【正文】 現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展和未來五年我國對儀器儀表市場需求的分析報告 一、現(xiàn)代儀器儀表在當今社會的重要作用先進制造業(yè)的規(guī)模和水平是衡量一個國家綜合實力和現(xiàn)代化程度主要標志。當代經(jīng)濟最發(fā)達的國家，幾乎都是制造業(yè)最發(fā)達的國家。美國的強大主要是因為它有發(fā)達的先進成套裝備制造業(yè)。美國先進的航天器、人造衛(wèi)星、飛機、艦船、電子通訊設備和尖端科學儀器等，是建立在先進科學技術基礎上的裝備制造業(yè)制造出來的。面對激烈的國際競爭，要使我國從一個“制造大國”轉變成一個“制造強國”，必須實施信息化帶動工業(yè)化的戰(zhàn)略，沒有一個先進的儀器儀表業(yè)的支持，不可能完成這個任務。當今世界已經(jīng)進入信息時代，信息技術成為推動國民經(jīng)濟和科學技術迅速發(fā)展的關鍵技術。著名科學家錢學森明確指出：“信息技術包括測量技術、計算機技術和通信技術。測量技術是關鍵和基礎?！爆F(xiàn)代儀器儀表是對物質世界的信息進行測量與控制的基礎手段和設備，是信息產(chǎn)業(yè)的源頭和組成部分。美國商務部1999年報告在關于新興數(shù)字經(jīng)濟部分提出，信息產(chǎn)業(yè)包括計算機軟硬件行業(yè)、通信設備制造及服務行業(yè)、儀器儀表行業(yè)。現(xiàn)代儀器儀表在當今社會具有極為重要的作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，儀器儀表是“倍增器”。美國商務部國家標準局20世紀90年代中發(fā)布的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，美國儀器儀表產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值約占工業(yè)總產(chǎn)值4%，而它拉動的相關經(jīng)濟的產(chǎn)值卻達到社會總產(chǎn)值66%，儀器儀表發(fā)揮出“四兩撥千斤”的巨大的“倍增”作用。事實上，現(xiàn)代化大生產(chǎn)，如發(fā)電、煉油、化工、冶金、飛機和汽車制造等，離開了只占企業(yè)固定資產(chǎn)大約10%的各種測量與控制儀器儀表裝置就不能正常安全生產(chǎn)，更難以創(chuàng)造巨額的產(chǎn)值和利潤。專家們形象地把儀器儀表比喻為國民經(jīng)濟中的“卡脖子”產(chǎn)業(yè)。在科學研究中，儀器儀表是“先行官”。離開了科學儀器，一切科學研究都無法進行。在重大科技攻關項目中，幾乎一半的人力財力都是用于購置、研究和制作測量與控制的儀器設備。諾貝爾獎設立至今，眾多獲獎者都是借助于先進儀器的誕生才獲得重要的科學發(fā)現(xiàn)；甚至許多科學家直接因為發(fā)明科學儀器而獲獎。據(jù)統(tǒng)計，近80年來獲諾貝爾獎同科學儀器有關的達到38人。諾貝爾獎獲得者R. R. Ernst說過：“現(xiàn)代科學的進步越來越依靠尖端儀器的發(fā)展。”基因測量儀器的問世，使世界基因研究計劃提前6年完成就是最好的證明。從神州2號至神州5號上，共有185臺（套）科學儀器裝置，為神州5號飛船的成功發(fā)射并獲取大量寶貴的飛行試驗數(shù)據(jù)和科學資料。要加快科學研究和高技術的發(fā)展，儀器儀表必須先行。在軍事上，儀器儀表是“戰(zhàn)斗力”?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中，奪取技術優(yōu)勢已經(jīng)成為軍事戰(zhàn)略的根本目標。主要目標是全球監(jiān)視與通信和精確打擊固定及瞬變目標。1991年海灣戰(zhàn)爭美國使用的精密制導炸彈和導彈只占8%，12年后伊拉克戰(zhàn)爭中美國使用精密制導炸彈和導彈提高到了90%以上。這些先進武器都是靠一系列先進的測量與控制儀器儀表系統(tǒng)裝備并實現(xiàn)其控制功能的。