智能儀器儀表發(fā)展的主要技術(shù)與展望

冉啟楓 丁亮 蘇成勇 陳賦文 向均浩

摘? 要：高新技術(shù)的快速發(fā)展為科學(xué)研究和應(yīng)用提供了新的途徑，對(duì)儀器儀表的要求也越來(lái)越高，不斷推動(dòng)儀器儀表行業(yè)的科技發(fā)展。智能儀器儀表廣泛應(yīng)用于環(huán)保，交通，醫(yī)藥，通訊等各個(gè)行業(yè)。文章分析了促進(jìn)智能儀表發(fā)展的主要技術(shù)，并展望了儀器儀表的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：儀器儀表;智能化;基礎(chǔ)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP216? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）25-0149-02

Abstract： The rapid development of high technology provides a new way for scientific research and application， and the requirements for instrumentation are getting higher and higher， and the technological development of the instrumentation industry is continuously promoted. Intelligent instrumentation is widely used in various industries such as environmental protection， transportation， medicine， and communication. This paper analyzes the main technologies that promote the development of smart meters， and looks forward to the future development trend and application prospects of instrumentation.

Keywords： instrumentation; intelligent; basic technology

在“模擬儀器”，“分離儀器”和“數(shù)字儀器”之后，儀器技術(shù)進(jìn)入了“智能儀器”和“虛擬儀器”階段。儀器不再是簡(jiǎn)單的硬件實(shí)體，而是儀器和微處理器的結(jié)合，結(jié)合了硬件和軟件。智能儀器儀表的發(fā)展，使得儀器儀表在測(cè)量參數(shù)的同時(shí)，還能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的分析與控制，獲得實(shí)時(shí)最優(yōu)控制，自適應(yīng)功能，網(wǎng)絡(luò)智能電表，以及網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢(shì)，為測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的普遍建立和廣泛應(yīng)用鋪平了道路。儀器的虛擬化使得具有相同結(jié)構(gòu)的儀器更加靈活和可重新配置。同時(shí)提高了性能、減少了成本。學(xué)習(xí)儀器儀表的相關(guān)知識(shí)，就能更好的幫助我們了解測(cè)量與控制的過(guò)程。

1 智能儀器儀表技術(shù)的構(gòu)成

1.1 傳感器技術(shù)

儀器的基本功能是收集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行初步處理。其技術(shù)的關(guān)鍵是與數(shù)據(jù)輸入密不可分，因此傳感器技術(shù)是儀器技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著儀器技術(shù)的發(fā)展，要求具有小尺寸，低成本，高可靠性，同時(shí)滿足低功耗特性。這更多地取決于MEMS技術(shù)的發(fā)展。以提高系統(tǒng)的效率和可靠性，它具有以下一些特點(diǎn)：

小型化是MEMS器件最顯著的特征，它們體積小，通常在毫米到微米范圍內(nèi)，最小器件尺寸為幾微米或更小。微電子和微機(jī)械技術(shù)的結(jié)合將儀器帶入了一個(gè)全新的領(lǐng)域，小型化儀器，也可以完成信號(hào)的采集和處理。

多樣化，目前為止，在世界范圍內(nèi)，從事MEMS的研制和生產(chǎn)工作的企業(yè)數(shù)量已經(jīng)超過(guò)數(shù)千家，其中不乏一些世界500強(qiáng)企業(yè)。所研制出來(lái)的產(chǎn)品涉及到從工程應(yīng)用到商業(yè)應(yīng)用中的各行各業(yè)，例如微型壓力傳感器、創(chuàng)新產(chǎn)品，如加速度計(jì)，微型噴墨打印頭和數(shù)字顯微鏡顯示器。不光是產(chǎn)品類型的多樣化，儀器儀表的功能也呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)，以多功能的函數(shù)發(fā)生器為例，脈沖發(fā)生器，頻率合成器和任意波形發(fā)生器等功能集成在一臺(tái)儀器中，使應(yīng)用更加方便。在測(cè)試功能上也提供了更好的方案。

