現(xiàn)代儀器儀表：看似配角的主角

    “科學是從測量開始的。”著名科學家門捷列夫這樣說。
    在現(xiàn)代科學技術和生產(chǎn)力的推動下，最初作為測量器具的儀器已發(fā)展成一門較為完整的學科，并在當今國民經(jīng)濟和科技發(fā)展中發(fā)揮著日益重要的作用。專家總結其作用稱：儀器儀表是科學研究的“先行官”，工業(yè)生產(chǎn)的“倍增器”，軍事上的“戰(zhàn)斗力”，國民活動中的“物化法官”。
    在92歲高齡的王大珩院士心目中，“儀器儀表往往被看作科研和工業(yè)生產(chǎn)的‘配角’，然而它早已成為我國科技發(fā)展和提升工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的核心組成部分，作用舉足輕重。事實證明，中國科技實力與經(jīng)濟發(fā)展的‘咽喉’，部分地被卡在儀器儀表這一關上。”
    現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展在工業(yè)的發(fā)展進程中占有至關重要的地位，我們需要關注儀器儀表的發(fā)展。
    現(xiàn)代儀器儀表的分類：
    根據(jù)國際發(fā)展潮流和我國的現(xiàn)狀，現(xiàn)代儀器儀表按其應用領域和自身技術特性大致劃分為6個大類，即工業(yè)自動化儀表與控制系統(tǒng)、科學儀器、電子與電工測量、醫(yī)療儀器、各類專用儀器，傳感器與儀器儀表元器件及材料。
    傳感器與儀器儀表元器件及材料。
    我國儀器儀表業(yè)將發(fā)生新的重大轉(zhuǎn)折：
    隨著科學技術的飛速發(fā)展和自動化程度的不斷提高，我國儀器儀表行業(yè)也將發(fā)生新的變化并獲得新的發(fā)展。
    世界近20年來，微電子技術、計算機技術、精密機械技術、高密封技術、特種加工技術、集成技術、薄膜技術、網(wǎng)絡技術、納米技術、激光技術、超導技術和生物技術等高新技術得到了迅猛發(fā)展。近10年來，由于包括納米級的精密機械研究成果、分子層次的現(xiàn)代化學研究成果、基因?qū)哟蔚纳飳W研究成果，以及高精密超性能特種功能材料研究成果和全球網(wǎng)絡技術推廣應用成果等在內(nèi)的一大批當代最新技術成果的競相問世，使得儀器儀表領域發(fā)生了根本性的變革。通過分析可以看出，高科技化不但是現(xiàn)代儀器儀表的主要特征，而且是振興儀表工業(yè)的必由之路，也是新世紀儀器儀表及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主流。
    伴隨現(xiàn)場總線的問世，過程測控儀表發(fā)展歷程出現(xiàn)了重大轉(zhuǎn)折和難得機遇。
    目前現(xiàn)場總線已成為全球自動化技術的熱點。現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場智能化儀表與控制室之間的一種開放、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。它的產(chǎn)生，既是廣大用戶的實際需求和制造廠商間技術競爭的結果，也是計算機技術、通信技術和控制技術在工業(yè)控制領域相結合的產(chǎn)物和產(chǎn)品升級，以及為實現(xiàn)進一步的高精度、高性能(特別是多參數(shù)在線實時測控與自動測控)、高穩(wěn)定、高可靠、高適應性，多功能、低消耗等提供了巨大動力和發(fā)展空間。

    應用領域，特別是非傳統(tǒng)應用領域的進一步拓展，為儀器儀表工業(yè)的持續(xù)發(fā)展注入了新活力、新動力。
