现代科学与技术概论

第一篇：现代科学与技术概论

简答

现代技术三大体系的主要内容。P8 物质变化技术体系：各种材料的设计、制备和加工

能量转换技术体系：如喷气推进技术、核能技术、光电技术和多种能量转换技术 信息控制技术体系：电子电路集成化、信息处理数字化和信息传输网络化 古代科学研究采用的主要方法。P22 古代实用科学形态：观察、测量、经验、描述 古代理论知识形态：逻辑方法、数学方法 古代自然哲学：思辨、猜测

阐空间资源以及人类进入空间需克服的障碍。P217+223 空间资源：高远位置、微重力、高真空、无污染、太阳能和其他丰富的物质资源，包括轨道资源、环境资源和天体矿物资源。障碍：

1）要有高度可靠且推理足够大的运载工具

2）掌握关于空间飞行环境的足够信息，从而对人体所能承受的极限环境条件做出准确的判断

3）能确保航天员生活、工作和安全飞行的生命保障系统

4）确保地面人员与航天员之间可靠而不间断的通信联系

5）掌握航天器再入大气层和安全返回的技术等。狭义相对论的基本原理和推论。P67 基本原理：

1）相对性原理，即物理规律在任何惯性参照系中都一样，不存一种特殊的惯性系

2）光速不变原理，即对任何惯性系，真空中的光速皆相同 推论：

1）一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大；

2）一只时钟相对于观察者静止时，它走的最快，如果相对于观察者运动，它就走得慢，运动速率越大，慢得越多；

3）在任何惯性系中，物体的运动速度都不能超越光速。光速是物质运动的极限速度；

4）如果物体运动速度与光速小很多，相对论力学就还原为牛顿力学。古代阿拉伯国家对世界科学技术的贡献。P21

1）沟通东西方科学文化

2）保存古希腊学术典籍，对近代自然科学的诞生起到了难以估量的影响作用。简介科技史上某一重大事件及其意义。P27 事件：文化复兴运动

意义：这场运动不仅是一场复兴古典文化的运动，更是一场新时代的启蒙运动，把人们的眼光从神转移到自然界和人类自身，恢复了人类的理性，使人们重新获得了独立思考的能力，从而鼓舞着人类靠自己和知识的力量从事创造性的工作，导致了欧洲历史转折、思想解放、学术发达、巨人辈出，开创了人类历史长河中的一个光辉时代。现代生物技术的主要内容及其应用。P159+162 内容：基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程，其核心是基因工程 应用:农业——改良农作物品种、培育动物良种

工业——1）在化工工业的应用；

2）在食品工业的应用；

3）发展新能源

4）与微电子、自动化等现代高新技术相结合

医药——1）使过去无法生产或无法经济生产的药物得以大量生产

2）研制出一些灵敏度高，性能专一，实用性强的诊断技术新设备

3）开辟了医治疾病，特别是遗传性疑难病症的新途径 开普勒行星运动三定律。P30 第一定律：行星轨道是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上，也称“轨道定律”

第二定律：在相等的时间内行星和太阳的联线在椭圆鬼道内扫过的面积相等，又称“面积定律”

第三定律：任何两行星公转周期的平方同轨道长半轴的立方成正比，又称“周期定律” 基因工程的步骤。P159

1）从复杂的生物有机体基因组中，经过酶切消化或PCR扩增等步骤，分离出带有目的基因的DNA片段

2）在体外，将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制的并具有选择记号的载体分子上，形成重组DNA分子

3）将重组DNA分子转移到适当的受体细胞，并与之一起增殖

4）从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组DNA分子的受体细胞克隆

5）从这些筛选出来的受体细胞克隆，提取出已经得到扩增的目的基因，供进一步分析研究使用

6）将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，产生出人类所需要的物质

科技进步与产业变革的关系。P253

1）科技推动社会生产关系的变革

2）科技推动社会形态的变革

3）科技推动社会变革的机制 恒星的演化规律。P85

1）引力收缩阶段——恒星的幼年期，以引力收缩为主要能源；

2）主序星阶段——恒星的成年期，也是恒星的“黄金时代”，主要能源是“氢核聚变”；

3）红巨星阶段——恒星的中老年期，主要能源是氦核聚变所释放的能量；

4）高密星阶段——恒星的临终前，各恒星的原有质量或爆发后残存的质量大小不同，将有白矮星、中子星、黑洞三种不同的结局。大陆板块学说的主要内容。P110 相对刚性的板块块体飘浮在上地幔的塑性软流层上，因地幔对流、海底扩张的驱动，各自作大规模水平运动。板块在大洋中脊处分离和增生，在海沟处俯冲和消减，如此周而复始，循环往复。板块之间的相对运动有分离、会合和平移3中，起到相互拉张、挤压和摩擦作用。板块内部相对稳定，其周围边界是岩石圈较为活动的地带，地震、火山和断裂等活动比较活跃。板块之间常以大洋中脊、大陆裂谷、岛弧、海沟及转换断层等地壳构造活动带为其边界。生物技术在医药领域的应用。P163

1）使过去无法生产或无法经济生产的药物得以大量生产

2）研制出一些灵敏度高，性能专一，实用性强的诊断技术新设备

3）开辟了医治疾病，特别是遗传性疑难病症的新途径 新材料技术包括哪些内容。P165 1）新型金属材料：非晶态金属、合金材料、超导金属材料、减振隐声金属 2）无机非金属材料：陶瓷材料、玻璃材料、半导体材料 3）新型高分子材料：合成塑料、合成纤维、合成橡胶 4）新型复合材料：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳基复合材料 5）光电子材料

