儀器儀表的分類 發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)

編者總結(jié)：根據(jù)發(fā)展潮流和我國的現(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個大類。本文介紹了現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展趨勢及其5個特點，根據(jù)其趨勢和特點列出了儀器儀表發(fā)展的5個關(guān)鍵技術(shù)。

    1、現(xiàn)代儀器儀表的分類

    根據(jù)發(fā)展潮流和我國的現(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個大類，即工業(yè)自動化儀表與控制系統(tǒng)、科學(xué)儀器、電子與電工測量、儀器、醫(yī)療儀器、各類儀器，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(yīng)用的各類檢測儀表、執(zhí)行機構(gòu)與自動控制系統(tǒng)裝置?？茖W(xué)儀器主要指應(yīng)用于科學(xué)研究、教學(xué)實驗、計量測試、環(huán)境監(jiān)測、質(zhì)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。各類儀器指農(nóng)業(yè)、氣象、水文、地質(zhì)、海洋、核工業(yè)、航天等各個領(lǐng)域應(yīng)用的儀器。科學(xué)儀器可以細(xì)分為14個小類，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)振動儀器，力學(xué)性能測試儀器（材料試驗機），光電測量儀器。其中，發(fā)展快，應(yīng)用廣和市場容量大的是各類光學(xué)儀器和分析儀器?，F(xiàn)代儀器儀表雖然作了大致分類，實際上存在著許多交叉，比如各類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

    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，是經(jīng)濟增長速度的3—4倍。近10幾年來儀器儀表發(fā)展的主要趨勢是：

    數(shù)字技術(shù)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(chǔ)。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?、處理、計算與顯示輸出，從用單個儀器進(jìn)行測量轉(zhuǎn)變成用測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。計算機技術(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(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(shù)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(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?，F(xiàn)代儀器儀表產(chǎn)品將向著計算機化、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、高精尖的制造技術(shù)使它能更高速、更靈敏、更可靠、更簡捷地獲取被分析、檢測、控制對象的信息。未來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、邏輯與知識的結(jié)合分析結(jié)果，智能化的標(biāo)志是知識的表達(dá)與應(yīng)用。利用物理學(xué)的新效應(yīng)和高新技術(shù)及其成就開發(fā)新型高靈敏度、高穩(wěn)定性、強抗干擾能力傳感器技術(shù)和測試儀器儀表。如：利用高溫超導(dǎo)量子干涉儀（SGUID）開發(fā)計量測試儀器、物理學(xué)測試儀器、地理和地質(zhì)學(xué)儀器、化學(xué)分析儀器、醫(yī)療儀器、無損材料檢測儀器等。

利用橢偏技術(shù)來檢測光纖、光學(xué)玻璃等，它與近場光學(xué)相結(jié)合，不僅可以測量表面精細(xì)結(jié)構(gòu)，同時根據(jù)近場光學(xué)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(shù)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(dǎo)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(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、高分辨率的壓力計等。發(fā)展納米測量技術(shù)，建立納米計量測試標(biāo)準(zhǔn)，這是當(dāng)今在計量與測試技術(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)精密機械電子結(jié)構(gòu)、實驗室內(nèi)人工操作應(yīng)用模式，轉(zhuǎn)化為光、機、電、算（計算機）一體化、自動化的結(jié)構(gòu)，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(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)計思想、設(shè)計方法發(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、芯片實驗室、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)、圖像自動分析及綜合技術(shù)、成像光譜技術(shù)、近場光學(xué)成像技術(shù)。（4）儀器的聯(lián)用技術(shù)通過信息分離、軟件接口技術(shù)，實現(xiàn)多種科學(xué)技術(shù)間的聯(lián)用以實現(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。多臺儀器、多個實驗室結(jié)合的綜合分析管理系統(tǒng)(LIMS,LaboratoryInformationManagementSystem)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)場毒物檢測、生命保障任務(wù)也大大擴大了分析了儀器的應(yīng)用領(lǐng)域。

