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貝宏愷
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一、發(fā)展趨勢(shì)科學(xué)儀器未來(lái)發(fā)展應(yīng)當(dāng)關(guān)注以下幾個(gè)方面：1、分析儀器光學(xué)捕獲(Optical trapping)是一種新型的光學(xué)微操作技術(shù)。它將一束光用高數(shù)值孔徑的物鏡聚焦成微米級(jí)的光斑，形成梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微小粒子的捕獲和移動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種微觀領(lǐng)域的研究。微型色譜儀將會(huì)得到很快的發(fā)展。C2V公司已經(jīng)推出了世界上最小最快的手持式氣相色譜儀，主機(jī)大小僅124×84×60mm，所含柱模塊大小為60×100×12.5mm，可在10-30秒內(nèi)完成天然氣主要成份的全分析。NMR的微型化近年來(lái)已經(jīng)取得重大進(jìn)展，瑞士Neuchatel大學(xué)開發(fā)成功一種高質(zhì)量因子可供微流控芯片NMR全分析系統(tǒng)使用的射頻平面微線圈，所需樣品量?jī)H為1-100納升，并可在幾秒內(nèi)獲得所需的信噪比。NMR微型化應(yīng)當(dāng)是值得關(guān)注的發(fā)展方向。光頻光梳光譜法(Optical frequency comb spectroscopy)是最新發(fā)展起來(lái)的另一種重要的儀器技術(shù)，采用這種技術(shù)可以在極短的時(shí)間內(nèi)以很高的靈敏度檢測(cè)許多不同的氣體，將在臨床診斷領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。2、精密檢測(cè)儀器當(dāng)今時(shí)代已經(jīng)進(jìn)入分子、原子分析檢測(cè)新階段，微納科技的發(fā)展直接推動(dòng)了精密檢測(cè)儀器的快速發(fā)展。值得特別關(guān)注是MEMS/NEMS(微電機(jī)系統(tǒng)/納機(jī)電系統(tǒng))測(cè)試儀器,以掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡為代表的掃描探針顯微鏡,以及基于STM/AFM的基本原理新發(fā)展起來(lái)一系列SPM,如磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡等這些儀器的新發(fā)展。3、光子成像儀器一個(gè)以光子學(xué)與生命科學(xué)相互融合的新學(xué)科――生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)隨著激光、電子、光譜、顯微及光纖等技術(shù)的發(fā)展而迅速成長(zhǎng)起來(lái)，應(yīng)運(yùn)而生出現(xiàn)了不少新型科學(xué)儀器。應(yīng)用這些儀器不但豐富了人們對(duì)于光與生物組織體相互作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)，而且促進(jìn)了各種新的生物研究?jī)x器和醫(yī)學(xué)診斷儀器的發(fā)明。光子成像技術(shù)主要包括漫射光層析成像、熒光成像、相干層析成像、光聲成像等。光學(xué)相干層像(OCT)結(jié)合了共焦顯微術(shù)和低相干光的外差探測(cè)技術(shù)，它是一種在一維光學(xué)低相干反射測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來(lái)的二維或三維成像技術(shù)。4、光譜分析儀器過去，光譜分析儀器主要應(yīng)用在基礎(chǔ)學(xué)科研究和礦物分析、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控等領(lǐng)域。值得關(guān)注一個(gè)新的發(fā)展動(dòng)向是，由于人類生存和發(fā)展一些迫切的需求，同時(shí)計(jì)算機(jī)軟硬件、微電子、計(jì)算數(shù)學(xué)、微型器件發(fā)展提供的新技術(shù)成果，使得光譜技術(shù)和儀器向生物、環(huán)境、醫(yī)療等領(lǐng)域快速拓展，無(wú)論理論研究、技術(shù)開發(fā)和儀器創(chuàng)新都有了明顯的發(fā)展，今后還將更快發(fā)展。二、國(guó)際差距現(xiàn)代工業(yè)儀器儀表的發(fā)展，不但取決于產(chǎn)品技術(shù)水平，而且涉及工程應(yīng)用技術(shù)。近年來(lái)，不少測(cè)控設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)以及火電、石化、冶金等應(yīng)用部門的科技型企業(yè)和工程公司在應(yīng)用軟件開發(fā)和系統(tǒng)集成技術(shù)等方面有了相當(dāng)進(jìn)展，通過承擔(dān)國(guó)外控制系統(tǒng)和產(chǎn)品的工程應(yīng)用，掌握了一批大型工程和裝置的自控應(yīng)用技術(shù)。