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 世界儀器儀表發(fā)展趨勢 |
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50年代初期，儀器儀表取得了重大突破，數(shù)字技術的出現(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點。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(fā)生了質(zhì)的變化，從個別電量的測量轉變成測量整個系統(tǒng)的待征參數(shù)，從單純的接收、顯示轉變?yōu)榭刂啤⒎治觥⑻幚怼⒂嬎闩c顯示輸出，從用單個儀器進行測量轉變成用測量系統(tǒng)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(tǒng)的時域與頻域之外，又出現(xiàn)了數(shù)據(jù)或(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(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總線送到一個控制品上。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已經(jīng)得到了發(fā)展。90年代，儀器儀表與測量科學進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：微電子技術的進步將更深刻地影響儀器儀表的設計：DSP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；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；圖像處理功能的增加十分普遍；VXI總線得到廣泛的應用。
一、國外儀器儀表發(fā)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(shù)字信號處理)、ASIC(專用集成電路)及SMT(表面貼裝技術)等。
2、產(chǎn)品結構變化。注重性能價格化。在重視高檔儀器開發(fā)的同時，注重高新技術和量大面廣產(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。從技術驅動轉為市場驅動，從一味追求高精尖轉為“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)技術注重專業(yè)生產(chǎn)，不大而全。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、打印出結果。
二、國外儀器儀表發(fā)展趨勢
1、自動化儀器的發(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)歷了氣功、電動單元組合儀表到計算機控制系統(tǒng)(DDC)，直到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、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以其結構緊湊、功能簡單、速度快、可靠性高、價格低等優(yōu)點，迅速獲得廣泛應用，已成為與DCS并駕齊驅的另一種主流工業(yè)控制系統(tǒng)。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(tǒng)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，如美國霍尼韋爾(Honewell)的TDC300、TDC3000X、S9000；Foxboro的I/AS；Westing house的WDPF；ABB的MOD300；日本橫河(YOKOY2 W2)的CENUM、Mxl；日立的HIACS3000、5000；德國西門子(Siemens)的TelenermM、SIPAOS200；貝萊(BAILEY)的N90。
目前世界上約有200家PLC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Teteme 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)美國專家預測，到2000年PLC占控制市場份額將超過50％。
現(xiàn)場總線技術是九十年代迅速發(fā)展起來的一種用于各種現(xiàn)場自動化設備與其控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信技術，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)。有人預測：基于現(xiàn)場總線FCS(Fieidbus Control System)將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角，Internet和Intranet技術也將進入控制領域，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。
全球的自動化儀表產(chǎn)品市場需求將快速增長。過程自動化儀表產(chǎn)品市場銷售額，在1996年達到461億美元，到2001年將增長到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、鋼鐵和有限金屬工業(yè)、軋鋼和鋁板材工業(yè)、化學、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。測量和自動化技術作為新的投資，在工廠現(xiàn)代化技資中將增長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．科學儀器的發(fā)展趨勢
(1)現(xiàn)代光學儀器的發(fā)展趨勢
從傳統(tǒng)光學儀器轉變現(xiàn)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(fā)展最快，發(fā)達國家80年代巳實現(xiàn)微機化，現(xiàn)已向聯(lián)用技術、全自動化(如內(nèi)裝機械手等機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)元人操作)，實驗室信息管理系統(tǒng)自動化及智能化方向發(fā)展。光學計量儀器從大型精密儀器——三座標測量機到傳統(tǒng)的自準直儀和投影儀都已實現(xiàn)微機化、光電化；激光技術的結合和CCD等光電器件的引人， 更為快速、準確、可靠的在線檢測和監(jiān)控創(chuàng)造了條件。
