时间：2022-11-23 20:23:39 | 浏览：2028
关于学科本身
本篇文章中的“精密仪器（精仪）”指的是教育部《普通高等学校本科专业目录》中的“仪器类（0803）”。含“测控技术与仪器（080301）”一个细分专业。精密仪器系（精仪系）的称呼来自清华的院系设置。
Problems
精密仪器专业是什么？造仪器吗？
精密仪器与其说是一个学科，不如说本身就是很多学科的交叉集合体。
在仪器系统中需要用到的“光、机、电、测、控”中，光学与测量是精密仪器系主导，而机械、电子与控制本身就是其他学科的内容。
很多同学对工科的兴趣都起源于自己动手制作或拆装一些东西，比如小家电、电子积木、电动玩具等。在拆装东西时不知道某个部分的用处，以至于装完少了或者多了零件，都是常事。
还有一些同学对工科的印象来自于一些电影中的工程师或程序员，在键盘上一顿敲，插几根线，就能解决各种问题。
从过来人的视角看，前者是菜鸟工程师的初体验，而后者则是对大牛工程师的想象。
真实的工程师大致介于两者之间。与物理学家不同，工程师面对的是不光滑的平面，不完美的柔性体，含有各种乱流的流体；通过测量和反馈控制等手段，结合物理学家的理论与真实对象上的实验，人类搭建了自工业革命起到如今信息时代的科技大厦，覆盖了生活的方方面面。
如果说物理学家决定了文明的上限，那么工程师就决定了文明的下限。
具体到工学中的精密仪器这一学科，精密仪器包括测控技术与光学，为什么看似关系不大的这两部分会出现在同一个学科，它们又各自和“精密仪器”这个名字有什么关系呢？我们一点一点看。
光学技术经常被用于微小量的放大，从而实现精密测量。利用光沿直线传播的特点，微小的角度变化可被转化为较大的位移变化并被进一步测量；而因为光的波长通常在微米到纳米级，光的衍射、干涉等现象同样可以用来测量微小位移和形变。
图为三坐标测量仪，使用光学技术进行精密测量的典型例子
测控技术也是工学的重要组成部分，18世纪瓦特的蒸汽机飞球调节器可以测量转速并自动控制蒸汽量，是最早的自动测控系统；而如今的工业生产与生活中，到处都是传感器、处理器和执行器组成的测控系统。精度越高，对测控系统的要求也就越高。
测控系统中，传感器将那些多种多样的物理信号变为可以被处理器感知的电信号，处理器计算传感器的输入给出执行器的输出，而执行器通过电信号再去影响物理系统，形成一个闭环，从而使系统面对各种噪声干扰时维持稳定。
一台精密仪器往往包含“光机电测控”，即光学、机械、电子、测量、控制几个部分。
精密测量一些物理量需要光学；光学设备、应变电阻等传感器，电动机等执行器，都需要特定机械结构发挥作用；传感器信号的放大、去噪声、读入处理器，以及处理器本身，执行器的驱动，都离不开电子；而测控负责将各个零部件结合成一个整体。因此，精密仪器是综合性非常强的学科，掌握各方面知识才能设计出好的仪器。
图为原子力显微镜（AFM）测得的分子结构，AFM是人类目前使用的精度最高的测量仪器之一
精密仪器工程师在工作中不能像初学者一样手忙脚乱，也不会像电影里展示的那样胸有成竹，仪器的设计与制造总体上是一个螺旋上升的过程。
对于一个任务，选择一个物理模型，挑选模型所需的传感器，执行器，控制算法，观察实际系统与模型的偏差，如偏差较大，可以修正模型考虑非理想因素，或加入一些基于工程经验的补偿，再观察效果，不断改进。既要进行运筹帷幄的设计，也要有决胜千里的调试，二者缺一不可。
学科的知识结构
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本科课程体系
各院校的培养方案中通识类课程与公共课不尽相同，如清华精密仪器系对2016年本科生就要求选修至少3学分的化学课，而其它学校的学分要求可能与之略有出入。但专业课程的安排整体上都是类似的，按照知识从理论到应用大约可分为
基础课：必修课，通常在大一至大二上学期学完。这些课程与其他工科类专业接近，数理课程整体要求低于理科类专业，而对计算机编程能力的要求高于理科类专业，但低于自动化、电子等信息类专业。
数学课程：高等数学、线性代数、复变函数或数理方程，概率论与数理统计
物理课程：大学物理（力学、电磁学、光学、热力学、近代物理）、大学物理实验
计算机课程：计算机程序设计基础（C、C++）、计算机硬件技术基础（单片机入门）
其他：机械制图，机械制图实践
专业基础课： 课程分布在大二、大三两年，是仪器与光学方向都要学习的专业课。这些课程涵盖“光、机、电、测、控”各个方面，与数理类课程相比，工科专业基础课往往对思维能力与数学水平要求不那么高，主要需要记忆知识、运用公式。
后续无论是进行理论研究、实验研究，或是进入交叉学科，虽不一定用到全部课程的知识，但至少会用到对应的部分。因此，学习后虽未必能记住全部知识，但只要记住“我学过这个”，日后用到就知道去哪里查。
这一类课程包括
光学课程：工程光学1（几何光学）
机械课程：理论力学、材料力学、机械原理、制造工程基础
电学课程：电工技术与电子技术（电路原理、模拟电路、数字电路）、电路设计实践
测量课程：测试与检测技术基础（信号与系统）
控制课程：控制工程基础
分专业后的专业课：这些选修课的内容主要分布在专业分流后。精仪专业的本科生会在高年级被进一步分入仪器、光学两个大方向，确定去向后需要学习这些在各自领域更深入的专业课，工程性相比专业基础课更强。这部分课程包括
仪器专业课程：仪器设计技术基础、计算机控制技术、精密仪器设计、微机电系统设计、微纳米测量与测试技术等
光学专业课程：工程光学2（物理光学）、光电检测技术、光电仪器设计、光电子技术、光纤技术、纳米光学等
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