0 引言
今年是中國儀器儀表學會成立30周年。30年來，中國儀器儀表學會的發展，同我國儀器儀表與測量控制的發展息息相關。在慶祝中國儀器儀表學會成立30周年之際，讓我們一起回顧和展望我國儀器儀表與測量控制科技的發展。
1 儀器儀表與測量控制的重要地位和作用
眾所周知，當今世界已經進入信息時代，信息技術成為推動科學技術高速發展的關鍵技術。著名科學家錢學森明確指出，“信息技術包括測量技術、計算機技術和通信技術。測量技術是基礎。”王大珩院士也一再強調，“測量技術是信息技術的源頭。”信息技術的快速發展，產生了新興的龐大的信息產業，信息產業已經成為帶動世界經濟發展的龍頭產業。美國商業部1999年度報告中關于新興數字經濟部分曾提出，信息產業包括計算機軟硬件行業、通信設備制造及服務行業、儀器儀表行業。這就是說，測量技術是信息技術的基礎和源頭，儀器儀表行業是信息產業的重要組成部分。不言而喻，儀器儀表與測量控制在當今信息時代推動科學技術和國民經濟的發展具有何等重要的地位。
那么，儀器儀表與測量控制對推動科技、經濟和社會的發展重要作用究竟是什么。2000年，中國儀器儀表學會接受國家計委、國家經貿委和科技部的委托，組織了一個由王大琦、楊嘉揮、金國藩3位院士組成的專家調研組，對全國儀器儀表行業開展了為期3個月的調查研究。調研結束后，調研組向兩委一部提出了一份“關于振興我國儀器儀表產業對策與建議”的研究報告。報告對儀器儀表在當今社會的重要作用提出了明確而形象的說明，即儀器儀表是工業生產的“倍增器”、科學研究的“先行官”、軍事上的“戰斗力”和現代社會活動的“物化法官”。令人鼓舞的是，儀器儀表與測量控制“倍增器”、“先行官”、“戰斗力”和“物化法官”的重要作用已經為社會各界，包括政府部門所共識，成為加快發展儀器儀表科技和產業的科學依據，并在文件、報告和講話中被廣為引用。
由于儀器儀表與測量控制的重要地位和作用受到了社會的高度重視，近年來國家采取了一系列重大措施加快發展。如2001年3月召開的七屆四次全國人大會議的“國家經濟與社會發展第十個五年計劃綱要”中明確提出“把發展儀器儀表放到重要位置”，這是建國以來第一次將儀器儀表放到重要位置。緊接著，國家計委、經貿委、科技部等部委都羅列了若干專項，動用了大筆資金支持儀器儀表的發展。 2005 年，國家發改委正式下達了“加快振興裝備制造業的若干意見”，提出在各個行業中選出16項重點發展領域立專項支持發展，其中第11項就是重大工程自動化控制系統和精密測試儀器。2006年制定“國家中長期科學與技術發展規劃綱要”，涉及到了多項儀器儀表與測量控制發展項目。2008年4月，科技部、發改委、教育部和中國科協聯合發出了“關于加強創新方法工作的若干意見”，正式啟動全國范圍內的創新方法工作。這份文件明確提出，創新方法包括創新思維、創新方法和創新工具三個要素。創新工具主要指推動科技創新的科學儀器。科學儀器的重要作用被進一步提升，開發研究得到更有力的支持。此外，在“ 863 ”計劃項目中，特別是航天計劃等國家科技發展計劃中，支持儀器儀表與測量控制的支持發展也被放到了重要位置。就是在這樣有利的形勢下，近年來我國儀器儀表與測量控制得到了迅速的發展。
2 我國儀器儀表與測量控制的基本概況
2.1 基本概況
儀器儀表與測量控制的基本概況應當包括學科和產業2個方面。過去一直在爭議，儀器儀表究竟是不是一門獨立的學科。今天，我們可以毫不猶豫地回答，儀器儀表與測量控制已經發展形成為一門獨立完整的學科。之所以得出這樣的定論，我們有 4 條充分的理由。
① 儀器儀表與測量控制學科具備了自己特有的一整套基礎理論和技術，其中主要包括傳感器、檢測計量、信號處理、誤差分析、自動控制等。在這些基礎理論和技術的研究開發中，擁有一批杰出的科學家和優秀的中青年科技創新人才，他們的研究開發成果對促進學科發展作出了重要的貢獻。