未來10年，由于高新技術的發(fā)展和應用，將進一步推動光學儀器實現(xiàn)光機電算一體化和智能化。現(xiàn)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(shù)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、計算機技術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、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，以滿足各領域日益增長的需求。具有優(yōu)異性能的光電器件和功能材料的開發(fā)和應用，將加速現(xiàn)代光學儀器的發(fā)展。如CCD器件、半導體激光器、光纖傳感器等制造技術趨于成熟，實現(xiàn)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(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。
(2)光學計量儀器的發(fā)展趨勢
●未來的光學計量儀器儀表是簡化設計，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(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。
如：利用高溫超導量子干涉器(SGUID)開發(fā)計量測試儀器、物理學測試儀器、地學和地質(zhì)學儀器、化學分析儀器、醫(yī)學儀器、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，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(jù)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。將可調(diào)諧穩(wěn)頻激光光譜儀的技術用于高精密的幾何量與機械量和多種無形態(tài)的量的測量。開發(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，它具有四激光干涉儀的一切功能；另外，它還可用于稱重，研制新型電子天平、高精度的電子皮帶稱、高分辨率的壓力計等。發(fā)展納米測量技術，建立納米計量測試標準，這是當今在計量與測量技術研究中十分活躍的課題。
●發(fā)展微量機器人。類似的測量儀器己出現(xiàn)，即Zeiss的Scan Max三坐標測量機。
它是利用了智能機器人技術，但要保證測量量值的計量正確性是一個十分復雜理論和技術問題。目前已得到了初步解決。
●環(huán)境保護科學儀器儀表的發(fā)展與進步，將是當今和21世紀的重點研究領域。有關環(huán)保科學儀器儀表的檢測和有關這方面的配套的計量儀器儀表還缺乏。
●用于生產(chǎn)安全與防護的科學儀器儀表也還需大力開發(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(xiàn)是：基于微電子技術和計算機技術的應用實現(xiàn)分析儀器的自動化，通過計算機控制器和數(shù)字模型進行數(shù)據(jù)采集、運算、統(tǒng)計、分析、處理，提高分析儀器數(shù)據(jù)處理能力，數(shù)字圖像處理系統(tǒng)實現(xiàn)了分析儀器數(shù)字圖像處理功能的發(fā)展；分析儀器的聯(lián)用技術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(xù)快速發(fā)展從技術發(fā)展角度來看，世紀之交的世界分析儀器技術可以說正在經(jīng)歷一場革命性的變化，傳統(tǒng)的光學、熱學、電化學、色譜、波譜類分析技術都已從經(jīng)典的化學精密機械電子學結構、實驗室內(nèi)人工操作應用模式，轉化為光、機、電、算(計算機)一體化、自動化的結構，并正向更名副其實的智能系統(tǒng)發(fā)展(帶動有自診斷自控、 自調(diào)、自行判斷決策等高智能功能)。
多臺儀器、多個實驗室結合的綜合分析管理系統(tǒng)(LIMS，Laboratory information Management System)已經(jīng)推廣應用；儀器計算機內(nèi)裝上調(diào)制解調(diào)器可以上網(wǎng)、制造廠商可與全球用戶或用戶之間實現(xiàn)信息交流(例如廠商對用戶正在使用的儀器進行遠距診斷、指導正確使用或提出維修指導，各同類儀器用戶或相同分析工作用戶直接進行數(shù)據(jù)交換、情報共享等)，已經(jīng)不是研究開發(fā)的方向，普遍應用已指日可待。
從世界分析儀器銷售增勢來看，世紀之交在農(nóng)業(yè)、能源、信息、環(huán)境、材料、生物、醫(yī)學等領域快速發(fā)展的全球需求刺激下，加上分析儀器技術發(fā)展推動的分析儀器更新?lián)Q代周期不斷縮短，使多年來世界分析儀器市場銷售額保持10％左右甚至更高的年增長率，這說明分析儀器行業(yè)不是“夕陽產(chǎn)業(yè)”，而是能不斷更新保持Ⅵ盛的生命力。
●世界分析儀器技術更新快、高科技含量增長迅猛。
為適應現(xiàn)代高科技研究和產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，作為信息時代信息獲取——處理——傳輸鏈的源頭技術，分析儀器技術的發(fā)展是必然的。沒有新的分析方法、分析技術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、環(huán)境等領域中全方位的分析檢測信息，21世紀的信息時代就無從談起。這是我們在世紀之交期間面臨新形勢的一個特征，也是分析儀器新技術、新元器件、新產(chǎn)品會不斷涌現(xiàn)、高科技含量越來越大的緣由。從另一個角度來說，也是被世界科技和產(chǎn)業(yè)、人類社會發(fā)展大形勢的要求逼出來的，是分析儀器技術適應大形勢發(fā)展的結果。
●分析技術和分析儀器的應用日益拓展
在20世紀前些年經(jīng)典的分析技術和分析儀器主要是為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)大生產(chǎn)服務，主要為了適應分析、監(jiān)控工農(nóng)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(yī)學等有關人的生存、發(fā)展領域的應用日新月異，現(xiàn)代高科技在軍事方面的發(fā)展也促進了分析技術和分析儀器的應用拓展(例如生物武器、化學武器戰(zhàn)爭中調(diào)整、靈敏、準確的現(xiàn)場毒物檢測、生命保障任務也大大擴大了分析儀器的應用領域)。
可以肯定：在新世紀到來后，分析技術和分析儀器的應用由“物”到“人”的拓展趨勢將更加顯著。我們必須看準這個發(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，世界分析儀器市場的年銷售額遞增率為8-10％。2000年世界市場將達300億美元，世界分析儀器最大的市場是美國，約占總銷售額的4096，其次是歐洲約占27％島，第三是日本，約占20％，中國進口分析儀器僅占世界銷售額的1.4％。 |
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2005-10-19
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