典型工业过程参数检测
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• 设计理念的现代化
− 以人为本的理念、可靠性理念、傻瓜化理念、 信息化理念等
7.2.1 光机电一体化设计
• 光机电一体化是由光学、机械学、微电子
学、信息处理与控制和软件等各种相关技 术交叉融合而构成的群体技术
• 组成：本体结构、计算机控制器、驱动装
置、传感器（见图 7-2，p.200，或p.221）
过程
• 过程控制、离散控制、批量控制 • 控制系统占工程总投资约5%~20%，对工
程效益的贡献约40%~60%
• 控制系统是生产工艺控制和企业管理的不可
分割的组成部分
• 国内企业对先进控制系统的追求超过国外
8.2 典型工业过程参数检测的发展趋势 8.2.0 有关检测的两个理念 8.2.0.1 应用理念
可靠 安全性 性 可靠性
电气安全（绝缘电阻、绝缘强度等），功能安全 MTBF、可维护性、寿命
控制测量案例
• 国内某水泥厂要求对回转窑外壳测温 • 用红外温度计测得外表面温度约430℃ • 用户根据实行了20多年的工艺文件，认为
应该低于300 ℃
• 经过验证应该是430 ℃以上 • 我们注意到用了20多年的工艺文件，将实
际400多度的温度，误认为不到300度。这 样的情况并没有影响20多年的生产和产品 质量
• 三种典型技术
− 以美国为代表的硅微机械加工技术（表面牺牲 层工艺）
− 以德国为代表的LIGA（光刻、电铸成型、塑铸 成型）技术
− 以日本为代表的精密机械加工技术
• 纳米技术
− 纳米电子学、纳米材料、纳米机械、纳米化学、 纳米生物学、纳米加工技术
7.4.3 微米纳米的融合 7.4.4 微米纳米技术对现代仪器的影响
− 质量信息系统（Quality Information System, QIS）
7.3.2 柔性制造系统
• 硬件组成
− 两台以上加工中心或数控机床 − 自动物料储运系统
• 软件组成
− FMS运动控制系统 − FMS建模与仿真 − 数据管理
7.3.3 虚拟制造技术
• 虚拟制造技术（Virtual Manufacturing
7.2.4 产品与系统的创新设计
• 创新设计技术
− 实现前人未曾实现过的功能、要求，更新现有 产品的工作原理、主要结构、材料、工艺。以 提高该产品的竞争能力
− 仿生法、智爆法、联想法、德尔菲法、形象思 维法、阵列法
• 可制造设计
− 设计阶段决定了70%~80%的制造生产率和 70%~85%的产品成本
7.3.4 绿色制造技术
• 绿色制造（Green Manufacturing, GM）是
综合考虑环境影响和资源效率的制造制造 模式，目标是使得产品从设计、制造、包 装、运输、使用到报废的整个产品生命周 期中，对环境的负面影响最小、资源效率 最高，使企业经济效益与社会效益协调、 优化
7.4 微米纳米制造技术与现代仪器科学 7.4.1 微米纳米技术
控制测量案例
• 国内某水泥厂要求对回转窑外壳测温 • 用红外温度计测得外表面温度约430℃ • 用户根据实行了20多年的工艺文件，认为
应该低于300 ℃
• 经过验证应该是430 ℃以上 • 我们注意到用了20多年的工艺文件，将实
际400多度的温度，误认为不到300度。这 样的情况并没有影响20多年的生产和产品 质量
8.1 地位、作用和特点
• 检测、控制、执行三大环节分步螺旋发展 • 执行对象
– 运动对象、能量对象 – 固体对象、流体对象（气体、液体、电流）
• 执行器
– 机械手、机器人等机械机构 – 泵、阀、风机、电触发器
• 驱动方式（开关控制、功率控制、变频调速）
8.1 地位、作用和特点
• 连续过程（PA）、离散过程（FA）、间歇
Technology, VMT）是以虚拟现实（VR）和 仿真技术为基础，对产品的设计、生产过 程统一建模，在计算机上实现产品从设计、 加工、和装配、检验、使用整个生命周期 的模拟和仿真
• 虚拟企业（Virtual Enterprise, VE）是虚拟
制造环境下的一种企业生产模式和组织模 式，是一种企业合作形式
性