② 縱觀科學技術發展史，當一門新興學科形成和不斷發展時，教育體系，特別是高等教育就會應運而生，出現新的學科教育，培養新的學科人才。我國教育部多年來已經圍繞著儀器儀表與測量控制學科設立了一級學科教育體系，現在定名為“儀器科學與技術”學科，全國近250所高校設置了相應的專業，3萬多名本科生和1 萬多名研究生在校學習。我國高校為“儀器科學與技術”學科制定了專業培養目標和規范，已經為儀器儀表與測量控制領域培養了幾十萬學科技術人才。
③ 儀器儀表與測量控制學科是一門工程應用學科，與之相適應產業的形成和發展是學科發展的物質基礎和技術支撐。我國儀器儀表產業已經具備相當規模，儀器儀表與測量控制學科有著強大的生命力和發展空間。
④ 儀器儀表與測量控制學科有一個全國性的國家一級學術團體 ― 中國儀器儀表學會。學會近年來開展學科進展研究，不僅加強了學科的基礎建設，而且豐富了學科活動的內容、擴展了學科發展的空間。
我國儀器儀表與測量控制產業的基本概況如下。2007年我國儀器儀表產業規模以上企業為3954家，實現總產值3078億元，銷售收入達到3005億元，雙雙突破3000億元。同比2004年1000億元，2006年2000億元，4年間年增長率超過30％。3000億元的銷售額中，出口商品達到88億美元，同比上一年度增長了36％。目前，我國儀器儀表與測量控制產業已經形成門類品種比較齊全、布局比較合理、具有相當技術基礎和生產規模的產業體系，在亞洲，我國是除日本以外第二大儀器儀表生產國，是發展中國家綜合實力最強的儀器儀表生產國之一。從產品的技術水平分析，目前絕大多數國產儀器儀表還處于發達國家20世紀90年代中后期水平。中低檔產品品種基本齊全，能夠規模生產，質量基本穩定，可以滿足國內市場要求，且有批量出口，如電工儀器儀表在國內市場占有率達到95%，并有13％產品出口。深圳市每年生產數字萬用表700萬臺，銷售世界90多個國家。國產儀器儀表中，也有少數中高檔產品接近國際技術水平。在國家重點科技攻關項目中，特別是必須自主創新發展的航天航空領域和國防安全領域，部分儀器儀表技術取得了新的突破。我國嫦娥一號衛星攜帶的8種探測儀器都是我國科技人員自主研制設計的，不僅在技術上總體達到了國際先進水平，而且有自己的特點和創新。在工程應用技術方面，已經能夠承擔一部分國家重大工程的儀器儀表系統成套。
2.2 應用領域
按照應用領域的不同，我們習慣把儀器儀表和測量控制劃分為6個大類，即工業自動化儀表與控制系統、科學儀器、醫療儀器、電子與電工測量儀器、各類專用儀器、傳感器和儀器儀表元器件及功能材料。這是一個大致的分類，其間存在著許多交叉和滲透。
工業自動化儀表與控制系統，主要應用在工業生產流程中的檢測和控制；科學儀器應用面極廣，包括科學研究、教學實驗、物質分析、安全監測等領域；醫療儀器應用于生命科學研究和臨床診斷治療；電子與電工測量儀器用于對各種電子和電工參數進行測量；各類專用儀器應用于如農業、環保、氣象、水文、地質、海洋等領域，這類儀器除了應用領域的特殊要求具備某些特殊性外，它們的基本原理和應用方法與科學儀器等其他類儀器并無本質的區別；傳感器、元器件和功能材料主要用于獲取信號、儀器制作和使用材料上。傳感器已經成為影響儀器儀表與測量控制發展和應用的關鍵所在。各類儀器的基礎理論和技術，構成了儀器儀表與測量控制學科體系的基本內容，它們的產業成為儀器儀表與測量控制產業體系的重要組成，而它們的發展決定著儀器儀表與測量控制的未來。
