智能儀器儀表發(fā)展的主要技術(shù)與展望

冉啟楓 丁亮 蘇成勇 陳賦文 向均浩

摘? 要：高新技術(shù)的快速發(fā)展為科學研究和應用提供了新的途徑，對儀器儀表的要求也越來越高，不斷推動儀器儀表行業(yè)的科技發(fā)展。智能儀器儀表廣泛應用于環(huán)保，交通，醫(yī)藥，通訊等各個行業(yè)。文章分析了促進智能儀表發(fā)展的主要技術(shù)，并展望了儀器儀表的未來發(fā)展趨勢和應用前景。

關(guān)鍵詞：儀器儀表;智能化;基礎(chǔ)技術(shù)

中圖分類號：TP216? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）25-0149-02

Abstract： The rapid development of high technology provides a new way for scientific research and application， and the requirements for instrumentation are getting higher and higher， and the technological development of the instrumentation industry is continuously promoted. Intelligent instrumentation is widely used in various industries such as environmental protection， transportation， medicine， and communication. This paper analyzes the main technologies that promote the development of smart meters， and looks forward to the future development trend and application prospects of instrumentation.

Keywords： instrumentation; intelligent; basic technology

在“模擬儀器”，“分離儀器”和“數(shù)字儀器”之后，儀器技術(shù)進入了“智能儀器”和“虛擬儀器”階段。儀器不再是簡單的硬件實體，而是儀器和微處理器的結(jié)合，結(jié)合了硬件和軟件。智能儀器儀表的發(fā)展，使得儀器儀表在測量參數(shù)的同時，還能對數(shù)據(jù)進行一些簡單的分析與控制，獲得實時最優(yōu)控制，自適應功能，網(wǎng)絡(luò)智能電表，以及網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢，為測控網(wǎng)絡(luò)的普遍建立和廣泛應用鋪平了道路。儀器的虛擬化使得具有相同結(jié)構(gòu)的儀器更加靈活和可重新配置。同時提高了性能、減少了成本。學習儀器儀表的相關(guān)知識，就能更好的幫助我們了解測量與控制的過程。

1 智能儀器儀表技術(shù)的構(gòu)成

1.1 傳感器技術(shù)

儀器的基本功能是收集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)執(zhí)行初步處理。其技術(shù)的關(guān)鍵是與數(shù)據(jù)輸入密不可分，因此傳感器技術(shù)是儀器技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著儀器技術(shù)的發(fā)展，要求具有小尺寸，低成本，高可靠性，同時滿足低功耗特性。這更多地取決于MEMS技術(shù)的發(fā)展。以提高系統(tǒng)的效率和可靠性，它具有以下一些特點：

小型化是MEMS器件最顯著的特征，它們體積小，通常在毫米到微米范圍內(nèi)，最小器件尺寸為幾微米或更小。微電子和微機械技術(shù)的結(jié)合將儀器帶入了一個全新的領(lǐng)域，小型化儀器，也可以完成信號的采集和處理。

多樣化，目前為止，在世界范圍內(nèi)，從事MEMS的研制和生產(chǎn)工作的企業(yè)數(shù)量已經(jīng)超過數(shù)千家，其中不乏一些世界500強企業(yè)。所研制出來的產(chǎn)品涉及到從工程應用到商業(yè)應用中的各行各業(yè)，例如微型壓力傳感器、創(chuàng)新產(chǎn)品，如加速度計，微型噴墨打印頭和數(shù)字顯微鏡顯示器。不光是產(chǎn)品類型的多樣化，儀器儀表的功能也呈現(xiàn)多樣化的趨勢，以多功能的函數(shù)發(fā)生器為例，脈沖發(fā)生器，頻率合成器和任意波形發(fā)生器等功能集成在一臺儀器中，使應用更加方便。在測試功能上也提供了更好的方案。

使用MEMS技術(shù)的集成化特性可以集成具有不同功能敏感方向或致動方向的多個傳感器或致動器。形成微傳感器陣列或微致動器陣列甚至微系統(tǒng)。

1.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)

為了滿足數(shù)字系統(tǒng)的發(fā)展要求，A/D轉(zhuǎn)換器的性能也必須不斷提高。轉(zhuǎn)化速度的加快與轉(zhuǎn)換精度的提高已經(jīng)成為了數(shù)模轉(zhuǎn)化技術(shù)所著重發(fā)展的方向。

