第1章 绪论

1.1 概述

1.1.1 仪器的基本概念

仪器是人们认识世界、改造世界的手段和工具，是用来对客观物质实体及其本质属性进行观察、监视、测量、记录、传输、转换、显示、分析、处理，以及控制的各种器具、设备与系统的总称，是信息技术的源头。从功能上说，仪器包括了测控仪器、计算仪器、分析仪器、显示仪器等。

目前，仪器广泛应用于石油、化工、冶金、电子、电力、机械、轻纺、航空、航天、航海、兵器，以及天文、气象、地质勘探、医疗等领域，遍及国民经济和生产、生活各领域。在自动化生产程度较高的工业企业中，仪器已成为检测、计量、记录、计算和控制生产过程中不可缺少的基本设备，如机械制造和仪器制造工业中产品的静、动态性能测试；加工过程的控制与监测，故障的诊断等。在电力、化工、石油工业中，为保证生产过程能正常、高效运行，要对工艺参数，如压力、流量、温度、尺寸等进行检测和控制；在航空、航天产品中对质量要求更为严格，如对发动机进行转速、转矩、振动、噪声、动力特性等进行测量；在农业、医疗卫生、金融、环境保护等各个领域，仪器也得到日益广泛的应用与发展。

仪器的功能在于借助物理、化学或生物等方法，获取被检测对象的状态或者状态的变化信息，并通过信息的变换及其相关处理，使其成为人们易于理解，能够识别和便于表达的量化形式，进而可以显示、观测、存档或直接进入自动控制系统，实现系统的决策控制。可见，仪器能延伸、扩展、补充或代替人的感觉器官，以及相关的决策功能，其主要研究内容包括了信息的获取、处理及信息的利用等方面。

仪器新产品不断产生，其种类十分繁多。因此，要对仪器进行细致的分类是相当复杂的，目前尚无统一的分类方法。从仪器在系统中所起的作用角度可将仪器分为测量仪器、计算仪器和控制仪器。

1.测量仪器

将被测量取出并与测量标准进行比较，准确地表示被测量的真实数值，这就测量仪器的作用，它的主要测量对象是各种物理量。

测量仪器可分为以下8种。

1）几何量测量仪器

这类仪器包括各种尺寸检测仪器，如长度、角度、形貌、相互位置、位移、距离测量仪器等，如各种尺寸的量具、工具显微镜、测量仪，以及表面粗糙度和工件几何形状测量仪器、光电光波比较仪等。图1-1所示为数字式万能工具显微镜。

2）热工量测量仪器

这类仪器包括温度、湿度、压力、流量的测量仪器，如各种温度计、气压计、真空计、多波长测温仪器及水、气、油的流量计等。图1-2所示为红外测温仪，它是利用红外线传输数字的原理来感应物体表面温度的，操作比较方便，特别是对高温物体的测量；应用广泛，如对铸造、炉温、机器零件、玻璃及室温、体温等各种物体表面温度的测量。

3）机械量测量仪器

机械量测量仪器是指各种测力仪、硬度仪、压力计、加速度与速度测量仪、力矩测量仪、振动测量仪及材料试验机等。图1-3所示为维氏显微硬度计，该硬度仪可以完成经过或未经热处理的有色金属或黑色金属以及陶瓷材料的硬度测试，测试过程全部实现自动化。图1-4所示为电子拉力试验机，可对物体进行拉力测试。

4）时间频率测量仪器

时间频率测量仪器是指各种计时仪器与钟表、铯原子钟、铂原子时间频率基准器、时间频率测量仪等。图1-5所示为国家授时中心守时用铯原子钟。铯原子钟是国际上规定的复现秒定义的标准装置，它的激励源是石英晶体振荡器，它利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电子振荡器，进而控制钟的走动。这种钟的稳定程度很高，目前，最好的铯原子钟要达到500万年才相差1s。现在国际上，普遍采用铯原子钟的跃

迁频率作为时间频率的标准，广泛应用于天文、大地测量和国防建设等各个领域。

5）电磁测量仪器

电磁测量仪器是指用于测量各种电量及磁量的仪器，如各种交/直流电流表、电压表、功率表、电阻测量仪、电容测量仪、静电仪、磁性材料测量仪和磁参量测试仪器等。图1-6所示为电容测量仪。

6）无线电参数测量仪器

无线电参数测量仪器包括示波器、信号发生器、相位测量仪、频率发生器、动态信号分析仪等。图1-7所示为动态信号分析仪。

7）光学与声学参数测量仪器

光学与声学参数测量仪器包括光度计、色度计、光谱辐射计、激光参数计量仪、光学传递函数测量仪等。图1-8所示为成像光谱辐射计，该辐射计可用于固定或移动目标的空间和光谱特征的测量，每个图像可提供多达15个不同的波长，帧速率高达150Hz。