當分析我國儀器儀表與測量控制現狀時，不能不清醒地認識到它同國際先進水平相比，同我國經濟和社會發展的實際需要相比，還存在著很大的差距。差距是全方位的，最主要的有3點。
① 我國儀器儀表規模小、產值低，儀器儀表企業同樣是規模小、產值低。2007 年我國儀器儀表產業總產值3000億元人民幣，只占工業總產值的2.5％。10年前，美國儀器儀表產業總產值已達到 4 000 億美元，占工業總產值的4％。目前，美國儀器儀表企業年產值超過20億美元的不少于50家，而我國最大的兩個儀器儀表企業，京儀集團年產值80億元人民幣、川儀集團年產值60億元人民幣。產業和企業的規模與產值直接影響到產業的活力與發展。要縮小和消除這個差距，需要我們努力奮斗 10－20年。
② 我國儀器儀表產品在質量和品種上還存在不少問題。長期以來，產品的可靠性和穩定性沒有得到根本解決，嚴重影響市場銷售和正常使用。國內對許多大型精密儀器需求幾乎全部依賴進口。2007年，我國儀器儀表產品出口88億美元，進口172 億美元，逆差84億美元，成為裝備制造業之最。這個問題不解決，我國儀器儀表與測量控制學科和產業的發展將無法擺脫落后被動的局面。
③ 我國儀器儀表產業創新能力不強，還無法承擔科技創新主體的責任。國際上儀器儀表科技創新發展極快，產品更新換代的周期大約只需2~4年，多數企業一半以上的銷售額幾乎都來自5年內上市的新產品。而我國儀器儀表產品不少還沿自于20世紀80年代技術引進的產物，相當多企業產品是10年一貫制，自主創新能力不強的主要原因是資金和人才。國外企業用于科技創新資金投人一般為銷售收入8%-10%，而我國企業投入資金很少超過3％~5%，極大地限制了科技創新的有效開展。有的領導不重視自主創新，國內創新人才匾乏。黨的十七大提出，提高自主創新能力，建設創新型國家是國家發展戰略的核心，是提高綜合國力的關鍵。企業提升科技創新能力，已經成為刻不容緩的歷史使命。
3 儀器儀表與測量控制發展的趨勢和特點
當今儀器儀表與測量控制發展的趨勢是：產品穩定性、可靠性和適應性要求不斷提高；技術指標和功能不斷提高；最先采用新的科學研究成果；高新技術大量采用；儀器及測控單元微小型化、智能化日趨明顯；要求儀器及測控單元可獨立使用、嵌人式使用和聯網使用；儀器測控范圍向立體化、全球化擴展；測控功能向系統化、網絡化發展；便攜式、手持式乃至個性化儀器大量發展。
儀器儀表與測量控制發展的技術特點是：綜合各種新技術，在研究儀器儀表相關類型傳感器、元器件和材料及技術的基礎上，創新開發新的微弱信號敏感、傳感、檢測、融合技術，物質原子、分子級檢測技術，復雜組成樣品的聯用分析技術，生命科學的原位、在位、實時、在線、高靈敏度、高通量、高選擇性檢測技術，創建各類新型檢測儀器儀表；結合系統論、控制論的發展，在開發工業自動化測控的在線分析和控制、原位分析及控制、高可靠性、高性能和高適應性等技術的基礎上，創新發展工業自動化儀表與控制系統；結合生命科學、人體科學的發展，在開發醫療診治的健康狀況監測、早期診治、無損診斷、無創和低創直視診療、精確定位治療技術的基礎上發展醫療儀器；同時跟蹤新學科領域和各類應用領域的發展，開發各種專用、快捷、自動化檢測和計量技術及專用儀器儀表。
工業自動化儀表與控制系統和科學儀器，在產值和市場 2 個方面都占據著儀器儀表與測量控制總體的一半，是儀器儀表與測量控制體系的 2 大支柱。
3.1 工業自動化儀表與控制系統的未來發展
① 自動化儀表與企業信息化
自動化儀表技術包括信息采集、處理和應用。“企業信息化”實際上是企業信息的集成和整合。為此，必須用自動化和系統的信息模型“簡化”、“規則”和“抽象”信息，以便最有效地利用信息。這是自動化儀表領域的一項基礎工作，也是統一信息表達的重要手段。
② 全局信息和全生命周期信息的整合
