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| 理解儀器儀表就是理解信息時(shí)代 |
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| 時(shí)間：2010-1-9 |
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人們?cè)谘芯靠茖W(xué)史的時(shí)候，把十七世紀(jì)看作近代自然科學(xué)誕生的分水嶺。因?yàn)樵诖艘郧�，自然科學(xué)沒(méi)有建立自己的傳統(tǒng)，它依附在哲學(xué)的傳統(tǒng)和工匠的傳統(tǒng)之上。弗蘭西斯。培根提出了一個(gè)重要的哲學(xué)概念——實(shí)驗(yàn)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)。伽利略把這一哲學(xué)概念變成了可以實(shí)踐的科學(xué)方法，并且提出了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)基本要素：用科學(xué)儀器進(jìn)行測(cè)量和用數(shù)字記錄（表達(dá)）測(cè)量的結(jié)果，使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果成為可以定量比較和精確計(jì)算的數(shù)據(jù)。從此，自然科學(xué)結(jié)束了長(zhǎng)達(dá)數(shù)千年的徘徊，由粗陋的觀察、模糊的推斷走向嚴(yán)肅的實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)密的邏輯，與數(shù)學(xué)結(jié)成堅(jiān)固的聯(lián)盟，建立了自然科學(xué)自己的傳統(tǒng)。
當(dāng)人類活動(dòng)的領(lǐng)域越過(guò)感覺(jué)器官極限的時(shí)候，儀器儀表就成了一切事業(yè)取得成功的前提。許多學(xué)科的進(jìn)展首先取決于儀器儀表的進(jìn)展。在十七、十八世紀(jì)，由于發(fā)明了科學(xué)的溫度計(jì)和實(shí)用的溫標(biāo)，才使溫度的概念具有更加準(zhǔn)確的科學(xué)涵義，成為可以測(cè)量和定量計(jì)算的基本物理量。它直接導(dǎo)致熱力學(xué)的誕生，使人們發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律和熱機(jī)的一系列基本規(guī)律，為歐洲的產(chǎn)業(yè)革命奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。在十九世紀(jì)，由于發(fā)明了測(cè)量電流的儀表，才使電學(xué)與磁學(xué)的研究迅速走上正軌，獲得了一個(gè)又一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了電氣時(shí)代的來(lái)臨。在廿世紀(jì)，由于威爾遜云室和眾多核物理探測(cè)儀器的發(fā)明，人們才揭開了原子核反應(yīng)神秘的面紗，逐漸展現(xiàn)出微觀世界的真實(shí)圖景，奠定了原子核物理學(xué)與日后原子能利用的基礎(chǔ)。近代自然科學(xué)是從真正意義上的測(cè)量開始的。在那個(gè)時(shí)代，杰出的科學(xué)家們?cè)S多都是科學(xué)儀器的發(fā)明家，新的測(cè)量方法的創(chuàng)立者。他們留給后世的科學(xué)遺產(chǎn)常常包括兩個(gè)部分，一部分是科學(xué)探索的新發(fā)現(xiàn)，另一部分是在這種探索過(guò)程中創(chuàng)造的新的測(cè)量技術(shù)和儀器儀表。
建立在近代科學(xué)基礎(chǔ)上的近代工業(yè)，本質(zhì)上是一種擴(kuò)大的科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，它具有近代科學(xué)的一切要素和基本特征。儀器儀表和測(cè)量技術(shù)在這種活動(dòng)中具有決定性的意義，它們是進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的依據(jù)�，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室的探索活動(dòng)，需要關(guān)注的各種運(yùn)動(dòng)變化比實(shí)驗(yàn)室要復(fù)雜得多，它是一種多參數(shù)的系統(tǒng)，人們只能夠通過(guò)儀器儀表來(lái)了解和控制它們。