辐射、光路吸收
动力环境 电源（电压、电流、频率、功率），气源（压力、流量等）
环境 负载能力 性 适应 气候环境 能 性 机械环境
化学环境
负载变化、过载能力 温度、湿度、盐雾、霉菌、粉尘、雨水、太阳辐照 振动、冲击、摇摆、跌落、运输 腐蚀、催化
爆炸环境 燃气环境、粉尘环境
电磁环境 电磁敏感度、电磁骚扰、传导影响、静电、共摸、串模
• 1 nm = 1×10-6 m • 加工技术的发展与摩尔定律的关系（参见
图 7-1，p.199，或p.220）
• MEMS技术（Micro Electro Mechanical
System, 微电子机械系统）
• MEMS技术主要应用于传感器、光学器件、
射频器件、微流体与生物器件
7.4.2 微米纳米制造技术
测量控制与仪器仪表 前沿技术及发展趋势
测量控制与仪器仪表工程师资格 认证培训
第2篇 测量控制与仪器仪表前沿技术
7 现代仪器仪表的设计与制造
范铠 上海工业自动化仪表研究院 副院长
7.1 先进设计制造技术对仪器仪表的作用
• 优良的设计是产品成功的基础
− 广义“设计”覆盖产品生命周期的全过程 − 狭义“设计”特指产品外观和功能的设计
• MEMS技术是纳米科学走向纳米技术的桥梁
• Top-Down技术（由大到小）
– MEMS技术
• Bottom-Up技术（由大到小）
• 将对分析科学、生化仪器、医疗仪器及整
个仪器仪表科学技术产生影响
第3篇 典型测量控制与仪器仪表的发展趋势
8 典型工业过程参数检测与 控制系统的发展趋势
范铠 上海工业自动化仪表研究院 副院长
• 从应用角度将检测分为：
– 计量检测 – 控制检测
检测的分类
• 计量检测
– 要求：精确度高（线性度、重复性、回差）、 或（测量）不确定度小
– 用途：贸易、健康、安全、环保、科学研究
• 控制检测（报警检测）
– 要求：重复、稳定、单调、响应速度合适 （高度可靠、鲁棒）
– 用途：生产过程的控制和管理
控制测量案例
7.2.4 产品与系统的创新设计
• 可维护设计
− 强化可维护的设计（见图 7-3，p.208，或 p.229）
− 免维护设计、一次性使用
• 人因学设计 • 外观设计
− 人所感知的信息80%来自视觉
• 软件的质量保证
7.2.5 可靠性设计
• 可靠性是对象在指定条件下、规定时间内
完成规定功能的能力
• 基本可靠性——平均故障间隔时间（mean
7.2.1 光机电一体化设计
• 光机电一体化的特点：
1. 小型化、轻型化 2. 高精度、智能化、柔性化 3. 高可靠性
• 光机电一体化的相关技术
机械、光学、系统集成、检测与传感、信息处 理、自动控制、伺服驱动（机械、流体）
• 光机电一体化的发展趋势
微型化、智能化、模块化、数字化、集成化、 信息化
7.2.2 智能化设计
manufacturing, CIM）
• 现代集成制造（contemporary integrated
manufacturing, CIM）
• 递阶控制结构（参见图 7-4，p.219，或
p.239）
• 总体发展趋势
− 集成化、数字化/虚拟化、智能化、敏捷化、 网络化、绿色化
7.3.1 计算机集成制造系统技术
性能
8.2.0.2 评价理念
• 现代仪表评价分三方面：性能、功能和服
务
• 性能：除前述性能外，下一个重点可能
是——容错能力等指标外性能
• 功能：功能评价是结合服务进行的，包括
客观评价和主观评价
• 附件：仪表的部分性能、功能是与附件密
不可分的，在工业辐射温度计中尤其重要
8.2.0.2 评价理念
• 服务：要评价样本、说明书、操作手册、
7.3 仪器仪表的前沿制造技术
• 基于计算机控制的各种先进制造技术 • 先进机械制造技术 • 先进电子制造技术
− 表面安装技术（SMT）、无氟无氯清洗技术、 无铅焊接技术、柔性和多层电路板技术，电路 板测试技术和防护技术等
• 先进制造管理技术
7.3.1 计算机集成制造系统技术
• 计算机集成制造（computer-integrated
• 商业化高水平仪表——个别指标高得超出
了Fra Baidu bibliotek际需要