這是實現自動化儀表系統的全面可互操作。可互操作是分層次的，其實現需要一個漫長的過程。近年來，IEC62424標準的出版、InToolS工具軟件功能的擴充以及控制系統與現場儀表層各項可互操作標準的推出是發展中一個重要標志點。
③ 功能安全近年來，功能安全的重要發展體現在大量經過功能安全認證的儀表推向市場。為了爭取競爭中的有利地位，幾乎所有儀表制造商都會開展功能安全的研究。
④ 系統維護與儀表診斷
系統維護與儀表診斷越來越受到用戶、制造商和研究者各方的關注。它分為生產流程、生產裝備、自動化控制系統和現場儀表的診斷4個層次。生產流程的診斷原則上不屬于自動化儀表范疇，但是診斷信息的交換涉及自動化儀表系統。針對生產裝備的監控，診斷儀表系統已經推出了新產品。自動控制系統的診斷通常是控制系統中設備管理軟件的一個模塊或一種功能，負責控制系統自身以及現場儀表的實時診斷和預測性維護。現場儀表的診斷難度較大，維護周期由智能儀表的損耗情況或固定時間確定。
⑤ 無線通信
工業無線通信技術的快速發展是自動化儀表領域顯著的亮點，它的特征是：技術方案多樣化，參與者迅速增加，成立了專業組織。推出多種無線演示系統、測量儀表樣機將成為全球主要自動化儀表展覽的熱點。
⑥ 控制網絡
未來幾年網絡控測和網絡儀表是自動化儀表發展的重點，大幅提高速度、簡化安裝和調試的復雜性、擴展無線功能以及發展網絡技術是發展方向。
⑦ 標準化
標準化在自動化儀表發展歷史上發揮過重要作用，在未來的進程中還會對我國儀表產品追趕世界水平發揮重大作用。在新經濟時代，自動化儀表有大量信息接口標準的需求，其共同特點就是在相同的技術水平上可以有很多種標準化方案。
3.2 科學儀器未來發展
① 分析儀器
光學捕獲（optical trapping）是一種新型的光學微操作技術。用高數值孔徑的物鏡將一束光聚焦成微米級的光斑，形成梯度，實現對微小粒子的捕獲和移動。這項技術被廣泛應用于各種微觀領域的研究。
微型色譜儀將會得到很快的發展。C2V公司已經推出了目前世界上最小最快的手持式氣相色譜儀，主機大小僅124mm×84mm×60mm，所含柱模塊大小為60mm×100mm ×12.5mm，可在10－30s內完成天然氣主要成分的全分析。
NMR的微型化近年來已經取得重大進展，瑞士Neuchatel大學成功開發了一種高質量因子可供微流控芯片NMR全分析系統使用的射頻平面微線圈，所需樣品量僅為1~100nL，并可在幾秒內獲得所需的信噪比。NMR微型化應當是值得關注的發展方向。
光頻光梳光譜法（optical frequency Comb Spectroscopy）是最新發展起來的另一種重要的儀器技術，采用這種技術可以在極短的時間內以很高的靈敏度檢測許多不同的氣體，將在臨床診斷領域發揮重要作用。
② 精密檢測儀器
當今時代已經進入分子、原子分析檢測新階段，微納科技的發展直接推動了精密檢測儀器的快速發展。值得特別關注是微電機系統／納機電系統（MEMS/NEMS）測試儀器，以掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡為代表的掃描探針顯微鏡，以及基于 STM/AFM的基本原理新發展起來的一系列SPM，如磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡等儀器的新發展。
③ 光子成像儀器
一個以光子學與生命科學相互融合的新學科——生物醫學光子學，它隨著激光、電子、光譜、顯微及光纖等技術的發展而迅速成長起來，應運而生出現了不少新型科學儀器。應用這些儀器不但豐富了人們對于光與生物組織體相互作用機理的認識，而且促進了各種新的生物研究儀器和醫學診斷儀器的發明。光子成像技術主要包括漫射光層析成像、熒光成像、相干層析成像、光聲成像等。光學相干層像（OCT）結合了共焦顯微術和低相干光的外差探測技術，它是一種在一維光學低相干反射測量技術的基礎上擴展而來的二維或三維成像技術。
