測控技術歷史溯源及發(fā)展沿革

熊思進 孟小君 沈嘉琛 張朋 張劍華

（西北核技術研究所，陜西西安 710024）

20世紀中葉，由電子計算機技術、信息技術、新材料技術等技術為主導的第三次科技革命爆發(fā)，推動了現(xiàn)代測控技術的建立與發(fā)展，直至今日現(xiàn)代測控技術已經和生活的方方面面息息相關?，F(xiàn)代測控技術是一門以測量、控制等學科為核心的技術，一般還與計算機技術、傳感器技術、自動化控制技術、信息處理技術與網(wǎng)絡技術等高精尖技術密不可分[1]。雖然現(xiàn)代測控技術的概念出現(xiàn)的時間較短，但是通過查閱到的相關資料和書籍記載，尋找測控技術的歷史起源，發(fā)現(xiàn)“測量”與“控制”自古以來就是人類生產生活中最重要的2個需求，人類一直掌握著測控技術，伴隨著科技文明的進步，才逐漸發(fā)展成為現(xiàn)在的現(xiàn)代測控技術。

1.測控技術簡介

測控技術主要由“測量”和“控制”兩大部分組成，“測量”是通過用數(shù)量的概念來描述和認識客觀事物，進而逐步掌握事物本質和揭示自然界規(guī)律的一種手段?！翱刂啤笔峭ㄟ^自身的干涉或參與，使事物的發(fā)展在設定的范圍內或按照設定的趨勢發(fā)展。

測控是指對現(xiàn)實世界物理量進行測量獲取信息，將信息處理計算后得到一個控制量，根據(jù)這個控制量對執(zhí)行機構進行控制的過程，是人類認識世界、改造世界的一個過程。

測控技術主要研究物質世界中信息獲取、處理、傳輸和利用的理論、方法和實現(xiàn)途徑，運用物理、化學或生物學等方法，獲取對象狀態(tài)、屬性及變化信息，并將其轉換處理成易于表達和利用的形式，涉及計量學、物理學、化學、生物學、材料學、機械學、電學、光學、計算機、自動控制、通信等多學科知識，多學科交叉和技術集成特點明顯[2]。測控技術可以主要分為3個方向，分別是檢測技術與自動化裝置方向，測試計量技術及儀器方向以及工業(yè)自動化控制及過程控制方向。測控技術人才的主要來源是當前多所高校培養(yǎng)的“測控技術與儀器”專業(yè)人才，我國主要從20世紀90年代開始設立專業(yè)并培養(yǎng)相關領域人才。

測控儀器是指運用測控技術原理，采用機、電、光各種計量測試原理方法與自動控制系統(tǒng)結合的一種儀器，測控儀器系統(tǒng)組成一般分為傳感器部分、處理部分和控制部分。傳感器部分主要由傳感器構成，它的作用是定量地描述被測量對象狀態(tài)、屬性及變化的物理量，將物理量測量轉換為可以進行傳遞和處理的信號，通常這個信號是電信號；處理部分主要由計算機或者其他計算儀器構成，主要作用以信息數(shù)據(jù)處理和運算為主，將測量信號進行處理并判斷給出控制量；控制部分是測控儀器的執(zhí)行機構，執(zhí)行機構主要作用是根據(jù)控制量，控制執(zhí)行裝置作出相應的動作，實現(xiàn)對現(xiàn)實物體的控制。

隨著當今時代科技的飛速發(fā)展，計算機科學技術的飛速發(fā)展，測控技術的應用領域越來越廣泛，無論是從海、陸、空多方面的大跨度建設，還是從工具制造車間到航天發(fā)射基地都有測控技術的身影。最重要的是隨著2021年“元宇宙”元年的到來，未來的研究發(fā)展方向必將主要圍繞虛擬與現(xiàn)實世界的交互技術，而測控技術在其中發(fā)揮不可替代的重要作用，測量好了現(xiàn)實才能控制虛擬。

