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详细说明

近代仪表


到了18世纪初,由于科学研究和科学课堂的需求,制造者们开始设计和生产标准的仪器和配件;仪表工匠与其它专业制造者联合起来,制造了光学、气动、磁力和电力等方面的仪器,从此将仪器与仪表正式结合起来,使仪器仪表融为一体,成为一个专门的学科。

以蒸汽机的发明为标志,一种将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械,引起了18世纪的工业革命,人类进入了工业化时代。

1800年,英国的特里维西克设计了可安装在较大车体上的高压蒸汽机,这是机车的雏型。英国的史蒂芬孙将机车不断改进,在1829年创造了“火箭”号蒸汽机车,该机车拖带一节载有30位乘客的车厢,时速达46公里/时,引起了各国的重视,开创了铁路时代。

自从奥斯特在1820发现了电流的磁效应,奥斯特做了六十多个实验,考察电流对磁针作用的强弱、电流对磁针的影响;并在1820年7月21日发表了题为《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文,向科学界宣布了电流的磁效应,揭开了电磁学的序幕,标志着电磁学时代的到来。

1831年8月26日,法拉第用伏打电池在给一组线圈通电(或断电)的瞬间,在另一组线圈获得的感生电流,称之为“伏打电感应”。同年10月17日,法拉第完成了在磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验,称之为“磁电感应”,并提出磁场的概念,实现了“磁生电”,创造电磁力学,设计了圆盘发电机,宣告了电气时代的到来,以电磁为核心的代电磁式仪器开始逐步走向成熟。

电磁效应的发现与应用,为原始的机械式仪器仪表向电磁式仪器仪表发展提供了理论和技术保障,使代指针式仪器仪表正式形成与发展。

雷达

雷达

3.麦克斯韦继法拉第之后集电磁学大成,在1865年他预言了电磁波的存在,说并指出电磁波只可能是横波,计算出电磁波的传播速度等于光速。麦克斯韦于1873年建立电磁理论,在出版的科学名著《电磁理论》中系统、全面、完美地阐述了电磁场理论,成为经典物理学的重要支柱之一。4.1886 年至1888 年,德国物理学家赫兹通过试验验证了麦克斯韦尔的理论,证明了无线电辐射具有波的所有特性,进而发现了无线电波,设计出了雷达,开启了无线电波通信技术,使远距离无线测量仪器的出现成为可能,让电话、电视等电器有了飞跃发展。

随着X射线、γ射线先后被德国科学家伦琴、法国科学家P.V.维拉德发现,因其超强穿透力这一特性,使仪器的功能与概念被进一步推向更深的领域,如广东正业的X光检查机、检孔机ASIDA-JK2400、线宽检测仪等仪器,就采用了X射线、γ射线的超强穿透力研发的先进检测仪器设备。

6.20世纪初,电子技术的发展使各类电子仪器快速产生,如今后普及全球的电子计算机,便是从这一时代开始崛起的。同时,随着工业化程度的不断提高,各行各业的电子仪器如雨后春笋般地出现,如计量、分析、生物、天文、汽车、电力、石油、化工仪器等。

电子仪器的产生使仪器仪表从模拟式仪器过渡到数字式仪器。

7发展趋势

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20世纪中期以后,随着自动控制理论的产生和自动控制技术的成熟,以A /D (数字/模拟转换)环节为基础的数字式仪器得到快速发展。

伴随着计算机、通讯、软件和新材料、新技术等的快速发展与成熟,人工智能、在线测控成为可能,使仪器走向智能化、虚拟化、网络化。

数字仪器、智能仪器、个人计算机仪器、虚拟仪器和网络仪器代表了20世纪现代科学仪器发展的主流与方向。

十二五”期间工信部已把传感器及智能化仪器仪表摆到推动制造业转型升级的重要位置,在工信部相关资源中对传感器及智能化仪器仪表的研发及产业化予以支持。

数字化是智能仪器、个人仪器和虚拟仪器的基础,是计算机技术进入测量仪器的前提。广泛应用于电子数字计算机、数控技术、通讯设备、数字仪表等方面,诸如人类台电子数字计算机ENIAC,爱思达金相显微镜,体视显微镜,X光检查机等。

