智能化仪器仪表的技术发展趋势

1）智能仪器仪表的特点和定义

第一代仪器仪表是以指针式仪表为主，这些仪表的基本结构是电磁式和力学式，基于电磁测量原理和力学转换原理用指针来显示最终测量值。第二代仪器仪表是数字式仪表，这类仪器仪表以其快速响应和测量的高精度得到了广泛的应用，如数字频率计、数字功率计、数字万用表等。此类仪表的基本原理是将模拟量转化为数字信号进行测量，并以数字形式显示或打印最终结果。第三代仪表国际上通称微机化仪表，这类仪表中内含微处理器（大多使用单片微机），功能丰富灵巧，国外书刊中常简称为智能仪表。仪表内含的微机是控制中枢，其功能由软硬件相结合来完成。这类仪表一般都装有通用接口，与外部微机之间通过通用接口总线联系从而实现在线信号检测、采集与存储，以及离线处理与分析。此类仪表较前两类仪表有了根本性的变换，但从实用上讲仍属于基地式仪表。

随着计算机技术的发展和高新技术的出现，以及现代化生产的需要，对工业自动化仪表提出了4C化的要求，即计算机化、通信化、图像视觉识别化、过程控制化。于是第四代仪表——智能仪表应运而生，概括起来它有如下特点。

（1）在线性和过程性。

（2）可编程性。

（3）可记忆特性。

（4）丰富的计算功能。

（5）强大的数据处理能力。

（6）有自校正、自诊断、自学习多种控制功能。

总之，智能仪表是以计算机科学、微电子学、微机械学和材料科学等为理论基础，实现信息传感、信号检测、信号处理、信号通信及过程控制等任务，具有自学习、自校正、自适应等功能的装置与系统。其结构原理图如图6-2所示。

图6-2　智能仪表结构原理

2）智能仪器仪表的发展

（1）智能仪器仪表的发展史。科学上的重大发现，往往是由于新的检测手段的发明而开展起来的。以物理学诺贝尔奖获得者为例，百分之五十的工作是得益于新的仪器或测试手段的发明创造。仪器仪表也是实现信息的获取、转换、存储、处理和揭示物质运动规律的必备工具，仪器仪表装备水平在很大程度上反映了一个国家的生产力发展和现代化水平。

20世纪50年代初期，仪器仪表取得了重大突破，数字技术的出现使各种数字仪器得以问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。(www.xing528.com)

20世纪60年代中期，测量技术又一次取得了进展，计算技术的引入，使仪器的功能发生了质的变化。从个别电量的测量转变成测量整个系统的特征参数，从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算和显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。

进入20世纪70年代以来，计算机技术在仪器仪表中的进一步渗透，使电子仪器在传统的时域与频域之外，又出现了数据域测试。自从1971年世界上出现了第一种微处理器（美国Intel公司4004型四位微处理器芯片）以来，微计算机技术得到了迅猛的发展。测量仪器在它的影响下有了新的活力，取得了新的进步。电子计算机从过去的庞然大物缩小到可以置于测量仪器之中的器件，作为仪器的控制器、存储器及运算器，并使其具有智能的作用。概括起来说，智能仪器在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及一机多用（多功能化）等方面已取得巨大的进展。

20世纪80年代中期，由于微处理器被运用到仪器中。仪器前面板开始朝键盘化方向发展，过去直观的用于调节时基或幅度的旋转度盘，选择电压电流等量程或功能的滑动开关，通、断开关键已经消失。测量系统的主要模式是采用机柜形式，全部通过IEEE 488总线送到一个控制器上。测试时，可用丰富的BASIC语言程序来调整测试。不同于传统独立仪器模式的个人仪器已经得到了发展。20世纪80年代以来，机械制造业的高速发展，使计算机辅助制造（CAM）达到较高水平，它对人类生产力的提高起着巨大的推动作用。为了对CAM的工作质量进行及时监督，使成品或半成品的质量得到保证，要求实现对整个加工工艺过程中各重要环节或工位的在线检测。因此在生产线上或检验室内大量涌现各种应用计算机辅助测试（CAT）技术的仪器。

到了20世纪90年代，可以说，在高准确度、高性能、多功能的测量仪器中已经很少有不采用微计算机技术的了。同时微电子技术与计算机科学技术的巨大进步已成为仪器仪表领域内一场新的革命的推动力。这个进展的主要标志是仪器仪表智能化程度的提高。智能仪器以及计算机系统本身的发展使其硬件结构及软件内涵越来越复杂，因此对其工作状态的检验及故障诊断就显得非常重要，而且十分困难。如果都依靠专业人员去解决这些问题，不仅耗费时间，而且对大量、多品种、更新很快的产品，这样做也是不大可能的。为了解决此类问题，出现了一种新型仪器故障诊断仪。面向以计算机为主体的数字系统（或智能仪器）的故障诊断仪本身就是一台微计算机。它一般是通过特定的（如与被检验系统的CPU相一致的）适配器与被检验系统相连，在专用软件包的支持下进行故障诊断。它不仅可发现故障的性质及范围，有时还可精确地定位故障元件。由于微计算机内存容量不断增加，工作速度不断提高，使其数据处理的能力有了极大的改善，这样就可把动态信号分析技术引入智能仪器之中。这些信号分析往往以数字滤波或FFT（快速傅立叶变换）为主体，配之以各种不同的分析软件，如智能化的医学诊断仪及机器故障诊断仪等。这类仪器仪表的进一步发展就是测试诊断专家系统，其社会效益及经济效益都是十分巨大的。

进入21世纪，智能仪器仪表最大的特点是嵌入式系统和网络技术的结合。嵌入式系统软硬件的快速发展带动智能仪器仪表进入更广阔的应用领域，使得仪器仪表本身更加小型化、功能更加全面、处理能力大大提高、可靠性进一步提高；而始于20世纪90年代末的网络技术的进步为智能仪器仪表打开了新的天地，无线的、有线的网络仪器仪表在各个领域随处可见，而且代表人类科技最高端的航空航天领域都闪烁着智能仪器仪表的光辉。

总的来说，智能仪表的发展过程和发展概况可以从对传统仪器的改进和新型仪器的出现两个方面来归纳。

（2）智能仪表的发展趋势：

①微型化。微型智能仪器是指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理、控制信号的输出和放大、与其他仪器的接口、与人交互等功能。微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断降低，因此其应用领域也将不断扩大。它不但具有传统仪器的功能，而且能在自动化技术、航空航天、军事、生物技术、医疗领域起到独特的作用。

②多功能化。多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能上比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。

③智能化。人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉（图形及色彩辨读）、听觉（语音识别及语言领悟）、思维（推理、判断）等方面具有一定的能力。这样，智能仪器可无须人的干预而自主地完成检测或控制功能。显然，人工智能在现代仪器仪表中的应用，不仅使人类可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决用传统方法根本不能解决的问题。

④网络化。伴随着网络技术的飞速发展，Internet技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透，人们可以实现智能仪器仪表系统基于Internet的通信能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。

⑤虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段。测量仪器的主要功能多是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。在虚拟现实系统中，数据分析和显示完全用PC机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC机组成测量仪器。这种基于PC机的测量仪器称为虚拟仪器。在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。可见，软件系统是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”。

传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算机技术，而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。

近20年来，智能仪器仪表与微计算机技术取得令人瞩目的进展，就其技术背景而言，计算机的硬件和软件不断地发展及创新不能不说是非常重要的因素。就仪器仪表的发展来看，对下文所述的几类硬件和软件的发展应特别加以关注。