世界仪器仪表发展趋势 仪器仪表是如何工作的

50年代初期，仪器仪表取得了重大突破，数字技术的出现使各种数字仪器得以问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基点。60年代中期，测量技术又一次取得了进展，计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别电量的测量转变成测量整个系统的待征参数，从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。70年代，计算机技术在仪器仪表中的进一步渗透，使电子仪器在传统的时域与频域之外，又出现了数据或(Data domain)测试。80年代，由于微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，过去直观的用于调节时基或幅度的旋转度盘，选择电压电流等量程或功能的滑动开关，通、断开关键已经消失。测量系统的主要模式，是采用机柜形式，全部通过IEEE-488总线送到一个控制品上。测试时，可用丰富的BASIC语言程序来高速测试。不同于传统独立仪器模式的个人仪器已经得到了发展。90年代，仪器仪表与测量科学进步取得重大的突破性进展。这个进展的主要标志是仪器仪表智能化程度的提高。突出表现在以下几个方面：微电子技术的进步将更深刻地影响仪器仪表的设计：DSP芯片的大量问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力；图像处理功能的增加十分普遍；VXI总线得到广泛的应用。
一、圆外仪器仪表发展特点：
　 1、新技术的应用。目前普遍采用EDA(电子设计自动化)、CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)、DSP(数字信号处理)、ASIC(专用集成电路)及SMT(表面贴装技术)等。
　 2、产品结构变化。注重性能价格化。在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术和量大面广产品的开发与生产。
注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统、产品软化，随着各类仪器装上了CPU，实现了数字化后，软件上投入了巨大的人力、财力、今后的仪器归纳成一个简单的公式：仪器=AD/DA+CPU+软件，AD芯片将模拟信号变成数字信号，再经过软件处理变换后用DA输出。
3、产品开发准则发生了变化。从技术驱动转为市场驱动，从一味追求高精尖转为“恰到好处”。开发一项成功产品的准则是，用户有明确的需求；能用短的开发时间投放市场；功能与性能要恰到好处；产品开发准则的另一变化是收缩方向，集中优势。
4、生产技术注重专业生产，不大而全。生产过程采用自动测试系统。目前多以GP-IB仪器组建自动测试系统。生产线上尽是一个个大的测试柜，快速地进行自动测试、统计、分析、打印出结果。
二、国外仪器仪表发展趋势
　　1、自动化仪器的发展趋势
工业自动化控制仪表主要包括变送器、调节器、调节阀等设备，控制仪表从基地式调节器(变送、指示、调节一体化的仪表)开始，经历了气功、电动单元组合仪表到计算机控制系统(DDC)，直到今日的分散控制系统DCS。DCS已经走过了20多年的里程，DCS，以其高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力等优点，得到迅速的发展，成为计算机工业控制系统的主流。PLC以其结构紧凑、功能简单、速度快、可靠性高、价格低等优点，迅速获得广泛应用，已成为与DCS并驾齐驱的另一种主流工业控制系统。目前以PLC为基础的DCS发展很快，PLC与DCS相互渗透、相互融合、相互竞争，已成为当前工业控制系统的发展趋势。 DCS经历了初创(1975-1980)、成熟(1980-1985)、扩展(1985年以后)几个发展时期，在控制功能完善、信息处理能力、速度及组态软件等方面取得令人瞩目的成就，已经成为计算机控制系统的主流。当今几乎每个发达国家都生产自己的DCS，生产厂家一百多家， 已销售几万台套。主要生产厂家集中在美国、日本、德国等多家公司，如美国霍尼韦尔(Honewell)的TDC300、TDC3000X、S9000；Foxboro的I/AS；Westing house的WDPF；ABB的MOD300；日本横河(YOKOY2 W2)的CENUM、Mxl；日立的HIACS3000、5000；德国西门子(Siemens)的TelenermM、SIPAOS200；贝莱(BAILEY)的N90。