1994年美國國防部成立了“自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局”，以統(tǒng)一海陸空三軍的測試技術、產(chǎn)品與標準，保證立體作戰(zhàn)方式的有效實施?，F(xiàn)代武器裝備，幾乎無一不配備相關的測量控制儀器儀表?，F(xiàn)代儀器儀表還是當今社會的“物化法官”。檢查產(chǎn)品質量，監(jiān)測環(huán)境污染，查服違禁藥物，識別指紋假鈔，偵破刑事案件等，無一不依靠儀器儀表進行“判斷”。此外，儀器儀表在教學實驗，氣象預報，大地測繪，交通指揮，控測災情，尤其是越來越受人關注的診治疾病等社會生活許多領域都有著廣泛應用?？梢哉f遍及“吃穿用、農(nóng)輕重、海陸空”無所不在。因此，現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展水平，是國家科技水平和綜合國力的重要體現(xiàn)，儀器儀表制造水平反映出國家的文明程度。為此，世界發(fā)達國家都高度重視和支持儀器儀表的發(fā)展。前面已經(jīng)反復提到了美國對發(fā)展儀器儀表的重視和支持；日本科學技術廳把測量傳感器技術列為21世紀首位發(fā)展的技術；德國大面積推廣應用自動化測控儀器系統(tǒng)，20世紀90年代6年就增加了350%的市場，%；歐共體制定第三個科技發(fā)展總體規(guī)劃，將測量和檢測技術列為15個專項之一。我國政府在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十個五年計劃綱要中明確指出“把發(fā)展儀器儀表放到重要位置”，國家發(fā)改委和科技部列專項支持儀器儀表發(fā)展，今年國家制定中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃對儀器儀表也給予了高度的重視。二、現(xiàn)代儀器儀表分類、發(fā)展趨勢及關鍵技術現(xiàn)代儀器儀表的分類根據(jù)國際發(fā)展潮流和我國的現(xiàn)狀，現(xiàn)代儀器儀表按其應用領域和自身技術特性大致劃分為6個大類，即工業(yè)自動化儀表與控制系統(tǒng)、科學儀器、電子與電工測量、儀器、醫(yī)療儀器、各類專用儀器，傳感器與儀器儀表元器件及材料。工業(yè)自動化儀表與控制系統(tǒng)，主要指工業(yè)，特別是流程產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程中應用的各類檢測儀表、執(zhí)行機構與自動控制系統(tǒng)裝置?？茖W儀器主要指應用于科學研究、教學實驗、計量測試、環(huán)境監(jiān)測、質量和安全檢查等各個方面的儀器儀表。電子與電工測量儀器，主要指低頻、高頻、超高頻、微波等各個頻段測試計量專用和通用儀器儀表。醫(yī)療儀器主要指用于生命科學研究和臨床診斷治療的儀器。各類專用儀器指農(nóng)業(yè)、氣象、水文、地質、海洋、核工業(yè)、航空、航天等各個領域應用的專用儀器?？茖W儀器可以細分為14個小類，即電子光學儀器，離子光學儀器，X射線儀器，光譜儀器，色譜儀器，波譜儀器，電化學儀器，生化分離分析儀器，氣體分析儀器，顯微鏡和成像系統(tǒng)，化學反應及熱分析儀器，聲學振動儀器，力學性能測試儀器（材料試驗機），光電測量儀器。其中，發(fā)展最快，應用最廣和市場容量最大的是各類光學儀器和分析儀器。現(xiàn)代儀器儀表雖然作了大致分類，實際上存在著許多交叉，比如各類專用儀器中許多都是科學儀器。現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展趨勢國際儀器儀表發(fā)展極為迅速，僅以科學儀器中的分析儀器為例，世界分析儀器市場年銷售總額由2000年256億美圓到2002年增至316億美圓，年增長11%以上，是全球經(jīng)濟增長速度的3—4倍。近10幾年來國際儀器儀表發(fā)展的主要趨勢是：數(shù)字技術的出現(xiàn)把模擬儀器的精度、分辨力與測量速度提高了幾個量級，為實現(xiàn)測試自動化打下了良好的基礎。