使用MEMS技術(shù)的集成化特性可以集成具有不同功能敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或致動(dòng)器。形成微傳感器陣列或微致動(dòng)器陣列甚至微系統(tǒng)。

1.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)

為了滿足數(shù)字系統(tǒng)的發(fā)展要求，A/D轉(zhuǎn)換器的性能也必須不斷提高。轉(zhuǎn)化速度的加快與轉(zhuǎn)換精度的提高已經(jīng)成為了數(shù)模轉(zhuǎn)化技術(shù)所著重發(fā)展的方向。

高轉(zhuǎn)換速度對(duì)于當(dāng)今日益現(xiàn)代化的數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度是必不可少的，并且它們還需要不斷提高的數(shù)據(jù)采集速度。在使用儀器儀表進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，往往被測(cè)量的物理量的變化過(guò)程是極短的，為了能及時(shí)的反映出被測(cè)量的變化情況，A/D轉(zhuǎn)換器必須具有超高速轉(zhuǎn)換速度。隨著工業(yè)的發(fā)展，工藝的進(jìn)步，現(xiàn)代數(shù)字處理系統(tǒng)對(duì)分辨率的要求在不斷提高，例如，先進(jìn)儀表的最小可測(cè)量值不斷減小，測(cè)量的變化在高精度測(cè)量中也較小。因此，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率也必須增加。

1.3 嵌入式系統(tǒng)

如今，軟件技術(shù)的發(fā)展總是能給儀表工業(yè)同樣帶來(lái)發(fā)展，引入更多的新功能?，F(xiàn)代儀器設(shè)備通常以某種方式由若干功能模塊組成。通過(guò)嵌入式軟件作用，來(lái)協(xié)調(diào)這些模塊的設(shè)計(jì)，在它們之間建立各種連接，并分配各種功能以有效地解決用戶問(wèn)題。這種設(shè)計(jì)方法可以充分利用現(xiàn)有的硬件和軟件資源，節(jié)省功能開(kāi)發(fā)的成本，進(jìn)一步簡(jiǎn)化儀器設(shè)備。例如，儀器開(kāi)發(fā)的主要方向之一是小型化。嵌入式系統(tǒng)可以在小芯片上集成所需的功能，這可以減小產(chǎn)品的尺寸并增加集成度，同時(shí)降低功耗。這不僅滿足了用戶對(duì)儀表產(chǎn)品的小型化要求，而且為其提供了便捷的移動(dòng)功能，增強(qiáng)了產(chǎn)品與網(wǎng)絡(luò)之間的連接功能。

畢竟，嵌入式軟件為儀器開(kāi)發(fā)提供了一種新的思維和設(shè)計(jì)方式。它可以幫助開(kāi)發(fā)人員在有限的設(shè)計(jì)空間內(nèi)優(yōu)化系統(tǒng)性能，并關(guān)閉硬件和軟件之間的連接。它避免了由硬件和軟件架構(gòu)的獨(dú)立設(shè)計(jì)引起的缺點(diǎn)。我相信，在未來(lái)，儀器的智能化發(fā)展必然會(huì)帶來(lái)嵌入式軟件的幫助。

1.4 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)隨著科技的不斷發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域中也有著舉足輕重的作用，各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)環(huán)節(jié)的發(fā)展都離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)化，儀器的發(fā)展自然與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推廣密不可分。過(guò)去的儀器儀表都是通過(guò)線纜來(lái)進(jìn)行鏈接，這種方式對(duì)儀器的布置位置、線纜的設(shè)置等方面都有很高的要求，還會(huì)提高儀器的使用成本與維護(hù)難度。如今，受到廣泛關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)徹底解決了這些問(wèn)題。表現(xiàn)在兩個(gè)方面：智能儀表必須上線才能完成數(shù)據(jù)傳輸，遠(yuǎn)程控制和故障診斷;構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)，將各種不同的測(cè)試設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)資源，信息共享，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)工作，共同完成大型復(fù)雜系統(tǒng)的測(cè)試任務(wù)。智能化實(shí)現(xiàn)儀器后，通過(guò)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控資料可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)歸檔，監(jiān)控和控制，具有科學(xué)，高效的信息處理功能。因此，網(wǎng)絡(luò)也是現(xiàn)代儀器技術(shù)的組成部分之一。

