仪器仪表发展史

仪器仪表的发展史

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仪器仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。真空检漏仪、压力表、测长仪、显微镜、乘法器等均属于仪器仪表。广义来说，仪器仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能，例如用于工业生产过程自动控制中的气动调节仪表，和电动调节仪表，以及集散型仪表控制系统也皆属于仪器仪表。

仪器仪表能改善、扩展或补充人的官能。人们用感觉器官去视、听、尝、摸外部事物，而显微镜、望远镜、声级计、酸度计、高温计等仪器仪表，可以改善和扩展人的这些官能；另外，有些仪器仪表如磁强计、射线计数计等可感受和测量到人的感觉器官所不能感受到的物理量；还有些仪器仪表可以超过人的能力去记录、计算和计数，如高速照相机、计算机等。

仪器仪表发展已有悠久的历史。据《韩非子•有度》记载，中国在战国时期已有了利用天然磁铁制成的指南仪器，称为司南。古代的仪器在很长的历史时期中多属用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。

（一）早期主要的测量、度量器具

1.称重器和计时器人类最早的度量器具是称重器和计时器,反映了人类早期的认识和生活需求。现已发现公元前2500年使用天平的证据,而在普通贸易中使用天平的最早迹象是在公元前1350年。天平杆为木制,砝码则是用青铜做成的各类鸟兽形状。原始的计时器主要有影钟、水钟和水运天文台3种。公元前1450年,古埃及就有绿石板影钟。至公元14世纪,用以表示时间的唯一可靠的方法是日晷或影钟。

公元前600年至公元前525年,也有用棕榈叶和铅垂线记录夜间时间和特定天体的仪器。当天体通过子午线时,从棕榈叶的开口中观察到天体穿过铅垂线的过程。在我国江苏仪征,出土了东汉中期的小型折叠铜质民间测影仪器,外形与现代医学上使用的台式血压计相似。

公元1400年前,埃及记录较短时间的仪器叫水钟,水钟内有刻度,下有小孔,整个水钟用雪花石膏做成瓶状。在希腊,罗马有当时世界上唯一的机械计时仪——水仪。通过水的传递计量时间,记录的是不断流动的概念而不是连续相等的时间,非常不精确。我国北宋时期的苏颂和韩公谦于1088年制作了天文计时器——天文仪象台。它采用民间的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等,是集观测、演示和报时为一身的“自动化”天文钟,被称为水运天文台。

2.指南针、浑天仪、地动仪

在我国,公元前300～公元前100年,有人利用天然磁石的性质,发明了磁罗盘,即定向仪器;指南针到宋代发展成熟。我国西夏时候就有观测和记录天文的仪器,叫浑天仪元代的郭守仪(1231年～1361年)对浑天仪进行了改造,制成简仪,其制造水平在当时遥遥领先,其原理在现代工程测量、地形观测和航海仪器中广泛使用。东汉时期,张衡发明了世界上第一台自动天文仪——浑天仪和世界上第一台观测气象的候风仪,开创了人类使用仪器测量地震的历史。

（二）古代的精密仪器

至1500年,世界上已有了精密仪器。这时的天文仪器已经比较精确,主要有赤道经纬仪、子午浑仪、视差仪,以及希腊的角度仪、水准仪及星盘等;计时仪器有便携式日昝和水钟;计算和证明仪器有天球仪、日历、小时计算器等。这些仪器的制造工艺和使用材料等在当时都有相当高的水平和测量精度。780年,穆斯林造币厂的工人把天平放在密闭容器中,以两次的称量结果相比较,天平经过无数次摆动达到平衡后读取数据,能称出1 /3毫克。这是分析天平的始祖。