• 高应用水平——应用技术的重要性远超过
仪表性能，制造企业在仪表产品之外还可 提供高水平的解决方案，解决应用中的重 点、难点问题
8.2.0.2 评价理念
对仪表评价的概念发生重大变化
• 仪表评价经历的历程
– 计量性能（测量精度、重复性等） – 全性能（环境影响量、响应性等） – 可靠性（MTBF等） – 电磁兼容性（抗干扰能力、电磁骚扰等） – 下一个重点可能是——容错能力等指标外
7.2.2 智能化设计
• 智能化设计的主要内容和基本问题
− 建模 − 智能设计软件系统的研究开发
• 智能化设计的主要方法
− 数字化 − 并行化 − 虚拟化
7.2.3 信息化设计
• 信息——能量传输的最佳偶合设计
− 尽量减少信号传输环节 − 建立传输环节的偶合关系，确保信号有效传输
• 信息传输通道的无失真优化 • 信息融合设计 • 增加仪表的信息量 • 网络化分布式信息获取、储存和处理方式
• 设计缺陷往往是制造与检验无法克服的 • 广义的产品质量包括：
− 结构性能、工作性能、制造性能 − 参见表 1-1，p.10（或表 2-2 ，p.50）
7.2 仪器仪表的现代设计技术
• 设计工具的现代化
− 计算机辅助设计工具（机械、电子、芯片、光 学、可靠性、智能等，以及各种计算工具）
− 计算机仿真设计工具（机械、电子、电磁波、 传热等
• 组成
− 管理信息系统（Management information system, MIS），制造资源计划（Manufacture Resource Planning，MRP II）
−工程信息系统（Engineering Information System, EIS）
− 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System, FMS）
time between failures, MTBF）
• 任务可靠性——任务可靠度（mission
reliability, MR）、致命性故障间隔任务时 间（mission time between failures, MTBCF）
• 固有可靠性、使用可靠性
7.2.5 可靠性设计
• 浴盆曲线（产品寿命曲线）
态”下持续的时间，只要“热状态”是合 适的，无论该状态叫多少度，都能够保证 产品的质量
• 如果控制测量结果接近计量测量结果，将
方便学术交流、缩短工艺调试时间
• “控制测量”偏离“计量测量”是会付出
代价的
8.2.0.1 应用理念
三类不同的高水平仪表
• 高性能指标仪表——仪表的综合性能指标
水平高，（比较全面、平衡）
帮助文件、演示文件、网页、传真和技术 人员的现场服务
• 由于含机器代码的器件增多，许多评价不
仅对最终仪表整机进行，还要评价设计过 程
• 软、硬件可靠性、安全性等评价都包括设
计过程中的内容
8.2.0.2 评价理念
基本 性能
测量性能
测量范围、准确度、重复性、分辨力、回差、稳定性
对象适应 响应时间、导热性、热容量、工作波长、目标大小、背景
控制测量案例
• 因为影响产品质量的是原料在指定“热状
态”下持续的时间，只要“热状态”是合 适的，无论该状态叫多少度，都能够保证 产品的质量
• 如果控制测量结果接近计量测量结果，将
方便学术交流、缩短工艺调试时间
• “控制测量”偏离“计量测量”是会付出
代价的
控制测量案例
• 因为影响产品质量的是原料在指定“热状
• 可靠性工程的过程（贯彻产品生命周期的全过
程）
− 可靠性预计（计数法），可靠性分析（故障树法）， 可靠性验证试验，可靠性增长试验
7.2.5 可靠性设计
• 可靠性工程的内容
− 元器件、零部件的选择与控制 − 降额设计（电压、功率、温度、机械环境等） − 热设计 − 简化设计 − 冗余设计 − 环境防护设计 − 人机工程设计 − 电磁兼容设计 − 容错设计
• 智能（Intelligence）仪器仪表：以微型计
算机、微处理器微核心，数据采集与传感 器系统相结合的仪器仪表系统？？
• 智能化以一系列智能功能来体现 • 人工智能（Artificial Intelligence, AI）包括：
