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國外儀器儀表的發(fā)展趨勢

發(fā)布時間:2024-7-11     來源:計量小知識    編輯:衡盛楠    審核:張經(jīng)緯 王靜

  綜觀科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn),往往是由于新的觀測手段的發(fā)明而開展起來的。以物理學(xué)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(fā)明創(chuàng)造。儀器儀表也是實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換、存貯、處理和揭示物質(zhì)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(chǎn)力發(fā)展和現(xiàn)代化水平。

  一、 儀器儀表發(fā)展概況          

  50年代初期,儀器儀表取得了重大突破,數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)使各種數(shù)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(xiàn)測試自動化打下了良好的基礎(chǔ)。

  60年代中期,測量技術(shù)又一次取得了進展,計算機的引入,使儀器的功能發(fā)生了質(zhì)的變化,從個別電量的測量轉(zhuǎn)變成測量整個系統(tǒng)的特征參數(shù),從單純的接收、顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂啤⒎治?、處理、計算與顯示輸出,從用單個儀器進行測量轉(zhuǎn)變成用測量系統(tǒng)進行測量。

  70年代,計算機技術(shù)在儀器儀表中的進一步滲透,使電子儀器在傳統(tǒng)的時域與頻域之外,又出現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(fā)展,過去直觀的用于調(diào)節(jié)時基或幅度的旋轉(zhuǎn)度盤,選擇電壓電流等量程或功能的滑動開關(guān),通、斷開關(guān)鍵已經(jīng)消失。測量系統(tǒng)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(tǒng)獨立儀器模式的個人儀器(Personal instrument)已經(jīng)得到了發(fā)展。          

       90年代,儀器儀表與測量科學(xué)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(xiàn)在以下幾個方面。    

1. 微電子技術(shù)的進步將更深刻地影響儀器儀表的設(shè)計;          

2DSP芯片的大量問世,使儀器儀表數(shù)字信號處理功能大大加強;          

3. 微型機的發(fā)展,使儀器儀表具有更強的數(shù)據(jù)處理能力;          

4. 圖像處理功能的增加十分普遍;          

5VXI總線得到廣泛的應(yīng)用。

  二、 國外儀器儀表發(fā)展特點

  1. 新技術(shù)的應(yīng)用          

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

  2. 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化          

  注重性能價格比。在重視高檔儀器開發(fā)的同時,注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)。

  注重系統(tǒng)集成,不僅著眼于單機,更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟化,隨著各類儀器裝上了CPU,實現(xiàn)了數(shù)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(shù)字信號,再經(jīng)過軟件處理變換后用DA輸出。          

      3. 產(chǎn)品開發(fā)準則發(fā)生了變化          

  從技術(shù)驅(qū)動轉(zhuǎn)為市場驅(qū)動,從一味追求高精尖轉(zhuǎn)為"恰到好處"。開發(fā)一項成功產(chǎn)品的準則是,用戶有明確的需求;能用最短的開發(fā)時間投放市場;功能與性能要恰到好處;產(chǎn)品開發(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)注重專業(yè)生產(chǎn),不搞大而全

  生產(chǎn)過程采用自動測試系統(tǒng)。目前多以GP-IB儀器組建自動測試系統(tǒng)。生產(chǎn)線上盡是一個個大的測試柜,快速地進行自動測試、統(tǒng)計、分析、打印出結(jié)果。

  三、 國外儀器儀表發(fā)展趨勢          

  1. 自動化儀表的發(fā)展趨勢

  工業(yè)自動化控制儀表主要包括變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥等設(shè)備,,控制儀表從基地式調(diào)節(jié)器(變送、指示、調(diào)節(jié)一體化的儀表)開始,經(jīng)歷了氣動、電動單元組合儀表到計算機控制系統(tǒng)(DDC),直至今日的分散控制系統(tǒng)DCS。DCS已經(jīng)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(tài)軟件、豐富的控制算法、開放的聯(lián)網(wǎng)能力等優(yōu)點,得到迅速的發(fā)展,成為計算機工業(yè)控制系統(tǒng)的主流。PLC以其結(jié)構(gòu)緊湊、功能簡單、速度快、可靠性高、價格低等優(yōu)點,迅速獲得廣泛應(yīng)用,已成為與DCS并駕齊驅(qū)的另一種主流工業(yè)控制系統(tǒng)。目前以PLC為基礎(chǔ)的DCS發(fā)展很快,PLCDCS相互滲透、相互融合、相互競爭,已成為當前工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

