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理解儀器儀表就是理解信息時代

時間:2010-1-9
 

人們在研究科學史的時候,把十七世紀看作近代自然科學誕生的分水嶺。因為在此以前,自然科學沒有建立自己的傳統,它依附在哲學的傳統和工匠的傳統之上。弗蘭西斯。培根提出了一個重要的哲學概念——實驗是自然科學的基礎。伽利略把這一哲學概念變成了可以實踐的科學方法,并且提出了科學實驗的兩個基本要素:用科學儀器進行測量和用數字記錄(表達)測量的結果,使實驗的結果成為可以定量比較和精確計算的數據。從此,自然科學結束了長達數千年的徘徊,由粗陋的觀察、模糊的推斷走向嚴肅的實驗和嚴密的邏輯,與數學結成堅固的聯盟,建立了自然科學自己的傳統。

  當人類活動的領域越過感覺器官極限的時候,儀器儀表就成了一切事業取得成功的前提。許多學科的進展首先取決于儀器儀表的進展。在十七、十八世紀,由于發明了科學的溫度計和實用的溫標,才使溫度的概念具有更加準確的科學涵義,成為可以測量和定量計算的基本物理量。它直接導致熱力學的誕生,使人們發現了能量守恒定律和熱機的一系列基本規律,為歐洲的產業革命奠定了堅實的科學基礎。在十九世紀,由于發明了測量電流的儀表,才使電學與磁學的研究迅速走上正軌,獲得了一個又一個重大的發現,促進了電氣時代的來臨。在廿世紀,由于威爾遜云室和眾多核物理探測儀器的發明,人們才揭開了原子核反應神秘的面紗,逐漸展現出微觀世界的真實圖景,奠定了原子核物理學與日后原子能利用的基礎。近代自然科學是從真正意義上的測量開始的。在那個時代,杰出的科學家們許多都是科學儀器的發明家,新的測量方法的創立者。他們留給后世的科學遺產常常包括兩個部分,一部分是科學探索的新發現,另一部分是在這種探索過程中創造的新的測量技術和儀器儀表。

  建立在近代科學基礎上的近代工業,本質上是一種擴大的科學實驗活動,它具有近代科學的一切要素和基本特征。儀器儀表和測量技術在這種活動中具有決定性的意義,它們是進行生產活動的依據。現代工業生產活動的規模遠遠超過了科學家在實驗室的探索活動,需要關注的各種運動變化比實驗室要復雜得多,它是一種多參數的系統,人們只能夠通過儀器儀表來了解和控制它們。

  歲月流逝,斗轉星移。在人類的科學探索與生產活動中,儀器儀表逐漸形成了一種專門的學科,一種專門的產業。它支撐著社會的技術進步,為眾多領域的科學探索活動提供實驗和觀測手段,為人類有序的生產活動與正常的社會生活提供必需的技術保障。這種變化是文明前進的重要標志,是人類勞動科學化的重要特征。

  儀器儀表科學技術繼承了人類文明豐厚的遺產。自然科學領域的新發現,工程技術的新發明,不斷充實它的內容,使它成為知識高度密集、高度綜合的學科。儀器儀表是人類擴大視野開拓新域的前導工具,時刻面臨著嚴峻的挑戰,它本身總是處于永不止息的創造發展之中。在當代,這一特點表現得尤為明顯。隨著人類活動領域的迅速擴大,傳統儀器儀表無法應付的測量對象急劇增加。隨著自然科學領域探索活動的深入,要求儀器儀表具有更高的靈敏度和分辨率。隨著工業生產過程向更高的精確度、更快的節奏和更復雜的流程發展,原有的傳感技術已經越來越不能適應要求。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,需要超越經典的方法,以新的途徑獲取信號。在很多領域,儀器儀表的工作方式已經發生了很大變化,儀器儀表已經成為工業生產設備、安全裝置、社會技術保障體系、大型高速交通運載工具、醫療系統和國防工程的核心部件,已經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不能分離,必需服從苛刻的現場應用條件,經強烈的震動沖擊,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歷重大的改革。此外,儀器儀表在關注生產活動、軍事技術、社會服務與科學研究的同時,已經開始悄悄走進家庭,成為提高人們生活質量的重要手段。它給人們帶來的影響將不亞于個人計算機的出現,這必將帶來儀器儀表觀念和技術的重大變化。在儀器儀表科學技術和產業發展歷程中,從來沒有面臨這樣緊迫的形勢,也從來沒有出現過如上激動人心的機遇。

