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| 理解儀器儀表就是理解信息時代 |
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| 時間：2010-1-9 |
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人們在研究科學(xué)史的時候，把十七世紀(jì)看作近代自然科學(xué)誕生的分水嶺。因?yàn)樵诖艘郧埃匀豢茖W(xué)沒有建立自己的傳統(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)的兩個基本要素：用科學(xué)儀器進(jìn)行測量和用數(shù)字記錄（表達(dá)）測量的結(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)人類活動的領(lǐng)域越過感覺器官極限的時候，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，獲得了一個又一個重大的發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了電氣時代的來臨。在廿世紀(jì)，由于威爾遜云室和眾多核物理探測儀器的發(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量開始的。在那個時代，杰出的科學(xué)家們許多都是科學(xué)儀器的發(fā)明家，新的測量方法的創(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程中創(chuàng)造的新的測量技術(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，它具有近代科學(xué)的一切要素和基本特征。儀器儀表和測量技術(shù)在這種活動中具有決定性的意義，它們是進(jìn)行生產(chǎn)活動的依據(jù)�，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動的規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室的探索活動，需要關(guān)注的各種運(yùn)動變化比實(shí)驗(yàn)室要復(fù)雜得多，它是一種多參數(shù)的系統(tǒng)，人們只能夠通過儀器儀表來了解和控制它們。
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)。它支撐著社會的技術(shù)進(jìn)步，為眾多領(lǐng)域的科學(xué)探索活動提供實(shí)驗(yàn)和觀測手段，為人類有序的生產(chǎn)活動與正常的社會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。隨著人類活動領(lǐng)域的迅速擴(kuò)大，傳統(tǒng)儀器儀表無法應(yīng)付的測量對象急劇增加。隨著自然科學(xué)領(lǐng)域探索活動的深入，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)越來越不能適應(yīng)要求。迫切需要探索新的測量原理和方法，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。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)和國防工程的核心部件，已經(jīng)同各種各樣的工作對象融為一體，儀器儀表和它們的測量對象在空間上已經(jīng)不能分離，必需服從苛刻的現(xiàn)場應(yīng)用條件，經(jīng)強(qiáng)烈的震動沖擊，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、軍事技術(shù)、社會服務(wù)與科學(xué)研究的同時，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。它給人們帶來的影響將不亞于個人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，這必將帶來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，從來沒有面臨這樣緊迫的形勢，也從來沒有出現(xiàn)過如上激動人心的機(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。人們對通信系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的關(guān)注遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了對儀器儀表的關(guān)注。在信息時代的早期，信息科學(xué)涉及的內(nèi)容主要是人類自身社會活動的信息，大多是文字、語言、聲音和圖像信息，只要能夠把它們變成相應(yīng)的光信號或電信號，就可以進(jìn)行傳輸和處理。人們關(guān)心的主要問題是通信和計(jì)算機(jī)，因?yàn)榘讶祟惢顒拥穆曇魣D像信息變成電信號或光信號的技術(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、戰(zhàn)爭技術(shù)手段、人類健康、安全和環(huán)境的時候，如何獲得自然界本身的信息，就是解決問題的首要前提，“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。這種不均衡的狀況，是信息社會早期發(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，目前許多國家已經(jīng)開始重新審視儀器儀表在信息時代的價(jià)值和地位。
在思考我國儀器儀表科學(xué)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的時候，我想應(yīng)該關(guān)注這樣幾個問題。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。同時加速傳感器研究成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，確立我國在國際競爭中的技術(shù)優(yōu)勢。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。鼓勵在儀器儀表科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)明與創(chuàng)新，鼓勵提出新的觀念，鼓勵多學(xué)科的交叉與融合，特別要鼓勵支持象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)，跟蹤國外學(xué)科前沿的活動，了解全球范圍儀器儀表產(chǎn)業(yè)的變化和動向?yàn)橹袊鴥x器儀表走向世界提供清晰的背景資料，使我國在儀器儀表科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的探索活動收到事半功倍的效果。
儀器儀表科學(xué)技術(shù)對社會的影響，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儀器儀表科學(xué)技術(shù)理解的深度。儀器儀表有這樣一個特點(diǎn)。它常常悄無聲息地影響甚至決定著人類在許多領(lǐng)域的活動結(jié)果，而在這種活動的過程中，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，令人驚心動魄，一瞬間就能感覺到它們巨大的力量。儀器儀表是藏在人類活動大舞臺幕后深處的無名英雄，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，就是理解信息時代。
儀器儀表是用以檢出、測量、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、測長儀、顯微鏡、乘法器等均屬于儀器儀表。廣義來說，儀器儀表也可具有自動控制、報(bào)警、信號傳遞和數(shù)據(jù)處理等功能，例如用于工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制中的氣動調(diào)節(jié)儀表，和電動調(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。人們用感覺器官去視、聽、嘗、摸外部事物，而顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、聲級計(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)等可感受和測量到人的感覺器官所不能感受到的物理量；還有些儀器儀表可以超過人的能力去記錄、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，中國在戰(zhàn)國時期已有了利用天然磁鐵制成的指南儀器，稱為司南。古代的儀器在很長的歷史時期中多屬用以定向、計(jì)時或供度量衡用的簡單儀器。
17～18世紀(jì)，歐洲的一些物理學(xué)家開始利用電流與磁場作用力的原理制成簡單的檢流計(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。現(xiàn)代儀器儀表已成為測量、控制和實(shí)現(xiàn)自動化必不可少的技術(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分，主要有量具量儀、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、無線電測試儀器、載波微波測試儀器、地質(zhì)勘探測試儀器、建材測試儀器、地震測試儀器、大地測繪儀器、水文儀器、計(jì)時儀器、農(nóng)業(yè)測試儀器、商業(yè)測試儀器、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、檢測控制對象、結(jié)構(gòu)、原理等還可再分為若干的小類或子類。如工業(yè)自動化儀表按功能可分為檢測儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表和執(zhí)行器等；其中檢測儀表按被測物理量又分為溫度測量儀表、壓力測量儀表、流量測量儀表、物位測量儀表和機(jī)械量測量儀表等：溫度測量儀表按測量方式又分為接觸式測溫儀表和非接觸式測溫儀表；接觸式測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統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，儀器儀表的命名也存在類似情況。
衡量儀器儀表性能的主要技術(shù)指標(biāo)有精確度、靈敏度、響應(yīng)時間等。精確度表示儀表測量結(jié)果與被測量真值的一致程度。儀器儀表的精確度常用精確度等級來表示，如0．1級、0．2級、0．5級、1．0級、1．5級等，0．1級表示儀表總的誤差不超過±0．1％范圍。精確度等級數(shù)小，說明儀表的系統(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)被測的量有一個很小的增量時與此增量引起儀表示值增量之比，它反映儀表能夠測量的最小被測量：響應(yīng)時間是指儀表輸入一個階躍量時，其輸出由初始值第一次到達(dá)最終穩(wěn)定值的時間間隔，一般規(guī)定以到達(dá)穩(wěn)定值的95％時的時間為準(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)、精密測試系統(tǒng)、生產(chǎn)過程自動檢測控制系統(tǒng)，以及各種管理自動化系統(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。
另一重要的趨勢是，通過微型計(jì)算機(jī)的使用來提高儀器儀表的性能，提高儀器儀表本身自動化、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，組成各種測試控制管理綜合系統(tǒng)，滿足更高的要求。 |
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