儀器儀表的分類 發展趨勢及關鍵技術

編者總結：根據發展潮流和我國的現狀，現代儀(yi) 器儀(yi) 表按其應用領域和自身技術特性大致劃分為(wei) 6個(ge) 大類。本文介紹了現代儀(yi) 器儀(yi) 表的發展趨勢及其5個(ge) 特點，根據其趨勢和特點列出了儀(yi) 器儀(yi) 表發展的5個(ge) 關(guan) 鍵技術。

    1、現代儀(yi) 器儀(yi) 表的分類

    根據發展潮流和我國的現狀，現代儀(yi) 器儀(yi) 表按其應用領域和自身技術特性大致劃分為(wei) 6個(ge) 大類，即工業(ye) 自動化儀(yi) 表與(yu) 控製係統、科學儀(yi) 器、電子與(yu) 電工測量、儀(yi) 器、醫療儀(yi) 器、各類儀(yi) 器，傳(chuan) 感器與(yu) 儀(yi) 器儀(yi) 表元器件及材料。工業(ye) 自動化儀(yi) 表與(yu) 控製係統，主要指工業(ye) ，特別是流程產(chan) 業(ye) 生產(chan) 過程中應用的各類檢測儀(yi) 表、執行機構與(yu) 自動控製係統裝置。科學儀(yi) 器主要指應用於(yu) 科學研究、教學實驗、計量測試、環境監測、質量和安全檢查等各個(ge) 方麵的儀(yi) 器儀(yi) 表。電子與(yu) 電工測量儀(yi) 器，主要指低頻、高頻、超高頻、微波等各個(ge) 頻段測試計量和通用儀(yi) 器儀(yi) 表。醫療儀(yi) 器主要指用於(yu) 生命科學研究和臨(lin) 床診斷治療的儀(yi) 器。各類儀(yi) 器指農(nong) 業(ye) 、氣象、水文、地質、海洋、核工業(ye) 、航天等各個(ge) 領域應用的儀(yi) 器。科學儀(yi) 器可以細分為(wei) 14個(ge) 小類，即電子光學儀(yi) 器，離子光學儀(yi) 器，X射線儀(yi) 器，光譜儀(yi) 器，色譜儀(yi) 器，波譜儀(yi) 器，電化學儀(yi) 器，生化分離分析儀(yi) 器，氣體(ti) 分析儀(yi) 器，顯微鏡和成像係統，化學反應及熱分析儀(yi) 器，聲學振動儀(yi) 器，力學性能測試儀(yi) 器（材料試驗機），光電測量儀(yi) 器。其中，發展快，應用廣和市場容量大的是各類光學儀(yi) 器和分析儀(yi) 器。現代儀(yi) 器儀(yi) 表雖然作了大致分類，實際上存在著許多交叉，比如各類儀(yi) 器中許多都是科學儀(yi) 器。

    2、現代儀(yi) 器儀(yi) 表的發展趨勢

    儀(yi) 器儀(yi) 表發展極為(wei) 迅速，僅(jin) 以科學儀(yi) 器中的分析儀(yi) 器為(wei) 例，世界分析儀(yi) 器市場年銷售總額由2000年256億(yi) 美圓到2002年增至316億(yi) 美圓，年增長11%以上，是經濟增長速度的3—4倍。近10幾年來儀(yi) 器儀(yi) 表發展的主要趨勢是：

    數字技術的出現把模擬儀(yi) 器的精度、分辨力與(yu) 測量速度提高了幾個(ge) 量級，為(wei) 實現測試自動化打下了良好的基礎。計算機的引入，使儀(yi) 器的功能發生了質的變化，從(cong) 個(ge) 別參量的測量轉變成測量整個(ge) 係統的特征參數，從(cong) 單純的接受、顯示轉變為(wei) 控製、分析、處理、計算與(yu) 顯示輸出，從(cong) 用單個(ge) 儀(yi) 器進行測量轉變成用測量係統進行測量。計算機技術在儀(yi) 器儀(yi) 表中的進一步滲透，使電子儀(yi) 器在傳(chuan) 統的時域與(yu) 頻域之外，又出現了數據域測試。90年代，儀(yi) 器儀(yi) 表與(yu) 測量科學技術突破性進展是儀(yi) 器儀(yi) 表智能化程度的提高；DSP芯片的大量問世，使儀(yi) 器儀(yi) 表數字信號處理功能大大加強；微型機的發展，使儀(yi) 器儀(yi) 表具有更強的數據處理能力和圖象處理功能；現場總線技術是90年代迅速發展起來的一種用於(yu) 各種現場自動化設備與(yu) 其控製係統的網絡通信技術，Internet和Internet技術也將進入控製領域。現代儀(yi) 器儀(yi) 表產(chan) 品將向著計算機化、網絡化、智能化、多功能化的方向發展，跨學科的綜合設計、高精尖的製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、控製對象的信息。未來10年，而更高程度的智能化應包括理解、推理、判斷與(yu) 分析等一係列功能，是數值、邏輯與(yu) 知識的結合分析結果，智能化的標誌是知識的表達與(yu) 應用。利用物理學的新效應和高新技術及其成就開發新型高靈敏度、高穩定性、強抗幹擾能力傳(chuan) 感器技術和測試儀(yi) 器儀(yi) 表。如：利用高溫超導量子幹涉儀(yi) （SGUID）開發計量測試儀(yi) 器、物理學測試儀(yi) 器、地理和地質學儀(yi) 器、化學分析儀(yi) 器、醫療儀(yi) 器、無損材料檢測儀(yi) 器等。