    儀器儀表產(chǎn)品的總體發(fā)展趨勢是“六高一長”和“二十化”。縱觀歷史，剖析現(xiàn)狀，展望未來，可以提出如下結論：日后，傳統(tǒng)的儀器儀表將仍然朝著高性能、高精度、高靈敏、高穩(wěn)定、高可靠、高環(huán)保和長壽命的“六高一長”的方向發(fā)展。
    國際儀器儀表發(fā)展趨勢：
    國際儀器儀表發(fā)展極為迅速，近10幾年來國際儀器儀表發(fā)展的主要趨勢是：
    數(shù)字技術的出現(xiàn)把模擬儀器的精度、分辨力與測量速度提高了幾個量級，為實現(xiàn)測試自動化打下了良好的基礎。計算機的引入，使儀器的功能發(fā)生了質(zhì)的變化，從個別參量的測量轉(zhuǎn)變成測量整個系統(tǒng)的特征參數(shù)，從單純的接受、顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂啤⒎治觥⑻幚怼⒂嬎闩c顯示輸出，從用單個儀器進行測量轉(zhuǎn)變成用測量系統(tǒng)進行測量。計算機技術在儀器儀表中的進一步滲透，使電子儀器在傳統(tǒng)的時域與頻域之外，又出現(xiàn)了數(shù)據(jù)域測試。90年代，儀器儀表與測量科學技術突破性進展是儀器儀表智能化程度的提高；DSP芯片的大量問世，使儀器儀表數(shù)字信號處理功能大大加強；微型機的發(fā)展，使儀器儀表具有更強的數(shù)據(jù)處理能力和圖象處理功能；現(xiàn)場總線技術是90年代迅速發(fā)展起來的一種用于各種現(xiàn)場自動化設備與其控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信技術，Internet和Internet技術也將進入控制領域。現(xiàn)代儀器儀表產(chǎn)品將向著計算機化、網(wǎng)絡化、智能化、多功能化的方向發(fā)展，跨學科的綜合設計、高精尖的制造技術使它能更高速、更靈敏、更可靠、更簡捷地獲取被分析、檢測、控制對象的全方位信息。未來10年，而更高程度的智能化應包括理解、推理、判斷與分析等一系列功能，是數(shù)值、邏輯與知識的結合分析結果，智能化的標志是知識的表達與應用。利用物理學的新效應和高新技術及其成就開發(fā)新型高靈敏度、高穩(wěn)定性、強抗干擾能力傳感器技術和測試儀器儀表。如：利用高溫超導量子干涉儀（SGUID）開發(fā)計量測試儀器、物理學測試儀器、地理和地質(zhì)學儀器、化學分析儀器、醫(yī)療儀器、無損材料檢測儀器等。利用橢偏技術來檢測光纖、光學玻璃等，它與近場光學相結合，不僅可以測量表面精細結構，同時根據(jù)近場光學反射偏振信息可以分辨出被測物體的材料，這是目前實驗研究新探索。將可調(diào)諧穩(wěn)頻激光光譜儀技術用于高精密的幾何量與機械量和多種無形態(tài)的量的測量，開發(fā)以新一代微型光纖傳導激光干涉儀，它的測量范圍可以從納米到幾米或更大的范圍，分辨率可達10mm。
    現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展關鍵技術：
    ①傳感技術:傳感技術不僅是儀器儀表實現(xiàn)檢測的基礎，它也是儀器儀表實現(xiàn)控制的基礎。
    ②系統(tǒng)集成技術:系統(tǒng)集成技術直接影響儀器儀表和測量控制科學技術的應用廣度和水平，特別是對大工程、大系統(tǒng)、大型裝置的自動化程度和效益有決定性影響。
    ③智能控制技術:智能控制技術是人類以接近最佳方式，通過測控系統(tǒng)以接近最佳方式監(jiān)控智能化工具、裝備、系統(tǒng)達到既定目標的技術，是直接涉及測控系統(tǒng)的效益發(fā)揮的技術，是從信息技術向知識經(jīng)濟技術發(fā)展的關鍵。智能控制技術可以說是測控系統(tǒng)中最重要和最關鍵的軟件資源。