高轉(zhuǎn)換速度對于當今日益現(xiàn)代化的數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度是必不可少的，并且它們還需要不斷提高的數(shù)據(jù)采集速度。在使用儀器儀表進行測量的過程中，往往被測量的物理量的變化過程是極短的，為了能及時的反映出被測量的變化情況，A/D轉(zhuǎn)換器必須具有超高速轉(zhuǎn)換速度。隨著工業(yè)的發(fā)展，工藝的進步，現(xiàn)代數(shù)字處理系統(tǒng)對分辨率的要求在不斷提高，例如，先進儀表的最小可測量值不斷減小，測量的變化在高精度測量中也較小。因此，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率也必須增加。

1.3 嵌入式系統(tǒng)

如今，軟件技術(shù)的發(fā)展總是能給儀表工業(yè)同樣帶來發(fā)展，引入更多的新功能?，F(xiàn)代儀器設(shè)備通常以某種方式由若干功能模塊組成。通過嵌入式軟件作用，來協(xié)調(diào)這些模塊的設(shè)計，在它們之間建立各種連接，并分配各種功能以有效地解決用戶問題。這種設(shè)計方法可以充分利用現(xiàn)有的硬件和軟件資源，節(jié)省功能開發(fā)的成本，進一步簡化儀器設(shè)備。例如，儀器開發(fā)的主要方向之一是小型化。嵌入式系統(tǒng)可以在小芯片上集成所需的功能，這可以減小產(chǎn)品的尺寸并增加集成度，同時降低功耗。這不僅滿足了用戶對儀表產(chǎn)品的小型化要求，而且為其提供了便捷的移動功能，增強了產(chǎn)品與網(wǎng)絡(luò)之間的連接功能。

畢竟，嵌入式軟件為儀器開發(fā)提供了一種新的思維和設(shè)計方式。它可以幫助開發(fā)人員在有限的設(shè)計空間內(nèi)優(yōu)化系統(tǒng)性能，并關(guān)閉硬件和軟件之間的連接。它避免了由硬件和軟件架構(gòu)的獨立設(shè)計引起的缺點。我相信，在未來，儀器的智能化發(fā)展必然會帶來嵌入式軟件的幫助。

1.4 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)隨著科技的不斷發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域中也有著舉足輕重的作用，各個領(lǐng)域、各個環(huán)節(jié)的發(fā)展都離不開網(wǎng)絡(luò)化，儀器的發(fā)展自然與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推廣密不可分。過去的儀器儀表都是通過線纜來進行鏈接，這種方式對儀器的布置位置、線纜的設(shè)置等方面都有很高的要求，還會提高儀器的使用成本與維護難度。如今，受到廣泛關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)徹底解決了這些問題。表現(xiàn)在兩個方面：智能儀表必須上線才能完成數(shù)據(jù)傳輸，遠程控制和故障診斷;構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)，將各種不同的測試設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)資源，信息共享，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)工作，共同完成大型復雜系統(tǒng)的測試任務。智能化實現(xiàn)儀器后，通過進一步實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場測控資料可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)歸檔，監(jiān)控和控制，具有科學，高效的信息處理功能。因此，網(wǎng)絡(luò)也是現(xiàn)代儀器技術(shù)的組成部分之一。

2 智能儀器儀表技術(shù)的現(xiàn)狀

據(jù)最新統(tǒng)計，中國自動化儀器儀表行業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，各類自動化儀表儀表出口量逐年增加，遠銷海外。然而，生產(chǎn)大國卻并不是創(chuàng)新大國，對比世界的儀器儀表工業(yè)水平，不論是科研投入、創(chuàng)新能力，在制造技術(shù)和材料技術(shù)方面，與目前的國際一流標準仍有很大差距。以儀器儀表中的新技術(shù)在線分析儀器為例，在線分析儀器的出現(xiàn)已經(jīng)存在了幾十年。然而在中國卻是近十年來才提出這一概念，多年以來，中國的儀器儀表企業(yè)少則上千家，并且還在逐年增加，但是，在這數(shù)千家企業(yè)之中，真正從事在線分析儀表技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)制造的企業(yè)只有十幾家而已，更多的是依賴國外產(chǎn)品的進口來填補空缺。隨著國家工業(yè)水平的進步、國力的提升、社會需求的發(fā)展，在線分析技術(shù)已經(jīng)涉及到日常生活的方方面面，比如水質(zhì)、空氣質(zhì)量等方面，也牽涉到工業(yè)生產(chǎn)中一些非常重大的事項。在過去，國家對空氣質(zhì)量沒有過多的限制，但現(xiàn)在例如PM2.5、各種氣體含量，都有嚴格要求。通過采集樣本，再送到實驗室進行檢測，無法獲得實時準確的結(jié)果，這時候就需要使用在線分析儀器來進行檢測。

