綜述現(xiàn)代測控儀表的研究現(xiàn)況、特點和發(fā)展趨勢

1、現(xiàn)代控制儀表的研究現(xiàn)狀、特點和發(fā)展趨勢過程控制是滿足過程工業(yè)自動化需求的一門科學技術(shù)，它滲透在石油、化工、電力,冶金、食品、飲料等幾乎任何工業(yè)領(lǐng)域里?？刂苾x表和裝置是自動控制系統(tǒng)的重要設(shè)備(硬件)，在自動控制系統(tǒng)中，由檢測儀表將生產(chǎn)工藝參數(shù)變?yōu)殡娦盘柣驓鈮盒盘柡螅粌H要由顯示儀表顯示或記錄，讓人們了解生產(chǎn)過程的情況，還需將信號傳送給控制儀表和裝置，對生產(chǎn)過程進行自動控制，使工藝參數(shù)符合預(yù)期要求，因此他們是實際生產(chǎn)過程自動化的重要工具。我們接下來來主要是是從它的的研究現(xiàn)現(xiàn)狀、特特點和發(fā)發(fā)展趨勢勢來說明明它對現(xiàn)現(xiàn)今社會會的影響響，以及及以后的的發(fā)展和和作用。一、研究現(xiàn)現(xiàn)狀 隨隨著自動動控制理理論的

2、產(chǎn)產(chǎn)生和自自動控制制技術(shù)的的成熟,以A /D (數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換)環(huán)節(jié)為為基礎(chǔ)的的數(shù)字式式儀器得得到快速速發(fā)展。 伴隨著著計算機機、通訊訊、軟件件和新材材料、新新技術(shù)等等的快速速發(fā)展與與成熟,人工智智能、在在線測控控成為可可能,使儀器器走向智智能化、虛虛擬化、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化。 數(shù)字儀儀器、智智能儀器器、個人人計算機機儀器、虛虛擬儀器器和網(wǎng)絡(luò)絡(luò)儀器代代表了220世紀紀現(xiàn)代科科學儀器器發(fā)展的的主流與與方向。下下圖為測測量儀器器發(fā)展歷歷程示意意圖。1 模擬儀儀器以模擬電子子技術(shù)為為基礎(chǔ)，其其一般有有兩部分分組成：轉(zhuǎn)換裝裝置和指指示裝置置。轉(zhuǎn)換裝置：是把輸輸入信號號裝換成成標準的的模擬量量信號。指示裝置：是

3、把標標準的模模擬量信信號轉(zhuǎn)換換成儀表表指針指指示的相相對應(yīng)的的測量數(shù)數(shù)值。2數(shù)字儀儀器 以數(shù)字技技術(shù)為基基礎(chǔ)，以大規(guī)規(guī)模集成成電路為為主體構(gòu)構(gòu)成數(shù)字字式儀器器。對被測測量的模模擬信號號進行AA /DD轉(zhuǎn)換后后。傳輸、處處理、存存貯和顯顯示的信信號均為為數(shù)字信信號。使測試試速度快快，準確性性也大大大提高。 數(shù)字化化是智能能儀器、個個人儀器器和虛擬擬儀器的的基礎(chǔ)，是計算算機技術(shù)術(shù)進入測測量儀器器的前提提。3智能儀儀器智能儀器是是把一個個微型計計算機系系統(tǒng)嵌入入到數(shù)字字式電子子測量儀儀器中而而構(gòu)成的的獨立式式儀器。 嵌入的的計算機機系統(tǒng)可可以是芯芯片級。如單片片機、數(shù)數(shù)字信號號處理(Diggitaa

4、l SSignnal Proocesssinng,DDSP)等。模板級級如PCC - 4.，也可以是系統(tǒng)級，如微型計算機系統(tǒng)，可編程單芯片系統(tǒng)( System on a Programmable Chip, SOPC)等。智能儀器在結(jié)構(gòu)上自成一體，有的儀器內(nèi)部還帶有專用的微型計算機系統(tǒng)和通用接口總線( General Purpose Interface Bus,GP IB)接口，能獨立完成測試。 智能儀器由于引入了計算機，功能強大、性能優(yōu)異、使用靈活、方便，是現(xiàn)階段高檔電子儀器的主體。 隨著新技術(shù)、新工藝和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的不斷進步，智能儀器還在不斷發(fā)展，不斷推陳出新，不斷提高智能水平。4個人儀

