电子测量技术的发展现状

1. 电子测量技术的发展现状

电子测量是利用电子技术来进行测量的方法。随着电子科学技术的发展，由于电子测量的一系列优点，许多物理量都设法通过一定的传感器变换成电信号，然后利用电子技术和现代化大生产中哪些要求精密和准确测量的内容通常都运用了电子测量的方法来实现。而电子测量仪器就是采用电子技术测量电量或非电量的仪器和其他设备的总称。
电子测量仪器逐步智能虚拟化
电子测量技术与仪器以测量原理为基础，融合了先进的材料加工工艺，可以对各种类型参数进行精度测量，直接体现了国家的各项技术水平与发展潜能。在网络信息化时代，电子测量技术与仪器的发展，不仅推动了测量方式的变革，更促进了现代制造业与社会经济的超前发展。
目前，我国电子测量仪器按照使用途径的不同，大致可划分为光学检测仪器、通信测量仪器以及通用电子测量仪器等三大类。
电子测量技术的发展是建立在测量技术的发展和最新电子技术的发展基础之上的。广义地说，凡是利用电子技术进行的测量都称为电子测量。电子测量仪器发展至今，大致上可以分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。
规模以上企业稳步增长
据中国仪器仪表行业协会统计数据显示，2014年至2019年，我国电子测量仪器行业规模以上企业数量保持稳定增长。截至2019 年底，我国电子仪器仪表制造业规模以上企业数量达204 家，较2018年同期增加10家。
目前，我国使用的高端电子测量仪器，大部分来自国外，美国是德科技、美国泰克科技等多家外企占据主要市场，国内企业在市场竞争方面仍有较大劣势。据中国仪器仪表行业协会统计数据显示，2014年至2019年，我国电子测量仪器行业规模以上企业主营业务收入呈现震荡走势，2017-2019年，整体营收规模保持较为平稳的发展态势。2019 年，我国电子测量仪器制造行业规模以上的企业主营业务收入为290.8亿元，较上年有所回升。
电子测量仪器市场分为汽车，消费电子，航空航天和国防，IT和电信等。其他部门包括银行，金融服务和保险(BFSI)，娱乐，电子商务和医疗。IT和通信仍然是电子测量仪器的核心应用领域，占比47%左右;其次是消费电子市场在2019年占据约26%的市场份额。
以上数据来源于前瞻产业研究院《中国电子测量仪器行业市场前瞻与投资规划深度分析报告》

