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世界測量儀器儀表發展趨勢
 
      50年代初期,儀器儀表取得了重大突破,數字技術的出現使各種數字儀器得以問世,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,使儀器的功能發生了質的變化,從個別電量的測量轉變成測量整個系統的待征參數,從單純的接收、顯示轉變為控制、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,使電子儀器在傳統的時域與頻域之外,又出現了數據或(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展,過去直觀的用于調節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、斷開關鍵已經消失。測量系統的主要模式,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。不同于傳統獨立儀器模式的個人儀器已經得到了發展。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,使儀器儀表數字信號處理功能大大加強;微型機的發展,使儀器儀表具有更強的數據處理能力;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(數字信號處理)、ASIC(專用集成電路)及SMT(表面貼裝技術)等。

    2、產品結構變化  注重性能價格化。在重視高檔儀器開發的同時,注重高新技術和量大面廣產品的開發與生產。注重系統集成,不僅著眼于單機,更注重系統、產品軟化,隨著各類儀器裝上了CPU,實現了數字化后,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字信號,再經過軟件處理變換后用DA輸出。

    3、產品開發準則發生了變化  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”??⒁幌畛曬Σ返淖莢蚴?,用戶有明確的需求;能用最短的開發時間投放市??;功能與性能要恰到好處;產品開發準則的另一變化是收縮方向,集中優勢。

    4、生產技術注重專業生產,不大而全  生產過程采用自動測試系統。目前多以GP-IB儀器組建自動測試系統。生產線上盡是一個個大的測試柜,快速地進行自動測試、統計、分析、打印出結果。

二、國外儀器儀表發展趨勢1、自動化儀器的發展趨勢

    工業自動化控制儀表主要包括變送器、調節器、調節閥等設備,控制儀表從基地式調節器(變送、指示、調節一體化的儀表)開始,經歷了氣功、電動單元組合儀表到計算機控制系統(DDC),直到今日的分散控制系統DCS。DCS已經走過了20多年的里程,DCS,以其高度的可靠性、方便的組態軟件、豐富的控制算法、開放的聯網能力等優點,得到迅速的發展,成為計算機工業控制系統的主流。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控制系統。目前以PLC為基礎的DCS發展很快,PLC與DCS相互滲透、相互融合、相互競爭,已成為當前工業控制系統的發展趨勢。  DCS經歷了初創(1975-1980)、成熟(1980-1985)、擴展(1985年以后)幾個發展時期,在控制功能完善、信息處理能力、速度及組態軟件等方面取得令人矚目的成就,已經成為計算機控制系統的主流。當今幾乎每個發達國家都生產自己的DCS,生產廠家一百多家,  已銷售幾萬臺套。主要生產廠家集中在美國、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生產廠家,目前占控制市場份額30%。主要生產廠家有美國的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最大市場份額的產品。據美國專家預測,到2000年PLC占控制市場份額將超過50%。

    現場總線技術是九十年代迅速發展起來的一種用于各種現場自動化設備與其控制系統的網絡通信技術,是一種用于各種現場儀表(包括變送器、執行器、記錄儀、單回路調節器、可編程序控制器、流程分析器等)與基于計算機的控制系統之間進行的數據通信系統。有人預測:基于現場總線FCS(Fieidbus  Control  System)將取代DCS成為控制系統的主角,Internet和Intranet技術也將進入控制領域,計算機自動化系統滲透到企業從生產到管理、直到經營的方方面面。

    全球的自動化儀表產品市場需求將快速增長。過程自動化儀表產品市場銷售額,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、軋鋼和鋁板材工業、化學、食品和制藥業、石化工業、紙漿和造紙業、環保、礦山、石油和天燃氣工業等。

    在1996年的自動化產品,系統和維修的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,在工廠現代化技資中將增長2~3倍。到2006年全球過程自動化產品的市場需求情況為:礦山工業為70億美元、原材料工業為90億美元、過程工業為360億美元、電站為110億美元、環保工業為70億美元。就全球地區而言,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%,其它地區占3.7%,從中看出亞非地區的市場發展前景最好。

