仪器仪表的分类发展趋势及关键技术

编者总结：根据国际发展潮流和我国的现状，现代仪器仪表按其应用领域和自身技术特性大致划分为6个大类。本文介绍了现代仪器仪表的发展趋势及其5个特点，根据其趋势和特点列出了仪器仪表发展的5个关键技术。
    1、现代仪器仪表的分类
    根据国际发展潮流和我国的现状，现代仪器仪表按其应用领域和自身技术特性大致划分为6个大类，即工业自动化仪表与控制系统、科学仪器、电子与电工测量、仪器、医疗仪器、各类专用仪器，传感器与仪器仪表元器件及材料。工业自动化仪表与控制系统，主要指工业，特别是流程产业生产过程中应用的各类检测仪表、执行机构与自动控制系统装置。科学仪器主要指应用于科学研究、教学实验、计量测试、环境监测、质量和安全检查等各个方面的仪器仪表。电子与电工测量仪器，主要指低频、高频、超高频、微波等各个频段测试计量专用和通用仪器仪表。医疗仪器主要指用于生命科学研究和临床诊断治疗的仪器。各类专用仪器指农业、气象、水文、地质、海洋、核工业、航空、航天等各个领域应用的专用仪器。科学仪器可以细分为14个小类，即电子光学仪器，离子光学仪器，X射线仪器，光谱仪器，色谱仪器，波谱仪器，电化学仪器，生化分离分析仪器，气体分析仪器，显微镜和成像系统，化学反应及热分析仪器，声学振动仪器，力学性能测试仪器（材料试验机），光电测量仪器。其中，发展最快，应用最广和市场容量最大的是各类光学仪器和分析仪器。现代仪器仪表虽然作了大致分类，实际上存在着许多交叉，比如各类专用仪器中许多都是科学仪器。
    2、现代仪器仪表的发展趋势
    国际仪器仪表发展极为迅速，仅以科学仪器中的分析仪器为例，世界分析仪器市场年销售总额由2000年256亿美圆到2002年增至316亿美圆，年增长11%以上，是全球经济增长速度的3—4倍。近10几年来国际仪器仪表发展的主要趋势是：
    数字技术的出现把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别参量的测量转变成测量整个系统的特征参数，从单纯的接受、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。计算机技术在仪器仪表中的进一步渗透，使电子仪器在传统的时域与频域之外，又出现了数据域测试。90年代，仪器仪表与测量科学技术突破性进展是仪器仪表智能化程度的提高；DSP芯片的大量问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力和图象处理功能；现场总线技术是90年代迅速发展起来的一种用于各种现场自动化设备与其控制系统的网络通信技术，Internet和Internet技术也将进入控制领域。现代仪器仪表产品将向着计算机化、网络化、智能化、多功能化的方向发展，跨学科的综合设计、高精尖的制造技术使它能更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、检测、控制对象的全方位信息。未来10年，而更高程度的智能化应包括理解、推理、判断与分析等一系列功能，是数值、逻辑与知识的结合分析结果，智能化的标志是知识的表达与应用。利用物理学的新效应和高新技术及其成就开发新型高灵敏度、高稳定性、强抗干扰能力传感器技术和测试仪器仪表。如：利用高温超导量子干涉仪（SGUID）开发计量测试仪器、物理学测试仪器、地理和地质学仪器、化学分析仪器、医疗仪器、无损材料检测仪器等。
利用椭偏技术来检测光纤、光学玻璃等，它与近场光学相结合，不仅可以测量表面精细结构，同时根据近场光学反射偏振信息可以分辨出被测物体的材料，这是目前实验研究新探索。将可调谐稳频激光光谱仪技术用于高精密的几何量与机械量和多种无形态的量的测量，开发以新一代微型光纤传导激光干涉仪，它的测量范围可以从纳米到几米或更大的范围，分辨率可达10mm。它还可用于称重，研制新型电子天平、高精度的电子皮带称、高分辨率的压力计等。发展纳米测量技术，建立纳米计量测试标准，这是当今在计量与测试技术研究中十分活跃的课题。分析仪器正在经历一场革命性的变化，传统的光学、热学、电化学、色谱、波谱类分析技术都已从经典的化学精密机械电子结构、实验室内人工操作应用模式，转化为光、机、电、算（计算机）一体化、自动化的结构，并正向更名副其实的智能系统发展（带有自诊断自控、自调、自行判断决策等高智能功能）。由于以信息技术为代表高新科学技术的突飞猛进，使科学仪器的工作原理，设计思想、设计方法发生了明显的变化，其关键技术主要表现为：（1）微分析技术即分析仪器的微型化和微量化，其共性技术有微控技术、微加工技术、微检测技术、微光源、微分光光学系统、微传感器等，应用上述技术的微分析仪器如：微流控制芯片、芯片实验室、微近红外光谱仪等。