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計量論壇

標題: 國外儀器儀表的發展趨勢 [打印本頁]

作者: duomeiti 時間: 2008-6-11 11:12
標題: 國外儀器儀表的發展趨勢

國外儀器儀表的發展趨勢

2008-06-11

綜觀科學上的重大發現，往往是由于新的觀測手段的發明而開展起來的。以物理學諾貝爾獎金獲得者為例，百分之五十的工作是得益于新的儀器或測試手段的發明創造。儀器儀表也是實現信息的獲取、轉換、存貯、處理和揭示物質運動的必備工具，儀器儀表裝備水平在很大程度上反映出一個國家的生產力發展和現代化水平。

　　一、 儀器儀表發展概況
　　50年代初期，儀器儀表取得了重大突破，數字技術的出現使各種數字儀器得以問世，把模擬儀器的精度、分辨力與測量速度提高了幾個量級，為實現測試自動化打下了良好的基礎。

　　60年代中期，測量技術又一次取得了進展，計算機的引入，使儀器的功能發生了質的變化，從個別電量的測量轉變成測量整個系統的特征參數，從單純的接收、顯示轉變為控制、分析、處理、計算與顯示輸出，從用單個儀器進行測量轉變成用測量系統進行測量。

　　70年代，計算機技術在儀器儀表中的進一步滲透，使電子儀器在傳統的時域與頻域之外，又出現了數據域（Data domain）測試。

　　80年代，由于微處理器被用到儀器中，儀器前面板開始朝鍵盤化方向發展，過去直觀的用于調節時基或幅度的旋轉度盤，選擇電壓電流等量程或功能的滑動開關，通、斷開關鍵已經消失。測量系統的主要模式，是采用機柜形式，全部通過IEEE-488總線送到一個控制器上。測試時，可用豐富的BASIC語言程序來高速測試。不同于傳統獨立儀器模式的個人儀器（Personal instrument）已經得到了發展。
90年代，儀器儀表與測量科學進一步取得重大的突破性進展。這個進展的主要標志是儀器儀表智能化程度的提高。突出表現在以下幾個方面。

1．微電子技術的進步將更深刻地影響儀器儀表的設計；
2． DSP芯片的大量問世，使儀器儀表數字信號處理功能大大加強；
3．微型機的發展，使儀器儀表具有更強的數據處理能力；
4．圖像處理功能的增加十分普遍；
5． VXI總線得到廣泛的應用。

　　二、 國外儀器儀表發展特點

　　1． 新技術的應用

　　目前普遍采用EDA（電子設計自動化）、CAM（計算機輔助制造）、CAT（計算機輔助測試）、DSP（數字信號處理）、ASIC（專用集成電路）及SMT（表面貼裝技術）等。

　　2． 產品結構變化

　　注重性能價格比。在重視高檔儀器開發的同時，注重高新技術和量大面廣產品的開發與生產。

　　注重系統集成，不僅著眼于單機，更注重系統、產品軟化，隨著各類儀器裝上了CPU，實現了數字化后，軟件上投入了巨大的人力、財力。今后的儀器歸納成一個簡單的公式：儀器=AD/DA+CPU+軟件，AD芯片將模擬信號變成數字信號，再經過軟件處理變換后用DA輸出。
3． 產品開發準則發生了變化

　　從技術驅動轉為市場驅動，從一味追求高精尖轉為"恰到好處"。開發一項成功產品的準則是，用戶有明確的需求；能用最短的開發時間投放市場；功能與性能要恰到好處；產品開發準則的另一變化是收縮方向，集中優勢。