但隨著國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)總線、SOLUTION、MIV、EPC等技術(shù)和工程總成方式的發(fā)展，我國(guó)自控系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)入大型工程的困難將進(jìn)一步增加。我國(guó)自動(dòng)化控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)儀表和關(guān)鍵精密測(cè)試儀器，與國(guó)際水平總體上仍有10～15年的差距。差距一：產(chǎn)品可靠性差現(xiàn)代工業(yè)儀器儀表的總體特征是高可靠性、高性能、高適用性，我國(guó)企業(yè)的大部分產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品的差距也正是在這方面。例如，我國(guó)自行研發(fā)的分散型控制系統(tǒng)(DCS)和電磁流量計(jì)，這些產(chǎn)品的基本性能和功能已接近國(guó)際水平，但在可靠性和工程應(yīng)用能力等方面尚有一定差距。差距二：數(shù)字化、智能化、集成化水平低現(xiàn)代工業(yè)儀器儀表的技術(shù)特點(diǎn)和趨勢(shì)是數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化，而我國(guó)產(chǎn)品一般常規(guī)品種居多，智能型產(chǎn)品剛剛起步。以核電控制系統(tǒng)及儀表集成為例，由于基礎(chǔ)較弱，進(jìn)入數(shù)字控制技術(shù)時(shí)代以后，差距更大。差距三：高新技術(shù)差國(guó)外的智能執(zhí)行器已采用變頻調(diào)速、新型電機(jī)、低工耗、微型壓電陶瓷I/P轉(zhuǎn)換器、藍(lán)牙通信技術(shù)、智能化和現(xiàn)場(chǎng)總線等新技術(shù)，而國(guó)內(nèi)才開始起步。差距四：產(chǎn)品精密度低以質(zhì)量流量計(jì)為例，國(guó)外的測(cè)量精度分為4個(gè)檔次，精度最高并能測(cè)量氣體的為0.1級(jí)，最普遍的為0.15級(jí)，而國(guó)內(nèi)目前只能達(dá)到經(jīng)濟(jì)型的0.2級(jí)和適用型的0.5級(jí)。再如我國(guó)在加油站的計(jì)量?jī)x表一般是..5%的精度，但是國(guó)外30萬(wàn)噸的油輪到我國(guó)交貨的精確度要到0.1%。差距五：品種規(guī)格不全以高精度智能壓力/差壓變送器為例，國(guó)產(chǎn)變送器在測(cè)量基準(zhǔn)量程上缺少1kPa以下微低壓、800kPa以上高差壓量程、16MPa以上高靜壓、耐腐蝕等規(guī)格的產(chǎn)品，因此有些工程或系統(tǒng)應(yīng)用的特殊要求不能滿足。差距六：自動(dòng)化程度低例如高性能光電直讀光譜儀，國(guó)外儀器真空度由電腦實(shí)時(shí)監(jiān)控，而國(guó)產(chǎn)儀器在許多方面依舊需要人工操作。差距七：高檔產(chǎn)品少目前我國(guó)高檔產(chǎn)品少，甚至是空白。以原子吸收分光光度計(jì)為例，國(guó)外已有塞曼背景校正技術(shù)的高檔儀器，國(guó)內(nèi)至今尚未研制，高端需要主要依賴進(jìn)口。差距八：市場(chǎng)占有率低以可編程控制器(PLC)為例，目前中國(guó)PLC市場(chǎng)95%以上被國(guó)外產(chǎn)品占領(lǐng)。歐美產(chǎn)品在大中型PLC領(lǐng)域占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，日本產(chǎn)品在小型PLC領(lǐng)域占有優(yōu)勢(shì)，韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣的產(chǎn)品也有一定的市場(chǎng)份額。中國(guó)本土自主品牌PLC的市場(chǎng)影響非常小，很難形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)。三、重大進(jìn)展我國(guó)儀器儀表與測(cè)量控制雖還存在不小差距，面臨著落后被動(dòng)的局面。但是，由于國(guó)家的重視和支持，儀器儀表界和廣大科技術(shù)工作者的努力奮斗，近年來(lái)我國(guó)儀器儀表與測(cè)量控制依然取得了可喜的成績(jī)，獲得了很大的發(fā)展。認(rèn)真總結(jié)我國(guó)??和增強(qiáng)信心。下面我們簡(jiǎn)要的回顧一下我國(guó)儀器儀表與測(cè)量控制近年來(lái)的重大進(jìn)展。1、工業(yè)自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化儀表方面，近年來(lái)溫度儀表的重要進(jìn)展主要體現(xiàn)在紅外熱像儀的應(yīng)用迅速擴(kuò)大。流量?jī)x表內(nèi)錐流量計(jì)創(chuàng)新成果顯著，我國(guó)已經(jīng)擁有各種與V錐相關(guān)或相近的流量計(jì)產(chǎn)品專利超過20項(xiàng)，其中至少6項(xiàng)目是發(fā)明專利，超過了美國(guó)，成為V錐流量計(jì)專利高產(chǎn)國(guó)。國(guó)產(chǎn)低端壓力變送器和帶HART功能的壓力變送器近年來(lái)也發(fā)展很快，品種多、規(guī)格全、價(jià)格低，在市場(chǎng)上已經(jīng)很具競(jìng)爭(zhēng)力。