2測(cè)量控制與儀器儀表科學(xué)技術(shù)的范圍、國際發(fā)展趨勢(shì)及特點(diǎn)
2.1測(cè)量控制與儀器儀表科學(xué)技術(shù)的范圍
根據(jù)國際發(fā)展的潮流和我國的現(xiàn)狀，目前認(rèn)識(shí)到的測(cè)量控制與儀器儀表科學(xué)技術(shù)的范圍主要包括
·工業(yè)自動(dòng)化儀表、控制系統(tǒng)及相關(guān)測(cè)控技術(shù)
·科學(xué)儀器及相關(guān)測(cè)控技術(shù)
·醫(yī)療儀器及相關(guān)測(cè)控技術(shù)
·信息技術(shù)電測(cè)、計(jì)量?jī)x器及相關(guān)測(cè)控技術(shù)
·各類專用儀器儀表及相關(guān)測(cè)控技術(shù)
·相關(guān)傳感器、元器件、制造工藝和材料及其基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)
2.2測(cè)量控制與儀器儀表的國際發(fā)展趨勢(shì)及特點(diǎn)
2.2.1測(cè)量控制與儀器儀表的國際發(fā)展趨勢(shì)
數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)把模擬儀器儀表的測(cè)量控制精度、靈敏度、速度及可靠性提高了幾個(gè)量級(jí)，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量控制自動(dòng)化打下了良好的基礎(chǔ)。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)別參量的測(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。90年代，測(cè)量控制與儀器儀表科技的突破性進(jìn)展是儀器儀表智能化程度的提高;DSP芯片的大量問世，使儀器儀表數(shù)字信號(hào)處理功能大大加強(qiáng);微型機(jī)的發(fā)展，使儀器儀表具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和圖像處理功能;現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備與其控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，Internet和Intranet技術(shù)也將進(jìn)入控制領(lǐng)域�，F(xiàn)代儀器儀表產(chǎn)品將向著計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多功能化的方向發(fā)展，跨學(xué)科的綜合設(shè)計(jì)、高精尖的制造技術(shù)使它能更高速、更靈敏、更可靠、更簡(jiǎn)捷地獲取被分析、檢測(cè)、控制對(duì)象的全方位信息。
未來10年，更高程度的智能化應(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(shí)的結(jié)合分析結(jié)果。利用物理學(xué)的新效應(yīng)和高新技術(shù)及其成就開發(fā)新型高靈敏度、高穩(wěn)定性、強(qiáng)抗干擾能力傳感器技術(shù)和測(cè)量控制儀器儀表。如：利用高溫超導(dǎo)量子干涉器(SGUID)開發(fā)計(jì)量測(cè)試儀器、物理學(xué)測(cè)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、無損材料檢驗(yàn)儀器等。利用橢偏技術(shù)來檢測(cè)光纖、光學(xué)玻璃等，它與近場(chǎng)光學(xué)相結(jié)合，不僅可以測(cè)量表面精細(xì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)近場(chǎng)光學(xué)反射偏振信息可以分辨出被測(cè)物體的材料，這是目前實(shí)驗(yàn)研究新探索。將可調(diào)諧穩(wěn)頻激光光譜儀的技術(shù)用于高精密的幾何量與機(jī)械量和多種無形態(tài)量的測(cè)量，開發(fā)新一代微型光纖激光干涉儀，它的測(cè)量范圍可以從納米到幾米或更大的范圍，分辨率可達(dá)10nm;它還可用于稱重，研制新型電子天平、高分辨率的壓力計(jì)等。發(fā)展納米測(cè)量技術(shù)，建立納米計(jì)量測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，這是當(dāng)今在計(jì)量與測(cè)量技術(shù)研究中十分活躍的課題。