos individuales será una tendencia de desarrollo a largo plazo. Desde la perspectiva de la tecnología de aplicaciones, la tecnología de aplicaciones de redes y conexiones integradas para dispositivos microminiaturizados e inteligentes ha recibido mucha atención.

④El alcance de la medición y el control se ha ampliado a un modelo de trabajo tridimensional y global, y la medición y el control se han desarrollado hacia la sistematización y la interconexión.

A medida que las áreas establecidas de instrumentos de medición y control se desarrollan hacia un desarrollo tridimensional, global e incluso planetario, los instrumentos y dispositivos de medición y control ya no tienen la forma de dispositivos únicos, sino que inevitablemente avanzarán hacia la sistematización. y desarrollo de redes de dispositivos de medición y control. Por ejemplo, en el sistema de medición y control de una gran central hidroeléctrica, hay miles de sensores para detectar la seguridad de la presa y hay 10.000 puntos de control de detección (puntos de control y medición de E/S) para el estado y el nivel del agua. de cada unidad generadora. Para lograr la generación y transmisión de energía normal de las grandes centrales hidroeléctricas, los dispositivos de medición y control en cada punto de medición y control deben estar conectados a Internet para formar un sistema de red orgánico de medición y control. Otro ejemplo es el sistema de control y medición por satélite. Hay miles de sensores en los satélites. Primero, debe formar un subsistema completo de medición y control automático con varios equipos de medición y control en el satélite, y luego formar un sistema de medición y control de área amplia con los sistemas de medición y control de múltiples estaciones terrestres.

⑤ Los instrumentos portátiles, de mano y personalizados se han desarrollado enormemente.

Con el desarrollo de la producción y la mejora del nivel de vida de las personas, estas prestan cada vez más atención a su calidad de vida y salud. Probar la calidad de diversos productos y alimentos estrechamente relacionados con la vida de las personas y prevenir y tratar enfermedades es una tendencia importante. Se desarrollarán enormemente instrumentos científicos en línea en tiempo real, especialmente instrumentos de alerta temprana sobre el estado de salud y enfermedades para uso doméstico y personal.

3. Tecnologías clave para el desarrollo de la instrumentación moderna

Con base en las tendencias de desarrollo y las características de la ciencia y la tecnología de los instrumentos modernos, podemos enumerar las tecnologías clave para el desarrollo de los instrumentos como sigue.

① Tecnología de detección

La tecnología de detección no es solo la base para que la instrumentación logre la detección, sino también la base para que la instrumentación logre el control. Esto no se debe sólo a que el control debe basarse en la información de entrada, sino también a que la precisión y el estado del control deben ser perceptibles; de lo contrario, el control con un efecto de control poco claro sigue siendo un control ciego.

En términos generales, la tecnología de detección debe detectar tres aspectos de la información, a saber, el estado y la información del mundo objetivo, el estado y la información del sistema que se está midiendo y controlando, y la información del estado que los operadores necesitan saber. e instrucciones de control. Lo que hay que tener en cuenta aquí es que el mundo objetivo es infinito. La percepción del sistema de medición y control del mundo objetivo se centra principalmente en el entorno objetivo relacionado con el objetivo (denominado entorno objetivo establecido fuera del establecido). El entorno objetivo se puede recopilar mediante otros métodos. Un sistema controlado puede ser un objeto simple o una muestra única, un sistema automatizado complejo que no requiere manipulación directa, un gran sistema automatizado o un sistema de actividad social operado por personas (grupos) o un cuerpo humano. La tecnología de detección de la salud humana y los estados fisiológicos y psicológicos es la base y el núcleo de los instrumentos de diagnóstico y tratamiento médicos. El operador puede ser un único operador, pero en una situación sistemática y en red, suele ser un grupo de operadores en diferentes posiciones.

En un sentido estricto, la tecnología de detección es principalmente la detección de información útil en el mundo objetivo, incluidas tecnologías sensibles para mediciones útiles, que involucran los principios de funcionamiento de diversas disciplinas, la detección remota, nuevos materiales y otras tecnologías; tecnología de fusión de información, que implica distribución de sensores, extracción (mejora) de señales débiles, fusión de información de sensores, imágenes y otras tecnologías de fabricación de sensores que implican microprocesamiento, biochips, nuevas tecnologías, etc.