5、儀器把測試功能能的硬件件模塊做做成一個個I/OO插卡(儀器卡卡) ，直直接插入入個人計計算機( PCC)擴展展插槽，再配置置相應(yīng)的的測試軟軟件使計計算機能能夠完成成測量儀儀器的功功能，構(gòu)成一一個以PPC為基基礎(chǔ)的個個人計算算機儀器器。 個人人計算機機儀器充充分吸取取了GPP或IBB標準化化和智能能儀器智智能化的的優(yōu)點，同時又又能共享享PC機的的硬件、外外設(shè)和軟軟件資源源，使其顯顯示出強強大的生生命力。5虛擬儀儀器虛擬技術(shù)是是利用計計算機界界面和在在線幫助助功能，建立儀儀器虛擬擬板面，通過計計算操作作完成對對對象的的測試分分析功能能。 虛擬擬儀器實實質(zhì)上是是“軟硬結(jié)結(jié)合”、“虛實結(jié)結(jié)合”的產(chǎn)物物

6、。 它充充分利用用計算機機技術(shù)來來實現(xiàn)和和擴展傳傳統(tǒng)儀器器的功能能。 在虛虛擬儀器器中， 硬件只只是信號號傳輸?shù)牡慕橘|(zhì)。軟件才才是整個個儀器系系統(tǒng)的關(guān)關(guān)鍵， 用戶可可根據(jù)自自己的需需要通過過編制不不同的測測試軟件件來構(gòu)建建不同功功能的測測試系統(tǒng)統(tǒng).。其中中，許多硬硬件功能能可直接接由軟件件實現(xiàn)。 系統(tǒng)具具有極強強的通用用性和多多功能性性。6網(wǎng)絡(luò)儀儀器基于Intternnet和和Inttrannet的的網(wǎng)絡(luò)儀儀器是計計算機技技術(shù)、虛虛擬技術(shù)術(shù)、網(wǎng)絡(luò)絡(luò)技術(shù)的的完美結(jié)結(jié)合。代表了了當前和和今后儀儀器儀表表領(lǐng)域的的發(fā)展潮潮流，已在測測量與測測控領(lǐng)域域內(nèi)顯現(xiàn)現(xiàn)。如網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化流流量計、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化傳傳感器、網(wǎng)網(wǎng)

7、絡(luò)化示示波器、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化分分析儀和和網(wǎng)絡(luò)化化計量表表等，都成為為人們的的新寵。網(wǎng)絡(luò)化化儀器可可實現(xiàn)任任意時間間、任何何地點對對系統(tǒng)的的遠程訪訪問，實時獲獲得儀器器的工作作狀態(tài)；通過友友好的用用戶界面面，不僅可可對遠程程儀器進進行功能能控制和和狀態(tài)檢檢測，還能將將遠程儀儀器測得得的數(shù)據(jù)據(jù)快速傳傳遞給本本地計算算機。與傳統(tǒng)統(tǒng)的儀器器相比，網(wǎng)絡(luò)儀儀器具有有無可比比擬的優(yōu)優(yōu)勢：如功能能分散、危危險分散散、地理理分散、管管理集中中、通信信功能強強、網(wǎng)絡(luò)絡(luò)隔離度度高、分分布廣泛泛；系統(tǒng)操操作簡單單，人機界界面友好好，便于擴擴展和維維護；通信標標準公開開、一致致、開放放，儀器間間信息資資源共享享，具有互互操作

8、性性，可組建建大規(guī)模模分布式式測控網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)等等等。因此，網(wǎng)絡(luò)儀儀器已成成為現(xiàn)代代儀器儀儀表發(fā)展展的突出出方向。二、特點1、術(shù)指標標不斷提提高就如奧奧林匹克克運動的的口號是是更高、更更快、更更強一樣樣，儀器器儀表在在提高檢檢測控制制技術(shù)指指標上是是永遠的的追求。以以儀器儀儀表和測測量控制制的技術(shù)術(shù)范圍指指標來說說，如電電壓從納納伏1100萬萬伏；電電阻從超超導至110144；諧波波測量到到51次次；加速速度從110-441044g；頻頻率測量量至10010HHZ；壓壓力測量量至1008Paa；溫度度測量從從接近絕絕對零度度至10010等。以以提高測測量精度度指標來來說，工工業(yè)參數(shù)數(shù)測量提提高至00

