現(xiàn)代儀器儀表分類、發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)代儀器儀表分類、發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)

1、現(xiàn)代儀器儀表的分類

    根據(jù)國(guó)際發(fā)展潮流和我國(guó)的現(xiàn)狀，現(xiàn)代儀器儀表按其應(yīng)用領(lǐng)域和自身技術(shù)特性大致劃分為6個(gè)大類，即工業(yè)自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)、科學(xué)儀器、電子與電工測(cè)量、儀器、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。工業(yè)自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)，主要指工業(yè)，特別是流程產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用的各類檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與自動(dòng)控制系統(tǒng)裝置�？茖W(xué)儀器主要指應(yīng)用于科學(xué)研究、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、計(jì)量測(cè)試、環(huán)境監(jiān)測(cè)、質(zhì)量和安全檢查等各個(gè)方面的儀器儀表。電子與電工測(cè)量?jī)x器，主要指低頻、高頻、超高頻、微波等各個(gè)頻段測(cè)試計(jì)量專用和通用儀器儀表。醫(yī)療儀器主要指用于生命科學(xué)研究和臨床診斷治療的儀器。各類專用儀器指農(nóng)業(yè)、氣象、水文、地質(zhì)、海洋、核工業(yè)、航空、航天等各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的專用儀器。科學(xué)儀器可以細(xì)分為14個(gè)小類，即電子光學(xué)儀器，離子光學(xué)儀器，X射線儀器，光譜儀器，色譜儀器，波譜儀器，電化學(xué)儀器，生化分離分析儀器，氣體分析儀器，顯微鏡和成像系統(tǒng)，化學(xué)反應(yīng)及熱分析儀器，聲學(xué)振動(dòng)儀器，力學(xué)性能測(cè)試儀器（材料試驗(yàn)機(jī)），光電測(cè)量?jī)x器。其中，發(fā)展最快，應(yīng)用最廣和市場(chǎng)容量最大的是各類光學(xué)儀器和分析儀器�，F(xiàn)代儀器儀表雖然作了大致分類，實(shí)際上存在著許多交叉，比如各類專用儀器中許多都是科學(xué)儀器。

    2、現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展趨勢(shì)

    國(guó)際儀器儀表發(fā)展極為迅速，僅以科學(xué)儀器中的分析儀器為例，世界分析儀器市場(chǎng)年銷售總額由2000年256億美圓到2002年增至316億美圓，年增長(zhǎng)11%以上，是全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度的3—4倍。近10幾年來(lái)國(guó)際儀器儀表發(fā)展的主要趨勢(shì)是：