6）生物医学材料：生物活性陶瓷、生物化学水泥、生物复合材料、人工器官、控制释放技术、仿生模拟 7）纳米材料

遗传密码破译的意义。P119

1）它等于宣布了各种蛋白质可以在试管中合成，所有的生物蛋白质都可以由无机物合成 2）从生物大分子水平上再度说明了物质的统一性 第一次工业革命发源于英国的原因。P51

1）英国资产阶级上台一百多年来，进行了农业资本主义改革

2）大规模的圈地运动，使封建庄园变成了资本主义牧场，失去土地的农民成为城市工业的“自由”劳动力

3）采取一系列保护私人财产，鼓励工商业发展，奖励技术发明，优待欧洲大陆的能工巧匠等政策

4）英国资产阶级通过不断扩建殖民地，扩大海外贸易，掠夺各地资源，贩卖黑奴等，积累了巨额资金

新能源技术的主要内容。P174

1）太阳能利用新技术

太阳能热利用技术、太阳能光-电转换技术、太阳能光化学转换技术

2）核能利用新技术

安全性的核电站、快中子增殖反应堆、低温核供热堆和高温气冷堆、受控热核聚变反应

3）地热能利用新技术

4）氢能利用新技术

5）风能利用新技术

6）海洋能的开发和利用

7）生物质能利用新技术

8）节能新技术 地球演化的天文时期和地质时期。P106 天文时期：1）第一阶段——冷；

2）第二阶段——热；

3）第三阶段——冷

地质时期：地层的形成、地壳的运动、海陆的变迁、气候的冷暖交替，以及生命的孕育、出现和生物从简单到复杂、从低级到高级的不断进化 转基因植物的应用领域。P163

1）获得抗病毒、抗冻、抗旱、抗虫害等植物的优良品种，并以广泛种植，取得了巨大的经济效益

2)培育出抗逆脱毒（即抗旱、抗寒、抗病、抗虫、抗盐碱以及抗除草剂等）作物优良品种

3)在速生树木和绿地矮草方面，培育出抗病虫的优良品种

4）生产药物

近代科学技术兴起的背景。P25

1）“十字军东征”和东方科学技术的传播

2）工场手工业和远航探险

3）大学的兴起

4）文艺复兴运动和宗教改革

简述科技进步对可持续发展战略的促进作用。P266

1）科技进步将给人类发展提供巨量的能源

2）科技进步为人类发展提供新型先进材料和优质资源

3）科技进步将为人类发展提供优良的环境 论述

分析中国近代科学技术落后的原因。

1）当时中国正处在半殖民半封建时期，政治上有很多制约科技发展的因素，曾经也有官僚主张学习了近代科技，口号是求强求富，但其根本目的是为了维护已经摇摇欲坠的封建统治，最终都将是失败的；

2）当清王朝统治被推翻后，中国又进入了军阀混战阶段，各自争夺地盘互相斗争为主，忽略了科学技术的发展；

3）当各地易帜，国民党表面统一中国后，科技正当蓬勃发展之际，但是抗日战争的爆发，国民政府内部的腐败等等，又严重阻碍停滞科技的发展；

4）帝国主义对我国的科技封锁和破坏，其根本意图是不愿意看到一个崛起的中国和强大的中国。

结合所学知识谈谈科技进步与经济发展的关系。P248

1）科学技术是第一生产力，是推动经济发展的主导因素。进入20世纪特别是20世纪下半叶以来，科学技术的发展速度大大加快，它同经济发展的关系越来越密切。尤其是高新技术对产业结构和劳动结构的更新调整会产生深刻的影响。

2）科学技术的发展是以经济提供的物质作为基础的。科研队伍的建设、实验技术的装备、科学信息资料的建设、科学教育事业的发展都是以经济为基础的。如果没有大量的投入，是做不出大的科研成果的。成功的科研要在自由的科学气氛中进行，而这就取决于高质量的实验技术装备和高效率的图书情报系统。没有这些物质条件，再新的学术思想也不能付诸实现。

3）科学技术与经济发展是相互依存，相互依赖不能割离的。一方面，随着经济的发展，在日常生产中，对劳动者的科学技术水平，对劳动资料的科技密集水平，对处理劳动关系时采用的经营管理的科学水平都提出了新要求，这就在一定程度上迫使科学技术更快的发展。另一方面，科技的发展提高了生产了，带动了产业调整，改善了生产关系，促使经济更好更快的发展。两者互相协调，最终达到一个良性循环。

3.科技史上的认为最具有价值的重大发现或发明，并阐述其意义。（选一个）蒸汽机：推动了整个工业革命的发展

1）使人类有了动物类以外的机械动力，它是直接通过热能转变为动能，使很多机械摆脱了人力、畜力的朿缚，大大提高了生产效率。

2）带动了冶金、煤矿和纺织业的发展。蒸汽机的出现及纺织业的机械化，提高了工业的用铁量。由于英国拥有丰富的铁矿和煤矿，需求量的增加刺激了冶铁技术和煤矿业的改进，同时加快了工业化的步伐。

3）它对近代科学和生产的巨大贡献，具有划时代的意义，它导致了第一次工业技术革命的兴起，极大的推进了社会生产力的发展。汽车：载着时代向前奔驶

1）改变了人类的整个交通状况，拥有汽车工业成了每一个强大工业国家的标志。2）使人类的机动性有了极大的提高，使20世纪人类的视野更加开阔，更追求自由。3）拉近了人与人之间的联系，提高了效率 4）刺激了内燃机等技术的发展

