智能仪器的发展趋势与前景

西安理工大学

研究生课程论文/研究报告

课程名称：智能仪器

课程代号：030416

任课教师：赵怀军

论文/研究报告题目：智能仪器的研究现状与发展趋势完成日期：2016 年7 月19 日

学科：仪器仪表工程

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目录

1.研究现状 (3)

1.1智能仪器的历史沿革 (3)

2.发展趋势 (4)

2.1智能仪器的组成 (4)

2.2智能仪器的发展趋势 (5)

(1)微型化 (5)

(2)多功能化 (5)

(3)人工智能化 (6)

(4)融合ISP和EMIT技术 (6)

(5)网络化 (6)

(6)虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段 (6)

2.3智能仪器与数据采集系统的发展趋势 (7)

(1)独立式智能仪器及自动测试系统 (7)

(2)个人仪器与VXI仪器系统 (8)

3.总结 (9)

4.主要参考文献 (9)

1.研究现状

测试仪器是实现测试的基本工具。测试仪器发展至今，主要经历了四个阶段：

（1）模拟仪器

早期的模拟仪器是基于物理定律产生的，如安培表、伏特表等。这种仪器的共同特征是带有表盘和机械表针，靠人读取被测量，因而误差大，精度低。到20世纪50年代，随着电子技术的兴起，出现了电子仪器仪表，如电子示波器、信号发生器等。

（2）数字仪器

数字仪器是将对模拟信号的测量转化为对数字信号的测量，并以数字形式显示和输出测量结果，如数字电压表、数字电流表等。

（3）智能仪器

智能仪器是将微处理器置入数字仪器中，实现数据存储、数据处理、逻辑判断、仪器自检等功能。[10]含有微计算机或微处理器的测量仪器，由于拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动操作等功能，有着一定的智能作用，因而被称为智能仪器。智能仪器是计算机技术向测量仪器移植的产物。近年来，随着迅猛发展的微计算机和微电子等技术渗透到测量和仪器领域，智能仪器已开始从数据处理向知识处理发展，其概念内涵日益延拓。

（4）虚拟仪器

现代科学技术的飞速发展，高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。计算机总线技术、软件技术及相关技术的发展，使计算机的作用超出了原有的范围，实现了许多原本由硬件完成的或者硬件不能胜任的功能，这标志着“软件即仪器”时代的到来。作为一种以计算机软件为核心的新型仪器系统，虚拟仪器功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强[11]。

1.1智能仪器的历史沿革

20世纪70年代，出现了基于大规模集成电路的微处理器，人们在其小体型、高效率、自动化等特点驱使下，开始对仪器仪表进行智能化改造。1973 年，出现了内含微处理器的商品化测量仪器。到1975年，世界上约有近百种这类新型测量仪器仪表问世。内含微处理器的新型仪器集合了计算机技术和测控技术，具有了一定的人的智能特性，诸如数据记忆及处理、逻辑判断、自检验、自校正、灵活反应等功能，因此被人们称为智

能仪器。20世纪80年代，NI公司提出了“虚拟仪器”的概念。虚拟仪器是虚拟现实技术在仪器仪表领域的重要应用。仪器软件系统所具有的通用性、通俗性、可视性、可扩展性和易升级性等特点，可方便用户快捷地构建测量环境。虚拟仪器的出现，加速了测量仪器的智能化进程。到了上世纪90年代，融合了3C技术的智能化现场总线仪器具有了通信接口，开始实现分布式的测量与控制。同期，多媒体技术被引入到智能仪器的构建，增强了智能仪器与人的交互。进入21世纪，智能仪器最大的进步特征是嵌入式系统的采用、与网络技术的有机结合、现代数学方法以及计算数学方法的更多利用。嵌入式系统在智能仪器构建上的采用，使智能仪器更加小型化，功能更全面，分析处理能力更强，可靠性进一步提高。以Internet为代表的计算机网络技术与智能仪器的结合，使得大范围的分布式测控成为现实，人们在任何时间、从任何地点获取测量信息成为可能。现代数学方法中的模糊数学、分形方法和现代数值计算方法在智能仪器建模中的应用，明显提高测量模型的精确度和计算效率，为仪器智能化决策水平提升奠定基础[8]。

2.发展趋势

一个测试系统要完成对被测量的测试，首先必须获得被测量的信息，并且根据被测量信息的物理学特性，将其转换成容易处理或传输的电量信号，然后将电量信号所表示的信息进行变换或放大，再用指示仪或记录仪将信息显示或记录下来。有的测试系统还需要对信息进行处理，以获得反映实际被测量数值大小的测试结果。

2.1智能仪器的组成

如图2-1所示为微机内嵌式智能仪器的基本组成。系统采用总线结构，所有外设和存储器均挂在总线上，微处理器按地址对它们进行访问。这是典型的计算机结构。它与一般计算机的差别在于多了“测量电路”，同时，它与外界的通信，通常需通过IEEE-488接口进行[3]。

图2-1 微机内嵌式智能仪器的组成

图2-2 智能仪器的基本组成框图

智能仪器的组成框图如图2-2所示[1]。

2.2智能仪器的发展趋势

自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透入测量和仪器仪表技术领域以来,该领域的面貌不断更新。相继出现的智能仪器、总线仪器和虚拟仪器等微机化仪器,都无一例外地利用了计算机的软件和硬件优势,这使它们既增加了测量功能,又提高了技术性能。从而诞生了“软件就是仪器”的概念。智能化是目前电子仪器发展的趋势，智能仪器以其优质的特点受到了电器科研以及工业青睐。智能仪器不仅仅能够在范围上比传统仪器的应用更加的广泛，同时其体积小功耗低以及功能强大等特点也是传统仪器所不及的[9]。21世纪的仪器,是一个开放的系统概念,它将随着计算机总线技术、网络通信技术的发展而不断发展。多媒体技术和虚拟现实技术的发展和应用,将极大地推进在线检测智能仪器的智能化进程。在在线检测方面,以微机和工作站为动力,通过组建网络来提高生产效率和共享信息资源,这已成为一个重要发展方向,今后将达到“网络就是仪器”的美好前景。总之,将计算机技术、通信技术、网络技术、人工智能技术移植应用到工业光电在线检测仪中,使其具有标准化、虚拟化、智能化、网络化的功能,是未来新一代光电在线检测智能仪器发展的必然趋势[2]。

(1)微型化

微型智能仪器指微电子技术、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、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。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