現代儀器儀表分類(lèi)、發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)

1、現代儀器儀表的分類(lèi)

    根據國際發(fā)展潮流和我國的現狀，現代儀器儀表按其應用領(lǐng)域和自身技術(shù)特性大致劃分為6個(gè)大類(lèi)，即工業(yè)自動(dòng)化儀表與控制系統、科學(xué)儀器、電子與電工測量、儀器、醫療儀器、各類(lèi)專(zhuān)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，主要指工業(yè)，特別是流程產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應用的各類(lèi)檢測儀表、執行機構與自動(dòng)控制系統裝置�？茖W(xué)儀器主要指應用于科學(xué)研究、教學(xué)實(shí)驗、計量測試、環(huán)境監測、質(zhì)量和安全檢查等各個(gè)方面的儀器儀表。電子與電工測量?jì)x器，主要指低頻、高頻、超高頻、微波等各個(gè)頻段測試計量專(zhuān)用和通用儀器儀表。醫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(lèi)專(zhuān)用儀器指農業(yè)、氣象、水文、地質(zhì)、海洋、核工業(yè)、航空、航天等各個(gè)領(lǐng)域應用的專(zhuān)用儀器�？茖W(xué)儀器可以細分為14個(gè)小類(lèi)，即電子光學(xué)儀器，離子光學(xué)儀器，X射線(xiàn)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，化學(xué)反應及熱分析儀器，聲學(xué)振動(dòng)儀器，力學(xué)性能測試儀器（材料試驗機），光電測量?jì)x器。其中，發(fā)展最快，應用最廣和市場(chǎng)容量最大的是各類(lèi)光學(xué)儀器和分析儀器�，F代儀器儀表雖然作了大致分類(lèi)，實(shí)際上存在著(zhù)許多交叉，比如各類(lèi)專(zhuān)用儀器中許多都是科學(xué)儀器。

    2、現代儀器儀表的發(fā)展趨勢

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

    數字技術(shù)的出現把模擬儀器的精度、分辨力與測量速度提高了幾個(gè)量級，為實(shí)現測試自動(dòng)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(zhì)的變化，從個(gè)別參量的測量轉變成測量整個(gè)系統的特征參數，從單純的接受、顯示轉變?yōu)榭刂�、分析、處理、計算與顯示輸出，從用單個(gè)儀器進(jìn)行測量轉變成用測量系統進(jìn)行測量。計算機技術(shù)在儀器儀表中的進(jìn)一步滲透，使電子儀器在傳統的時(shí)域與頻域之外，又出現了數據域測試。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(wèn)世，使儀器儀表數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據處理能力和圖象處理功能；現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是90年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種用于各種現場(chǎng)自動(dòng)化設備與其控制系統的網(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代儀器儀表產(chǎn)品將向著(zhù)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)科的綜合設計、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、控制對象的全方位信息。未來(lái)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(xué)的新效應和高新技術(shù)及其成就開(kāi)發(fā)新型高靈敏度、高穩定性、強抗干擾能力傳感器技術(shù)和測試儀器儀表。如：利用高溫超導量子干涉儀（SGUID）開(kāi)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、醫療儀器、無(wú)損材料檢測儀器等。利用橢偏技術(shù)來(lái)檢測光纖、光學(xué)玻璃等，它與近場(chǎng)光學(xué)相結合，不僅可以測量表面精細結構，同時(shí)根據近場(chǎng)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)驗研究新探索。將可調諧穩頻激光光譜儀技術(shù)用于高精密的幾何量與機械量和多種無(wú)形態(tài)的量的測量，開(kāi)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(chēng)重，研制新型電子天平、高精度的電子皮帶稱(chēng)、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準，這是當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(chǎng)革命性的變化，傳統的光學(xué)、熱學(xué)、電化學(xué)、色譜、波譜類(lèi)分析技術(shù)都已從經(jīng)典的化學(xué)精密機械電子結構、實(shí)驗室內人工操作應用模式，轉化為光、機、電、算（計算機）一體化、自動(dòng)化的結構，并正向更名副其實(shí)的智能系統發(fā)展（帶有自診斷自控、自調、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，設計思想、設計方法發(fā)生了明顯的變化，其關(guān)鍵技術(shù)主要表現為：（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、微傳感器等，應用上述技術(shù)的微分析儀器如：微流控制芯片、芯片實(shí)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(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(zhuān)用軟件接口技術(shù)，實(shí)現多種科學(xué)技術(shù)間的聯(lián)用以實(shí)現復雜系統的痕量成份分析、結構分析、形態(tài)分析等綜合分析，如：色譜—質(zhì)譜聯(lián)用、色譜—光譜聯(lián)用等。多臺儀器、多個(gè)實(shí)驗室結合的綜合分析管理系統(LIMS, Laboratory Information Management System)已經(jīng)推廣應用；儀器可以上網(wǎng)、制造廠(chǎng)商進(jìn)行遠距診斷、指導正確使用或提出維修指導，各同類(lèi)儀器用戶(hù)或相同分析工作用戶(hù)直接進(jìn)行數據、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、醫學(xué)等有關(guān)人的生存、發(fā)展領(lǐng)域的應用日新月異，現代高科技軍事方面的發(fā)展也促進(jìn)了分析技術(shù)和分析儀器的應用拓展，靈敏、準確的現場(chǎng)毒物檢測、生命保障任務(wù)也大大擴大了分析了儀器的應用領(lǐng)域。