9、.022%以上上，航空空航天參參數(shù)測量量達到00.055%以上上，計量量精度和和科學儀儀器達到到的精度度更是與與時俱進進。以提提高測量量的靈敏敏度來說說更是向向單個粒粒子、分分子、原原子級發(fā)發(fā)展。提提高測量量速度（響響應(yīng)速度度），靜靜態(tài)0.100.2mms，動動態(tài)為LLs。提提高可靠靠性，一一般要求求為25萬小小時，高高可靠要要求255萬小時時。穩(wěn)定定性（年年變化）0.005%（高高精度儀儀器）或或0.11%（一一般儀器器）。此此外還不不斷提高高產(chǎn)品環(huán)環(huán)境適應(yīng)應(yīng)性。2、最先應(yīng)應(yīng)用新的的科學研研究成果果，高新新技術(shù)大大量采用用現(xiàn)代儀儀器儀表表作為人人類認識識物質(zhì)世世界、改改造物質(zhì)質(zhì)世界的的第一手

10、手工具，是是人類進進行科學學研究和和工程技技術(shù)開發(fā)發(fā)的最基基本工具具。人類類很早就就懂得“工欲善善其事，必必先利其其器”的道理理，新的的科學研研究成果果和發(fā)現(xiàn)現(xiàn)如信息息論、控控制論、系系統(tǒng)工程程理論，微微觀和宏宏觀世界界研究成成果及大大量高新新技術(shù)如如微弱信信號提取取技術(shù)，計計算機軟軟、硬件件技術(shù)，網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)術(shù)，激光光技術(shù)，超超導技術(shù)術(shù)，納米米技術(shù)等等均成為為儀器儀儀表和測測量控制制科學技技術(shù)發(fā)展展的重要要動力，現(xiàn)現(xiàn)代儀器器儀表不不僅本身身已成為為高技術(shù)術(shù)的新產(chǎn)產(chǎn)品，而而且利用用新原理理、新概概念、新新技術(shù)、新新材料和和新工藝藝等最新新科技術(shù)術(shù)成果集集成的裝裝置和系系統(tǒng)層出出不窮。3、單個裝裝

11、置微小小型化，智智能化，可可獨立使使用，嵌嵌入式使使用和聯(lián)聯(lián)網(wǎng)使用用測量控控制儀器器儀表大大量采用用新的傳傳感器、大大規(guī)模和和超大規(guī)規(guī)模集成成電路、計計算機及及專家系系統(tǒng)等信信息技術(shù)術(shù)產(chǎn)品，不不斷向微微小型化化、智能能化發(fā)展展，從目目前出現(xiàn)現(xiàn)的“芯片式式儀器儀儀表”，“芯片實實驗室”等看，單單個裝置置的微小小型化和和智能化化將是長長期發(fā)展展趨勢。從從應(yīng)用技技術(shù)看，微微小型化化和智能能化裝置置的嵌入入式連接接和聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)應(yīng)用技技術(shù)得到到重視。4、測控范范圍向有有關(guān)工作作方式立立體化、全全球化擴擴展，測測量控制制向系統(tǒng)統(tǒng)化、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)發(fā)展 隨著著測量控控制儀器器儀表所所測控的的既定區(qū)區(qū)域不斷斷向立體體