智能仪器


智能仪器是把一个微型计算机系统嵌入到数字式电子测量仪器中而构成的独立式仪器。

嵌入的计算机系统可以是芯片级,如单片机、数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)等,模板级如PC - 4。也可以是系统级,如微型计算机系统,可编程单芯片系统( System on a ProgrammableChip,SOPC)等。

智能仪器在结构上自成一体,有的仪器内部还带有专用的微型计算机系统和通用接口总线( General Purpose Interface Bus,GP IB)接口,能独立完成测试。智能仪器由于引入了计算机,功能强大,性能优异,使用灵活、方便,是现阶段电子仪器的主体。如离子污染测试仪,上PIN机,双盘研磨机,剥离强度测试仪,拉脱强度测试仪等都采用智能技术的现代化精密检测仪器,又比如纳米智能机器人。

随着新技术、新工艺和嵌入式系统技术的不断进步,智能仪器还在不断发展,不断推陈出新,不断提高智能水平。

彩印仪器卡

彩印仪器卡

个人仪


把测试功能的硬件模块,做成一个I/O插卡(仪器卡),直接插入个人计算机( PC)扩展插槽,再配置相应的测试软件,使计算机能够完成测量仪器的功能,构成一个以PC为基础的个人计算机仪器。个人计算机仪器充分吸取了GP IB标准化和智能仪器智能化的优点,同时又能共享PC机的硬件、外设和软件资源,使其显示出强大的生命力。

虚拟仪器


虚拟技术是利用计算机界面和在线帮助功能,建立仪器虚拟板面,通过计算操作完成对对象的测试分析功能。

虚拟仪器实质上是“软硬结合”、“虚实结合”的产物。它充分利用计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。在虚拟仪器中,硬件只是信号传输的介质,软件才是整个仪器系统的关键。

用户可根据自己的需要通过编制不同的测试软件来构建不同功能的测试系统。其中,许多硬件功能可直接由软件实现,系统具有极强的通用性和多功能性。

网络仪器


基于Internet和Intranet的网络仪器是计算机技术、虚拟技术、网络技术的完美结合,代表了当前和今后仪器仪表领域的发展潮流,已在测量与测控领域内显现。如网络化流量计、网络化传感器、网络化示波器、网络化分析仪和网络化计量表等,都成为人们的新宠。

网络化仪器可实现任意时间、任何地点对系统的远程访问,实时获得仪器的工作状态;通过友好的用户界面,不仅可对远程仪器进行功能控制和状态检测,还能将远程仪器测得的数据快速传递给本地计算机。与传统的仪器相比,网络仪器具有无可比拟的优势,如功能分散、危险分散、地理分散、管理集中、通信功能强、网络隔离度高、分布广泛;系统操作简单,人机界面友好,便于扩展和维护;通信标准公开、一致、开放,仪器间信息资源共享,具有互操作性,可组建大规模分布式测控网络,等等。因此,网络仪器已成为现代仪器仪表发展的突出方向。

行业趋势

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我国已步入仪器仪表生产大国行业,通过多年发展已具备了相当的产业规模,

我国仪器仪表行业发展规划

我国仪器仪表行业发展规划

面对错综复杂的国际贸易形势,我国仪器仪表行业应牢牢抓住发展的战略优势期,本着“创新优先、重点突破、技术融合、夯实基础、多元投入”的原则,布局符合战略性新兴产业的发展规划。[5]

诺美观点:我国仪器仪表产业虽然发展迅速,但暴露的问题也较多,阻碍了产业产业实现又好又快发展的步伐,在此背景下全行业应努力实现产业转型,提高研发力度,同时也希望国家加大对仪器仪表工业的重视和支持,协商并给予必要的扶植政策。

9分类

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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

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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。

11性能

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衡量仪器仪表性能的主要技术指标有度、灵敏度、响应时间等。度表示仪表测量结果与被测量真值的一致程度。仪器仪表的度常用度等级来表示,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。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。

12市场分析

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中、低档电工仪器仪表产品国内市场占有率达到95%,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。


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