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寻找测量控制技术与仪器仪表创新突破口

行业聚焦点中国仪表网2013年09月10日 14:34人气:16862

  众所周知,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”。“蛟龙”深潜,“神十”探空,人类以仪器仪表为工具,通过测量认识世界。当代社会发展,产业升级、减灾防灾、环境监测、医疗保健、能源供给、国防安全等无不对测量控制技术和仪器仪表提出更多需求、更高要求。
  
  但是,我国的测量控制技术与仪器仪表的研究、制造却与国际先进水平存在明显差距。据中国仪器仪表行业协会统计,截止5月底,2013年上半年我国仪器仪表行业进口1533005.28万美元,同比增长3.68%。同期,出口887588.11万美元,同比增长3.98%。但是,单纯依靠进口设备、进口技术,不能提高我国仪器仪表水平。如何将进口的设备技术转化为自己的,如何推进测量科技自主创新进入世界前沿水平,成为行业所关注的焦点。
  
  测量控制技术与仪器仪表之“重”
  
  先进的测量科技和精密仪器是科学发现的工具、技术创新的种子,许多划时代的科技成果、获得诺贝尔科技奖的项目皆由此产生。如质谱仪的发明使我们能按原子、分子的质量差异进行分离,检测物质组成;计算机X射线断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)等技术使我们可以更早发现疾病;图像传感器(CCD)已是手机、数码相机中的关键元器件,这些仪器和方法的发明者也都获得了诺贝尔奖。据不完全统计,一个多世纪以来,诺贝尔自然科学奖项中,有68.4%的物理学奖、74.6%的化学奖和90%的生物医学奖是借助各种先进仪器完成的。
  
  此外,测量控制与仪器仪表科技水平还反映国家实力。美国商务部国家标准与技术研究所上世纪90年代中期发布的数据表明,美国仪器仪表产值约占国民总产值的4%,但它拉动的相关产值却高达66%。2007年美国商务部国家标准技术研究所的战略报告指出,21世纪制造业和人们生活质量提高的关键是测量技术,此领域对维系国家竞争力也不可或缺。日本为夺回在测量分析仪器上的优势,文部省启动了尖端测量事业,投资达上百亿日元。
  
  事实上,现代化大生产,如发电、炼油、化工、冶金、飞机和汽车制造等,离开了只占企业固定资产大约10%的各种测量与控制仪器仪表装置就不能正常安全生产,更难以创造巨额的产值和利润。专家们形象地把仪器仪表比喻为国民经济中的“卡脖子”产业。
  
  现代,随着经济发展与自然环境所需的平衡,测量控制技术与仪器仪表承担着越来越重要的角色。比如工业排放是如何对气候变化、环境乃至人群健康状态产生影响的?二恶英浓度低,测量方法复杂并只能离线进行,环境科学的发展迫切需要发明痕量物质监测的新测量方法和仪器监测二恶英。而痕量物质对人们健康影响的机理、评估与监测方法等更是亟待突破的科学问题。
  
  测量控制技术与仪器仪表之“困”
  
  中国科协2007年3月发布了他们组织的调查结果:中国仪器仪表中的主体分析仪器,社会上正在应用的有90余种分析仪器,中国能够生产的产品为20余种,不到总量的1/3。其中,生命科学专用仪器约有80余种,中国商品化的生命科学专用仪器产品只有6种,目前在研的约10多种,离市场需求相差很远。这是数量上的差距。
  
  在技术上,现有国内中低档产品大部分可与替代进口产品,大拿高档产品的可靠性指标,即平均无故障运行时间与国外产品相比,约相差l一2个数量级。在测量精度上,现有国内产品与外国产品一般相差1个数量级。因为中国对仪器的基础技术和制造工艺的研究不够,一些影响可靠性的关键技术,如精密加工技术、密封技术,焊接技术等至今还没有得到很好的解决,导致产品,特别是高档产品的性能不够稳定和可靠。
  
  在功能上,目前,外国产智能化程度相当高,通过对原始信息的数字处理,更好地排除了外部干扰对信息影响,提高了产品的耐环境性和测量真实性。而国内现有产品智能化程度还较低。另外,产品的网络化在国外已经进入实用阶段,而我国基本上处在起步阶段,从而使产品的性能、功能落后。
  
  有关专家介绍,当今国外产品的更新周期大约在2—3年。新技术的储备往往可以提前到10年。而我国企业往往通过引进外国技术来实现一代产品的更新,引进后又不能很好消化吸收,在新产品开发方面原创性成果很少。一些采用新原理的产品,在我国还处于空白状态。科研院所在跟踪新技术方面虽然有成果,但与企业结合产业化相当艰难,导致产品技术更新的周期长。
  