5）汽车的平民化缩小了阶层之间的差异，有利于社会进步

第二篇：2013—2014 学年第 一 学期《现代科学与技术概论》课程复习材料

2013—2014 学年第 一 学期《现代科学与技术概论》课程复习材料

一、名词解释

1．科学9．人造地球卫星

2．技术10．生物技术

3．黑体11．光纤通信技术

4．黑箱方法12．数字通信技术

5．知识经济13．厄尔尼诺现象

6．细胞工程14．可持续发展

7．纳米材料15．温室效应

8．超导材料

二、简答题

1．简述科学和技术之间的区别。

2．简述科学的特征和属性。

3.分别举例说明中国古代科学的五大学科成就。

4．简述古代阿拉伯国家对世界科学技术的贡献。

5．简述近代科学技术兴起的背景

6．简述第一次技术革命发源于英国的原因。

7．近代科学技术的特征有哪些？

8．简述开普勒、伽利略和牛顿的主要贡献。

9．简述近代物理学理论的三次大综合。

10．简述三次技术革命的主要标志。

11．简述人们对元素认识过程中经历的五次变革。

12．简述分子生物学产生的基础。

13．简述现代分子生物学的主要内容。

14．简述生物技术在医药领域的应用。

15．简述魏格纳大陆漂移说四大证据。

16．简述21世纪化学学科的发展趋势。

17．现代化学的作用表现在哪些方面？

18.简述信息技术的核心内容。

19．简述现代系统科学方法有哪些。

20．简述科技进步与产业变革的关系。

三、论述题

1．分析中国近代科学技术落后的原因。

2．试述十九世纪自然科学的三大发现的意义。

3.试述现代科学的特征及其对我国的启示。

4.论述科学技术与人文文化之间的辨证关系。

5．联系实际，论述科技进步与社会变革的关系。

6．联系实际阐述科学技术对促进人类精神文明建设的重要作用。

第三篇：测控技术与仪器专业——专业概论

专业概论课程论文

其实，选择测控技术与仪器这个专业时，我对它一无所知，我本来选择的是建筑设计，可是在阴差阳错之中我“被选择”了这个专业。周围的同学对此也是一知半解。想来，学院开设这个课程，着实是用心良苦，希望我们在学习专业课程之前，先对自己的专业有个概括的了解。

专业的具体现状： 根据相关资料了解到，测控技术与仪器专业是一门研究信息的获取和处理，以及对相关要素进行控制的理论与技术；是电子、光学、精密机械、计算机、信息与控制技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。

测控技术与仪器的操作过程是将自动化系统上的信号加以采集、整理、处理、而后进行显示或者发出控制信号的过程。目前由计算机和工作站作为结点的网络也就相当于现代仪器的网络，因此计算机已成为现代测控系统的中坚。

以下几点是测控技术与仪器专业的技术研究状况(1)以自然基准溯源和传递，同时在不同量程实现国际比对。

(2)高精度。目前半导体工艺的典型线宽为0.25μm，并正向0.18μm过渡，如果定

位要求占线宽的1/3，那么就要求10nm量级的精度，而且晶片尺寸还在增大，达到300mm。这就意味着测量定位系统的精度要优于3×10的-8次方，相应的激光稳频精度应该是10的-9次方数量级。

(3)高速度。目前加工机械的速度已经提高到1m/sec以上。

(4)高灵敏，高分辨，小型化。如将光谱仪集成到一块电路板上。

(5)标准化。通讯接口过去常用GPIB，RS232，目前已逐步被高性能标准的USB、IEEE1394和VXI所代替。现在，技术领先者设法控制技术标准，参与标准制订是仪器开发的基础研究工作之一。

未来趋势

1．发展方向与学科前沿。

(1)配合数控设备的技术创新。数控设备的主要误差来源可分为几何误差和热误差。

对于重复出现的系统误差，可采用软件修正；对于随机误差较大的情况，要采用 1

实时修正方法。对于热误差，一般要通过温度测量进行修正。中国机床行业市场萎缩同时又大量进口国外设备的原因之一就是因为这方面的技术没有得到推广应用。为此，我国需要自主开发高速多通道激光干涉仪。

(2)运行和制造过程的监控和在线检测技术。综合运用图像、频谱、光谱、光纤以及

其它光与物质相互作用原理的传感器具有非接触、高灵敏度、高柔性、应用范围广的优点。在这个领域综合创新的天地十分广阔，如振动、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。

(3)配合信息产业和生产科学的技术创新 为了在开放环境下求得生存空间，没有自

主创新技术是没有出路的。因此应该根据有专利权、有技术含量、有市场等原则选择一些项目予以支持。根据当前发展现状，信息、生命医学、环保、农业等领域需要的产品应给予优先支持。

2．优先领域

(1)纳米溯源技术和系统。

(2)介入安装和制造的坐标跟踪测量系统。应用范围：航空航天行业对此已经提出

迫切要求，这是今后坐标测量机发展的关键技术。新型并行机构机床的鉴定，飞机装配型架的鉴定，大型设备安装，用于生物芯片精密机器人校准等。

(3)非接触测头以及各种扫描探针显微镜。目前接触式测头已完全被国外所垄断，非接触测头还没有发展成熟，我们有参与竞争的机遇。

(4)计算机辅助测量理论。信号处理系统的标准化、模块化、兼容和集成。我国需要

根据已有基础，发展特长，有利于克服重复研究。

(5)新器件，新材料。新的突破点可能出现在新光源、新型高频探测器。目前干涉仪

实际上是起着混频器的作用，适应探测器的不足(如果探测器的响应果真能超过光频，干涉仪也就没有用了)。如果探测器的性能得到显著提高，对于通讯也是很大的突破。

(6)半导体激光器计量特性的研究和创新。半导体激光器用于计量需要解决很多问

题，但如果解决了诸多问题以后，半导体激光系统比气体激光系统更复杂，就不会有竞争力。有些问题在物理层面上也没有完全解决。例如半导体激光器如果能形成双频，无疑是一种十分重要的特性，如果既能扫频又有两个相近的频率扫描，就会成为一种新的无导轨测量工具。