信息的获取，知识的表达、继承、管理、 协调和使用，具有对信息和知识的分析、 综合和推理过程
− 以人为本的理念、可靠性理念、傻瓜化理念、 信息化理念等
7.2.1 光机电一体化设计
• 光机电一体化是由光学、机械学、微电子
学、信息处理与控制和软件等各种相关技 术交叉融合而构成的群体技术
• 组成：本体结构、计算机控制器、驱动装
置、传感器（见图 7-2，p.200，或p.221）
过程
• 过程控制、离散控制、批量控制 • 控制系统占工程总投资约5%~20%，对工
程效益的贡献约40%~60%
• 控制系统是生产工艺控制和企业管理的不可
分割的组成部分
• 国内企业对先进控制系统的追求超过国外
8.2 典型工业过程参数检测的发展趋势 8.2.0 有关检测的两个理念 8.2.0.1 应用理念
可靠 安全性 性 可靠性
电气安全（绝缘电阻、绝缘强度等），功能安全 MTBF、可维护性、寿命
控制测量案例
• 国内某水泥厂要求对回转窑外壳测温 • 用红外温度计测得外表面温度约430℃ • 用户根据实行了20多年的工艺文件，认为
应该低于300 ℃
• 经过验证应该是430 ℃以上 • 我们注意到用了20多年的工艺文件，将实
际400多度的温度，误认为不到300度。这 样的情况并没有影响20多年的生产和产品 质量
• 三种典型技术
− 以美国为代表的硅微机械加工技术（表面牺牲 层工艺）
− 以德国为代表的LIGA（光刻、电铸成型、塑铸 成型）技术
− 以日本为代表的精密机械加工技术
• 纳米技术
− 纳米电子学、纳米材料、纳米机械、纳米化学、 纳米生物学、纳米加工技术
7.4.3 微米纳米的融合 7.4.4 微米纳米技术对现代仪器的影响
− 质量信息系统（Quality Information System, QIS）
7.3.2 柔性制造系统
• 硬件组成
− 两台以上加工中心或数控机床 − 自动物料储运系统
• 软件组成
− FMS运动控制系统 − FMS建模与仿真 − 数据管理
7.3.3 虚拟制造技术
• 虚拟制造技术（Virtual Manufacturing
7.2.4 产品与系统的创新设计
• 创新设计技术
− 实现前人未曾实现过的功能、要求，更新现有 产品的工作原理、主要结构、材料、工艺。以 提高该产品的竞争能力
− 仿生法、智爆法、联想法、德尔菲法、形象思 维法、阵列法
• 可制造设计
− 设计阶段决定了70%~80%的制造生产率和 70%~85%的产品成本
7.3.4 绿色制造技术
• 绿色制造（Green Manufacturing, GM）是
综合考虑环境影响和资源效率的制造制造 模式，目标是使得产品从设计、制造、包 装、运输、使用到报废的整个产品生命周 期中，对环境的负面影响最小、资源效率 最高，使企业经济效益与社会效益协调、 优化
7.4 微米纳米制造技术与现代仪器科学 7.4.1 微米纳米技术
控制测量案例
• 国内某水泥厂要求对回转窑外壳测温 • 用红外温度计测得外表面温度约430℃ • 用户根据实行了20多年的工艺文件，认为
应该低于300 ℃
• 经过验证应该是430 ℃以上 • 我们注意到用了20多年的工艺文件，将实
际400多度的温度，误认为不到300度。这 样的情况并没有影响20多年的生产和产品 质量
8.1 地位、作用和特点
• 检测、控制、执行三大环节分步螺旋发展 • 执行对象
– 运动对象、能量对象 – 固体对象、流体对象（气体、液体、电流）
• 执行器
– 机械手、机器人等机械机构 – 泵、阀、风机、电触发器
• 驱动方式（开关控制、功率控制、变频调速）
8.1 地位、作用和特点
• 连续过程（PA）、离散过程（FA）、间歇
Technology, VMT）是以虚拟现实（VR）和 仿真技术为基础，对产品的设计、生产过 程统一建模，在计算机上实现产品从设计、 加工、和装配、检验、使用整个生命周期 的模拟和仿真
• 虚拟企业（Virtual Enterprise, VE）是虚拟
制造环境下的一种企业生产模式和组织模 式，是一种企业合作形式
性
辐射、光路吸收
动力环境 电源（电压、电流、频率、功率），气源（压力、流量等）