②Tecnología de integración de sistemas

La tecnología de integración de sistemas afecta directamente la amplitud de la aplicación y el nivel de la ciencia y la tecnología de instrumentación, medición y control, especialmente el grado de automatización y automatización de grandes proyectos, grandes sistemas , y los grandes dispositivos tienen un impacto decisivo. Es una tecnología de control de fusión de información a nivel de sistema, que incluye tecnología de modelado y análisis de requisitos del sistema, tecnología de configuración de capa física, tecnología de conversión de comunicación de información para cada parte del sistema y tecnología de implementación de estrategia de control de capa de aplicación. Cuando los operadores son grupos operativos en diferentes posiciones, también incluye tecnología de análisis de demanda para operadores de todos los niveles.

③Tecnología de control inteligente

La tecnología de control inteligente es una tecnología que permite a los humanos monitorear herramientas, equipos y sistemas inteligentes de una manera casi óptima a través de sistemas de medición y control para lograr los objetivos establecidos. Es una tecnología directamente relacionada con los beneficios de los sistemas de medición y control, y es la clave para el desarrollo de la tecnología de la información en tecnología de la economía del conocimiento. Se puede decir que la tecnología de control inteligente es el recurso de software más importante y crítico en el sistema de medición y control.

A juzgar por la tendencia de desarrollo actual, en el sistema informático de medición y control con estructura de tres niveles de información empresarial ERP/MES/PCS, el precio del software ha superado tres veces el del hardware. El precio del software de control avanzado para sistemas automáticos de medición y control en las industrias petroquímica, metalúrgica, eléctrica, farmacéutica y otras industrias supera el precio del hardware del sistema. La tecnología de control inteligente incluye tecnología de extracción de características similares a las humanas, tecnología de reconocimiento automático de objetivos, tecnología de autoaprendizaje de conocimientos, tecnología de adaptación al entorno, tecnología de toma de decisiones óptima, etc.

④Tecnología de interfaz hombre-máquina

La tecnología de interfaz hombre-máquina tiene como objetivo principal facilitar que los operadores de instrumentos u operadores de equipos principales y sistemas principales equipen instrumentos para operar instrumentos o equipos principales y sistemas principales. . Hace que la instrumentación sea una herramienta operativa directa para que los humanos comprendan y transformen el mundo. La operatividad y mantenibilidad del instrumento, e incluso del equipo principal y los sistemas principales equipados con el instrumento, se logran principalmente a través de tecnología de interfaz hombre-máquina. Los instrumentos tienen interfaces hombre-máquina que son hermosas, exquisitas, simples de operar y fáciles de mantener, lo que a menudo se convierte en una condición importante para que las personas elijan los instrumentos y los principales equipos y sistemas equipados con ellos.

La tecnología de interfaz amigable entre humanos y computadoras incluye tecnología de visualización, tecnología de copia impresa, tecnología de diálogo entre humanos y computadoras, tecnología de intervención manual de fallas, etc. Teniendo en cuenta el desarrollo de operadores desde máquinas individuales hasta múltiples posiciones diferentes en condiciones sistemáticas y en red, la tecnología de interfaz amigable hombre-máquina se está desarrollando hacia una tecnología de sistemas grandes hombre-máquina. Además, con el desarrollo de la sistematización y la interconexión de instrumentos, la tecnología para identificar operadores específicos y prevenir la intervención de no operadores ha recibido cada vez más atención.

⑤Tecnología de confiabilidad

Con la creciente aplicación de instrumentación y sistemas de medición y control, la tecnología de confiabilidad juega un papel importante en la mejora de la efectividad del combate y el mantenimiento del trabajo normal, especialmente en algunos sectores militares, aeroespaciales, energía eléctrica, instalaciones de la industria nuclear, ingeniería a gran escala y producción industrial. Cuando estos departamentos fracasan, las consecuencias pueden ser desastrosas. Por lo tanto, la confiabilidad, seguridad y mantenibilidad del equipo, especialmente la confiabilidad, seguridad y mantenibilidad de todo el sistema, incluido el sistema controlado, son particularmente importantes. Por ejemplo, el corte de energía a gran escala en los Estados Unidos y Canadá el 15 de agosto de 2003 definitivamente no debería ser causado por la expansión de ciertas fallas en los equipos.

La tecnología de confiabilidad de la instrumentación y los sistemas de medición y control no solo incluye la tecnología de confiabilidad del dispositivo de medición y control y del sistema de medición y control en sí, sino que también incluye la tecnología de manejo de fallas cuando el dispositivo y sistema bajo prueba fallar. La confiabilidad de los dispositivos y sistemas de medición y control incluye el autodiagnóstico de fallas, la tecnología de autoaislamiento, la tecnología de autorreparación de fallas, la tecnología de tolerancia a fallas, la tecnología de diseño de confiabilidad, la tecnología de fabricación de confiabilidad, etc.