我校测控专业的所处的现状和发展机遇

测控技术与仪器专业在广东只有我校和广东工业大学两所大学开设，两校该专业的就业历史均甚为辉煌。周围各省开设本专业的高校也不多，就业环境良好，但是开设本专业的学校有增多的趋势，就业压力增大。

从我校来看，我校测控专业的师资力量雄厚，实验器材设备齐全，研究成果颇丰，这是个好的环境。但是我校的学生在专业素质上相比起其他高校就有压力了，这是个严峻的问题。

从整个广东来看，社会对这个专业的需求甚大，但是要求高，要求学习能力极强。根据国家今年已经开始执行的“十二五”规划，要求促进产业结构优化升级研究和提高我国产业竞争力研究、提高自主创新能力的措施研究与建设人力资源强国的对策研究。这是个好机遇，广东省及全国大范围调整产业结构，产业结构的调整必然对技术的要求提出新的要求，同时，政府在政策方面一定会对技术创新提供支持与帮助。

个人就业意向

根据我的家庭情况和学习现状，想到外省与本专业相关的企业就业学习。

给学校的建议

学校要切实落实测控专业的培养目标，加强师资队伍的建设，优化培养方案和课程体系，目前我校测控专业的课程安排有着明显的缺陷与不合理性，加强测控专业的专业实践环节和工程训练，这方面我校还需要改善。

结束语

总之，既然选择了这个专业就要坚持走下去，除了坚持努力，别无选择。这门课程的性质决定了它给予我们的知识是蜻蜓点水。我们要以无限的好奇去探索这门课程背后更深奥的知识，这不仅仅是一门课程，是一项可以改变人类的技术。热切期盼广东石油化工学院的测控专业能给我们带来美好未来。

【参考文献】

1.刘美，廖晓文，黄瑞龙，田志波 《关于我校测控技术与仪器专业人才的培养和思考》[期刊论文]-世界华商经济年鉴•高校教育研究 2008，5

2.崔惠柳，潘盛辉 《以高新技术改造传统专业--测控技术与仪专业人才培养方案的研究》200

43.Mr.Louis Frenzel，《Synthetic Instrumentation No Longer A Test Case 》

4、郭亚春，《浅谈测控仪器与技术专业建设》，20105、韩九强，《现代测控技术与系统》，20066、徐宏飞，《测控专业概论》，20097、耿桂宏，《测控技术与仪器专业导论》，20068、刘君，《计算机测控技术》，20099、王先培，10、侯媛彬，2010 《测控技术与仪器专业导论》，2010 4《测控技术与仪器概论》

第四篇：测控技术与仪器专业概论

测控技术与仪器专业

摘要：简述仪器仪表与高新技术、网络信息技术的关系；简述MEMS技术与微型力学传感器；展望智能传感器与网络智能哈的应用；阐述计量科学与本专业的联系

关键词：仪器，高新技术，网络信息技术；MEMS技术，微型力学传感器；智能传感器，网络智能化；计量科学，量子单位制。

1.仪器与高新技术、网络信息技术的联系

仪器是认识物质世界的工具，它的主要作用在于测量和控制两方面。测量是为了确定量值，而控制是指在精准测量的基础上跟踪对象，传送信息，反馈状态并由此控制对象的动作。

著名科学家钱学森曾指出，“发展高新技术信息技术是关键，信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。而测量技术是关键和基础。”科学是从测量开始的，而测控技术与仪器专业所代表的仪器科学与技术学科，在经济和科技发展中的作用是不可估量的。仪器仪表是工业生产的“倍增器”，科学研究的“先行官”，军事作战的“战斗力”，社会生活的“物化官”，这些无一不体现仪器仪表的在各个领域中的地位。

仪器科学与技术学科最显著的技术特征就是“精确”。所谓精确，即信息属性完整、量值准确。仪器技术主要研究信息转换、处理、控制、传输、储存、显示与应用等技术，并达到最终获取信息的目的。所以仪器科学是多学科理论为基础，多学科交叉的一门边缘科学。

所以，仪器科学对各种高新技术都相当敏感，并且集各种高新技术于一身的应用型技术。早期仪器多为机械机构，而后又逐渐引入光学技术，形成光、机一体结构。随着电子技术的发展，电子技术也逐渐成为仪器科学中的重要部分，于是仪器设计中又不断引进先进的光学、激光技术，使得仪器向光、机、电结合的方向发展。随着计算机技术的发展，仪器仪表更加智能化，同时尖端现代仪器还结合了生物技术、材料科学等。仪器也不再是单纯的采集数据的工具，它同时兼备信号传输、信号处理以及控制。随着计算机网络技术、软件技术、纳米技术的发展，测量控制与仪器技术有虚拟化、远程化和微型化的发展趋势。各种高新技术为仪器技术提供了新原理、新材料、新工艺，使仪器技术学科交叉性与边缘学科属性的特点越来愈鲜明。

为什么把仪器科学与技术定位成信息技术，而且是信息技术中的源头技术呢？信息获取是靠一起来实现的。一条完整的信息链的构成是“信息获取——信息处理——信息传输”，如果不能获取准确的信息，那么信息的各种处理如存储、传输等都失去了意义。因此，信息的准确获取是信息技术的基础。而仪器正起到了不可或缺的信息源的作用。