利用橢偏技術來檢測光纖、光學玻璃等，它與(yu) 近場光學相結合，不僅(jin) 可以測量表麵精細結構，同時根據近場光學反射偏振信息可以分辨出被測物體(ti) 的材料，這是目前實驗研究新探索。將可調諧穩頻激光光譜儀(yi) 技術用於(yu) 高精密的幾何量與(yu) 機械量和多種無形態的量的測量，開發以新一代微型光纖傳(chuan) 導激光幹涉儀(yi) ，它的測量範圍可以從(cong) 納米到幾米或更大的範圍，分辨率可達10mm。它還可用於(yu) 稱重，研製新型電子天平、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(yu) 測試技術研究中十分活躍的課題。分析儀(yi) 器正在經曆一場革命性的變化，傳(chuan) 統的光學、熱學、電化學、色譜、波譜類分析技術都已從(cong) 經典的化學精密機械電子結構、實驗室內(nei) 人工操作應用模式，轉化為(wei) 光、機、電、算（計算機）一體(ti) 化、自動化的結構，並正向更名副其實的智能係統發展（帶有自診斷自控、自調、自行判斷決(jue) 策等高智能功能）。由於(yu) 以信息技術為(wei) 代表高新科學技術的突飛猛進，使科學儀(yi) 器的工作原理，設計思想、設計方法發生了明顯的變化，其關(guan) 鍵技術主要表現為(wei) ：（1）微分析技術即分析儀(yi) 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、微分光光學係統、微傳(chuan) 感器等，應用上述技術的微分析儀(yi) 器如：微流控製芯片、芯片實驗室、微近紅外光譜儀(yi) 等。（2）生物、化學傳(chuan) 感器包括新型傳(chuan) 感技術在分析儀(yi) 器中的應用，將生物芯片技術，新型化學傳(chuan) 感技術，智能傳(chuan) 感器技術應用於(yu) 分析儀(yi) 器的研製。（3）成像技術包括廣義(yi) 成像，納米級超高分辨成像，信息處理等，具體(ti) 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(yi) 器的聯用技術通過信息分離、軟件接口技術，實現多種科學技術間的聯用以實現複雜係統的痕量成份分析、結構分析、形態分析等綜合分析，如：色譜—質譜聯用、色譜—光譜聯用等。多台儀(yi) 器、多個(ge) 實驗室結合的綜合分析管理係統(LIMS,LaboratoryInformationManagementSystem)已經推廣應用；儀(yi) 器可以上網、製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(yi) 器用戶或相同分析工作用戶直接進行數據、情報共享，儀(yi) 器的遠程校準和量值溯源等已指日可待。分析儀(yi) 器在生物、環保、醫學等有關(guan) 人的生存、發展領域的應用日新月異，現代高科技軍(jun) 事方麵的發展也促進了分析技術和分析儀(yi) 器的應用拓展，靈敏、準確的現場毒物檢測、生命保障任務也大大擴大了分析了儀(yi) 器的應用領域。

    根據上述儀(yi) 器儀(yi) 表發展的趨勢，可以十分清楚的看出現代儀(yi) 器儀(yi) 表發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(yi) 器儀(yi) 表在提高檢測控製技術指標上是永遠的追求。以儀(yi) 器儀(yi) 表和測量控製的技術範圍指標來說，如電壓從(cong) 納伏~100萬(wan) 伏；電阻從(cong) 超導至1014Ω；諧波測量到51次；加速度從(cong) 10-4—104g；頻率測量至1010HZ；壓力測量至108Pa；溫度測量從(cong) 接近零度至1010℃等。以提高測量精度指標來說，工業(ye) 參數測量提高至0.02%以上，航天參數測量達到0.05%以上，計量精度和科學儀(yi) 器達到的精度更是與(yu) 時俱進。以提高測量的靈敏度來說更是向單個(ge) 粒子、分子、原子級發展。提高測量速度（響應速度），靜態0.1~0.2ms，動態為(wei) Lμs。提高可靠性，一般要求為(wei) 2~5萬(wan) 小時，高可靠要求25萬(wan) 小時。穩定性（年變化）＜±0.05%（高精度儀(yi) 器）或＜±0.1%（一般儀(yi) 器）。此外還不斷提高產(chan) 品環境適應性。

