测量控制与仪器仪表新技术(论文)

1、测量控制与仪器仪表新技术摘 要：仪器仪表作为对信息进行采集、测量、处理和控制的重要手段和设备，已成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术之一。王大珩院士指出：“在当今以信息技术带动工业化发展的时代，仪器仪表与测试技术是信息科学技术重要的组成部分”。仪器仪表是工业生产的“倍增器”，科学研究的“先行官”，军事上的“战斗力”，国民活动中的“物化法官”。发达国家已把发展现代仪器仪表科技列为一项重要的战略措施，而作为发展中国家的我们必须充分利用我国经济高速发展和巨大的市场优势，结合测控技术的深化研究，大力推进新技术、新工艺在仪器仪表中的应用研究，掌握各类仪器仪表的设计、生产工艺等关键技术，满足国民经

2、济、人民健康和国防安全在生产、科研、应用各个方面对测量控制与仪器仪表的需求，使我国的测量控制与仪器仪表产业得以快速地发展。关键词：仪器仪表；采集；测量；处理；控制；新技术；新工艺；发展。l 引言 测量控制与仪器仪表正向着计算机化、网络化、智能化、多功能化的方向发展，跨学科的综合设计、高精尖的制造技术使它能更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、检测、控制的全方位信息。利用物理学的新效应和高新技术开发新型高灵敏度、高稳定性、强抗干扰能力的测量控制技术和仪器仪表层出不穷。  目前大部分国产仪器仪表产品处于国际上九十年代初、中期的水平。在产品的可靠性、功能、智能化程度、产品技术更新周期

3、、面向对象的专用解决方案等方面都存在较大差距。我国对仪器仪表的需求量的二分之一是由进口产品满足的，大型高精度的仪器仪表几乎全部依赖进口。因此，大力提升我国测量控制与仪器仪表的研制、开发、制造能力，对真正提高我国国民经济的整体素质，以信息化带动工业化，最终实现我国经济、社会和科技跨越式发展，维护国家和社会安全是十分迫切和必要的。  l 测量控制与仪器仪表科学技术的范围 根据国际发展的潮流和我国的现状，目前认识到的测量控制与仪器仪表科学技术的范围主要包括 1.工业自动化仪表、控制系统及相关测控技术 2.科学仪器及相关测控技术 3.医疗仪器及相关测控技术 4.信息技术电测、计量仪器及相关测

4、控技术 5.各类专用仪器仪表及相关测控技术 6.相关传感器、元器件、制造工艺和材料及其基础科学技术l 测量控制与仪器仪表的发展趋势及特点根据上述测量控制与仪器仪表的国际发展趋势，可以总结测量控制与仪器仪表科技发展具有以下主要特点：  1.大量采用新的科研成果和高新技术 测量控制与仪器仪表作为人类认识世界、改造世界的第一手工具，是人类进行科学研究和工程技术开发的最基本工具。人类很早就懂得“工欲善其事，必先利其器”的道理，新的科学研究成果和发现如信息论、控制论、系统工程理论，微观和宏观世界研究成果及大量高新技术如微弱信号提取技术，计算机软、硬件技术，网络技术，激光技术，超导技术，纳米技术

5、等均成为测量控制与仪器仪表科学技术发展的重要动力。仪器仪表不仅本身已成为高技术的新产品，而且利用新原理、新概念、新技术、新材料和新工艺等最新科技成果集成的装置和系统层出不穷。 2.测量单元微小型化、智能化 测量控制与仪器仪表大量采用新的传感器、大规模和超大规模集成电路、计算机及专家系统等信息技术产品，不断向微小型化、智能化发展，从目前出现的“芯片式仪器仪表”，“芯片实验室”、“芯片系统”等看，测量单元的微小型化和智能化将是长期发展趋势。从应用技术看，微小型化和智能化测量单元的嵌入式连接和联网应用技术得到重视。 3.测控范围向立体化、全球化扩展，测量控制向系统化、网络化发展 随着仪器仪表所测控的

6、既定区域不断向立体化、全球化甚至星球化发展，仪器仪表和测控装置已不再呈单个装置形式，它必然向测控装置系统化、网络化方向发展。例如一个大型水电站的测控系统，仅检测大坝安全性的传感器就达数千个，此外各个发电机组状态及水位情况的检测控制点（ I/O 测控点）将超过万点，要达到大型水电站的正常发电和送电，必须将各个测控点的测控装置形成一个有机的测控网络系统。又例如卫星测控系统，运载火箭上配置的各种传感器就达到数千，而卫星上各种测控装置构成一个完整的自动测控系统，然后和多个地面站的测控系统构成一个广域测控系统。 4.便携式、手持式以至个性化仪器仪表大量发展 随着生产的发展和人民生活水平的提高，人们对自己

