國外儀器儀表的發(fā)展趨勢

國外儀器儀表的發(fā)展趨勢

2008-06-11

      綜觀科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)，往往是由于新的觀測手段的發(fā)明而開展起來的。以物理學(xué)諾貝爾獎金獲得者為例，百分之五十的工作是得益于新的儀器或測試手段的發(fā)明創(chuàng)造。儀器儀表也是實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換、存貯、處理和揭示物質(zhì)運動的必備工具，儀器儀表裝備水平在很大程度上反映出一個國家的生產(chǎn)力發(fā)展和現(xiàn)代化水平。

　　一、 儀器儀表發(fā)展概況
　　50年代初期，儀器儀表取得了重大突破，數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)使各種數(shù)字儀器得以問世，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)。

　　60年代中期，測量技術(shù)又一次取得了進(jìn)展，計算機(jī)的引入，使儀器的功能發(fā)生了質(zhì)的變化，從個別電量的測量轉(zhuǎn)變成測量整個系統(tǒng)的特征參數(shù)，從單純的接收、顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂啤⒎治觥⑻幚怼⒂嬎闩c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。

　　70年代，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（Data domain）測試。

　　80年代，由于微處理器被用到儀器中，儀器前面板開始朝鍵盤化方向發(fā)展，過去直觀的用于調(diào)節(jié)時基或幅度的旋轉(zhuǎn)度盤，選擇電壓電流等量程或功能的滑動開關(guān)，通、斷開關(guān)鍵已經(jīng)消失。測量系統(tǒng)的主要模式，是采用機(jī)柜形式，全部通過IEEE-488總線送到一個控制器上。測試時，可用豐富的BASIC語言程序來高速測試。不同于傳統(tǒng)獨立儀器模式的個人儀器（Personal instrument）已經(jīng)得到了發(fā)展。
90年代，儀器儀表與測量科學(xué)進(jìn)一步取得重大的突破性進(jìn)展。這個進(jìn)展的主要標(biāo)志是儀器儀表智能化程度的提高。突出表現(xiàn)在以下幾個方面。

1． 微電子技術(shù)的進(jìn)步將更深刻地影響儀器儀表的設(shè)計；
2． 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)；
3． 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；
4． 圖像處理功能的增加十分普遍；
5． VXI總線得到廣泛的應(yīng)用。

　　二、 國外儀器儀表發(fā)展特點

　　1． 新技術(shù)的應(yīng)用

　　目前普遍采用EDA（電子設(shè)計自動化）、CAM（計算機(jī)輔助制造）、CAT（計算機(jī)輔助測試）、DSP（數(shù)字信號處理）、ASIC（專用集成電路）及SMT（表面貼裝技術(shù)）等。

　　2． 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化

　　注重性能價格比。在重視高檔儀器開發(fā)的同時，注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)。

　　注重系統(tǒng)集成，不僅著眼于單機(jī)，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟化，隨著各類儀器裝上了CPU，實現(xiàn)了數(shù)字化后，軟件上投入了巨大的人力、財力。今后的儀器歸納成一個簡單的公式：儀器=AD/DA+CPU+軟件，AD芯片將模擬信號變成數(shù)字信號，再經(jīng)過軟件處理變換后用DA輸出。
3． 產(chǎn)品開發(fā)準(zhǔn)則發(fā)生了變化

　　從技術(shù)驅(qū)動轉(zhuǎn)為市場驅(qū)動，從一味追求高精尖轉(zhuǎn)為"恰到好處"。開發(fā)一項成功產(chǎn)品的準(zhǔn)則是，用戶有明確的需求；能用最短的開發(fā)時間投放市場；功能與性能要恰到好處；產(chǎn)品開發(fā)準(zhǔn)則的另一變化是收縮方向，集中優(yōu)勢。

　　4． 生產(chǎn)技術(shù)注重專業(yè)生產(chǎn)，不搞大而全

　　生產(chǎn)過程采用自動測試系統(tǒng)。目前多以GP-IB儀器組建自動測試系統(tǒng)。生產(chǎn)線上盡是一個個大的測試柜，快速地進(jìn)行自動測試、統(tǒng)計、分析、打印出結(jié)果。