（三）古代的科学仪器

15世纪后期,随着自然科学的发展,早期的科学仪器也以不同的背景和形式逐渐形成,主要有光学仪器、温度计、摆钟、数学仪器等。

1.光学仪器

1590年左右,荷兰人扎哈里那斯·詹森制造了第一个非常精确的复合显微镜,这就是今天人们常说的显微镜。

2.温度计

伽利略在他早期的实验中,用玻璃管制成了空气温度计。 后来,托斯卡斯的大公斐迪南二世改良制成液体温度计。

大约1714年,华伦海特创造了以其名字命名的温度计，被称为华氏温度计。17世纪末,气压计和温度计与刻度标尺、指针和其它配件配合安装在一起,成为仪器大家庭中的重要组成部分,也是仪器制造贸易中的重要部分。

3.数学仪器

英格兰的吉米尼率先进行数学仪器(1524年～1562年)的制造,之后不久英国雕刻匠和制模匠科尔开始从事仪器的专门制作,从此开始出现了大批的仪器供应商,产品范围也由星盘、日昝和象限仪扩展到观测和测量用仪器,以及一系列演示“自然科学实验”的仪器。

4.其它仪器

到1650年后,新型的精密仪器就不断地被制造出来。如测量用的圆周仪、量角器,航海用的高度观测仪和反向式八分仪,绘图和校仪用的分度尺和绘图仪,还

有经纬仪、气泡水平仪、新型望远准镜、测探仪、海水取暖器、玻意尔制造的比重计、摆钟,等等。这些精密仪器为17世纪后自然科学的发展提供了重要保障,是科学技术发展的标志,也为科学仪器的进一步发展打下了良好的基础。

随着科学技术的飞速发展和自动化程度的不断提高，我国仪器仪表行业也将发生新的变化并获得新的发展。仪器仪表产品的高科技化，必将成为日后仪器仪表科技与产业的发展主流。世界近20年来，微电子技术、计算机技术、精密机械技术、高密封技术、特种加工技术、集成技术、薄膜技术、网络技术、纳米技术、激光技术、超导技术和生物技术等高新技术得到了迅猛发展。这一背景和形势，不断地向仪器仪表提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、样品量更少、检测微损甚至无损、遥感遥测更远距、使用更方便、成本更低廉、无污染等，同时也为仪器仪表科技与产业的发展提供了强大的推动力，并成了仪器仪表进一步发展的物质、知识和技术基础。

尤其需要指出的是：近10年来，由于包括纳米级的精密机械研究成果、分子层次的现代化学研究成果、基因层次的生物学研究成果，以及高精密超性能特种功能材料研究成果和全球网络技术推广应用成果等在内的一大批当代最新技术成果的竞相问世，使得仪器仪表领域发生了根本性的变革。通过分析可以看出，高科技化不但是现代仪器仪表的主要特征，而且是振兴仪表工业的必由之路，也是新世纪仪器仪表及其产业的发展主流。伴随现场总线的问世，过程测控仪表发展历程出现了重大转折和难得机遇。目前现场总线已成为全球自动化技术的热点。现场总线是用于现场智能化仪表与控制室之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。它的产生，既是广大用户的实际需求和制造厂商间技术竞争的结果，也是计算机技术、通信技术和控制技术在工业控制领域相结合的产物和产品升级，以及为实现进一步的高精度、高性能（特别是多参数在线实时测控与自动测控）、高稳定、高可靠、高适应性，多功能、低消耗等提供了巨大动力和发展空间。应用领域，特别是非传统应用领域的进一步拓展，为仪器仪表工业的持续发展注入了新活力、新动力。 仪器仪表产品的总体发展趋势是“六高一长”和“二十化”。

纵观历史，剖析现状，展望未来，可以提出如下结论：日后，传统的仪器仪表将仍然朝着高性能、高精度、高灵敏、高稳定、高可靠、高环保和长寿命的“六高一长”的方向发展。新型的仪器仪表与元器件将朝着小型化（微型化）、集成化、成套化、电子化、数字化、多功能化、智能化、网络化、计算机化、综合自动化、光机电一体化；在服务上专门化、简捷化、家庭化、个人化、无维护化以及组装生产自动化、无尘（或超净）化、专业化、规模化的“二十化”的方向发展。