我国仪器仪表行业60年发展综述
编者语：仪器仪表是工业生产的“倍增器”，科学研究的“先行官”，军事上的“战斗力“，以及现代社会活动的“物化法官”。不言而喻，仪器仪表与测量控制在当今信息时代推动科学技术和国民经济的发展具有何等重要的地位。 众所周知，当今世界已经进入信息时代，信息技术成为推动科学技术高速发展的关键技术。著名科学家钱学森明确指出，“信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。测量技术是基础。”信息技术的快速发展，产生了新兴的庞大的信息产业，信息产业已经成为带动世界经济发展的龙头产业。这就是说，测量技术是信息技术的基础和源头，仪器仪表行业是信息产业的重要组成部分。不言而喻，仪器仪表与测量控制在当今信息时代推动科学技术和国民经济的发展具有何等重要的地位。 一、地位作用 由于仪器仪表与测量控制的重要地位和作用受到了社会的高度重视，近些年来国家采取了一系列重大措施加快发展。值得特别提出的举措有： 2001年3月举行的七届四次全国人大会议上提出“国家经济与社会发展第十个五年计划纲要”中明确提出“把发展仪器仪表放到重要位置”。国家发展纲要提到仪器仪表，而且放到重要位置，是建国以来的第一次。紧接着，国家计委、经贸委、科技部等许多部委都列了若干专项，动用了大笔资金支持仪器仪表的发展。 2005年，国家发改委正式下达了“加快振兴装备制造业的若干意见”，提出了在各个行业中选出16项重点发展领域立专项支持发展，其中第11项就是重大工程自动化控制系统和精密测试仪器。 2006年制定“国家中长期科学与技术发展规划纲要”，涉及到了多项仪器仪表与测量控制发展项目。 2008年4月，科技部、发改委、教育部和中国科协联合发出了“关于加强创新方法工作的若干意见”，正式启动创新方法工作在全国开展。这份文件中，明确提出创新方法包括创新思维、创新方法和创新工具三个要素，创新工具主要就是指推动科技创新的科学仪器。科学仪器的重要作用被进一步提升，开发研究得到更有力的支持。 此外，在863计划，特别是航天计划等国家科技发展计划中，支持仪器仪表与测量控制的发展也被放到了重要位置。就是在这样一个十分有利的形势下，近些年来我国仪器仪表与测量控制得到了迅速的发展。 二、产业概况 连续四年增长率20%以上 我国仪器仪表行业是一个高速、平稳发展的行业，但在机械工业13个行业里，仪器仪表不属于增长最高的行业，四年来增长率在20%～27%之间。 仪器仪表行业的另一个特征就是进出口逆差比较大，是机械工业13个行业里逆差最大的一个。2005年，我国仪器仪表行业进出口总额193.59亿美元，其中进口140.14亿美元，同比增长15.7%，出口52.45亿美元，同比增长30.8%。 仪器仪表行业在整个机电行业内属于改制和转制进展比较快的行业，相当数量的国有企业已经转为民营，三资企业也非常活跃，国外许多著名的仪器仪表跨国公司都在我国投资或者扩大生产。按经济结构类型统计，行业销售收入中我国企业(包括国有、国有控股和民营企业)约占55.12%，利润占54.59%，其余为三资企业。 我国仪器仪表行业还有一些值得关注的情况，首先，中国是发展中国家，仪器仪表行业与发达国家相比有10～15年的差距。但在发展中国家里，我国是仪器仪表行业最大最齐全、综合实力最强的一个国家。 其次，我国的仪器仪表需求量很大，是发展最快的国家之一。世界上仪器仪表的增长率是3%～4%，我国已连续四年实现20%以上的年增长率，有的产品已经占了全世界的十分之一。 第三，目前，仪器仪表行业是直接与外商竞争的行业，外资在华已进入第三阶段。第一阶段是合资和技术输出为主，20世纪90年代前后的合资转成控股为第二阶段，现在已进入到以独资和兼并我国优秀企业为主的第三阶段。 第四，一些中低档产品已具有规模优势和国际市场竞争力。