综述现代测控仪表的研究现况特点和发展趋势 SANY标准化小组 #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
现代控制仪表的研究现状、特点和发展趋势过程控制是满足过程工业自动化需求的一门科学技术，它渗透在石油、化工、电力,冶金、食品、饮料等几乎任何工业领域里。
控制仪表和装置是自动控制系统的重要设备(硬件)，在自动控制系统中，由检测仪表将生产工艺参数变为电信号或气压信号后，不仅要由显示仪表显示或记录，让人们了解生产过程的情况，还需将信号传送给控制仪表和装置，对生产过程进行自动控制，使工艺参数符合预期要求，因此他们是实际生产过程自动化的重要工具。
我们接下来主要是从它的研究现状、特点和发展趋势来说明它对现今社会的影响，以及以后的发展和作用。
一、研究现状
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。下图为测量仪器发展历程示意图。
1 模拟仪器
以模拟电子技术为基础，其一般有两部分组成：转换装置和指示装置。
转换装置：是把输入信号装换成标准的模拟量信号。
指示装置：是把标准的模拟量信号转换成仪表指针指示的相对应的测量数值。
2 数字仪器
以数字技术为基础，以大规模集成电路为主体构成数字式仪器。对被测量的模拟信号进行A /D转换后。传输、处理、存贮和显示的信号均为数字信号。使测试速度快，准确性也大大提高。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。
3 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 Programmable Chip, 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，是现阶段高档电子仪器的主体。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。
4 个人仪器
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或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。
5 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。
6 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。
二、特点
1、术指标不断提高
就如奥林匹克运动的口号是更高、更快、更强一样，仪器仪表在提高检测控制技术指标上是永远的追求。以仪器仪表和测量控制的技术范围指标来说，如电压从纳伏~100万伏；电阻从超导至1014Ω；谐波测量到51次；加速度从10-4―104g；频率测量至1010HZ；压力测量至108Pa；温度测量从接近绝对零度至1010℃等。以提高测量精度指标来说，工业参数测量提高至%以上，航空航天参数测量达到%以上，计量精度和科学仪器达到的精度更是与时俱进。以提高测量的灵敏度来说更是向单个粒子、分子、原子级发展。提高测量速度（响应速度），静态~，动态为Lμs。提高可靠性，一般要求为2~5万小时，高可靠要求25万小时。稳定性（年变化）＜±%（高精度仪器）或＜±%（一般仪器）。此外还不断提高产品环境适应性。
2、最先应用新的科学研究成果，高新技术大量采用
现代仪器仪表作为人类认识物质世界、改造物质世界的第一手工具，是人类进行科学研究和工程技术开发的最基本工具。人类很早就懂得“工欲善其事，必先利其器”的道理，新的科学研究成果和发现如信息论、控制论、系统工程理论，微观和宏观世界研究成果及大量高新技术如微弱信号提取技术，计算机软、硬件技术，网络技术，激光技术，超导技术，纳米技术等均成为仪器仪表和测量控制科学技术发展的重要动力，现代仪器仪表不仅本身已成为高技术的新产品，而且利用新原理、新概念、新技术、新材料和新工艺等最新科技术成果集成的装置和系统层出不穷。
3、单个装置微小型化，智能化，可独立使用，嵌入式使用和联网使用
测量控制仪器仪表大量采用新的传感器、大规模和超大规模集成电路、计算机及专家系统等信息技术产品，不断向微小型化、智能化发展，从目前出现的“芯片式仪器仪表”，“芯片实验室”等看，单个装置的微小型化和智能化将是长期发展趋势。从应用技术看，微小型化和智能化装置的嵌入式连接和联网应用技术得到重视。
4、测控范围向有关工作方式立体化、全球化扩展，测量控制向系统化、网络化发展
