測量控制與儀器儀表發(fā)展現(xiàn)狀與分析研究

王雷濤　李兵

摘? ?要：主要分析了我國國產(chǎn)儀器的優(yōu)勢與不足，剖析了測量控制與儀器儀表行業(yè)面臨的機遇與挑戰(zhàn)。此外，結(jié)合第二十九屆中國國際測量控制與儀器儀表展覽會上新型產(chǎn)品的技術(shù)特點給予歸納，并對儀器技術(shù)方面的發(fā)展給出了建議。

關(guān)鍵詞：國產(chǎn)儀器;微小化與集成化;可靠性;儀器儀表

第二十九屆中國國際測量控制與儀器儀表展覽會提供了一個展示企業(yè)文化、企業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)的絕佳機會。因此，展品通常代表了企業(yè)最高的技術(shù)能力，反映了真實的業(yè)界研發(fā)與工藝水平，近萬件展品自然是分析儀器現(xiàn)狀與發(fā)展的絕佳素材。

1? ? 國產(chǎn)儀器的優(yōu)勢

1.1? 常規(guī)測量儀器測量水平差距小

中國電子科技集團公司41研究所年夫順研究員在“工業(yè)強基助力產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級高峰論壇”做了《關(guān)于科學(xué)儀器發(fā)展的若干問題思考》報告，報告涉及國內(nèi)外儀器參數(shù)，如表1所示。

其結(jié)果與以往用戶對國產(chǎn)儀器的印象大為不同，國產(chǎn)儀器正在突破測量范圍與準(zhǔn)確度不足的窘迫局面，從表1的幾種常規(guī)測量儀器來看，如微波測試儀器、毫米波測試儀，不難發(fā)現(xiàn)部分儀器測量參數(shù)已追齊國外尖端水平，原因必然是部分國產(chǎn)儀器企業(yè)掌握了核心測量技術(shù)與加工工藝。在技術(shù)指標(biāo)達標(biāo)的情況下，國產(chǎn)儀器從市場經(jīng)濟角度來看，其訂購周期、產(chǎn)品價格都會帶來顯著優(yōu)勢，將是國產(chǎn)儀器不斷發(fā)展與壯大的根本。

1.2? 良好的技術(shù)服務(wù)

通過走訪國產(chǎn)儀器的展位得知，國產(chǎn)專有儀器在銷售及售后服務(wù)方面有得天獨厚的優(yōu)勢，國產(chǎn)儀器大多都有專業(yè)的售前工程師負責(zé)選型，售后工程師負責(zé)上門指導(dǎo)，長期產(chǎn)品跟蹤，并且退、換貨流程簡短，服務(wù)及時，具有完整的售后服務(wù)。進口專有儀器設(shè)備通常要訂貨，從加工到海運，一般要通過專業(yè)的代理公司才能有比較良好的采購體驗，然而，供貨時間、商品因中間環(huán)節(jié)的附加費用等都很難讓產(chǎn)品有性價比優(yōu)勢。

2? ? 國產(chǎn)儀器劣勢

實際上，我國儀器市場留給國產(chǎn)企業(yè)的份額極其有限。2017年，我國儀器儀表出口總額1 347.74億人民幣，進口總額1 103.90億美元。在某些專有領(lǐng)域，進口儀器幾乎100%，例如2016年成都質(zhì)檢院花費1 142萬元采購12類儀器設(shè)備，全部采用進口產(chǎn)品。2017年，四川政府采購產(chǎn)品論證，96類儀器建議采購進口產(chǎn)品。這些案例都是政府采購儀器，雖然政策對國產(chǎn)儀器有所傾斜，仍然不能打破國產(chǎn)儀器市場占有率低的局面。

2.1? 認知度低

國產(chǎn)儀器因前期起步晚，產(chǎn)品設(shè)計人性化不足、測量準(zhǔn)確度不夠、工作不穩(wěn)定等各種問題，在用戶群體中印象不好。并且，老舊工程師人員交替時，個人見解會有傳承，使其效應(yīng)持續(xù)發(fā)酵。此外，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計初期，一般為科學(xué)研究課題，儀器經(jīng)費相對充裕，國產(chǎn)儀器設(shè)備很難被考慮為系統(tǒng)組建環(huán)節(jié)，在產(chǎn)業(yè)化階段，因兼容性、技改等因素，國產(chǎn)儀器將更無機會取代進口儀器。例如展會中，聚光科技為一家分析儀器和環(huán)保監(jiān)測儀器企業(yè)，研發(fā)的CEMS煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)水平業(yè)界領(lǐng)先，然而，通常調(diào)研初期，一般會將霍尼韋爾的產(chǎn)品為重點考慮對象，在符合設(shè)計要求的情況下，很難選用國產(chǎn)監(jiān)測設(shè)備。