20世紀80年代后期的技術(shù)引進為中國的在線分析儀器行業(yè)帶來了新的活力。1985年，四川分析儀器廠“成套科”成立，專業(yè)從事在線分析工程應用。1992年，中國第一個在線分析工程部門在四川成立，當時的部長們開始了在線分析工程的新專業(yè)。定義了在線分析系統(tǒng)，公司開發(fā)的PS1000系列成為中國最早的在線分析工程技術(shù)研究成果。2007年，第二屆在線分析儀器應用與發(fā)展國際論壇在北京召開。在線分析工程技術(shù)從此到了發(fā)展的關(guān)鍵時候，并在以后走上了正軌。

儀器儀表技術(shù)的發(fā)展，不應當舍本逐末。目前，我國的儀器儀表產(chǎn)業(yè)還有很大的缺陷，各項性能指標還有很大的提升空間，應當向國外的一流企業(yè)看齊，并作為目標，在今后的發(fā)展中，使生產(chǎn)大國朝向創(chuàng)新大國穩(wěn)步邁進。

3 智能儀器儀表技術(shù)的發(fā)展展望

3.1 儀器儀表進一步智能化

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，智能儀器驅(qū)動軟件的出現(xiàn)優(yōu)化了虛擬儀器的性能和結(jié)構(gòu)。通過智能化的形式，可以實現(xiàn)代碼的自動生成，節(jié)省更多的人力物力，減少人員的工作量。此外，還連接了通信驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)，使用戶應用程序和維護更加方便。在智能開發(fā)下，儀器的設(shè)置和運行狀態(tài)可以動態(tài)跟蹤，管理和配備，用戶可以自主擴展設(shè)置。同時，在智能管理條件下，驅(qū)動器可以自動監(jiān)控運行狀態(tài)，及時解決問題并及時解決，確保儀器的穩(wěn)定性和安全性，提高儀器的運行質(zhì)量。

3.2 更快、更強、更節(jié)能

與傳統(tǒng)的測控模式相比，未來的智能儀器儀表將會在現(xiàn)今對資源的需求較大、測控過程較為繁瑣、人力成本消耗巨大的問題上進行改進，在對環(huán)境友好的前提下，提高測控過程完成的效率;在智能化的支撐下，使測控系統(tǒng)不僅僅只局限于對目標數(shù)據(jù)的測量控制，還可以將測控系統(tǒng)中可能存在的各種影響因素都進行監(jiān)測，通過邏輯性的數(shù)據(jù)計算模式與自動化檢測，形成更加高效，科學的測控系統(tǒng);智能操作還可以減少人力需求，所需的人才從操作設(shè)備變?yōu)闄z測設(shè)備以收集數(shù)據(jù)。智能技術(shù)的應用消除了人為因素造成的誤差。使得測控系統(tǒng)能夠擁有更高的準確度與更強大的性能。

3.3 儀器儀表的全方位應用

現(xiàn)如今的電子科技技術(shù)的高度進步已經(jīng)為儀器儀表的發(fā)展鋪平了道路，儀器儀表所組成的測量控制網(wǎng)絡(luò)，不僅提高了工業(yè)生產(chǎn)效率，而且實現(xiàn)了資源共享，這也是儀器儀表未來的發(fā)展方向之一。此外，利用目前中國現(xiàn)代工業(yè)化和計算機化的蓬勃發(fā)展來推動儀表工業(yè)的發(fā)展，提高創(chuàng)新水平，加強測量儀器和測量系統(tǒng)的開發(fā)，大力推動儀器產(chǎn)業(yè)向智能化，開放化，標準化發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，儀器儀表技術(shù)將會在未來得到更好的發(fā)展。

通過模擬人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)信息的智能處理和傳輸，利用生物遺傳規(guī)律可以模擬遺傳計算。這種方法優(yōu)化了測量和控制系統(tǒng)，以繼續(xù)向智能化方向發(fā)展。在性能發(fā)展方面，測控技術(shù)和儀器的智能技術(shù)將朝著靈活，高精度，高效率的方向發(fā)展，向智能化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展。與未來新興技術(shù)的合作，也是發(fā)展方向之一。

4 結(jié)束語

在測量和控制技術(shù)和儀器的適應下，借助計算機的自動輔助模式，集中訪問信息，使其能夠提取重組的重要元素，為了適應不同的操作模式，智能技術(shù)可以通過反饋數(shù)據(jù)信息等更全面地了解設(shè)備的信號反饋內(nèi)容。設(shè)計更科學，高效的測控系統(tǒng)，進一步提升核心競爭力，提高我國測控技術(shù)水平，應依靠智能化發(fā)展條件，在注重智能與測控技術(shù)與儀器相結(jié)合的同時，不斷培養(yǎng)創(chuàng)新人才，真正實現(xiàn)行業(yè)的跨越式發(fā)展。并為民族復興大業(yè)做出積極貢獻。

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