歲月流逝，斗轉(zhuǎn)星移。在人類的科學(xué)探索與生產(chǎn)活動(dòng)中，儀器儀表逐漸形成了一種專門的學(xué)科，一種專門的產(chǎn)業(yè)。它支撐著社會(huì)的技術(shù)進(jìn)步，為眾多領(lǐng)域的科學(xué)探索活動(dòng)提供實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)手段，為人類有序的生產(chǎn)活動(dòng)與正常的社會(huì)生活提供必需的技術(shù)保障。這種變化是文明前進(jìn)的重要標(biāo)志，是人類勞動(dòng)科學(xué)化的重要特征。
儀器儀表科學(xué)技術(shù)繼承了人類文明豐厚的遺產(chǎn)。自然科學(xué)領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)，工程技術(shù)的新發(fā)明，不斷充實(shí)它的內(nèi)容，使它成為知識(shí)高度密集、高度綜合的學(xué)科。儀器儀表是人類擴(kuò)大視野開拓新域的前導(dǎo)工具，時(shí)刻面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，它本身總是處于永不止息的創(chuàng)造發(fā)展之中。在當(dāng)代，這一特點(diǎn)表現(xiàn)得尤為明顯。隨著人類活動(dòng)領(lǐng)域的迅速擴(kuò)大，傳統(tǒng)儀器儀表無(wú)法應(yīng)付的測(cè)量對(duì)象急劇增加。隨著自然科學(xué)領(lǐng)域探索活動(dòng)的深入，要求儀器儀表具有更高的靈敏度和分辨率。隨著工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程向更高的精確度、更快的節(jié)奏和更復(fù)雜的流程發(fā)展，原有的傳感技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越不能適應(yīng)要求。迫切需要探索新的測(cè)量原理和方法，需要突破傳統(tǒng)傳感技術(shù)的閾值界限，在數(shù)量級(jí)的意義上具有更高的響應(yīng)速度和信噪比，需要超越經(jīng)典的方法，以新的途徑獲取信號(hào)。在很多領(lǐng)域，儀器儀表的工作方式已經(jīng)發(fā)生了很大變化，儀器儀表已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、安全裝置、社會(huì)技術(shù)保障體系、大型高速交通運(yùn)載工具、醫(yī)療系統(tǒng)和國(guó)防工程的核心部件，已經(jīng)同各種各樣的工作對(duì)象融為一體，儀器儀表和它們的測(cè)量對(duì)象在空間上已經(jīng)不能分離，必需服從苛刻的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件，經(jīng)強(qiáng)烈的震動(dòng)沖擊，電磁干擾和大幅度的冷熱劇變。為了適應(yīng)這種變化，傳統(tǒng)儀器儀表的設(shè)計(jì)和工藝正在經(jīng)歷重大的改革。此外，儀器儀表在關(guān)注生產(chǎn)活動(dòng)、軍事技術(shù)、社會(huì)服務(wù)與科學(xué)研究的同時(shí)，已經(jīng)開始悄悄走進(jìn)家庭，成為提高人們生活質(zhì)量的重要手段。它給人們帶來(lái)的影響將不亞于個(gè)人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，這必將帶來(lái)儀器儀表觀念和技術(shù)的重大變化。在儀器儀表科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程中，從來(lái)沒(méi)有面臨這樣緊迫的形勢(shì)，也從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)如上激動(dòng)人心的機(jī)遇。