    根據(jù)上述儀器儀表發(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(shù)指標(biāo)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(shù)指標(biāo)上是永遠(yuǎn)的追求。以儀器儀表和測量控制的技術(shù)范圍指標(biāo)來說，如電壓從納伏~100萬伏；電阻從超導(dǎo)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；溫度測量從接近零度至1010℃等。以提高測量精度指標(biāo)來說，工業(yè)參數(shù)測量提高至0.02%以上，航天參數(shù)測量達(dá)到0.05%以上，計量精度和科學(xué)儀器達(dá)到的精度更是與時俱進(jìn)。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(yīng)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(yīng)性。

    ②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)識物質(zhì)世界、改造物質(zhì)世界的*手工具，是人類進(jìn)行科學(xué)研究和工程技術(shù)開發(fā)的基本工具。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)如微弱信號提取技術(shù)，計算機軟、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量控制科學(xué)技術(shù)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(shù)的新產(chǎn)品，而且利用新原理、新概念、新技術(shù)、新材料和新工藝等新科技術(shù)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(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(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測控范圍向有關(guān)工作方式立體化、化擴展，測量控制向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)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、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(luò)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(dá)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(dá)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(luò)化結(jié)構(gòu)，形成一個有機的測控網(wǎng)絡(luò)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(dá)到數(shù)千，它首先要將衛(wèi)星上各種測控裝置構(gòu)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(gòu)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(zhì)量和健康水平日益關(guān)注，檢測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)展的一個重要趨勢?？茖W(xué)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(guān)鍵技術(shù)

    從現(xiàn)代儀器儀表科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢和特點，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)不僅是儀器儀表實現(xiàn)檢測的基礎(chǔ)，它也是儀器儀表實現(xiàn)控制的基礎(chǔ)。這不僅因為控制必須以檢測輸入的信息為基礎(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*，測控系統(tǒng)對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(fù)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(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，它包括有用被測量敏感技術(shù)，涉及各學(xué)科工作原理、遙感遙測、新材料等技術(shù)；信息融合技術(shù)，涉及傳感器分布，微弱信號提?。ㄔ鰪姡瑐鞲行畔⑷诤?，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量控制科學(xué)技術(shù)的應(yīng)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(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)是人類以接近好方式，通過測控系統(tǒng)以接近好方式監(jiān)控智能化工具、裝備、系統(tǒng)達(dá)到既定目標(biāo)的技術(shù)，是直接涉及測控系統(tǒng)的效益發(fā)揮的技術(shù)，是從信息技術(shù)向知識經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。智能控制技術(shù)可以說是測控系統(tǒng)中重要和關(guān)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(jié)構(gòu)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(guān)石化、冶金、電力、制藥行業(yè)中自動化測控系統(tǒng)的先進(jìn)控制軟件價格就超過系統(tǒng)硬件價格。智能控制技術(shù)包括仿人的特征提取技術(shù)，目標(biāo)自動辨識技術(shù)，知識的自學(xué)習(xí)技術(shù)，環(huán)境的自適應(yīng)技術(shù)，好決策技術(shù)等。

    ④人機界面技術(shù)

    人機界面技術(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)性主要由人機界面技術(shù)完成。儀器儀表具有一個美觀、精致、操作簡單、維護(hù)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(shè)備、主系統(tǒng)的一個重要條件。

    人機友好界面技術(shù)包括顯示技術(shù)、硬拷貝技術(shù)、人機對話技術(shù)、故障人工干預(yù)技術(shù)等?？紤]到操作人員從單機單人向系統(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、人機友好界面技術(shù)正向人機大系統(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)

    隨著儀器儀表和測控系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴大，可靠性技術(shù)特別是在一些軍事、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(yīng)由部分設(shè)備故障而擴展造成！

    儀器儀表和測控系統(tǒng)的可靠性技術(shù)除了測控裝置和測控系統(tǒng)自身的可靠性技術(shù)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(shù)。測控裝置和系統(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)，容錯技術(shù)，可靠性設(shè)計技術(shù)，可靠性制造技術(shù)等。