世界儀器儀表發(fā)展趨勢

50年代初期，儀器儀表取得了重大突破，數字技術(shù)的出現使各種數字儀器得以問(wèn)世，把模擬儀器的精度、分辨力與測量速度提高了幾個(gè)量級，為實(shí)現測試自動(dòng)化打下了良好的基點(diǎn)。60年代中期，測量技術(shù)又一次取得了進(jìn)展，計算機的引入，使儀器的功能發(fā)生了質(zhì)的變化，從個(gè)別電量的測量轉變成測量整個(gè)系統的待征參數，從單純的接收、顯示轉變?yōu)榭刂�、分析、處理、計算與顯示輸出，從用單個(gè)儀器進(jìn)行測量轉變成用測量系統進(jìn)行測量。70年代，計算機技術(shù)在儀器儀表中的進(jìn)一步滲透，使電子儀器在傳統的時(shí)域與頻域之外，又出現了數據或(Datadomain)測試。80年代，由于微處理器被用到儀器中，儀器前面板開(kāi)始朝鍵盤(pán)化方向發(fā)展，過(guò)去直觀(guān)的用于調節時(shí)基或幅度的旋轉度盤(pán)，選擇電壓電流等量程或功能的滑動(dòng)開(kāi)關(guān)，通、斷開(kāi)關(guān)鍵已經(jīng)消失。測量系統的主要模式，是采用機柜形式，全部通過(guò)IEEE-488總線(xiàn)送到一個(gè)控制品上。測試時(shí)，可用豐富的BASIC語(yǔ)言程序來(lái)高速測試。不同于傳統獨立儀器模式的個(gè)人儀器已經(jīng)得到了發(fā)展。90年代，儀器儀表與測量科學(xué)進(jìn)步取得重大的突破性進(jìn)展。這個(gè)進(jìn)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(gè)方面：微電子技術(shù)的進(jìn)步將更深刻地影響儀器儀表的設計：DSP芯片的大量問(wèn)世，使儀器儀表數字信號處理功能大大加強；微型機的發(fā)展，使儀器儀表具有更強的數據處理能力；圖像處理功能的增加十分普遍；VXI總線(xiàn)得到廣泛的應用。

一、國外儀器儀表發(fā)展特點(diǎn)：

　1、新技術(shù)的應用。目前普遍采用EDA(電子設計自動(dòng)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(zhuān)用集成電路)及SMT(表面貼裝技術(shù))等。

　2、產(chǎn)品結構變化。注重性能價(jià)格化。在重視高檔儀器開(kāi)發(fā)的同時(shí)，注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)。

注重系統集成，不僅著(zhù)眼于單機，更注重系統、產(chǎn)品軟化，隨著(zhù)各類(lèi)儀器裝上了CPU，實(shí)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(gè)簡(jiǎn)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(jīng)過(guò)軟件處理變換后用DA輸出。

3、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)準則發(fā)生了變化。從技術(shù)驅動(dòng)轉為市場(chǎng)驅動(dòng)，從一味追求高精尖轉為“恰到好處”。開(kāi)發(fā)一項成功產(chǎn)品的準則是，用戶(hù)有明確的需求；能用最短的開(kāi)發(fā)時(shí)間投放市場(chǎng)；功能與性能要恰到好處；產(chǎn)品開(kāi)發(fā)準則的另一變化是收縮方向，集中優(yōu)勢。

4、生產(chǎn)技術(shù)注重專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)，不大而全。生產(chǎn)過(guò)程采用自動(dòng)測試系統。目前多以GP-IB儀器組建自動(dòng)測試系統。生產(chǎn)線(xiàn)上盡是一個(gè)個(gè)大的測試柜，快速地進(jìn)行自動(dòng)測試、統計、分析、打印出結果。

