仪器仪表与测量控制科技的发展Word下载.docx
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非常难得的是，王大珩、杨嘉墀、金国藩3位院士亲自参加了调研活动，并在调研结束后主持调研组向两委一部提出了一份"
关于振兴我国仪器仪表产业对策与建议"
的研究报告。
这份报告对仪器仪表在当今社会的重要作用提出了明确而形象的说明，那就是我们都非常熟悉的：
仪器仪表是工业生产的"
倍增器"
，科学研究的"
先行官"
，军事上的"
战斗力"
，以及现代社会活动的"
物化法官"
。
这个说明的内涵和份量不需要再作任何解释，大家都一清二楚。
令人鼓舞的是，仪器仪表与测量控制"
、"
和"
的重要作用已经为社会各界，包括政府部门所共识，成为加快发展仪器仪表科技和产业的科学依据，并在文件、报告和讲话中广为引用。
由于仪器仪表与测量控制的重要地位和作用受到了社会的高度重视，近些年来国家采取了一系列重大措施加快发展。
值得特别提出的举措有：
2001年3月举行的七届四次全国人大会议上提出"
国家经济与社会发展第十个五年计划纲要"
中明确提出"
把发展仪器仪表放到重要位置"
国家发展纲要提到仪器仪表，而且放到重要位置，是建国以来的第一次。
紧接着，国家计委、经贸委、科技部等许多部委都列了若干专项，动用了大笔资金支持仪器仪表的发展。
2005年，国家发改委正式下达了"
加快振兴装备制造业的若干意见"
，提出了在各个行业中选出16项重点发展领域立专项支持发展，其中第11项就是重大工程自动化控制系统和精密测试仪器。
2006年制定"
国家中长期科学与技术发展规划纲要"
，涉及到了多项仪器仪表与测量控制发展项目。
2008年4月，科技部、发改委、教育部和中国科协联合发出了"
关于加强创新方法工作的若干意见"
，正式启动创新方法工作在全国开展。
这份文件中，明确提出创新方法包括创新思维、创新方法和创新工具三个要素，创新工具主要就是指推动科技创新的科学仪器。
科学仪器的重要作用被进一步提升，开发研究得到更有力的支持。
此外，在863计划，特别是航天计划等国家科技发展计划中，支持仪器仪表与测量控制的发展也被放到了重要位置。
就是在这样一个十分有利的形势下，近些年来我国仪器仪表与测量控制得到了迅速的发展。
二、基本概况
谈到仪器仪表与测量控制的基本概况，应当包括两个方面，那就是学科和产业。
仪器仪表究竟是不是一门独立的学科?
过去一直存有争议。
今天，我们可以毫不犹豫地回答，仪器仪表与测量控制已经发展形成一门独立完整的学科。
之所以得出这样的定论，我们有四条充分的理由。
第一，仪器仪表与测量控制学科具备了自己特有的一整套基础理论和技术，其中主要包括传感器理论和技术，检测计量理论和技术，信号处理理论和技术，误差分析理论和技术，自动控制理论和技术等。
在这些基础理论和技术的研究开发中，拥有一批杰出的科学家和优秀的中青年科技创新人才，他们的研究开发成果对促进学科发展作出了重要的贡献；
第二，综观科学技术发展史，当一门新兴学科形成和不断发展时，教育体系，特别是高等教育就会应运而生出现新的学科教育，培养新的学科人才。
我国教育部多年来已经围绕着仪器仪表与测量控制学科设立了一级学科教育体系，现在定名为"
仪器科学与技术"
学科，全国近250所高校设置了相应的专业，3万多名本科生和1万多名研究生在校学习。
我国高校为"
学科制定了专业培养目标和规范，已经为仪器仪表与测量控制领域培养了几十万学科技术人才；
第三，仪器仪表与测量控制学科是一门工程应用学科，与之相适应的产业的形成和发展是学科发展的物质基础和技术支撑。
我国仪器仪表产业已经具备相当规模，这在下面还会详细谈到，因此，仪器仪表与测量控制学科不是在象牙塔内，而有着强大的生命力和发展空间；
第四，仪器仪表与测量控制学科有一个全国性的国家一级的学术团体――中国仪器仪表学会。
