儀器儀表發(fā)展歷程及與現代社會(huì )的關(guān)系

          人們在研究科學(xué)史的時(shí)候，把十七世紀看作近代自然科學(xué)誕生的分水嶺。因為在此以前，自然科學(xué)沒(méi)有建立自己的傳統，它依附在哲學(xué)的傳統和工匠的傳統之上。弗蘭西斯。培根提出了一個(gè)重要的哲學(xué)概念——實(shí)驗是自然科學(xué)的基礎。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)驗的兩個(gè)基本要素：用科學(xué)儀器進(jìn)行測量和用數字記錄（表達）測量的結果，使實(shí)驗的結果成為可以定量比較和計算的數據。從此，自然科學(xué)結束了長(cháng)達數千年的徘徊，由粗陋的觀(guān)察、模糊的推斷走向嚴肅的實(shí)驗和嚴密的邏輯，與數學(xué)結成堅固的聯(lián)盟，建立了自然科學(xué)自己的傳統。 


          當人類(lèi)活動(dòng)的領(lǐng)域越過(guò)感覺(jué)器官極限的時(shí)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，由于發(fā)明了科學(xué)的溫度計和實(shí)用的溫標，才使溫度的概念具有更加準確的科學(xué)涵義，成為可以測量和定量計算的基本物理量。它直接導致熱力學(xué)的誕生，使人們發(fā)現了能量守恒定律和熱機的一系列基本規律，為歐洲的產(chǎn)業(yè)革命奠定了堅實(shí)的科學(xué)基礎。在十九世紀，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(gè)又一個(gè)重大的發(fā)現，促進(jìn)了電氣時(shí)代的來(lái)臨。在廿世紀，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(kāi)了原子核反應神秘的面紗，逐漸展現出微觀(guān)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。近代自然科學(xué)是從真正意義上的測量開(kāi)始的。在那個(gè)時(shí)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(gè)部分，一部分是科學(xué)探索的新發(fā)現，另一部分是在這種探索過(guò)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)基礎上的近代工業(yè)，本質(zhì)上是一種擴大的科學(xué)實(shí)驗活動(dòng)，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(dòng)中具有決定性的意義，它們是進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的依據?，F代工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的規模遠遠超過(guò)了科學(xué)家在實(shí)驗室的探索活動(dòng)，需要關(guān)注的各種運動(dòng)變化比實(shí)驗室要復雜得多，它是一種多參數的系統，人們只能夠通過(guò)儀器儀表來(lái)了解和控制它們。 

          歲月流逝，斗轉星移。在人類(lèi)的科學(xué)探索與生產(chǎn)活動(dòng)中，儀器儀表逐漸形成了一種專(zhuān)門(mén)的學(xué)科，一種專(zhuān)門(mén)的產(chǎn)業(yè)。它支撐著(zhù)社會(huì )的技術(shù)進(jìn)步，為眾多領(lǐng)域的科學(xué)探索活動(dòng)提供實(shí)驗和觀(guān)測手段，為人類(lèi)有序的生產(chǎn)活動(dòng)與正常的社會(huì )生活提供必需的技術(shù)保障。這種變化是文明前進(jìn)的重要標志，是人類(lèi)勞動(dòng)科學(xué)化的重要特征。 

          儀器儀表科學(xué)技術(shù)繼承了人類(lèi)文明豐厚的遺產(chǎn)。自然科學(xué)領(lǐng)域的新發(fā)現，工程技術(shù)的新發(fā)明，不斷充實(shí)它的內容，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(lèi)擴大視野開(kāi)拓新域的前導工具，時(shí)刻面臨著(zhù)嚴峻的挑戰，它本身總是處于止息的創(chuàng )造發(fā)展之中。在當代，這一特點(diǎn)表現得尤為明顯。隨著(zhù)人類(lèi)活動(dòng)領(lǐng)域的迅速擴大，傳統儀器儀表無(wú)法應付的測量對象急劇增加。隨著(zhù)自然科學(xué)領(lǐng)域探索活動(dòng)的深入，要求儀器儀表具有更高的靈敏度和分辨率。隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程向更高的度、更快的節奏和更復雜的流程發(fā)展，原有的傳感技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越不能適應要求。迫切需要探索新的測量原理和方法，需要突破傳統傳感技術(shù)的閾值界限，在數量級的意義上具有更高的響應速度和信噪比，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)設備、安全裝置、社會(huì )技術(shù)保障體系、大型高速交通運載工具、醫療系統和*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，必需服從苛刻的現場(chǎng)應用條件，經(jīng)強烈的震動(dòng)沖擊，電磁干擾和大幅度的冷熱劇變。為了適應這種變化，傳統儀器儀表的設計和工藝正在經(jīng)歷重大的改革。此外，儀器儀表在關(guān)注生產(chǎn)活動(dòng)、軍事技術(shù)、社會(huì )服務(wù)與科學(xué)研究的同時(shí)，已經(jīng)開(kāi)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(lái)的影響將不亞于個(gè)人計算機的出現，這必將帶來(lái)儀器儀表觀(guān)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(lái)沒(méi)有面臨這樣緊迫的形勢，也從來(lái)沒(méi)有出現過(guò)如上激動(dòng)人心的機遇。 