比如普通数字万用表等产品占了世界很大产量，家用电度表生产能力占世界的50%。目前，我国已成为电度表、显微镜、望远镜、温度计、压力表、水表、煤气表、光学元件等产品的生产和出口大国，集装箱检测设备等高档产品的出口也开始取得突破。 三、技术现状 大部分高端市场被跨国公司占领 仪器仪表产品品种门类繁多，覆盖面很广。按照国家新的国民经济分类标准，仪器仪表产品有20小类，可归纳为工业自动化仪表和控制系统、科学测试仪器、常用仪器仪表和专用仪器仪表4类。其中，对国民经济支柱产业和重大装备影响最大、代表行业水平的是自动化控制系统及主干现场仪表、关键精密测试仪器两大部分。 自动化控制系统及主干现场仪表 按产品技术水平、来源和市场状况，自动化控制系统及主干现场仪表大致可分成以下四类。 第一类，一般常用的测温、测压、流量、显示和控制调节仪表产品。此类产品以中低档居多，产品的改进提高和市场适应性研发，我国企业已有能力承担。 第二类，上世纪80年代和90年代初期引进技术并已国产化的产品。这类产品我国企业已掌握核心制造技术，能够稳定生产，产品有一定的市场占有率。但由于国外新一代产品已经成熟并大量进入市场，因此目前我国企业生产的产品主要用于中小工程项目。 第三类，我国自行研发的高中档产品，代表性产品如分散型控制系统(DCS)和电磁流量计。这些产品的基本性能和功能已与国外产品接近，有较高的市场占有率，并在不断上升。但应用对象仍以中小工程项目为主，用于大型工程项目的主要是非主要装置、非主要控制系统和非关键工位。 第四类，以国家重点工程为主的大型工程项目采用的高中档产品。目前，我国绝大部分项目采用三资企业生产和进口的产品，例如大型DCS系统、PLC、核电数字控制系统及仪表、高精度压力/差压变送器、大压差/耐磨/耐冲击调节阀、质量流量计、超声波流量计等产品，以及用量少、技术难度大、专用性强的品种。 精密测试仪器 我国现阶段研制生产的精密测试仪器，整体达到国际上世纪90年代初中期技术水平，主要包括色谱仪器、光谱仪器、电化学仪器、研究型光学显微镜、扫描电子显微镜、电子天平、离心机、电子万能试验机、超声波探伤机、X射线探伤机、电子经纬仪、精密电测仪器等。一些产品的技术水平接近、达到当前国际同类产品的先进水平，例如微波等离子光谱仪、便携式光离子化气相色谱仪、全自动原子吸收分光光度计、原子荧光分光光度计、激光干涉计量仪器、全站仪、全自动智能超声波探伤机、全自动远程诊断光学显微镜等。 目前，我国企业生产的产品能够满足科研、生产和社会各个方面的一般性需求，但是高端需要主要依赖进口。 四、发展趋势 科学仪器未来发展应当关注以下几个方面： 1、分析仪器 光学捕获(Optical trapping)是一种新型的光学微操作技术。它将一束光用高数值孔径的物镜聚焦成微米级的光斑，形成梯度来实现对微小粒子的捕获和移动。这项技术被广泛应用于各种微观领域的研究。 微型色谱仪将会得到很快的发展。C2V公司已经推出了世界上最小最快的手持式气相色谱仪，主机大小仅124×84×60mm，所含柱模块大小为60×100×12.5mm，可在10-30秒内完成天然气主要成份的全分析。 NMR的微型化近年来已经取得重大进展，瑞士Neuchatel大学开发成功一种高质量因子可供微流控芯片NMR全分析系统使用的射频平面微线圈，所需样品量仅为1-100纳升，并可在几秒内获得所需的信噪比。NMR微型化应当是值得关注的发展方向。 光频光梳光谱法(Optical frequency comb spectroscopy)是最新发展起来的另一种重要的仪器技术，采用这种技术可以在极短的时间内以很高的灵敏度检测许多不同的气体，将在临床诊断领域发挥重要作用。 2、精密检测仪器 当今时代已经进入分子、原子分析检测新阶段，微纳科技的发展直接推动了精密检测仪器的快速发展。