    數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)把模擬儀器的精度、分辨力與測(cè)量速度提高了幾個(gè)量級(jí)，為實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化打下了良好的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)的引入，使儀器的功能發(fā)生了質(zhì)的變化，從個(gè)別參量的測(cè)量轉(zhuǎn)變成測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)的特征參數(shù)，從單純的接受、顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂�、分析、處理、�?jì)算與顯示輸出，從用單個(gè)儀器進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)變成用測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器儀表中的進(jìn)一步滲透，使電子儀器在傳統(tǒng)的時(shí)域與頻域之外，又出現(xiàn)了數(shù)據(jù)域測(cè)試。90年代，儀器儀表與測(cè)量科學(xué)技術(shù)突破性進(jìn)展是儀器儀表智能化程度的提高；DSP芯片的大量問(wèn)世，使儀器儀表數(shù)字信號(hào)處理功能大大加強(qiáng)；微型機(jī)的發(fā)展，使儀器儀表具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和圖象處理功能；現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是90年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種用于各種現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備與其控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，Internet和Internet技術(shù)也將進(jìn)入控制領(lǐng)域。現(xiàn)代儀器儀表產(chǎn)品將向著計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多功能化的方向發(fā)展，跨學(xué)科的綜合設(shè)計(jì)、高精尖的制造技術(shù)使它能更高速、更靈敏、更可靠、更簡(jiǎn)捷地獲取被分析、檢測(cè)、控制對(duì)象的全方位信息。未來(lái)10年，而更高程度的智能化應(yīng)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(shí)的結(jié)合分析結(jié)果，智能化的標(biāo)志是知識(shí)的表達(dá)與應(yīng)用。利用物理學(xué)的新效應(yīng)和高新技術(shù)及其成就開(kāi)發(fā)新型高靈敏度、高穩(wěn)定性、強(qiáng)抗干擾能力傳感器技術(shù)和測(cè)試儀器儀表。如：利用高溫超導(dǎo)量子干涉儀（SGUID）開(kāi)發(fā)計(jì)量測(cè)試儀器、物理學(xué)測(cè)試儀器、地理和地質(zhì)學(xué)儀器、化學(xué)分析儀器、醫(yī)療儀器、無(wú)損材料檢測(cè)儀器等。利用橢偏技術(shù)來(lái)檢測(cè)光纖、光學(xué)玻璃等，它與近場(chǎng)光學(xué)相結(jié)合，不僅可以測(cè)量表面精細(xì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)近場(chǎng)光學(xué)反射偏振信息可以分辨出被測(cè)物體的材料，這是目前實(shí)驗(yàn)研究新探索。將可調(diào)諧穩(wěn)頻激光光譜儀技術(shù)用于高精密的幾何量與機(jī)械量和多種無(wú)形態(tài)的量的測(cè)量，開(kāi)發(fā)以新一代微型光纖傳導(dǎo)激光干涉儀，它的測(cè)量范圍可以從納米到幾米或更大的范圍，分辨率可達(dá)10mm。它還可用于稱重，研制新型電子天平、高精度的電子皮帶稱、高分辨率的壓力計(jì)等。發(fā)展納米測(cè)量技術(shù)，建立納米計(jì)量測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，這是當(dāng)今在計(jì)量與測(cè)試技術(shù)研究中十分活躍的課題。分析儀器正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命性的變化，傳統(tǒng)的光學(xué)、熱學(xué)、電化學(xué)、色譜、波譜類分析技術(shù)都已從經(jīng)典的化學(xué)精密機(jī)械電子結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人工操作應(yīng)用模式，轉(zhuǎn)化為光、機(jī)、電、算（計(jì)算機(jī)）一體化、自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)，并正向更名副其實(shí)的智能系統(tǒng)發(fā)展（帶有自診斷自控、自調(diào)、自行判斷決策等高智能功能）。由于以信息技術(shù)為代表高新科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使科學(xué)儀器的工作原理，設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法發(fā)生了明顯的變化，其關(guān)鍵技術(shù)主要表現(xiàn)為：（1）微分析技術(shù)即分析儀器的微型化和微量化，其共性技術(shù)有微控技術(shù)、微加工技術(shù)、微檢測(cè)技術(shù)、微光源、微分光光學(xué)系統(tǒng)、微傳感器等，應(yīng)用上述技術(shù)的微分析儀器如：微流控制芯片、芯片實(shí)驗(yàn)室、微近紅外光譜儀等。（2）生物、化學(xué)傳感器包括新型傳感技術(shù)在分析儀器中的應(yīng)用，將生物芯片技術(shù)，新型化學(xué)傳感技術(shù)，智能傳感器技術(shù)應(yīng)用于分析儀器的研制。（3）成像技術(shù)包括廣義成像，納米級(jí)超高分辨成像，信息處理等，具體的領(lǐng)域有：核磁共振技術(shù)、圖像自動(dòng)分析及綜合技術(shù)、成像光譜技術(shù)、近場(chǎng)光學(xué)成像技術(shù)。（4）儀器的聯(lián)用技術(shù)通過(guò)信息分離、專用軟件接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種科學(xué)技術(shù)間的聯(lián)用以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的痕量成份分析、結(jié)構(gòu)分析、形態(tài)分析等綜合分析，如：色譜—質(zhì)譜聯(lián)用、色譜—光譜聯(lián)用等。多臺(tái)儀器、多個(gè)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合的綜合分析管理系統(tǒng)(LIMS, Laboratory Information Management System)已經(jīng)推廣應(yīng)用；儀器可以上網(wǎng)、制造廠商進(jìn)行遠(yuǎn)距診斷、指導(dǎo)正確使用或提出維修指導(dǎo)，各同類儀器用戶或相同分析工作用戶直接進(jìn)行數(shù)據(jù)、情報(bào)共享，儀器的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)和量值溯源等已指日可待。分析儀器在生物、環(huán)保、醫(yī)學(xué)等有關(guān)人的生存、發(fā)展領(lǐng)域的應(yīng)用日新月異，現(xiàn)代高科技軍事方面的發(fā)展也促進(jìn)了分析技術(shù)和分析儀器的應(yīng)用拓展，靈敏、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)毒物檢測(cè)、生命保障任務(wù)也大大擴(kuò)大了分析了儀器的應(yīng)用領(lǐng)域。