          高度發(fā)展的儀器儀表科學(xué)技術(shù)，是信息時(shí)代的重要特征。儀器儀表是信息的源頭，在學(xué)科分類(lèi)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)共同構成當代信息科學(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。人們對通信系統和計算機技術(shù)的關(guān)注遠遠超過(guò)了對儀器儀表的關(guān)注。在信息時(shí)代的早期，信息科學(xué)涉及的內容主要是人類(lèi)自身社會(huì )活動(dòng)的信息，大多是文字、語(yǔ)言、聲音和圖像信息，只要能夠把它們變成相應的光信號或電信號，就可以進(jìn)行傳輸和處理。人們關(guān)心的主要問(wèn)題是通信和計算機，因為把人類(lèi)活動(dòng)的聲音圖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(dòng)、戰爭技術(shù)手段、人類(lèi)健康、安全和環(huán)境的時(shí)候，如何獲得自然界本身的信息，就是解決問(wèn)題的首要前提，“信息獲得”就成了后續工作的重要基礎。面對自然界，儀器儀表是人類(lèi)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(lèi)在眾多領(lǐng)域的活動(dòng)。這種不均衡的狀況，是信息社會(huì )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)域日漸明顯地表現出來(lái)，目前許多國家已經(jīng)開(kāi)始重新審視儀器儀表在信息時(shí)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(shí)候，應該關(guān)注這樣幾個(gè)問(wèn)題。首先在戰略的高度上規劃儀器儀表產(chǎn)業(yè)，把它看作信息社會(huì )的基礎產(chǎn)業(yè)，建立完備*儀器儀表科學(xué)技術(shù)體系，支持社會(huì )的技術(shù)進(jìn)步。強化儀器儀表科學(xué)技術(shù)的基礎研究，特別是傳感技術(shù)的基礎理論和基礎工藝研究。同時(shí)加速傳感器研究成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，確立我國在競爭中的技術(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，在理工科大學(xué)開(kāi)設信息獲得技術(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(guān)念，鼓勵多學(xué)科的交叉與融合，特別要鼓勵支持象CT和GPS（計算機斷層掃描和定位系統）這類(lèi)突破傳統、閃爍著(zhù)現代科學(xué)光輝的新技術(shù)，使儀器儀表永遠走在時(shí)代的前列。建立專(zhuān)門(mén)的儀器儀表科學(xué)技術(shù)信息研究機構，跟蹤國外學(xué)科前沿的活動(dòng)，了解范圍儀器儀表產(chǎn)業(yè)的變化和動(dòng)向為中國儀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(dòng)收到事半功倍的效果。 

          儀器儀表科學(xué)技術(shù)對社會(huì )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(gè)特點(diǎn)。它常常悄無(wú)聲息地影響甚至決定著(zhù)人類(lèi)在許多領(lǐng)域的活動(dòng)結果，而在這種活動(dòng)的過(guò)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(chē)，也不象鐵水奔流的高爐，那樣輝宏壯麗，令人驚心動(dòng)魄，一瞬間就能感覺(jué)到它們巨大的力量。儀器儀表是藏在人類(lèi)活動(dòng)大舞臺幕后深處的無(wú)名英雄，容易被人忽視，被人遺忘。 

          重視儀器儀表，是現代人理性精神的體現。理解儀器儀表，就是理解信息時(shí)代。 

          儀器儀表是用以檢出、測量、觀(guān)察、計算各種物理量、物質(zhì)成分、物性參數等的器具或設備。真空檢漏儀、壓力表、測長(cháng)儀、顯微鏡、乘法器等均屬于儀器儀表。廣義來(lái)說(shuō)，儀器儀表也可具有自動(dòng)控制、報警、信號傳遞和數據處理等功能，例如用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制中的氣動(dòng)調節儀表，和電動(dòng)調節儀表，以及集散型儀表控制系統也皆屬于儀器儀表。 

