测量控制与仪器仪表发展现状与分析研究

王雷涛　李兵

摘   要：主要分析了我国国产仪器的优势与不足，剖析了测量控制与仪器仪表行业面临的机遇与挑战。此外，结合第二十九届中国国际测量控制与仪器仪表展览会上新型产品的技术特点给予归纳，并对仪器技术方面的发展给出了建议。

关键词：国产仪器;微小化与集成化;可靠性;仪器仪表

第二十九届中国国际测量控制与仪器仪表展览会提供了一个展示企业文化、企业产品和服务的绝佳机会。因此，展品通常代表了企业最高的技术能力，反映了真实的业界研发与工艺水平，近万件展品自然是分析仪器现状与发展的绝佳素材。

1    国产仪器的优势

1.1  常规测量仪器测量水平差距小

中国电子科技集团公司41研究所年夫顺研究员在“工业强基助力产业转型升级高峰论坛”做了《关于科学仪器发展的若干问题思考》报告，报告涉及国内外仪器参数，如表1所示。

其结果与以往用户对国产仪器的印象大为不同，国产仪器正在突破测量范围与准确度不足的窘迫局面，从表1的几种常规测量仪器来看，如微波测试仪器、毫米波测试仪，不难发现部分仪器测量参数已追齐国外尖端水平，原因必然是部分国产仪器企业掌握了核心测量技术与加工工艺。在技术指标达标的情况下，国产仪器从市场经济角度来看，其订购周期、产品价格都会带来显著优势，将是国产仪器不断发展与壮大的根本。

1.2  良好的技术服务

通过走访国产仪器的展位得知，国产专有仪器在销售及售后服务方面有得天独厚的优势，国产仪器大多都有专业的售前工程师负责选型，售后工程师负责上门指导，长期产品跟踪，并且退、换货流程简短，服务及时，具有完整的售后服务。进口专有仪器设备通常要订货，从加工到海运，一般要通过专业的代理公司才能有比较良好的采购体验，然而，供货时间、商品因中间环节的附加费用等都很难让产品有性价比优势。

2    国产仪器劣势

实际上，我国仪器市场留给国产企业的份额极其有限。2017年，我国仪器仪表出口总额1 347.74亿人民币，进口总额1 103.90亿美元。在某些专有领域，进口仪器几乎100%，例如2016年成都质检院花费1 142万元采购12类仪器设备，全部采用进口产品。2017年，四川政府采购产品论证，96类仪器建议采购进口产品。这些案例都是政府采购仪器，虽然政策对国产仪器有所倾斜，仍然不能打破国产仪器市场占有率低的局面。

2.1  认知度低

国产仪器因前期起步晚，产品设计人性化不足、测量准确度不够、工作不稳定等各种问题，在用户群体中印象不好。并且，老旧工程师人员交替时，个人见解会有传承，使其效应持续发酵。此外，工业系统设计初期，一般为科学研究课题，仪器经费相对充裕，国产仪器设备很难被考虑为系统组建环节，在产业化阶段，因兼容性、技改等因素，国产仪器将更无机会取代进口仪器。例如展会中，聚光科技为一家分析仪器和环保监测仪器企业，研发的CEMS烟气排放连续监测系统水平业界领先，然而，通常调研初期，一般会将霍尼韦尔的产品为重点考虑对象，在符合设计要求的情况下，很难选用国产监测设备。

2.2  可靠性不足

现有阶段，影响国产仪器发展的最大障碍是可靠性问题。仪器仪表可靠性不足与我国可靠性工作起步较晚，欠缺验收标准与手段，重视程度不够等因素有关。在以往的调查中，从可靠性工程管理、设计分析、实验评价等方面对仪器企业进行调研，发现数据极其不理想，数据最高的可靠性工作计划制定与检查也仅为31.36%，环境实验中的强化实验更是低至2%[1]。

2.3  高端测量设备匮乏

高端设备研发周期长，技术封锁强等诸多原因使得企业很难短时间突破技术难关。例如光刻机有3万多个光刻零件，其中，70%为超精密级加工精度，含有30多万种测量参数，600多种超精密测量仪器，虽然研发投入较大，但目前的光刻机制造水平相当于2005年世界水平，滞后国外4～5代。此外，专用测量设备100%的禁运，也使引进的道路无法走通。

2.4  国家计量测试体系不完整

在展会高峰论坛上，来自哈尔滨工业大學的谭久彬教授提到了我国工业测试体系不完整的问题。计量测试体系以国家标准为源头，自上而下地传递到具体产品的生产工艺中，以德国为对比对象。我国工程参量为全领域参量，仅有80项国家基标准，而德国非全领域参量，其国家基标准为123项，加上没有专用计量仪器，导致大量传递链断裂，到厂级的计量仪器更加缺乏，测量值不能传递到产品，为产品与仪器的可靠性不佳埋下隐患。

3    国内仪器行业发展机遇与挑战

世界电子仪器市场总量为400亿美元，其增长率为1%～2%，中国电子仪器市场在世界仪器市场的占比为10%，其市场增长率以每年5%的速度快速递增，中国市场是全球电子仪器发展的强劲动力。可以推测，国内仪器相关产业发展相对稳定，但国外仪器企业也会将注意力集中在我国，增加国产企业的竞争难度。

