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中国测量控制与仪器仪表中长期发展规划
2006年7月21日 8:58  来源:中国仪器仪表资讯网

2.2 测量控制与仪器仪表的国际发展趋势及特点 

2.2.1 测量控制与仪器仪表的国际发展趋势 

    数字技术的出现把模拟仪器仪表的测量控制精度、灵敏度、速度及可靠性提高了几个量级,为实现测量控制自动化打下了良好的基础。计算机的引入,使仪器的功能发生了质的变化,从个别参量的测量转变成测量整个系统的特征参数,从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出,从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。 90 年代,测量控制与仪器仪表科技的突破性进展是仪器仪表智能化程度的提高; DSP 芯片的大量问世,使仪器仪表数字信号处理功能大大加强;微型机的发展,使仪器仪表具有更强的数据处理能力和图像处理功能;现场总线技术是九十年代迅速发展起来的一种用于各种现场自动化设备与其控制系统的网络通信技术, Internet 和 Intranet 技术也将进入控制领域。现代仪器仪表产品将向着计算机化、网络化、智能化、多功能化的方向发展,跨学科的综合设计、高精尖的制造技术使它能更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、检测、控制对象的全方位信息。未来 10 年,更高程度的智能化应包括理解、推理、判断与分析等一系列功能,是数值、逻辑与知识的结合分析结果。利用物理学的新效应和高新技术及其成就开发新型高灵敏度、高稳定性、强抗干扰能力传感器技术和测量控制仪器仪表。如:利用高温超导量子干涉器( SGUID )开发计量测试仪器、物理学测试仪器、地学和地质学仪器、化学分析仪器、医学仪器、无损材料检验仪器等。利用椭偏技术来检测光纤、光学玻璃等,它与近场光学相结合,不仅可以测量表面精细结构,同时根据近场光学反射偏振信息可以分辨出被测物体的材料,这是目前实验研究新探索。将可调谐稳频激光光谱仪的技术用于高精密的几何量与机械量和多种无形态量的测量,开发新一代微型光纤激光干涉仪,它的测量范围可以从纳米到几米或更大的范围,分辨率可达 10nm ;它还可用于称重,研制新型电子天平、高分辨率的压力计等。发展纳米测量技术,建立纳米计量测试标准,这是当今在计量与测量技术研究中十分活跃的课题。由于以信息技术为代表的高新科学技术的突飞猛进,科学分析仪器正在经历一场革命性的变化,传统的光学、热学、电化学、色谱、波谱类分析技术都已从经典的化学精密机械电子结构、实验室内人工操作应用模式,转化为光、机、电、算(计算机)一体化、自动化的结构,并正向实时的现场、在线方向和更名副其实的智能系统发展(带有自诊断、自控、自调 、自行判断决策等高智能功能)。促进科学仪器的工作原理、设计思想、设计方法发生明显变化的关键技术主要有:( 1 )微分析技术即分析仪器的微型化和微量化,其共性技术有微控技术、微加工技术、微检测技术、微光源、微光学系统、微传感器等,应用上述技术的分析仪器有微流控制芯片、芯片实验室、微近红外光谱仪等。( 2 )新型生物、化学传感技术,将生物芯片技术,新型化学传感技术,智能传感器技术应用于分析仪器的研制。( 3 )成像技术包括广义成像,纳米级超高分辨成像,图像信息处理等,具体的领域有核磁共振技术、图像自动分析及综合技术、光谱成像技术、近场光学成像技术等。( 4 )仪器的联用技术,通过信息分离、专用软件接口技术,实现多学科技术间的联用,以实现复杂系统的痕量成份分析、结构分析、形态分析等综合分析,如:色谱—质谱联用、色谱—光谱联用等。多台仪器、多个实验室结合的综合分析管理系统( LIMS, Laboratory Information Management System )已经推广应用;仪器可以上网、制造厂商可与全球用户或用户之间实现信息交流,厂商对用户正在使用的仪器进行远距诊断、指导正确使用或提出维修指导,各同类仪器用户或相同分析工作用户直接进行数据、情报共享、仪器的远程校准和量值溯源等已指日可待。测量控制与仪器仪表在生物、环保、医学等有关人的生存、发展领域的应用日新月异,现代高科技军事方面的发展也促进了测量控制与仪器仪表的应用拓展,灵敏、准确的现场毒物检测、生命保障任务也大大扩大了测量控制与仪器仪表的应用领域。 

2.2.2 仪器仪表科技发展的特点 

    根据上述测量控制与仪器仪表的国际发展趋势,可以总结测量控制与仪器仪表科技发展具有以下主要特点: 