仪器仪表发展的核心在于提高测量控制的技术指标和功能。具体而言，包括：（1）技术指标不断提高（检测范围，测量精度，测量速度，环境适应度等）；（2）测量单元的微型化、智能化；（3）测控范围的立体化、全球化，测量控制的系统化、网络化；（4）便携式、手持式以及适应各种不同的特殊需要的仪表的大量发展。

在以信息技术和网络思想来指导仪器仪表的设计与应用的情况下，传统仪器的结构在不断演

变并产生了新的突破。现在，仪器仪表本身的硬件和软件的界限已经模糊化了，仪器仪表设计的主要基础是它的软件，而不是传统仪器仪表的硬件，这就是所谓的“虚拟仪表”。可以说，这是一起领域内的一次革命！实际上，它是一种基于计算机的数字化测量测试的仪器，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。而其最大的特点，就是用户能根据自己的应用需求，设计自己的仪器系统。另外，虚拟仪器能够与网络技术结合，将虚拟仪器实时测量的数据上传。

当然，虚拟仪器本身不完全脱离硬件。如采集的本身是以硬件作为基础。虚拟仪器只是更为强调于计算机的融合度。而且相比传统仪器，虚拟仪器在测量速度、测量精度上也有一定差距。

2.MEMS技术

那么，是什么直接决定了获取信息的质量，关系到整个测试系统精度？答案是传感器。传感器作为现代测试系统中的首要环节而占有重要地位；而在基础科学研究中，传感器具有突出地位，许多重大的科学发现往往都源于一种新的传感测试手段的发明。在某些极端技术领域，如超高温、超低温、超强磁场、超弱磁场等，要获取大量的感官无法获取的信息，没有相应的传感器是不可能的。军事领域中，传感器是决定武器的性能和实战能力的重要因素，如洲际导弹惯性制导用的加速计传感器，其精度可达万分之一，保证了高精度命中能力。

MEMS技术即微电子机械，又称微机电系统。它是在微电子技术的基础上发展起来的，但又区别于微电子技术。在21世纪，MEMS技术将对人类社会产生革命性的影响，是关系国民经济建设和国家安全保障的战略高科技。MEMS时美国建立在半导体技术基础上的称谓，而更强调系统概念的欧洲称之为为系统，在精密机械加工方面有传统优势的日本则称之为微机械。

MEMS是一种典型的多学科交叉的前沿性的高科技研究领域，它设计自然科学和工程技术的方方面面，如电子工程、机械工程、生物工程、物理科学、化学科学和材料科学等，可广泛地应用于航空、航天、军事、光通信、无线通信和生物医学等人类生产生活的诸多方面，被认为是面向21世纪的新兴技术乃至主导技术之一。

MEMS测试技术主要包括几何量、机械量、材料特性、力学特性、热学特性、电学特性、光学特性及声学特性等参数的测试。以上参数的测试又可分别归属到两大类，即通用特性测试技术和专用特性测试技术。MEMS通用特性测试技术主要指与微结构相关的测试，主要包括几何量（如几何尺寸及三维形貌）、机械量（如运动位移、运动速度和谐振频率）、材料特性（如硬度）及力学特性、温度场分布等方面的测试。MEMS专用特性测试技术根据MEMS力学传感器、光MEMS、射频MEMS等不同功能MEMS器件的要求，重点是力学特性、电学特性、光学特性及声学特性等综合参数的测试。

在前沿传感技术中，微电子机械系统对精密测试技术提出了新的要求，MEMS测试技术已经成为MEMS设计、仿真、制造以及质量控制和评价的关键环节之一。MEMS具有结构尺寸小和集成度高等特点，研制精度高、简单便捷和成本低的精密测试手段已经成为MEMS发展的迫切需要。

面向微结构的MEMS通用特性测试技术按照实现方式可分为接触式和非接触式，按照测试原理又可分为光学测试非光学测试。由于MEMS具有结构尺寸小、集成度高和运动频率高等特点，而非光学测试方法一般都要求在被测结构上附加相应的传感元件，这会影响微结构的完整性和机械特性，将导致不可预计的测量误差。而光学测试技术具有非接触、快速、高灵敏度、高精度和抗干扰能力强的有点，可实现大视场的测量，能够很好地满足MEMS测试的要求，因此光学测试技术在MEMS测试中处于主导地位。

对MEMS的机械运动参数（如位移、速度、振幅和频率等）进行精确的测试已经成为MEMS发展的迫切需求。目前采用的微机械量测试方法主要有电测法和光测法等。为机械的特征尺寸一般为毫米级乃至亚微米量级，远小于宏观机械，故微机械的动态特性很容易被测试过程所干扰。由于光学测试方法属于非接触测量，同时又具有分辨率好和精度高等特点，目前已经成为微机械量测试领域的研究热点。

3.简单介绍MEMS技术最早取得成功的领域——微型力学传感器

微型力学传感器是MEMS技术最早取得成功的领域。硅有良好的力学性能和力学传感特性，而且便于加工，是目前微型力学传感器的主要构成材料。微型力学传感器根据被测量，又可细分为压力传感器、应力传感器、力矩传感器、流量传感器和惯性（角速度和加速度）传感器等几类。以下简单介绍下微型压力传感器以及微型惯性传感器。

压阻式压力传感器。目前大多数商品化的压力传感器均有采用。

电容式压力传感器。它是根据电容器两块电极板之间距离的变化导致的电容值的变化来测量压力变化。

谐振式压力传感器。它是通过检测微机械谐振梁谐振频率的变化来实现压力的测量。

而至于未来的发展趋势，微型压力传感器在生物医疗中的应用是当前该领域的热点，其主要用于人体血管及脑内压力的监控，脉血压以及尿道、膀胱、子宫等内压力的测量，心室压力波形的检查研究和肠胃压力的短期监控等等[3]。