二、國外儀器儀表發(fā)展趨勢

　　1、自動(dòng)化儀器的發(fā)展趨勢

工業(yè)自動(dòng)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(kāi)始，經(jīng)歷了氣功、電動(dòng)單元組合儀表到計算機控制系統(DDC)，直到今日的分散控制系統DCS。DCS已經(jīng)走過(guò)了20多年的里程，DCS，以其高度的可靠性、方便的組態(tài)軟件、豐富的控制算法、開(kāi)放的聯(lián)網(wǎng)能力等優(yōu)點(diǎn)，得到迅速的發(fā)展，成為計算機工業(yè)控制系統的主流。PLC以其結構緊湊、功能簡(jiǎn)單、速度快、可靠性高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，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(yè)控制系統。目前以PLC為基礎的DCS發(fā)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(yè)控制系統的發(fā)展趨勢。DCS經(jīng)歷了初創(chuàng )(1975-1980)、成熟(1980-1985)、擴展(1985年以后)幾個(gè)發(fā)展時(shí)期，在控制功能完善、信息處理能力、速度及組態(tài)軟件等方面取得令人矚目的成就，已經(jīng)成為計算機控制系統的主流。當今幾乎每個(gè)發(fā)達國家都生產(chǎn)自己的DCS，生產(chǎn)廠(chǎng)家一百多家，已銷(xiāo)售幾萬(wàn)臺套。主要生產(chǎn)廠(chǎng)家集中在美國、日本、德國等多家公司，如美國霍尼韋爾(Honewell)的TDC300、TDC3000X、S9000；Foxboro的I/AS；Westinghouse的WDPF；ABB的MOD300；日本橫河(YOKOY2W2)的CENUM、Mxl；日立的HIACS3000、5000；德國西門(mén)子(Siemens)的TelenermM、SIPAOS200；貝萊(BAILEY)的N90。

目前世界上約有200家PLC生產(chǎn)廠(chǎng)家，目前占控制市場(chǎng)份額30％。主要生產(chǎn)廠(chǎng)家有美國的AB公司、莫迪康公司、GE公司、德國的西門(mén)子公司、法國的TetemeCangue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(dòng)化裝置及過(guò)程控制系統最大市場(chǎng)份額的產(chǎn)品。據美國專(zhuān)家預測，到2000年P(guān)LC占控制市場(chǎng)份額將超過(guò)50％。

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是九十年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種用于各種現場(chǎng)自動(dòng)化設備與其控制系統的網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，是一種用于各種現場(chǎng)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(jìn)行的數據通信系統。有人預測：基于現場(chǎng)總線(xiàn)FCS(FieidbusControlSystem)將取代DCS成為控制系統的主角，Internet和Intranet技術(shù)也將進(jìn)入控制領(lǐng)域，計算機自動(dòng)化系統滲透到企業(yè)從生產(chǎn)到管理、直到經(jīng)營(yíng)的方方面面。

全球的自動(dòng)化儀表產(chǎn)品市場(chǎng)需求將快速增長(cháng)。過(guò)程自動(dòng)化儀表產(chǎn)品市場(chǎng)銷(xiāo)售額，在1996年達到461億美元，到2001年將增長(cháng)到599億美元，預計到2006年將達到700億美元。從1996年到2001年間的年平均增長(cháng)率為3．9％，而從2001年到2006年年平均增長(cháng)率將達到4.6％，以不變價(jià)格計算，則2006年的銷(xiāo)售額為761億美元。主要應用于玻璃、陶瓷、鋼鐵和有限金屬工業(yè)、軋鋼和鋁板材工業(yè)、化學(xué)、食品和制藥業(yè)、石化工業(yè)、紙漿和造紙業(yè)、環(huán)保、礦山、石油和天燃氣工業(yè)等。

在1996年的自動(dòng)化產(chǎn)品，系統和維修的461億美元中，有406億美元是屬于自動(dòng)化工程項目方面，有54億美元是用于操作方面。測量和自動(dòng)化技術(shù)作為新的投資，在工廠(chǎng)現代化技資中將增長(cháng)2~3倍。到2006年全球過(guò)程自動(dòng)化產(chǎn)品的市場(chǎng)需求情況為：礦山工業(yè)為70億美元、原材料工業(yè)為90億美元、過(guò)程工業(yè)為360億美元、電站為110億美元、環(huán)保工業(yè)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(chǎng)發(fā)展前景最好。

2．科學(xué)儀器的發(fā)展趨勢

(1)現代光學(xué)儀器的發(fā)展趨勢

從傳統光學(xué)儀器轉變現代光學(xué)儀器，關(guān)鍵在于計算機化，而微電子技術(shù)是基礎。光譜儀器發(fā)展最快，發(fā)達國家80年代巳實(shí)現微機化，現已向聯(lián)用技術(shù)、全自動(dòng)化(如內裝機械手等機器人系統，實(shí)現元人操作)，實(shí)驗室信息管理系統自動(dòng)化及智能化方向發(fā)展。光學(xué)計量?jì)x器從大型精密儀器——三座標測量機到傳統的自準直儀和投影儀都已實(shí)現微機化、光電化；激光技術(shù)的結合和CCD等光電器件的引人，更為快速、準確、可靠的在線(xiàn)檢測和監控創(chuàng )造了條件。