2. 现代测量的发展趋势和未来发展趋势

伴随着测试需求的多样化和复杂化，以软件为核心的虚拟仪器测试策略正逐渐成为行业主流的技术，并得到广泛的应用，在提高效率的同时降低测试成本。在新兴商业技术不断涌现的今天和未来，测试测量行业正呈现出五个重要的发展方向。 
    趋势一：软件定义的仪器系统成为主流 
    如今的电子产品(像iPhone和Wii等)已越来越依重于软件去定义产品的功能。同样的，在产品设计和客户需求日益复杂的今天，用于测试测量的仪器系统也朝着以软件为核心的模块化方向发展，使得用户能够更快更灵活的将测试集成到设计过程中去，进一步减少了开发时间。 
    通过软件定义模块化硬件的功能，用户可以快速实现不同的测试功能，并应用定制数据分析算法和创建自定义的用户界面。相比于传统仪器固定的功能限制和只是“测 试结果”的呈现，以软件为核心的模块化仪器系统能够赋予用户更多的主动权，甚至将自主的知识产权(IP)应用到测试系统中。
    在业界，被认为是最保守的客户之一的美国国防部在2002年向国会提交的报告中指出下一代测试系统(NxTest)必须是基于现成可用商业技术(COTS)的模块化的硬件，并同时强调了软件的能动作用。最新的合成仪器(SyntheticInstrumentation)的概念也无非是经过重新包装的虚拟仪器技术，将软件的开放性和硬件的模块化重新结合在了一起。 
    在媒体界，《电子系统设计》杂志的编辑LouisFrenzel先生在他最近关于测试行业趋势的文章(SyntheticInstrumentationNoLongerATestCase)中也再次肯定了虚拟仪器技术对于测试测量行业的革新作用以及软件定义仪器的发展方向。 
    趋势二：多核/并行测试带来机遇和挑战 
    多核时代的来临已成为不可避免的发展趋势，双核乃至八核的商用PC现在已随处可见。得益于PC架构的软件定义的仪器，用户可以在第一时间享受到多核处理器为自动化测试应用带来的巨大性能提升。 
    要充分发挥多核的性能优势，就必须创建多线程的应用程序，例如我们可以将自动化测试程序的数据采集、数据分析、数据记录乃至用户界面部分创建不同的线程，从而分配到不同的核上并行的运行。不过，这样并行的开发理念使得习惯于传统串行开发方式的工程师难以适应，尤其是当核的数目越来越多...... 
    挑战和机遇往往是并存的，作为图形化语言的代表，LabVIEW在设计当初就考虑到了并行处理的需求，从LabVIEW5.0开始支持多线程到现在已有10多年的历史。可以毫不夸张地说，天生并行的LabVIEW就是这样一种驰骋多核技术时代的编程语言，通过自动的程序多线程化，开发人员可以无需考虑底层的实现机制，就可以高效地享用多核技术所带来的益处。 
    无论是欧南天文台极大望远镜高达2,700万次乘加运算的镜面控制，到Tokamak核聚变装置的实时处理运算，还是NASA的飞机安全性测试和TORC汽车控制快速原型设计，LabVIEW多核技术都为这些应用带来了巨大的性能和吞吐量的提升，随着多核技术的进一步发展，提升的幅度将更为可观。 
    趋势三：基于FPGA的自定义仪器将更为流行 
    随着设计和测试的要求越来越高，FPGA(现场可编程门阵列)技术正逐渐被引入到最新的模块化仪器中，这也就是我们所说的基于FPGA的自定义仪器。 
    FPGA的高性能和可重复配置特性一直是硬件设计工程师们的最爱，而对于测试工程师而言，又何尝不想拥有硬件级的确定性和并行性呢？像诸如实时系统仿真、高速内存测试等应用都需要用到FPGA来确保响应的实时性和高速的数据流入和流出，FPGA的IP核更是可以为工程师植入自主知识产权的算法提供契机。然而，苦于对硬件设计知识的缺乏和对VHDL或Verilog语言编程的恐惧，许多测试工程师对于FPGA技术望而却步。 
    现在，NI提供的R系列数据采集和FlexRIO产品家族将高性能的FPGA集成到现成可用的I/O板卡上，供用户根据应用进行定制和重复配置，同时配合LabVIEWFPGA直观方便的图形化编程，用户能够在无需编写底层VHDL代码的情况下，快速地配置和编程FPGA的功能，用于自动化测试和控制应用。 
    前段时间，欧洲核子研究中心(CERN)为世界最强大的粒子加速度器--大型强子对撞机(LHC)配备了超过120套带有可重复配置I/O模块的NIPXI系统，用于控制瞄准仪的运动轨迹和监测其实时位置，从而确保粒子在既定的路径中运作。为了保证极高的可靠性和精确性，FPGA成为其必备的测试和控制技术。 
    随着对FPGA技术应用复杂性的简化，可以预计，拥有高性能和灵活性的FPGA技术将越来越多的被应用于未来的仪器系统中。 
    趋势四：无线标准测试的爆炸性增长 
    近年来无线通信标准的发展可谓是日新月异，从2000年前只有四五种的无线标准到现在众多新标准如雨后春笋般涌现。越来越多的消费电子产品和工业产品都或多或少的集成了无线通信的功能，像苹果公司最新的3G版iPhone手机，更是同时集成了UMTS,HSDPA,GSM,EDGE,Wi-Fi,GPS和蓝牙等多种最新的无线标准。这些都给无线技术的开发和测试带来了巨大的挑战，测试技术如何跟上无线技术的发展成为工程师面临的最大难题。通常传统射频仪器的购买周期是5至7年，而新标准和新技术的推出周期却是每两年一轮，购买的射频测试设备由于其固件和功能的限定通常难以跟上新标准的发展速度。参考：中国产业研究报告网《全球测量行业发展趋势预测》