微型惯性传感器，包括微加速度计和微陀螺，是利用物体的惯性性质来测量物体运动情况的一类传感器。这类传感器在进行轮船、飞机、航天器和武器的导航、制导、姿态控制和惯性测量上应用性很强。与卫星导航不同，惯性传感器导航不受外界条件的影响，完全通过记录自身运动情况来完成定位，而卫星导航又常常受到地理环境或人为因素的破坏、干扰导致不能正常运行。只要确定初始的位置、速度、姿态，理论上就可以记录当前的运动状态以及位置。但实际上，能够满足惯性级性能要求的微机械惯性传感器还很不成熟。除了在器件的结构、材料等方面继续努力以外，对于测试电路和封装技术等主要制约因素的深入研究也很有必要。

4.智能传感器与网络智能化

把敏感技术和信息处理技术结合起来，就是所谓智能传感器。智能传感器的概念最初是NASA在开发宇宙飞船的过程中形成的。宇宙飞船在太空飞行时，要安装大量的传感器进行科学实验，而处理如此多的有传感器所获取的信息，需要一台大型的计算机，二者在飞船上

是无法做到的，于是提出了分散处理的设想，从而产生出智能传感器。微处理器的出现使得智能传感器的设想得以实现。一般来说，智能传感器具有如下几个特点：1.能够进行自动补偿 2.具有自检、自诊断和自校准功能 3.具有复合敏感功能 4.具有判断、决策能力 5.具有数据存储、记忆与信息处理功能 6.具有双向通信和标准化数字输出的功能。如此，不仅有多项功能来保证高精度，而且传感器不再只是个数据源，更扮演了整个信息链中其他环节的部分角色，优化了效率。

智能传感器是传感器今后一个重要的发展方向。随着硅微细加工技术的发展，新一代智能传感器功能将会更加丰富，体积更加微型化；它将利用人工神经网络、人工智能、信息处理技术等，使传感器具有更高级的智能化水平。

早在上世纪80年代，人们就开始探索将神经网络应用到智能传感器上。人工神经网络使智能传感器具有更多的潜能，对于传感器应用而言，提高其测量精度，特别是在不清楚传感器的数学模型或其传递函数的情况下，就更具有重要意义。目前，神经网络主要用于智能传感器的多传感器融合、数据处理、目标识别和故障诊断等方面。

网络化智能传感器是目前国内外竞相研究的传感器前沿技术之一。网络化智能传感器融合了通信技术和计算机技术，其实质是在智能传感器的基础上实现网络化和信息化，是传感器具备自检、自校、自诊断和网络通信功能，从而实现信息的采集、传输和处理。网络化智能传感器是以嵌入式微处理器为核心，集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元的新一代传感器。

应用网络接口技术是传感器能方便地接入网络，为系统的扩充和维护提供了极大的方便。网络化智能传感器时传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展，从孤立元件向系统化、网络化发展，从就地测量向远距离实时在线检测发展成为了可能。

而网络化智能传感器的关键技术是网络接口。网络化智能传感器必须符合某种网络协议，是测控数据能直接入网。随着电子和信息技术的高速发展，通过软件或硬件方式将通信协议嵌入到智能化传感器已经成为可能。

5.计量科学与本专业的联系

计量科学与制造自动化与测控技术专业紧密相关，更是自然科学的基础和前沿。计量是保证仪器仪表质量，研究测试方法和规范国民经济和社会发展各领域量的度量，是直接体现测量控制与仪器仪表作用的科学。

毫无例外，每一项科技发明、每一项技术创新从论证、实验、鉴定乃至推广，验证其科学与成功的每一环节都必然需要计量测试数据，是自然科学的发展中不可缺少的手段。例如，美籍华人吴健雄博士就是通过精密测量，用实验方法在美国国家标准技术研究院的实验室里验证了世界著名物理学家诺贝尔奖获得者李政道和杨振宁所提出的弱相互作用下的宇称不守恒理论。

而在现代化生产过程中，产品质量是企业的一大根本。没有精确的计量仪器和测量方法，就难以保证产品的质量和效益。原材料、元器件进场的监测和分析，生产加工的质量监控，到成品的检验，以及物料和能源的消耗情况都需要计量提供准确的数据。所以质量的管理与

效益的提高，必须建立在计量科学技术的基础上。

我们可以从几个侧面大致了解当今计量测试技术的发展情况。

激光铯原子喷泉钟350万年不差一秒。铯原子时间频率基准复现的原子秒，其准确度比其他计量单位提高了10^6倍。这样的准确度并非没有意义。相反，比如像导弹上面安装了精密传感装置，以接受装有GPS的卫星发来的信号，但要使导弹命中率高，关键有精确的计时装置。亿分之一秒的误差就可能导致导弹3米的误差！

又如中国计量科学研究院在03年建成了量子化霍尔电阻标准装置，并使我国的量子化霍尔电阻标准准确度比国外最好的同类装置高出近10倍，误差仅为百亿分之一。这一重大成果，不仅突破了国外技术封锁，还为课题提供了核心器件，并具有我国自主知识产权。