　　三、 國外儀器儀表發(fā)展趨勢
　　1． 自動化儀表的發(fā)展趨勢

　　工業(yè)自動化控制儀表主要包括變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥等設(shè)備，，控制儀表從基地式調(diào)節(jié)器（變送、指示、調(diào)節(jié)一體化的儀表）開始，經(jīng)歷了氣動、電動單元組合儀表到計算機(jī)控制系統(tǒng)（DDC），直至今日的分散控制系統(tǒng)DCS。DCS已經(jīng)走過了20多年的里程，DCS以其高度的可靠性、強(qiáng)大而易于擴(kuò)充的功能、漂亮的圖形界面、方便的組態(tài)軟件、豐富的控制算法、開放的聯(lián)網(wǎng)能力等優(yōu)點，得到迅速的發(fā)展，成為計算機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)的主流。PLC以其結(jié)構(gòu)緊湊、功能簡單、速度快、可靠性高、價格低等優(yōu)點，迅速獲得廣泛應(yīng)用，已成為與DCS并駕齊驅(qū)的另一種主流工業(yè)控制系統(tǒng)。目前以PLC為基礎(chǔ)的DCS發(fā)展很快，PLC與DCS相互滲透、相互融合、相互競爭，已成為當(dāng)前工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

　　（1） 開放化

　　開放化及小型化（Down Sizing）、顧客服務(wù)系統(tǒng)等新的、關(guān)鍵技術(shù)已進(jìn)入自動化行業(yè)，與以往DCS相對應(yīng)的PC機(jī)控制系統(tǒng)也已經(jīng)出現(xiàn)。近幾年PC機(jī)及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，將對今后產(chǎn)生重大影響。開放化潮流的背景，有下述兩方面：

　　a． 大量生產(chǎn)的PC機(jī)，已在企業(yè)和家庭中廣泛作為信息設(shè)備。

　　b． 控制系統(tǒng)的范圍逐漸擴(kuò)大，用戶希望自選設(shè)備，并能簡單方便地把它們相互連接起來，進(jìn)行統(tǒng)一管理。

　　（2） 提供新的服務(wù)

　　a． 系統(tǒng)集成SI（System Integrator）

　　開放化通過多賣方技術(shù)設(shè)備的綜合，建立系統(tǒng)，這就需要高效運行的控制系統(tǒng)集成業(yè)務(wù)，根據(jù)用戶對象，熟悉系統(tǒng)中各種自動化儀表，選擇最佳設(shè)備。今后的趨勢是由專門的SI部門來代替用戶組成系統(tǒng)。

　　b. 系統(tǒng)維修

　　用通用信息處理設(shè)備組成的控制系統(tǒng)，當(dāng)故障出現(xiàn)時，判別哪臺設(shè)備出故障是非常困難的，儀表制造廠不僅要對自己的產(chǎn)品，還必須對在系統(tǒng)中的通用信息處理設(shè)備提供一定程度的綜合維修服務(wù)。

　　DCS經(jīng)歷了初創(chuàng)（1975-1980）、成熟（1980-1985）、擴(kuò)展（1985以后）幾個發(fā)展時期，在控制功能完善、信息處理能力、速度及組態(tài)軟件等方面取得了令人矚目的成就，已經(jīng)成為計算機(jī)控制系統(tǒng)的主流。當(dāng)今幾乎每個發(fā)達(dá)國家都生產(chǎn)自己的DCS，生產(chǎn)廠家一百多家，已銷售幾萬臺套。主要生產(chǎn)廠家集中在美國、日本、德國等多家公司，如美國的霍尼韋爾（Honeywell），TDC300、TDC3000X、S9000；Foxboro,I/AS;Westing House,WDPF;ABB,MOD300; 日本橫河（Yokoyawa）,CENUM,Μxl; 日立HIACS3000、5000；德國的西門子（Siemens）,TelenermM、SIPAOS200；加拿大貝萊（BAILEY），N90。
目前世界上約有200家PLC生產(chǎn)廠家，目前占控制市場份額30%。主要生產(chǎn)廠家有美國的AB公司，莫迪康公司、GE公司、德國的西門子公司、法國的Teleme Cangue公司、日本的歐姆龍公司、三菱電機(jī)公司。PLC將與IPC、DCS集成，PLC逐漸成為占自動化裝置及過程控制系統(tǒng)最大市場份額的產(chǎn)品。據(jù)美國專家預(yù)測，到2000年PLC占控制市場份額將超過50%。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)是九十年代迅速發(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)，是一種用于各種現(xiàn)場儀表（包括變送器、執(zhí)行器、記錄儀、單回路調(diào)節(jié)器、可編程序控制器、流程分析器等）與基于計算機(jī)的控制系統(tǒng)之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。有人預(yù)測：基于現(xiàn)場總線的FCS（Fieidbus Control System）將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角，Internet和Intranet技術(shù)也將進(jìn)入控制領(lǐng)域，計算機(jī)自動化系統(tǒng)滲透到企業(yè)從生產(chǎn)到管理、直到經(jīng)營的方方面面。