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

    ① 技術(shù)指標不斷提高

    就如奧林匹克運動(dòng)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)指標上是永遠的追求。以?xún)x器儀表和測量控制的技術(shù)范圍指標來(lái)說(shuō)，如電壓從納伏~100萬(wàn)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(lái)說(shuō)，工業(yè)參數測量提高至0.02%以上，航空航天參數測量達到0.05%以上，計量精度和科學(xué)儀器達到的精度更是與時(shí)俱進(jìn)。以提高測量的靈敏度來(lái)說(shuō)更是向單個(gè)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(dòng)態(tài)為L(cháng)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(xué)研究成果，高新技術(shù)大量采用

    現代儀器儀表作為人類(lèi)認識物質(zhì)世界、改造物質(zhì)世界的第一手工具，是人類(lèi)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(lèi)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)現如信息論、控制論、系統工程理論，微觀(guān)和宏觀(guān)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(dòng)力，現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層出不窮。

    ③ 單個(gè)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、大規模和超大規模集成電路、計算機及專(zhuān)家系統等信息技術(shù)產(chǎn)品，不斷向微小型化、智能化發(fā)展，從目前出現的“芯片式儀器儀表”，“芯片實(shí)驗室”等看，單個(gè)裝置的微小型化和智能化將是長(cháng)期發(fā)展趨勢。從應用技術(shù)看，微小型化和智能化裝置的嵌入式連接和聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)得到重視。

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

    隨著(zhù)測量控制儀器儀表所測控的既定區域不斷向立體化、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(gè)裝置形式，它必然向測控裝置系統、網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展。例如一個(gè)大型水電站的測控系統，僅檢測大壩安全性的傳感器就達數千個(gè)，此外各個(gè)發(fā)電機組狀態(tài)及水位情況的檢測控制點(diǎn)（I/O測控點(diǎn)）將超過(guò)萬(wàn)點(diǎn)，要達到大型水電站的正常發(fā)電和送電，必須將各個(gè)測控點(diǎn)的測控裝置形成網(wǎng)絡(luò )化結構，形成一個(gè)有機的測控網(wǎng)絡(luò )系統；又例如衛星測控系統，人造衛星上配置的各種傳感器就達到數千，它首先要將衛星上各種測控裝置構成一個(gè)完整的自動(dòng)測控子系統，然后和多個(gè)地面站的測控系統構成一個(gè)廣域測控系統。

    ⑤ 便攜式、手持式以至個(gè)性化儀器儀表大量發(fā)展

    隨著(zhù)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(lèi)商品、食品質(zhì)量的儀器儀表，預防和治療疾病的各種醫療儀器是今后發(fā)展的一個(gè)重要趨勢�？茖W(xué)儀器的現場(chǎng)、實(shí)時(shí)在線(xiàn)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、現代儀器儀表發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

    從現代儀器儀表科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢和特點(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)現檢測的基礎，它也是儀器儀表實(shí)現控制的基礎。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(shù)必須感知三方面的信息，它們是客觀(guān)世界的狀態(tài)和信息，被測控系統的狀態(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(guān)世界無(wú)窮無(wú)盡，測控系統對客觀(guān)世界的感知主要集中于與目標相關(guān)的客觀(guān)環(huán)境（簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)其它方法采集。被測控系統可以是簡(jiǎn)單的物或單一的樣本，可以是復雜的無(wú)人直接操縱的自動(dòng)系統，可以是有人（群）在內操作的大型自動(dòng)化系統或社會(huì )活動(dòng)系統，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(shù)是醫療診治儀器的基礎和核心。操作人員可以是單人，但在系統化、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(guān)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�，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 系統集成技術(shù)

    系統集成技術(shù)直接影響儀器儀表和測量控制科學(xué)技術(shù)的應用廣度和水平，特別是對大工程、大系統、大型裝置的自動(dòng)化程度和效益有決定性影響，它是系統級層次上的信息融合控制技術(shù)，包括系統的需求分析和建模技術(shù)，物理層配置技術(shù)，系統各部份信息通信轉換技術(shù)，應用層控制策略實(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(lèi)以接近最佳方式，通過(guò)測控系統以接近最佳方式監控智能化工具、裝備、系統達到既定目標的技術(shù)，是直接涉及測控系統的效益發(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(shuō)是測控系統中最重要和最關(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三級結構的計算機測控系統中，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)化測控系統的先進(jìn)控制軟件價(jià)格就超過(guò)系統硬件價(jià)格。智能控制技術(shù)包括仿人的特征提取技術(shù)，目標自動(dòng)辨識技術(shù)，知識的自學(xué)習技術(shù)，環(huán)境的自適應技術(shù)，最佳決策技術(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備、主系統的操作員操作儀器儀表或主設備、主系統服務(wù)。它使儀器儀表成為人類(lèi)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、主系統的可操作性、可維護性主要由人機界面技術(shù)完成。儀器儀表具有一個(gè)美觀(guān)、精致、操作簡(jiǎn)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、主系統的一個(gè)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(huà)技術(shù)、故障人工干預技術(shù)等�？紤]到操作人員從單機單人向系統化、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)正向人機大系統技術(shù)發(fā)展。此外，隨著(zhù)儀器儀表的系統化、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(zhù)儀器儀表和測控系統應用領(lǐng)域的日益擴大，可靠性技術(shù)特別是在一些軍事、航空航天、電力、核工業(yè)設施，大型工程和工業(yè)生產(chǎn)中起到提高戰斗力和維護正常工作的重要作用。這些部門(mén)一旦出現故障，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在內的整個(gè)系統的可靠性、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的可靠性技術(shù)除了測控裝置和測控系統自身的可靠性技術(shù)外，同時(shí)還要包括受測控裝置和系統出現故障時(shí)的故障處理技術(shù)。測控裝置和系統可靠性包括故障的自診斷、自隔離技術(shù)，故障自修復技術(shù)，容錯技術(shù)，可靠性設計技術(shù)，可靠性制造技術(shù)等。