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二級注冊計量師考試專業(yè)實務案例分析

現(xiàn)代儀器儀表分類、發(fā)展趨勢及關鍵技術

1、現(xiàn)代儀器儀表的分類

根據(jù)國際發(fā)展潮流和我國的現(xiàn)狀，現(xiàn)代儀器儀表按其應用領域和自身技術特性大致劃分為6個大類，即工業(yè)自動化儀表與控制系統(tǒng)、科學儀器、電子與電工測量、儀器、醫(yī)療儀器、各類專用儀器，傳感器與儀器儀表元器件及材料。工業(yè)自動化儀表與控制系統(tǒng)，主要指工業(yè)，特別是流程產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程中應用的各類檢測儀表、執(zhí)行機構與自動控制系統(tǒng)裝置?？茖W儀器主要指應用于科學研究、教學實驗、計量測試、環(huán)境監(jiān)測、質量和安全檢查等各個方面的儀器儀表。電子與電工測量儀器，主要指低頻、高頻、超高頻、微波等各個頻段測試計量專用和通用儀器儀表。醫(yī)療儀器主要指用于生命科學研究和臨床診斷治療的儀器。各類專用儀器指農(nóng)業(yè)、氣象、水文、地質、海洋、核工業(yè)、航空、航天等各個領域應用的專用儀器?？茖W儀器可以細分為14個小類，即電子光學儀器，離子光學儀器，X射線儀器，光譜儀器，色譜儀器，波譜儀器，電化學儀器，生化分離分析儀器，氣體分析儀器，顯微鏡和成像系統(tǒng)，化學反應及熱分析儀器，聲學振動儀器，力學性能測試儀器（材料試驗機），光電測量儀器。其中，發(fā)展最快，應用最廣和市場容量最大的是各類光學儀器和分析儀器?，F(xiàn)代儀器儀表雖然作了大致分類，實際上存在著許多交叉，比如各類專用儀器中許多都是科學儀器。

2、現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展趨勢

國際儀器儀表發(fā)展極為迅速，僅以科學儀器中的分析儀器為例，世界分析儀器市場年銷售總額由2000年256億美圓到2002年增至316億美圓，年增長11%以上，是全球經(jīng)濟增長速度的3—4倍。近10幾年來國際儀器儀表發(fā)展的主要趨勢是：

數(shù)字技術的出現(xiàn)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。計算機的引入，使儀器的功能發(fā)生了質的變化，從個別參量的測量轉變成測量整個系統(tǒng)的特征參數(shù)，從單純的接受、顯示轉變?yōu)榭刂?、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(tǒng)進行測量。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)域測試。90年代，儀器儀表與測量科學技術突破性進展是儀器儀表智能化程度的提高；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)處理能力和圖象處理功能；現(xiàn)場總線技術是90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，Internet和Internet技術也將進入控制領域。現(xiàn)代儀器儀表產(chǎn)品將向著計算機化、網(wǎng)絡化、智能化、多功能化的方向發(fā)展，跨學科的綜合設計、高精尖的制造技術使它能更高速、更靈敏、更可靠、更簡捷地獲取被分析、檢測、控制對象的全方位信息。未來10年，而更高程度的智能化應包括理解、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。利用物理學的新效應和高新技術及其成就開發(fā)新型高靈敏度、高穩(wěn)定性、強抗干擾能力傳感器技術和測試儀器儀表。如：利用高溫超導量子干涉儀（SGUID）開發(fā)計量測試儀器、物理學測試儀器、地理和地質學儀器、化學分析儀器、醫(yī)療儀器、無損材料檢測儀器等。利用橢偏技術來檢測光纖、光學玻璃等，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，這是目前實驗研究新探索。將可調諧穩(wěn)頻激光光譜儀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10mm。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試技術研究中十分活躍的課題。分析儀器正在經(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結構、實驗室內人工操作應用模式，轉化為光、機、電、算（計算機）一體化、自動化的結構，并正向更名副其實的智能系統(tǒng)發(fā)展（帶有自診斷自控、自調、自行判斷決策等高智能功能）。由于以信息技術為代表高新科學技術的突飛猛進，使科學儀器的工作原理，設計思想、設計方法發(fā)生了明顯的變化，其關鍵技術主要表現(xiàn)為：（1）微分析技術即分析儀器的微型化和微量化，其共性技術有微控技術、微加工技術、微檢測技術、微光源、微分光光學系統(tǒng)、微傳感器等，應用上述技術的微分析儀器如：微流控制芯片、芯片實驗室、微近紅外光譜儀等。（2）生物、化學傳感器包括新型傳感技術在分析儀器中的應用，將生物芯片技術，新型化學傳感技術，智能傳感器技術應用于分析儀器的研制。（3）成像技術包括廣義成像，納米級超高分辨成像，信息處理等，具體的領域有：核磁共振技術、圖像自動分析及綜合技術、成像光譜技術、近場光學成像技術。（4）儀器的聯(lián)用技術通過信息分離、專用軟件接口技術，實現(xiàn)多種科學技術間的聯(lián)用以實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的痕量成份分析、結構分析、形態(tài)分析等綜合分析，如：色譜—質譜聯(lián)用、色譜—光譜聯(lián)用等。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；儀器可以上網(wǎng)、制造廠商進行遠距診斷、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)、情報共享，儀器的遠程校準和量值溯源等已指日可待。分析儀器在生物、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，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了儀器的應用領域。0527wd.cn