学会在推动学科进展方面作了大量工作，取得了显著的业绩。
特别是学会近几年来开展学科进展研究，不仅加强了学科的基础建设，而且丰富了学科活动的内容和扩展了学科发展的空间。
我今天发言的部分内容，就是取材于学会撰写的学科进展报告。
谈到我国仪器仪表与测量控制产业的基本概况,先让我们了解一些统计数据。
2007年我国仪器仪表产业规模以上企业为3954家，实现总产值3078亿元，销售收入达到3005亿元，双双突破3000亿元。
同比2004年1000亿元，2006年2000亿元，4年间年增长率超过30%。
3000亿元的销售额中，出口商品达到88亿美元，同比上一年度增长了36%。
目前，我国仪器仪表与测量控制产业已经形成门类品种比较齐全、布局比较合理、具有相当技术基础和生产规模的产业体系，在亚洲我国是除日本以外第二大仪器仪表生产国，是发展中国家综合实力最强的仪器仪表生产国。
从产品的技术水平分析，目前绝大多数国产仪器仪表还处于发达国家20世纪90年代中后期水平。
中低档产品品种基本齐全，能够规模生产，质量基本稳定，可以满足国内市场要求，且有批量出口。
比如电工仪器仪表在国内市场占有率达到95%，并有13%产品出口。
深圳市每年生产数字万用表700万台，销售世界90多个国家。
国产仪器仪表，也有少数中高档产品接近国际技术水平。
在国家重点科技攻关项目中，特别是必须自主创新发展的航天航空领域和国防安全领域，已经有部分仪器仪表技术上取得了新的突破。
我国嫦娥一号卫星携带的8种探测仪器都是我国科技人员自主研制设计的，不仅在技术上总体达到了国际先进水平，而且有自己的特点和创新。
在工程应用技术方面，已经能够承担一部分国家重大工程仪器仪表系统成套。
关于我国仪器仪表与测量控制的重大进展后面还要专门谈到，这里就不再多列举了。
按照应用领域的不同，我们习惯地把仪器仪表和测量控制划分为六个大类，即工业自动化仪表与控制系统、科学仪器、医疗仪器、电子与电工测量仪器、各类专用仪器、传感器和仪器仪表元器件及功能材料。
这是一个大致的分类，其间存在着许多交叉和渗透。
工业自动化仪表与控制系统，主要应用在工业生产流程中的检测和控制；
科学仪器应用面极广，包括科学研究、教学实验、物质分析、安全监测等各种领域；
医疗仪器应用于生命科学研究和临床诊断治疗；
电子与电工测量仪器用于对各种电子和电工参数进行测量；
各类专用仪器应用于各种专门的领域，如农业、环保、气象、水文、地质、海洋等，这类仪器除了应用领域的特殊要求具备某些特殊性外，它们的基本原理和应用方法跟科学仪器等其他类仪器并无本质的区别；
传感器、元器件和功能材料主要用于获取信号、仪器制作和使用材料上。
传感器已经成为影响到仪器仪表与测量控制发展和应用的关键所在。
各类仪器的基础理论和技术，构成了仪器仪表与测量控制学科体系的基本内容，它们的产业成为仪器仪表与测量控制产业体系的重要组成，而它们的发展决定着仪器仪表与测量控制的未来。
当我们分析我国仪器仪表与测量控制现状的时候，不能不清醒地认识到它同国际先进水平相比，同我国经济和社会发展的实际需要相比，还存在着很大的差距。
差距是全方位的，最要害的有三点：
第一，我国仪器仪表产业规模小，产值低，企业同样是规模小，产值低。
2007年我国仪器仪表产业总产值3000亿元人民币，只占工业总产值2.5%。
10年前，美国仪器仪表产业总产值已达到4千亿美元，占工业总产值4%。
目前，美国仪器仪表企业年产值超过20亿美元不少于50家，我国最大的仪器仪表企业，京仪集团年产值80亿元人民币，川仪集团60亿元人民币。
两相比较，差距实在太大。
产业和企业的规模和产值直接影响到产业的活力与发展。
要缩小和消除这个差距，需要我们努力奋斗10年20年。
第二，我国仪器仪表产品质量上、品种上还存在不少问题。
产品的可靠性和稳定性，长期以来没有得到根本解决，严重影响到市场销售和正常使用。