2 智能儀器儀表技術(shù)的現(xiàn)狀

據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，中國(guó)自動(dòng)化儀器儀表行業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，各類自動(dòng)化儀表儀表出口量逐年增加，遠(yuǎn)銷海外。然而，生產(chǎn)大國(guó)卻并不是創(chuàng)新大國(guó)，對(duì)比世界的儀器儀表工業(yè)水平，不論是科研投入、創(chuàng)新能力，在制造技術(shù)和材料技術(shù)方面，與目前的國(guó)際一流標(biāo)準(zhǔn)仍有很大差距。以儀器儀表中的新技術(shù)在線分析儀器為例，在線分析儀器的出現(xiàn)已經(jīng)存在了幾十年。然而在中國(guó)卻是近十年來(lái)才提出這一概念，多年以來(lái)，中國(guó)的儀器儀表企業(yè)少則上千家，并且還在逐年增加，但是，在這數(shù)千家企業(yè)之中，真正從事在線分析儀表技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)制造的企業(yè)只有十幾家而已，更多的是依賴國(guó)外產(chǎn)品的進(jìn)口來(lái)填補(bǔ)空缺。隨著國(guó)家工業(yè)水平的進(jìn)步、國(guó)力的提升、社會(huì)需求的發(fā)展，在線分析技術(shù)已經(jīng)涉及到日常生活的方方面面，比如水質(zhì)、空氣質(zhì)量等方面，也牽涉到工業(yè)生產(chǎn)中一些非常重大的事項(xiàng)。在過(guò)去，國(guó)家對(duì)空氣質(zhì)量沒(méi)有過(guò)多的限制，但現(xiàn)在例如PM2.5、各種氣體含量，都有嚴(yán)格要求。通過(guò)采集樣本，再送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法獲得實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的結(jié)果，這時(shí)候就需要使用在線分析儀器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

20世紀(jì)80年代后期的技術(shù)引進(jìn)為中國(guó)的在線分析儀器行業(yè)帶來(lái)了新的活力。1985年，四川分析儀器廠“成套科”成立，專業(yè)從事在線分析工程應(yīng)用。1992年，中國(guó)第一個(gè)在線分析工程部門在四川成立，當(dāng)時(shí)的部長(zhǎng)們開(kāi)始了在線分析工程的新專業(yè)。定義了在線分析系統(tǒng)，公司開(kāi)發(fā)的PS1000系列成為中國(guó)最早的在線分析工程技術(shù)研究成果。2007年，第二屆在線分析儀器應(yīng)用與發(fā)展國(guó)際論壇在北京召開(kāi)。在線分析工程技術(shù)從此到了發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)候，并在以后走上了正軌。

儀器儀表技術(shù)的發(fā)展，不應(yīng)當(dāng)舍本逐末。目前，我國(guó)的儀器儀表產(chǎn)業(yè)還有很大的缺陷，各項(xiàng)性能指標(biāo)還有很大的提升空間，應(yīng)當(dāng)向國(guó)外的一流企業(yè)看齊，并作為目標(biāo)，在今后的發(fā)展中，使生產(chǎn)大國(guó)朝向創(chuàng)新大國(guó)穩(wěn)步邁進(jìn)。

3 智能儀器儀表技術(shù)的發(fā)展展望

3.1 儀器儀表進(jìn)一步智能化

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器驅(qū)動(dòng)軟件的出現(xiàn)優(yōu)化了虛擬儀器的性能和結(jié)構(gòu)。通過(guò)智能化的形式，可以實(shí)現(xiàn)代碼的自動(dòng)生成，節(jié)省更多的人力物力，減少人員的工作量。此外，還連接了通信驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)，使用戶應(yīng)用程序和維護(hù)更加方便。在智能開(kāi)發(fā)下，儀器的設(shè)置和運(yùn)行狀態(tài)可以動(dòng)態(tài)跟蹤，管理和配備，用戶可以自主擴(kuò)展設(shè)置。同時(shí)，在智能管理?xiàng)l件下，驅(qū)動(dòng)器可以自動(dòng)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)解決問(wèn)題并及時(shí)解決，確保儀器的穩(wěn)定性和安全性，提高儀器的運(yùn)行質(zhì)量。