    根據(jù)上述儀器儀表國(guó)際發(fā)展的趨勢(shì)，可以十分清楚的看出現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展具有以下主要特點(diǎn)：

    ① 技術(shù)指標(biāo)不斷提高

    就如奧林匹克運(yùn)動(dòng)的口號(hào)是更高、更快、更強(qiáng)一樣，儀器儀表在提高檢測(cè)控制技術(shù)指標(biāo)上是永遠(yuǎn)的追求。以儀器儀表和測(cè)量控制的技術(shù)范圍指標(biāo)來(lái)說(shuō)，如電壓從納伏~100萬(wàn)伏；電阻從超導(dǎo)至1014Ω；諧波測(cè)量到51次；加速度從10-4—104g；頻率測(cè)量至1010HZ；壓力測(cè)量至108Pa；溫度測(cè)量從接近絕對(duì)零度至1010℃等。以提高測(cè)量精度指標(biāo)來(lái)說(shuō)，工業(yè)參數(shù)測(cè)量提高至0.02%以上，航空航天參數(shù)測(cè)量達(dá)到0.05%以上，計(jì)量精度和科學(xué)儀器達(dá)到的精度更是與時(shí)俱進(jìn)。以提高測(cè)量的靈敏度來(lái)說(shuō)更是向單個(gè)粒子、分子、原子級(jí)發(fā)展。提高測(cè)量速度（響應(yīng)速度），靜態(tài)0.1~0.2ms，動(dòng)態(tài)為L(zhǎng)μs。提高可靠性，一般要求為2~5萬(wàn)小時(shí)，高可靠要求25萬(wàn)小時(shí)。穩(wěn)定性（年變化）＜±0.05%（高精度儀器）或＜±0.1%（一般儀器）。此外還不斷提高產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性。

    ② 最先應(yīng)用新的科學(xué)研究成果，高新技術(shù)大量采用

    現(xiàn)代儀器儀表作為人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界、改造物質(zhì)世界的第一手工具，是人類進(jìn)行科學(xué)研究和工程技術(shù)開(kāi)發(fā)的最基本工具。人類很早就懂得“工欲善其事，必先利其器”的道理，新的科學(xué)研究成果和發(fā)現(xiàn)如信息論、控制論、系統(tǒng)工程理論，微觀和宏觀世界研究成果及大量高新技術(shù)如微弱信號(hào)提取技術(shù)，計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，激光技術(shù)，超導(dǎo)技術(shù)，納米技術(shù)等均成為儀器儀表和測(cè)量控制科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要?jiǎng)恿�，現(xiàn)代儀器儀表不僅本身已成為高技術(shù)的新產(chǎn)品，而且利用新原理、新概念、新技術(shù)、新材料和新工藝等最新科技術(shù)成果集成的裝置和系統(tǒng)層出不窮。

    ③ 單個(gè)裝置微小型化，智能化，可獨(dú)立使用，嵌入式使用和聯(lián)網(wǎng)使用

    測(cè)量控制儀器儀表大量采用新的傳感器、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)及專家系統(tǒng)等信息技術(shù)產(chǎn)品，不斷向微小型化、智能化發(fā)展，從目前出現(xiàn)的“芯片式儀器儀表”，“芯片實(shí)驗(yàn)室”等看，單個(gè)裝置的微小型化和智能化將是長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)。從應(yīng)用技術(shù)看，微小型化和智能化裝置的嵌入式連接和聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)得到重視。

    ④ 測(cè)控范圍向有關(guān)工作方式立體化、全球化擴(kuò)展，測(cè)量控制向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