12、化、全全球化甚甚至星球球化發(fā)展展，儀器器儀表和和測控裝裝置已不不再呈單單個裝置置形式，它它必然向向測控裝裝置系統(tǒng)統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)絡(luò)化方向向發(fā)展。例例如一個個大型水水電站的的測控系系統(tǒng)，僅僅檢測大大壩安全全性的傳傳感器就就達數(shù)千千個，此此外各個個發(fā)電機機組狀態(tài)態(tài)及水位位情況的的檢測控控制點（II/O測測控點）將將超過萬萬點，要要達到大大型水電電站的正正常發(fā)電電和送電電，必須須將各個個測控點點的測控控裝置形形成網(wǎng)絡(luò)絡(luò)化結(jié)構(gòu)構(gòu)，形成成一個有有機的測測控網(wǎng)絡(luò)絡(luò)系統(tǒng)；又例如如衛(wèi)星測測控系統(tǒng)統(tǒng)，人造造衛(wèi)星上上配置的的各種傳傳感器就就達到數(shù)數(shù)千，它它首先要要將衛(wèi)星星上各種種測控裝裝置構(gòu)成成一個完完整的自自動測控控子

13、系統(tǒng)統(tǒng)，然后后和多個個地面站站的測控控系統(tǒng)構(gòu)構(gòu)成一個個廣域測測控系統(tǒng)統(tǒng)。5、便攜式式、手持持式以至至個性化化儀器儀儀表大量量發(fā)展 隨著生生產(chǎn)的發(fā)發(fā)展和人人民生活活水平的的提高，人人們對自自己的生生活質(zhì)量量和健康康水平日日益關(guān)注注，檢測測與人們們生活密密切相關(guān)關(guān)的各類類商品、食食品質(zhì)量量的儀器器儀表，預(yù)預(yù)防和治治療疾病病的各種種醫(yī)療儀儀器是今今后發(fā)展展的一個個重要趨趨勢?？瓶茖W儀器器的現(xiàn)場場、實時時在線化化，特別別是家庭庭和個人人使用的的健康狀狀況和疾疾病警示示儀器儀儀表將有有較大發(fā)發(fā)展。三、發(fā)展趨趨勢進入21世世紀以來來，網(wǎng)絡(luò)、在在線、智智能等高高科技化化已成為為現(xiàn)代儀儀器最主主要的特特征和發(fā)

14、發(fā)展趨勢勢。高新技技術(shù)研究究成果的的廣泛采采用、跨學科科的綜合合設(shè)計、高高精尖的的制造技技術(shù)等， 使儀器器儀表領(lǐng)領(lǐng)域發(fā)生生了根本本性的變變革。 現(xiàn)代儀儀器儀表表作為典典型的高高科技產(chǎn)產(chǎn)品，完全突突破了傳傳統(tǒng)的光光、機、電電構(gòu)架,向著計計算機化化、網(wǎng)絡(luò)絡(luò)化、智智能化、多多功能化化的方向向迅速發(fā)發(fā)展，向著更更高速、更更靈敏、更更可靠、更更簡捷地地獲取被被分析、檢檢測、控控制對象象全方位位信息的的方向邁邁進.隨著微微機技術(shù)術(shù)、網(wǎng)絡(luò)絡(luò)通信技技術(shù)的不不斷拓展展。新世紀紀的測試試儀器將將是一個個開放的的系統(tǒng)概概念。 科學測測試儀器器正由單單臺智能能化逐步步走向通通用模件件化，并實現(xiàn)現(xiàn)即插即即用、靈活方方便

15、地組組成針對對不同對對象的自自動測試試統(tǒng)；難于實實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)化的大大型科學學儀器向向更高的的測量精精度、高高可靠性性和環(huán)境境適應(yīng)性性方向發(fā)發(fā)展。并并且其使使用的自自動化水水平不斷斷提高，并普遍遍具有自自補償、自自診斷、自自故障處處理等功功能。近年來來，納米級級的精密密機械、分分子層次次的現(xiàn)代代化學、基基因?qū)哟未蔚纳镂飳W以及及高精密密超性能能特種功功能材料料研究成成果等當當代最新新技術(shù)成成果的問問世。使儀器器儀表不不斷向更更深領(lǐng)域域發(fā)展?？v縱觀儀器器儀表的的發(fā)展歷歷程，可以得得出未來來儀器儀儀表的總總體發(fā)展展趨勢是是“六高一一長二十十化”。即傳統(tǒng)統(tǒng)的儀器器儀表朝朝著高性性能、高高精度、高高靈敏、