★技术指标不断提高 

    就如奥林匹克运动的口号是更高、更快、更强一样,测量控制与仪器仪表在提高测量控制的技术指标和功能上是永远的追求,测量控制与仪器仪表的技术指标水平是一个国家测量控制与仪器仪表水平的量化标志。以扩大检测范围指标来说,如电压从纳伏~ 100 万伏;电阻从超导至 10 14 Ω;谐波测量到 51 次;加速度从 10 -4 ~ 10 4 g ;频率测量至 10 12 HZ ;压力测量至 10 8 Pa 等;温度测量从接近绝对零度至 10 8 ℃ 等。以提高测量精度指标来说,工业参数测量提高至 0.02% 以上,航空航天参数测量达到 0.05% 以上,计量精度和科学仪器达到的精度更是与时俱进。以提高测量的灵敏度来说更是向单个粒子、分子、原子级发展。提高测量速度(响应速度),静态 0.1 ~ 0.02ms ,动态为 1us 。提高可靠性,一般要求为 2 ~ 5 万小时,高可靠要求 25 万小时。稳定性 ( 年变化 )< ± 0.05%( 高精度仪器 ) 或 < ± 0.1%( 一般仪器 ) 。提高产品环境适应性,根据不同用户的要求,有高温、高湿、高尘、腐蚀、振动、冲击、电磁场、辐射、深水、雨淋、高电压、低气压等条件下的适应性。 

★大量采用新的科研成果和高新技术 

    测量控制与仪器仪表作为人类认识世界、改造世界的第一手工具,是人类进行科学研究和工程技术开发的最基本工具。人类很早就懂得“工欲善其事,必先利其器”的道理,新的科学研究成果和发现如信息论、控制论、系统工程理论,微观和宏观世界研究成果及大量高新技术如微弱信号提取技术,计算机软、硬件技术,网络技术,激光技术,超导技术,纳米技术等均成为测量控制与仪器仪表科学技术发展的重要动力。仪器仪表不仅本身已成为高技术的新产品,而且利用新原理、新概念、新技术、新材料和新工艺等最新科技成果集成的装置和系统层出不穷。 

★测量单元微小型化、智能化 

    测量控制与仪器仪表大量采用新的传感器、大规模和超大规模集成电路、计算机及专家系统等信息技术产品,不断向微小型化、智能化发展,从目前出现的“芯片式仪器仪表”,“芯片实验室”、“芯片系统”等看,测量单元的微小型化和智能化将是长期发展趋势。从应用技术看,微小型化和智能化测量单元的嵌入式连接和联网应用技术得到重视。 

★测控范围向立体化、全球化扩展,测量控制向系统化、网络化发展 

    随着仪器仪表所测控的既定区域不断向立体化、全球化甚至星球化发展,仪器仪表和测控装置已不再呈单个装置形式,它必然向测控装置系统化、网络化方向发展。例如一个大型水电站的测控系统,仅检测大坝安全性的传感器就达数千个,此外各个发电机组状态及水位情况的检测控制点( I/O 测控点)将超过万点,要达到大型水电站的正常发电和送电,必须将各个测控点的测控装置形成一个有机的测控网络系统。又例如卫星测控系统,运载火箭上配置的各种传感器就达到数千,而卫星上各种测控装置构成一个完整的自动测控系统,然后和多个地面站的测控系统构成一个广域测控系统。 

★便携式、手持式以至个性化仪器仪表大量发展 

    随着生产的发展和人民生活水平的提高,人们对自己的生活质量和健康水平日益关注,检测与人们生活密切相关的各类商品、食品质量的仪器仪表,预防和治疗疾病的各种医疗仪器是今后发展的一个重要趋势。科学仪器的现场化、实时在线化,特别是家庭和个人使用的健康状况和疾病警示仪器仪表将有较大发展。 