国家自“十二五”规划以来，加大了对仪器行业的支持力度，先后有重大科研仪器研制项目（国家自然基金委）、国家科学仪器开发重点专项（国家科技部）、通用测试技术预先研究项目等国家资金支持项目。进入“十三五”以来，在前期扶持政策继续跟进的情况下，国家又出台了《“十三五”先进制造技术领域科技创新专项规划》《国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》等政策，对仪器仪表行业予以扶持与鼓励。《中国制造2025》明确指出，加快发展智能制造装备和产品，突破新型传感器、智能测量仪表、工业控制系统等智能核心装置，推进工程化和产业化，将极大地推动仪器行业的发展。国产仪器研发将继续受惠于国家政策，研发环境良好。

4    技术发展展望与建议

展品作为优秀的样本素材，不仅能洞察仪器行业发展问题，更能精准了解技术实现手段及其发展方向。下面通过典型的具体产品解析，分析及总结仪器的技术特点，将对传统仪器发展具有指导意义。

4.1  微小化与集成化

测量单元微小化与集成化研究一直是测量领域研究的热点[2]，如对流场的测量，体积过大的测量单元会破坏测量流场，不但会使测量不准确，还会导致原有流场畸变。再如，近年炙手可热的可穿戴设备，没有微小与集成化的技术支持也将无法实现。基于微机电系统（Microelectro Mechanical Systems，MEMS）的器件具有体积小、惯性小、谐振频率高等特点，是实现微小化与集成化的重要技术手段。随着近四十年的发展，MEMS技术日趋成熟[3]。展会上，南京高华科技有限股份有限公司、苏州诺联芯电子科技公司等国内企业展示了基于MEMS芯片级测量单元及组件，例如高华科技的GM2000通用型加速度传感器芯片，嵌入了低功耗ASIC（0.5 mA）电路和温度传感器，采用LCC20陶瓷封装，兼顾了低功耗、温度补偿与可靠性封装的技术需求。

4.2  组合创新与兼容性

标准化对仪器产业发展有着深远影响，目前有3大国际标准化组织ISO、IEC、ITU，对产业产品有相应的标准体系[4]。技术规范的标准化为单元组合、数据互联提供了可能，对于新仪器设备的研发，如果能从兼容组合角度着手，将是仪器研发创新的可选之路。展会上，巨高电子展示了一款手机热成像相机C1，可谓兼容组合的典范，质量仅为26 g的外挂摄像头通过TYPE-C接口挂接到手机上，即可获得0.1 ℃分辨率热感实时图像，可应用在电路板、线路老化、暖气漏水检测等场景，应用领域广阔，其便携性与兼容性的特点，在市场上成功地找到了切入点。

4.3  远程编程与在线监控

远程监控的技术迭代已维持多年，随着智能制造的概念提出及实施，其技术更新在持续深化。在展会上，光洋电子（无锡）有限公司推出了最新型的智能控制器SJ-ETHER系列控制器，均已配备以太网接口，支持EtherNet/IP、CC-Link IE Field Basic、MODBUS/TP协议，能够实现远程监控。更重要的是，还配备了KPP编程工具软件，支持梯形图式、级式、助记符式3种编程方式，可远程导入，极大方便了设计与维护。软硬件结合是测控的基本构成形式，然而，企业培养一个专业领域软硬兼顾的工程师投入的成本较大。可以预测，这种软硬结合的产品将是未来市场的主流。

4.4  多参数测量与应用

多参数测量在改变测量的基本思维，尤其在环境复杂、参数种类繁多的应用场合，如高性能的发动机装配3.5万个零件，20多万个待测量，如果每一个测量都需要专有设备，工作量不可估量。因此，多参数测量具有现实意义。展会上，多参数测量设备比较常见，例如湖南国瑞仪器有限公司推出的GRI-IAT空气质量在线监测系统，可以监测PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3、TVOC、温湿度等多种参数。此外，传感器的应用领域也在不断拓展，例如苏通自控生产的电动执行器，在电机环节埋入温度敏感元件，对其实施高温保护，防止烧损执行器电机。可以预测，将来会有更多的传感器加入生产环节与产品中，使生产的可控性、產品的可靠性大幅提高。

5    结语

中国国际测量控制与仪器仪表展览会无疑是一场仪器行业的盛会，是行业与技术发展的风向标，是寻求技术支持与交流的信息流，是宣扬企业文化与产品的大舞台。特别感谢樊尚春老师百忙之中特意提供展会信息，不仅获悉仪器发展动态，也更高效地积累了众多产品资源。此外，了解仪器发展的制约因素，会为科学研究方向提供思路与借鉴。

[参考文献]

[1]朱嘉伟，李   骞，高   军.我国仪器行业的可靠性工作现状分析[J].电子产品可靠性与环境试验，2015（1）：61-65.

[2]金国藩，周兆英.仪器仪表的微小化、集成化和智能化[J].现代科学仪器，2000（3）：7-8.

[3]宋   宇，张海霞.微电子机械系统研究领域的最新进展—IEEE MEMS 2018国际会议综述[J].太赫兹科学与电子信息学报，2018（2）：372-378.

[4]段华威.实验室仪器及设备标准化的重要性[C].//杭州：第十二届中国标准化论坛，2015：4.