（2）生物、化学传感器包括新型传感技术在分析仪器中的应用，将生物芯片技术，新型化学传感技术，智能传感器技术应用于分析仪器的研制。（3）成像技术包括广义成像，纳米级超高分辨成像，信息处理等，具体的领域有：核磁共振技术、图像自动分析及综合技术、成像光谱技术、近场光学成像技术。（4）仪器的联用技术通过信息分离、专用软件接口技术，实现多种科学技术间的联用以实现复杂系统的痕量成份分析、结构分析、形态分析等综合分析，如：色谱—质谱联用、色谱—光谱联用等。多台仪器、多个实验室结合的综合分析管理系统(LIMS,LaboratoryInformationManagementSystem)已经推广应用；仪器可以上网、制造厂商进行远距诊断、指导正确使用或提出维修指导，各同类仪器用户或相同分析工作用户直接进行数据、情报共享，仪器的远程校准和量值溯源等已指日可待。分析仪器在生物、环保、医学等有关人的生存、发展领域的应用日新月异，现代高科技军事方面的发展也促进了分析技术和分析仪器的应用拓展，灵敏、准确的现场毒物检测、生命保障任务也大大扩大了分析了仪器的应用领域。
    根据上述仪器仪表国际发展的趋势，可以十分清楚的看出现代仪器仪表发展具有以下主要特点：
    ①技术指标不断提高
    就如奥林匹克运动的口号是更高、更快、更强一样，仪器仪表在提高检测控制技术指标上是永远的追求。以仪器仪表和测量控制的技术范围指标来说，如电压从纳伏~100万伏；电阻从超导至1014Ω；谐波测量到51次；加速度从10-4—104g；频率测量至1010HZ；压力测量至108Pa；温度测量从接近绝对零度至1010℃等。以提高测量精度指标来说，工业参数测量提高至0.02%以上，航空航天参数测量达到0.05%以上，计量精度和科学仪器达到的精度更是与时俱进。以提高测量的灵敏度来说更是向单个粒子、分子、原子级发展。提高测量速度（响应速度），静态0.1~0.2ms，动态为Lμs。提高可靠性，一般要求为2~5万小时，高可靠要求25万小时。稳定性（年变化）＜±0.05%（高精度仪器）或＜±0.1%（一般仪器）。此外还不断提高产品环境适应性。
②最先应用新的科学研究成果，高新技术大量采用
    现代仪器仪表作为人类认识物质世界、改造物质世界的第一手工具，是人类进行科学研究和工程技术开发的最基本工具。人类很早就懂得“工欲善其事，必先利其器”的道理，新的科学研究成果和发现如信息论、控制论、系统工程理论，微观和宏观世界研究成果及大量高新技术如微弱信号提取技术，计算机软、硬件技术，网络技术，激光技术，超导技术，纳米技术等均成为仪器仪表和测量控制科学技术发展的重要动力，现代仪器仪表不仅本身已成为高技术的新产品，而且利用新原理、新概念、新技术、新材料和新工艺等最新科技术成果集成的装置和系统层出不穷。
    ③单个装置微小型化，智能化，可独立使用，嵌入式使用和联网使用
    测量控制仪器仪表大量采用新的传感器、大规模和超大规模集成电路、计算机及专家系统等信息技术产品，不断向微小型化、智能化发展，从目前出现的“芯片式仪器仪表”，“芯片实验室”等看，单个装置的微小型化和智能化将是长期发展趋势。从应用技术看，微小型化和智能化装置的嵌入式连接和联网应用技术得到重视。
    ④测控范围向有关工作方式立体化、全球化扩展，测量控制向系统化、网络化发展
    随着测量控制仪器仪表所测控的既定区域不断向立体化、全球化甚至星球化发展，仪器仪表和测控装置已不再呈单个装置形式，它必然向测控装置系统、网络化方向发展。例如一个大型水电站的测控系统，仅检测大坝安全性的传感器就达数千个，此外各个发电机组状态及水位情况的检测控制点（I/O测控点）将超过万点，要达到大型水电站的正常发电和送电，必须将各个测控点的测控装置形成网络化结构，形成一个有机的测控网络系统；又例如卫星测控系统，人造卫星上配置的各种传感器就达到数千，它首先要将卫星上各种测控装置构成一个完整的自动测控子系统，然后和多个地面站的测控系统构成一个广域测控系统。
    ⑤便携式、手持式以至个性化仪器仪表大量发展
    随着生产的发展和人民生活水平的提高，人们对自己的生活质量和健康水平日益关注，检测与人们生活密切相关的各类商品、食品质量的仪器仪表，预防和治疗疾病的各种医疗仪器是今后发展的一个重要趋势。科学仪器的现场、实时在线化，特别是家庭和个人使用的健康状况和疾病警示仪器仪表将有较大发展。
    3、现代仪器仪表发展的关键技术
    从现代仪器仪表科学技术的发展趋势和特点，可以列出仪器仪表发展的关键技术如下。