計算機的引入，使儀器的功能發(fā)生了質的變化，從個別參量的測量轉變成測量整個系統(tǒng)的特征參數(shù)，從單純的接受、顯示轉變?yōu)榭刂?、分析、處理、計算與顯示輸出，從用單個儀器進行測量轉變成用測量系統(tǒng)進行測量。計算機技術在儀器儀表中的進一步滲透，使電子儀器在傳統(tǒng)的時域與頻域之外，又出現(xiàn)了數(shù)據(jù)域測試。90年代，儀器儀表與測量科學技術突破性進展是儀器儀表智能化程度的提高；DSP芯片的大量問世，使儀器儀表數(shù)字信號處理功能大大加強；微型機的發(fā)展，使儀器儀表具有更強的數(shù)據(jù)處理能力和圖象處理功能；現(xiàn)場總線技術是90年代迅速發(fā)展起來的一種用于各種現(xiàn)場自動化設備與其控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信技術，Internet和Internet技術也將進入控制領域。現(xiàn)代儀器儀表產(chǎn)品將向著計算機化、網(wǎng)絡化、智能化、多功能化的方向發(fā)展，跨學科的綜合設計、高精尖的制造技術使它能更高速、更靈敏、更可靠、更簡捷地獲取被分析、檢測、控制對象的全方位信息。未來10年，而更高程度的智能化應包括理解、推理、判斷與分析等一系列功能，是數(shù)值、邏輯與知識的結合分析結果，智能化的標志是知識的表達與應用。利用物理學的新效應和高新技術及其成就開發(fā)新型高靈敏度、高穩(wěn)定性、強抗干擾能力傳感器技術和測試儀器儀表。如：利用高溫超導量子干涉儀（SGUID）開發(fā)計量測試儀器、物理學測試儀器、地理和地質學儀器、化學分析儀器、醫(yī)療儀器、無損材料檢測儀器等。利用橢偏技術來檢測光纖、光學玻璃等，它與近場光學相結合，不僅可以測量表面精細結構，同時根據(jù)近場光學反射偏振信息可以分辨出被測物體的材料，這是目前實驗研究新探索。將可調(diào)諧穩(wěn)頻激光光譜儀技術用于高精密的幾何量與機械量和多種無形態(tài)的量的測量，開發(fā)以新一代微型光纖傳導激光干涉儀，它的測量范圍可以從納米到幾米或更大的范圍，分辨率可達10mm。它還可用于稱重，研制新型電子天平、高精度的電子皮帶稱、高分辨率的壓力計等。發(fā)展納米測量技術，建立納米計量測試標準，這是當今在計量與測試技術研究中十分活躍的課題。分析儀器正在經(jīng)歷一場革命性的變化，傳統(tǒng)的光學、熱學、電化學、色譜、波譜類分析技術都已從經(jīng)典的化學精密機械電子結構、實驗室內(nèi)人工操作應用模式，轉化為光、機、電、算（計算機）一體化、自動化的結構，并正向更名副其實的智能系統(tǒng)發(fā)展（帶有自診斷自控、自調(diào)、自行判斷決策等高智能功能）。由于以信息技術為代表高新科學技術的突飛猛進，使科學儀器的工作原理，設計思想、設計方法發(fā)生了明顯的變化，其關鍵技術主要表現(xiàn)為：（1）微分析技術即分析儀器的微型化和微量化，其共性技術有微控技術、微加工技術、微檢測技術、微光源、微分光光學系統(tǒng)、微傳感器等，應用上述技術的微分析儀器如：微流控制芯片、芯片實驗室、微近紅外光譜儀等。（2）生物、化學傳感器包括新型傳感技術在分析儀器中的應用，將生物芯片技術，新型化學傳感技術，智能傳感器技術應用于分析儀器的研制。（3）成像技術包括廣義成像，納米級超高分辨成像，信息處理等，具體的領域有：核磁共振技術、圖像自動分析及綜合技術、成像光譜技術、近場光學成像技術。（4）儀器的聯(lián)用技術通過信息分離、專用軟件接口技術，實現(xiàn)多種科學技術間的聯(lián)用以實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的痕量成份分析、結構分析、形態(tài)分析等綜合分析，如：色譜—質譜聯(lián)用、色譜—光譜聯(lián)用等。