随着测量控制仪器仪表所测控的既定区域不断向立体化、全球化甚至星球化发展，仪器仪表和测控装置已不再呈单个装置形式，它必然向测控装置系统、网络化方向发展。例如一个大型水电站的测控系统，仅检测大坝安全性的传感器就达数千个，此外各个发电机组状态及水位情况的检测控制点（I/O测控点）将超过万点，要达到大型水电站的正常发电和送电，必须将各个测控点的测控装置形成网络化结构，形成一个有机的测控网络系统；又例如卫星测控系统，人造卫星上配置的各种传感器就达到数千，它首先要将卫星上各种测控装置构成一个完整的自动测控子系统，然后和多个地面站的测控系统构成一个广域测控系统。
5、便携式、手持式以至个性化仪器仪表大量发展
随着生产的发展和人民生活水平的提高，人们对自己的生活质量和健康水平日益关注，检测与人们生活密切相关的各类商品、食品质量的仪器仪表，预防和治疗疾病的各种医疗仪器是今后发展的一个重要趋势。科学仪器的现场、实时在线化，特别是家庭和个人使用的健康状况和疾病警示仪器仪表将有较大发展。
三、发展趋势
进入21世纪以来，网络、在线、智能等高科技化已成为现代仪器最主要的特征和发展趋势。高新技术研究成果的广泛采用、跨学科的综合设计、高精尖
的制造技术等，使仪器仪表领域发生了根本性的变革。现代仪器仪表作为典型的高科技产品，完全突破了传统的光、机、电构架,向着计算机化、网络化、智能化、多功能化的方向迅速发展，向着更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、检测、控制对象全方位信息的方向迈进.随着微机技术、网络通信技术的不断拓展。新世纪的测试仪器将是一个开放的系统概念。科学测试仪器正由单台智能化逐步走向通用模件化，并实现即插即用、灵活方便地组成针对不同对象的自动测试统；难于实现网络化的大型科学仪器向更高的测量精度、高可靠性和环境适应性方向发展。并且其使用的自动化水平不断提高，并普遍具有自补偿、自诊断、自故障处理等功能。近年来，纳米级的精密机械、分子层次的现代化学、基因层次的生物学以及高精密超性能特种功能材料研究成果等当代最新技术成果的问世。使仪器仪表不断向更深领域发展。纵观仪器仪表的发展历程，可以得出未来仪器仪表的总体发展趋势是“六高一长二十化”。即传统的仪器仪表朝着高性能、高精度、高灵敏、高稳定、高可靠、高环保和长寿命的方向发展；而新型的仪器仪表与元器件将朝着小型化(微型化) 、集成化、成套化、电子化、数字化、多功能化、智能化网络化、计算机化、综合自动化、光机电一体化;服务上的专门化、简捷化、家庭化、个人化、无维护化以及组装生产自动化、无尘(或超净)化、专业化、规模化的方向发展。数字技术的出现把模拟仪器的精度、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础。计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别参量的测量转变成测量整个系统的特征参数，从单纯的接受、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。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，又出现了数据域测试。90年代，仪器仪表与测量科学技术突破性进展是仪器仪表智能化程度的提高；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和图象处理功能；现场总线技术是90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，Internet和Internet技术也将进入控制领域。现代仪器仪表产品将向着计算机化、网络化、智能化、多功能化的方向发展，跨学科的综合设计、高精尖的制造技术使它能更高速、更灵敏、更可
靠、更简捷地获取被分析、检测、控制对象的全方位信息。未来10年，而更高程度的智能化应包括理解、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。利用物理学的新效应和高新技术及其成就开发新型高灵敏度、高稳定性、强抗干扰能力传感器技术和测试仪器仪表。如：利用高温超导量子干涉仪（SGUID）开发计量测试仪器、物理学测试仪器、地理和地质学仪器、化学分析仪器、医疗仪器、无损材料检测仪器等。利用椭偏技术来检测光纤、光学玻璃等，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，这是目前实验研究新探索。将可调谐稳频激光光谱仪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10mm。
参考文献
《控制仪表与装置》主编：向婉成机械工业出版社
《过程控制仪表》主编：曹润生、黄祯地、周泽魁浙江大学出版社
《过程控制仪表及控制系统》主编：林德杰机械工业出版社
《传感器技术》主编：贾伯年东南大学出版社
《自动检测和过程控制》主编：刘元扬冶金工业出版社