　　4． 生產技術注重專業生產，不搞大而全

　　生產過程采用自動測試系統。目前多以GP-IB儀器組建自動測試系統。生產線上盡是一個個大的測試柜，快速地進行自動測試、統計、分析、打印出結果。

　　三、 國外儀器儀表發展趨勢
　　1． 自動化儀表的發展趨勢

　　工業自動化控制儀表主要包括變送器、調節器、調節閥等設備，，控制儀表從基地式調節器（變送、指示、調節一體化的儀表）開始，經歷了氣動、電動單元組合儀表到計算機控制系統（DDC），直至今日的分散控制系統DCS。DCS已經走過了20多年的里程，DCS以其高度的可靠性、強大而易于擴充的功能、漂亮的圖形界面、方便的組態軟件、豐富的控制算法、開放的聯網能力等優點，得到迅速的發展，成為計算機工業控制系統的主流。PLC以其結構緊湊、功能簡單、速度快、可靠性高、價格低等優點，迅速獲得廣泛應用，已成為與DCS并駕齊驅的另一種主流工業控制系統。目前以PLC為基礎的DCS發展很快，PLC與DCS相互滲透、相互融合、相互競爭，已成為當前工業控制系統的發展趨勢。

　　（1） 開放化

　　開放化及小型化（Down Sizing）、顧客服務系統等新的、關鍵技術已進入自動化行業，與以往DCS相對應的PC機控制系統也已經出現。近幾年PC機及其相關技術的迅速發展，將對今后產生重大影響。開放化潮流的背景，有下述兩方面：

　　a．大量生產的PC機，已在企業和家庭中廣泛作為信息設備。

　　b．控制系統的范圍逐漸擴大，用戶希望自選設備，并能簡單方便地把它們相互連接起來，進行統一管理。

　　（2） 提供新的服務

　　a．系統集成SI（System Integrator）

　　開放化通過多賣方技術設備的綜合，建立系統，這就需要高效運行的控制系統集成業務，根據用戶對象，熟悉系統中各種自動化儀表，選擇最佳設備。今后的趨勢是由專門的SI部門來代替用戶組成系統。

　　b. 系統維修

　　用通用信息處理設備組成的控制系統，當故障出現時，判別哪臺設備出故障是非常困難的，儀表制造廠不僅要對自己的產品，還必須對在系統中的通用信息處理設備提供一定程度的綜合維修服務。

　　DCS經歷了初創（1975-1980）、成熟（1980-1985）、擴展（1985以后）幾個發展時期，在控制功能完善、信息處理能力、速度及組態軟件等方面取得了令人矚目的成就，已經成為計算機控制系統的主流。當今幾乎每個發達國家都生產自己的DCS，生產廠家一百多家，已銷售幾萬臺套。主要生產廠家集中在美國、日本、德國等多家公司，如美國的霍尼韋爾（Honeywell），TDC300、TDC3000X、S9000；Foxboro,I/AS;Westing House,WDPF;ABB,MOD300; 日本橫河（Yokoyawa）,CENUM,Μxl; 日立HIACS3000、5000；德國的西門子（Siemens）,TelenermM、SIPAOS200；加拿大貝萊（BAILEY），N90。
目前世界上約有200家PLC生產廠家，目前占控制市場份額30%。主要生產廠家有美國的AB公司，莫迪康公司、GE公司、德國的西門子公司、法國的Teleme Cangue公司、日本的歐姆龍公司、三菱電機公司。PLC將與IPC、DCS集成，PLC逐漸成為占自動化裝置及過程控制系統最大市場份額的產品。據美國專家預測，到2000年PLC占控制市場份額將超過50%。

　　現場總線技術是九十年代迅速發展起來的一種用于各種現場自動化設備與其控制系統的網絡通信技術，是一種用于各種現場儀表（包括變送器、執行器、記錄儀、單回路調節器、可編程序控制器、流程分析器等）與基于計算機的控制系統之間進行的數據通信系統。有人預測：基于現場總線的FCS（Fieidbus Control System）將取代DCS成為控制系統的主角，Internet和Intranet技術也將進入控制領域，計算機自動化系統滲透到企業從生產到管理、直到經營的方方面面。