2.科學儀器的發展趨勢

    (1)現代光學儀器的發展趨勢

    從傳統光學儀器轉變現代光學儀器,關鍵在于計算機化,而微電子技術是基礎。光譜儀器發展最快,發達國家80年代巳實現微機化,現已向聯用技術、全自動化(如內裝機械手等機器人系統,實現元人操作),實驗室信息管理系統自動化及智能化方向發展。光學計量儀器從大型精密儀器——三座標測量機到傳統的自準直儀和投影儀都已實現微機化、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控創造了條件。

    未來10年,由于高新技術的發展和應用,將進一步推動光學儀器實現光機電算一體化和智能化。現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展和功能的完善,為儀器向更高檔次的智能發展創造了條件。

    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,派生出新用途的產品,以滿足各領域日益增長的需求。具有優異性能的光電器件和功能材料的開發和應用,將加速現代光學儀器的發展。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生重要變革,推動產品向小型化、高分辨、光電化和自動化發展。

    (2)光學計量儀器的發展趨勢

    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新型計量測試儀器儀表和新型高靈敏度、高穩定性、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)開發計量測試儀器、物理學測試儀器、地學和地質學儀器、化學分析儀器、醫學儀器、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。將可調諧穩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的量的測量??⒁孕亂淮⑿凸庀舜技す飧繕嬉?,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10nm,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。

    發展微量機器人。類似的測量儀器己出現,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。

    環境?;た蒲б瞧饕潛淼姆⒄褂虢?,將是當今和21世紀的重點研究領域。有關環??蒲б瞧饕潛淼募觳夂陀泄卣夥矯嫻吶涮椎募屏懇瞧饕潛砘谷狽?。

    用于生產安全與防護的科學儀器儀表也還需大力開發與發展。它將成為儀器儀表行業的新分支。

    (3)分析儀器的發展趨勢

    分析儀器正向智能化方向發展,發展趨勢主要表現是:基于微電子技術和計算機技術的應用實現分析儀器的自動化,通過計算機控制器和數字模型進行數據采集、運算、統計、分析、處理,提高分析儀器數據處理能力,數字圖像處理系統實現了分析儀器數字圖像處理功能的發展;分析儀器的聯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展。

    世界分析儀器事業持續快速發展從技術發展角度來看,世紀之交的世界分析儀器技術可以說正在經歷一場革命性的變化,傳統的光學、熱學、電化學、色譜、波譜類分析技術都已從經典的化學精密機械電子學結構、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發展(帶動有自診斷自控、  自調、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(LIMS,Laboratory  information  Management  System)已經推廣應用;儀器計算機內裝上調制解調器可以上網、制造廠商可與全球用戶或用戶之間實現信息交流(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據交換、情報共享等),已經不是研究開發的方向,普遍應用已指日可待。

    從世界分析儀器銷售增勢來看,世紀之交在農業、能源、信息、環境、材料、生物、醫學等領域快速發展的全球需求刺激下,加上分析儀器技術發展推動的分析儀器更新換代周期不斷縮短,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不是“夕陽產業”,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。為適應現代高科技研究和產業的迅猛發展,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、社會、環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、新產品會不斷涌現、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業、人類社會發展大形勢的要求逼出來的,是分析儀器技術適應大形勢發展的結果。

    分析技術和分析儀器的應用日益拓展。在20世紀前些年經典的分析技術和分析儀器主要是為現代產業大生產服務,主要為了適應分析、監控工農業生產、保證產品質量、保障大生產流程安全高效的要求而發展、提高的;當今世紀之交分析技術和分析儀器的“用武之地”已經大大拓展,最引人注目的是在生物、環保、醫學等有關人的生存、發展領域的應用日新月異,現代高科技在軍事方面的發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、化學武器戰爭中調整、靈敏、準確的現場毒物檢測、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展潮流,在分析儀器事業的發展思路中擺正位置、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40%,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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