論電子測(cè)量儀器發(fā)展的新方向

丁心慶

[摘要]隨著信息科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和電子儀器應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,電子測(cè)量儀器正朝著數(shù)字化、智能化、多功能、小型化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和開放型方向發(fā)展。首先對(duì)電子儀器發(fā)展歷史進(jìn)行回顧,介紹電子測(cè)量儀器分類,最后論述電子測(cè)量儀器發(fā)展的新方向。

[關(guān)鍵詞]電子測(cè)量儀器發(fā)展新方向

中圖分類號(hào):TH7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0820023-01

電子測(cè)量儀器是知識(shí)密集、技術(shù)密集、高速發(fā)展中的行業(yè)。由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器中的應(yīng)用,新的測(cè)試?yán)碚摗y(cè)試方法、測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出,在電子、電力、航空、航天、能源、交通、廣播、電視、通信及其信息系統(tǒng)、微電子及電子元器件測(cè)試等方面已沖破了傳統(tǒng)儀器的概念。

一、電子儀器發(fā)展歷史回顧

縱觀電子儀器發(fā)展的歷史,大致經(jīng)歷了從模擬式-數(shù)字式-智能式-程控式的發(fā)展過程。1915年美國首先提出峰值電子電壓表的設(shè)計(jì),1928年商品化。20世紀(jì)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(cè)量速度提高了幾個(gè)量級(jí)。1952年美國NLS公司首先研制出電子管式四位數(shù)字電壓表。20世紀(jì)60年代中期,測(cè)量技術(shù)又一次取得了進(jìn)展,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)別電量的測(cè)量轉(zhuǎn)變成測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)的特征參數(shù),從單純的接收、顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂?、分析、處理、?jì)算與顯示輸出,從用單個(gè)儀器進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)變成用測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。20世紀(jì)70年代,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(Data domain)測(cè)試。20世紀(jì)80年代,由于微處理器被鍵已經(jīng)消失。測(cè)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(gè)控制器上。測(cè)試時(shí),可用豐富的BASIC語言程序來高速測(cè)試,不同于傳統(tǒng)獨(dú)立儀器模式的個(gè)人儀器已經(jīng)得到了發(fā)展。20世紀(jì)90年代,電子儀器與測(cè)量科學(xué)進(jìn)步取得重大的突破性進(jìn)展,這個(gè)進(jìn)展的主要標(biāo)志是電子儀器智能化程度的提高,微電子技術(shù)的進(jìn)步將更深刻地影響電子儀器。

二、電子測(cè)量儀器分類

電子測(cè)量儀器屬于儀器儀表類產(chǎn)品。儀器儀表是用以檢出、測(cè)量、觀察、計(jì)算各種物理量、物質(zhì)成分、物性參數(shù)等的器具或設(shè)備。按照國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類標(biāo)準(zhǔn),儀器儀表大行業(yè)包括儀器儀表及計(jì)量器具等20多個(gè)專業(yè)分類類別,按產(chǎn)品的主要服務(wù)對(duì)象和領(lǐng)域分,又通常把儀器儀表大行業(yè)概括為生產(chǎn)過程測(cè)量控制儀表及系統(tǒng)、科學(xué)測(cè)試儀器、專用儀器儀表、儀表材料和元器件四大類。

在國家制定的儀器設(shè)備專項(xiàng)規(guī)劃中,確定的質(zhì)量效益目標(biāo)是:全面貫徹國際標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量體系認(rèn)證,建立行業(yè)的質(zhì)量體系,加強(qiáng)可靠性技術(shù)研究,提高產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量水平。產(chǎn)品可靠性指標(biāo)MTBF:自動(dòng)化儀表達(dá)到5～10萬小時(shí);電度表達(dá)到25年,過載達(dá)6倍;科學(xué)測(cè)試儀器達(dá)到4000～6000小時(shí)。儀器儀表器件MTBF在108小時(shí)以上,儀器儀表材料產(chǎn)品合格率、一等品和優(yōu)等品分別由目前的85%、70%和30%上升到90%、80%和60%以上。全行業(yè)60%的企業(yè)通過ISO9000質(zhì)量體系認(rèn)證,其中大型企業(yè)(集團(tuán))、重點(diǎn)骨干企業(yè)和高新技術(shù)企業(yè)全部通過質(zhì)量體系認(rèn)證。通過市場(chǎng)競(jìng)爭,形成200個(gè)國產(chǎn)儀器儀表的名牌產(chǎn)品。

