現(xiàn)代儀器儀表分類、發(fā)展趨勢及關鍵技術

現(xiàn)代儀器儀表分類、發(fā)展趨勢及關鍵技術

1、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、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)過程中應用的各類檢測儀表、執(zhí)行機構與自動控制系統(tǒng)裝置�？茖W儀器主要指應用于科學研究、教學實驗、計量測試、環(huán)境監(jiān)測、質量和安全檢查等各個方面的儀器儀表。電子與電工測量儀器，主要指低頻、高頻、超高頻、微波等各個頻段測試計量專用和通用儀器儀表。醫(yī)療儀器主要指用于生命科學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、海洋、核工業(yè)、航空、航天等各個領域應用的專用儀器�？茖W儀器可以細分為14個小類，即電子光學儀器，離子光學儀器，X射線儀器，光譜儀器，色譜儀器，波譜儀器，電化學儀器，生化分離分析儀器，氣體分析儀器，顯微鏡和成像系統(tǒng)，化學反應及熱分析儀器，聲學振動儀器，力學性能測試儀器（材料試驗機），光電測量儀器。其中，發(fā)展最快，應用最廣和市場容量最大的是各類光學儀器和分析儀器�，F(xiàn)代儀器儀表雖然作了大致分類，實際上存在著許多交叉，比如各類專用儀器中許多都是科學儀器。

    2、現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展趨勢

    國際儀器儀表發(fā)展極為迅速，僅以科學儀器中的分析儀器為例，世界分析儀器市場年銷售總額由2000年256億美圓到2002年增至316億美圓，年增長11%以上，是全球經(jīng)濟增長速度的3—4倍。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)生了質的變化，從個別參量的測量轉變成測量整個系統(tǒng)的特征參數(shù)，從單純的接受、顯示轉變?yōu)榭刂啤⒎治�、處理、計算與顯示輸出，從用單個儀器進行測量轉變成用測量系統(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�，F(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。它還可用于稱重，研制新型電子天平、高精度的電子皮帶稱、高分辨率的壓力計等。發(fā)展納米測量技術，建立納米計量測試標準，這是當今在計量與測試技術研究中十分活躍的課題。分析儀器正在經(jīng)歷一場革命性的變化，傳統(tǒng)的光學、熱學、電化學、色譜、波譜類分析技術都已從經(jīng)典的化學精密機械電子結構、實驗室內(nèi)人工操作應用模式，轉化為光、機、電、算（計算機）一體化、自動化的結構，并正向更名副其實的智能系統(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）。由于以信息技術為代表高新科學技術的突飛猛進，使科學儀器的工作原理，設計思想、設計方法發(fā)生了明顯的變化，其關鍵技術主要表現(xiàn)為：（1）微分析技術即分析儀器的微型化和微量化，其共性技術有微控技術、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，應用上述技術的微分析儀器如：微流控制芯片、芯片實驗室、微近紅外光譜儀等。（2）生物、化學傳感器包括新型傳感技術在分析儀器中的應用，將生物芯片技術，新型化學傳感技術，智能傳感器技術應用于分析儀器的研制。（3）成像技術包括廣義成像，納米級超高分辨成像，信息處理等，具體的領域有：核磁共振技術、圖像自動分析及綜合技術、成像光譜技術、近場光學成像技術。（4）儀器的聯(lián)用技術通過信息分離、專用軟件接口技術，實現(xiàn)多種科學技術間的聯(lián)用以實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的痕量成份分析、結構分析、形態(tài)分析等綜合分析，如：色譜—質譜聯(lián)用、色譜—光譜聯(lián)用等。多臺儀器、多個實驗室結合的綜合分析管理系統(tǒng)(LIMS, Laboratory Information Management System)已經(jīng)推廣應用；儀器可以上網(wǎng)、制造廠商進行遠距診斷、指導正確使用或提出維修指導，各同類儀器用戶或相同分析工作用戶直接進行數(shù)據(jù)、情報共享，儀器的遠程校準和量值溯源等已指日可待。分析儀器在生物、環(huán)保、醫(yī)學等有關人的生存、發(fā)展領域的應用日新月異，現(xiàn)代高科技軍事方面的發(fā)展也促進了分析技術和分析儀器的應用拓展，靈敏、準確的現(xiàn)場毒物檢測、生命保障任務也大大擴大了分析了儀器的應用領域。

    根據(jù)上述儀器儀表國際發(fā)展的趨勢，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：

    ① 技術指標不斷提高

    就如奧林匹克運動的口號是更高、更快、更強一樣，儀器儀表在提高檢測控制技術指標上是永遠的追求。以儀器儀表和測量控制的技術范圍指標來說，如電壓從納伏~100萬伏；電阻從超導至1014Ω；諧波測量到51次；加速度從10-4—104g；頻率測量至1010HZ；壓力測量至108Pa；溫度測量從接近絕對零度至1010℃等。以提高測量精度指標來說，工業(yè)參數(shù)測量提高至0.02%以上，航空航天參數(shù)測量達到0.05%以上，計量精度和科學儀器達到的精度更是與時俱進。以提高測量的靈敏度來說更是向單個粒子、分子、原子級發(fā)展。提高測量速度（響應速度），靜態(tài)0.1~0.2ms，動態(tài)為Lμs。提高可靠性，一般要求為2~5萬小時，高可靠要求25萬小時。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)境適應性。