④ 光譜分析儀器
過去，光譜分析儀器主要應用在基礎學科研究和礦物分析、產品質量監控等領域。今天，由于人類生存和發展的一些迫切需求，同時，計算機軟硬件、微電子、計算數學、微型器件發展提供的新技術成果，使得光譜技術和儀器向生物、環境、醫療等領域快速拓展，無論理論研究、技術開發和儀器創新都有了明顯的發展，今后還將更快發展。
4 近年來的重大進展
在國家的重視和扶持下，在儀器儀表界廣大科技工作者的努力下，近年來，我國儀器儀表與測量控制依然取得了可喜的成績、獲得了很大的發展。
4.1 工業自動化儀表與控制系統
工業自動化儀表方面成績顯著，溫度儀表紅外熱像儀的應用迅速擴大；流量儀表內錐流量計創新成果顯著，我國已經擁有各種與V錐相關或相近的流量計產品專利超過20項，其中至少6個項目是發明專利，成為V錐流量計專利高產國；國產低端壓力變送器和帶HART功能的壓力變送器發展很快，品種多、規格全、價格低，在市場上已經很具競爭力；控制閥產品“跑冒滴漏”現象得到很大改進，不少產品質量達到國外主流產品水平。
在控制系統方面，進展同樣令人鼓舞。國產DCS系統已經進入大型超臨界火電機組控制系統。2007年，上海自動化儀表股份有限公司的DCS系統在襄樊電廠首臺600 MW超臨界機組上投運并成功移交生產；國電智深公司于2007年11月成功簽定江蘇諫壁1000MW超臨界機組自動化控制系統項目，并于2008年3季度成功中標兩項大型超臨界火電機組自動化控制系統項目；和利時公司和浙江中控公司的DCS系統，在大型交通和石化工程項目上都得到了成功應用。同時，國產DCS系統已經應用于核電工程上的核島控制系統。浙江中控軟件技術有限公司按照ISA－95中定義的MES系統模型，開發了ESP－supplant Production Suite軟件，它涵蓋了ISA－95大部分功能，取得了良好的應用業績。該公司已經成為ISA－95的正式會員，直接參與MES標準的制定。和利時公司2007年被ARC和控制雜志評為全球50強過程自動化公司，浙江中控公司在評選過程中也被提名。這標志著我國自動化控制系統的企業已經進人可參與國際競爭的新境地。
4.2 科學儀器
科學儀器是知識創新和技術創新的重要工具，也是儀器儀表科技創新研究主題的內容之一，是創新成就的重要體現。
近年來，在國家的大力支持下，科學儀器獲得了很快發展，以質譜儀為代表的高端科學儀器取得了重大進展，出現了可以與國外產品競爭的國產色一質聯用儀器。特別是，我國“嫦娥”環月空間衛星上天，就攜帶了我國自主研發的多光譜遙測、信號傳送儀器。四川漢川大地震，全國各地很快送去了大量環境、水文測量便攜式分析儀器，表明了我國科學儀器產業的實力。
必須著重強調的是，嫦娥一號衛星攜帶的8種探測儀器均是我國科技人員自主設計研制的。它們是用于月球表面三維影像探測的CCD相機和激光高度計；用于月表化學元素與物質成分及豐度探測的干涉成像光譜儀、下射線譜儀、X射線譜儀；用于月壤厚度探測的微波探測儀；用于地月空間環境探測的太陽高能粒子探測器和2臺低能粒子探測器等。這些儀器不僅總體上達到了國際同類儀器的技術水平，而且在不少方面還有我國自己的特點和創新。這8種探測儀器的特點和創新包括：實現首次對月球表面進行全月面三維立體照相，這對月球表面形貌、地質構造、撞擊坑等研究具有重要意義；所使用的下射線譜儀探測的分辨率和靈敏度，比國際上以往月球探測中使用的同類儀器要高，所以有可能探測到更多元素等等。這一項進展被專家們認為是近兩年來我國儀器儀表最重大的進展。