    隨著測(cè)量控制儀器儀表所測(cè)控的既定區(qū)域不斷向立體化、全球化甚至星球化發(fā)展，儀器儀表和測(cè)控裝置已不再呈單個(gè)裝置形式，它必然向測(cè)控裝置系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。例如一個(gè)大型水電站的測(cè)控系統(tǒng)，僅檢測(cè)大壩安全性的傳感器就達(dá)數(shù)千個(gè)，此外各個(gè)發(fā)電機(jī)組狀態(tài)及水位情況的檢測(cè)控制點(diǎn)（I/O測(cè)控點(diǎn)）將超過(guò)萬(wàn)點(diǎn)，要達(dá)到大型水電站的正常發(fā)電和送電，必須將各個(gè)測(cè)控點(diǎn)的測(cè)控裝置形成網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)有機(jī)的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；又例如衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)，人造衛(wèi)星上配置的各種傳感器就達(dá)到數(shù)千，它首先要將衛(wèi)星上各種測(cè)控裝置構(gòu)成一個(gè)完整的自動(dòng)測(cè)控子系統(tǒng)，然后和多個(gè)地面站的測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)廣域測(cè)控系統(tǒng)。

    ⑤ 便攜式、手持式以至個(gè)性化儀器儀表大量發(fā)展

    隨著生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)自己的生活質(zhì)量和健康水平日益關(guān)注，檢測(cè)與人們生活密切相關(guān)的各類商品、食品質(zhì)量的儀器儀表，預(yù)防和治療疾病的各種醫(yī)療儀器是今后發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)�？茖W(xué)儀器的現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)在線化，特別是家庭和個(gè)人使用的健康狀況和疾病警示儀器儀表將有較大發(fā)展。

    3、現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

    從現(xiàn)代儀器儀表科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)，可以列出儀器儀表發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)如下。

    ① 傳感技術(shù)

    傳感技術(shù)不僅是儀器儀表實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的基礎(chǔ)，它也是儀器儀表實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)。這不僅因?yàn)榭刂票仨氁詸z測(cè)輸入的信息為基礎(chǔ)，并且是由于控制達(dá)到的精度和狀態(tài)，必需感知，否則不明確控制效果的控制仍然是盲目的控制。

    廣義而言傳感技術(shù)必須感知三方面的信息，它們是客觀世界的狀態(tài)和信息，被測(cè)控系統(tǒng)的狀態(tài)和信息以及操作人員需了解的狀態(tài)信息和操控指示。在這里應(yīng)注意到客觀世界無(wú)窮無(wú)盡，測(cè)控系統(tǒng)對(duì)客觀世界的感知主要集中于與目標(biāo)相關(guān)的客觀環(huán)境（簡(jiǎn)稱既定目標(biāo)環(huán)境），既定目標(biāo)環(huán)境之外的環(huán)境信息可通過(guò)其它方法采集。被測(cè)控系統(tǒng)可以是簡(jiǎn)單的物或單一的樣本，可以是復(fù)雜的無(wú)人直接操縱的自動(dòng)系統(tǒng)，可以是有人（群）在內(nèi)操作的大型自動(dòng)化系統(tǒng)或社會(huì)活動(dòng)系統(tǒng)，也可以是人體。以人體健康、生理、心理狀態(tài)為目標(biāo)的傳感技術(shù)是醫(yī)療診治儀器的基礎(chǔ)和核心。操作人員可以是單人，但在系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化的情況下常為不同崗位下的操作人員群體。

    窄義而言，傳感技術(shù)主要是客觀世界有用信息的檢測(cè)，它包括有用被測(cè)量敏感技術(shù)，涉及各學(xué)科工作原理、遙感遙測(cè)、新材料等技術(shù)；信息融合技術(shù)，涉及傳感器分布，微弱信號(hào)提取（增強(qiáng)），傳感信息融合，成像等技術(shù)；傳感器制造技術(shù)，涉及微加工，生物芯片，新工藝等技術(shù)。

    ② 系統(tǒng)集成技術(shù)