　　（3） 自動化產品市場需求將快速增長

　　全球的自動化產品市場銷售額預測如下：全球的過程自動化產品市場銷售額，在1996年達461億美元，到2001年將半長到559億美元，預計在2006年將達到700億美元。從1996年到2001年間的年平均增長率為3.9%，而從2001年到2006年年平均增長率將達到4.6%，以不變價格計算，則2006年的銷售額為761億美元。主要應用于玻璃、陶瓷、鋼鐵和有色金屬工業、軋鋼和鋁板材工業、化學、食品和制藥業、石化工業、紙漿和造紙業、環保、礦山、石油和天燃氣工業等。

　　在1996年的自動化產品，系統和維修的461億美元中，有406億美元是屬于自動化工程項目方面，有54億美元是用于操作方面。測量和自動化技術作為新的投資，在工廠現代化投資中將增長2-3倍。到2006年全球過程自動化產品的市場需求情況為：礦山工業為70億美元、原材料工業為90億美元、過程工業為360億美元、電站為110億美元、環保工業為70億美元。就全球地區而言，北美占27.2%、西歐占26%、亞非（不包括日本）占21.1%、日本占12.3%、東歐占4.7%、南美占4.9%，其它地區占3.7%，從中看出亞非地區的市場發展前景最好。

　　2． 科學儀器

　　科學儀器含光學儀器和分析析器

　　A． 光學儀器

　　光學儀器是工農業生產、資源勘探、空間探索、科學實驗、國防建設以及社會生活各個領域不可缺少的觀察、測試、分析、控制、記錄和傳遞和工具。特別是現代光學儀器的功能已成為人腦神經功能的延伸和拓展。

　　集成電路生產所用制造設備品種的40%、數量的60%都是光學設備，而檢驗儀器所占比重就更大。計量工作約有90%屬幾何尺寸測量，其中主要用光學計量儀器來完成。過去在計量室測量一個凸輪需要數小時；現在在車間生產現場，用計算機控制的三坐標測量機進行測量只需10分鐘。軋鋼生產現場條件極其惡劣，被測件溫度超過1000℃。運動速度為數米每秒，并伴有振動、高溫、氧化層飛濺、冷卻水霧彌漫和強電磁干擾，但是利用CCD光電在線測徑系統在軋鋼生產中進行在線尺寸檢測，控制了生產流程，就能保證產品高質量和生產高效率。
光學遙感儀器幫助人類解決面臨的能源、糧食、氣象預報、環境監測等方面的重大問題。在15號阿波羅飛船上裝載的光學遙感儀器就有近十種。美國在70年代先后發射三顆陸地衛星，化費2.5億美元，但所獲經濟效益大得多，其中僅用遙感儀器監視洪水、探測農作物病蟲害、改進油田勘探以及糧食估產等幾項，每年的經濟收益估計就達15億美元以上。

　　由于光電系統具有光學和電子兩方面的技術優勢，從而能滿足生產過程中的自動監控以及圖象分析、精密測量、信息處理和偉輸、微觀觀察、記錄、顯示、傳遞和儲存；利用光電轉換能在太空、深水、高溫、有毒有害氣體、核輻射等各種特殊環境下正常地工作。因此光機電一體化的現代光學儀器或光電儀器設備應用十分廣泛。

　　現代光學儀器的發展趨勢

　　隨著光學儀器產業結構的全球性調整，主要工業發達國家競相發展高技術產品，使傳統的光學儀器已向現代光學儀器轉變。美日德等國為了發展現代化的光學儀器工業，大力開發和應用各種新技術、新器件、新材料、新原理，系統地應用光機電算綜合技術，以最快的速度開發新穎的高附加值產品投入市場。使光學儀器向產業高技術化、產品高附加值化和智能化、企業集團化和國際化、制造技術柔性化方向發展。