8）电离辐射测量仪器

电离辐射测量仪器包括各种放射性、核素计量，χ 射线、γ 射线及中子计量仪器等。图1-9所示为中子计量仪，它能精确测量从慢中子到快中子的所有能量水平的中子，同时能有效地屏蔽 γ 辐射的干扰。

以上8大类测量仪器在基本技术上是融会贯通的，其研究、设计和使用存在许多共性的东西。测量仪器还经常和观察仪器（显微镜、夜视仪、工业电视……）、显示仪器（记录仪、打印机等）一起配套使用。

2.计算仪器和控制仪器

计算仪器是以信息数据处理和运算为主的仪器，如各种专用计算器、通用计算机等。

控制仪器与控制装置是针对控制对象按照生产要求设计制作的控制装置和自动调整与校正装置。在现代仪器中，测量与控制已经密不可分。如在纳米测量技术中，精密工作台的纳米级精密定位则必须采用带有检测装置的闭环控制系统，否则，很难达到预定的高精度、高效率和高可靠性。

1.1.2 仪器及系统的地位与作用

仪器是体现一个国家高科技发展水平的重要标志之一，是信息时代的源头技术，发展至今已经成为一门独立的学科，具有多学科交叉融合的特点。

仪器是仪器仪表学科的重要组成部分。它研究的对象是各种物理量的测量及其相关控制所应用的仪器。这些物理量主要包括长度、力学、热工、电磁、光学、无线电、时间、频率和电离辐射等。当前，仪器及其测控技术已经渗透到人类的科学研究、工程实践和日常生活的方方面面，对促进生产发展和社会进步发挥着重要作用。仪器涵盖传感技术、测量仪器、计量仪器、分析仪器、自动化仪表等，广泛应用于国防、工业民生、医疗等各个领域。可以这样认为，仪器是物质世界信息测量与控制的基础手段和重要设备，在当今社会信息化带动工业化和产业化的过程中发挥着举足轻重的作用，是科学研究的 “先行官”，工业生产的 “倍增器”，军事保障的 “战斗力”，国民活动中的 “物化法官”。我国已故著名科学家钱学森院士指出：“信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。测量技术对信息进行采集和处理，是信息技术的源头，是关键中的关键。”元素周期律的发现者俄国科学家门捷列夫说：“测量是科学的基础。”例如，生产过程中产品质量的控制和生产过程的自动化、节能等，这些都要测量生产过程中的有关参数并进行反馈控制，以保证生产过程中的这些参数随时处于最佳最优状态，确保生产质量和安全。

测量是揭示客观世界规律的手段，是人类认识客观世界最基本的方法，用仪器进行测量是人们从自然界获取信息的手段。广义地说，任何（实验科学）的结论，都是对实验数据统计推断的结果，而数据的取得，只有靠测量来完成。人们通过测量可以建立对客观事物属性量度的认识，并可通过对测量结果数据进行必要的归纳和演绎、从中找到客观事物的演变规律，提出科学的理论。因此，有名言道：“测量是科学进步的阶梯”，“没有测量，就没有科学”。测量技术是人类科学技术和改造客观世界能力的重要标志之一。

在人类社会已进人信息时代的今天，仪器作为获取、测量、传递、变换、处理、监视、显示及控制信息的重要工具，越来越得到广泛的重视，它已成为现代科学和生产技术发展必不可少的基本设备。科学仪器是从事科学研究的物质手段，其研究进展代表着科技发展的前沿，是一个民族、一个国家创新能力的重要体现。在诺贝尔物理和化学奖中，大约有四分之一的获奖者是因为在测试方法和仪器创新中的贡献而获奖的。

同时，仪器也是现代生产及改造传统工业，提高产品竞争能力的必备手段。因此在一定意义上讲，仪器技术和生产的发展标志着一个国家的技术与经济水平，仪器对国民经济发展有巨大的拉动作用。近几十年，世界上工业发达的国家十分重视仪器仪表的发展，早已很明智地优先发展仪器工业，其速度远远超过国民经济其他部门的发展。美国商务部国家标准局在20世纪90年代评估仪器工业对美国国民经济总产值的影响时，发布的调查报告称，美国仪器仪表产业占社会总产值的4%，而它拉动的相关经济的产值达到社会总产值的66%，而且还明显有继续上升的趋势。仪器行业对国民经济发展的巨大促进作用由此可见一斑。