许多大型精密仪器我们还生产不出来，国内需求几乎全部依赖进口。
2007年我国仪器仪表产品出口创下了88亿美元，可是进口却达到了172亿美元，逆差84亿美元，成为装备制造业之最。
这个问题不解决，我国仪器仪表与测量控制学科和产业的发展将无法摆脱落后被动的局面。
第三，我国仪器仪表产业创新能力不强，还无法承担起科技创新主体的责任。
国际上仪器仪表科技创新发展极快，产品更新换代的周期大约只需2至4年，多数企业销售额一半以上几乎都来自5年内上市的新产品。
而我国仪器仪表产品不少还沿自于20世纪80年代技术引进的产物，相当多企业产品是10年一贯制,靠吃老本为生。
自主创新能力不强原因是多方面的，影响最大的不外乎两条：
一是科技创新开发投入资金太少。
国外企业用于科技创新资金投入一般为销售收入8至10%，而我国企业投入资金很少超过3至5%，何况销售收入本来就不多，极大地限制了科技创新的有效开展；
二是人的因素，有的领导不重视自主创新，更多的是创新人才匮乏。
党的十七大提出，提高自主创新能力，建设创新型国家是国家发展战略的核心，是提高综合国力的关键。
企业提升科技创新能力，已经成为刻不容缓的历史使命。
三、趋势特点
当今，仪器仪表与测量控制发展的趋势是：
面对产品的稳定性、可靠性和适应性要求不断提高；
技术指标和功能不断提高；
最先采用新的科学研究成果；
高新技术大量采用；
仪器及测控单元微小型化、智能化日趋明显；
要求仪器及测控单元可独立使用、嵌入式使用和联网使用；
仪器测控范围向立体化、全球化扩展；
测控功能向系统化、网络化发展；
便携式、手持式以至个性化仪器大量发展。
技术特点是：
综合各种新技术，在研究仪器仪表相关类型传感器、元器件和材料及技术的基础上，创新开发新的微弱信号敏感、传感、检测、融合技术,物质原子、分子级检测技术，复杂组成样品的联用分析技术，生命科学的原位、在位、实时、在线、高灵敏度、高通量、高选择性检测技术，创建各类新型检测仪器仪表；
结合系统论、控制论的发展，在开发工业自动化测控的在线分析和控制、原位分析及控制、高可靠性、高性能和高适应性等技术的基础上，创新发展工业自动化仪表与控制系统；
结合生命科学、人体科学的发展，在开发医疗诊治的健康状况监测、早期诊治、无损诊断、无创和低创直视诊疗、精确定位治疗技术的基础上发展医疗仪器；
同时跟踪新学科领域和各类应用领域的发展，开发各种专用、快捷、自动化检测和计量技术及专用仪器仪表。
工业自动化仪表与控制系统和科学仪器，在产值和市场两个方面都占据着仪器仪表与测量控制总体的一半，是仪器仪表与测量控制体系的两大支柱。
由于发言时间有限，下面就让我们把主要的注意力放在这两类仪器未来的发展上。
工业自动化仪表与控制系统未来发展的关注点应当是：
1、自动化仪表与企业的信息化
自动化仪表技术包括信息采集、处理和应用。
企业信息化"
实际上是企业信息的集成和整合。
为此，必须用自动化和系统的信息模型"
简化"
规则"
抽象"
信息，以便最有效地利用信息。
这是自动化仪表领域的一项基础工作，也是统一信息表达的重要手段。
2、自动化仪表工程项目全局信息和全生命周期信息的整合
这是实现自动化仪表系统的全面可互操作。
可互操作是分层次的，实现需要一个漫长的过程。
近年来IEC62424标准的出版，InTools工具软件功能的扩充以及控制系统与现场仪表层各项可互操作标准的推出是发展中一个重要标志点。
3、功能安全
近年来功能安全的重要发展是，大量经过功能安全认证的仪表推向市场。
为了争取竞争中有利地位，几乎所有仪表制造商都会开展功能安全的研究。
4、系统维护与仪表诊断
系统维护与仪表诊断越来越受到用户、制造商和研究者各方的关注。
它分为四个层次，生产流程的诊断、生产装备的诊断,自动化控制系统的诊断和现场仪表的诊断。