    ②先應用新的科學研究成果，高新技術大量采用

    現代儀(yi) 器儀(yi) 表作為(wei) 人類認識物質世界、改造物質世界的*手工具，是人類進行科學研究和工程技術開發的基本工具。人類很早就懂得“工欲善其事，必先利其器”的道理，新的科學研究成果和發現如信息論、控製論、係統工程理論，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，網絡技術，激光技術，超導技術，納米技術等均成為(wei) 儀(yi) 器儀(yi) 表和測量控製科學技術發展的重要動力，現代儀(yi) 器儀(yi) 表不僅(jin) 本身已成為(wei) 高技術的新產(chan) 品，而且利用新原理、新概念、新技術、新材料和新工藝等新科技術成果集成的裝置和係統層出不窮。

    ③單個(ge) 裝置微小型化，智能化，可獨立使用，嵌入式使用和聯網使用

    測量控製儀(yi) 器儀(yi) 表大量采用新的傳(chuan) 感器、大規模和超大規模集成電路、計算機及專(zhuan) 家係統等信息技術產(chan) 品，不斷向微小型化、智能化發展，從(cong) 目前出現的“芯片式儀(yi) 器儀(yi) 表”，“芯片實驗室”等看，單個(ge) 裝置的微小型化和智能化將是長期發展趨勢。從(cong) 應用技術看，微小型化和智能化裝置的嵌入式連接和聯網應用技術得到重視。

    ④測控範圍向有關(guan) 工作方式立體(ti) 化、化擴展，測量控製向係統化、網絡化發展

    隨著測量控製儀(yi) 器儀(yi) 表所測控的既定區域不斷向立體(ti) 化、化甚至星球化發展，儀(yi) 器儀(yi) 表和測控裝置已不再呈單個(ge) 裝置形式，它必然向測控裝置係統、網絡化方向發展。例如一個(ge) 大型水電站的測控係統，僅(jin) 檢測大壩安全性的傳(chuan) 感器就達數千個(ge) ，此外各個(ge) 發電機組狀態及水位情況的檢測控製點（I/O測控點）將超過萬(wan) 點，要達到大型水電站的正常發電和送電，必須將各個(ge) 測控點的測控裝置形成網絡化結構，形成一個(ge) 有機的測控網絡係統；又例如衛星測控係統，人造衛星上配置的各種傳(chuan) 感器就達到數千，它首先要將衛星上各種測控裝置構成一個(ge) 完整的自動測控子係統，然後和多個(ge) 地麵站的測控係統構成一個(ge) 廣域測控係統。

    ⑤便攜式、手持式以至個(ge) 性化儀(yi) 器儀(yi) 表大量發展

    隨著生產(chan) 的發展和人民生活水平的提高，人們(men) 對自己的生活質量和健康水平日益關(guan) 注，檢測與(yu) 人們(men) 生活密切相關(guan) 的各類商品、食品質量的儀(yi) 器儀(yi) 表，預防和治療疾病的各種醫療儀(yi) 器是今後發展的一個(ge) 重要趨勢。科學儀(yi) 器的現場、實時在線化，特別是家庭和個(ge) 人使用的健康狀況和疾病警示儀(yi) 器儀(yi) 表將有較大發展。

    3、現代儀(yi) 器儀(yi) 表發展的關(guan) 鍵技術

    從(cong) 現代儀(yi) 器儀(yi) 表科學技術的發展趨勢和特點，可以列出儀(yi) 器儀(yi) 表發展的關(guan) 鍵技術如下。

    ①傳(chuan) 感技術

    傳(chuan) 感技術不僅(jin) 是儀(yi) 器儀(yi) 表實現檢測的基礎，它也是儀(yi) 器儀(yi) 表實現控製的基礎。這不僅(jin) 因為(wei) 控製必須以檢測輸入的信息為(wei) 基礎，並且是由於(yu) 控製達到的精度和狀態，必需感知，否則不明確控製效果的控製仍然是盲目的控製。

