测控技术历史溯源及发展沿革

熊思进 孟小君 沈嘉琛 张朋 张剑华

（西北核技术研究所，陕西西安 710024）

20世纪中叶，由电子计算机技术、信息技术、新材料技术等技术为主导的第三次科技革命爆发，推动了现代测控技术的建立与发展，直至今日现代测控技术已经和生活的方方面面息息相关。现代测控技术是一门以测量、控制等学科为核心的技术，一般还与计算机技术、传感器技术、自动化控制技术、信息处理技术与网络技术等高精尖技术密不可分[1]。虽然现代测控技术的概念出现的时间较短，但是通过查阅到的相关资料和书籍记载，寻找测控技术的历史起源，发现“测量”与“控制”自古以来就是人类生产生活中最重要的2个需求，人类一直掌握着测控技术，伴随着科技文明的进步，才逐渐发展成为现在的现代测控技术。

1.测控技术简介

测控技术主要由“测量”和“控制”两大部分组成，“测量”是通过用数量的概念来描述和认识客观事物，进而逐步掌握事物本质和揭示自然界规律的一种手段。“控制”是通过自身的干涉或参与，使事物的发展在设定的范围内或按照设定的趋势发展。

测控是指对现实世界物理量进行测量获取信息，将信息处理计算后得到一个控制量，根据这个控制量对执行机构进行控制的过程，是人类认识世界、改造世界的一个过程。

测控技术主要研究物质世界中信息获取、处理、传输和利用的理论、方法和实现途径，运用物理、化学或生物学等方法，获取对象状态、属性及变化信息，并将其转换处理成易于表达和利用的形式，涉及计量学、物理学、化学、生物学、材料学、机械学、电学、光学、计算机、自动控制、通信等多学科知识，多学科交叉和技术集成特点明显[2]。测控技术可以主要分为3个方向，分别是检测技术与自动化装置方向，测试计量技术及仪器方向以及工业自动化控制及过程控制方向。测控技术人才的主要来源是当前多所高校培养的“测控技术与仪器”专业人才，我国主要从20世纪90年代开始设立专业并培养相关领域人才。

测控仪器是指运用测控技术原理，采用机、电、光各种计量测试原理方法与自动控制系统结合的一种仪器，测控仪器系统组成一般分为传感器部分、处理部分和控制部分。传感器部分主要由传感器构成，它的作用是定量地描述被测量对象状态、属性及变化的物理量，将物理量测量转换为可以进行传递和处理的信号，通常这个信号是电信号；处理部分主要由计算机或者其他计算仪器构成，主要作用以信息数据处理和运算为主，将测量信号进行处理并判断给出控制量；控制部分是测控仪器的执行机构，执行机构主要作用是根据控制量，控制执行装置作出相应的动作，实现对现实物体的控制。

随着当今时代科技的飞速发展，计算机科学技术的飞速发展，测控技术的应用领域越来越广泛，无论是从海、陆、空多方面的大跨度建设，还是从工具制造车间到航天发射基地都有测控技术的身影。最重要的是随着2021年“元宇宙”元年的到来，未来的研究发展方向必将主要围绕虚拟与现实世界的交互技术，而测控技术在其中发挥不可替代的重要作用，测量好了现实才能控制虚拟。

2.测控技术发展沿革

根据出现时间的先后顺序，测控技术的发展可以大致分为原始测控技术、古代测控技术、近代测控技术和现代测控技术这4个不同时期。

2.1 原始测控技术

在原始时期，历史上第一个人类降临世界时，因为新生儿的第一个感官就是触觉，被母亲抱住时新生儿会感到温暖和柔软的触觉，大脑会感到舒适的信号，于是主动张开小手抱住母亲或者扭动身体往母亲怀里靠。新生儿感知触觉就是在测量环境，做出反应动作就是在控制身体，从某种意义上讲，这个拥抱就是人类历史上实现的第一次测控，这说明人类本身就是一套精密的测控系统，人体测控系统如图1所示。

图1 人体测控系统示意图

原始测控技术是以人体测控系统完成测量与控制的测控技术。人体测控系统工作原理是通过耳鼻眼舌等感官系统对世界进行感知，大脑处理感知数据之后做出判断决策并产生控制量，控制量由神经传往肌肉，最终完成对肢体的控制。人类的许多活动都是通过测量与控制完成，比如在寻找食物时通过鼻子闻到香味测量食物来源，控制双脚向食物来源方向走去。比如在采摘食物时通过眼睛观察测量食物的位置，控制手臂与手指抓住食物完成采摘动作。

原始测控技术的特点是以人为主，指的是由人体测控系统完成测量与控制2个环节。随着人类文明发展，一些工具被制造出来逐渐走入了测量和控制的领域之中，比如为了打猎方便人类制造出了弓箭等工具，打猎时通过眼睛测量猎物方位，控制箭矢能够射中猎物，比如为了测量水土人类制造出了规矩准绳等工具，西汉历史学家司马迁在《史记》中记载大禹通过手中的测绘仪器测量天地，开凿水渠修筑堤坝，控制水土。这种有工具参与完成测量或者控制，但依然以人为主体的测控技术仍然属于原始测控技术。

