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現(xiàn)代儀器儀表:看似配角的主角
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。事實證明,中國科技實力與經(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。
·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(jī)構(gòu)與自動控制系統(tǒng)裝置。
·科學(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專用和通用儀器儀表。
·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。
·各類專用儀器指農(nóng)業(yè)、氣象、水文、地質(zhì)、海洋、核工業(yè)、航空、航天等各個領(lǐng)域應(yīng)用的專用儀器。
·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)哟蔚纳飳W(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,F(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,既是廣大用戶的實際需求和制造廠商間技術(shù)競爭的結(jié)果,也是計算機(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,以及為實現(xiàn)進(jìn)一步的高精度、高性能(特別是多參數(shù)在線實時測控與自動測控)、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量級,為實現(xiàn)測試自動化打下了良好的基礎(chǔ)。計算機(jī)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(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,F(xiàn)代儀器儀表產(chǎn)品將向著計算機(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、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(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):
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)。
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。
③智能控制技術(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。 ④人機(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);诂F(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)實技術(shù)。它是一種由計算機(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、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。
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