　　（3） 自動化產(chǎn)品市場需求將快速增長

　　全球的自動化產(chǎn)品市場銷售額預(yù)測如下：全球的過程自動化產(chǎn)品市場銷售額，在1996年達(dá)461億美元，到2001年將半長到559億美元，預(yù)計在2006年將達(dá)到700億美元。從1996年到2001年間的年平均增長率為3.9%，而從2001年到2006年年平均增長率將達(dá)到4.6%，以不變價格計算，則2006年的銷售額為761億美元。主要應(yīng)用于玻璃、陶瓷、鋼鐵和有色金屬工業(yè)、軋鋼和鋁板材工業(yè)、化學(xué)、食品和制藥業(yè)、石化工業(yè)、紙漿和造紙業(yè)、環(huán)保、礦山、石油和天燃?xì)夤I(yè)等。

　　在1996年的自動化產(chǎn)品，系統(tǒng)和維修的461億美元中，有406億美元是屬于自動化工程項目方面，有54億美元是用于操作方面。測量和自動化技術(shù)作為新的投資，在工廠現(xiàn)代化投資中將增長2-3倍。到2006年全球過程自動化產(chǎn)品的市場需求情況為：礦山工業(yè)為70億美元、原材料工業(yè)為90億美元、過程工業(yè)為360億美元、電站為110億美元、環(huán)保工業(yè)為70億美元。就全球地區(qū)而言，北美占27.2%、西歐占26%、亞非（不包括日本）占21.1%、日本占12.3%、東歐占4.7%、南美占4.9%，其它地區(qū)占3.7%，從中看出亞非地區(qū)的市場發(fā)展前景最好。

　　2． 科學(xué)儀器

　　科學(xué)儀器含光學(xué)儀器和分析析器

　　A． 光學(xué)儀器

　　光學(xué)儀器是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源勘探、空間探索、科學(xué)實驗、國防建設(shè)以及社會生活各個領(lǐng)域不可缺少的觀察、測試、分析、控制、記錄和傳遞和工具。特別是現(xiàn)代光學(xué)儀器的功能已成為人腦神經(jīng)功能的延伸和拓展。

　　集成電路生產(chǎn)所用制造設(shè)備品種的40%、數(shù)量的60%都是光學(xué)設(shè)備，而檢驗儀器所占比重就更大。計量工作約有90%屬幾何尺寸測量 ，其中主要用光學(xué)計量儀器來完成。過去在計量室測量一個凸輪需要數(shù)小時；現(xiàn)在在車間生產(chǎn)現(xiàn)場，用計算機(jī)控制的三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量只需10分鐘。軋鋼生產(chǎn)現(xiàn)場條件極其惡劣，被測件溫度超過1000℃。運動速度為數(shù)米每秒，并伴有振動、高溫、氧化層飛濺、冷卻水霧彌漫和強(qiáng)電磁干擾，但是利用CCD光電在線測徑系統(tǒng)在軋鋼生產(chǎn)中進(jìn)行在線尺寸檢測，控制了生產(chǎn)流程，就能保證產(chǎn)品高質(zhì)量和生產(chǎn)高效率。
光學(xué)遙感儀器幫助人類解決面臨的能源、糧食、氣象預(yù)報、環(huán)境監(jiān)測等方面的重大問題。在15號阿波羅飛船上裝載的光學(xué)遙感儀器就有近十種。美國在70年代先后發(fā)射三顆陸地衛(wèi)星，化費2.5億美元，但所獲經(jīng)濟(jì)效益大得多，其中僅用遙感儀器監(jiān)視洪水、探測農(nóng)作物病蟲害、改進(jìn)油田勘探以及糧食估產(chǎn)等幾項，每年的經(jīng)濟(jì)收益估計就達(dá)15億美元以上。