3 现状、差距及原因 

3.1 现状 

    目前,绝大部分国产仪器仪表产品的技术水平处于国际上九十年代初、中期的水平。中低档产品品种基本齐全,能够批量生产,且质量稳定;例如,电工仪器仪表在国内市场占有率达 95% ,并有 13% 产品出口。深圳市每年生产数字万用表达 700 万台,出口世界 90 多个国家,中低档数字万用表的产量占世界总产量的 80% 。少数中高档产品,已接近国际水平。在工程应用技术方面,已经能够承担一部分国家重大工程仪器仪表系统成套工作。如 60 万千瓦火电机组, 350 万吨 / 年炼油装置, 20000m 3 /h 空分装置、核电站常规岛控制系统等,开始摆脱国家重大工程全部被国外公司垄断的局面。但在高技术含量的自动化仪表及系统、科学测试仪器、传感器元器件等产品的竞争上,国内仪器仪表行业基本上都处于相当被动的境地。总体上说, 2003 年国内仪器仪表市场需求旺盛,增长迅速。受电站、汽车、公用设施工程、住宅建设和国际市场回暖等影响,工业自动化仪表与控制系统、车用仪表、电水气用计量仪表和中低档光学仪器等增长迅速。按国家统计局和有关行业部门统计, 2003 年国内生产仪器仪表销售总额为 921 亿元,与上年度同期相比增长 25.8% 。其中过程控制系统与检测仪表为 174 亿元,同期相比增长 29.9% ;科学仪器为 154 亿元,同期相比增长 40.18% ;环保仪器约为 16 亿元,同期相比增长 35.6% ;电能计量仪表为 180 亿元,同期相比增长 36.3% ;医疗仪器超过 80 亿元,同期相比增长 11.9% 。而据国家海关和有关行业部门统计, 2003 年,我国仪器仪表行业出口商品总值 29.4 亿美元,与上年度同期相比增长了 52.6% ; 2003 年仪器仪表的进口金额为 91.5 亿美元,与上年度同期相比增长了 67.8% 。其中过程控制系统与检测仪表为 16.7 亿美元,科学仪器(包括实验分析仪器和光学仪器)为 28.8 亿美元,医疗仪器为 10 亿美元。根据上述数据,中国仪器仪表 2003 年的市场总需求量为:国内生产仪器仪表 2003 年销售总额?国内生产仪器仪表 2003 年出口销售总额 + 2003 年仪器仪表的进口金额 = 921 ? 29.4 × 8.3 + 91.5 × 8.3 = 921 ? 244.02 + 759.45 = 1436.43 (亿元)。其中人民币与美元的比价 = 1: 8.3 。因此,可以毫不夸张地说,我国对仪器仪表的需求量的二分之一是由进口产品满足的(实际占 52.87% ),国外公司的中档产品以及许多关键零部件占有了国内 60% 以上的市场份额,大型和高精度的仪器仪表几乎全部依赖进口。 

3.2 差距 

3.2.1 技术方面的差距 

    技术方面的差距主要体现在: 

● 产品的可靠性较差。对基础技术和制造工艺的研究不够,一些影响可靠性的关键技术,如精密加工技术、密封技术、焊接技术等至今还没有得到很好解决,导致产品(特别是高档产品)的性能不够稳定和可靠。现有国内高档产品的可靠性指标(平均无故障运行时间)与国外产品相比,大致要相差 1 ~ 2 个数量级。 

● 产品的性能、功能落后。现有国内产品在测量精度上要与外国产品相差 1 个数量级。在功能上,目前外国产品智能化程度相当高,通过对原始信息的数字处理,更好地排除了外部干扰对信息影响,提高了产品的耐环境性和测量真实性。而国内现有产品智能化程度还较低。另外,产品的网络化在国外已经进入实用阶段,而我国基本上处在起步阶段。 

● 产品技术更新的周期慢。当今国外产品的更新周期大约在 2 ~ 3 年。新技术的储备往往可以提前到十年。而我国企业往往通过引进外国技术来实现一代产品的更新,引进后又不能很好消化吸收,在新产品开发方面原创性成果很少。一些采用新原理的产品,在我国还处于空白状态。科研院所在跟踪新技术方面虽然有成果,但与企业结合产业化相当艰难。 

● 缺乏针对使用对象而开发的专用解决方案。国外近年测量控制与仪器仪表的发展趋势是开发仪器仪表与应用对象紧密结合的软件产品,最终向用户提供个性化的解决方案。例如针对 60 万千瓦火电机组的机组性能计算软件,炼油工艺的优化软件,专门用于医疗仪器的图形处理软件等。我国企业在这方面尚未形成产业。 

3.2.2 企业综合实力方面的差距 

企业综合实力方面的差距主要表现在: 

● 行业规模小,测量控制与仪器仪表行业的总产值较低。不仅是绝对量小,在经济总量中的比例也很小。 2003 年国内仪器仪表总产值仅占国内生产总值( GDP )的 0.82% ,国内工业总产值的 1.79% 。而据美国商业部国家技术和标准研究院( NIST )提出的报告称:美国 90 年代仪器仪表工业产值占工业总产值的 4% 。仪器仪表行业的企业绝大多数是中小企业。全行业有规模以上企业 1887 个,年销售额超过 10 亿元的不足 15 个,行业职工总数为 51 万,缺乏综合实力强的“旗舰”企业。国内企业的单项产品市场运作能力较强,但缺乏综合实力。在人力、财力上都不能在市场上与外国跨国集团抗衡。因此,在市场竞争方面处于弱势。企业缺乏大型工程的工程能力。 