目前#上约有200家PLC生产厂家，目前占控制市场份额30％。主要生产厂家有美国的AB公司、莫迪康公司、GE公司、德国的西门子公司、法国的Teteme Cangue公司、 日本的欧姆龙公司；三菱电机公司。PLC将与IPC、DCS集成，PLC逐渐成为占自动化装置及过程控制系统大市场份额的产品。据美国专家预测，到2000年PLC占控制市场份额将超过50％。
现场总线技术是九十年代迅速发展起来的一种用于各种现场自动化设备与其控制系统的网络通信技术，是一种用于各种现场仪表(包括变送器、执行器、记录仪、单回路调节器、可编程序控制器、流程分析器等)与基于计算机的控制系统之间进行的数据通信系统。有人预测：基于现场总线FCS(Fieidbus Control System)将取代DCS成为控制系统的主角，Internet和Intranet技术也将进入控制领域，计算机自动化系统渗透到企业从生产到管理、直到经营的方方面面。
全球的自动化仪表产品市场需求将快速增长。过程自动化仪表产品市场销售额，在1996年达到461亿美元，到2001年将增长到599亿美元，预计到2006年将达到700亿美元。从1996年到2001年间的年平均增长率为3．9％，而从2001年到2006年年平均增长率将达到4.6％，以不变价格计算，则2006年的销售额为761亿美元。主要应用于玻璃、陶瓷、钢铁和有限金属工业、轧钢和铝板材工业、化学、食品和制药业、石化工业、纸浆和造纸业、*、矿山、石油和天燃气工业等。
在1996年的自动化产品，系统和维修的461亿美元中，有406亿美元是属于自动化工程项目方面，有54亿美元是用于操作方面。测量和自动化技术作为新的投资，在工厂现代化技资中将增长2~3倍。到2006年全球过程自动化产品的市场需求情况为：矿山工业为70亿美元、原材料工业为90亿美元、过程工业为360亿美元、电站为110亿美元、*工业为70亿美元。就全球地区而言，北美占27.2％、西欧占26％、亚非(不包括日本)占21.1％、日本占12.3％、东欧占4.7％、南美占4.9％，其它地区占3.7％，从中看出亚非地区的市场发展前景好。
2．科学仪器的发展趋势
(1)现代光学仪器的发展趋势
从传统光学仪器转变现代光学仪器，关键在于计算机化，而微电子技术是基础。光谱仪器发展快，发达国家80年代巳实现微机化，现已向联用技术、全自动化(如内装机械手等机器人系统，实现元人操作)，实验室信息管理系统自动化及智能化方向发展。光学计量仪器从大型精密仪器——三座标测量机到传统的自准直仪和投影仪都已实现微机化、光电化；激光技术的结合和CCD等光电器件的引人， 更为快速、准确、可靠的在线检测和监控创造了条件。
未来10年，由于高新技术的发展和应用，将进一步推动光学仪器实现光机电算一体化和智能化。现今的智能化仪器更确切地应称为“微机化”仪器。而更高程度的智能化是信息技术的高层次，应包括理解、推理、判断与分析等一系列功能，是数值、逻辑与知识的结合分析结果，智能化的标志是知识的表达与应用。电子技术、计算机技术和光电器件的不断发展和功能的完善，为仪器向更高档次的智能发展创造了条件。
未来10年，光和电的渗透会进一步强化，更多的新技术、新器件推广应用，因而在光机电算一体化的基础上融入不同原理，派生出新用途的产品，以满足各领域日益增长的需求。具有优异性能的光电器件和功能材料的开发和应用，将加速现代光学仪器的发展。如CCD器件、半导体激光器、光纤传感器等制造技术趋于成熟，实现应用已获突破，显示了广泛的应用前景。它必将使光学仪器领域发生重要变革，推动产品向小型化、高分辨、光电化和自动化发展。
(2)光学计量仪器的发展趋势
●未来的光学计量仪器仪表是简化设计，大量压缩零部件，提高智能化和便于操作，发展在线计量测试仪器仪表。
●利用物理学的新效应和高新技术及其成就开发新型计量测试仪器仪表和新型高灵敏度、高稳定性、强抗干扰能力的新型传感器技术。
