現(xiàn)代儀器儀表：看似配角的主角

編者語： 現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展在工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中占有至關(guān)重要的地位，我們需要關(guān)注儀器儀表的發(fā)展。“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(shí)證明，中國科技實(shí)力與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的‘咽喉’，部分地被卡在儀器儀表這一關(guān)上�！�

　　“科學(xué)是從測量開始的。”著名科學(xué)家門捷列夫這樣說。 

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)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(xué)科，并在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展中發(fā)揮著日益重要的作用。專家總結(jié)其作用稱：儀器儀表是科學(xué)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(shí)證明，中國科技實(shí)力與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的‘咽喉’，部分地被卡在儀器儀表這一關(guān)上�！�

　　現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展在工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中占有至關(guān)重要的地位，我們需要關(guān)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(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)自動化儀表與控制系統(tǒng)、科學(xué)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。

　　我國儀器儀表業(yè)將發(fā)生新的重大轉(zhuǎn)折：隨著科學(xué)技術(shù)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(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、高密封技術(shù)、特種加工技術(shù)、集成技術(shù)、薄膜技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、納米技術(shù)、激光技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和生物技術(shù)等高新技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。近10年來，由于包括納米級的精密機(jī)械研究成果、分子層次的現(xiàn)代化學(xué)研究成果、基因?qū)哟蔚纳�物學(xué)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(luò)技術(shù)推廣應(yīng)用成果等在內(nèi)的一大批當(dāng)代最新技術(shù)成果的競相問世，使得儀器儀表領(lǐng)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(jì)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(jī)遇。目前現(xiàn)場總線已成為全球自動化技術(shù)的熱點(diǎn)。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(shí)際需求和制造廠商間技術(shù)競爭的結(jié)果，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域相結(jié)合的產(chǎn)物和產(chǎn)品升級，以及為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的高精度、高性能（特別是多參數(shù)在線實(shí)時(shí)測控與自動測控）、高穩(wěn)定、高可靠、高適應(yīng)性，多功能、低消耗等提供了巨大動力和發(fā)展空間。

　　應(yīng)用領(lǐng)域，特別是非傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)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”�？v觀歷史，剖析現(xiàn)狀，展望未來，可以提出如下結(jié)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(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(gè)量級，為實(shí)現(xiàn)測試自動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)別參量的測量轉(zhuǎn)變成測量整個(gè)系統(tǒng)的特征參數(shù)，從單純的接受、顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂啤⒎治�、處理、�?jì)算與顯示輸出，從用單個(gè)儀器進(jìn)行測量轉(zhuǎn)變成用測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。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(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。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(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(qiáng)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(jì)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(shí)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(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。

　　現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)：

　�、賯鞲屑夹g(shù):傳感技術(shù)不僅是儀器儀表實(shí)現(xiàn)檢測的基礎(chǔ)，它也是儀器儀表實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)。

　�、谙到y(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。

　�、壑悄芸刂萍夹g(shù):智能控制技術(shù)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(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(jì)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)中最重要和最關(guān)鍵的軟件資源。

　�、苋藱C(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)。

　　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(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。

　　現(xiàn)代儀器儀表產(chǎn)品技術(shù)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(shù)為核心技術(shù)，以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)、通信、圖像顯示、自動控制理論為共性關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。這些信息技術(shù)應(yīng)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(lǐng)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(luò)化和虛擬化方向迅速邁進(jìn)。

　　微型化：儀器儀表產(chǎn)品微型化主要?dú)w結(jié)于超大規(guī)模集成（VLSI）新器件、微機(jī)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(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，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?dú)w結(jié)于微處理器和人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)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(jìn)的混合信號電路、ASIC電路、元件及開發(fā)工具等提供整個(gè)應(yīng)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(dá)到0.075μm。到2010年，DSP芯片的集成度將會提高11倍，單個(gè)芯片上將會集成5億只晶體管。

　　網(wǎng)絡(luò)化：由于測量設(shè)備自動化、智能化水平的提高，多臺儀器聯(lián)網(wǎng)已推廣應(yīng)用，虛擬儀器、三維多媒體等新技術(shù)開始實(shí)用化。儀器儀表產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化主要?dú)w結(jié)于現(xiàn)場總線技術(shù)�；�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(shù)也進(jìn)入控制領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)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(shí)完成如儀器故障診斷、指導(dǎo)用戶維修或交換新儀器改進(jìn)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(luò)化智能化測量設(shè)備，如美國P&SDataCom（Microchip）公司通過多年對智能設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)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(luò)通訊控制器芯片－－WebChipTM，并提供了一種簡單、低價(jià)格、完整的智能設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接方案。

　　虛擬化：儀器儀表產(chǎn)品虛擬化主要?dú)w結(jié)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。它是一種由計(jì)算機(jī)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(yàn)、接受和認(rèn)識客觀世界中的客觀事物，深化概念和建造新的構(gòu)想和創(chuàng)意。