2.測控技術發(fā)展沿革

根據(jù)出現(xiàn)時間的先后順序，測控技術的發(fā)展可以大致分為原始測控技術、古代測控技術、近代測控技術和現(xiàn)代測控技術這4個不同時期。

2.1 原始測控技術

在原始時期，歷史上第一個人類降臨世界時，因為新生兒的第一個感官就是觸覺，被母親抱住時新生兒會感到溫暖和柔軟的觸覺，大腦會感到舒適的信號，于是主動張開小手抱住母親或者扭動身體往母親懷里靠。新生兒感知觸覺就是在測量環(huán)境，做出反應動作就是在控制身體，從某種意義上講，這個擁抱就是人類歷史上實現(xiàn)的第一次測控，這說明人類本身就是一套精密的測控系統(tǒng)，人體測控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 人體測控系統(tǒng)示意圖

原始測控技術是以人體測控系統(tǒng)完成測量與控制的測控技術。人體測控系統(tǒng)工作原理是通過耳鼻眼舌等感官系統(tǒng)對世界進行感知，大腦處理感知數(shù)據(jù)之后做出判斷決策并產生控制量，控制量由神經傳往肌肉，最終完成對肢體的控制。人類的許多活動都是通過測量與控制完成，比如在尋找食物時通過鼻子聞到香味測量食物來源，控制雙腳向食物來源方向走去。比如在采摘食物時通過眼睛觀察測量食物的位置，控制手臂與手指抓住食物完成采摘動作。

原始測控技術的特點是以人為主，指的是由人體測控系統(tǒng)完成測量與控制2個環(huán)節(jié)。隨著人類文明發(fā)展，一些工具被制造出來逐漸走入了測量和控制的領域之中，比如為了打獵方便人類制造出了弓箭等工具，打獵時通過眼睛測量獵物方位，控制箭矢能夠射中獵物，比如為了測量水土人類制造出了規(guī)矩準繩等工具，西漢歷史學家司馬遷在《史記》中記載大禹通過手中的測繪儀器測量天地，開鑿水渠修筑堤壩，控制水土。這種有工具參與完成測量或者控制，但依然以人為主體的測控技術仍然屬于原始測控技術。

2.2 古代測控技術

在古代時期，人類中的能工巧匠越來越厲害，并創(chuàng)造出了許多奇妙的工具參與到人類的生產生活，發(fā)展成為古代測控技術。古代測控技術中典型測控儀器代表是記里鼓車，根據(jù)晉代崔豹撰寫的《古今注》中記載：記里鼓車是一種馬車，車上有一個木人執(zhí)槌向鼓，車行一里則木人打鼓一槌。記里鼓車原理是利用車輪與一套齒輪系統(tǒng)相配合，使得車輪走滿1里時，有一個齒輪剛好轉1周，并撥動車上的木人擊鼓1次，從而達到測行程控擊鼓的效果，記里鼓車示意圖如圖2所示[3]。

圖2 記里鼓車示意圖

古代測控技術是一種通過齒輪機關等裝置完成信號的傳遞處理的測控技術。古代測控儀器的工作原理通常由一種裝置測量某一物理量的變化，根據(jù)這些變化使得某個機械部件產生位移、轉動等變化，通過機械傳動裝置控制某個機械部件做出動作完成控制。古代測控技術儀器代表除了記里鼓車，還有指南車、候風地動儀、銅壺滴漏等。

古代測控技術的特點可以沒有人參與，可以獨立完成測量與控制，信息傳遞過程一般是由力信號完成。

2.3 近代測控技術

在近代時期，1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應，1821年歐姆基于電流磁效應設計了電流表，電流被人類發(fā)現(xiàn)并逐漸熟悉與掌握，發(fā)展出了近代測控技術。近代測控技術中典型測控儀器代表是磁電電話機，這種電話機的原理是：對著話筒說話聲音帶動話筒底部的金屬膜片振動，根據(jù)電磁效應，振動的膜片帶動一根在電磁線圈中的磁性簧片產生感應電流，電流經導線傳至聽筒，使聽筒上的膜片產生相應的振動，將話音還原，磁電電話機示意圖如圖3所示。

圖3 磁電電話機示意圖

近代測控技術是一種通過電流磁效應完成信號的傳遞處理的測控技術。近代測控儀器的工作原理是將一種狀態(tài)或者信息的測量結果通過磁生電效應轉換為電信號強弱，電流信號在導線內的傳播即為測控信號的傳輸，在控制時通常將電信號再轉換為磁信號，由磁信號控制導體部件運動。近代測控技術儀器代表除了磁電電話機，還有電流表、發(fā)電機、電報機等。

