环境监测展

2024上海国际环境监测与过程控制展览会

INTENV CHINA 2024

2024年6月3-5日

上海 | 国家会展中心(虹桥)

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仪器仪表展|论我国计量用仪器仪表的发展和现状

仪器仪表展指出,计量是人类认识周围物质世界的工具,是人类现代文明中一项重要的技术基础和管理基础,计量仪器的发展,涉及各行各业,千家万户,深入到人类生活的每一个角落。         

 

     计量仪器仪表原指专门用来测量水、气、电、油的压力、流量、温度的精密设备。包括上千个品种的产品,在上个世纪的后20年里,随着微电子技术和通信技术的日益发展。按照科学划分现代计量包括科学计量、法制计量、工程计量三个方面。科学计量的任务是研制和建立计量基本标准装置,保证量值传递和溯源,为法制计量和工程讲师提供基本保障。法制计量的任务是对关系国计民生的重要计量器具和商品量计量行为由政府计量行政主管部门依法进行监管,确保相关量值准确。工程计量的任务是为全社会的其他测量活动进行量值溯源,提供计量校准,检测服务,在此基础上我们具体分为几何计量、温度计量、力学计量、电磁学计量、光学计量、声学计量、电子学计量、时间频率计量、电离辐射计量、化学计量。我国现有各类计量仪器企业六千多家,已经形成门类品种比较齐全,具有一定技术基础和生产规模的产业体系,成为亚洲除日本以外第二大计量仪器仪表生产国。九五以来,我国计量仪器仪表产业总的形势是向前发展的。产品在微型化、集成化、智能化、总线化等发展方向上紧跟国际发展步伐,涌现出一批技术先进的新型产品,一批具有相当规模的民营企业的崛起,是我国计量仪器产业发展的新生力量。应当清醒地看到,虽然我国计量仪器仪表产业有了一定的发展,但远远不能满足国民经济科学研究,国防建设以及社会生活等各个方面日益增长的迫切需求,我国计量仪器产品,绝大部分属于中低档技术水平,而且可靠性、稳定性等关键性指标尚未全部达到要求,高档,大型仪器设备几乎全部依赖进口,中档产品以及许多关键零部件,国外公司同样占有国内市场60%以上的份额。          
     制约我国计量仪器仪表产业发展的因素。我国计量仪器仪表发展滞后,存在许多问题,面临严峻的形势,其主要因素集中在以下四个方面:               

 

一、科技创新及其产业化进展滞缓。          

 

      现代计量是光、机、电、计算机和许多种基础学科高度综合的产物,对新技术非常敏感,是现代产业产品中更新换代频率新技术应用和发展极迅速的门类之一,每年都有一批新产品推出,特别是当今信息时代,竞争日趋激烈,稍微放慢发展速度,就会被远远抛在后面。在已经跨入21世纪的今天,我国计量仪器仪表的普遍水平还停留在20世纪80年代初国际水平上,大型和高档仪器设备几乎全部依赖进口,许多急需的专用仪器还是空白,中低档产品保证质量上还有许多难关需要攻克。科技创新及其产业化发展滞缓,是制约我国计量仪器仪表产业发展的一个“瓶颈”而制约我国计量仪器仪表产业科技创新和发展滞缓的主要因素有三个:第一是科研经费严重不足;第二是人才匮乏;第三是缺乏官、产、学、研、全、用的有效结合。              

 

二、产品稳定性和可靠性长期得不到根本性解决。          

 

    我国计量产品,包括产业自动化仪表系统,通信仪器等,虽然技术指标同国外同类产品比较差距不算很大,但稳定性和可靠性不高。极大地限制了我国计量产品的使用范围和可信程度,究其原因主要有三个方面:          
    (1)长期忽视了基础技术的研究的开发。          
    (2)国产通用件和基础件质量不过关。          
    (3)企业对产品的质量控制和管理不力,产品质量不过关。               

 

三、旧体制束缚了企业的发展          

 