根據(jù)上述儀器儀表國際發(fā)展的趨勢，可以十分清楚的看出現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展具有以下主要特點：

① 技術指標不斷提高

就如奧林匹克運動的口號是更高、更快、更強一樣，儀器儀表在提高檢測控制技術指標上是永遠的追求。以儀器儀表和測量控制的技術范圍指標來說，如電壓從納伏~100萬伏；電阻從超導至1014Ω；諧波測量到51次；加速度從10-4—104g；頻率測量至1010HZ；壓力測量至108Pa；溫度測量從接近絕對零度至1010℃等。以提高測量精度指標來說，工業(yè)參數(shù)測量提高至0.02%以上，航空航天參數(shù)測量達到0.05%以上，計量精度和科學儀器達到的精度更是與時俱進。以提高測量的靈敏度來說更是向單個粒子、分子、原子級發(fā)展。提高測量速度（響應速度），靜態(tài)0.1~0.2ms，動態(tài)為Lμs。提高可靠性，一般要求為2~5萬小時，高可靠要求25萬小時。穩(wěn)定性（年變化）<±0.05%（高精度儀器）或<±0.1%（一般儀器）。此外還不斷提高產(chǎn)品環(huán)境適應性。

② 最先應用新的科學研究成果，高新技術大量采用2012年注冊計量師考試

現(xiàn)代儀器儀表作為人類認識物質世界、改造物質世界的第一手工具，是人類進行科學研究和工程技術開發(fā)的最基本工具。人類很早就懂得“工欲善其事，必先利其器”的道理，新的科學研究成果和發(fā)現(xiàn)如信息論、控制論、系統(tǒng)工程理論，微觀和宏觀世界研究成果及大量高新技術如微弱信號提取技術，計算機軟、硬件技術，網(wǎng)絡技術，激光技術，超導技術，納米技術等均成為儀器儀表和測量控制科學技術發(fā)展的重要動力，現(xiàn)代儀器儀表不僅本身已成為高技術的新產(chǎn)品，而且利用新原理、新概念、新技術、新材料和新工藝等最新科技術成果集成的裝置和系統(tǒng)層出不窮。

③ 單個裝置微小型化，智能化，可獨立使用，嵌入式使用和聯(lián)網(wǎng)使用

測量控制儀器儀表大量采用新的傳感器、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、計算機及專家系統(tǒng)等信息技術產(chǎn)品，不斷向微小型化、智能化發(fā)展，從目前出現(xiàn)的“芯片式儀器儀表”，“芯片實驗室”等看，單個裝置的微小型化和智能化將是長期發(fā)展趨勢。從應用技術看，微小型化和智能化裝置的嵌入式連接和聯(lián)網(wǎng)應用技術得到重視。

④ 測控范圍向有關工作方式立體化、全球化擴展，測量控制向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化發(fā)展

隨著測量控制儀器儀表所測控的既定區(qū)域不斷向立體化、全球化甚至星球化發(fā)展，儀器儀表和測控裝置已不再呈單個裝置形式，它必然向測控裝置系統(tǒng)、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。例如一個大型水電站的測控系統(tǒng)，僅檢測大壩安全性的傳感器就達數(shù)千個，此外各個發(fā)電機組狀態(tài)及水位情況的檢測控制點（I/O測控點）將超過萬點，要達到大型水電站的正常發(fā)電和送電，必須將各個測控點的測控裝置形成網(wǎng)絡化結構，形成一個有機的測控網(wǎng)絡系統(tǒng)；又例如衛(wèi)星測控系統(tǒng)，人造衛(wèi)星上配置的各種傳感器就達到數(shù)千，它首先要將衛(wèi)星上各種測控裝置構成一個完整的自動測控子系統(tǒng)，然后和多個地面站的測控系統(tǒng)構成一個廣域測控系統(tǒng)。

⑤ 便攜式、手持式以至個性化儀器儀表大量發(fā)展

隨著生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對自己的生活質量和健康水平日益關注，檢測與人們生活密切相關的各類商品、食品質量的儀器儀表，預防和治療疾病的各種醫(yī)療儀器是今后發(fā)展的一個重要趨勢。科學儀器的現(xiàn)場、實時在線化，特別是家庭和個人使用的健康狀況和疾病警示儀器儀表將有較大發(fā)展。

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