国外仪器仪表的发展趋势

国外仪器仪表的发展趋势

2008-06-11

      综观科学上的重大发现，往往是由于新的观测手段的发明而开展起来的。以物理学诺贝尔奖金获得者为例，百分之五十的工作是得益于新的仪器或测试手段的发明创造。仪器仪表也是实现信息的获取、转换、存贮、处理和揭示物质运动的必备工具，仪器仪表装备水平在很大程度上反映出一个国家的生产力发展和现代化水平。

　　一、 仪器仪表发展概况
　　50年代初期，仪器仪表取得了重大突破，数字技术的出现使各种数字仪器得以问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。

　　60年代中期，测量技术又一次取得了进展，计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别电量的测量转变成测量整个系统的特征参数，从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。

　　70年代，计算机技术在仪器仪表中的进一步渗透，使电子仪器在传统的时域与频域之外，又出现了数据域（Data domain）测试。

　　80年代，由于微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，过去直观的用于调节时基或幅度的旋转度盘，选择电压电流等量程或功能的滑动开关，通、断开关键已经消失。测量系统的主要模式，是采用机柜形式，全部通过IEEE-488总线送到一个控制器上。测试时，可用丰富的BASIC语言程序来高速测试。不同于传统独立仪器模式的个人仪器（Personal instrument）已经得到了发展。
90年代，仪器仪表与测量科学进一步取得重大的突破性进展。这个进展的主要标志是仪器仪表智能化程度的提高。突出表现在以下几个方面。

1． 微电子技术的进步将更深刻地影响仪器仪表的设计；
2． DSP芯片的大量问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；
3． 微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力；
4． 图像处理功能的增加十分普遍；
5． VXI总线得到广泛的应用。

　　二、 国外仪器仪表发展特点

　　1． 新技术的应用

　　目前普遍采用EDA（电子设计自动化）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）、DSP（数字信号处理）、ASIC（专用集成电路）及SMT（表面贴装技术）等。

　　2． 产品结构变化

　　注重性能价格比。在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术和量大面广产品的开发与生产。

　　注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统、产品软化，随着各类仪器装上了CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力。今后的仪器归纳成一个简单的公式：仪器=AD/DA+CPU+软件，AD芯片将模拟信号变成数字信号，再经过软件处理变换后用DA输出。
3． 产品开发准则发生了变化

　　从技术驱动转为市场驱动，从一味追求高精尖转为"恰到好处"。开发一项成功产品的准则是，用户有明确的需求；能用最短的开发时间投放市场；功能与性能要恰到好处；产品开发准则的另一变化是收缩方向，集中优势。

　　4． 生产技术注重专业生产，不搞大而全

　　生产过程采用自动测试系统。目前多以GP-IB仪器组建自动测试系统。生产线上尽是一个个大的测试柜，快速地进行自动测试、统计、分析、打印出结果。

　　三、 国外仪器仪表发展趋势
　　1． 自动化仪表的发展趋势

　　工业自动化控制仪表主要包括变送器、调节器、调节阀等设备，，控制仪表从基地式调节器（变送、指示、调节一体化的仪表）开始，经历了气动、电动单元组合仪表到计算机控制系统（DDC），直至今日的分散控制系统DCS。DCS已经走过了20多年的里程，DCS以其高度的可靠性、强大而易于扩充的功能、漂亮的图形界面、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力等优点，得到迅速的发展，成为计算机工业控制系统的主流。PLC以其结构紧凑、功能简单、速度快、可靠性高、价格低等优点，迅速获得广泛应用，已成为与DCS并驾齐驱的另一种主流工业控制系统。目前以PLC为基础的DCS发展很快，PLC与DCS相互渗透、相互融合、相互竞争，已成为当前工业控制系统的发展趋势。

　　（1） 开放化

　　开放化及小型化（Down Sizing）、顾客服务系统等新的、关键技术已进入自动化行业，与以往DCS相对应的PC机控制系统也已经出现。近几年PC机及其相关技术的迅速发展，将对今后产生重大影响。开放化潮流的背景，有下述两方面：

　　a． 大量生产的PC机，已在企业和家庭中广泛作为信息设备。

　　b． 控制系统的范围逐渐扩大，用户希望自选设备，并能简单方便地把它们相互连接起来，进行统一管理。

　　（2） 提供新的服务

　　a． 系统集成SI（System Integrator）

　　开放化通过多卖方技术设备的综合，建立系统，这就需要高效运行的控制系统集成业务，根据用户对象，熟悉系统中各种自动化仪表，选择最佳设备。今后的趋势是由专门的SI部门来代替用户组成系统。

　　b. 系统维修

　　用通用信息处理设备组成的控制系统，当故障出现时，判别哪台设备出故障是非常困难的，仪表制造厂不仅要对自己的产品，还必须对在系统中的通用信息处理设备提供一定程度的综合维修服务。