      旧体制是制约我国经济,特别是国有企业发展一个共性问题。仪器行业也不例外。相当一批国有企业,由于长期在旧体制的束缚下,不能从学生的历史包袱中挣脱出来,在市场竞争中丧失活力,生产和经营严重滑坡,一大批骨干企业,在生死线上苦苦挣扎,所以,加快体制的改革是发展的重要途径之一。          
      

 

四、计量仪器仪表产业的发展受到客观环境的制约其主要表现在:          

 

      (1)赋税过重。计量用产品企业,一般规模不大,生产批量不多,产值和经济效益总量不高,但是现代计量仪器仪表,对国民经济有巨大的拉动作用产生难以估量的倍增效益。对具有如此特殊属性的产业,如同其他产业一样征收17%增值税,33%所得税以及相同比例的关税则赋税过重。          
      (2)各级政府包括产业的主管部门以及银行、税务、工商等部门对发展计量产品产业重要性认识不足,支持不够。          
      (3)缺少支持民族产业发展的采购政策。          
      (4)我国基础产业能力差。包括产品质量,服务能力和信誉能力都较差,直接影响产业的发展。          

 

      振兴我国计量仪器仪表产业的对策与建议。为振兴产业的发展,国家应由国家计委、经贸委、科技部、财政部等有关部门共同协商制定必要的扶植政策,现代计量综合了多种高科技成果。发展现代计量仪器仪表,必须集中优秀人才,投入巨额资金,因此需要一批具备相当经济实力著名品牌的大型公司,作为龙头企业,带动全行业的发展同时尽快对国有企业进行改制,对国有企业发展注入新的活力。因为仪器行业一般规模不大,历史不长,所以“包袱”较轻,而且产品结构容易调整,因此,改制难度相对较小,建议国家对国有企业加快改制步伐,能提出明确要求,对促进计量仪器产业的发展将产生积极的推动作用。  

 

五、目前的发展趋势有以下几点:    

 

(1)以自然基准溯源和传递,同时在不同量程实现国际比对。如果自己没有能力比对就要依靠其它国家。   

 

(2)高精度。目前半导体工艺的典型线宽为0.25μm,并正向0.18μm过渡,2009年的预测线宽是0.07μm。如果定位要求占线宽的1/3,那么就要求10nm量级的精度,而且晶片尺寸还在增大,达到300mm。这就意味着测量定位系统的精度要优于3×10的-8次方,相应的激光稳频精度应该是10的-9次方数量级。   

 

(3)高速度。目前加工机械的速度已经提高到1m/sec以上,上世纪80年代以前开发研制的仪器已不适应市场的需求。例如惠普公司的干涉仪市场大部分被英国Renishaw所占领,其原因是后者的速度达到了1m/sec。   

 

(4)高灵敏,高分辨,小型化。如将光谱仪集成到一块电路板上。 

 

(5)标准化。通讯接口过去常用gpib、rs232,目前有可能成为替代物的高性能标准是usb、ieee1394和vxi。现在,技术领先者设法控制技术标准,参与标准制订是仪器开发的基础研究工作之一。   

 

六、我国仪器科技的发展现状     

 

(1)由于长期习惯于仿制国外产品,我国的仪器仪表工业缺乏创新能力,跟不上科学研究和工程建设的需要。   

 

(2)我国仪器科学与技术研究领域积累了大量科研成果,许多成果处于国际领先水平,有待筛选、提高和转化,但产业化程度很低,没有形成具有国际竞争力的完整产业。  

 

七、未来发展趋势  

 

1.发展方向与学科前沿   

 

(1)配合数控设备的技术创新(如主轴速度,精度创成)   
数控设备的主要误差来源可分为几何误差和热误差。对于重复出现的系统误差,可采用软件修正;对于随机误差较大的情况,要采用实时修正方法。对于热误差,一般要通过温度测量进行修正。我国机床行业市场萎缩同时又大量进口国外设备的原因之一就是因为这方面的技术没有得到推广应用。为此,需要高速多通道激光干涉仪:其测量速度达60m/min以上,采样速度达5000次/sec以上,以适应热误差和几何误差测量的需要。空气折射率实时测量应达到2×10的-7次方水平,其测量结果和长度测量结果可同步输入计算机。     

 