3.2 更快、更強(qiáng)、更節(jié)能

與傳統(tǒng)的測(cè)控模式相比，未來(lái)的智能儀器儀表將會(huì)在現(xiàn)今對(duì)資源的需求較大、測(cè)控過(guò)程較為繁瑣、人力成本消耗巨大的問(wèn)題上進(jìn)行改進(jìn)，在對(duì)環(huán)境友好的前提下，提高測(cè)控過(guò)程完成的效率;在智能化的支撐下，使測(cè)控系統(tǒng)不僅僅只局限于對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)的測(cè)量控制，還可以將測(cè)控系統(tǒng)中可能存在的各種影響因素都進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)邏輯性的數(shù)據(jù)計(jì)算模式與自動(dòng)化檢測(cè)，形成更加高效，科學(xué)的測(cè)控系統(tǒng);智能操作還可以減少人力需求，所需的人才從操作設(shè)備變?yōu)闄z測(cè)設(shè)備以收集數(shù)據(jù)。智能技術(shù)的應(yīng)用消除了人為因素造成的誤差。使得測(cè)控系統(tǒng)能夠擁有更高的準(zhǔn)確度與更強(qiáng)大的性能。

3.3 儀器儀表的全方位應(yīng)用

現(xiàn)如今的電子科技技術(shù)的高度進(jìn)步已經(jīng)為儀器儀表的發(fā)展鋪平了道路，儀器儀表所組成的測(cè)量控制網(wǎng)絡(luò)，不僅提高了工業(yè)生產(chǎn)效率，而且實(shí)現(xiàn)了資源共享，這也是儀器儀表未來(lái)的發(fā)展方向之一。此外，利用目前中國(guó)現(xiàn)代工業(yè)化和計(jì)算機(jī)化的蓬勃發(fā)展來(lái)推動(dòng)儀表工業(yè)的發(fā)展，提高創(chuàng)新水平，加強(qiáng)測(cè)量?jī)x器和測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，大力推動(dòng)儀器產(chǎn)業(yè)向智能化，開(kāi)放化，標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，儀器儀表技術(shù)將會(huì)在未來(lái)得到更好的發(fā)展。

通過(guò)模擬人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)信息的智能處理和傳輸，利用生物遺傳規(guī)律可以模擬遺傳計(jì)算。這種方法優(yōu)化了測(cè)量和控制系統(tǒng)，以繼續(xù)向智能化方向發(fā)展。在性能發(fā)展方面，測(cè)控技術(shù)和儀器的智能技術(shù)將朝著靈活，高精度，高效率的方向發(fā)展，向智能化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展。與未來(lái)新興技術(shù)的合作，也是發(fā)展方向之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

在測(cè)量和控制技術(shù)和儀器的適應(yīng)下，借助計(jì)算機(jī)的自動(dòng)輔助模式，集中訪問(wèn)信息，使其能夠提取重組的重要元素，為了適應(yīng)不同的操作模式，智能技術(shù)可以通過(guò)反饋數(shù)據(jù)信息等更全面地了解設(shè)備的信號(hào)反饋內(nèi)容。設(shè)計(jì)更科學(xué)，高效的測(cè)控系統(tǒng)，進(jìn)一步提升核心競(jìng)爭(zhēng)力，提高我國(guó)測(cè)控技術(shù)水平，應(yīng)依靠智能化發(fā)展條件，在注重智能與測(cè)控技術(shù)與儀器相結(jié)合的同時(shí)，不斷培養(yǎng)創(chuàng)新人才，真正實(shí)現(xiàn)行業(yè)的跨越式發(fā)展。并為民族復(fù)興大業(yè)做出積極貢獻(xiàn)。

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