控制閥行業(yè)近年來(lái)的進(jìn)展是顯著的，產(chǎn)品“跑冒滴漏”現(xiàn)象得到很大改進(jìn)，不少產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)外主流產(chǎn)品水平。2、科學(xué)儀器科學(xué)儀器最能體現(xiàn)儀器儀表既是知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的重要工具，也是科技創(chuàng)新研究的主題內(nèi)容之一和創(chuàng)新成就的重要體現(xiàn)。近年來(lái)，在國(guó)家的大力支持下，科學(xué)儀器獲得了很快發(fā)展，以質(zhì)譜儀為代表的高端科學(xué)儀器取得了重大進(jìn)展，出現(xiàn)了可以與國(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的國(guó)產(chǎn)色――質(zhì)聯(lián)用儀器。特別是，我國(guó)“嫦娥”環(huán)月空間衛(wèi)星上天，就攜帶了我國(guó)自主研發(fā)的多光譜遙測(cè)、信號(hào)傳送儀器。四川汶川大地震，全國(guó)各地很快送去了大量環(huán)境、水文測(cè)量便攜式分析儀器，表明了我國(guó)科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)的實(shí)力。此外，近年來(lái)在科學(xué)儀器領(lǐng)域我國(guó)還取得了多項(xiàng)很有價(jià)值的進(jìn)展。比如，自主研制出領(lǐng)先國(guó)際的分子束科學(xué)儀器――氫原子里德伯態(tài)飛渡時(shí)間譜交叉分子束裝置;國(guó)際第一臺(tái)真空紫外激光角分辨光電子能譜儀;離子遷移譜探測(cè)技術(shù)痕量爆炸物快速檢測(cè)儀;新型生命探測(cè)儀器“SJ―3000搜救雷達(dá)”;便攜式高分辨淺水多波束測(cè)深儀;光學(xué)捕獲理論研究取得進(jìn)展;光學(xué)相干層析成像技術(shù)及相關(guān)儀器開發(fā)取得多方面進(jìn)展等等。3、醫(yī)療儀器國(guó)家“十一五”規(guī)劃和建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家都把醫(yī)療儀器產(chǎn)業(yè)列為重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)，國(guó)家在研發(fā)、技術(shù)平臺(tái)建設(shè)、研究中心、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)業(yè)基地各方面都加大了支持的力度，近年來(lái)醫(yī)療儀器也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。在醫(yī)學(xué)影像儀器方面，X射線機(jī)、計(jì)算機(jī)斷層掃描機(jī)(CT)、超聲掃描成像儀以及影像后處理與分析系統(tǒng)，無(wú)論技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量都有顯著提高。在醫(yī)用電子技術(shù)和儀器方面，值得提出的是清華大學(xué)研制出可作為個(gè)人電腦外設(shè)的腦控鍵盤和鼠標(biāo)，還研制完成基于嵌入系統(tǒng)的腦控家居環(huán)境控制器，用于幫助喪失運(yùn)動(dòng)能力長(zhǎng)期臥床的殘疾人，2007年世界技術(shù)評(píng)估中心對(duì)這一成果給予了高度的評(píng)價(jià)。醫(yī)用激光儀器方面，復(fù)旦大學(xué)和裝修'>長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所經(jīng)過4年共同努力，利用毛細(xì)血管電泳電化學(xué)發(fā)光檢測(cè)、表面等離子體共振(SPR)及激光誘導(dǎo)熒光和其他光譜技術(shù)，并和蛋白質(zhì)芯片或基因芯片傳感器等技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)新研制出某些腫瘤標(biāo)志物的快速檢測(cè)儀及配套的腫瘤標(biāo)志物分析參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)惡性腫瘤的預(yù)警和早期診斷具有很高的臨床應(yīng)用價(jià)值。生物芯片技術(shù)在疾病分子診斷、個(gè)體化醫(yī)療和保健、新藥研究和開發(fā)、優(yōu)生優(yōu)育、公共衛(wèi)生及傳染病監(jiān)控等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。4、電子與電工測(cè)量?jī)x器一是微波毫米波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀器跨入了世界先進(jìn)行列，二是電能表綜合技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是現(xiàn)代電子裝備必備的關(guān)鍵的測(cè)試設(shè)備。