智能仪器仪表发展的主要技术与展望

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　　摘  要：高新技术的快速发展为科学研究和应用提供了新的途径，对仪器仪表的要求也越来越高，不断推动仪器仪表行业的科技发展。智能仪器仪表广泛应用于环保，交通，医药，通讯等各个行业。文章分析了促进智能仪表发展的主要技术，并展望了仪器仪表的未来发展趋势和应用前景。
　　关键词：仪器仪表;智能化;基础技术
　　中图分类号：TP216         文献标志码：A         文章编号：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“模拟仪器”，“分离仪器”和“数字仪器”之后，仪器技术进入了“智能仪器”和“虚拟仪器”阶段。仪器不再是简单的硬件实体，而是仪器和微处理器的结合，结合了硬件和软件。智能仪器仪表的发展，使得仪器仪表在测量参数的同时，还能对数据进行一些简单的分析与控制，获得实时最优控制，自适应功能，网络智能电表，以及网络资源的优势，为测控网络的普遍建立和广泛应用铺平了道路。仪器的虚拟化使得具有相同结构的仪器更加灵活和可重新配置。同时提高了性能、减少了成本。学习仪器仪表的相关知识，就能更好的帮助我们了解测量与控制的过程。
　　1 智能仪器仪表技术的构成
　　1.1 传感器技术
　　仪器的基本功能是收集数据，处理数据并对数据执行初步处理。其技术的关键是与数据输入密不可分，因此传感器技术是仪器技术的基础。随着仪器技术的发展，要求具有小尺寸，低成本，高可靠性，同时满足低功耗特性。这更多地取决于MEMS技术的发展。以提高系统的效率和可靠性，它具有以下一些特点：
　　小型化是MEMS器件最显著的特征，它们体积小，通常在毫米到微米范围内，最小器件尺寸为几微米或更小。微电子和微机械技术的结合将仪器带入了一个全新的领域，小型化仪器，也可以完成信号的采集和处理。
　　多样化，目前为止，在世界范围内，从事MEMS的研制和生产工作的企业数量已经超过数千家，其中不乏一些世界500强企业。所研制出来的产品涉及到从工程应用到商业应用中的各行各业，例如微型压力传感器、创新产品，如加速度计，微型喷墨打印头和数字显微镜显示器。不光是产品类型的多样化，仪器仪表的功能也呈现多样化的趋势，以多功能的函数发生器为例，脉冲发生器，频率合成器和任意波形发生器等功能集成在一台仪器中，使应用更加方便。在测试功能上也提供了更好的方案。
　　使用MEMS技术的集成化特性可以集成具有不同功能敏感方向或致动方向的多个传感器或致动器。形成微传感器阵列或微致动器阵列甚至微系统。
　　1.2 数模转换技术
　　为了满足数字系统的发展要求，A/D转换器的性能也必须不断提高。转化速度的加快与转换精度的提高已经成为了数模转化技术所着重发展的方向。
　　高转换速度对于当今日益现代化的数字系统的数据处理速度是必不可少的，并且它们还需要不断提高的数据采集速度。在使用儀器仪表进行测量的过程中，往往被测量的物理量的变化过程是极短的，为了能及时的反映出被测量的变化情况，A/D转换器必须具有超高速转换速度。随着工业的发展，工艺的进步，现代数字处理系统对分辨率的要求在不断提高，例如，先进仪表的最小可测量值不断减小，测量的变化在高精度测量中也较小。因此，A/D转换器的分辨率也必须增加。
　　1.3 嵌入式系统
　　如今，软件技术的发展总是能给仪表工业同样带来发展，引入更多的新功能。现代仪器设备通常以某种方式由若干功能模块组成。通过嵌入式软件作用，来协调这些模块的设计，在它们之间建立各种连接，并分配各种功能以有效地解决用户问题。这种设计方法可以充分利用现有的硬件和软件资源，节省功能开发的成本，进一步简化仪器设备。例如，仪器开发的主要方向之一是小型化。嵌入式系统可以在小芯片上集成所需的功能，这可以减小产品的尺寸并增加集成度，同时降低功耗。这不仅满足了用户对仪表产品的小型化要求，而且为其提供了便捷的移动功能，增强了产品与网络之间的连接功能。
　　毕竟，嵌入式软件为仪器开发提供了一种新的思维和设计方式。它可以帮助开发人员在有限的设计空间内优化系统性能，并关闭硬件和软件之间的连接。它避免了由硬件和软件架构的独立设计引起的缺点。我相信，在未来，仪器的智能化发展必然会带来嵌入式软件的帮助。 　　1.4 网络通信技术
　　网络技术与通信技术随着科技的不断发展，在工业领域中也有着举足轻重的作用，各个领域、各个环节的发展都离不开网络化，仪器的发展自然与网络技术的推广密不可分。过去的仪器仪表都是通过线缆来进行链接，这种方式对仪器的布置位置、线缆的设置等方面都有很高的要求，还会提高仪器的使用成本与维护难度。如今，受到广泛关注的网络通信技术已经彻底解决了这些问题。表现在两个方面：智能仪表必须上线才能完成数据传输，远程控制和故障诊断;构建网络化测试系统，将各种不同的测试设备连接到网络，实现资源，信息共享，通过网络协调工作，共同完成大型复杂系统的测试任务。智能化实现仪器后，通过进一步实现网络，现场测控资料可实现网络归档，监控和控制，具有科学，高效的信息处理功能。因此，网络也是现代仪器技术的组成部分之一。
