儀器儀表技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究與分析

李琦

摘要：作為普遍應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研等領(lǐng)域進(jìn)行測(cè)量、采集、分析和控制的手段和設(shè)備，儀器儀表產(chǎn)品應(yīng)用范圍幾乎覆蓋了人類活動(dòng)的所有領(lǐng)域。不僅應(yīng)用范圍拓展迅速，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)儀器儀表行業(yè)已形成產(chǎn)品門類比較齊全、具有一定生產(chǎn)規(guī)模和開發(fā)能力的產(chǎn)業(yè)體系，成長(zhǎng)極為迅速。本文就是在此基礎(chǔ)之上，對(duì)儀器儀表技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，內(nèi)容僅供參考。

關(guān)鍵字：儀器儀表；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

前言

我國(guó)儀器儀表行業(yè)發(fā)展速度極快，在機(jī)械工業(yè)的13個(gè)行業(yè)當(dāng)中，儀器儀表并不屬于最發(fā)達(dá)的行業(yè)，但其在進(jìn)口逆差中是變化最大的一個(gè)。儀器儀表發(fā)展包含納米級(jí)精密機(jī)械的研究，也存在分子層次的現(xiàn)代化學(xué)研究成果等。這些內(nèi)容的研究促使儀器儀表領(lǐng)域產(chǎn)生了重大變革。不僅如此，我國(guó)的儀器儀表已經(jīng)在向海外出口，并且取得了一定的突破。因此，本文對(duì)儀器儀表技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究與分析具有一定的意義。

1儀器儀表技術(shù)研究的意義及現(xiàn)狀

1.1儀器儀表技術(shù)研究的意義

儀器是制造業(yè)的重要“工具”，是工業(yè)生產(chǎn)的“倍增器”，也是智能制造的前提和保障。隨著工業(yè)的更新?lián)Q代，儀器儀表升級(jí)勢(shì)在必行。不言而喻，儀器儀表行業(yè)在下一輪制造業(yè)的春天里，也將具有重要地位。著名科學(xué)家錢學(xué)森先生指出：新技術(shù)革命的關(guān)鍵是信息技術(shù)，信息技術(shù)由測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)三部分組成，測(cè)量技術(shù)則是關(guān)鍵和基礎(chǔ)。據(jù)估算，儀器儀表行業(yè)僅占整個(gè)工業(yè)份額的6%，卻能支撐起60%的工業(yè)產(chǎn)值。

同時(shí)，儀器儀表是制造業(yè)升級(jí)、智能制造的基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代儀器儀表“數(shù)字化、智能化、微型化”的發(fā)展，當(dāng)前微電子技術(shù)不斷提高，儀器儀表產(chǎn)品進(jìn)一步與微處理器、PC技術(shù)交融，儀器儀表的數(shù)字化、智能化程度獲得明顯進(jìn)步，它是科技進(jìn)步、智能制造飛速發(fā)展的產(chǎn)物，成為了高精密產(chǎn)業(yè)。因此，中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，離不開儀器儀表行業(yè)的有力支撐。

1.2儀器儀表研究現(xiàn)狀

近年來，隨著信息、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和安全性成為了各國(guó)政府和企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表則是工業(yè)控制系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件。長(zhǎng)期以來，該領(lǐng)域中高端產(chǎn)品均被國(guó)外壟斷企業(yè)把持，挾持著我國(guó)工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展水平和安全能力。

在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，上海自動(dòng)化儀表有限公司與浙江大學(xué)共同合作，在研發(fā)自主可控的片上控制系統(tǒng)（Control Module on Chip，簡(jiǎn)稱：CMC）和符合IEC61131-3的軟件開發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上，圍繞溫度、壓力、液位及電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等四大類工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表，建成了基于CMC的智能儀器儀表軟硬件開發(fā)平臺(tái)，并解決了基于CMC的智能儀器儀表的低功耗防爆技術(shù)、高級(jí)故障診斷技術(shù)、抗電磁干擾技術(shù)以及EPA和MODBUS等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等問題，提高了國(guó)產(chǎn)智能儀器儀表的電路集成度、產(chǎn)品的可靠性和適用性，并提升了產(chǎn)品的性能和功能。

CMC自主核心軟硬件的智能儀器儀表研制及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了智能儀器儀表核心技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，提升了國(guó)產(chǎn)儀器儀表的自主可控能力和水平。目前該課題組研制的智能溫度、壓力、液位變送器和智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等四大類工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表產(chǎn)品，已經(jīng)在流程工業(yè)中實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；墓こ虘?yīng)用，而且在火電、石化、化工和環(huán)保等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

2儀器儀表技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)

2.1硬件功能軟件化

隨著我國(guó)微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器的速度逐漸提升，價(jià)格也越來越低，當(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在儀器儀表中，這就對(duì)實(shí)時(shí)性功能提出了更高的要求。以前，只能夠通過硬件完成的任務(wù)，現(xiàn)在可以在軟件上完成，甚至于一些硬件不能夠解決的問題，也可以通過軟件來進(jìn)行處理。同時(shí)，當(dāng)前數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也得到了快速發(fā)展，高速數(shù)字信號(hào)處理器得到了廣大用戶的歡迎。