由于以信息技術(shù)為代表的高新科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，科學(xué)分析儀器正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命性的變化，傳統(tǒng)的光學(xué)、熱學(xué)、電化學(xué)、色譜、波譜類分析技術(shù)都已從經(jīng)典的化學(xué)精密機(jī)械電子結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人工操作應(yīng)用模式，轉(zhuǎn)化為光、機(jī)、電、算(計(jì)算機(jī))一體化、自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)，并正向?qū)崟r(shí)的現(xiàn)場(chǎng)、在線方向和更名副其實(shí)的智能系統(tǒng)發(fā)展(帶有自診斷、自控、自調(diào)、自行判斷決策等高智能功能)。
促進(jìn)科學(xué)儀器的工作原理、設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法發(fā)生明顯變化的關(guān)鍵技術(shù)主要有：
(1)微分析技術(shù)即分析儀器的微型化和微量化，其共性技術(shù)有微控技術(shù)、微加工技術(shù)、微檢測(cè)技術(shù)、微光源、微光學(xué)系統(tǒng)、微傳感器等，應(yīng)用上述技術(shù)的分析儀器有微流控制芯片、芯片實(shí)驗(yàn)室、微近紅外光譜儀等。
(2)新型生物、化學(xué)傳感技術(shù)，將生物芯片技術(shù)，新型化學(xué)傳感技術(shù)，智能傳感器技術(shù)應(yīng)用于分析儀器的研制。
(3)成像技術(shù)包括廣義成像，納米級(jí)超高分辨成像，圖像信息處理等，具體的領(lǐng)域有核磁共振技術(shù)、圖像自動(dòng)分析及綜合技術(shù)、光譜成像技術(shù)、近場(chǎng)光學(xué)成像技術(shù)等。
(4)儀器的聯(lián)用技術(shù)，通過信息分離、專用軟件接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科技術(shù)間的聯(lián)用，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的痕量成份分析、結(jié)構(gòu)分析、形態(tài)分析等綜合分析，如：色譜—質(zhì)譜聯(lián)用、色譜—光譜聯(lián)用等。多臺(tái)儀器、多個(gè)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合的綜合分析管理系統(tǒng)(LIMS,LaboratoryInformationManagementSystem)已經(jīng)推廣應(yīng)用;儀器可以上網(wǎng)、制造廠商可與全球用戶或用戶之間實(shí)現(xiàn)信息交流，廠商對(duì)用戶正在使用的儀器進(jìn)行遠(yuǎn)距診斷、指導(dǎo)正確使用或提出維修指導(dǎo)，各同類儀器用戶或相同分析工作用戶直接進(jìn)行數(shù)據(jù)、情報(bào)共享、儀器的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)和量值溯源等已指日可待。測(cè)量控制與儀器儀表在生物、環(huán)保、醫(yī)學(xué)等有關(guān)人的生存、發(fā)展領(lǐng)域的應(yīng)用日新月異，現(xiàn)代高科技軍事方面的發(fā)展也促進(jìn)了測(cè)量控制與儀器儀表的應(yīng)用拓展，靈敏、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)毒物檢測(cè)、生命保障任務(wù)也大大擴(kuò)大了測(cè)量控制與儀器儀表的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.2.2儀器儀表科技發(fā)展的特點(diǎn)
根據(jù)上述測(cè)量控制與儀器儀表的國際發(fā)展趨勢(shì)，可以總結(jié)測(cè)量控制與儀器儀表科技發(fā)展具有以下主要特點(diǎn)：
★技術(shù)指標(biāo)不斷提高
就如奧林匹克運(yùn)動(dòng)的口號(hào)是更高、更快、更強(qiáng)一樣，測(cè)量控制與儀器儀表在提高測(cè)量控制的技術(shù)指標(biāo)和功能上是永遠(yuǎn)的追求，測(cè)量控制與儀器儀表的技術(shù)指標(biāo)水平是一個(gè)國家測(cè)量控制與儀器儀表水平的量化標(biāo)志。以擴(kuò)大檢測(cè)范圍指標(biāo)來說，如電壓從納伏～100萬伏;電阻從超導(dǎo)至1014Ω;諧波測(cè)量到51次;加速度從10-4～104g;頻率測(cè)量至1012HZ;壓力測(cè)量至108Pa等;溫度測(cè)量從接近絕對(duì)零度至108℃等。以提高測(cè)量精度指標(biāo)來說，工業(yè)參數(shù)測(cè)量提高至0.02%以上，航空航天參數(shù)測(cè)量達(dá)到0.05%以上，計(jì)量精度和科學(xué)儀器達(dá)到的精度更是與時(shí)俱進(jìn)。