多臺儀器、多個實驗室結合的綜合分析管理系統(tǒng)(LIMS, Laboratory Information Management System)已經(jīng)推廣應用；儀器可以上網(wǎng)、制造廠商進行遠距診斷、指導正確使用或提出維修指導，各同類儀器用戶或相同分析工作用戶直接進行數(shù)據(jù)、情報共享，儀器的遠程校準和量值溯源等已指日可待。分析儀器在生物、環(huán)保、醫(yī)學等有關人的生存、發(fā)展領域的應用日新月異，現(xiàn)代高科技軍事方面的發(fā)展也促進了分析技術和分析儀器的應用拓展，靈敏、準確的現(xiàn)場毒物檢測、生命保障任務也大大擴大了分析了儀器的應用領域。根據(jù)上述儀器儀表國際發(fā)展的趨勢，可以十分清楚的看出現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展具有以下主要特點：①、技術指標不斷提高就如奧林匹克運動的口號是更高、更快、更強一樣，儀器儀表在提高檢測控制技術指標上是永遠的追求。以儀器儀表和測量控制的技術范圍指標來說，如電壓從納伏~100萬伏；電阻從超導至1014Ω；諧波測量到51次；加速度從104—104g；頻率測量至1010HZ；壓力測量至108Pa；溫度測量從接近絕對零度至1010℃等。以提高測量精度指標來說，%以上，%以上，計量精度和科學儀器達到的精度更是與時俱進。以提高測量的靈敏度來說更是向單個粒子、分子、原子級發(fā)展。提高測量速度（響應速度），~，動態(tài)為Lμs。提高可靠性，一般要求為2~5萬小時，高可靠要求25萬小時。穩(wěn)定性（年變化）＜177。%（高精度儀器）或＜177。%（一般儀器）。此外還不斷提高產(chǎn)品環(huán)境適應性。②、最先應用新的科學研究成果，高新技術大量采用現(xiàn)代儀器儀表作為人類認識物質世界、改造物質世界的第一手工具，是人類進行科學研究和工程技術開發(fā)的最基本工具。人類很早就懂得“工欲善其事，必先利其器”的道理，新的科學研究成果和發(fā)現(xiàn)如信息論、控制論、系統(tǒng)工程理論，微觀和宏觀世界研究成果及大量高新技術如微弱信號提取技術，計算機軟、硬件技術，網(wǎng)絡技術，激光技術，超導技術，納米技術等均成為儀器儀表和測量控制科學技術發(fā)展的重要動力，現(xiàn)代儀器儀表不僅本身已成為高技術的新產(chǎn)品，而且利用新原理、新概念、新技術、新材料和新工藝等最新科技術成果集成的裝置和系統(tǒng)層出不窮。③、單個裝置微小型化，智能化，可獨立使用，嵌入式使用和聯(lián)網(wǎng)使用測量控制儀器儀表大量采用新的傳感器、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、計算機及專家系統(tǒng)等信息技術產(chǎn)品，不斷向微小型化、智能化發(fā)展，從目前出現(xiàn)的“芯片式儀器儀表”，“芯片實驗室”等看，單個裝置的微小型化和智能化將是長期發(fā)展趨勢。從應用技術看，微小型化和智能化裝置的嵌入式連接和聯(lián)網(wǎng)應用技術得到重視。④、測控范圍向有關工作方式立體化、全球化擴展，測量控制向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化發(fā)展隨著測量控制儀器儀表所測控的既定區(qū)域不斷向立體化、全球化甚至星球化發(fā)展，儀器儀表和測控裝置已不再呈單個裝置形式，它必然向測控裝置系統(tǒng)、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。例如一個大型水電站的測控系統(tǒng)，僅檢測大壩安全性的傳感器就達數(shù)千個，此外各個發(fā)電機組狀態(tài)及水位情況的檢測控制點（I/O測控點）將超過萬點，要達到大型水電站的正常發(fā)電和送電，必須將各個測控點的測控裝置形成網(wǎng)絡化結構，形成一個有機的測控網(wǎng)絡系統(tǒng)；又例如衛(wèi)星測控系統(tǒng)，人造衛(wèi)星上配置的各種傳感器就達到數(shù)千，它首先要將衛(wèi)星上各種測控裝置構成一個完整的自動測控子系統(tǒng)，然后和多個地面站的測控系統(tǒng)構成一個廣域測控系統(tǒng)。16