2.2模塊化

模塊化功能屬于現(xiàn)代化儀器儀表中的重要內(nèi)容，為儀器儀表的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。模塊化的實(shí)現(xiàn)，使得儀器儀表的運(yùn)行更加靈活，其硬件的組成更加簡(jiǎn)潔。例如，要是在實(shí)際使用的過程中，我們需要根據(jù)檢測(cè)的對(duì)象添加一些功能，則主要添加少量的模塊化功能硬件即可，然后在對(duì)相應(yīng)的硬件進(jìn)行調(diào)控就可以達(dá)到目的。此外，在對(duì)儀器儀表進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助制造和計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試等，所以高度集成化功能的實(shí)現(xiàn)為其模塊化提供了一定的技術(shù)條件。

2.3參數(shù)整定修改實(shí)時(shí)化

隨著編程技術(shù)的不斷發(fā)展，編程器件可以對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)不同的編程工作，且能夠進(jìn)行相應(yīng)的儀器儀表現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)設(shè)置，并對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)修改。除此之外，還可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的相應(yīng)參數(shù)或者是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性進(jìn)行調(diào)整，使得后期儀器儀表系統(tǒng)能夠在不改變?cè)O(shè)備硬件的情況下，能夠進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)和更換，并保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

2.4硬件平臺(tái)通用化

對(duì)于智能化儀表而言，其高度重視軟件功能，選擇一個(gè)帶有一定共性的基本儀器硬件，便可以組成一個(gè)通用硬件平臺(tái)，進(jìn)而對(duì)不同軟件進(jìn)行調(diào)用，對(duì)不同功能的儀器或系統(tǒng)等實(shí)施科學(xué)擴(kuò)展。而在整個(gè)平臺(tái)的二次開發(fā)過程中，由于儀器儀表使用的通信接口具有多樣化的特點(diǎn)，因此可以使得軟件的開發(fā)更加靈活。

3儀器儀表技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1分析儀器

光學(xué)捕獲屬于一種新型光學(xué)操作技術(shù)，其能對(duì)一束光使用高數(shù)值孔徑的物鏡進(jìn)行聚焦，形成一個(gè)微米級(jí)光斑，進(jìn)而形成梯度，對(duì)微小粒子進(jìn)行捕獲或移動(dòng)，這一技術(shù)已被充分應(yīng)用于不同微觀領(lǐng)域的研究當(dāng)中。在對(duì)儀器儀表的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)微型色譜儀的發(fā)展十分迅速，并且其應(yīng)用的范圍十分廣泛。當(dāng)前，NMR微型化技術(shù)取得了空前發(fā)展。

3.2精密檢測(cè)儀器

人類社會(huì)在儀器儀表檢測(cè)方面逐漸向著分子和原子的檢測(cè)階段邁進(jìn)。而隨著納米技術(shù)的不斷研發(fā)，其對(duì)于精密檢測(cè)儀器儀表的發(fā)展具有十分重要的作用。值得注意的是，MEMS/NEMS測(cè)試儀器、掃描隧道顯微鏡、掃描探針顯微鏡、以STM/AFM基本原理共同發(fā)展起來的一系列SPM等得到了新的發(fā)展。

3.3光子成像儀器

在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的發(fā)展過程中，光子與生命學(xué)的有效融合對(duì)激光、電子、光譜等學(xué)科的迅速發(fā)展具有一定的積極作用，并且其產(chǎn)生了較多的新型科學(xué)儀器儀表。這些儀器儀表在幫助人們豐富對(duì)相互作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)，促使各種新生物研究?jī)x器、醫(yī)學(xué)診斷儀器的誕生等方面具有很重要的影響。而在光子成像技術(shù)中，主要有光層析成像、熒光成像以及相干成像等內(nèi)容。其中，光學(xué)相干成像主要由共焦顯微技術(shù)、低相干光中外差探測(cè)技術(shù)共同組成，屬于一種在一維光學(xué)低相干反射技術(shù)基礎(chǔ)上的擴(kuò)展技術(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生了二維或三維成像技術(shù)。

3.4光譜分析儀器

在傳統(tǒng)的光譜分析儀器應(yīng)用中，其主要是對(duì)一些基礎(chǔ)的學(xué)科或者是礦物質(zhì)進(jìn)行分析和檢測(cè)，隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，這種檢測(cè)已經(jīng)不能夠滿足人們的實(shí)際需求，再加上新的科學(xué)技術(shù)不斷的出現(xiàn)，使得儀器儀表向著生物、環(huán)境等一些領(lǐng)域拓展。相信，在未來，不論是對(duì)其理論知識(shí)的研究，還是對(duì)相應(yīng)技術(shù)的有效開發(fā)，或者是在儀器儀表的完善創(chuàng)新方面，都會(huì)得到快速的發(fā)展，并促進(jìn)儀器儀表行業(yè)的不斷進(jìn)步。

結(jié)束語

綜上所述，本文在對(duì)儀器儀表技術(shù)研究意義和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)之上，對(duì)儀器儀表技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討，對(duì)儀器儀表技術(shù)的發(fā)展指明了方向，從而促進(jìn)了其儀器表行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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