以提高測(cè)量的靈敏度來說更是向單個(gè)粒子、分子、原子級(jí)發(fā)展。提高測(cè)量速度(響應(yīng)速度)，靜態(tài)0.1～0.02ms，動(dòng)態(tài)為1us。提高可靠性，一般要求為2～5萬小時(shí)，高可靠要求25萬小時(shí)。穩(wěn)定性(年變化)<±0.05%(高精度儀器)或<±0.1%(一般儀器)。提高產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性，根據(jù)不同用戶的要求，有高溫、高濕、高塵、腐蝕、振動(dòng)、沖擊、電磁場(chǎng)、輻射、深水、雨淋、高電壓、低氣壓等條件下的適應(yīng)性。
★大量采用新的科研成果和高新技術(shù)
測(cè)量控制與儀器儀表作為人類認(rèn)識(shí)世界、改造世界的第一手工具，是人類進(jìn)行科學(xué)研究和工程技術(shù)開發(fā)的最基本工具。人類很早就懂得“工欲善其事，必先利其器”的道理，新的科學(xué)研究成果和發(fā)現(xiàn)如信息論、控制論、系統(tǒng)工程理論，微觀和宏觀世界研究成果及大量高新技術(shù)如微弱信號(hào)提取技術(shù)，計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，激光技術(shù)，超導(dǎo)技術(shù)，納米技術(shù)等均成為測(cè)量控制與儀器儀表科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要?jiǎng)恿�。儀器儀表不僅本身已成為高技術(shù)的新產(chǎn)品，而且利用新原理、新概念、新技術(shù)、新材料和新工藝等最新科技成果集成的裝置和系統(tǒng)層出不窮。
★測(cè)量單元微小型化、智能化
測(cè)量控制與儀器儀表大量采用新的傳感器、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)及專家系統(tǒng)等信息技術(shù)產(chǎn)品，不斷向微小型化、智能化發(fā)展，從目前出現(xiàn)的“芯片式儀器儀表”，“芯片實(shí)驗(yàn)室”、“芯片系統(tǒng)”等看，測(cè)量單元的微小型化和智能化將是長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)。從應(yīng)用技術(shù)看，微小型化和智能化測(cè)量單元的嵌入式連接和聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)得到重視。
★測(cè)控范圍向立體化、全球化擴(kuò)展，測(cè)量控制向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展
隨著儀器儀表所測(cè)控的既定區(qū)域不斷向立體化、全球化甚至星球化發(fā)展，儀器儀表和測(cè)控裝置已不再呈單個(gè)裝置形式，它必然向測(cè)控裝置系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。例如一個(gè)大型水電站的測(cè)控系統(tǒng)，僅檢測(cè)大壩安全性的傳感器就達(dá)數(shù)千個(gè)，此外各個(gè)發(fā)電機(jī)組狀態(tài)及水位情況的檢測(cè)控制點(diǎn)(I/O測(cè)控點(diǎn))將超過萬點(diǎn)，要達(dá)到大型水電站的正常發(fā)電和送電，必須將各個(gè)測(cè)控點(diǎn)的測(cè)控裝置形成一個(gè)有機(jī)的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。又例如衛(wèi)星測(cè)控系統(tǒng)，運(yùn)載火箭上配置的各種傳感器就達(dá)到數(shù)千，而衛(wèi)星上各種測(cè)控裝置構(gòu)成一個(gè)完整的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，然后和多個(gè)地面站的測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)廣域測(cè)控系統(tǒng)。
★便攜式、手持式以至個(gè)性化儀器儀表大量發(fā)展
隨著生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)自己的生活質(zhì)量和健康水平日益關(guān)注，檢測(cè)與人們生活密切相關(guān)的各類商品、食品質(zhì)量的儀器儀表，預(yù)防和治療疾病的各種醫(yī)療儀器是今后發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)�？茖W(xué)儀器的現(xiàn)場(chǎng)化、實(shí)時(shí)在線化，特別是家庭和個(gè)人使用的健康狀況和疾病警示儀器儀表將有較大發(fā)展。