● 企业劳动生产率低。由于仪器仪表属于高科技产业,低劳动力成本的作用不明显。国内企业管理水平普遍低于外国企业,因此,制造高技术含量产品的企业,劳动生产率远低于外国企业。 

● 企业技术开发投入普遍不足。由于国内企业几乎全部是中、小型企业,在人力、财力方面都不能支持足够的、长期的技术创新投入。以科学仪器为例 ,一般国外公司的开发投入占销售额的 10% ,而我国仅占 3% 。 

3.3 原因 

    造成以上差距的主要原因是 

● 运行机制不能适应市场经济发展的要求。在发展的过程中,一批国家投资的骨干企业面临产品老化、技术人员流失的严峻局面,生产与经营困难;一批机制创新、运行灵活的企业正在逐步成为新的亮点,但多半尚未能掌握先进核心技术,创新成果少,还不能与外国大公司抗衡。 

● 产、学、研、金(融)、政(府)、用(户)有机结合的体制和政策没有形成。测量控制与仪器仪表是典型知识密集、技术密集型产品,敏感于高科技发展,是多种高新技术融合的综合体,因此,产、学、研、政、金、用的有机结合就显得十分重要。条块分割,各自为战,低水平重复,难以形成合力,缺乏有效的引导。科研成果产业化率低的问题仍然十分突出。 

● 缺乏国家强有力的研究支援体制。测量控制与仪器仪表行业品种多、批量小,需要长期的、坚持不懈的投入。但目前投资总量不足且投资效益不佳。投资途径分散,难以集中重点。课题的选定和研究成果的公正且透明的评价体制尚不完善。企业既不能像外国那样完全按照市场经济规则参与竞争,又缺乏包括研究资源的战略投资、新技术市场化所需要的市场环境的整顿等国家战略。 

    此外,缺乏高层次的复合型人才和熟悉、精通各学科交叉的综合型人才,也是造成差距的一个重要原因。 

    国际上测量控制与仪器仪表行业技术发展十分迅速,我们如果不能在一些关键技术和产品上有所突破,对我国国民经济发展的独立性、完整性和安全性都会产生深远的影响。 

4 测量控制与仪器仪表科技未来需求 

    科技未来需求是确定测量控制与仪器仪表业发展战略和发展重点的基础。总的来说,在工业生产中,仪器仪表是“倍增器”。在科学研究中,仪器仪表是“先行官”。在军事上,仪器仪表是“战斗力”。此外,现代仪器仪表在当今社会还发挥出“物化法官”的重要作用。同时,仪器仪表在试验教学、气象预报、大地测绘、诊治疾病、指挥交通、探测灾情等社会生活许多领域都有广泛应用,需求遍及“农轻重、海陆空、吃穿用”无所不在。下面主要从未来 17 年 , 国民经济、社会发展和国防安全的战略目标,分析测量控制与仪器仪表科技的未来需求: 

    A 、国民经济的发展要改变产品挡次低、技术含量低、主要靠数量增加的粗放式发展模式,走以质取胜的集约式发展之路,必须广泛采用信息技术,用信息化带动传统产业的发展。测量控制与仪器仪表是信息技术的重要组成部分,在实现“精确工业”、“精细农业” … 的过程中有巨大的需求。 

    B 、科学技术是第一生产力,科教兴国已成为既定国策。大力加强科研和建立以企业为主的技术创新体系,提高自主开发和自主创新能力,测量控制与仪器仪表科技必须先行。 

    C 、面对世界超级大国的超强“精确打击”军力,为了国家的国防安全,部队的快速反应能力和武器的精确打击能力急需提高,对作为军事上战斗力的测量控制与仪器仪表科技同样有巨大的需求。 

    D 、面对资源短缺、水资源危机、生态环境恶化的严峻局面,要保障人民健康和社会的可持续发展,必须加强生命科学、食品安全、环境保护、公共安全(包括反恐、反毒)、商品质检、临床医学、医药科学等领域的研究和发展,从而增加对测量控制与仪器仪表科技的未来需求。 