    ② 最先應用新的科學研究成果，高新技術大量采用

    現(xiàn)代儀器儀表作為人類認識物質世界、改造物質世界的第一手工具，是人類進行科學研究和工程技術開發(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如微弱信號提取技術，計算機軟、硬件技術，網(wǎng)絡技術，激光技術，超導技術，納米技術等均成為儀器儀表和測量控制科學技術發(fā)展的重要動力，現(xiàn)代儀器儀表不僅本身已成為高技術的新產(chǎn)品，而且利用新原理、新概念、新技術、新材料和新工藝等最新科技術成果集成的裝置和系統(tǒng)層出不窮。

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

    測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、計算機及專家系統(tǒng)等信息技術產(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”，“芯片實驗室”等看，單個裝置的微小型化和智能化將是長期發(fā)展趨勢。從應用技術看，微小型化和智能化裝置的嵌入式連接和聯(lián)網(wǎng)應用技術得到重視。

    ④ 測控范圍向有關工作方式立體化、全球化擴展，測量控制向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化發(fā)展

    隨著測量控制儀器儀表所測控的既定區(qū)域不斷向立體化、全球化甚至星球化發(fā)展，儀器儀表和測控裝置已不再呈單個裝置形式，它必然向測控裝置系統(tǒng)、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。例如一個大型水電站的測控系統(tǒng)，僅檢測大壩安全性的傳感器就達數(shù)千個，此外各個發(fā)電機組狀態(tài)及水位情況的檢測控制點（I/O測控點）將超過萬點，要達到大型水電站的正常發(fā)電和送電，必須將各個測控點的測控裝置形成網(wǎng)絡化結構，形成一個有機的測控網(wǎng)絡系統(tǒng)；又例如衛(wèi)星測控系統(tǒng)，人造衛(wèi)星上配置的各種傳感器就達到數(shù)千，它首先要將衛(wèi)星上各種測控裝置構成一個完整的自動測控子系統(tǒng)，然后和多個地面站的測控系統(tǒng)構成一個廣域測控系統(tǒng)。

    ⑤ 便攜式、手持式以至個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，人們對自己的生活質量和健康水平日益關注，檢測與人們生活密切相關的各類商品、食品質量的儀器儀表，預防和治療疾病的各種醫(yī)療儀器是今后發(fā)展的一個重要趨勢�？茖W儀器的現(xiàn)場、實時在線化，特別是家庭和個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)展的關鍵技術

    從現(xiàn)代儀器儀表科學技術的發(fā)展趨勢和特點，可以列出儀器儀表發(fā)展的關鍵技術如下。

    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。這不僅因為控制必須以檢測輸入的信息為基礎，并且是由于控制達到的精度和狀態(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。在這里應注意到客觀世界無窮無盡，測控系統(tǒng)對客觀世界的感知主要集中于與目標相關的客觀環(huán)境（簡稱既定目標環(huán)境），既定目標環(huán)境之外的環(huán)境信息可通過其它方法采集。被測控系統(tǒng)可以是簡單的物或單一的樣本，可以是復雜的無人直接操縱的自動系統(tǒng)，可以是有人（群）在內(nèi)操作的大型自動化系統(tǒng)或社會活動系統(tǒng)，也可以是人體。以人體健康、生理、心理狀態(tài)為目標的傳感技術是醫(yī)療診治儀器的基礎和核心。操作人員可以是單人，但在系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化的情況下常為不同崗位下的操作人員群體。

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

    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，它是系統(tǒng)級層次上的信息融合控制技術，包括系統(tǒng)的需求分析和建模技術，物理層配置技術，系統(tǒng)各部份信息通信轉換技術，應用層控制策略實施技術等。在操作人員為多種不同崗位的操作群體情況下，還包括各級操作人員需求分析技術。

    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。從目前發(fā)展趨勢看，在企業(yè)信息化ERP/MES/PCS三級結構的計算機測控系統(tǒng)中，軟件的價格已超過硬件的3倍。而有關石化、冶金、電力、制藥行業(yè)中自動化測控系統(tǒng)的先進控制軟件價格就超過系統(tǒng)硬件價格。智能控制技術包括仿人的特征提取技術，目標自動辨識技術，知識的自學習技術，環(huán)境的自適應技術，最佳決策技術等。

    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。它使儀器儀表成為人類認識世界、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備、主系統(tǒng)的可操作性、可維護性主要由人機界面技術完成。儀器儀表具有一個美觀、精致、操作簡單、維護方便的人機界面，常成為人們選用儀器儀表及配有儀器儀表的主設備、主系統(tǒng)的一個重要條件。

    人機友好界面技術包括顯示技術、硬拷貝技術、人機對話技術、故障人工干預技術等�？紤]到操作人員從單機單人向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化情況下的許多不同崗位的操作人員群體發(fā)展、人機友好界面技術正向人機大系統(tǒng)技術發(fā)展。此外，隨著儀器儀表的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化發(fā)展，識別特定操作人員、防止非操作人員的介入技術也日益受到重視。

    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。這些部門一旦出現(xiàn)故障，將導致災難性的后果。因此裝置的可靠性、安全性、可維性、特別是包括受測控系統(tǒng)在內(nèi)的整個系統(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、加拿大大面積停電的事故，是決不應由部分設備故障而擴展造成！

    儀器儀表和測控系統(tǒng)的可靠性技術除了測控裝置和測控系統(tǒng)自身的可靠性技術外，同時還要包括受測控裝置和系統(tǒng)出現(xiàn)故障時的故障處理技術。測控裝置和系統(tǒng)可靠性包括故障的自診斷、自隔離技術，故障自修復技術，容錯技術，可靠性設計技術，可靠性制造技術等。