3. 测量仪器的历史发展

学者和航海者都十分清楚，如果能在海面上准确测量出天体的位置，那么海员们便可以比较肯定地知道他们所在的纬度。要做到这一点，需要的是精密的测量仪器。托勒密曾经描绘过星盘(又叫测星仪)。体积大些的星盘用在天文台里，体积小的用在船上。星盘的使用需要三个人合作——一个人抓住星盘上的拇指环，一个人瞄准，另外一个人读出表盘上的结果。当船晃动得比较剧烈时，得出的结果自然也就不是很准确。只要可能，海员们就会上岸测量。古代的天文学家使用十字标尺来测量星星的纬度，后来水手们也把它应用于航海中。这件仪器由一根标尺和一个十字形尺组成，十字形尺较低的一端置于水平位置。沿着标尺观察天体的同时，滑动十字形尺直到它在你的视野里接触到观察物(太阳或星星)，然后读出标尺上的度数。这种仪器只需一个人便可以操作。星盘和十字标尺都需要观察者直接观察太阳。晴天，过强的光线会使观测无法进行。为了解决这个问题，英格兰船长、航海家约翰·戴维斯发明了背标尺。它由一根标尺和一根可以滑动的横木制成。观察者观测时先背朝太阳，然后滑动横木直到它在前方的小盘里投下阴影。通过这种方法，观察者可以观测地平线。约翰·戴维斯还在一位来自剑桥的数学家爱德华·莱特的帮助下发明了象限仪。这件仪器的横木上有一只目镜，通过目镜，观察者可以观测地平线和被反射的太阳。克洛伊希克的水文地理学家皮埃尔·布哥尔对象限仪做了进一步改进，改进后的象限仪使观察者通过目镜能看到太阳落在地平线上。在英格兰的约翰·哈德雷发明了八分仪，并于1732年首次试用。它由一部反射望远镜和一架酒精水准器组成。这件仪器比以前海上用过的其它任何仪器都要更加精确。

4. 电磁测量的发展

随着新材料、新工艺的出现和数字技术、电子技术、计算机的应用，进一步扩大了测量信息系统的功能。电磁测量将向以下几方面发展。①利用现代物理的最新成就，建立电磁测量的自然基准，如约瑟夫森电压基准、量子霍耳效应电阻基准。②利用磁场对光的偏转效应，制成测大电流的电流互感器和利用泡克耳斯效应或克尔效应测高电压。③利用微型计算机、单片机制成各种智能化仪表，构成自动测试系统。现代电力系统的测量已与控制融为一体，形成有机的调控系统，其测量功能远超过简单的测量装置。

5. 仪器的发展趋势

1 性能和精度。科学仪器对于性能和精度具有永无止境的需求，所以更好的性能、更高的精度是永恒的趋势。
2 智能化。这一点主要体现在便携式仪器和工业检测仪器上。仪器越来越小，同时部件都开始整合，信息传输的方式也开始多样化，未来绝大多数仪器都是联网的，方便储存信息、传递信息。
3 成本降低。这是所有产品发展的趋势，随着当下技术的成熟和新的革命性技术的出现，仪器的生产成本肯定会越来越低，而随着市场的发展，某一特定的仪器价格也会越来越低。