值得特别关注是MEMS/NEMS(微电机系统/纳机电系统)测试仪器,以扫描隧道显微镜和原子力显微镜为代表的扫描探针显微镜,以及基于STM/AFM的基本原理新发展起来一系列SPM,如磁力显微镜、静电力显微镜等这些仪器的新发展。 3、光子成像仪器 一个以光子学与生命科学相互融合的新学科——生物医学光子学随着激光、电子、光谱、显微及光纤等技术的发展而迅速成长起来，应运而生出现了不少新型科学仪器。应用这些仪器不但丰富了人们对于光与生物组织体相互作用机理的认识，而且促进了各种新的生物研究仪器和医学诊断仪器的发明。光子成像技术主要包括漫射光层析成像、荧光成像、相干层析成像、光声成像等。光学相干层像(OCT)结合了共焦显微术和低相干光的外差探测技术，它是一种在一维光学低相干反射测量技术的基础上扩展而来的二维或三维成像技术。 4、光谱分析仪器 过去，光谱分析仪器主要应用在基础学科研究和矿物分析、产品质量监控等领域。值得关注一个新的发展动向是，由于人类生存和发展一些迫切的需求，同时计算机软硬件、微电子、计算数学、微型器件发展提供的新技术成果，使得光谱技术和仪器向生物、环境、医疗等领域快速拓展，无论理论研究、技术开发和仪器创新都有了明显的发展，今后还将更快发展。 五、国际差距 现代工业仪器仪表的发展，不但取决于产品技术水平，而且涉及工程应用技术。近年来，不少测控设备生产企业以及火电、石化、冶金等应用部门的科技型企业和工程公司在应用软件开发和系统集成技术等方面有了相当进展，通过承担国外控制系统和产品的工程应用，掌握了一批大型工程和装置的自控应用技术。但随着国外现场总线、SOLUTION、MIV、EPC等技术和工程总成方式的发展，我国自控系统及现场仪表进入大型工程的困难将进一步增加。 我国自动化控制系统及现场仪表和关键精密测试仪器，与国际水平总体上仍有10～15年的差距。 差距一：产品可靠性差 现代工业仪器仪表的总体特征是高可靠性、高性能、高适用性，我国企业的大部分产品与国外产品的差距也正是在这方面。例如，我国自行研发的分散型控制系统(DCS)和电磁流量计，这些产品的基本性能和功能已接近国际水平，但在可靠性和工程应用能力等方面尚有一定差距。 差距二：数字化、智能化、集成化水平低 现代工业仪器仪表的技术特点和趋势是数字化、智能化、网络化和集成化，而我国产品一般常规品种居多，智能型产品刚刚起步。以核电控制系统及仪表集成为例，由于基础较弱，进入数字控制技术时代以后，差距更大。 差距三：高新技术差 国外的智能执行器已采用变频调速、新型电机、低工耗、微型压电陶瓷I/P转换器、蓝牙通信技术、智能化和现场总线等新技术，而国内才开始起步。 差距四：产品精密度低 以质量流量计为例，国外的测量精度分为4个档次，精度最高并能测量气体的为0.1级，最普遍的为0.15级，而国内目前只能达到经济型的0.2级和适用型的0.5级。再如我国在加油站的计量仪表一般是..5%的精度，但是国外30万吨的油轮到我国交货的精确度要到0.1%。 差距五：品种规格不全 以高精度智能压力/差压变送器为例，国产变送器在测量基准量程上缺少1kPa以下微低压、800kPa以上高差压量程、16MPa以上高静压、耐腐蚀等规格的产品，因此有些工程或系统应用的特殊要求不能满足。 差距六：自动化程度低 例如高性能光电直读光谱仪，国外仪器真空度由电脑实时监控，而国产仪器在许多方面依旧需要人工操作。 差距七：高档产品少 目前我国高档产品少，甚至是空白。以原子吸收分光光度计为例，国外已有塞曼背景校正技术的高档仪器，国内至今尚未研制，高端需要主要依赖进口。 差距八：市场占有率低 以可编程控制器(PLC)为例，目前中国PLC市场95%以上被国外产品占领。欧美产品在大中型PLC领域占有绝对优势，日本产品在小型PLC领域占有优势，韩国和中国台湾的产品也有一定的市场份额。中国本土自主品牌PLC的市场影响非常小，很难形成规模经济。 