环境 负载能力 性 适应 气候环境 能 性 机械环境
化学环境
负载变化、过载能力 温度、湿度、盐雾、霉菌、粉尘、雨水、太阳辐照 振动、冲击、摇摆、跌落、运输 腐蚀、催化
爆炸环境 燃气环境、粉尘环境
电磁环境 电磁敏感度、电磁骚扰、传导影响、静电、共摸、串模
• 1 nm = 1×10-6 m • 加工技术的发展与摩尔定律的关系（参见
图 7-1，p.199，或p.220）
• MEMS技术（Micro Electro Mechanical
System, 微电子机械系统）
• MEMS技术主要应用于传感器、光学器件、
射频器件、微流体与生物器件
7.4.2 微米纳米制造技术
测量控制与仪器仪表 前沿技术及发展趋势
测量控制与仪器仪表工程师资格 认证培训
第2篇 测量控制与仪器仪表前沿技术
7 现代仪器仪表的设计与制造
范铠 上海工业自动化仪表研究院 副院长
7.1 先进设计制造技术对仪器仪表的作用
• 优良的设计是产品成功的基础
− 广义“设计”覆盖产品生命周期的全过程 − 狭义“设计”特指产品外观和功能的设计
• MEMS技术是纳米科学走向纳米技术的桥梁
• Top-Down技术（由大到小）
– MEMS技术
• Bottom-Up技术（由大到小）
• 将对分析科学、生化仪器、医疗仪器及整
个仪器仪表科学技术产生影响
第3篇 典型测量控制与仪器仪表的发展趋势
8 典型工业过程参数检测与 控制系统的发展趋势
范铠 上海工业自动化仪表研究院 副院长
• 从应用角度将检测分为：
– 计量检测 – 控制检测
检测的分类
• 计量检测
– 要求：精确度高（线性度、重复性、回差）、 或（测量）不确定度小
– 用途：贸易、健康、安全、环保、科学研究
• 控制检测（报警检测）
– 要求：重复、稳定、单调、响应速度合适 （高度可靠、鲁棒）
– 用途：生产过程的控制和管理
控制测量案例
7.2.4 产品与系统的创新设计
• 可维护设计
− 强化可维护的设计（见图 7-3，p.208，或 p.229）
− 免维护设计、一次性使用
• 人因学设计 • 外观设计
− 人所感知的信息80%来自视觉
• 软件的质量保证
7.2.5 可靠性设计
• 可靠性是对象在指定条件下、规定时间内
完成规定功能的能力
• 基本可靠性——平均故障间隔时间（mean
7.2.1 光机电一体化设计
• 光机电一体化的特点：
1. 小型化、轻型化 2. 高精度、智能化、柔性化 3. 高可靠性
• 光机电一体化的相关技术
机械、光学、系统集成、检测与传感、信息处 理、自动控制、伺服驱动（机械、流体）
• 光机电一体化的发展趋势
微型化、智能化、模块化、数字化、集成化、 信息化
7.2.2 智能化设计
manufacturing, CIM）
• 现代集成制造（contemporary integrated
manufacturing, CIM）
• 递阶控制结构（参见图 7-4，p.219，或
p.239）
• 总体发展趋势
− 集成化、数字化/虚拟化、智能化、敏捷化、 网络化、绿色化
7.3.1 计算机集成制造系统技术
性能
8.2.0.2 评价理念
• 现代仪表评价分三方面：性能、功能和服
务
• 性能：除前述性能外，下一个重点可能
是——容错能力等指标外性能
• 功能：功能评价是结合服务进行的，包括
客观评价和主观评价
• 附件：仪表的部分性能、功能是与附件密
不可分的，在工业辐射温度计中尤其重要
8.2.0.2 评价理念
• 服务：要评价样本、说明书、操作手册、
7.3 仪器仪表的前沿制造技术
• 基于计算机控制的各种先进制造技术 • 先进机械制造技术 • 先进电子制造技术
− 表面安装技术（SMT）、无氟无氯清洗技术、 无铅焊接技术、柔性和多层电路板技术，电路 板测试技术和防护技术等
• 先进制造管理技术
7.3.1 计算机集成制造系统技术
• 计算机集成制造（computer-integrated
• 商业化高水平仪表——个别指标高得超出
了Fra Baidu bibliotek际需要
• 高应用水平——应用技术的重要性远超过
仪表性能，制造企业在仪表产品之外还可 提供高水平的解决方案，解决应用中的重 点、难点问题