7、的生活质量和健康水平日益关注，检测与人们生活密切相关的各类商品、食品质量的仪器仪表，预防和治疗疾病的各种医疗仪器是今后发展的一个重要趋势。科学仪器的现场化、实时在线化，特别是家庭和个人使用的健康状况和疾病警示仪器仪表将有较大发展。l 测量控制与仪器仪表新技术发展方向1.工业自动化仪表与控制系统  A. 以石油、化工、钢铁、电力、交通运输、国防安全、环保、轻工、水利等重大工程项目为依托，致力于新一代主控系统及其综合自动化开发和产业化，主要包括集散控制系统、现场总线控制系统和以工业计算机为基础的开放式控制系统、工业生产中的质控体系等。 B. 先进控制、优化软件开发与产业化技术，

8、主要包括先进控制技术、过程优化技术、实时监控软件平台、信息集成软件平台、系统集成技术等。 C. 智能仪表、采用现场总线技术与实时工业以太网技术的检测仪表、执行器与变送器、成套专用控制装置和成套专用优化系统的开发与产业化。2.科学仪器  A. 量大面广的通用仪器  重点解决色谱、光谱、质谱、电化学等各类通用仪器的稳定和可靠性，开发高灵敏检测器和高精度传感器，进一步提高仪器的技术水平和设计制造能力。  B. 特定领域的专用仪器  农产品品质和食品营养成分检测、农药及残留量检测、土壤速测等农业和食品专用仪器；海洋仪器；大气、水和固体废弃物安全监测和预

9、警用成套环境专用仪器，各种灾害监测仪器；生命科学用分离分析仪器及面向医疗单位包括中小医院的各种生化分析仪器；计量仪器；航天仪器等。  C. 有自主知识产权和特色的新型仪器   重点发展各种微分析仪器、智能仪器、联用仪器、虚拟仪器、成像仪器及相关技术和部件。  D. 科学仪器软件和支撑系统   着重发展各种科学仪器应用软件、标准化数据处理软件，提供使用可靠、扩展性强的通用型科学仪器开发平台和仪器测控数据系统以及支撑系统。  3.医疗仪器  A. 开发研制医用光学仪器，包括内窥镜、眼科光学仪器、手术显微镜等。 

10、0;B. 以全数字化成像、高档黑白超和彩超、新型换能器为研发关键技术的超声医用仪器。  C. 研究开发数字化核磁、 X 线影像系统，高温超导型核磁共振系统，精细手术和微创手术系统等大型医疗仪器及临床信息系统。  D. 研究开发高能智能化肿瘤治疗大型仪器系统，包括数字化控制系统、高能管技术、放疗模拟定位机改造，以及多光阑系统等关键技术。  E. 结合面向社区、家庭的小型化和便携式医疗仪器远程通信和网络化的发展，加强预防医疗系统及疾病控制系统的研究开发。  4.电测仪器与自动测试系统  A 精密数字电表、自动测试技术与系统集成技术，网络化技术,从而

11、建立整机自动化测试系统，实现在线自动检测，发展微机智能检测。  B. 通信、计算机、网络测量技术、集成电路测量仪器及自动测试系统；  C. 微波，毫米波测量仪器及测试系统；  D. 数字电视、广播、多媒体测试技术、测量仪器及测试系统；  E. 航天航空自动测试系统及设备；  F. 可大量出口的电测仪器仪表；如电度表、数字万用表等。  5.计量测试仪器  A. 基于量子物理的计量基标准的建立，包括交流约瑟夫森电压基准、量子化霍尔电阻基准和单电子隧道效应电流基准构成的现代电学计量基标准等；  B. 量子计量基标准所需的

12、量子计量器件的研制，包括交、直流约瑟夫森电压阵列器件，交、直流量子化霍尔电阻器件和超导量子干涉器等；  C 先进机械制造中、微电子制造业中的几何量在线计量仪器，包括：视觉传感器和其它在线测量传感器；光电式数字化无导轨在线三坐标测量机；大尺寸三维空间坐标现场校准等；  D. 远程计量校准，包括：在线测量仪器动态校准和量值溯源等。6.传感器、元器件、制造工艺及仪表材料  A. 用于现场总线及智能化仪表的压力、温度、流量、液位等新型传感器；用于环保等领域的多功能传感器；生物传感器；智能传感器；航天航空领域需求的微型化传感器等；  B. 元器件：特殊弹性元件；计