我國(guó)在前幾年研制成功矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用領(lǐng)域從線性網(wǎng)絡(luò)向非線性、大功率網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試和分析發(fā)展，掌握了多種以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心的自動(dòng)測(cè)試技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成及應(yīng)用，使我國(guó)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用水平跨入了國(guó)際先進(jìn)行列。我國(guó)是電能表生產(chǎn)大國(guó)，近年來(lái)非常注意在準(zhǔn)確度、可靠性、功能、能耗、產(chǎn)品兼容性、環(huán)境適應(yīng)性及可維護(hù)性等多方面提高技術(shù)水平，在國(guó)際市場(chǎng)上占有重要地位。
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姜嘉平
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我國(guó)儀器儀表行業(yè)盡管已經(jīng)取得了極大的發(fā)展，但與國(guó)際先進(jìn)水平還是有較大差距。這也是未來(lái)我國(guó)儀器儀表行業(yè)發(fā)展的一個(gè)目標(biāo)，達(dá)到、趕超、引領(lǐng)國(guó)際技術(shù)水平發(fā)展。 未來(lái)我國(guó)儀器儀表行業(yè)該如何發(fā)展呢? 1、進(jìn)一步提升我國(guó)儀器儀表技術(shù)和水平，要順應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展潮流，在穩(wěn)固常規(guī)品種的同時(shí)，進(jìn)一步發(fā)展智能儀器儀表，提升產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、智能化、集成化水平。新技術(shù)的應(yīng)用也必不可少，如采用變頻調(diào)速、新型電機(jī)、低工耗、微型壓電陶瓷I/P轉(zhuǎn)換器、藍(lán)牙通信技術(shù)、智能化和現(xiàn)場(chǎng)總線等新技術(shù)來(lái)發(fā)展智能執(zhí)行器等。 2、我國(guó)產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性一直儀器儀表行業(yè)發(fā)展中的一大硬傷，也是必須解決的問題。我國(guó)儀器儀表行業(yè)今后要提升產(chǎn)品的可靠性、適用性和性能。事實(shí)上在某些產(chǎn)品領(lǐng)域，我國(guó)自主研發(fā)的產(chǎn)品在性能和功能方面已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水平，但是在可靠性和適應(yīng)性方面就略遜一籌。這也是我國(guó)儀器儀表行業(yè)未來(lái)發(fā)展應(yīng)解決的一大瓶頸，才能使國(guó)產(chǎn)儀器儀表更具有國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 3、進(jìn)一步豐富儀器儀表品種規(guī)格，如1kPa以下微低壓、800kPa以上高差壓量程、16MPa以上高靜壓、耐腐蝕等規(guī)格的國(guó)產(chǎn)變送器等，都亟需豐富。這些能夠滿足特殊應(yīng)用要求的產(chǎn)品，如果不能生產(chǎn)，則對(duì)其應(yīng)用發(fā)展造成了極大限制。 4、進(jìn)一步提升產(chǎn)品的自動(dòng)化程度和精密度。我國(guó)儀器儀表自動(dòng)化程度還不夠高，有些還需要人工進(jìn)行操作。在計(jì)算機(jī)技術(shù)普遍應(yīng)用的今天，要想獲得更高的效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，就必須進(jìn)一步借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，提升儀器儀表自動(dòng)化程度。測(cè)量精度也應(yīng)逐步提升，如流量計(jì)、計(jì)量?jī)x表等，更高的精度能夠使儀表更加可靠，應(yīng)用范圍更廣。 5、目前我國(guó)儀器儀表產(chǎn)品，主要集中在中低檔市場(chǎng)，而高端市場(chǎng)則主要被國(guó)外品牌所占據(jù)。在某些高端領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品甚至是空白，這就需要未來(lái)我國(guó)儀器儀表向高端市場(chǎng)進(jìn)軍，擴(kuò)大高檔產(chǎn)品占有率。國(guó)產(chǎn)儀器儀表在技術(shù)、性能、可靠性、質(zhì)量、自動(dòng)化、精密度、高端等領(lǐng)域發(fā)展后，我國(guó)儀器儀表產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)占有率必將提升。
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