　　DCS经历了初创（1975-1980）、成熟（1980-1985）、扩展（1985以后）几个发展时期，在控制功能完善、信息处理能力、速度及组态软件等方面取得了令人瞩目的成就，已经成为计算机控制系统的主流。当今几乎每个发达国家都生产自己的DCS，生产厂家一百多家，已销售几万台套。主要生产厂家集中在美国、日本、德国等多家公司，如美国的霍尼韦尔（Honeywell），TDC300、TDC3000X、S9000；Foxboro,I/AS;Westing House,WDPF;ABB,MOD300; 日本横河（Yokoyawa）,CENUM,Μxl; 日立HIACS3000、5000；德国的西门子（Siemens）,TelenermM、SIPAOS200；加拿大贝莱（BAILEY），N90。
目前世界上约有200家PLC生产厂家，目前占控制市场份额30%。主要生产厂家有美国的AB公司，莫迪康公司、GE公司、德国的西门子公司、法国的Teleme Cangue公司、日本的欧姆龙公司、三菱电机公司。PLC将与IPC、DCS集成，PLC逐渐成为占自动化装置及过程控制系统最大市场份额的产品。据美国专家预测，到2000年PLC占控制市场份额将超过50%。

　　现场总线技术是九十年代迅速发展起来的一种用于各种现场自动化设备与其控制系统的网络通信技术，是一种用于各种现场仪表（包括变送器、执行器、记录仪、单回路调节器、可编程序控制器、流程分析器等）与基于计算机的控制系统之间进行的数据通信系统。有人预测：基于现场总线的FCS（Fieidbus Control System）将取代DCS成为控制系统的主角，Internet和Intranet技术也将进入控制领域，计算机自动化系统渗透到企业从生产到管理、直到经营的方方面面。

　　（3） 自动化产品市场需求将快速增长

　　全球的自动化产品市场销售额预测如下：全球的过程自动化产品市场销售额，在1996年达461亿美元，到2001年将半长到559亿美元，预计在2006年将达到700亿美元。从1996年到2001年间的年平均增长率为3.9%，而从2001年到2006年年平均增长率将达到4.6%，以不变价格计算，则2006年的销售额为761亿美元。主要应用于玻璃、陶瓷、钢铁和有色金属工业、轧钢和铝板材工业、化学、食品和制药业、石化工业、纸浆和造纸业、环保、矿山、石油和天燃气工业等。

　　在1996年的自动化产品，系统和维修的461亿美元中，有406亿美元是属于自动化工程项目方面，有54亿美元是用于操作方面。测量和自动化技术作为新的投资，在工厂现代化投资中将增长2-3倍。到2006年全球过程自动化产品的市场需求情况为：矿山工业为70亿美元、原材料工业为90亿美元、过程工业为360亿美元、电站为110亿美元、环保工业为70亿美元。就全球地区而言，北美占27.2%、西欧占26%、亚非（不包括日本）占21.1%、日本占12.3%、东欧占4.7%、南美占4.9%，其它地区占3.7%，从中看出亚非地区的市场发展前景最好。

　　2． 科学仪器

　　科学仪器含光学仪器和分析析器

　　A． 光学仪器

　　光学仪器是工农业生产、资源勘探、空间探索、科学实验、国防建设以及社会生活各个领域不可缺少的观察、测试、分析、控制、记录和传递和工具。特别是现代光学仪器的功能已成为人脑神经功能的延伸和拓展。

　　集成电路生产所用制造设备品种的40%、数量的60%都是光学设备，而检验仪器所占比重就更大。计量工作约有90%属几何尺寸测量 ，其中主要用光学计量仪器来完成。过去在计量室测量一个凸轮需要数小时；现在在车间生产现场，用计算机控制的三坐标测量机进行测量只需10分钟。轧钢生产现场条件极其恶劣，被测件温度超过1000℃。运动速度为数米每秒，并伴有振动、高温、氧化层飞溅、冷却水雾弥漫和强电磁干扰，但是利用CCD光电在线测径系统在轧钢生产中进行在线尺寸检测，控制了生产流程，就能保证产品高质量和生产高效率。
光学遥感仪器帮助人类解决面临的能源、粮食、气象预报、环境监测等方面的重大问题。在15号阿波罗飞船上装载的光学遥感仪器就有近十种。美国在70年代先后发射三颗陆地卫星，化费2.5亿美元，但所获经济效益大得多，其中仅用遥感仪器监视洪水、探测农作物病虫害、改进油田勘探以及粮食估产等几项，每年的经济收益估计就达15亿美元以上。

　　由于光电系统具有光学和电子两方面的技术优势，从而能满足生产过程中的自动监控以及图象分析、精密测量、信息处理和伟输、微观观察、记录、显示、传递和储存；利用光电转换能在太空、深水、高温、有毒有害气体、核辐射等各种特殊环境下正常地工作。因此光机电一体化的现代光学仪器或光电仪器设备应用十分广泛。