5 测量控制与仪器仪表产业发展方向、重点项目建议 

    根据国民经济、科学研究、国防建设、社会发展各方面对测量控制与仪器仪表的需求,综合关键共性技术部分作为产业的发展方向,提出重点项目建议。 

5.1 测量控制与仪器仪表产业发展方向建议 

    《 2006-2020 年》期间,我国测量控制与仪器仪表产业发展的方向是: 

5.1.1 工业自动化仪表与控制系统 

    A. 以石油、化工、钢铁、电力、交通运输、国防安全、环保、轻工、水利等重大工程项目为依托,致力于新一代主控系统及其综合自动化开发和产业化,主要包括集散控制系统、现场总线控制系统和以工业计算机为基础的开放式控制系统、工业生产中的质控体系等;国内生产的产品, 2010 年要满足 50% 的大型系统, 2020 年要能满足 85% 的大型系统。 

    B. 先进控制、优化软件开发与产业化技术,主要包括先进控制技术、过程优化技术、实时监控软件平台、信息集成软件平台、系统集成技术等; 2010 年要具有“交钥匙”自控系统 30% 的能力,到 2020 年, 50% 的工程项目做到“交钥匙”。 

    C. 智能仪表、采用现场总线技术与实时工业以太网技术的检测仪表、执行器与变送器、成套专用控制装置和成套专用优化系统的开发与产业化; 2010 年国内生产的产品品种和价值均要达到 70% , 2020 年达到 85% 。 

5.1.2 科学仪器 

    2010 年老产品要更新换代,国内生产的产品品种和价值达到市场需求的 50% , 2020 年达到 75% 。重点围绕生命科学、农业和食品、材料科学、环境与能源等直接关系到人类生存和发展的各学科和领域的需求,加强引进消化、自主研究、开发和产业化。要加快科学仪器在线化和固态化的进程,进一步提高科学仪器的功能,扩大科学仪器的应用领域 ` 。 

    A. 量大面广的通用仪器 

    重点解决色谱、光谱、质谱、电化学等各类通用仪器的稳定和可靠性,开发高灵敏检测器和高精度传感器,进一步提高仪器的技术水平和设计制造能力。 

    B. 特定领域的专用仪器 

    农产品品质和食品营养成分检测、农药及残留量检测、土壤速测等农业和食品专用仪器;海洋仪器;大气、水和固体废弃物安全监测和预警用成套环境专用仪器,各种灾害监测仪器;生命科学用分离分析仪器及面向医疗单位包括中小医院的各种生化分析仪器;计量仪器;航天仪器等。 

    C. 有自主知识产权和特色的新型仪器 

    重点发展各种微分析仪器、智能仪器、联用仪器、虚拟仪器、成像仪器及相关技术和部件。 

    D. 科学仪器软件和支撑系统 

    着重发展各种科学仪器应用软件、标准化数据处理软件,提供使用可靠、扩展性强的通用型科学仪器开发平台和仪器测控数据系统以及支撑系统。 

5.1.3 医疗仪器 

    2010 年国内生产的产品品种和价值达到市场需求的 50% ,到 2020 年达到 70% 。 

    A. 开发研制医用光学仪器,包括内窥镜、眼科光学仪器、手术显微镜等。 

    B. 以全数字化成像、高档黑白超和彩超、新型换能器为研发关键技术的超声医用仪器。 

    C. 研究开发数字化核磁、 X 线影像系统,高温超导型核磁共振系统,精细手术和微创手术系统等大型医疗仪器及临床信息系统。 

    D. 研究开发高能智能化肿瘤治疗大型仪器系统,包括数字化控制系统、高能管技术、放疗模拟定位机改造,以及多光阑系统等关键技术。 

    E. 结合面向社区、家庭的小型化和便携式医疗仪器远程通信和网络化的发展,加强预防医疗系统及疾病控制系统的研究开发。 

5.1.4 电测仪器与自动测试系统 

    A .精密数字电表、自动测试技术与系统集成技术,网络化技术; 2010 年生产线关键工序配备自动化监测仪器,在线检测和故障诊断系统,满足 20% 的企业建立整机自动化检测系统, 2020 年, 50% 的企业建立整机自动化测试系统,实现在线自动检测,发展微机智能检测。 

    B. 通信、计算机、网络测量技术、集成电路测量仪器及自动测试系统; 

    C. 微波,毫米波测量仪器及测试系统; 

    D. 数字电视、广播、多媒体测试技术、测量仪器及测试系统; 

    E. 航天航空自动测试系统及设备; 

    F. 可大量出口的电测仪器仪表;如电度表、数字万用表等。 

 
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