    廣義(yi) 而言傳(chuan) 感技術必須感知三方麵的信息，它們(men) 是客觀世界的狀態和信息，被測控係統的狀態和信息以及操作人員需了解的狀態信息和操控指示。在這裏應注意到客觀世界*，測控係統對客觀世界的感知主要集中於(yu) 與(yu) 目標相關(guan) 的客觀環境（簡稱既定目標環境），既定目標環境之外的環境信息可通過其它方法采集。

被測控係統可以是簡單的物或單一的樣本，可以是複雜的無人直接操縱的自動係統，可以是有人（群）在內(nei) 操作的大型自動化係統或社會(hui) 活動係統，也可以是人體(ti) 。以人體(ti) 健康、生理、心理狀態為(wei) 目標的傳(chuan) 感技術是醫療診治儀(yi) 器的基礎和核心。操作人員可以是單人，但在係統化、網絡化的情況下常為(wei) 不同崗位下的操作人員群體(ti) 。

    窄義(yi) 而言，傳(chuan) 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(chuan) 感器分布，微弱信號提取（增強），傳(chuan) 感信息融合，成像等技術；傳(chuan) 感器製造技術，涉及微加工，生物芯片，新工藝等技術。

    ②係統集成技術

    係統集成技術直接影響儀(yi) 器儀(yi) 表和測量控製科學技術的應用廣度和水平，特別是對大工程、大係統、大型裝置的自動化程度和效益有決(jue) 定性影響，它是係統級層次上的信息融合控製技術，包括係統的需求分析和建模技術，物理層配置技術，係統各部份信息通信轉換技術，應用層控製策略實施技術等。在操作人員為(wei) 多種不同崗位的操作群體(ti) 情況下，還包括各級操作人員需求分析技術。

    ③智能控製技術

    智能控製技術是人類以接近好方式，通過測控係統以接近好方式監控智能化工具、裝備、係統達到既定目標的技術，是直接涉及測控係統的效益發揮的技術，是從(cong) 信息技術向知識經濟技術發展的關(guan) 鍵。智能控製技術可以說是測控係統中重要和關(guan) 鍵的軟件資源。從(cong) 目前發展趨勢看，在企業(ye) 信息化ERP/MES/PCS三級結構的計算機測控係統中，軟件的價(jia) 格已超過硬件的3倍。而有關(guan) 石化、冶金、電力、製藥行業(ye) 中自動化測控係統的先進控製軟件價(jia) 格就超過係統硬件價(jia) 格。智能控製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(xi) 技術，環境的自適應技術，好決(jue) 策技術等。

    ④人機界麵技術

    人機界麵技術主要為(wei) 方便儀(yi) 器儀(yi) 表操作人員或配有儀(yi) 器儀(yi) 表的主設備、主係統的操作員操作儀(yi) 器儀(yi) 表或主設備、主係統服務。它使儀(yi) 器儀(yi) 表成為(wei) 人類認識世界、改造世界的直接操作工具。儀(yi) 器儀(yi) 表、甚至配有儀(yi) 器儀(yi) 表的主設備、主係統的可操作性、可維護性主要由人機界麵技術完成。儀(yi) 器儀(yi) 表具有一個(ge) 美觀、精致、操作簡單、維護方便的人機界麵，常成為(wei) 人們(men) 選用儀(yi) 器儀(yi) 表及配有儀(yi) 器儀(yi) 表的主設備、主係統的一個(ge) 重要條件。

    人機友好界麵技術包括顯示技術、硬拷貝技術、人機對話技術、故障人工幹預技術等。考慮到操作人員從(cong) 單機單人向係統化、網絡化情況下的許多不同崗位的操作人員群體(ti) 發展、人機友好界麵技術正向人機大係統技術發展。此外，隨著儀(yi) 器儀(yi) 表的係統化、網絡化發展，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(yi) 器儀(yi) 表和測控係統應用領域的日益擴大，可靠性技術特別是在一些軍(jun) 事、航天、電力、核工業(ye) 設施，大型工程和工業(ye) 生產(chan) 中起到提高戰鬥力和維護正常工作的重要作用。這些部門一旦出現故障，將導致災難性的後果。因此裝置的可靠性、安全性、可維性、特別是包括受測控係統在內(nei) 的整個(ge) 係統的可靠性、安全性、可維性顯得特別重要。像2003年8月15日美國、加拿大大麵積停電的事故，是決(jue) 不應由部分設備故障而擴展造成！

    儀(yi) 器儀(yi) 表和測控係統的可靠性技術除了測控裝置和測控係統自身的可靠性技術外，同時還要包括受測控裝置和係統出現故障時的故障處理技術。測控裝置和係統可靠性包括故障的自診斷、自隔離技術，故障自修複技術，容錯技術，可靠性設計技術，可靠性製造技術等。