未來(lái)10年，由于高新技術(shù)的發(fā)展和應用，將進(jìn)一步推動(dòng)光學(xué)儀器實(shí)現光機電算一體化和智能化�，F今的智能化儀器更確切地應稱(chēng)為“微機化”儀器。而更高程度的智能化是信息技術(shù)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、邏輯與知識的結合分析結果，智能化的標志是知識的表達與應用。電子技術(shù)、計算機技術(shù)和光電器件的不斷發(fā)展和功能的完善，為儀器向更高檔次的智能發(fā)展創(chuàng )造了條件。

未來(lái)10年，光和電的滲透會(huì )進(jìn)一步強化，更多的新技術(shù)、新器件推廣應用，因而在光機電算一體化的基礎上融入不同原理，派生出新用途的產(chǎn)品，以滿(mǎn)足各領(lǐng)域日益增長(cháng)的需求。具有優(yōu)異性能的光電器件和功能材料的開(kāi)發(fā)和應用，將加速現代光學(xué)儀器的發(fā)展。如CCD器件、半導體激光器、光纖傳感器等制造技術(shù)趨于成熟，實(shí)現應用已獲突破，顯示了廣泛的應用前景。它必將使光學(xué)儀器領(lǐng)域發(fā)生重要變革，推動(dòng)產(chǎn)品向小型化、高分辨、光電化和自動(dòng)化發(fā)展。

(2)光學(xué)計量?jì)x器的發(fā)展趨勢

●未來(lái)的光學(xué)計量?jì)x器儀表是簡(jiǎn)化設計，大量壓縮零部件，提高智能化和便于操作，發(fā)展在線(xiàn)計量測試儀器儀表。

●利用物理學(xué)的新效應和高新技術(shù)及其成就開(kāi)發(fā)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(shù)。

如：利用高溫超導量子干涉器(SGUID)開(kāi)發(fā)計量測試儀器、物理學(xué)測試儀器、地學(xué)和地質(zhì)學(xué)儀器、化學(xué)分析儀器、醫學(xué)儀器、無(wú)損材料檢驗儀器等。利用橢偏技術(shù)來(lái)檢測光纖、光學(xué)玻璃等，這是大家所共知的，它與近場(chǎng)光學(xué)相結合，不僅可以測量表面精細結構，同時(shí)根據近場(chǎng)光學(xué)反射偏振信息可以分辨出被測物體的材料，這是目前實(shí)驗研究的新探索。將可調諧穩頻激光光譜儀的技術(shù)用于高精密的幾何量與機械量和多種無(wú)形態(tài)的量的測量。開(kāi)發(fā)以新一代微型光纖傳導激光干涉儀，它的測量范圍可以從納米到幾米或更大的范圍，分辨率可達1Onm，并且克服了HP激光干涉儀的缺點(diǎn)，它具有四激光干涉儀的一切功能；另外，它還可用于稱(chēng)重，研制新型電子天平、高精度的電子皮帶稱(chēng)、高分辨率的壓力計等。發(fā)展納米測量技術(shù)，建立納米計量測試標準，這是當今在計量與測量技術(shù)研究中十分活躍的課題。

●發(fā)展微量機器人。類(lèi)似的測量?jì)x器己出現，即Zeiss的ScanMax三坐標測量機。

　　它是利用了智能機器人技術(shù)，但要保證測量量值的計量正確性是一個(gè)十分復雜理論和技術(shù)問(wèn)題。目前已得到了初步解決。

●環(huán)境保護科學(xué)儀器儀表的發(fā)展與進(jìn)步，將是當今和21世紀的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。有關(guān)環(huán)�？茖W(xué)儀器儀表的檢測和有關(guān)這方面的配套的計量?jì)x器儀表還缺乏。

●用于生產(chǎn)安全與防護的科學(xué)儀器儀表也還需大力開(kāi)發(fā)與發(fā)展。它將成為儀器儀表行業(yè)的新分支。

(3)分析儀器的發(fā)展趨勢

　　分析儀器正向智能化方向發(fā)展，發(fā)展趨勢主要表現是：基于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的應用實(shí)現分析儀器的自動(dòng)化，通過(guò)計算機控制器和數字模型進(jìn)行數據采集、運算、統計、分析、處理，提高分析儀器數據處理能力，數字圖像處理系統實(shí)現了分析儀器數字圖像處理功能的發(fā)展；分析儀器的聯(lián)用技術(shù)向測試速度超高速化、分析試樣超微量化、分析儀器超小型化的方向發(fā)展。