此外，近年來在科學儀器領域，我國還取得了多項很有價值的進展。比如，自主研制出領先國際的分子束科學儀器 ― 氫原子里德伯態飛渡時間譜交叉分子束裝置、國際第一臺真空紫外激光角分辨光電子能譜儀、離子遷移譜探測技術痕量爆炸物快速檢測儀、新型生命探測儀器“SJ－30搜救雷達”、便攜式高分辨淺水多波束測深儀；同時，光學捕獲理論研究、光學相干層析成像技術及相關儀器開發等也取得多方面進展。
4.3 醫療儀器
國家“十一五”規劃和建設創新型國家都把醫療儀器產業列為重點發展產業，國家在研發、技術平臺建設、研究中心、重點實驗室、產業基地各方面都加大了支持的力度，近年來醫療儀器也取得了長足的進展。
在醫學影像儀器方面，X射線機、計算機斷層掃描機（CT）、超聲掃描成像儀以及影像后處理與分析系統，無論技術水平和產品質量都有顯著提高。在醫用電子技術和儀器方面，值得提出的是清華大學研制出可作為個人電腦外設的腦控鍵盤和鼠標，還研制完成基于嵌入系統的腦控家居環境控制器，用于幫助喪失運動能力長期臥床的殘疾人，2007年世界技術評估中心對這一成果給予了高度的評價。
在眼科儀器方面，中科院成都光電技術研究所創新地把技術優勢應用于眼科領域，研制出了人眼波前像差檢查和矯正系統，同時利用人眼的自適應光學矯正技術拍攝出分辨率很高的視網膜細胞照片，在國際上引起了高度關注。他們研發出的超高分辨率眼底照像儀器和人眼自適應光學矯正儀器在國際上居先進水平。
醫用激光儀器方面，復旦大學和長春應用化學研究所經過4年的共同努力，利用毛細血管電泳電化學發光檢測、表面等離子體共振（SPR）及激光誘導熒光和其他光譜技術，并和蛋白質芯片或基因芯片傳感器等技術相結合，創新研制出某些腫瘤標志物的快速檢測儀及配套的腫瘤標志物分析參數數據庫，對惡性腫瘤的預警和早期診斷具有很高的臨床應用價值。生物芯片技術在疾病分子診斷、癒后評價與預測、個體化醫療和保健、新藥研究和開發、優生優育、公共衛生及傳染病監控等許多領域具有廣泛的應用價值。生物芯片(北京)國家工程研究中心暨博奧生物有限公司已經形成了生物芯片制備、微陣列制備、雜交、清洗甩干、掃描、試劑耗材、配套儀器控制軟件、數據分析軟件和數據庫平臺資源的全線配套和系列化，不僅打破了長期約束我國微陣列芯片和相關科研工作發展的國外壟斷局面，而且形成了具有產業規模和國際競爭力的生物芯片技術平臺產品。其技術完善和質量穩定的雙激光共聚焦掃描儀近年來出口量年均復合增長率超過100%，在國際市場特別是歐美發達國家占據了一席之地，贏得了良好的聲譽。
4.4 電子與電工測量儀器
電子與電工測量儀器取得了突出的進展。如：微波毫米波矢量網絡分析儀器已跨入世界先進行列，電能表綜合技術達到國際先進水平。矢量網絡分析儀是現代電子裝備必備的關鍵測試設備。我國在前幾年研制成功矢量網絡分析儀基礎上，將其應用領域從線性網絡向非線性、大功率網絡的測試和分析發展，掌握了多種以矢量網絡分析儀為核心的自動測試技術和自動測試系統構成及應用，我國矢量網絡分析儀的設計、制造和應用水平已跨人了國際先進行列。我國是電能表生產大國，近年來非常注意在準確度、可靠性、功能、能耗、產品兼容性、環境適應性及可維護性等方面提高技術水平，在國際市場上占有重要地位。
5 結束語
我國儀器儀表與測量控制正處在高速發展的時期，我們每一位科技工作者、企業家肩負著時代的期望和歷史的重任，讓我們團結一致，努力奮斗，為促進我國儀器儀表與測量控制更快更大的發展，徹底擺脫被動落后的局面作出應有的貢獻。
參考文獻
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