8.2.0.2 评价理念
对仪表评价的概念发生重大变化
• 仪表评价经历的历程
– 计量性能（测量精度、重复性等） – 全性能（环境影响量、响应性等） – 可靠性（MTBF等） – 电磁兼容性（抗干扰能力、电磁骚扰等） – 下一个重点可能是——容错能力等指标外
7.2.2 智能化设计
• 智能化设计的主要内容和基本问题
− 建模 − 智能设计软件系统的研究开发
• 智能化设计的主要方法
− 数字化 − 并行化 − 虚拟化
7.2.3 信息化设计
• 信息——能量传输的最佳偶合设计
− 尽量减少信号传输环节 − 建立传输环节的偶合关系，确保信号有效传输
• 信息传输通道的无失真优化 • 信息融合设计 • 增加仪表的信息量 • 网络化分布式信息获取、储存和处理方式
• 设计缺陷往往是制造与检验无法克服的 • 广义的产品质量包括：
− 结构性能、工作性能、制造性能 − 参见表 1-1，p.10（或表 2-2 ，p.50）
7.2 仪器仪表的现代设计技术
• 设计工具的现代化
− 计算机辅助设计工具（机械、电子、芯片、光 学、可靠性、智能等，以及各种计算工具）
− 计算机仿真设计工具（机械、电子、电磁波、 传热等
• 组成
− 管理信息系统（Management information system, MIS），制造资源计划（Manufacture Resource Planning，MRP II）
−工程信息系统（Engineering Information System, EIS）
− 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System, FMS）
time between failures, MTBF）
• 任务可靠性——任务可靠度（mission
reliability, MR）、致命性故障间隔任务时 间（mission time between failures, MTBCF）
• 固有可靠性、使用可靠性
7.2.5 可靠性设计
• 浴盆曲线（产品寿命曲线）
态”下持续的时间，只要“热状态”是合 适的，无论该状态叫多少度，都能够保证 产品的质量
• 如果控制测量结果接近计量测量结果，将
方便学术交流、缩短工艺调试时间
• “控制测量”偏离“计量测量”是会付出
代价的
8.2.0.1 应用理念
三类不同的高水平仪表
• 高性能指标仪表——仪表的综合性能指标
水平高，（比较全面、平衡）
帮助文件、演示文件、网页、传真和技术 人员的现场服务
• 由于含机器代码的器件增多，许多评价不
仅对最终仪表整机进行，还要评价设计过 程
• 软、硬件可靠性、安全性等评价都包括设
计过程中的内容
8.2.0.2 评价理念
基本 性能
测量性能
测量范围、准确度、重复性、分辨力、回差、稳定性
对象适应 响应时间、导热性、热容量、工作波长、目标大小、背景
控制测量案例
• 因为影响产品质量的是原料在指定“热状
态”下持续的时间，只要“热状态”是合 适的，无论该状态叫多少度，都能够保证 产品的质量
• 如果控制测量结果接近计量测量结果，将
方便学术交流、缩短工艺调试时间
• “控制测量”偏离“计量测量”是会付出
代价的
控制测量案例
• 因为影响产品质量的是原料在指定“热状
• 可靠性工程的过程（贯彻产品生命周期的全过
程）
− 可靠性预计（计数法），可靠性分析（故障树法）， 可靠性验证试验，可靠性增长试验
7.2.5 可靠性设计
• 可靠性工程的内容
− 元器件、零部件的选择与控制 − 降额设计（电压、功率、温度、机械环境等） − 热设计 − 简化设计 − 冗余设计 − 环境防护设计 − 人机工程设计 − 电磁兼容设计 − 容错设计
• 智能（Intelligence）仪器仪表：以微型计
算机、微处理器微核心，数据采集与传感 器系统相结合的仪器仪表系统？？
• 智能化以一系列智能功能来体现 • 人工智能（Artificial Intelligence, AI）包括：
信息的获取，知识的表达、继承、管理、 协调和使用，具有对信息和知识的分析、 综合和推理过程