　　現代光學儀器的特征

　　（1）現代光學儀器沖破了傳統現論（以幾何光學或物理光學為基礎）的束縛，光學技術同其它學科和技術不斷融化、滲透，派生出新的學科分支，形成許多交叉發展的領域，打破了長期來光學的傳統應用范圍。如以傅里葉變換原理為基礎的各類傅里葉變換光譜儀；基于光聲效應的激光光聲光譜儀；利用激光開拓新的測量原理、方法，使眾多的激光計量檢測儀器問世，激光技術與傳統的顯微鏡相結合，開發出激光掃描顯微鏡系列產品；得用光電轉換原理生產了一大批新穎的光電儀器。許多新技術如激光、紅外、光纖、光信息處理、微光學等得到開發應用。

　　（2）在結構上打破了以光學和機械為主體的基本框架，集光學、機械、電子、計算機于一體，電子技術、計算機及其軟件成為儀器不可分割的重要組成部分。

　　（3）擺脫了傳統光學儀器離不開人的操作和觀測的經典模式，操作、檢測、數據處理和信息傳遞實現自動化，工作效率、文憑性和可靠性是傳統光學儀器無可比擬的。

　　（4）在設計方法上日益采用計算機輔助設計、優化設計和"三化"設計。整個系列產品品種之間零部件通用性強，標準化程度高，標準件多，因而使儀器成本下降，質量提高。
（5）現代光學儀器的質量評價標準更全面、更嚴格。過去，評價傳統光學儀器的質量，主要著眼于功能指標，即儀器的使用范圍、精度等級、靈敏度、重復性、穩定性及結構特性等。如今較全面地客觀評價現代光學儀器的質量指標、可靠性、工藝性、經濟性、人機學指標、美學指標、標準化及專利權指標等八個方面。

　　發展趨勢

　　從傳統光學儀器轉變現代光學儀器，關鍵在于計算機化，而微電子技術是基礎。光譜儀器發展最快，發達國家80年代已實現微機化，現已向聯用技術、全自動化（如內裝機械手等機器人系統，實現無人操作），實驗室信息管理系統自動化及智能化方向發展。光學計量儀器從大型精密儀器--三坐標測量機到傳統的自準直儀和投影儀都已實現微機化、光電化；激光技術的結合和CCD等光電器件的引入，更為快速、準確、可靠的在線檢測和監控創造了條件。

　　在未來10年，由于高新技術的發展和應用，將進一步推動光學儀器實現光機電算一體化和智能化。現今的智能化儀器更確切地應稱為"微機化"儀器。而更高程度的智能化是信息技術的最高層次，應包括理解、推理、判斷與分析等一系列功能，是數值、邏輯與知識的綜合分析結果，智能化的標志是知識的表達與應用。電子技術、計算機技術和光電器件的不斷發展和功能的完善，為儀器向更高檔次的智能發展創造了條件。

　　未來10年，光和電的滲透會進一步強化，更多的新技術、新器件推廣應用，因而在光機電算一體化的基礎上熔入不同原理，派生出新用途的產品，以滿足各領域日益增長的需求。具有優異性能的光電器件和功能材料的開和應用，將加速現代光學儀器的發展。如CCD器件、半導體激光器、光纖傳感器等制造技術趨于成熟，實際應用已獲突破，顯示了廣泛的應用前景。它必將使光學儀器領域發生重要變革，推動產品向小型化、高分辨、光電化和自動化發展。

　　光學計量儀器

　　· 未來的光學計量儀器儀表必須簡化設計，大量壓縮零部件，提高智能化和便于操作，發展在線計量測試儀器儀表

　　· 利用物理學的新效應和高新技術及其成就開發新型計量測試儀器儀表和新型高靈敏度、高穩定性、強抗干擾能力的新型傳感器技術如：

　　――利用高溫超導量子干涉器（SGUID）開發計量測試儀器、物理學測試儀器、地學和地質學儀器、化學分析儀器、醫學儀器幫無損材料檢驗儀器等。
　　――利用橢偏技術來檢測光纖、光學玻璃等，這是大家所共知的。但它與近場光學相結合，不僅可以測量表面精細結構，同時根據近場光學反射偏振信息可以分辨出被測物體的材料。這是目前實驗研究的新探索。

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