高度發(fā)展的儀器儀表科學(xué)技術(shù)，是信息時(shí)代的重要特征。儀器儀表是信息的源頭，在學(xué)科分類上屬于“信息獲得”技術(shù)的范疇，它與信息傳輸技術(shù)和信息處理技術(shù)共同構(gòu)成當(dāng)代信息科學(xué)技術(shù)的三大組成部分。然而，目前信息科學(xué)三大組成部分的發(fā)展是十分不均衡的。人們對(duì)通信系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的關(guān)注遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了對(duì)儀器儀表的關(guān)注。在信息時(shí)代的早期，信息科學(xué)涉及的內(nèi)容主要是人類自身社會(huì)活動(dòng)的信息，大多是文字、語(yǔ)言、聲音和圖像信息，只要能夠把它們變成相應(yīng)的光信號(hào)或電信號(hào)，就可以進(jìn)行傳輸和處理。人們關(guān)心的主要問(wèn)題是通信和計(jì)算機(jī)，因?yàn)榘讶祟惢顒?dòng)的聲音圖像信息變成電信號(hào)或光信號(hào)的技術(shù)早就已經(jīng)十分成熟了。當(dāng)信息科學(xué)涉及到更深的層次，更多地關(guān)注自然及其與人的相互關(guān)系，更多地關(guān)注自然科學(xué)研究、生產(chǎn)活動(dòng)、戰(zhàn)爭(zhēng)技術(shù)手段、人類健康、安全和環(huán)境的時(shí)候，如何獲得自然界本身的信息，就是解決問(wèn)題的首要前提，“信息獲得”就成了后續(xù)工作的重要基礎(chǔ)。面對(duì)自然界，儀器儀表是人類獲得信息的主要科學(xué)手段，它在很大程度上推進(jìn)或制約人類在眾多領(lǐng)域的活動(dòng)。這種不均衡的狀況，是信息社會(huì)早期發(fā)展階段的普遍特征。它所產(chǎn)生的影響，正在許多領(lǐng)域日漸明顯地表現(xiàn)出來(lái)，目前許多國(guó)家已經(jīng)開始重新審視儀器儀表在信息時(shí)代的價(jià)值和地位。
在思考我國(guó)儀器儀表科學(xué)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的時(shí)候，我想應(yīng)該關(guān)注這樣幾個(gè)問(wèn)題。首先在戰(zhàn)略的高度上規(guī)劃儀器儀表產(chǎn)業(yè)，把它看作信息社會(huì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，建立完備先進(jìn)的儀器儀表科學(xué)技術(shù)體系，支持社會(huì)的技術(shù)進(jìn)步。強(qiáng)化儀器儀表科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)研究，特別是傳感技術(shù)的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)工藝研究。同時(shí)加速傳感器研究成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，確立我國(guó)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。提高自然科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員儀器儀表科學(xué)素養(yǎng)，在理工科大學(xué)開設(shè)信息獲得技術(shù)公共課程。鼓勵(lì)在儀器儀表科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)明與創(chuàng)新，鼓勵(lì)提出新的觀念，鼓勵(lì)多學(xué)科的交叉與融合，特別要鼓勵(lì)支持象CT和GPS（計(jì)算機(jī)斷層掃描和全球定位系統(tǒng)）這類突破傳統(tǒng)、閃爍著現(xiàn)代科學(xué)光輝的新技術(shù)，使儀器儀表永遠(yuǎn)走在時(shí)代的前列。建立專門的儀器儀表科學(xué)技術(shù)信息研究機(jī)構(gòu)，跟蹤國(guó)外學(xué)科前沿的活動(dòng)，了解全球范圍儀器儀表產(chǎn)業(yè)的變化和動(dòng)向?yàn)橹袊?guó)儀器儀表走向世界提供清晰的背景資料，使我國(guó)在儀器儀表科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的探索活動(dòng)收到事半功倍的效果。
