仪器仪表

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2020-07-23
仪器仪表(英文:instrumentation) 仪器仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。真空检漏仪、压力表、测长仪、显微镜、乘法器等均属于仪器仪表。
广义来说,仪器仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能,例如用于工业生产过程自动控制中的气动调节仪表,和电动调节仪表,以及集散型仪表控制系统也皆属于仪器仪表。
仪器仪表能改善、扩展或补充人的官能。人们用感觉器官去视、听、尝、摸外部事物,而显微镜、望远镜、声级计、酸度计、高温计、真空离心浓缩仪等仪器仪表,可以改善和扩展人的这些官能;另外,有些仪器仪表如磁强计、射线计数计等可感受和测量到人的感觉器官所不能感受到的物理量,还有些仪器仪表可以超过人的能力去记录、计算和计数,如高速照相机、计算机等。
仪器是科学技术发展的重要“工具”。**科学家王大珩先生指出,“机器是改造世界的工具,仪器是认识世界的工具”。仪器是工业生产的“倍增器”,是科学研究的“先行官”,是军事上的“战斗力”,是现代社会活动的“物化法官”。不言而喻,仪器在当今时代推动科学技术和国民经济的发展具有非常重要的地位。
  1. 仪器是科学技术发展的重要前提和根本保障。人类发展史上任何一次大的飞跃都是基于工具的巨大创新和根本变革驱动的,作为“工具”的科学仪器的发展和创新往往是催生科技创新的重要要素。
  2. 仪器是经济发展和国防安全的重要保障。仪器是保障经济发展、国家安全不可或缺的重要基础条件。首先,**科学家钱学森先生指出:“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术则是关键和基础”。
  3. 仪器是推进和谐社会建设的重要力量。全球的资源枯竭、环境污染等问题已成为社会健康发展的瓶颈;食品安全问题、公共突发事件、疾病诊断、易燃易爆化学危险品等给人民的生活带来了严重影响,这些重大问题的解决都离不开先进的检测技术和手段。
  4. 数字化、智能化
  5. 因为微电子技能的提高,仪器仪表产物进一步与微处置器、PC技能交融,仪器仪表的数字化、智能化程度不时获得进步。以美国德州仪器公司提出的“DSPS”概念为例,以DSP芯片为中心,共同进步前部的夹杂旌旗灯号电路、ASIC电路、元件及开拓东西等供应整个使用系统的处理方案。仪器仪表中采用了很多的超大规划集成(VLSI)的新器件、外表贴装技能(SMT)、多层线路板印刷、圆片规划集成(WSI)和多芯片模块(MCM)等新工艺,CAD、CAM、CAPP、CAT等核算机辅佐伎俩,使多媒体技能、人机交互、恍惚节制、人工神经元收集等新技能在现代仪器仪表中获得了普遍使用。
  6. 收集化
  7. 多种智能化仪器仪表已陆续面向市场,仪器仪表正派历着深入的智能化革新。集成测试系统也走向了收集化,各台仪器之间经过GPIB总线、VXI总线相连。
  8. 微型化
  9. MEMS产物包括汽车加快计,压力、化学、流量传器、微光谱仪等产物,普遍使用于情况科学、航天、生物医疗、汽车工业、军事、工业节制等范畴。

分类标准

仪器仪表是多种科学技术的综合产物,品种繁多,使用广泛,而且不断更新,有多种分类方法。按使用目的和用途来分,主要有量具量仪、汽车仪表、拖拉机仪表、船用仪表、航空仪表、导航仪器、驾驶仪器、无线电测试仪器、载波微波测试仪器、地质勘探测试仪器、建材测试仪器、地震测试仪器、大地测绘仪器、水文仪器、计时仪器、农业测试仪器、商业测试仪器、教学仪器、医疗仪器、环保仪器等。

产品仪表

属于机械工业产品的仪器仪表有工业自动化仪表、电工仪器仪表、光学仪器,分析仪器、实验室仪器与装置、材料试验机、气象晦洋仪器、电影机械、照相机械、复印缩微机械、仪器仪表元器件、仪器仪表材料、仪器仪表工艺装备等十三类。它们通用性较强,批量较大,或为仪器仪表工业所必需的基础。

特征分类

各类仪器仪表按不同特征,例如功能、检测控制对象、结构、原理等还可再分为若干的小类或子类。如工业
自动化仪表按功能可分为检测仪表、回路显示仪表、调节仪表和执行器等;其中检测仪表按被测物理量又分为温度测量仪表、压力测量仪表、流量测量仪表、物位测量仪表和机械量测量仪表等;温度测量仪表按测量方式又分为接触式测温仪表和非接触式测温仪表;接触式测温仪表又可分为热电式、膨胀式、电阻式等。