如：利用高温超导量子干涉器(SGUID)开发计量测试仪器、物理学测试仪器、地学和地质学仪器、化学分析仪器、医学仪器、无损材料检验仪器等。利用椭偏技术来检测光纤、光学玻璃等，这是大家所共知的，它与近场光学相结合，不仅可以测量表面精细结构， 同时根据近场光学反射偏振信息可以分辨出被测物体的材料，这是目前实验研究的新探索。将可调谐稳频激光光谱仪的技术用于高精密的几何量与机械量和多种无形态的量的测量。开发以新一代微型光纤传导激光干涉仪，它的测量范围可以从纳米到几米或更大的范围，分辨率可达1Onm，并且克服了HP激光干涉仪的缺点，它具有四激光干涉仪的一切功能；另外，它还可用于称重，研制新型电子天平、高精度的电子皮带称、高分辨率的压力计等。发展纳米测量技术，建立纳米计量测试标准，这是当今在计量与测量技术研究中十分活跃的课题。
●发展微量机器人。类似的测量仪器己出现，即Zeiss的Scan Max三坐标测量机。
　　它是利用了智能机器人技术，但要保证测量量值的计量正确性是一个十分复杂理论和技术问题。目前已得到了初步解决。
●环境保护科学仪器仪表的发展与进步，将是当今和21世纪的重点研究领域。有关*科学仪器仪表的检测和有关这方面的配套的计量仪器仪表还缺乏。
●用于生产*与防护的科学仪器仪表也还需大力开发与发展。它将成为仪器仪表行业的新分支。
(3)分析仪器的发展趋势
　　分析仪器正向智能化方向发展，发展趋势主要表现是：基于微电子技术和计算机技术的应用实现分析仪器的自动化，通过计算机控制器和数字模型进行数据采集、运算、统计、分析、处理，提高分析仪器数据处理能力，数字图像处理系统实现了分析仪器数字图像处理功能的发展；分析仪器的联用技术向测试速度超高速化、分析试样超微量化、分析仪器超小型化的方向发展。
●#分析仪器事业持续快速发展从技术发展角度来看，世纪之交的#分析仪器技术可以说正在经历一场革命性的变化，传统的光学、热学、电化学、色谱、波谱类分析技术都已从经典的化学精密机械电子学结构、实验室内人工操作应用模式，转化为光、机、电、算(计算机)一体化、自动化的结构，并正向更名副其实的智能系统发展(带动有自诊断自控、 自调、自行判断决策等高智能功能)。
多台仪器、多个实验室结合的综合分析管理系统(LIMS，Laboratory information Management System)已经推广应用；仪器计算机内装上调制解调器可以上网、制造厂商可与全球用户或用户之间实现信息交流(例如厂商对用户正在使用的仪器进行远距诊断、指导正确使用或提出维修指导，各同类仪器用户或相同分析工作用户直接进行数据交换、情报共享等)，已经不是研究开发的方向，普遍应用已指日可待。
从#分析仪器销售增势来看，世纪之交在农业、能源、信息、环境、材料、生物、医学等领域快速发展的全球需求刺激下，加上分析仪器技术发展推动的分析仪器更新换代周期不断缩短，使多年来#分析仪器市场销售额保持10％左右甚至更高的年增长率，这说明分析仪器行业不是“夕阳产业”，而是能不断更新保持Ⅵ盛的生命力。
●#分析仪器技术更新快、高科技含量增长迅猛。
　　为适应现代高科技研究和产业的迅猛发展，作为信息时代信息获取——处理——传输链的源头技术，分析仪器技术的发展是必然的。没有新的分析方法、分析技术和相应的全新分析仪器，不能更高、更全面、更灵敏、更可靠、更方便地获取研究、生产、社会、环境等领域中全方位的分析检测信息，21世纪的信息时代就无从谈起。这是我们在世纪之交期间面临新形势的一个特征，也是分析仪器新技术、新元器件、新产品会不断涌现、高科技含量越来越大的缘由。从另一个角度来说，也是被#科技和产业、人类社会发展大形势的要求逼出来的，是分析仪器技术适应大形势发展的结果。
●分析技术和分析仪器的应用日益拓展
　　在20世纪前些年经典的分析技术和分析仪器主要是为现代产业大生产服务，主要为了适应分析、监控工农业生产、保证产品质量、保障大生产流程*高效的要求而发展、提高的；当今世纪之交分析技术和分析仪器的“用武之地”已经大大拓展，引人注目的是在生物、*、医学等有关人的生存、发展领域的应用日新月异，现代高科技在军事方面的发展也促进了分析技术和分析仪器的应用拓展(例如生物武器、化学武器战争中调整、灵敏、准确的现场毒物检测、生命保障任务也大大扩大了分析仪器的应用领域)。
可以肯定：在新世纪到来后，分析技术和分析仪器的应用由“物”到“人”的拓展趋势将更加显著。我们必须看准这个发展潮流，在分析仪器事业的发展思路中摆正位置、选好方向。
21世纪初，#分析仪器市场的年销售额递增率为8-10％。2000年#市场将达300亿美元，#分析仪器大的市场是美国，约占总销售额的4096，其次是欧洲约占27％岛，第三是日本，约占20％，国内进口分析仪器仅占#销售额的1.4％。