当代计量学正处于经典物理学与量子物理学的交界处。21世纪的计量学是利用原子与原子间的物理特性及其新型量子效应和基本物理常数，建立的新型量子单位制。

例如，利用量子跃迁现象来复现计量单位，就可以从原理上消除各种宏观参数不稳定产生的影响，所复现的计量单位不再会发生缓慢飘移，计量基准的稳定性和准确度可以达到空前的高度。更重要的是，量子跃迁现象可以在任何时间、任何地点用原理相同的装置重复产生，不像实物基准是特定的物体，一旦由于事故而损毁，就不可能再准确复制。如第一个使用量子计量基准的长度单位，其原理是利用86Kr原子在两个特定能级之间发生量子跃迁时所发射的光波波长作为长度基准，准确度达到10^（-9）量级。又如秒的新定义为“铯-133原子基态的两个超精细能级之间月前所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间”

小结：制造自动化与测控技术是一门应用性较强的学科。它与时俱进，同许多最新高新技术都有密切联系；并且其学科交叉性很强。测量是自然科学的基础，所以要想适应科技发展的需要，有所突破，必须对多个领域均有所涉猎。并且，一定要树立“仪器科学技术是信息技术”的观念，因为只有这样的仪器仪表科学技术才是高度发展、顺应时代的。

第五篇：抗疲劳制造原理与技术概论

抗疲劳制造原理与技术概论

一、抗疲劳制造定义

1964年国际标准化组织（ISO）在《金属疲劳试验的一般原理》中给疲劳下了一个描述性定义:金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳。所谓的抗疲劳制造技术是指在不改变零件材料和截面尺寸的前提下，通过在制造工艺过程中改变材料的组织及应力分布状态来提高零部件疲劳寿命的制造技术。这种技术的一个突出的特点是不改变零件的结构和材料，不增加材料重量，但能大幅度提高材料的疲劳寿命。

二、抗疲劳制造设计与制造的重要性

在现代工业各个领域中，大约有50-90%以上的结构强度破坏都是由于疲劳破坏造成的，如轴、曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓、压力容器、海洋平台、汽轮机叶片和焊接结构等，很多机械零部件的结构件的主要破坏方式都是疲劳，而且遍布在工业、交通、军事等要害部门，给航空、造船、交通运输、动力机械、化工机械、工程机械等工业造成严重威胁[1-2]。因此，认识疲劳，了解疲劳破坏的机理，探求抗疲劳制造的方法并去指导现代工业技术的发展，已经成为现代工业生产中的重要课题。

三、抗疲劳制造技术的原理

疲劳是一个非常复杂的过程，疲劳寿命受许多因素的影响，其中包括零件表面残余应力、表面显微组织、缺口效应、尺寸效应、表面效应、材料静强度以及腐蚀环境等多种因素。一些对材料或构件的静态特性影响很小的因素，如构件和结构的表面状态、缺口形式等，在疲劳现象中却起到非常显著的作用。

因此，提高金属材料抗疲劳性能应主要从以下四方面来进行:(l)合理选材，注意零件的细节设计，提高加工精度和降低表面粗糙度，尽量减少形成应力集中的各种因素。

(2)在金属材料表层，特别是局部应力集中的薄弱部位引人高的残余压应力。(3)细化材料的表层显微组织，细化亚晶粒，减少材料内部的非金属夹杂物，提高冶炼精度。

(4)在保证芯部具有足够强度的前提下，提高材料表层的硬度和强度，抑制在循环应力作用下表层产生局部塑性形变。

四、疲劳设计方法

1、无限寿命设计法。无限寿命设计法是谢联先生在40年代提出的，是最早

使用的抗疲劳设计方法。使用无限寿命设计法时，常先用静强度设计确定零件尺寸，再用这种方法进行疲劳强度校核。

2、名义应力有限寿命设计法。有限寿命设计法要求构件或结构在一定的使用期限内不能产生任何疲劳缺陷，又称安全寿命设计法。

3、局部应力应变分析法。在实际使用过程中，决定零件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应力和应变。也就是说，决定疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应变。

4、损伤容限设计法。损伤容限设计法是以无损检测技术和断裂韧性与疲劳裂纹扩展速率的测定技术为手段，以有初始缺陷或裂纹零件的剩余寿命估算为中心，以断裂控制为保证，确保零件在使用期内能够安全使用的一种疲劳设计方法。

5、疲劳可靠性设计。这种设计方法是概率统计法和疲劳设计法相结合的产物，它考虑了载荷、材料疲劳性能和其它疲劳设计数据的分散性，可以把破坏概率限制在一定的范围内。

五、抗疲劳制造技术分类

在目前的生产实践中，有关抗疲劳制造的方法多种多样，从物理、化学、机械和高能束处理四个方面对其进行分析，如图l所示。

2.1物理方法

物理方法通过提高材料表层的硬度和强度来提高材料抗疲劳性能的。其特点是不改变表层化学成分，通过表层相变来提高零件的疲劳强度。常用的工艺有火焰淬火、高频和中频感应加热淬火以及近年来发展的超声波、双频感应加热淬火等。表面淬火淬硬层中的马氏体组织很细，硬度和强度比一般的整体淬火高，因而具有较好的抗粘着磨损与疲劳磨损的能力。马氏体的比容大，使淬硬层中存在较大的残余压应力。这种具有残余压应力的高硬度表面层能使工件的疲劳强度明显地提高[4]。

2化学方法

化学方法是利用化学热处理技术通过改变表面化学成分，并形成单相或多相的扩散层，大大提高材料表层的硬度，同时还可以建立很高的残余压应力，从而提高了材料的疲劳性能。主要包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、磷化和阳极氧化等工艺，近年来离子渗碳、真空扩渗、渗硼和多元共渗等新方法也得到了较大的发展，并且在微动摩擦学领域中进行了较多应用[5]。国外有人研究了渗氮层的微动性能，发现其表面损伤程度随表面机械强度的提高而降低，特别是残余压应力和较