生产流程的诊断原则上不属于自动化仪表范畴，但是诊断信息的交换涉及自动化仪表系统。
针对生产装备的监控，诊断仪表系统已经推出了新产品。
自动控制系统的诊断通常是控制系统中设备管理软件的一个模块或一种功能，负责控制系统自身以及现场仪表的实时诊断和预测性维护。
现场仪表的诊断难度较大，维护周期由智能仪表的损耗情况或固定时间确定。
5、无线通信
工业无线通信技术的快速发展是自动化仪表领域显著的亮点，它的特征是：
技术方案多样化，参与者迅速增加,成立了专业组织。
推出多种无线演示系统、测量仪表样机，将成为全球主要自动化仪表展览的热点。
6、控制网络
未来几年网络控测和网络仪表是自动化仪表发展的重点，发展方向是大幅提高速度、简化安装和调试的复杂性、扩展无线功能以及发展网络技术。
7、标准化
标准化在自动化仪表发展历史上发挥过重要作用，未来还会对我国仪表产品追赶世界水平发挥重大作用。
在新经济时代，有大量信息接口标准的需求，它的共同特点就是在相同的技术水平上可以有很多种标准化方案。
现在对高技术新产品可以先制定标准，完全改变了标准化的理念。
科学仪器未来发展应当关注以下几个方面：
1、分析仪器
光学捕获（Opticaltrapping）是一种新型的光学微操作技术。
它将一束光用高数值孔径的物镜聚焦成微米级的光斑，形成梯度来实现对微小粒子的捕获和移动。
这项技术被广泛应用于各种微观领域的研究。
微型色谱仪将会得到很快的发展。
C2V公司已经推出了世界上最小最快的手持式气相色谱仪，主机大小仅124×
84×
60mm，所含柱模块大小为60×
100×
12.5mm，可在10-30秒内完成天然气主要成份的全分析。
NMR的微型化近年来已经取得重大进展，瑞士Neuchatel大学开发成功一种高质量因子可供微流控芯片NMR全分析系统使用的射频平面微线圈，所需样品量仅为1-100纳升，并可在几秒内获得所需的信噪比。
NMR微型化应当是值得关注的发展方向。
光频光梳光谱法（Opticalfrequencycombspectroscopy）是最新发展起来的另一种重要的仪器技术，采用这种技术可以在极短的时间内以很高的灵敏度检测许多不同的气体，将在临床诊断领域发挥重要作用。
2、精密检测仪器
当今时代已经进入分子、原子分析检测新阶段，微纳科技的发展直接推动了精密检测仪器的快速发展。
值得特别关注是MEMS/NEMS（微电机系统/纳机电系统）测试仪器,以扫描隧道显微镜和原子力显微镜为代表的扫描探针显微镜,以及基于STM/AFM的基本原理新发展起来一系列SPM,如磁力显微镜、静电力显微镜等这些仪器的新发展。
3、光子成像仪器
一个以光子学与生命科学相互融合的新学科――生物医学光子学随着激光、电子、光谱、显微及光纤等技术的发展而迅速成长起来，应运而生出现了不少新型科学仪器。
应用这些仪器不但丰富了人们对于光与生物组织体相互作用机理的认识，而且促进了各种新的生物研究仪器和医学诊断仪器的发明。
光子成像技术主要包括漫射光层析成像、荧光成像、相干层析成像、光声成像等。
光学相干层像（OCT）结合了共焦显微术和低相干光的外差探测技术，它是一种在一维光学低相干反射测量技术的基础上扩展而来的二维或三维成像技术。
4、光谱分析仪器
过去，光谱分析仪器主要应用在基础学科研究和矿物分析、产品质量监控等领域。
值得关注一个新的发展动向是，由于人类生存和发展一些迫切的需求，同时计算机软硬件、微电子、计算数学、微型器件发展提供的新技术成果，使得光谱技术和仪器向生物、环境、医疗等领域快速拓展，无论理论研究、技术开发和仪器创新都有了明显的发展，今后还将更快发展。
四、重大进展
前面我们谈到，我国仪器仪表与测量控制还存在不小差距，面临着落后被动的局面。
但是，由于国家的重视和支持，仪器仪表界和广大科技术工作者的努力奋斗，近年来我国仪器仪表与测量控制依然取得了可喜的成绩，获得了很大的发展。
认真总结我国?