    ①传感技术
    传感技术不仅是仪器仪表实现检测的基础，它也是仪器仪表实现控制的基础。这不仅因为控制必须以检测输入的信息为基础，并且是由于控制达到的精度和状态，必需感知，否则不明确控制效果的控制仍然是盲目的控制。
    广义而言传感技术必须感知三方面的信息，它们是客观世界的状态和信息，被测控系统的状态和信息以及操作人员需了解的状态信息和操控指示。在这里应注意到客观世界无穷无尽，测控系统对客观世界的感知主要集中于与目标相关的客观环境（简称既定目标环境），既定目标环境之外的环境信息可通过其它方法采集。
被测控系统可以是简单的物或单一的样本，可以是复杂的无人直接操纵的自动系统，可以是有人（群）在内操作的大型自动化系统或社会活动系统，也可以是人体。以人体健康、生理、心理状态为目标的传感技术是医疗诊治仪器的基础和核心。操作人员可以是单人，但在系统化、网络化的情况下常为不同岗位下的操作人员群体。
    窄义而言，传感技术主要是客观世界有用信息的检测，它包括有用被测量敏感技术，涉及各学科工作原理、遥感遥测、新材料等技术；信息融合技术，涉及传感器分布，微弱信号提取（增强），传感信息融合，成像等技术；传感器制造技术，涉及微加工，生物芯片，新工艺等技术。

    ②系统集成技术
    系统集成技术直接影响仪器仪表和测量控制科学技术的应用广度和水平，特别是对大工程、大系统、大型装置的自动化程度和效益有决定性影响，它是系统级层次上的信息融合控制技术，包括系统的需求分析和建模技术，物理层配置技术，系统各部份信息通信转换技术，应用层控制策略实施技术等。在操作人员为多种不同岗位的操作群体情况下，还包括各级操作人员需求分析技术。

    ③智能控制技术
    智能控制技术是人类以接近最佳方式，通过测控系统以接近最佳方式监控智能化工具、装备、系统达到既定目标的技术，是直接涉及测控系统的效益发挥的技术，是从信息技术向知识经济技术发展的关键。智能控制技术可以说是测控系统中最重要和最关键的软件资源。从目前发展趋势看，在企业信息化ERP/MES/PCS三级结构的计算机测控系统中，软件的价格已超过硬件的3倍。而有关石化、冶金、电力、制药行业中自动化测控系统的先进控制软件价格就超过系统硬件价格。智能控制技术包括仿人的特征提取技术，目标自动辨识技术，知识的自学习技术，环境的自适应技术，最佳决策技术等。

    ④人机界面技术
    人机界面技术主要为方便仪器仪表操作人员或配有仪器仪表的主设备、主系统的操作员操作仪器仪表或主设备、主系统服务。它使仪器仪表成为人类认识世界、改造世界的直接操作工具。仪器仪表、甚至配有仪器仪表的主设备、主系统的可操作性、可维护性主要由人机界面技术完成。仪器仪表具有一个美观、精致、操作简单、维护方便的人机界面，常成为人们选用仪器仪表及配有仪器仪表的主设备、主系统的一个重要条件。
    人机友好界面技术包括显示技术、硬拷贝技术、人机对话技术、故障人工干预技术等。考虑到操作人员从单机单人向系统化、网络化情况下的许多不同岗位的操作人员群体发展、人机友好界面技术正向人机大系统技术发展。此外，随着仪器仪表的系统化、网络化发展，识别特定操作人员、防止非操作人员的介入技术也日益受到重视。

    ⑤可靠性技术
    随着仪器仪表和测控系统应用领域的日益扩大，可靠性技术特别是在一些军事、航空航天、电力、核工业设施，大型工程和工业生产中起到提高战斗力和维护正常工作的重要作用。这些部门一旦出现故障，将导致灾难性的后果。因此装置的可靠性、安全性、可维性、特别是包括受测控系统在内的整个系统的可靠性、安全性、可维性显得特别重要。像2003年8月15日美国、加拿大大面积停电的事故，是决不应由部分设备故障而扩展造成！
    仪器仪表和测控系统的可靠性技术除了测控装置和测控系统自身的可靠性技术外，同时还要包括受测控装置和系统出现故障时的故障处理技术。测控装置和系统可靠性包括故障的自诊断、自隔离技术，故障自修复技术，容错技术，可靠性设计技术，可靠性制造技术等。