儀器儀表科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)的影響，方面取決于它自身的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平，另一方面取決于公眾對(duì)儀器儀表科學(xué)技術(shù)理解的深度。儀器儀表有這樣一個(gè)特點(diǎn)。它常常悄無(wú)聲息地影響甚至決定著人類在許多領(lǐng)域的活動(dòng)結(jié)果，而在這種活動(dòng)的過(guò)程中，很難看到它的身影。它不象騰空而起的火箭，不象風(fēng)馳電掣的列車，也不象鐵水奔流的高爐，那樣輝宏壯麗，令人驚心動(dòng)魄，一瞬間就能感覺(jué)到它們巨大的力量。儀器儀表是藏在人類活動(dòng)大舞臺(tái)幕后深處的無(wú)名英雄，容易被人忽視，被人遺忘。
重視儀器儀表，是現(xiàn)代人理性精神的體現(xiàn)。理解儀器儀表，就是理解信息時(shí)代。
儀器儀表是用以檢出、測(cè)量、觀察、計(jì)算各種物理量、物質(zhì)成分、物性參數(shù)等的器具或設(shè)備。真空檢漏儀、壓力表、測(cè)長(zhǎng)儀、顯微鏡、乘法器等均屬于儀器儀表。廣義來(lái)說(shuō)，儀器儀表也可具有自動(dòng)控制、報(bào)警、信號(hào)傳遞和數(shù)據(jù)處理等功能，例如用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制中的氣動(dòng)調(diào)節(jié)儀表，和電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表，以及集散型儀表控制系統(tǒng)也皆屬于儀器儀表。
儀器儀表能改善、擴(kuò)展或補(bǔ)充人的官能。人們用感覺(jué)器官去視、聽(tīng)、嘗、摸外部事物，而顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、聲級(jí)計(jì)、酸度計(jì)、高溫計(jì)等儀器儀表，可以改善和擴(kuò)展人的這些官能；另外，有些儀器儀表如磁強(qiáng)計(jì)、射線計(jì)數(shù)計(jì)等可感受和測(cè)量到人的感覺(jué)器官所不能感受到的物理量；還有些儀器儀表可以超過(guò)人的能力去記錄、計(jì)算和計(jì)數(shù)，如高速照相機(jī)、計(jì)算機(jī)等。
儀器儀表發(fā)展已有悠久的歷史。據(jù)《韓非子·有度》記載，中國(guó)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期已有了利用天然磁鐵制成的指南儀器，稱為司南。古代的儀器在很長(zhǎng)的歷史時(shí)期中多屬用以定向、計(jì)時(shí)或供度量衡用的簡(jiǎn)單儀器。
17～18世紀(jì)，歐洲的一些物理學(xué)家開始利用電流與磁場(chǎng)作用力的原理制成簡(jiǎn)單的檢流計(jì)；利用光學(xué)透鏡制成的望遠(yuǎn)鏡，奠定了電學(xué)和光學(xué)儀器的基礎(chǔ)。其它一些用于測(cè)量和觀察的各種儀器也逐漸得到了發(fā)展。
19世紀(jì)到20世紀(jì)，工業(yè)革命和現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)促進(jìn)了新學(xué)科和新技術(shù)的發(fā)展，后來(lái)又出現(xiàn)了電子計(jì)算機(jī)和空間技術(shù)等，儀器儀表因而也得到迅速的發(fā)展�，F(xiàn)代儀器儀表已成為測(cè)量、控制和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化必不可少的技術(shù)工具。
儀器儀表是多種科學(xué)技術(shù)的綜合產(chǎn)物，品種繁多，使用廣泛，而且不斷更新，有多種分類方法。按使用目的和用途來(lái)分，主要有量具量?jī)x、汽車儀表、拖拉機(jī)儀表、船用儀表、航空儀表、導(dǎo)航儀器、駕駛儀器、無(wú)線電測(cè)試儀器、載波微波測(cè)試儀器、地質(zhì)勘探測(cè)試儀器、建材測(cè)試儀器、地震測(cè)試儀器、大地測(cè)繪儀器、水文儀器、計(jì)時(shí)儀器、農(nóng)業(yè)測(cè)試儀器、商業(yè)測(cè)試儀器、教學(xué)儀器、醫(yī)療儀器、環(huán)保儀器等。