    系統(tǒng)集成技術(shù)直接影響儀器儀表和測(cè)量控制科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用廣度和水平，特別是對(duì)大工程、大系統(tǒng)、大型裝置的自動(dòng)化程度和效益有決定性影響，它是系統(tǒng)級(jí)層次上的信息融合控制技術(shù)，包括系統(tǒng)的需求分析和建模技術(shù)，物理層配置技術(shù)，系統(tǒng)各部份信息通信轉(zhuǎn)換技術(shù)，應(yīng)用層控制策略實(shí)施技術(shù)等。在操作人員為多種不同崗位的操作群體情況下，還包括各級(jí)操作人員需求分析技術(shù)。

    ③ 智能控制技術(shù)

    智能控制技術(shù)是人類以接近最佳方式，通過(guò)測(cè)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(dá)到既定目標(biāo)的技術(shù)，是直接涉及測(cè)控系統(tǒng)的效益發(fā)揮的技術(shù)，是從信息技術(shù)向知識(shí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。智能控制技術(shù)可以說(shuō)是測(cè)控系統(tǒng)中最重要和最關(guān)鍵的軟件資源。從目前發(fā)展趨勢(shì)看，在企業(yè)信息化ERP/MES/PCS三級(jí)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，軟件的價(jià)格已超過(guò)硬件的3倍。而有關(guān)石化、冶金、電力、制藥行業(yè)中自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的先進(jìn)控制軟件價(jià)格就超過(guò)系統(tǒng)硬件價(jià)格。智能控制技術(shù)包括仿人的特征提取技術(shù)，目標(biāo)自動(dòng)辨識(shí)技術(shù)，知識(shí)的自學(xué)習(xí)技術(shù)，環(huán)境的自適應(yīng)技術(shù)，最佳決策技術(shù)等。

    ④ 人機(jī)界面技術(shù)

    人機(jī)界面技術(shù)主要為方便儀器儀表操作人員或配有儀器儀表的主設(shè)備、主系統(tǒng)的操作員操作儀器儀表或主設(shè)備、主系統(tǒng)服務(wù)。它使儀器儀表成為人類認(rèn)識(shí)世界、改造世界的直接操作工具。儀器儀表、甚至配有儀器儀表的主設(shè)備、主系統(tǒng)的可操作性、可維護(hù)性主要由人機(jī)界面技術(shù)完成。儀器儀表具有一個(gè)美觀、精致、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的人機(jī)界面，常成為人們選用儀器儀表及配有儀器儀表的主設(shè)備、主系統(tǒng)的一個(gè)重要條件。

    人機(jī)友好界面技術(shù)包括顯示技術(shù)、硬拷貝技術(shù)、人機(jī)對(duì)話技術(shù)、故障人工干預(yù)技術(shù)等�？紤]到操作人員從單機(jī)單人向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化情況下的許多不同崗位的操作人員群體發(fā)展、人機(jī)友好界面技術(shù)正向人機(jī)大系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展。此外，隨著儀器儀表的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，識(shí)別特定操作人員、防止非操作人員的介入技術(shù)也日益受到重視。

    ⑤ 可靠性技術(shù)

    隨著儀器儀表和測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，可靠性技術(shù)特別是在一些軍事、航空航天、電力、核工業(yè)設(shè)施，大型工程和工業(yè)生產(chǎn)中起到提高戰(zhàn)斗力和維護(hù)正常工作的重要作用。這些部門(mén)一旦出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因此裝置的可靠性、安全性、可維性、特別是包括受測(cè)控系統(tǒng)在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、安全性、可維性顯得特別重要。像2003年8月15日美國(guó)、加拿大大面積停電的事故，是決不應(yīng)由部分設(shè)備故障而擴(kuò)展造成！

    儀器儀表和測(cè)控系統(tǒng)的可靠性技術(shù)除了測(cè)控裝置和測(cè)控系統(tǒng)自身的可靠性技術(shù)外，同時(shí)還要包括受測(cè)控裝置和系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)的故障處理技術(shù)。測(cè)控裝置和系統(tǒng)可靠性包括故障的自診斷、自隔離技術(shù)，故障自修復(fù)技術(shù)，容錯(cuò)技術(shù)，可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，可靠性制造技術(shù)等。