          儀器儀表能改善、擴展或補充人的官能。人們用感覺(jué)器官去視、聽(tīng)、嘗、摸外部事物，而顯微鏡、望遠鏡、聲級計、酸度計、高溫計等儀器儀表，可以改善和擴展人的這些官能；另外，有些儀器儀表如磁強計、射線(xiàn)計數計等可感受和測量到人的感覺(jué)器官所不能感受到的物理量；還有些儀器儀表可以超過(guò)人的能力去記錄、計算和計數，如高速照相機、計算機等。 

          儀器儀表發(fā)展已有悠久的歷史。據《韓非子·有度》記載，中國在戰國時(shí)期已有了利用天然磁鐵制成的指南儀器，稱(chēng)為司南。古代的儀器在很長(cháng)的歷史時(shí)期中多屬用以定向、計時(shí)或供度量衡用的簡(jiǎn)單儀器。 

          17～18世紀，歐洲的一些物理學(xué)家開(kāi)始利用電流與磁場(chǎng)作用力的原理制成簡(jiǎn)單的檢流計；利用光學(xué)透鏡制成的望遠鏡，奠定了電學(xué)和光學(xué)儀器的基礎。其它一些用于測量和觀(guān)察的各種儀器也逐漸得到了發(fā)展。 

          19世紀到20世紀，工業(yè)革命和現代化大規模生產(chǎn)促進(jìn)了新學(xué)科和新技術(shù)的發(fā)展，后來(lái)又出現了電子計算機和空間技術(shù)等，儀器儀表因而也得到迅速的發(fā)展?，F代儀器儀表已成為測量、控制和實(shí)現自動(dòng)化*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(lèi)方法。按使用目的和用途來(lái)分，主要有量具量?jì)x、汽車(chē)儀表、拖拉機儀表、船用儀表、航空儀表、導航儀器、駕駛儀器、無(wú)線(xiàn)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、計時(shí)儀器、農業(yè)測試儀器、商業(yè)測試儀器、教學(xué)儀器、醫療儀器、環(huán)保儀器等。 

          屬于機械工業(yè)產(chǎn)品的儀器儀表有工業(yè)自動(dòng)化儀表、電工儀器儀表、光學(xué)儀器，分析儀器、實(shí)驗室儀器與裝置、材料試驗機、氣象海洋儀器、電影機械、照相機械、復印縮微機械、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(lèi)。它們通用性較強，批量較大，或為儀器儀表工業(yè)所必需的基礎。 

          各類(lèi)儀器儀表按不同特征，例如功能、檢測控制對象、結構、原理等還可再分為若干的小類(lèi)或子類(lèi)。如工業(yè)自動(dòng)化儀表按功能可分為檢測儀表、顯示儀表、調節儀表和執行器等；其中檢測儀表按被測物理量又分為溫度測量?jì)x表、壓力測量?jì)x表、流量測量?jì)x表、物位測量?jì)x表和機械量測量?jì)x表等：溫度測量?jì)x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(lèi)儀器儀表的分類(lèi)法大體類(lèi)似，主要與發(fā)展過(guò)程、使用習慣和有關(guān)產(chǎn)品的分類(lèi)有關(guān)。儀器儀表在分類(lèi)方面尚無(wú)統一的標準，儀器儀表的命名也存在類(lèi)似情況。 

          衡量?jì)x器儀表性能的主要技術(shù)指標有度、靈敏度、響應時(shí)間等。度表示儀表測量結果與被測量真值的一致程度。儀器儀表的度常用度等級來(lái)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(guò)±0．1％范圍。度等級數小，說(shuō)明儀表的系統誤差和隨機誤差都小，也就是這種儀表精密。 

          靈敏度表示當被測的量有一個(gè)很小的增量時(shí)與此增量引起儀表示值增量之比，它反映儀表能夠測量的zui小被測量：響應時(shí)間是指儀表輸入一個(gè)階躍量時(shí)，其輸出由初始值*次到達zui終穩定值的時(shí)間間隔，一般規定以到達穩定值的95％時(shí)的時(shí)間為準：此外，還有重復性、線(xiàn)性度、滯環(huán)、死區、漂移等性能技術(shù)指標。 

          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。在現代科學(xué)研究試驗、精密測試系統、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)檢測控制系統，以及各種管理自動(dòng)化系統中，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(xiàn)、紅外線(xiàn)、核磁共振、超導、激光等原理，以及采用各種新型半導體敏感元件、集成電路、集成光路、光導纖維等元器件。其目的是實(shí)現儀器儀表的小型化、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(guò)微型計算機的使用來(lái)提高儀器儀表的性能，提高儀器儀表本身自動(dòng)化、智能化程度和數據處理能力。儀器儀表不僅供單項使用，而且可以通過(guò)標準接口和數據通道，與電子計算機結合起來(lái)，組成各種測試控制管理綜合系統，滿(mǎn)足更高的要求。

 
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