现代仪器综述

现代仪器综述学院：专业：班级：姓名：学号：2前言：现代仪器仪表技术是一门集电子技术、单片机技术，自动化仪表、自动控制技术、计算机应用等于一体的跨学科的专业技术。自20世纪90年代初以来，这项技术已逐步引入到国内工科专业中的电子信息、通讯、自动化、计算机应用等信息类专业中。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，测控仪器仪表的智能化、总线化、网络化发展已在各个相关行业呈现出广阔的发展前景，同时也日益成为工程界和科技界人士所关注的重要问题之一。因此，了解和熟悉现代智能仪器仪表的特点功能，发展趋向及其应用前景是十分重要和必要的。一：现代仪器仪表概念近些年来，随着微处理器和单片机的发展和广泛应用，出现了一种新型的专用仪器——现代智能仪器。这种仪器一微处理器或单片机为核心，具有信息采集、显示、处理、传输以及优化检测与控制等多种功能。有些甚至还具有专家推断、逻辑分析与决策的能力。智能仪器的出现，极大地扩充了常规仪器的应用范围。由于现代智能仪器一开始就显示它强大的生命力，目前已成为仪器仪表发展的一个主导方向。它的不断发展对自动控制、电子技术、国防工程、航天技术与科学实验等将产生极其深远的影响。现代智能仪器是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器，拥有对数据的存储运算逻辑判断及自动化操作等功能。现代智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。现代智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。二：现代仪器仪表的功能特点随着微电子技术的不断发展，集成了CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至A／D、D／A转换器等在一块芯片上的超大规模集成电路芯片(即为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“现代智能化测量控制系统”，也就是现代智能仪器。与传统仪器仪表相比，智现代能仪器具有以下功能特点：1）操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭3合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。2）具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。3）具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，不仅使用户从繁重的数据处理中解放出来，也有效地提高了仪器的测量精度。4）具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。5）具有可程控操作能力。一般智能仪器都配有GPIB、RS232C、RS485等标准的通信接口，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。三：现代仪器仪表的分类根据国际发展潮流和我国的现状，现代仪器仪表按其应用领域和自身技术特性大致划分为6个大类，即工业自动化仪表与控制系统、科学仪器、电子与电工测量、仪器、医疗仪器、各类专用仪器，传感器与仪器仪表元器件及材料。工业自动化仪表与控制系统，主要指工业，特别是流程产业生产过程中应用的各类检测仪表、执行机构与自动控制系统装置。科学仪器主要指应用于科学研究、教学实验、计量测试、环境监测、质量和安全检查等各个方面的仪器仪表。电子与电工测量仪器，主要指低频、高频、超高频、微波等各个频段测试计量专用和通用4仪器仪表。医疗仪器主要指用于生命科学研究和临床诊断治疗的仪器。各类专用仪器指农业、气象、水文、地质、海洋、核工业、航空、航天等各个领域应用的专用仪器。科学仪器可以细分为14个小类，即电子光学仪器，离子光学仪器，X射线仪器，光谱仪器，色谱仪器，波谱仪器，电化学仪器，生化分离分析仪器，气体分析仪器，显微镜和成像系统，化学反应及热分析仪器，声学振动仪器，力学性能测试仪器（材料试验机），光电测量仪器。其中，发展最快，应用最广和市场容量最大的是各类光学仪器和分析仪器。现代仪器仪表虽然作了大致分类，实际上存在着许多交叉，比如各类专用仪器中许多都是科学仪器。四：现代仪器仪表的学科特征仪器科学与技术是以精密机械、电子技术、光电技术、计算机技术为主，并与精密仪器及机械、测试计量技术及仪器、光电工程、电子科学与技术、计算机科学与技术、控制科学与工程等学科相互交叉和相互渗透的综合学。它包括两个二级学科，即精密仪器及机械和测试计量技术及仪器。五：现代仪器仪表的技术特征仪器仪表工程领域涉及：产品研制、工艺开发、装备设计、技术改造、质量控制、计量测试、企业管理、新装置建设、项目规划、引进装置消化吸收、工程可行性研究等。随着仪器仪表领域的技术发展，新型传感器及信息获取、过程测控系统、装备及集成技术、微系统测量控制仪器仪表及制造技术、新型计量测试仪器及计量基准研究等逐渐成为本领域的重要技术发展趋势。六：现代仪器仪表的行业特征仪器仪表工程领域的行业覆盖范围包括：科学仪器、分析仪器、光学仪器、试验机、实验室仪器、工业自动化仪表、信息技术电测仪器、通用和专用自动测试系统、医疗仪器等行业。5七：现代智能仪表的典型结构现代智能仪器由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入/输出通道、人机接口电路、通信接口电路。现代智能仪器的软件分为监控程序和接口管理程序两部分。监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序；接口管理程序是面向通信接口的管理程序，接收并分析来自通信接口总线的远控命令。八：现代仪器仪表的发展历史及现状1、概述：第一代测试仪器是以电磁感应基本定律为基础的模拟指针式仪表。