其它分类

其他各类仪器仪表的分类法大体类似,主要与发展过程、使用习惯和有关产品的分类有关。仪器仪表在分类方面尚无统一的标准,仪器仪表的命名也存在类似情况。
在现实实际工作中,我们经常将仪器仪表分为两个大类:自动化仪表和便携式仪器仪表,自动化仪表指需要固定安装在现场的仪表,也称现场安装仪器仪表或者表盘安装仪器仪表,这类仪表需要和其他设备配套使用,以完成某一项或几项功能;便携式仪器仪表是指单独使用,有时也叫检测仪器仪表,一般分台式和手持两种。
仪器仪表还有一种分类,叫一次仪表和二次仪表,一次仪表指传感器这类直接感触被测信号的部分,二次仪表指放大、显示、传递信号部分。

特点


软件化

随着微电子技术的发展,微处理器的速度越来越快,价格越来越低,已被广泛应用于仪器仪表中,使得一些实时性要求很高,原本由硬件完成的功能,可以通过软件来实现。甚至许多原来用硬件电路难以解诀或根本无法解决的问题,也可以采用软件技术很好地加以解决。数字信号处理技术的发展和高速数字信号处理器的广泛采用,极大地增强了仪器的信号处理能力。数字滤波、FFT、相关、卷积等是信号处理的常用方法,其共同特点是,算法的主要运算都是由迭代式的乘和加组成,这些运算如果在通用微机上用软件完成,运算时间较长,而数字信号处理器通过硬件完成上述乘、加运算,大大提高了仪器性能,推动了数字信号处理技术在仪器仪表领域的广泛应用。

集成化

大规模集成电路LSI技术发展到今天,集成电路的密度越来越高,体积越来越小,内部结构越来越复杂,功能也越来越强大,从而大大提高了每个模块进而整个仪器系统的集成度。模块化功能硬件是现代仪器仪表的一个强有力的支持,它使得仪器更加灵活,仪器的硬件组成更加简洁,比如在需要增加某种测试功能时,只需增加少量的模块化功能硬件,再调用相应的软件来使用此硬件即可。

参数整定

随着各种现场可编程器件和在线编程技术的发展,仪器仪表的参数甚至结构不必在设计时就确定,而是可以在仪器使用的现场实时置入和动态修改。

通用化

现代仪器仪表强调软件的作用,选配一个或几个带共性的基本仪器硬件来组成一个通用硬件平台,通过调用不同的软件来扩展或组成各种功能的仪器或系统。一台仪器大致可分解为三个部分:1)数据的采集;2)数据的分析与处理;3)存储、显示或输出。传统的仪器是由厂家将上述三类功能部件根据仪器功能按固定的方式组建,一般一种仪器只有一种或数种功能。而现代仪器则是将具有上述一种或多种功能的通用硬件模块组合起来,通过编制不同的软件来构成任何一种仪器。

性能

衡量仪器仪表性能的主要技术指标有精确度、灵敏度、响应时间等。精确度表示仪表测量结果与被测量真值的一致程度。仪器仪表的精确度常用精确度等级来表示,例如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级等。0.1级表仪表总的误差不超过±1.0%范围。精确度等级数小,说明仪表的系统误差和随机误差都小,也就是这种仪表精密。灵敏度表示当被测的量有一个很小的增量时与此增量引起仪表示值增量之比,它反映仪表能够测量的最小被测量。响应时间是指仪表输入一个阶跃量时,其输出由初始值**次到达最终稳定值的时间间隔,一般规定以到达稳定值的95%时的时间为准。此外,还有重复性、线性度、滞环、死区、漂移等性能技术指标。

市场分析

中、低档电工仪器仪表产品国内市场占有率达到95%,高档产品的国内市场占有率和中低档产品的国外市场占有率在现有基础上有大幅度提高。中国仪表产业在2010年的市场发展将有望提高。产品结构调整目标。其中工业自动化仪表,重点发展基于现场总线技术的主控系统装置及智能化仪表、特种和专用的自动化仪表。产品技术水平达到20世纪90年代后期国外先进水平,2005年销售额占到国产仪表销售额的30%。面向市场,全面扩大服务领域,推进仪表系统的数字化、智能化、网络化,完成自动化仪表从模拟技术向数字技术的转变,“十五”末数字仪表的品种数达到60%以上。