　　由于光電系統(tǒng)具有光學(xué)和電子兩方面的技術(shù)優(yōu)勢，從而能滿足生產(chǎn)過程中的自動監(jiān)控以及圖象分析、精密測量、信息處理和偉輸、微觀觀察、記錄、顯示、傳遞和儲存；利用光電轉(zhuǎn)換能在太空、深水、高溫、有毒有害氣體、核輻射等各種特殊環(huán)境下正常地工作。因此光機(jī)電一體化的現(xiàn)代光學(xué)儀器或光電儀器設(shè)備應(yīng)用十分廣泛。

　　現(xiàn)代光學(xué)儀器的發(fā)展趨勢

　　隨著光學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的全球性調(diào)整，主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)品，使傳統(tǒng)的光學(xué)儀器已向現(xiàn)代光學(xué)儀器轉(zhuǎn)變。美日德等國為了發(fā)展現(xiàn)代化的光學(xué)儀器工業(yè)，大力開發(fā)和應(yīng)用各種新技術(shù)、新器件、新材料、新原理，系統(tǒng)地應(yīng)用光機(jī)電算綜合技術(shù)，以最快的速度開發(fā)新穎的高附加值產(chǎn)品投入市場。使光學(xué)儀器向產(chǎn)業(yè)高技術(shù)化、產(chǎn)品高附加值化和智能化、企業(yè)集團(tuán)化和國際化、制造技術(shù)柔性化方向發(fā)展。

　　現(xiàn)代光學(xué)儀器的特征

　　（1） 現(xiàn)代光學(xué)儀器沖破了傳統(tǒng)現(xiàn)論（以幾何光學(xué)或物理光學(xué)為基礎(chǔ)）的束縛，光學(xué)技術(shù)同其它學(xué)科和技術(shù)不斷融化、滲透，派生出新的學(xué)科分支，形成許多交叉發(fā)展的領(lǐng)域，打破了長期來光學(xué)的傳統(tǒng)應(yīng)用范圍。如以傅里葉變換原理為基礎(chǔ)的各類傅里葉變換光譜儀；基于光聲效應(yīng)的激光光聲光譜儀；利用激光開拓新的測量原理、方法，使眾多的激光計量檢測儀器問世，激光技術(shù)與傳統(tǒng)的顯微鏡相結(jié)合，開發(fā)出激光掃描顯微鏡系列產(chǎn)品；得用光電轉(zhuǎn)換原理生產(chǎn)了一大批新穎的光電儀器。許多新技術(shù)如激光、紅外、光纖、光信息處理、微光學(xué)等得到開發(fā)應(yīng)用。

　　（2） 在結(jié)構(gòu)上打破了以光學(xué)和機(jī)械為主體的基本框架，集光學(xué)、機(jī)械、電子、計算機(jī)于一體，電子技術(shù)、計算機(jī)及其軟件成為儀器不可分割的重要組成部分。

　　（3） 擺脫了傳統(tǒng)光學(xué)儀器離不開人的操作和觀測的經(jīng)典模式，操作、檢測、數(shù)據(jù)處理和信息傳遞實現(xiàn)自動化，工作效率、文憑性和可靠性是傳統(tǒng)光學(xué)儀器無可比擬的。