2.2 古代测控技术

在古代时期，人类中的能工巧匠越来越厉害，并创造出了许多奇妙的工具参与到人类的生产生活，发展成为古代测控技术。古代测控技术中典型测控仪器代表是记里鼓车，根据晋代崔豹撰写的《古今注》中记载：记里鼓车是一种马车，车上有一个木人执槌向鼓，车行一里则木人打鼓一槌。记里鼓车原理是利用车轮与一套齿轮系统相配合，使得车轮走满1里时，有一个齿轮刚好转1周，并拨动车上的木人击鼓1次，从而达到测行程控击鼓的效果，记里鼓车示意图如图2所示[3]。

图2 记里鼓车示意图

古代测控技术是一种通过齿轮机关等装置完成信号的传递处理的测控技术。古代测控仪器的工作原理通常由一种装置测量某一物理量的变化，根据这些变化使得某个机械部件产生位移、转动等变化，通过机械传动装置控制某个机械部件做出动作完成控制。古代测控技术仪器代表除了记里鼓车，还有指南车、候风地动仪、铜壶滴漏等。

古代测控技术的特点可以没有人参与，可以独立完成测量与控制，信息传递过程一般是由力信号完成。

2.3 近代测控技术

在近代时期，1820年奥斯特发现电流磁效应，1821年欧姆基于电流磁效应设计了电流表，电流被人类发现并逐渐熟悉与掌握，发展出了近代测控技术。近代测控技术中典型测控仪器代表是磁电电话机，这种电话机的原理是：对着话筒说话声音带动话筒底部的金属膜片振动，根据电磁效应，振动的膜片带动一根在电磁线圈中的磁性簧片产生感应电流，电流经导线传至听筒，使听筒上的膜片产生相应的振动，将话音还原，磁电电话机示意图如图3所示。

图3 磁电电话机示意图

近代测控技术是一种通过电流磁效应完成信号的传递处理的测控技术。近代测控仪器的工作原理是将一种状态或者信息的测量结果通过磁生电效应转换为电信号强弱，电流信号在导线内的传播即为测控信号的传输，在控制时通常将电信号再转换为磁信号，由磁信号控制导体部件运动。近代测控技术仪器代表除了磁电电话机，还有电流表、发电机、电报机等。

近代测控技术的特点是整个测控过程一般涉及由电信号、磁信号、力信号的转换，信号的处理通常为简单的电流放大缩小变化，不涉及复杂的电流信号运算。

2.4 现代测控技术

在现代时期，随着人类对电流信号的处理能力越来越强，甚至制造出可利用电流信号开展复杂计算处理的集成电路板和电脑，现代测控技术登上了测控技术历史舞台。随着传感器技术、自动控制技术和虚拟技术的发展，现代测控技术仍然处在高速发展中，同时当前信息、网络、航天、军事、医疗、生物、环保等重大尖端科技领域都离不开现代测控技术，现代测控技术中典型测控系统代表主要有工业测控系统、通信测控系统以及航天测控系统等。

工业测控系统以数控机床为例，数控机床的原理是通过测量机床内物体形状和控制臂位置，数控装置通过设定程序和输入的图纸信息，根据控制臂与物体的相对位置，发出各种控制信号，控制机床内的控制臂自动完成零件加工任务。

通信测控系统是一种通信、数据传输系统，主要指遥测遥控设备，通常作为各种电子设备和通信网络的中间设备，沟通各个系统之间的信息。通信测控系统的工作原理主要是通过天线测量电磁波信号，将电磁波信号转换为电信号，经过滤波放大等处理后，控制显示或对物体进行遥控。

航天测控系统是对运行中的航天器进行跟踪、测量和控制的大型电子系统，是一种技术水平较高的测控技术。航天测控系统的工作原理是通过跟踪测量系统跟踪航天器，测定其弹道或轨道，同时根据通信测控系统传送航天器内部的工程参数和用传感器测得的空间物理参数，并通过通信测控系统对航天器的姿态、轨道和其他状态进行控制。

现代测控技术是以计算机技术作为核心技术，集测量与控制为一体的测控技术[4]。现代测控系统的工作原理是通过各种各样的传感器对物理量的状态变化进行测量与监测，一般将测量的信号转化为电信号并进行数字化，由计算机或集成电路对数字信号完成复杂处理，最后将数字信号转换为电信号，通过电信号控制执行机构完成设定动作。

现代测控技术的特点是整个测控过程一般涉及模拟信号至数字信号的转换，并且会进行复杂的运算处理实现智能化。

3.结论

本文通过查找相关资料，完成了对测控技术的历史溯源和发展沿革总结工作，并得出以下2个结论：

（1）根据现代测控技术的定义内核，对测控技术进行历史溯源，最早的测控技术应该是“原始测控技术”。测控技术是一门通过认识世界进而改造世界的技术，自人类诞生以来就一直伴随着人类的生产生活。原始测控技术与现代测控技术的表现形式和工作原理有很大区别，但是概念内核确实相同，都属于一种完成测量与控制工作的技术。

（2）通过寻找不同时期的典型测控仪器代表，总结测控技术的发展沿革。测控技术根据测控信号传递处理的方式不同，发展路线为：原始时期是主要由大脑与神经完成测控信号传递处理的原始测控技术，古代时期主要由机关与齿轮完成测控信号传递处理的古代测控技术，近代时期主要由电磁效应和导线简单完成测控信号传递处理的近代测控技术，发展至现代主要由计算机或集成电路复杂运算完成测控信号传递处理的现代测控技术。