当50年代出现了电子管、60年代出现晶体管时，便产生了以电子管或晶体管为基础的第二代测试仪器——分立元件式仪表。70年代出现了集成电路，产生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器——数字式仪表。随着微电子技术的发展和微处理器的普及，80年代以微处理器为中心的第四代仪器——智能式仪表迅速普及。现在，微电子技术与计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机深层次的结合正引起测试仪器领域里一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导致新一代仪器——虚拟仪器的出现，进而产生集成仪器，再由单台仪器子系统向多台仪器组成的大的测试系统方向发展。现代高新技术，如航天、遥感、生物工程、医疗、环保、新材料等的研究发展以及各类基础科学实验工作，无一不直接依靠仪器来完成。现代仪器技术是知识创新和技术创新的基础，电子显微镜、质谱技术、CT断层扫描仪、J射线物质结构分析仪、光学相衬显微镜、扫描隧道显微镜等先进仪器的诞生对人类的科学研究产生了划时代的作用。纵观人类科技发展史不难看出，科技重大成就的获得和科学新领域的开辟往往是以测试仪器和测试技术方法上的突破为先导的。实际上，随着人类制造和使用工具的规模不断向高、大、精、尖发展，人类活动的规模和深度不断扩大和深入，人类已不可能通过自己的感觉、思维和体能器官直接观测和操作工具使之达到既定的目标，仪器科学与技术的内涵就是专门研究、开发、制造、应用各类仪器以使人的感觉、思维和体能器官得以延伸的科6学技术学科，从而使人类具有更强的感知和操作工具的能力来面对客观物质世界，能以最佳或接近最佳的方式发展生产力、进行科学研究、预防和诊疗疾病及从事社会活动。2、发展特点仪器科学与技术学科作为工程性学科，有关仪器运行、应用的理论研究、新技术、新器件、新材料、新工艺的研究和应用集中体现在新型仪器仪表及相关的传感器、元器件和材料等领域的研究和产业化中，科技研究和产业发展紧密结合。日前，根据国际发展潮流和我国现状，仪器科学与技术学科主要组成包括：工业自动化测控技术及工业自动化仪表与系统；科学测试、分析技术及科学仪器；人体诊疗技术及医疗仪器；信息计测技术及电测仪器(主要是电子测量仪器和电工测量仪器，包括仪表校验装置和计量基准)；专用检测技木及各类专用测量仪器，相关传感器、元器件、材料及技术。九：现代仪器仪表的未来趋势1、学科领域科技发展趋势学科领域科技发展的趋势是利用各学科最新科技成果，特别是结合材料、微电子、光电子、生物化学、信息处理等各学科及大规模集成电路、微纳加工、网络等各种新技术，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、在体、实时、在线、高灵敏度、高通量、高选择性检测技术，工业自动化测控的在线分析、原位分析、高可靠性、高性能和高适用性技术，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，新学科领域的计量技术，各类应用领域的专用、快速、自动化检测和计量技术。这些科技发展趋势，具体表现在下列一些方面。1）与微电子技术、MEMS技术结合，实现敏感单元与信号调理电路集成，有利于敏感单元微弱信号检测、放大及处理，大大减小了传感器体积，有效提高了传感器的抗干扰能力。2）与纳米技术结合，基于传感器实现的新方法，采用纳米结构或纳米材料7的某些典型特征，设计极高灵敏度的痕量检测微系统。3）与生物技术结合，开发微型生物、化学传感系统，用于疾病检测、生化分析、有毒有害物质检测等领域。4）与网络、通信技术结合，开发网络化传感技术和微弱信号融合技术，用于有用信号增强及原位、在体、实时、在线、高灵敏度、高通量、高选择性检测等。5）与太赫兹辐射技术结合，开发太赫兹光谱检测、太赫兹成像分析和太赫兹遥测技术，用于国防、安全检查、材料识别与诊断、生产监测、生物医学应用等领域。太赫兹辐射（T-射线，波长为30-3000μm范围内的电磁波）可以像X-射线那样穿过某些材料“看”到其背后的物质，T-射线光子能量极低，不会对人体和其他材料造成电离，大多数包装材料如纸张、碳素板、塑料等对T-射线都是透明的，而金属和含有水分的材料不能透过T-射线。可以利用T-射线进行成像，透视出包装物品内部物体的T-射线图像来，从而可以应用于机场的安全检查和人体内有损伤或破裂器官的检查。6）结合分子影像学，开发活体内可见光成像分析、小动物光学分子成像分析技术，可实现无创伤、实时、活体、特异、精细(分子水平)的显像分析。7）结合表面增强拉曼散射(SERS)技术，开发针尖增强拉曼显微分析、生物芯片SERS分析技术，具有灵敏度高、干扰小的特点，适合于研究界面效应，可以解决生物化学、生物物理和分子生物学中的许多检测难题，有望解决超高灵敏度分析问题，甚至进行单细胞和单分子分析。8）结合核磁共振技术，开发新的核磁共振波谱分析、核磁共振成像分析技术，以提高灵敏度、空间分辨率和时间分辨率。其中高时空分辨成像技术，还直接导致形成了脑功能成像这一新的研究领域。9）结合像差校正技术，开发电子、粒子束微区分析技术，利用电子、粒子束探索和分析样品表面形貌、原子和分子结构、元素组成、化学状态。电子、粒子束微区分析技术在材料科学、微电子学、化学与催化、环保、能源、生命科学等领域应用很广，其分辨本领有日益提高的趋势，目前点分辨已突破1A的限制，能量分辨率达到0.1eV水平。10）结合生命科学技术，开发基因测序和基因转录检测技术、蛋白质鉴定和8大规模蛋白质间相互作用检测技术、蛋白质组生物信息检测和代谢组学分析技术。2、产业领域发展趋势国际上仪器科技产品的发展趋势是微型化、数字化、智能化、集成化和网络化进一步向纵深发展，并在产品性能上向高精度、高可靠性、高环境适应性目标前进，在人机界面土更便于人的操作、使用，以及与人类生活、健康有关的各类仪器科技产品有望得到较大的发展并进入家庭。通过家庭