16、高高穩(wěn)定、高高可靠、高高環(huán)保和和長壽命命的方向向發(fā)展；而新型型的儀器器儀表與與元器件件將朝著著小型化化(微型化化) 、集集成化、成成套化、電電子化、數(shù)數(shù)字化、多多功能化化、智能能化網(wǎng)絡(luò)絡(luò)化、計計算機化化、綜合合自動化化、光機機電一體體化;服務(wù)上上的專門門化、簡簡捷化、家家庭化、個個人化、無無維護化化以及組組裝生產(chǎn)產(chǎn)自動化化、無塵塵(或超凈凈)化、專專業(yè)化、規(guī)規(guī)?；牡姆较虬l(fā)發(fā)展。數(shù)數(shù)字技術(shù)術(shù)的出現(xiàn)現(xiàn)把模擬擬儀器的的精度、分分辨力與與測量速速度提高高了幾個個量級，為為實現(xiàn)測測試自動動化打下下了良好好的基礎(chǔ)礎(chǔ)。計算算機的引引入，使使儀器的的功能發(fā)發(fā)生了質(zhì)質(zhì)的變化化，從個個別參量量的測量量轉(zhuǎn)變成成測

17、量整整個系統(tǒng)統(tǒng)的特征征參數(shù)，從從單純的的接受、顯顯示轉(zhuǎn)變變?yōu)榭刂浦啤⒎治鑫?、處理理、計算算與顯示示輸出，從從用單個個儀器進進行測量量轉(zhuǎn)變成成用測量量系統(tǒng)進進行測量量。計算算機技術(shù)術(shù)在儀器器儀表中中的進一一步滲透透，使電電子儀器器在傳統(tǒng)統(tǒng)的時域域與頻域域之外，又又出現(xiàn)了了數(shù)據(jù)域域測試。990年代代，儀器器儀表與與測量科科學技術(shù)術(shù)突破性性進展是是儀器儀儀表智能能化程度度的提高高；DSSP芯片片的大量量問世，使使儀器儀儀表數(shù)字字信號處處理功能能大大加加強；微微型機的的發(fā)展，使使儀器儀儀表具有有更強的的數(shù)據(jù)處處理能力力和圖象象處理功功能；現(xiàn)現(xiàn)場總線線技術(shù)是是90年年代迅速速發(fā)展起起來的一一種用于于各種

18、現(xiàn)現(xiàn)場自動動化設(shè)備備與其控控制系統(tǒng)統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)絡(luò)通信技技術(shù)，IInteerneet和IInteerneet技術(shù)術(shù)也將進進入控制制領(lǐng)域?，F(xiàn)現(xiàn)代儀器器儀表產(chǎn)產(chǎn)品將向向著計算算機化、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化、智智能化、多多功能化化的方向向發(fā)展，跨跨學科的的綜合設(shè)設(shè)計、高高精尖的的制造技技術(shù)使它它能更高高速、更更靈敏、更更可靠、更更簡捷地地獲取被被分析、檢檢測、控控制對象象的全方方位信息息。未來來10年年，而更更高程度度的智能能化應(yīng)包包括理解解、推理理、判斷斷與分析析等一系系列功能能，是數(shù)數(shù)值、邏邏輯與知知識的結(jié)結(jié)合分析析結(jié)果，智智能化的的標志是是知識的的表達與與應(yīng)用。利利用物理理學的新新效應(yīng)和和高新技技術(shù)及其其成就開開發(fā)新型型高靈敏敏度、高高穩(wěn)定性性、強抗抗干擾能能力傳感感器技術(shù)術(shù)和測試試儀器儀儀表。如如：利用用高溫超超導量子子干涉儀儀（SGGUIDD）開發(fā)發(fā)計量測測試儀器器、物理理學測試試儀器、地地理和地地質(zhì)學儀儀器、化化學分析析儀器、醫(yī)醫(yī)療儀器器、無損損材料檢檢測儀器器等。利利用橢偏偏技術(shù)來來檢測光光纖、光光學玻璃璃等，它它與近場場光學相相結(jié)合，不不僅可以以測量表表面精細細結(jié)構(gòu)，同同時根據(jù)據(jù)近場光光學反射射偏振信信息可以以分辨出出被測物物