和增强信心。
下面我们简要的回顾一下我国仪器仪表与测量控制近年来的重大进展。
1、工业自动化仪表与控制系统
在工业自动化仪表方面，近年来温度仪表的重要进展主要体现在红外热像仪的应用迅速扩大。
流量仪表内锥流量计创新成果显著，我国已经拥有各种与V锥相关或相近的流量计产品专利超过20项，其中至少6项目是发明专利，超过了美国，成为V锥流量计专利高产国。
国产低端压力变送器和带HART功能的压力变送器近年来也发展很快，品种多、规格全、价格低，在市场上已经很具竞争力。
控制阀行业近年来的进展是显著的，产品"
跑冒滴漏"
现象得到很大改进，不少产品质量达到国外主流产品水平。
在控制系统方面，进展令人鼓舞。
国产DCS系统已经进入大型超临界火电机组控制系统。
2007年1月，上海自动化仪表股份有限公司的DCS系统在襄樊电厂首台600MW超临界机组上投运成功移交生产。
国电智深公司于2007年11月成功签定江苏谏壁1000MW超临界机组自动化控制系统项目，并于2008年3季度成功中标两项大型超临界火电机组自动化控制系统项目。
和利时公司和浙江中控公司的DCS系统，近年来在大型交通和石化工程项目上都得到了成功应用。
特别应该提到的是，国产DCS系统在核电工程上的应用已经进入核岛控制系统。
浙江中控软件技术有限公司按照ISA-95中定义的MES系统模型，开发了ESP-SupplantProductionSuite软件，它涵盖了ISA-95大部分功能，应用取得良好业绩。
该公司已经成为ISA-95的正式会员，直接参与MES标准的制定。
和利时公司2007年被ARC和控制杂志评为全球50强过程自动化公司，浙江中控公司在评选过程中也被提名，这标志着我国自动化控制系统的企业已经进入可参与国际竞争的新境地。
2、科学仪器
科学仪器最能体现仪器仪表既是知识创新和技术创新的重要工具，也是科技创新研究的主题内容之一和创新成就的重要体现。
近年来，在国家的大力支持下，科学仪器获得了很快发展，以质谱仪为代表的高端科学仪器取得了重大进展，出现了可以与国外产品竞争的国产色――质联用仪器。
特别是，我国"
嫦娥"
环月空间卫星上天，就携带了我国自主研发的多光谱遥测、信号传送仪器。
四川汶川大地震，全国各地很快送去了大量环境、水文测量便携式分析仪器，表明了我国科学仪器产业的实力。
必须着重强调的是，嫦娥一号卫星携带的8种探测仪器，它们是用于月球表面三维影像探测的CCD相机和激光高度计；
用于月表化学元素与物质成分及丰度探测的干涉成像光谱仪、γ射线谱仪、X射线谱仪；
用于月壤厚度探测的微波探测仪；
用于地月空间环境探测的太阳高能粒子探测器和两台低能粒子探测器等，全都是我国科技人员自主设计研制的。
这些仪器不仅总体上达到了国际同类仪器的技术水平，而且在不少方面还有我国自己的特点和创新。
这8种探测仪器的特点和创新包括：
实现首次对月球表面进行全月面三维立体照相，这对月
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