中国测量控制与仪器仪表中长期科技发展规划 讨论稿中国测量控制与仪器仪表中长期科技发展规划(讨论稿)2010/10/29 10：59中国测量控制与仪器仪表中长期科技发展规划(讨论稿)2009-11-24 00：57-1总体思路与研究框架1.1总体思想先进制造业的规模和水平是衡量一个国家综合实力和现代化程度的主要标志。当代经济最发达的国家，仍然是制造业最发达的国家。美国的强大主要是因为它有发达的先进成套装备制造业。美国先进的航天器、人造卫星、飞机、舰船、电子信息设备和尖端科学仪器等，是建立在先进科学技术基础上的装备制造工业部门制造出来的。面对激烈的国际竞争，为使我国由一个制造大国转变为一个制造强国，必须实施以信息化带动工业化的战略，没有先进的测量控制与仪器仪表制造业的支持，不可能完成这个任务。所谓制造业，就是通过加工把原材料转化为产品的工业，其增值主要在加工过程中得以体现；随着制造业与信息化技术融合、集成，制造业价值链条中的增值显著提高。今天的制造业已经成为同时对物质、信息和知识进行处理的产业。测量控制与仪器仪表作为对信息进行采集、测量、处理和控制的重要手段和设备，对制造业的发展具有先导作用，同时也是改造传统工业的必备手段。在国民经济运行中，仪器仪表是提高劳动生产率的倍增器，对国民经济有着巨大的辐射作用和影响力。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只占工业总产值的4%，但它对国民经济(GNP)的影响面却达到66%。测量控制与仪器仪表已成为促进当代生产的主流环节，在现代工业中的投资占有相当比重。例如重大工程项目的投入，仪器仪表平均占812%的设备投资。测量控制与仪器仪表是国防现代化装备的重要组成部分。仪器仪表的测量控制精度决定了武器系统的打击精度，仪器仪表的测试速度、诊断能力则决定了武器的反应能力。因此先进的、智能化的测量控制与仪器仪表已成为精确打击武器装备的重要组成部分。测量控制与仪器仪表还是新技术革命的先导和基础。著名科学家门捷列夫讲过，科学是从测量开始的。高新技术的发展对测量控制与仪器仪表的依赖程度越来越大。测量控制与仪器仪表是高技术集成产物，是发展高技术必需的及重要的技术手段和基础。现代测量控制与仪器仪表从一个重要方面体现了国家高技术和高技术产业发展的水平。要突出重点，有所为、有所不为。发展对先进的测量控制与仪器仪表制造业有突破性重大带动作用的仪器仪表及其关键技术，有效解决测量控制与仪器仪表制造业的关键问题。目前，仪器仪表是装备制造业中外贸逆差最大的行业，2000年11.2亿美元，2001年为30亿美元，2002年为50亿美元，2003年为62亿美元，2004年预计90亿美元，国内对进口需求来势之猛，非常规所料。因此，增强国内生产的仪器仪表在大工程中的配套能力，减少国内制造业和大工程对仪器仪表的进口需求，必须予以优先考虑。要统一领导，大力协同，要在中央领导下，充分发挥自然科学和社会科学专家的作用、部门的作用、企业特别是大型骨干企业和民营高科技企业的作用。要面向世界、面向未来，搞开放式研究。注意吸收借鉴世界各国的先进经验，先进技术。1.2总体目标测量控制与仪器仪表产业的总体目标是：在未来15年内，必须充分利用我国经济高速发展和巨大的市场优势，结合测控技术的深化研究，大力推进新技术、新工艺在仪器仪表中的应用研究，掌握各类仪器仪表的设计、生产工艺等关键技术，满足国民经济、人民健康和国防安全在生产、科研、应用各个方面对测量控制与仪器仪表的需求，减少进口，扩大出口，使我国的测量控制与仪器仪表产业总体水平与国际水平差距缩短到3至5年；测量控制与仪器仪表产业的工业自动化仪表和控制系统、科学仪器、医疗仪器、电测和计量仪器、各类专用仪器仪表、相关传感器和元器件及材料等领域约30%的产品达到国际同期先进水平，国内生产的仪器仪表在大工程中的配套能力达到80%以上。1.3研究框架在深入分析研究我国测量控制与仪器仪表产业现状和国际发展趋势及我国国民经济、人民健康和国防安全对测量控制与仪器仪表需求基础上，对测量控制与仪器仪表中的工业自动化仪表和控制系统、科学仪器、医疗仪器、电测和计量仪器、各类专用仪器仪表、相关传感器和元器件及材料等领域提出未来发展的方向和重点产品，对一些重大科技项目提出建议。2.测量控制与仪器仪表科学技术的范围、国际发展趋势及特点2.1测量控制与仪器仪表科学技术的范围根据国际发展的潮流和我国的现状，目前认识到的测量控制与仪器仪表科学技术的范围主要包括工业自动化仪表、控制系统及相关测控技术科学仪器及相关测控技术医疗仪器及相关测控技术信息技术电测、计量仪器及相关测控技术各类专用仪器仪表及相关测控技术相关传感器、元器件、制造工艺和材料及其基础科学技术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,LaboratoryInformationManagementSystem)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1014；谐波测量到51次；加速度从10-4104g；频率测量至1012HZ；压力测量至108Pa等；温度测量从接近绝对零度至108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0.10.02ms，动态为1us。提高可靠性，一般要求为25万小时，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