2.2? 可靠性不足

現(xiàn)有階段，影響國產(chǎn)儀器發(fā)展的最大障礙是可靠性問題。儀器儀表可靠性不足與我國可靠性工作起步較晚，欠缺驗收標(biāo)準(zhǔn)與手段，重視程度不夠等因素有關(guān)。在以往的調(diào)查中，從可靠性工程管理、設(shè)計分析、實驗評價等方面對儀器企業(yè)進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)極其不理想，數(shù)據(jù)最高的可靠性工作計劃制定與檢查也僅為31.36%，環(huán)境實驗中的強化實驗更是低至2%[1]。

2.3? 高端測量設(shè)備匱乏

高端設(shè)備研發(fā)周期長，技術(shù)封鎖強等諸多原因使得企業(yè)很難短時間突破技術(shù)難關(guān)。例如光刻機有3萬多個光刻零件，其中，70%為超精密級加工精度，含有30多萬種測量參數(shù)，600多種超精密測量儀器，雖然研發(fā)投入較大，但目前的光刻機制造水平相當(dāng)于2005年世界水平，滯后國外4～5代。此外，專用測量設(shè)備100%的禁運，也使引進的道路無法走通。

2.4? 國家計量測試體系不完整

在展會高峰論壇上，來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的譚久彬教授提到了我國工業(yè)測試體系不完整的問題。計量測試體系以國家標(biāo)準(zhǔn)為源頭，自上而下地傳遞到具體產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝中，以德國為對比對象。我國工程參量為全領(lǐng)域參量，僅有80項國家基標(biāo)準(zhǔn)，而德國非全領(lǐng)域參量，其國家基標(biāo)準(zhǔn)為123項，加上沒有專用計量儀器，導(dǎo)致大量傳遞鏈斷裂，到廠級的計量儀器更加缺乏，測量值不能傳遞到產(chǎn)品，為產(chǎn)品與儀器的可靠性不佳埋下隱患。

3? ? 國內(nèi)儀器行業(yè)發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)

世界電子儀器市場總量為400億美元，其增長率為1%～2%，中國電子儀器市場在世界儀器市場的占比為10%，其市場增長率以每年5%的速度快速遞增，中國市場是全球電子儀器發(fā)展的強勁動力?？梢酝茰y，國內(nèi)儀器相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對穩(wěn)定，但國外儀器企業(yè)也會將注意力集中在我國，增加國產(chǎn)企業(yè)的競爭難度。

國家自“十二五”規(guī)劃以來，加大了對儀器行業(yè)的支持力度，先后有重大科研儀器研制項目（國家自然基金委）、國家科學(xué)儀器開發(fā)重點專項（國家科技部）、通用測試技術(shù)預(yù)先研究項目等國家資金支持項目。進入“十三五”以來，在前期扶持政策繼續(xù)跟進的情況下，國家又出臺了《“十三五”先進制造技術(shù)領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃的通知》等政策，對儀器儀表行業(yè)予以扶持與鼓勵。《中國制造2025》明確指出，加快發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品，突破新型傳感器、智能測量儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)等智能核心裝置，推進工程化和產(chǎn)業(yè)化，將極大地推動儀器行業(yè)的發(fā)展。國產(chǎn)儀器研發(fā)將繼續(xù)受惠于國家政策，研發(fā)環(huán)境良好。

4? ? 技術(shù)發(fā)展展望與建議

展品作為優(yōu)秀的樣本素材，不僅能洞察儀器行業(yè)發(fā)展問題，更能精準(zhǔn)了解技術(shù)實現(xiàn)手段及其發(fā)展方向。下面通過典型的具體產(chǎn)品解析，分析及總結(jié)儀器的技術(shù)特點，將對傳統(tǒng)儀器發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

4.1? 微小化與集成化

測量單元微小化與集成化研究一直是測量領(lǐng)域研究的熱點[2]，如對流場的測量，體積過大的測量單元會破壞測量流場，不但會使測量不準(zhǔn)確，還會導(dǎo)致原有流場畸變。再如，近年炙手可熱的可穿戴設(shè)備，沒有微小與集成化的技術(shù)支持也將無法實現(xiàn)?；谖C電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical Systems，MEMS）的器件具有體積小、慣性小、諧振頻率高等特點，是實現(xiàn)微小化與集成化的重要技術(shù)手段。隨著近四十年的發(fā)展，MEMS技術(shù)日趨成熟[3]。展會上，南京高華科技有限股份有限公司、蘇州諾聯(lián)芯電子科技公司等國內(nèi)企業(yè)展示了基于MEMS芯片級測量單元及組件，例如高華科技的GM2000通用型加速度傳感器芯片，嵌入了低功耗ASIC（0.5 mA）電路和溫度傳感器，采用LCC20陶瓷封裝，兼顧了低功耗、溫度補償與可靠性封裝的技術(shù)需求。