应用领域

仪器仪表应用领域广泛,覆盖了工业、农业、交通、科技、环保、国防、文教卫生、人民生活等各方面,在国民经济建设各行各业的运行过程中承担着把关者和指导者的任务。由于其地位特殊、作用大,对国民经济有巨大倍增和拉动作用,有着良好的市场需求和巨大的发展潜力。
(一)仪器仪表行业市场需求对象及覆盖范围 具体的需求对象可以从以下几个方面进行表述:
  1. .在人类社会进入知识经济时代、信息技术高速发展的背景下,仪器仪表及其测量控制技术得到日益广泛应用,给仪器仪表行业的快速发展提供了良好契机。仪器仪表是信息产业的源头和组成部分,是信息技术的重要基础。钱学森院士对新技术革命有如下论述:"新技术革命的关键技术是信息技术,信息技术是测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成,测量技术则是关键和基础。"国际上也将信息技术生产行业定性为计算机、通讯、仪器仪表三个行业。
  2. .仪器仪表广泛应用于装备、改造传统产业的工艺流程的测量和控制,是现代化大型重点成套装备的重要组成部分,是信息化带动工业化的重要纽带。据有关资料显示,随着装备水平的提高,仪器仪表在工程设备总投资中的比重已达到18%左右;现代化的宝钢技术装备投资中,有1/3的经费用于购置仪器和自控系统。
  3. .仪器仪表已成为现代国防建设技术装备的重要组成部分,中国航天工业的固定资产1/3是仪器仪表和计算机;运载火箭的仪器开支占全部研制经费的1/2左右;导弹的高精度制导、控制,航天精纬测量和红外成像、专用高温实验设备等都是国防装备中的重点产品。
  4. .仪器仪表在探索人类社会可持续发展、抵御自然灾害、依法治国并实施有关法律(质量、商检、计量、环保等)的过程中作为重要实施手段和保障工业被普遍采用。
  5. 高水平的科学研究和高新技术产业的迅速发展提高了对仪器仪表的需求,仪器仪表在实施科教兴国、知识创新和技术创新的过程中,正发挥十分重要的作用。各项高水平的科学实验离不开科学仪器,现代科学的进步也越来越依靠尖端仪器的发展。现代生物、医学、生态环境保护、新材料(纳米材料等)、现代农业等诸多领域的发展,同样是建立在尖端精密仪器科技发展的基础上。

未来发展


我国仪器仪表产业未来十年,应牢牢抓住发展的战略机遇期,面向传统产业改造提升和战略性新兴产业发展的需求,针对制造过程中的感知、分析、决策、控制和执行等环节,融合集成先进制造、信息和智能等技术,实现制造业的自动化、智能化、精益化和绿色化,朝向以下几个重点发展方向不断向前发展:
重点发展:
1、高档数控机床与基础制造装备:
加快实施《高档数控机床与基础制造装备》科技重大专项,加强专项研究成果的示范应用和产业化进程。重点发展高速、精密、复合数控金切机床、重型数控金切机床、数控特种加工机床、大型数控成形冲压设备;重型锻压设备、清洁高效铸造设备、新型焊接设备、大型清洁热处理与表面处理设备、非金属成型设备、新材料制备装备、高档数控系统、数控机床功能部件、数字化工具系统及量仪。
2、智能控制系统:
重点发展综合性分散型控制系统DCS,具有与现场总线设备实现动态数据交换功能的现场总线控制系统FCS,逻辑控制、运动控制、模拟控制等功能有机集成的可编程控制系统PLC,先进高效发动机及其智能控制系统,新能源、新材料、节能环保等新兴产业所需要的专用控制系统。
3、自动化成套生产线:
重点发展百万吨级及以上大型乙烯、大型PTA自动化生产线的系统集成,大型煤化工自动化关键装备;大型液化天然气生产储能自动化关键装备、大型天然气长距离输送系统;高效棉纺、短流程染整自动化生产线;大型煤炭井下自动化综合采掘成套设备及大型露天矿自动化成套设备。
4、精密和智能仪器仪表与试验设备:
重点发展高精度、高稳定性、智能化压力、流量、物位、成份仪表与高可靠执行器,智能电网先进量测仪器仪表AMI,材料分析精密测试仪器与力学性能测试设备,新型无损检测及环境、多用热值测定仪、安全检测仪器,国防特种测试仪器等各类试验设备。
5、关键基础零部件、元器件及通用部件:
重点发展高可靠性力敏、磁敏等传感器,新型复合、光纤、MEMS、生物传感器,仪表专用芯片,色谱、光谱、多用热值测定仪、质谱检测器件;高参数、高精密和高可靠性轴承、液压/气动/密封元件、齿轮传动装置及大型、精密、复杂、长寿命模具;电力电子器件及变频调速装置。
6、智能专用装备:
重点发展机器人产业;矿山用智能自卸电铲、智能化全断面掘进机、快速集成柔性施工装备为代表的智能化大型施工机械;数字化、智能化、高速多功能印刷机械;大型先进高效智能化农业机械。


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