高的屈服强度降低了表面承受的有效载荷，使裂纹形核时间延长，扩展速率降低，因而磨损减小，微动疲劳性能大大提高。

3、机械方法

机械方法的突出特点是利用冷变形技术，使金属材料表面产生形变硬化层，并引入高的残余压应力，因而减少了疲劳应力作用下裂纹的形核并抑制裂纹的早期扩展，从而显著提高机械零件的抗疲劳断裂和抗应力腐蚀开裂的能力。主要工艺方法包括滚压、挤压、喷丸、干涉配合和抛光处理等，是抗疲劳制造的一种主要方法。其中喷丸强化工艺不仅可以在极为宽广的幅度上改变金属材料的疲劳强度和抗应力腐蚀性能，而且其适应性也极为广泛，在航空工业中，孔冷挤压强化工艺包括芯棒挤压和开缝衬套挤压技术，已广泛地应用于航空工业发达国家的军机和民机，而包括冷挤压在内的干涉孔配合工艺更是大大促进了这种工艺的成功应用，其抗疲劳效果更为显著[6]。

2.4高能束处理

高能束处理的作用在物理、化学、机械等方面都能得到体现。单独将其作为一类是因为高能束能量密度极高的特性，使得经高能束处理方法得到材料抗疲劳性能比传统方法有显著地提高，其发展应用前景极为广阔。高能束处理技术是在材料局部表面施以极高密度的能量，并使之发生物理、化学变化，达到显著抗疲劳增寿的目的。目前正在研究和应用于抗疲劳制造的有激光冲击、激光相变硬化、激光熔凝、激光合金化以及离子注人等，这些是极有发展前途的抗疲劳制造方法。激光相变硬化工艺不改变物质的状态，强化后材料表面仍很光滑，变形一也很小，同时处理后的表层内应力为压应力，对材料的疲劳性能有很大的提高，有较大的技术经济效果。实验人员对AlsII045钢旋转弯曲光滑试样进行的激光相变硬化抗疲劳试验表明:用475w激光束以2.07mm/s速度扫描可获得100um厚的硬化层，疲劳寿命提高约30%，在5I2MPa应力水平下，疲劳寿命提高15倍。激光冲击能有效提高地强化碳钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金、以及镍基高温合金，在提高金属材料疲劳寿命方面，激光冲击已能取代喷丸处理。离子注人通过在材料中引人固溶强化、析出强化和压应力来提高材料的抗疲劳寿命。在精密零件的杭疲劳措施中，离子注入有着重要的作用了、因为离子汀一人一般在较低的温度下在真空中进行，离子认几人后测不出零件尺、日勺变化能保持原有的尺寸精度和表l(lJ粗糙度，工然离J气洲人尺寸较小.通常离子注人层厚度不大于1ulll，使得离r注人技术的应川受到一定限制。但是在一些实验中.当

注人层磨很深度达到”几人深度、O不时，由于接触而温升使氮沿位错和品界打散，们一人层中仍然有10-es20%的注入元素存在11川，表明在这个深度l_，离]’i1几入技术仍然可以产生作用。因此在抗微动疲劳制造技术中，离J气注人技术有一定的应用前景在实际应用中，可以将luJ种以l一的抗疲劳制造方法翅介使川的，这能充分发挥各自的优势和特点，比如带衬公挤坏和}几涉配合相结合等，往往能取得比使用单一方法更好的杭疲劳效果.3抗疲劳制造技术发展趋势

抗疲劳制造技术的研究越来越受到人们的亚视，并已经取得了明显的进展。但是随着现代科学技术的飞速发展，现代!-业设备要求在高温、高速、高压等复杂条件I汀吏用的J勇合越米越多，承受的交变应力越来越高，疲劳破坏问题日益突出在这种情况下，我们必须结合实际击要进行深人系统的抗疲劳制造技术研究。

(l)开展断裂力学、弹塑性断裂力学以及损伤容限设门的应用研究。(2)加强对疲劳损伤机理的研究，利用现代分析于段，深人研究疲劳损伤的机理、根据机械零部件的材质一五作环境、._作状态等状况，有针对性地采用抗疲劳制造技术，提高经济效益，(3)开展复杂工作条件卜的疲劳寿命研究，如腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲劳、随机疲劳、高低温疲劳、热疲劳、丝合应)J疲劳在变幅载荷、微动、真空、腐蚀环境、，岛低温及多轴应]]状态等特殊工况下的疲劳问题，金属在核辐射毋响卜的，;百温疲毛玲以及材料的疲劳强度的研究、热电站设备和燃’、轮机叶片的疲劳加蠕变的复合问题的研究。这些问题的研究对航空航大、核(_业部门等国民经济重要产业的发展共有垂大意义

(4)开展疲劳损伤的计算机模拟与计算，(5)开展对高分子材料、复合材料、先进陶瓷的微动损伤规律的研究。[美]福克斯.工程中的金属疲劳.北京:中国农业机械出版社,1983.2 [英]N.E.弗罗斯特.金属疲劳.北京:冶金工业出版社,1984.3 王珉.抗疲劳制造原理与技术.南京:江苏科学技术出版衬，1999.4 材料耐磨抗蚀及其表而技术丛书编委会主编.材料耐磨抗蚀及其表面技术概论.北京:机械工业出版社.1986.5 徐桂珍，刘家浚，周宗荣.表面改性技术在微动摩擦学领域中的应用.摩擦学学报，1998，18(2):285-190.6 谢方琳.孔冷挤压强化在飞机装配中的应用.航空工艺技术.1992.l:33-36