　　现代光学仪器的发展趋势

　　随着光学仪器产业结构的全球性调整，主要工业发达国家竞相发展高技术产品，使传统的光学仪器已向现代光学仪器转变。美日德等国为了发展现代化的光学仪器工业，大力开发和应用各种新技术、新器件、新材料、新原理，系统地应用光机电算综合技术，以最快的速度开发新颖的高附加值产品投入市场。使光学仪器向产业高技术化、产品高附加值化和智能化、企业集团化和国际化、制造技术柔性化方向发展。

　　现代光学仪器的特征

　　（1） 现代光学仪器冲破了传统现论（以几何光学或物理光学为基础）的束缚，光学技术同其它学科和技术不断融化、渗透，派生出新的学科分支，形成许多交叉发展的领域，打破了长期来光学的传统应用范围。如以傅里叶变换原理为基础的各类傅里叶变换光谱仪；基于光声效应的激光光声光谱仪；利用激光开拓新的测量原理、方法，使众多的激光计量检测仪器问世，激光技术与传统的显微镜相结合，开发出激光扫描显微镜系列产品；得用光电转换原理生产了一大批新颖的光电仪器。许多新技术如激光、红外、光纤、光信息处理、微光学等得到开发应用。

　　（2） 在结构上打破了以光学和机械为主体的基本框架，集光学、机械、电子、计算机于一体，电子技术、计算机及其软件成为仪器不可分割的重要组成部分。

　　（3） 摆脱了传统光学仪器离不开人的操作和观测的经典模式，操作、检测、数据处理和信息传递实现自动化，工作效率、文凭性和可靠性是传统光学仪器无可比拟的。

　　（4） 在设计方法上日益采用计算机辅助设计、优化设计和"三化"设计。整个系列产品品种之间零部件通用性强，标准化程度高，标准件多，因而使仪器成本下降，质量提高。
（5） 现代光学仪器的质量评价标准更全面、更严格。过去，评价传统光学仪器的质量，主要着眼于功能指标，即仪器的使用范围、精度等级、灵敏度、重复性、稳定性及结构特性等。如今较全面地客观评价现代光学仪器的质量指标、可靠性、工艺性、经济性、人机学指标、美学指标、标准化及专利权指标等八个方面。

　　发展趋势

　　从传统光学仪器转变现代光学仪器，关键在于计算机化，而微电子技术是基础。光谱仪器发展最快，发达国家80年代已实现微机化，现已向联用技术、全自动化（如内装机械手等机器人系统，实现无人操作），实验室信息管理系统自动化及智能化方向发展。光学计量仪器从大型精密仪器--三坐标测量机到传统的自准直仪和投影仪都已实现微机化、光电化；激光技术的结合和CCD等光电器件的引入，更为快速、准确、可靠的在线检测和监控创造了条件。

　　在未来10年，由于高新技术的发展和应用，将进一步推动光学仪器实现光机电算一体化和智能化。现今的智能化仪器更确切地应称为"微机化"仪器。而更高程度的智能化是信息技术的最高层次，应包括理解、推理、判断与分析等一系列功能，是数值、逻辑与知识的综合分析结果，智能化的标志是知识的表达与应用。电子技术、计算机技术和光电器件的不断发展和功能的完善，为仪器向更高档次的智能发展创造了条件。

　　未来10年，光和电的渗透会进一步强化，更多的新技术、新器件推广应用，因而在光机电算一体化的基础上熔入不同原理，派生出新用途的产品，以满足各领域日益增长的需求。具有优异性能的光电器件和功能材料的开和应用，将加速现代光学仪器的发展。如CCD器件、半导体激光器、光纤传感器等制造技术趋于成熟，实际应用已获突破，显示了广泛的应用前景。它必将使光学仪器领域发生重要变革，推动产品向小型化、高分辨、光电化和自动化发展。

　　光学计量仪器

　　· 未来的光学计量仪器仪表必须简化设计，大量压缩零部件，提高智能化和便于操作，发展在线计量测试仪器仪表

　　· 利用物理学的新效应和高新技术及其成就开发新型计量测试仪器仪表和新型高灵敏度、高稳定性、强抗干扰能力的新型传感器技术如：

　　――利用高温超导量子干涉器（SGUID）开发计量测试仪器、物理学测试仪器、地学和地质学仪器、化学分析仪器、医学仪器帮无损材料检验仪器等。
　　――利用椭偏技术来检测光纤、光学玻璃等，这是大家所共知的。但它与近场光学相结合，不仅可以测量表面精细结构，同时根据近场光学反射偏振信息可以分辨出被测物体的材料。这是目前实验研究的新探索。