  (1) 開放化

  開放化及小型化(Down Sizing)、顧客服務(wù)系統(tǒng)等新的、關(guān)鍵技術(shù)已進入自動化行業(yè),與以往DCS相對應(yīng)的PC機控制系統(tǒng)也已經(jīng)出現(xiàn)。近幾年PC機及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展,將對今后產(chǎn)生重大影響。開放化潮流的背景,有下述兩方面:    

  a. 大量生產(chǎn)的PC機,已在企業(yè)和家庭中廣泛作為信息設(shè)備。

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

  (2) 提供新的服務(wù)

  a. 系統(tǒng)集成SISystem Integrator

  開放化通過多賣方技術(shù)設(shè)備的綜合,建立系統(tǒng),這就需要高效運行的控制系統(tǒng)集成業(yè)務(wù),根據(jù)用戶對象,熟悉系統(tǒng)中各種自動化儀表,選擇最佳設(shè)備。今后的趨勢是由專門的SI部門來代替用戶組成系統(tǒng)。

  b. 系統(tǒng)維修

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

  DCS經(jīng)歷了初創(chuàng)(1975-1980)、成熟(1980-1985)、擴展(1985以后)幾個發(fā)展時期,在控制功能完善、信息處理能力、速度及組態(tài)軟件等方面取得了令人矚目的成就,已經(jīng)成為計算機控制系統(tǒng)的主流。當今幾乎每個發(fā)達國家都生產(chǎn)自己的DCS,生產(chǎn)廠家一百多家,已銷售幾萬臺套。主要生產(chǎn)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200PLC生產(chǎn)廠家,目前占控制市場份額30%。主要生產(chǎn)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(tǒng)最大市場份額的產(chǎn)品。據(jù)美國專家預(yù)測,到2000PLC占控制市場份額將超過50%。    

  現(xiàn)場總線技術(shù)是九十年代迅速發(fā)展起來的一種用于各種現(xiàn)場自動化設(shè)備與其控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),是一種用于各種現(xiàn)場儀表(包括變送器、執(zhí)行器、記錄儀、單回路調(diào)節(jié)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(tǒng)之間進行的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。有人預(yù)測:基于現(xiàn)場總線的FCSFieidbus Control System)將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角,InternetIntranet技術(shù)也將進入控制領(lǐng)域,計算機自動化系統(tǒng)滲透到企業(yè)從生產(chǎn)到管理、直到經(jīng)營的方方面面。

  (3) 自動化產(chǎn)品市場需求將快速增長

  全球的自動化產(chǎn)品市場銷售額預(yù)測如下:全球的過程自動化產(chǎn)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(yù)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(yīng)用于玻璃、陶瓷、鋼鐵和有色金屬工業(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年的自動化產(chǎn)品,系統(tǒng)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(shù)作為新的投資,在工廠現(xiàn)代化投資中將增長2-3倍。到2006年全球過程自動化產(chǎn)品的市場需求情況為: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(qū)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(qū)占3.7%,從中看出亞非地區(qū)的市場發(fā)展前景最好。    

  2. 科學(xué)儀器

  科學(xué)儀器含光學(xué)儀器和分析析器

  A. 光學(xué)儀器

  光學(xué)儀器是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源勘探、空間探索、科學(xué)實驗、國防建設(shè)以及社會生活各個領(lǐng)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(xiàn)代光學(xué)儀器的功能已成為人腦神經(jīng)功能的延伸和拓展。

  集成電路生產(chǎn)所用制造設(shè)備品種的40%、數(shù)量的60%都是光學(xué)設(shè)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(xué)計量儀器來完成。過去在計量室測量一個凸輪需要數(shù)小時;現(xiàn)在在車間生產(chǎn)現(xiàn)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(chǎn)現(xiàn)場條件極其惡劣,被測件溫度超過1000℃。運動速度為數(shù)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(tǒng)在軋鋼生產(chǎn)中進行在線尺寸檢測,控制了生產(chǎn)流程,就能保證產(chǎn)品高質(zhì)量和生產(chǎn)高效率。          

光學(xué)遙感儀器幫助人類解決面臨的能源、糧食、氣象預(yù)報、環(huán)境監(jiān)測等方面的重大問題。在15號阿波羅飛船上裝載的光學(xué)遙感儀器就有近十種。美國在70年代先后發(fā)射三顆陸地衛(wèi)星,化費2.5億美元,但所獲經(jīng)濟效益大得多,其中僅用遙感儀器監(jiān)視洪水、探測農(nóng)作物病蟲害、改進油田勘探以及糧食估產(chǎn)等幾項,每年的經(jīng)濟收益估計就達15億美元以上。    

  由于光電系統(tǒng)具有光學(xué)和電子兩方面的技術(shù)優(yōu)勢,從而能滿足生產(chǎn)過程中的自動監(jiān)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(zhuǎn)換能在太空、深水、高溫、有毒有害氣體、核輻射等各種特殊環(huán)境下正常地工作。因此光機電一體化的現(xiàn)代光學(xué)儀器或光電儀器設(shè)備應(yīng)用十分廣泛。

 現(xiàn)代光學(xué)儀器的發(fā)展趨勢

  隨著光學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的全球性調(diào)整,主要工業(yè)發(fā)達國家競相發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)品,使傳統(tǒng)的光學(xué)儀器已向現(xiàn)代光學(xué)儀器轉(zhuǎn)變。美日德等國為了發(fā)展現(xiàn)代化的光學(xué)儀器工業(yè),大力開發(fā)和應(yīng)用各種新技術(shù)、新器件、新材料、新原理,系統(tǒng)地應(yīng)用光機電算綜合技術(shù),以最快的速度開發(fā)新穎的高附加值產(chǎn)品投入市場。使光學(xué)儀器向產(chǎn)業(yè)高技術(shù)化、產(chǎn)品高附加值化和智能化、企業(yè)集團化和國際化、制造技術(shù)柔性化方向發(fā)展。