　　2 智能仪器仪表技术的现状
　　据最新统计，中国自动化仪器仪表行业规模化生产，各类自动化仪表仪表出口量逐年增加，远销海外。然而，生产大国却并不是创新大国，对比世界的仪器仪表工业水平，不论是科研投入、创新能力，在制造技术和材料技术方面，与目前的国际一流标准仍有很大差距。以仪器仪表中的新技术在线分析仪器为例，在线分析仪器的出现已经存在了几十年。然而在中国却是近十年来才提出这一概念，多年以来，中国的仪器仪表企业少则上千家，并且还在逐年增加，但是，在这数千家企业之中，真正从事在线分析仪表技术研发、生产制造的企业只有十几家而已，更多的是依赖国外产品的进口来填补空缺。随着国家工业水平的进步、国力的提升、社会需求的发展，在线分析技术已经涉及到日常生活的方方面面，比如水质、空气质量等方面，也牵涉到工业生产中一些非常重大的事项。在过去，国家对空气质量没有过多的限制，但现在例如PM2.5、各种气体含量，都有严格要求。通过采集样本，再送到实验室进行检测，无法获得实时准确的结果，这时候就需要使用在线分析仪器来进行检测。
　　20世纪80年代后期的技术引进为中国的在线分析仪器行业带来了新的活力。1985年，四川分析仪器厂“成套科”成立，专业从事在线分析工程应用。1992年，中国第一个在线分析工程部门在四川成立，当时的部长们开始了在线分析工程的新专业。定义了在线分析系统，公司开发的PS1000系列成为中国最早的在线分析工程技术研究成果。2007年，第二届在线分析仪器应用与发展国际论坛在北京召开。在线分析工程技术从此到了发展的关键时候，并在以后走上了正轨。
　　仪器仪表技术的发展，不应当舍本逐末。目前，我国的仪器仪表产业还有很大的缺陷，各项性能指标还有很大的提升空间，应当向国外的一流企业看齐，并作为目标，在今后的发展中，使生产大国朝向创新大国稳步迈进。
　　3 智能仪器仪表技术的发展展望
　　3.1 仪器仪表进一步智能化
　　随着科学技术的发展，智能仪器驱动软件的出现优化了虚拟仪器的性能和结构。通过智能化的形式，可以实现代码的自动生成，节省更多的人力物力，减少人员的工作量。此外，还连接了通信驱动程序结构，使用户应用程序和维护更加方便。在智能开发下，仪器的设置和运行状态可以动态跟踪，管理和配备，用户可以自主扩展设置。同时，在智能管理条件下，驱动器可以自动监控运行状态，及时解决问题并及时解决，确保仪器的稳定性和安全性，提高仪器的运行质量。
　　3.2 更快、更强、更节能
　　与传统的测控模式相比，未来的智能仪器仪表将会在现今对资源的需求较大、测控过程较为繁琐、人力成本消耗巨大的问题上进行改进，在对环境友好的前提下，提高测控过程完成的效率;在智能化的支撑下，使測控系统不仅仅只局限于对目标数据的测量控制，还可以将测控系统中可能存在的各种影响因素都进行监测，通过逻辑性的数据计算模式与自动化检测，形成更加高效，科学的测控系统;智能操作还可以减少人力需求，所需的人才从操作设备变为检测设备以收集数据。智能技术的应用消除了人为因素造成的误差。使得测控系统能够拥有更高的准确度与更强大的性能。
　　3.3 仪器仪表的全方位应用
　　现如今的电子科技技术的高度进步已经为仪器仪表的发展铺平了道路，仪器仪表所组成的测量控制网络，不仅提高了工业生产效率，而且实现了资源共享，这也是仪器仪表未来的发展方向之一。此外，利用目前中国现代工业化和计算机化的蓬勃发展来推动仪表工业的发展，提高创新水平，加强测量仪器和测量系统的开发，大力推动仪器产业向智能化，开放化，标准化发展。在此基础上，仪器仪表技术将会在未来得到更好的发展。
　　通过模拟人类神经网络可以实现信息的智能处理和传输，利用生物遗传规律可以模拟遗传计算。这种方法优化了测量和控制系统，以继续向智能化方向发展。在性能发展方面，测控技术和仪器的智能技术将朝着灵活，高精度，高效率的方向发展，向智能化网络架构发展。与未来新兴技术的合作，也是发展方向之一。
　　4 结束语
　　在测量和控制技术和仪器的适应下，借助计算机的自动辅助模式，集中访问信息，使其能够提取重组的重要元素，为了适应不同的操作模式，智能技术可以通过反馈数据信息等更全面地了解设备的信号反馈内容。设计更科学，高效的测控系统，进一步提升核心竞争力，提高我国测控技术水平，应依靠智能化发展条件，在注重智能与测控技术与仪器相结合的同时，不断培养创新人才，真正实现行业的跨越式发展。并为民族复兴大业做出积极贡献。
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