(2)运行和制造过程的监控和在线检测技术   
综合运用图像、频谱、光谱、光纤以及其它光与物质相互作用原理的传感器具有非接触、高灵敏度、高柔性、应用范围广的优点。在这个领域综合创新的天地十分广阔,如振动、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等的测量。     

 

(3)配合信息产业和生产科学的技术创新   
为了在开放环境下求得生存空间,没有自主创新技术是没有出路的。因此应该根据有专利权、有技术含量、有市场等原则选择一些项目予以支持。根据当前发展现状,信息、生命医学、环保、农业等领域需要的产品应给予优先支持。如医学中介入治疗的精密仪器设备、电子工业中的超分辨率光刻和清洁方法、机理研究等。   

 

2.优先领域   
在基础研究的初期,对于能否有突破性进展是很难预测的。但是,当已经取得突破性进展时,则需要有一个转化机制以进入市场。   

 

(1)纳米溯源技术和系统。   

 

(2)介入安装和制造的坐标跟踪测量系统。   

 

关键理论和技术:超半球反射器(n=2或在机构上创新),快速、多路干涉仪(频差3~5兆),二维精密跟踪测角系统(0.2″~0.5″),通用信号处理系统(工作频率5兆),无导轨半导体激光测量系统(分辨率1μm),热变形仿真,力变形仿真。   
这些内容不局限于一种技术方案,而是几种不同技术方案中概括出来的共同点。如采用无导轨干涉仪,对跟踪系统的要求可以降低;采用二维精密跟踪测角系统在1m3测量范围内可以得到高精度;有了超半球反射镜可以提高4路跟踪方案的精度。在现场进行介入制造和装配不能等待很长时间,力和热变形的补偿是必须的而且需要足够快,现在的技术还有相当大的差距,所以这些进展是关键性的。  
应用范围:新型并行机构机床的鉴定,飞机装配型架的鉴定,大型设备安装,用于生物芯片精密机器人校准等。   

 

(3)非接触测头以及各种扫描探针显微镜  
航空航天行业对此已经提出迫切要求,这是今后坐标测量机发展的关键技术。目前接触式测头已完全被国外所垄断,非接触测头还没有发展成熟,我们有参与竞争的机遇。以前较多采用的激光三角法原理受到很多限制,难以有突破性进展,但可在原理创新上下功夫。应该突破0.1~0.5μm分辨率。   

 

(4)计算机辅助测量理论   
信号处理系统的标准化、模块化、兼容和集成。例如,目前多数采用isa总线、ieee488口,今后计算机可能取消isa总线,用于笔记本电脑的usb接口将广泛应用。过去,我国生产的仪器满足于数字显示,没有数据交换接口,难以进入国际市场。国外生产的仪器普遍配备ieee488(gpib)口。目前有可能成为替代物的高性能标准是usb、ieee1394和vxi。在此转折期为我们提供了机遇。目前虚拟仪器的工作频段在千赫数量级,对于干涉信号处理显得太低,可以采取联合互补的方法形成模块系列,同时降低成本,从总体上提高研发工作的效率。根据已有基础,发展特长,有利于克服重复研究。   

 

(5)新器件,新材料   
过去,科研评价体系存在偏重于整机和系统,忽视材料和器件的趋向。新的突破点可能出现在新光源、新型高频探测器。目前探测器的响应频率只有10的9次方,而光频高达10的14次方,目前干涉仪实际上是起着混频器的作用,适应探测器的不足(如果探测器的响应果真能超过光频,干涉仪也就没有用了)。如果探测器的性能得到显著提高,对于通讯也是很大的突破。     

 

(6)半导体激光器计量特性的研究和创新   
半导体激光器用于计量需要解决很多问题(如线宽、定标、变频等)。仪器仪表展说明,但如果解决了诸多问题以后,半导体激光系统比气体激光系统更复杂,就不会有竞争力。有些问题在物理层面上也没有完全解决。例如半导体激光器如果能形成双频,无疑是一种十分重要的特性,如果既能扫频又有两个相近的频率扫描,就会成为一种新的无导轨测量工具。

 

(文章来源:计量小知识)

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