近代測控技術的特點是整個測控過程一般涉及由電信號、磁信號、力信號的轉換，信號的處理通常為簡單的電流放大縮小變化，不涉及復雜的電流信號運算。

2.4 現(xiàn)代測控技術

在現(xiàn)代時期，隨著人類對電流信號的處理能力越來越強，甚至制造出可利用電流信號開展復雜計算處理的集成電路板和電腦，現(xiàn)代測控技術登上了測控技術歷史舞臺。隨著傳感器技術、自動控制技術和虛擬技術的發(fā)展，現(xiàn)代測控技術仍然處在高速發(fā)展中，同時當前信息、網(wǎng)絡、航天、軍事、醫(yī)療、生物、環(huán)保等重大尖端科技領域都離不開現(xiàn)代測控技術，現(xiàn)代測控技術中典型測控系統(tǒng)代表主要有工業(yè)測控系統(tǒng)、通信測控系統(tǒng)以及航天測控系統(tǒng)等。

工業(yè)測控系統(tǒng)以數(shù)控機床為例，數(shù)控機床的原理是通過測量機床內物體形狀和控制臂位置，數(shù)控裝置通過設定程序和輸入的圖紙信息，根據(jù)控制臂與物體的相對位置，發(fā)出各種控制信號，控制機床內的控制臂自動完成零件加工任務。

通信測控系統(tǒng)是一種通信、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，主要指遙測遙控設備，通常作為各種電子設備和通信網(wǎng)絡的中間設備，溝通各個系統(tǒng)之間的信息。通信測控系統(tǒng)的工作原理主要是通過天線測量電磁波信號，將電磁波信號轉換為電信號，經過濾波放大等處理后，控制顯示或對物體進行遙控。

航天測控系統(tǒng)是對運行中的航天器進行跟蹤、測量和控制的大型電子系統(tǒng)，是一種技術水平較高的測控技術。航天測控系統(tǒng)的工作原理是通過跟蹤測量系統(tǒng)跟蹤航天器，測定其彈道或軌道，同時根據(jù)通信測控系統(tǒng)傳送航天器內部的工程參數(shù)和用傳感器測得的空間物理參數(shù)，并通過通信測控系統(tǒng)對航天器的姿態(tài)、軌道和其他狀態(tài)進行控制。

現(xiàn)代測控技術是以計算機技術作為核心技術，集測量與控制為一體的測控技術[4]?，F(xiàn)代測控系統(tǒng)的工作原理是通過各種各樣的傳感器對物理量的狀態(tài)變化進行測量與監(jiān)測，一般將測量的信號轉化為電信號并進行數(shù)字化，由計算機或集成電路對數(shù)字信號完成復雜處理，最后將數(shù)字信號轉換為電信號，通過電信號控制執(zhí)行機構完成設定動作。

現(xiàn)代測控技術的特點是整個測控過程一般涉及模擬信號至數(shù)字信號的轉換，并且會進行復雜的運算處理實現(xiàn)智能化。

3.結論

本文通過查找相關資料，完成了對測控技術的歷史溯源和發(fā)展沿革總結工作，并得出以下2個結論：

（1）根據(jù)現(xiàn)代測控技術的定義內核，對測控技術進行歷史溯源，最早的測控技術應該是“原始測控技術”。測控技術是一門通過認識世界進而改造世界的技術，自人類誕生以來就一直伴隨著人類的生產生活。原始測控技術與現(xiàn)代測控技術的表現(xiàn)形式和工作原理有很大區(qū)別，但是概念內核確實相同，都屬于一種完成測量與控制工作的技術。

（2）通過尋找不同時期的典型測控儀器代表，總結測控技術的發(fā)展沿革。測控技術根據(jù)測控信號傳遞處理的方式不同，發(fā)展路線為：原始時期是主要由大腦與神經完成測控信號傳遞處理的原始測控技術，古代時期主要由機關與齒輪完成測控信號傳遞處理的古代測控技術，近代時期主要由電磁效應和導線簡單完成測控信號傳遞處理的近代測控技術，發(fā)展至現(xiàn)代主要由計算機或集成電路復雜運算完成測控信號傳遞處理的現(xiàn)代測控技術。