●世界分析儀器事業(yè)持續快速發(fā)展從技術(shù)發(fā)展角度來(lái)看，世紀之交的世界分析儀器技術(shù)可以說(shuō)正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命性的變化，傳統的光學(xué)、熱學(xué)、電化學(xué)、色譜、波譜類(lèi)分析技術(shù)都已從經(jīng)典的化學(xué)精密機械電子學(xué)結構、實(shí)驗室內人工操作應用模式，轉化為光、機、電、算(計算機)一體化、自動(dòng)化的結構，并正向更名副其實(shí)的智能系統發(fā)展(帶動(dòng)有自診斷自控、自調、自行判斷決策等高智能功能)。

多臺儀器、多個(gè)實(shí)驗室結合的綜合分析管理系統(LIMS，LaboratoryinformationManagementSystem)已經(jīng)推廣應用；儀器計算機內裝上調制解調器可以上網(wǎng)、制造廠(chǎng)商可與全球用戶(hù)或用戶(hù)之間實(shí)現信息交流(例如廠(chǎng)商對用戶(hù)正在使用的儀器進(jìn)行遠距診斷、指導正確使用或提出維修指導，各同類(lèi)儀器用戶(hù)或相同分析工作用戶(hù)直接進(jìn)行數據交換、情報共享等)，已經(jīng)不是研究開(kāi)發(fā)的方向，普遍應用已指日可待。

從世界分析儀器銷(xiāo)售增勢來(lái)看，世紀之交在農業(yè)、能源、信息、環(huán)境、材料、生物、醫學(xué)等領(lǐng)域快速發(fā)展的全球需求刺激下，加上分析儀器技術(shù)發(fā)展推動(dòng)的分析儀器更新?lián)Q代周期不斷縮短，使多年來(lái)世界分析儀器市場(chǎng)銷(xiāo)售額保持10％左右甚至更高的年增長(cháng)率，這說(shuō)明分析儀器行業(yè)不是“夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”，而是能不斷更新保持Ⅵ盛的生命力。

●世界分析儀器技術(shù)更新快、高科技含量增長(cháng)迅猛。

　　為適應現代高科技研究和產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，作為信息時(shí)代信息獲取——處理——傳輸鏈的源頭技術(shù)，分析儀器技術(shù)的發(fā)展是必然的。沒(méi)有新的分析方法、分析技術(shù)和相應的全新分析儀器，不能更高、更全面、更靈敏、更可靠、更方便地獲取研究、生產(chǎn)、社會(huì )、環(huán)境等領(lǐng)域中全方位的分析檢測信息，21世紀的信息時(shí)代就無(wú)從談起。這是我們在世紀之交期間面臨新形勢的一個(gè)特征，也是分析儀器新技術(shù)、新元器件、新產(chǎn)品會(huì )不斷涌現、高科技含量越來(lái)越大的緣由。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，也是被世界科技和產(chǎn)業(yè)、人類(lèi)社會(huì )發(fā)展大形勢的要求逼出來(lái)的，是分析儀器技術(shù)適應大形勢發(fā)展的結果。

●分析技術(shù)和分析儀器的應用日益拓展

　　在20世紀前些年經(jīng)典的分析技術(shù)和分析儀器主要是為現代產(chǎn)業(yè)大生產(chǎn)服務(wù)，主要為了適應分析、監控工農業(yè)生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量、保障大生產(chǎn)流程安全高效的要求而發(fā)展、提高的；當今世紀之交分析技術(shù)和分析儀器的“用武之地”已經(jīng)大大拓展，最引人注目的是在生物、環(huán)保、醫學(xué)等有關(guān)人的生存、發(fā)展領(lǐng)域的應用日新月異，現代高科技在軍事方面的發(fā)展也促進(jìn)了分析技術(shù)和分析儀器的應用拓展(例如生物武器、化學(xué)武器戰爭中調整、靈敏、準確的現場(chǎng)毒物檢測、生命保障任務(wù)也大大擴大了分析儀器的應用領(lǐng)域)。

可以肯定：在新世紀到來(lái)后，分析技術(shù)和分析儀器的應用由“物”到“人”的拓展趨勢將更加顯著(zhù)。我們必須看準這個(gè)發(fā)展潮流，在分析儀器事業(yè)的發(fā)展思路中擺正位置、選好方向。

21世紀初，世界分析儀器市場(chǎng)的年銷(xiāo)售額遞增率為8-10％。2000年世界市場(chǎng)將達300億美元，世界分析儀器最大的市場(chǎng)是美國，約占總銷(xiāo)售額的4096，其次是歐洲約占27％島，第三是日本，約占20％，中國進(jìn)口分析儀器僅占世界銷(xiāo)售額的1.4％。