    ④人機界面技術:人機界面技術主要為方便儀器儀表操作人員或配有儀器儀表的主設備、主系統(tǒng)的操作員操作儀器儀表或主設備、主系統(tǒng)服務。

    ⑤可靠性技術:隨著儀器儀表和測控系統(tǒng)應用領域的日益擴大，可靠性技術特別是在一些軍事、航空航天、電力、核工業(yè)設施，大型工程和工業(yè)生產(chǎn)中起到提高戰(zhàn)斗力和維護正常工作的重要作用。
    現(xiàn)代儀器儀表產(chǎn)品技術趨勢：
    儀器儀表作為信息工業(yè)的源頭，是以電腦和微處理器的技術為核心技術，以計算機、網(wǎng)絡、系統(tǒng)、通信、圖像顯示、自動控制理論為共性關鍵技術基礎。這些信息技術應用到儀器儀表中，促成儀器儀表產(chǎn)品升級為智能儀器儀表，發(fā)展成為信息工業(yè)領域中一大系列產(chǎn)品群體。儀器儀表產(chǎn)品正向智能化、微型化、網(wǎng)絡化和虛擬化方向迅速邁進。
    微型化：儀器儀表產(chǎn)品微型化主要歸結于超大規(guī)模集成（VLSI）新器件、微機電系統(tǒng)（MEMS）、圓片規(guī)模集成（WSI）和多芯片模塊（MCM）等；采用微控技術、微加工技術、微檢測技術、微光源、微分光光學系統(tǒng)、微傳感器等，使儀器儀表產(chǎn)品體積縮小，精度提高。
    智能化：儀器儀表產(chǎn)品智能化主要歸結于微處理器和人工智能技術的發(fā)展與應用。以美國德州儀器公司提出的“DSPC”概念為例，以DSP芯片為核心，配合先進的混合信號電路、ASIC電路、元件及開發(fā)工具等提供整個應用系統(tǒng)的解決方案。目前DSP的生產(chǎn)工藝正在由0.35μm轉(zhuǎn)向0.25μm、0.18μm、0.13μm，2005年可達到0.075μm。到2010年，DSP芯片的集成度將會提高11倍，單個芯片上將會集成5億只晶體管。
    網(wǎng)絡化：由于測量設備自動化、智能化水平的提高，多臺儀器聯(lián)網(wǎng)已推廣應用，虛擬儀器、三維多媒體等新技術開始實用化。儀器儀表產(chǎn)品網(wǎng)絡化主要歸結于現(xiàn)場總線技術。基于現(xiàn)場總線的FCS（FieidbusControlSystem）將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角，Internet和Intranet技術也進入控制領域，網(wǎng)絡化系統(tǒng)滲透到企業(yè)從生產(chǎn)到管理、直到經(jīng)營等各方面。通過Internet網(wǎng)，儀器用戶之間可異地交換信息和瀏覽，廠商能直接與異地用戶交流，能及時完成如儀器故障診斷、指導用戶維修或交換新儀器改進的數(shù)據(jù)、軟件升級等工作。國外著名儀器廠商正在積極研制和開發(fā)新型網(wǎng)絡化智能化測量設備，如美國P&SDataCom（Microchip）公司通過多年對智能設備與網(wǎng)絡間通訊方式的研究和開發(fā)，發(fā)明了具有專利的通用網(wǎng)絡通訊控制器芯片--WebChipTM，并提供了一種簡單、低價格、完整的智能設備網(wǎng)絡連接方案。
    虛擬化：儀器儀表產(chǎn)品虛擬化主要歸結于虛擬現(xiàn)實技術。它是一種由計算機全部或部分生成的多維感覺環(huán)境，給參與者產(chǎn)生各種感官信息，使參與者有身臨其境的感覺，能體驗、接受和認識客觀世界中的客觀事物，深化概念和建造新的構想和創(chuàng)意。
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