屬于機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品的儀器儀表有工業(yè)自動(dòng)化儀表、電工儀器儀表、光學(xué)儀器，分析儀器、實(shí)驗(yàn)室儀器與裝置、材料試驗(yàn)機(jī)、氣象海洋儀器、電影機(jī)械、照相機(jī)械、復(fù)印縮微機(jī)械、儀器儀表元器件、儀器儀表材料、儀器儀表工藝裝備等十三類。它們通用性較強(qiáng)，批量較大，或?yàn)閮x器儀表工業(yè)所必需的基礎(chǔ)。
各類儀器儀表按不同特征，例如功能、檢測(cè)控制對(duì)象、結(jié)構(gòu)、原理等還可再分為若干的小類或子類。如工業(yè)自動(dòng)化儀表按功能可分為檢測(cè)儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表和執(zhí)行器等；其中檢測(cè)儀表按被測(cè)物理量又分為溫度測(cè)量?jī)x表、壓力測(cè)量?jī)x表、流量測(cè)量?jī)x表、物位測(cè)量?jī)x表和機(jī)械量測(cè)量?jī)x表等：溫度測(cè)量?jī)x表按測(cè)量方式又分為接觸式測(cè)溫儀表和非接觸式測(cè)溫儀表；接觸式測(cè)溫儀表又可分為熱電式、膨脹式、電阻式等。
其他各類儀器儀表的分類法大體類似，主要與發(fā)展過(guò)程、使用習(xí)慣和有關(guān)產(chǎn)品的分類有關(guān)。儀器儀表在分類方面尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，儀器儀表的命名也存在類似情況。
衡量?jī)x器儀表性能的主要技術(shù)指標(biāo)有精確度、靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等。精確度表示儀表測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量真值的一致程度。儀器儀表的精確度常用精確度等級(jí)來(lái)表示，如0．1級(jí)、0．2級(jí)、0．5級(jí)、1．0級(jí)、1．5級(jí)等，0．1級(jí)表示儀表總的誤差不超過(guò)±0．1％范圍。精確度等級(jí)數(shù)小，說(shuō)明儀表的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差都小，也就是這種儀表精密。
靈敏度表示當(dāng)被測(cè)的量有一個(gè)很小的增量時(shí)與此增量引起儀表示值增量之比，它反映儀表能夠測(cè)量的最小被測(cè)量：響應(yīng)時(shí)間是指儀表輸入一個(gè)階躍量時(shí)，其輸出由初始值第一次到達(dá)最終穩(wěn)定值的時(shí)間間隔，一般規(guī)定以到達(dá)穩(wěn)定值的95％時(shí)的時(shí)間為準(zhǔn)：此外，還有重復(fù)性、線性度、滯環(huán)、死區(qū)、漂移等性能技術(shù)指標(biāo)。
科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不斷對(duì)儀器儀表提出更高更新的要求。在現(xiàn)代科學(xué)研究試驗(yàn)、精密測(cè)試系統(tǒng)、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)，以及各種管理自動(dòng)化系統(tǒng)中，儀器儀表都是重要的技術(shù)工具。
為了進(jìn)一步提高儀器儀表的各種性能，增強(qiáng)耐受各種苛刻使用環(huán)境的能力，提高可靠性和使用壽命，儀器儀表將不斷利用新的工作原理和采用新材料及新的元器件。例如利用超聲波微波、射線、紅外線、核磁共振、超導(dǎo)、激光等原理，以及采用各種新型半導(dǎo)體敏感元件、集成電路、集成光路、光導(dǎo)纖維等元器件。其目的是實(shí)現(xiàn)儀器儀表的小型化、減輕重量、降低生產(chǎn)成本和便于使用與維修等。
另一重要的趨勢(shì)是，通過(guò)微型計(jì)算機(jī)的使用來(lái)提高儀器儀表的性能，提高儀器儀表本身自動(dòng)化、智能化程度和數(shù)據(jù)處理能力。儀器儀表不僅供單項(xiàng)使用，而且可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口和數(shù)據(jù)通道，與電子計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)，組成各種測(cè)試控制管理綜合系統(tǒng)，滿足更高的要求。 |
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