13、数器；仪表专用电路 (ASIC) 和厚膜电路；测控模块、接插件；测量系统的插件机箱；  C. 仪表材料重点研究开发薄膜化、小型化、纤维化、粉体化、复合化、多功能化、材料元件一体化、智能化等各种新材料；纳米材料；功能陶瓷材料。  l 测量控制与仪器仪表新技术简介1.数字化医疗仪器及其关键技术  以数字化技术带动传统医疗仪器的发展，满足人民健康的需求。发展重点是数字化医学影像诊断设备，数字化物理治疗和手术设备，数字化显微、内窥和激光诊疗设备，数字化医疗信息系统。关键技术：生物传感及数字成像技术，高能射束监控及机器人或机械手操作技术，显微内窥光学及激光监控技术等。 &#

14、160;2.基于现代量子物理的计量基标准系统  基于量子物理的计量基标准系统，其主要内容是以量子理论为基础的若干计量基标准的建立及量子计量基标准所需的量子计量器件的研制。量子计量基标准包括现代国家时间频率基准（离子存储光频标、空间守时钟）和国家时间频率量值溯源体系及守时与授时系统，交流约瑟夫森电压基准、量子化霍尔电阻基准和单电子隧道效应电流基准构成的现代电学计量基标准，电功率质量自然基准，现代热力学温度计量标准及绝对测量方法，光幅射基准，长度量子基准，物质的量的量子基准。量子计量基标准所需的量子计量器件的研制包括交、直流约瑟夫森电压阵列器件，交、直流量子化霍尔电阻器件、量子电流基准器

15、件（ SET ）、温度量子标准器件、超导量子干涉器等。  3.科学仪器中的微分析仪器及其关键技术  分析仪器是科学仪器中最重要和发展最快的组成部分 , 而微分析仪器包含的微量检测、微型化、高灵敏度、高分辨率和高智能化内涵，则代表了分析仪器的一个重要发展趋势和技术水平，在生命科学、食品安全、环境保护、公共安全（包括反恐、反毒）、临床医学、医药科学和化工等领域得到越来越多的应用。  微分析仪器及其关键技术主要内容：（1）开展高灵敏度、高分辨率、高性能水平的微结构型传感器研究，将生物芯片技术、新型化学传感器技术、多组分（多参数）集成传感器技术应用于分析仪器的研制和开发。

16、（2）开展分析仪器微型化和相关微分析技术的研究，重点进行微分析仪器使用的共性技术和新技术的研究，如微流控技术、微加工技术、微检测技术、微光源、全点子分光系统、微分光仪、新型芯片等的研究。（3）过程分析、在线分析使用的微分析仪器及其关键技术研究。（4）不同类别分析器联用技术的研究。当复杂基体的微量、痕量物质的含量及结构分析对分析对象的分辨能力提出极高的要求，单一的分离技术甚至质谱分离技术均已无法从复杂的信息中分离出所需的有用信息时，需要通过相关不同类别分析器的联用技术对物质的成分、结构、形态甚至综合形态进行分析，以便同时获得原子和分子的信息。4.新型传感器及信息获取、传感技术  

17、60;传感技术不仅是检测的基础，它也是控制的基础。这不仅因为控制必须以检测输入的信息为基础；并且是由于控制达到的精度和状态，必需感知，否则不明确控制效果的控制仍然是盲目的控制。信息获取、传感技术是所有测量控制仪器仪表的基础技术；新型传感器是发展高水平测量控制仪器仪表的基础。传感技术已成为制约测量控制仪器仪表发展的瓶颈。   新型传感器及信息获取、传感技术主要是客观世界有用信息的检测，它包括有用被测量敏感技术，涉及各学科工作原理、遥感遥测、新材料等技术；信息融合技术，传感器制造技术等。信息融合技术涉及传感器分布，微弱信号提取（增强），传感信息融合，成像等技术；传感器制造技术涉

18、及微加工，生物芯片，新工艺等技术。l 综述   随着电子信息技术的发展，各种实用控制技术已全面渗透到现代工业、农业、服务业的各个领域，越来越多的控制技术在走融合的道路，测控设备的发展也是越来越快，技术更新日新月异。根据目前测控技术发展趋势，培养具有测控产品生产过程管理、质量检测、工业测控设备维护、营销和具备智能化测控产品的初步设计能力的高素质技能型人才，已成为高等职业技术院校测控专业面对的新课题和新要求。测控技术毕业应具备精密仪器设计与制造以及测量与控制方面知识与应用能力，能在国民经济部门从事测量与控制领域内有关技术，仪器与系统的设计制造，科技开发，应用研究运行管理。在全球经济一体化发展中，中国的测控市场已经慢慢发展起来。进入新世纪以来，世界军事