  現(xiàn)代光學(xué)儀器的特征

  (1) 現(xiàn)代光學(xué)儀器沖破了傳統(tǒng)現(xiàn)論(以幾何光學(xué)或物理光學(xué)為基礎(chǔ))的束縛,光學(xué)技術(shù)同其它學(xué)科和技術(shù)不斷融化、滲透,派生出新的學(xué)科分支,形成許多交叉發(fā)展的領(lǐng)域,打破了長期來光學(xué)的傳統(tǒng)應(yīng)用范圍。如以傅里葉變換原理為基礎(chǔ)的各類傅里葉變換光譜儀;基于光聲效應(yīng)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(shù)與傳統(tǒng)的顯微鏡相結(jié)合,開發(fā)出激光掃描顯微鏡系列產(chǎn)品;得用光電轉(zhuǎn)換原理生產(chǎn)了一大批新穎的光電儀器。許多新技術(shù)如激光、紅外、光纖、光信息處理、微光學(xué)等得到開發(fā)應(yīng)用。    

  (2) 在結(jié)構(gòu)上打破了以光學(xué)和機械為主體的基本框架,集光學(xué)、機械、電子、計算機于一體,電子技術(shù)、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(tǒng)光學(xué)儀器離不開人的操作和觀測的經(jīng)典模式,操作、檢測、數(shù)據(jù)處理和信息傳遞實現(xiàn)自動化,工作效率、文憑性和可靠性是傳統(tǒng)光學(xué)儀器無可比擬的。

  (4) 在設(shè)計方法上日益采用計算機輔助設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計和"三化"設(shè)計。整個系列產(chǎn)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(zhì)量提高。          

  5) 現(xiàn)代光學(xué)儀器的質(zhì)量評價標準更全面、更嚴格。過去,評價傳統(tǒng)光學(xué)儀器的質(zhì)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(fù)性、穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)特性等。如今較全面地客觀評價現(xiàn)代光學(xué)儀器的質(zhì)量指標、可靠性、工藝性、經(jīng)濟性、人機學(xué)指標、美學(xué)指標、標準化及專利權(quán)指標等八個方面。

  發(fā)展趨勢

  從傳統(tǒng)光學(xué)儀器轉(zhuǎn)變現(xiàn)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(chǔ)。光譜儀器發(fā)展最快,發(fā)達國家80年代已實現(xiàn)微機化,現(xiàn)已向聯(lián)用技術(shù)、全自動化(如內(nèi)裝機械手等機器人系統(tǒng),實現(xiàn)無人操作),實驗室信息管理系統(tǒng)自動化及智能化方向發(fā)展。光學(xué)計量儀器從大型精密儀器--三坐標測量機到傳統(tǒng)的自準直儀和投影儀都已實現(xiàn)微機化、光電化;激光技術(shù)的結(jié)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(jiān)控創(chuàng)造了條件。

  在未來10年,由于高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,將進一步推動光學(xué)儀器實現(xiàn)光機電算一體化和智能化?,F(xiàn)今的智能化儀器更確切地應(yīng)稱為"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(yīng)包括理解、推理、判斷與分析等一系列功能,是數(shù)值、邏輯與知識的綜合分析結(jié)果,智能化的標志是知識的表達與應(yīng)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10年,光和電的滲透會進一步強化,更多的新技術(shù)、新器件推廣應(yīng)用,因而在光機電算一體化的基礎(chǔ)上熔入不同原理,派生出新用途的產(chǎn)品,以滿足各領(lǐng)域日益增長的需求。具有優(yōu)異性能的光電器件和功能材料的開和應(yīng)用,將加速現(xiàn)代光學(xué)儀器的發(fā)展。如CCD器件、半導(dǎo)體激光器、光纖傳感器等制造技術(shù)趨于成熟,實際應(yīng)用已獲突破,顯示了廣泛的應(yīng)用前景。它必將使光學(xué)儀器領(lǐng)域發(fā)生重要變革,推動產(chǎn)品向小型化、高分辨、光電化和自動化發(fā)展。

  光學(xué)計量儀器

  · 未來的光學(xué)計量儀器儀表必須簡化設(shè)計,大量壓縮零部件,提高智能化和便于操作,發(fā)展在線計量測試儀器儀表

  · 利用物理學(xué)的新效應(yīng)和高新技術(shù)及其成就開發(fā)新型計量測試儀器儀表和新型高靈敏度、高穩(wěn)定性、強抗干擾能力的新型傳感器技術(shù)如:

  ――利用高溫超導(dǎo)量子干涉器(SGUID)開發(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(yī)學(xué)儀器幫無損材料檢驗儀器等。          

  ――利用橢偏技術(shù)來檢測光纖、光學(xué)玻璃等,這是大家所共知的。但它與近場光學(xué)相結(jié)合,不僅可以測量表面精細結(jié)構(gòu),同時根據(jù)近場光學(xué)反射偏振信息可以分辨出被測物體的材料。這是目前實驗研究的新探索。     


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