6. 工程测量学的仪器发展

工程测量仪器可分通用仪器和专用仪器。通用仪器中常规的光学经纬仪、光学水准仪和电磁波测距仪将逐渐被电子全测仪、电子水准仪所替代。电脑型全站仪配合丰富的软件，向全能型和智能化方向发展。带电动马达驱动和程序控制的全站仪结合激光、通讯及CCD技术，可实现测量的全自动化，被称作测量机器人。测量机器人可自动寻找并精确照准目标，在1 s内完成一目标点的观测，像机器人一样对成百上千个目标作持续和重复观测，可广泛用于变形监测和 施工 测量。GPS接收机已逐渐成为一种通用的定位仪器在工程测量中得到广泛应用。将GPS接收机与电子全站仪或测量机器人连接在一起，称超全站仪或超测量机器人。它将GPS的实时动态定位技术与全站仪灵活的3维极坐标测量技术完美结合，可实现无控制网的各种工程测量。专用仪器是工程测量学仪器发展最活跃的，主要应用在精密工程测量领域。其中，包括机械式、光电式及光机电(子)结合式的仪器或测量系统。主要特点是：高精度、自动化、遥测和持续观测。用于建立水平的或竖直的基准线或基准面，测量目标点相对于基准线(或基准面)的偏距(垂距)，称为基准线测量或准直测量。这方面的仪器有正、倒锤与垂线观测仪，金属丝引张线，各种激光准直仪、铅直仪(向下、向上)、自准直仪，以及尼龙丝或金属丝准直测量系统等。在距离测量方面，包括中长距离(数十米至数公里)、短距离(数米至数十米)和微距离(毫米至数米)及其变化量的精密测量。以ME5000为代表的精密激光测距仪和TERRAMETER LDM2双频激光测距仪，中长距离测量精度可达亚毫米级；可喜的是，许多短距离、微距离测量都实现了测量数据采集的自动化，其中最典型的代表是铟瓦线尺测距仪DISTINVAR，应变仪DISTERMETER ISETH，石英伸缩仪，各种光学应变计，位移与振动激光快速遥测仪等。采用多谱勒效应的双频激光干涉仪，能在数十米范围内达到0.01μm的计量精度，成为重要的长度检校和精密测量设备；采用CCD线列传感器测量微距离可达到百分之几微米的精度，它们使距离测量精度从毫米、微米级进入到纳米级世界。高程测量方面，最显著的发展应数液体静力水准测量系统。这种系统通过各种类型的传感器测量容器的液面高度，可同时获取数十乃至数百个监测点的高程，具有高精度、遥测、自动化、可移动和持续测量等特点。两容器间的距离可达数十公里，如用于跨河与跨海峡的水准测量；通过一种压力传感器，允许两容器之间的高差从过去的数厘米达到数米。与高程测量有关的是倾斜测量(又称挠度曲线测量)，即确定被测对象(如桥、塔)在竖直平面内相对于水平或铅直基准线的挠度曲线。各种机械式测斜(倾)仪、电子测倾仪都向着数字显示、自动记录和灵活移动等方向发展，其精度达微米级。具有多种功能的混合测量系统是工程测量专用仪器发展的显著特点，采用多传感器的高速铁路轨道测量系统，用测量机器人自动跟踪沿铁路轨道前进的测量车，测量车上装有棱镜、斜倾传感器、长度传感器和微机，可用于测量轨道的3维坐标、轨道的宽度和倾角。液体静力水准测量与金属丝准直集成的混合测量系统在数百米长的基准线上可精确测量测点的高程和偏距。综上所述，工程测量专用仪器具有高精度(亚毫米、微米乃至纳米)、快速、遥测、无接触、可移动、连续、自动记录、微机控制等特点，可作精密定位和准直测量，可测量倾斜度、厚度、表面粗糙度和平直度，还可测振动频率以及物体的动态行为。

7. 仪器仪表的发展趋势

2020年仪器仪表行业实现销售收入7660.00亿元，同比增长3.50%。在仪器仪表行业的主要大类产品中，分析仪器及装置产量大幅下降28.64%，是仪器仪表主要大类产品中产量下降幅度最大的产品。
仪器仪表应用范围广泛
仪器仪表应用领域广泛，覆盖了工业、农业、交通、科技、环保、国防、文教卫生、人民生活等各方面，在国民经济建设各行各业的运行过程中承担着把关者和指导者的任务。根据《国民经济行业分类》(GB/T4754-2017)，仪器仪表制造行业可以分为通用仪表仪器制造、专用仪器仪表制造、钟表与计时仪器制造、光学仪器制造和衡器制造。
分析仪器产量大幅下降
2020年在仪器仪表行业的主要大类产品中，大部分产品产量有所下降。2020年分析仪器及装置产量为238.53万台，大幅下降28.64%，是仪器仪表主要大类产品中产量下降幅度最大的产品;电工仪器仪表产量为26537.95万台，同比下降7.33%，是仪器仪表主要大类产品中，产量最高的产品。
中国仪器仪表行业是一个高速、平稳发展的行业。2020年仪器仪表行业销售收入、利润总额、主业利润率、利润率、经营安全率、销售费用率和管理费用率等7个指标好于2019年同期，其余4个指标差于2019年。
其中2020年仪器仪表行业实现销售收入7660.00亿元，同比增长3.50%;实现利润总额734.16亿元，同比增长11.65%。总体来看，仪器仪表行业运行情况较为稳定。
电工仪表制造行业增长迅速
2020年在仪器仪表子行业中，主营收入排名第一的是自动化仪表制造业，实现营业收入2829.7亿元，同比增长5.50%。光学仪器制造、电工仪表制造排名第二和第三位，营业收入分别为819.4亿元、801.2亿元。
从利润总额来看，自动化利润总额同样在仪器仪表子行业中排名第一，2020年实现利润总额279.7亿元，同比增长9.23%。从增幅来看，电工仪表制造行业利润增幅最大，较2019年同比增长85.96%。
更多数据请参考前瞻产业研究院《中国仪器仪表行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》