4.2? 組合創(chuàng)新與兼容性

標(biāo)準(zhǔn)化對儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著深遠影響，目前有3大國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO、IEC、ITU，對產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系[4]。技術(shù)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化為單元組合、數(shù)據(jù)互聯(lián)提供了可能，對于新儀器設(shè)備的研發(fā)，如果能從兼容組合角度著手，將是儀器研發(fā)創(chuàng)新的可選之路。展會上，巨高電子展示了一款手機熱成像相機C1，可謂兼容組合的典范，質(zhì)量僅為26 g的外掛攝像頭通過TYPE-C接口掛接到手機上，即可獲得0.1 ℃分辨率熱感實時圖像，可應(yīng)用在電路板、線路老化、暖氣漏水檢測等場景，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，其便攜性與兼容性的特點，在市場上成功地找到了切入點。

4.3? 遠程編程與在線監(jiān)控

遠程監(jiān)控的技術(shù)迭代已維持多年，隨著智能制造的概念提出及實施，其技術(shù)更新在持續(xù)深化。在展會上，光洋電子（無錫）有限公司推出了最新型的智能控制器SJ-ETHER系列控制器，均已配備以太網(wǎng)接口，支持EtherNet/IP、CC-Link IE Field Basic、MODBUS/TP協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)控。更重要的是，還配備了KPP編程工具軟件，支持梯形圖式、級式、助記符式3種編程方式，可遠程導(dǎo)入，極大方便了設(shè)計與維護。軟硬件結(jié)合是測控的基本構(gòu)成形式，然而，企業(yè)培養(yǎng)一個專業(yè)領(lǐng)域軟硬兼顧的工程師投入的成本較大?？梢灶A(yù)測，這種軟硬結(jié)合的產(chǎn)品將是未來市場的主流。

4.4? 多參數(shù)測量與應(yīng)用

多參數(shù)測量在改變測量的基本思維，尤其在環(huán)境復(fù)雜、參數(shù)種類繁多的應(yīng)用場合，如高性能的發(fā)動機裝配3.5萬個零件，20多萬個待測量，如果每一個測量都需要專有設(shè)備，工作量不可估量。因此，多參數(shù)測量具有現(xiàn)實意義。展會上，多參數(shù)測量設(shè)備比較常見，例如湖南國瑞儀器有限公司推出的GRI-IAT空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以監(jiān)測PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3、TVOC、溫濕度等多種參數(shù)。此外，傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展，例如蘇通自控生產(chǎn)的電動執(zhí)行器，在電機環(huán)節(jié)埋入溫度敏感元件，對其實施高溫保護，防止燒損執(zhí)行器電機?？梢灶A(yù)測，將來會有更多的傳感器加入生產(chǎn)環(huán)節(jié)與產(chǎn)品中，使生產(chǎn)的可控性、產(chǎn)品的可靠性大幅提高。

5? ? 結(jié)語

中國國際測量控制與儀器儀表展覽會無疑是一場儀器行業(yè)的盛會，是行業(yè)與技術(shù)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，是尋求技術(shù)支持與交流的信息流，是宣揚企業(yè)文化與產(chǎn)品的大舞臺。特別感謝樊尚春老師百忙之中特意提供展會信息，不僅獲悉儀器發(fā)展動態(tài)，也更高效地積累了眾多產(chǎn)品資源。此外，了解儀器發(fā)展的制約因素，會為科學(xué)研究方向提供思路與借鑒。

[參考文獻]

[1]朱嘉偉，李? ?騫，高? ?軍.我國儀器行業(yè)的可靠性工作現(xiàn)狀分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2015（1）：61-65.

[2]金國藩，周兆英.儀器儀表的微小化、集成化和智能化[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2000（3）：7-8.

[3]宋? ?宇，張海霞.微電子機械系統(tǒng)研究領(lǐng)域的最新進展—IEEE MEMS 2018國際會議綜述[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報，2018（2）：372-378.

[4]段華威.實驗室儀器及設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化的重要性[C].//杭州：第十二屆中國標(biāo)準(zhǔn)化論壇，2015：4.