三、電子測(cè)量儀器的發(fā)展方向

隨著信息科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和電子儀器應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,電子測(cè)量儀器正朝著數(shù)字化、智能化、多功能、小型化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和開放型方向發(fā)展,而這種演進(jìn)大有越來越快的趨勢(shì)。

(一)電子測(cè)量儀器與計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)等的融合。測(cè)量已成為計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的前所未有的融合,越來越多的儀器選用以Windows軟件和Intel芯片為平臺(tái),采用Windows GUI和基于軍用標(biāo)準(zhǔn)的軟件,同時(shí),觸摸屏被廣泛利用,話音控制可解決雙手同時(shí)被占用時(shí)操作儀器的問題,通過網(wǎng)絡(luò)控制儀器操作,并用基于MS Windows和MS Visual Studio實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化;另外,儀器內(nèi)部的VBA軟件可有效地幫助實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的測(cè)試自動(dòng)化;儀器具備了更加先進(jìn)的連通性,如USB接口,LAN接口,GPIB接口等。

此外,通信測(cè)量儀器水平達(dá)到新的高度。通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度超過了人們的想象,為適應(yīng)通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,國內(nèi)加快發(fā)展通信電子測(cè)量儀器。近幾年我國相關(guān)單位研制完成了無線尋呼檢測(cè)儀、電臺(tái)綜合測(cè)試儀、數(shù)字微波通信測(cè)試儀、誤碼測(cè)試儀、數(shù)字傳輸/數(shù)據(jù)通信分析儀,等等,這些產(chǎn)品都達(dá)到了二十世紀(jì)末國際先進(jìn)水平。

(二)向開放型的VXI、PXI模塊化方向發(fā)展。VXI總線技術(shù)是二十世紀(jì)末出現(xiàn)的一個(gè)新的母線技術(shù)。它首先出現(xiàn)于美國,應(yīng)用于美國空軍電子測(cè)量儀器。VXI總線將VME總線和GPIB結(jié)合起來構(gòu)成一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn),這種模塊式儀器平臺(tái)可以滿足未來儀器應(yīng)用的需要,使電子測(cè)量儀器和系統(tǒng)步入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期VXI總線是一個(gè)新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口母線,是一種完全開放的、適應(yīng)多廠家儀器產(chǎn)品(模塊、插卡式)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其優(yōu)點(diǎn)一是具備便攜性,VXI大大減小了設(shè)備的體積和重量;二是大大提高測(cè)試速度,比GPIB的速度可提高40倍;三是適應(yīng)性、靈活性;四是價(jià)格適中;五是有利于充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用。我國經(jīng)過幾年探索,已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展,有關(guān)研究成果已應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品和用戶當(dāng)中。

(三)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造技術(shù)趨于現(xiàn)代化。國外普遍采用了EDA、SMT、CAM、CDD、CAT等設(shè)計(jì)、制造技術(shù),提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品的制造質(zhì)量,縮短了生產(chǎn)周期。CAD,CAT技術(shù)的普遍采用,以及技術(shù)的“模塊化”,使測(cè)量儀器的研究周期大為縮短,更新?lián)Q代加快。儀器專用集成電路ASIC技術(shù)及表面貼裝技術(shù)的應(yīng)用,使儀器的結(jié)構(gòu)更緊湊、可靠性更高、性能價(jià)格比更好。

(四)電子測(cè)量儀器進(jìn)入虛擬時(shí)代。虛擬儀器的概念在20世紀(jì)80年代最早提出,核心的思想是利用計(jì)算機(jī)資源使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化,降低系統(tǒng)成本,增強(qiáng)系統(tǒng)功能與靈活性。主要功能可由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測(cè)試和分析、結(jié)果輸出顯示等三大部分組成,虛擬儀器目前已經(jīng)成為了行業(yè)的發(fā)展方向,測(cè)試測(cè)量行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入儀器技術(shù)2.0(Instrumentation

2.0)的時(shí)代,借用最近非常紅火的web2.0的概念,突出了用戶對(duì)數(shù)據(jù)的掌控和對(duì)自定義的需求,成為研發(fā)的技術(shù)熱點(diǎn)。第一臺(tái)虛擬儀器在1985年誕生于美國,目前,虛擬儀器產(chǎn)品已占到全世界電測(cè)、電控儀器的10%。預(yù)計(jì)到2010年,虛擬儀器將占到整個(gè)儀器產(chǎn)品的50%。國內(nèi)方面,在我國儀器儀表行業(yè)整體回暖的大環(huán)境下,虛擬儀器也得到發(fā)展,有力打破了國外企業(yè)壟斷的市場(chǎng)局面,促進(jìn)了國內(nèi)儀器行業(yè)的發(fā)展繁榮。

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