8. 仪器仪表的发展趋势

20世纪中期以后，随着自动控制理论的产生和自动控制技术的成熟，以A /D (数字/模拟转换)环节为基础的数字式仪器得到快速发展。伴随着计算机、通讯、软件和新材料、新技术等的快速发展与成熟，人工智能、在线测控成为可能，使仪器走向智能化、虚拟化、网络化。数字仪器、智能仪器、个人计算机仪器、虚拟仪器和网络仪器代表了20世纪现代科学仪器发展的主流与方向。十二五”期间工信部已把传感器及智能化仪器仪表摆到推动制造业转型升级的重要位置，在工信部相关资源中对传感器及智能化仪器仪表的研发及产业化予以支持。数字化是智能仪器、个人仪器和虚拟仪器的基础，是计算机技术进入测量仪器的前提。广泛应用于电子数字计算机、数控技术、通讯设备、数字仪表等方面，诸如人类第一台电子数字计算机ENIAC，爱思达金相显微镜，体视显微镜，X光检查机等。 智能仪器是把一个微型计算机系统嵌入到数字式电子测量仪器中而构成的独立式仪器。嵌入的计算机系统可以是芯片级，如单片机、数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)等，模板级如PC - 4。也可以是系统级，如微型计算机系统，可编程单芯片系统( System on a ProgrammableChip,SOPC)等。智能仪器在结构上自成一体，有的仪器内部还带有专用的微型计算机系统和通用接口总线( General Purpose Interface Bus,GP IB)接口，能独立完成测试。智能仪器由于引入了计算机，功能强大，性能优异，使用灵活、方便，是现阶段高档电子仪器的主体。如离子污染测试仪，上PIN机，双盘研磨机，剥离强度测试仪，拉脱强度测试仪等都采用智能技术的现代化精密检测仪器，又比如纳米智能机器人。随着新技术、新工艺和嵌入式系统技术的不断进步，智能仪器还在不断发展，不断推陈出新，不断提高智能水平。 虚拟技术是利用计算机界面和在线帮助功能，建立仪器虚拟板面，通过计算操作完成对对象的测试分析功能。虚拟仪器实质上是“软硬结合”、“虚实结合”的产物。它充分利用计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。在虚拟仪器中，硬件只是信号传输的介质，软件才是整个仪器系统的关键。用户可根据自己的需要通过编制不同的测试软件来构建不同功能的测试系统。其中，许多硬件功能可直接由软件实现，系统具有极强的通用性和多功能性。 基于Internet和Intranet的网络仪器是计算机技术、虚拟技术、网络技术的完美结合，代表了当前和今后仪器仪表领域的发展潮流，已在测量与测控领域内显现。如网络化流量计、网络化传感器、网络化示波器、网络化分析仪和网络化计量表等，都成为人们的新宠。网络化仪器可实现任意时间、任何地点对系统的远程访问，实时获得仪器的工作状态；通过友好的用户界面，不仅可对远程仪器进行功能控制和状态检测，还能将远程仪器测得的数据快速传递给本地计算机。与传统的仪器相比，网络仪器具有无可比拟的优势，如功能分散、危险分散、地理分散、管理集中、通信功能强、网络隔离度高、分布广泛；系统操作简单，人机界面友好，便于扩展和维护；通信标准公开、一致、开放，仪器间信息资源共享,具有互操作性，可组建大规模分布式测控网络，等等。因此，网络仪器已成为现代仪器仪表发展的突出方向。