  高度發展的儀器儀表科學技術,是信息時代的重要特征。儀器儀表是信息的源頭,在學科分類上屬于“信息獲得”技術的范疇,它與信息傳輸技術和信息處理技術共同構成當代信息科學技術的三大組成部分。然而,目前信息科學三大組成部分的發展是十分不均衡的。人們對通信系統和計算機技術的關注遠遠超過了對儀器儀表的關注。在信息時代的早期,信息科學涉及的內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的光信號或電信號,就可以進行傳輸和處理。人們關心的主要問題是通信和計算機,因為把人類活動的聲音圖像信息變成電信號或光信號的技術早就已經十分成熟了。當信息科學涉及到更深的層次,更多地關注自然及其與人的相互關系,更多地關注自然科學研究、生產活動、戰爭技術手段、人類健康、安全和環境的時候,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”就成了后續工作的重要基礎。面對自然界,儀器儀表是人類獲得信息的主要科學手段,它在很大程度上推進或制約人類在眾多領域的活動。這種不均衡的狀況,是信息社會早期發展階段的普遍特征。它所產生的影響,正在許多領域日漸明顯地表現出來,目前許多國家已經開始重新審視儀器儀表在信息時代的價值和地位。

  在思考我國儀器儀表科學技術與產業發展的時候,我想應該關注這樣幾個問題。首先在戰略的高度上規劃儀器儀表產業,把它看作信息社會的基礎產業,建立完備先進的儀器儀表科學技術體系,支持社會的技術進步。強化儀器儀表科學技術的基礎研究,特別是傳感技術的基礎理論和基礎工藝研究。同時加速傳感器研究成果的產業化進程,確立我國在國際競爭中的技術優勢。提高自然科學工作者和工程技術人員儀器儀表科學素養,在理工科大學開設信息獲得技術公共課程。鼓勵在儀器儀表科學技術領域的發明與創新,鼓勵提出新的觀念,鼓勵多學科的交叉與融合,特別要鼓勵支持象CT和GPS(計算機斷層掃描和全球定位系統)這類突破傳統、閃爍著現代科學光輝的新技術,使儀器儀表永遠走在時代的前列。建立專門的儀器儀表科學技術信息研究機構,跟蹤國外學科前沿的活動,了解全球范圍儀器儀表產業的變化和動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技術領域的探索活動收到事半功倍的效果。

  儀器儀表科學技術對社會的影響,方面取決于它自身的科學技術發展水平,另一方面取決于公眾對儀器儀表科學技術理解的深度。儀器儀表有這樣一個特點。它常常悄無聲息地影響甚至決定著人類在許多領域的活動結果,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,是現代人理性精神的體現。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、計算各種物理量、物質成分、物性參數等的器具或設備。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、報警、信號傳遞和數據處理等功能,例如用于工業生產過程自動控制中的氣動調節儀表,和電動調節儀表,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。人們用感覺器官去視、聽、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、射線計數計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、計算和計數,如高速照相機、計算機等。

  儀器儀表發展已有悠久的歷史。據《韓非子·有度》記載,中國在戰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、計時或供度量衡用的簡單儀器。

  17~18世紀,歐洲的一些物理學家開始利用電流與磁場作用力的原理制成簡單的檢流計;利用光學透鏡制成的望遠鏡,奠定了電學和光學儀器的基礎。其它一些用于測量和觀察的各種儀器也逐漸得到了發展。

  19世紀到20世紀,工業革命和現代化大規模生產促進了新學科和新技術的發展,后來又出現了電子計算機和空間技術等,儀器儀表因而也得到迅速的發展。現代儀器儀表已成為測量、控制和實現自動化必不可少的技術工具。

  儀器儀表是多種科學技術的綜合產物,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、拖拉機儀表、船用儀表、航空儀表、導航儀器、駕駛儀器、無線電測試儀器、載波微波測試儀器、地質勘探測試儀器、建材測試儀器、地震測試儀器、大地測繪儀器、水文儀器、計時儀器、農業測試儀器、商業測試儀器、教學儀器、醫療儀器、環保儀器等。

  屬于機械工業產品的儀器儀表有工業自動化儀表、電工儀器儀表、光學儀器,分析儀器、實驗室儀器與裝置、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。它們通用性較強,批量較大,或為儀器儀表工業所必需的基礎。

  各類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或子類。如工業自動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儀表、壓力測量儀表、流量測量儀表、物位測量儀表和機械量測量儀表等: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,主要與發展過程、使用習慣和有關產品的分類有關。儀器儀表在分類方面尚無統一的標準,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指標有精確度、靈敏度、響應時間等。精確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。精確度等級數小,說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最終穩定值的時間間隔,一般規定以到達穩定值的95%時的時間為準:此外,還有重復性、線性度、滯環、死區、漂移等性能技術指標。

  科學技術的進步不斷對儀器儀表提出更高更新的要求。在現代科學研究試驗、精密測試系統、生產過程自動檢測控制系統,以及各種管理自動化系統中,儀器儀表都是重要的技術工具。

  為了進一步提高儀器儀表的各種性能,增強耐受各種苛刻使用環境的能力,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、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。其目的是實現儀器儀表的小型化、減輕重量、降低生產成本和便于使用與維修等。

  另一重要的趨勢是,通過微型計算機的使用來提高儀器儀表的性能,提高儀器儀表本身自動化、智能化程度和數據處理能力。儀器儀表不僅供單項使用,而且可以通過標準接口和數據通道,與電子計算機結合起來,組成各種測試控制管理綜合系統,滿足更高的要求。

 
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