　　（4） 在設(shè)計方法上日益采用計算機(jī)輔助設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計和"三化"設(shè)計。整個系列產(chǎn)品品種之間零部件通用性強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，標(biāo)準(zhǔn)件多，因而使儀器成本下降，質(zhì)量提高。
（5） 現(xiàn)代光學(xué)儀器的質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)更全面、更嚴(yán)格。過去，評價傳統(tǒng)光學(xué)儀器的質(zhì)量，主要著眼于功能指標(biāo)，即儀器的使用范圍、精度等級、靈敏度、重復(fù)性、穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)特性等。如今較全面地客觀評價現(xiàn)代光學(xué)儀器的質(zhì)量指標(biāo)、可靠性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性、人機(jī)學(xué)指標(biāo)、美學(xué)指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)化及專利權(quán)指標(biāo)等八個方面。

　　發(fā)展趨勢

　　從傳統(tǒng)光學(xué)儀器轉(zhuǎn)變現(xiàn)代光學(xué)儀器，關(guān)鍵在于計算機(jī)化，而微電子技術(shù)是基礎(chǔ)。光譜儀器發(fā)展最快，發(fā)達(dá)國家80年代已實現(xiàn)微機(jī)化，現(xiàn)已向聯(lián)用技術(shù)、全自動化（如內(nèi)裝機(jī)械手等機(jī)器人系統(tǒng)，實現(xiàn)無人操作），實驗室信息管理系統(tǒng)自動化及智能化方向發(fā)展。光學(xué)計量儀器從大型精密儀器--三坐標(biāo)測量機(jī)到傳統(tǒng)的自準(zhǔn)直儀和投影儀都已實現(xiàn)微機(jī)化、光電化；激光技術(shù)的結(jié)合和CCD等光電器件的引入，更為快速、準(zhǔn)確、可靠的在線檢測和監(jiān)控創(chuàng)造了條件。

　　在未來10年，由于高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將進(jìn)一步推動光學(xué)儀器實現(xiàn)光機(jī)電算一體化和智能化。現(xiàn)今的智能化儀器更確切地應(yīng)稱為"微機(jī)化"儀器。而更高程度的智能化是信息技術(shù)的最高層次，應(yīng)包括理解、推理、判斷與分析等一系列功能，是數(shù)值、邏輯與知識的綜合分析結(jié)果，智能化的標(biāo)志是知識的表達(dá)與應(yīng)用。電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和光電器件的不斷發(fā)展和功能的完善，為儀器向更高檔次的智能發(fā)展創(chuàng)造了條件。

　　未來10年，光和電的滲透會進(jìn)一步強(qiáng)化，更多的新技術(shù)、新器件推廣應(yīng)用，因而在光機(jī)電算一體化的基礎(chǔ)上熔入不同原理，派生出新用途的產(chǎn)品，以滿足各領(lǐng)域日益增長的需求。具有優(yōu)異性能的光電器件和功能材料的開和應(yīng)用，將加速現(xiàn)代光學(xué)儀器的發(fā)展。如CCD器件、半導(dǎo)體激光器、光纖傳感器等制造技術(shù)趨于成熟，實際應(yīng)用已獲突破，顯示了廣泛的應(yīng)用前景。它必將使光學(xué)儀器領(lǐng)域發(fā)生重要變革，推動產(chǎn)品向小型化、高分辨、光電化和自動化發(fā)展。

　　光學(xué)計量儀器

　　· 未來的光學(xué)計量儀器儀表必須簡化設(shè)計，大量壓縮零部件，提高智能化和便于操作，發(fā)展在線計量測試儀器儀表

　　· 利用物理學(xué)的新效應(yīng)和高新技術(shù)及其成就開發(fā)新型計量測試儀器儀表和新型高靈敏度、高穩(wěn)定性、強(qiáng)抗干擾能力的新型傳感器技術(shù)如：

　　――利用高溫超導(dǎo)量子干涉器（SGUID）開發(fā)計量測試儀器、物理學(xué)測試儀器、地學(xué)和地質(zhì)學(xué)儀器、化學(xué)分析儀器、醫(yī)學(xué)儀器幫無損材料檢驗儀器等。
　　――利用橢偏技術(shù)來檢測光纖、光學(xué)玻璃等，這是大家所共知的。但它與近場光學(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。這是目前實驗研究的新探索。