六、重大进展 我国仪器仪表与测量控制虽还存在不小差距，面临着落后被动的局面。但是，由于国家的重视和支持，仪器仪表界和广大科技术工作者的努力奋斗，近年来我国仪器仪表与测量控制依然取得了可喜的成绩，获得了很大的发展。认真总结我国??和增强信心。下面我们简要的回顾一下我国仪器仪表与测量控制近年来的重大进展。 1、工业自动化仪表与控制系统 在工业自动化仪表方面，近年来温度仪表的重要进展主要体现在红外热像仪的应用迅速扩大。流量仪表内锥流量计创新成果显著，我国已经拥有各种与V锥相关或相近的流量计产品专利超过20项，其中至少6项目是发明专利，超过了美国，成为V锥流量计专利高产国。国产低端压力变送器和带HART功能的压力变送器近年来也发展很快，品种多、规格全、价格低，在市场上已经很具竞争力。控制阀行业近年来的进展是显著的，产品“跑冒滴漏”现象得到很大改进，不少产品质量达到国外主流产品水平。 2、科学仪器 科学仪器最能体现仪器仪表既是知识创新和技术创新的重要工具，也是科技创新研究的主题内容之一和创新成就的重要体现。 近年来，在国家的大力支持下，科学仪器获得了很快发展，以质谱仪为代表的高端科学仪器取得了重大进展，出现了可以与国外产品竞争的国产色——质联用仪器。特别是，我国“嫦娥”环月空间卫星上天，就携带了我国自主研发的多光谱遥测、信号传送仪器。四川汶川大地震，全国各地很快送去了大量环境、水文测量便携式分析仪器，表明了我国科学仪器产业的实力。 此外，近年来在科学仪器领域我国还取得了多项很有价值的进展。比如，自主研制出领先国际的分子束科学仪器——氢原子里德伯态飞渡时间谱交叉分子束装置 国际第一台真空紫外激光角分辨光电子能谱仪 离子迁移谱探测技术痕量爆炸物快速检测仪 新型生命探测仪器“SJ—3000搜救雷达” 便携式高分辨浅水多波束测深仪 光学捕获理论研究取得进展 光学相干层析成像技术及相关仪器开发取得多方面进展等等。 3、医疗仪器 国家“十一五”规划和建设创新型国家都把医疗仪器产业列为重点发展产业，国家在研发、技术平台建设、研究中心、重点实验室、产业基地各方面都加大了支持的力度，近年来医疗仪器也取得了长足的进展。在医学影像仪器方面，X射线机、计算机断层扫描机(CT)、超声扫描成像仪以及影像后处理与分析系统，无论技术水平和产品质量都有显著提高。 在医用电子技术和仪器方面，值得提出的是清华大学研制出可作为个人电脑外设的脑控键盘和鼠标，还研制完成基于嵌入系统的脑控家居环境控制器，用于帮助丧失运动能力长期卧床的残疾人，2007年世界技术评估中心对这一成果给予了高度的评价。 医用激光仪器方面，复旦大学和长春应用化学研究所经过4年共同努力，利用毛细血管电泳电化学发光检测、表面等离子体共振(SPR)及激光诱导荧光和其他光谱技术，并和蛋白质芯片或基因芯片传感器等技术相结合，创新研制出某些肿瘤标志物的快速检测仪及配套的肿瘤标志物分析参数数据库，对恶性肿瘤的预警和早期诊断具有很高的临床应用价值。 生物芯片技术在疾病分子诊断、个体化医疗和保健、新药研究和开发、优生优育、公共卫生及传染病监控等许多领域具有广泛的应用价值。 4、电子与电工测量仪器 一是微波毫米波矢量网络分析仪器跨入了世界先进行列，二是电能表综合技术达到国际先进水平。矢量网络分析仪是现代电子装备必备的关键的测试设备。我国在前几年研制成功矢量网络分析仪基础上，将其应用领域从线性网络向非线性、大功率网络的测试和分析发展，掌握了多种以矢量网络分析仪为核心的自动测试技术和自动测试系统构成及应用，使我国矢量网络分析仪的设计、制造和应用水平跨入了国际先进行列。我国是电能表生产大国，近年来非常注意在准确度、可靠性、功能、能耗、产品兼容性、环境适应性及可维护性等多方面提高技术水平，在国际市场上占有重要地位。
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