  此外,国内仪器缺乏针对使用对象而开发的专用解决方案。国外近年测量控制与仪器仪表的发展趋势是开发仪器仪表与应用对象紧密结合的软件产品,最终向用户提供个性化的解决方案。例如针对6×10‘kW火电机组的机组性能计算软件、炼油工艺的优化软件、专门用于医疗仪器的图形处理软件等,国内企业在这方面尚未形成产业。
  
  当前,我国在测量技术与精密仪器方面与世界强国差距大,由此导致的科技创新掣肘影响面广,如不尽快制定发展战略并迎头赶上,差距会继续拉大。
  
  推动测量控制技术与仪器仪表之“途”
  
  推进我国测量科技进入世界前沿,要兼顾世界测量科技发展趋势和我国阶段性需求。以下三个目标可布局攻取:一是原创性测量技术与仪器,二是国家目标导向或测量仪器发展趋势引领的测量技术与仪器,三是精密仪器核心技术。这三大目标中,各有一个优先展开协同创新的方向,分别是先进测量方法、微智能探测器与微纳器件制作技术。
  
  我国和发达国家的差距,除产业规模、技术积累不够外,更在于测量原理和仪器设计的原始创新方法上不行。要改变现状,需要在几个方向上下大工夫。如能源领域的深海、深地探测,环境领域中微量化学物质的快速检测,地球尺度环境风险的预警等;在食品安全与农产品药物残留检测方面,探索根据物质的指纹光谱等光学信息建立快速测量识别物质成分的方法,特别是痕量物质快速测量方法;在生命科学领域,活细胞或蛋白构造的实时观察,细胞内分子信息传递的视觉化,细胞与蛋白标识、检测装置的研发,如微弱荧光观察装置等;攻克复杂条件制约,突破现有测量极限,需改变原有模式、单一原理的方法局限,对不同学科进行交叉和融合,开展基于数理方法综合运用的手段创新以实现测量方法的原始创新,上述这些成果将对科技自主创新产生不可估量的影响。
  
  传感器作为传感网的基础元件,在今后将有十分广阔的发展前景。目前新型传感器技术包括固态硅传感器技术、光纤传感器技术、生物芯片技术、基因芯片技术、图像传感器技术、全固态惯性传感器技术、多传感器技术等在这一领域,重点发展新原理、新效应的传感技术,传感器智能技术,传感器网络技术,微型化和低功耗技术,以及传感器阵列及多功能、多传感参数传感器的设计、制造和封装技术。在这一领域,重点发展新原理、新效应的传感技术,传感器智能技术,传感器网络技术,微型化和低功耗技术,以及传感器阵列及多功能、多传感参数传感器的设计、制造和封装技术。
  
  此外,国际上最近发展的新技术功能安全技术及安全仪表;精密加工技术和特殊工艺技术;具有自校准、自检测、自诊断、自适应功能智能化技术;不同生产厂商控制系统之间的无缝连接集成技术,大型项目的自动化设备主供应商应具备的项目策划、设计、组织、采购、验收、调试等项目管理技术等都是今后需要攻克的方向。
  
  突围测量控制技术与仪器仪表创新之“法”
  
  在发达国家,测量与仪器仪表行业等高技术行业已形成了上下游衔接、企业分工合作的格局。我国在该领域也可搞一些规模适当、效率高的国家攻关工程。该行业是技术密集型产业,发展离不开大学、研发院所的智力与人才支撑。大学、研发机构要强强联合,分工协作。目前我国高校发挥着研发主力军的作用,但高校“姓教”,其人员编制、固定经费仍来自教育任务。当下我国需要发展出一批技术有特色、有创新能力的中小型精仪企业。调整政策和机制,在教学受益前提下使高校研发的成果乃至于智力资源迅速转变为生产力,高校毕业生尤其是博士去中小企业就业任职,十分必要。
  
  发展、提升众多有实力的中小企业不仅是仪器仪表行业,也是我国工业化绕不开的路径。以仪器仪表行业为例,高技术、高附加值、高风险为特点的科技型中小企业不可能靠“土法上马、因陋就简”路子培育,要围绕高科技产品特点考虑相应的配套政策,如吸引高端人才创业,健全真正的风险投资意识及渠道等。
  
  国家对仪器仪表与测量科技创新的支持应以事后奖励为主,这样便于研发投入主体转向受益者而非把纳税人的钱投给企业。为避免门类繁多的研发单位各自为战,出现急功近利的低水平重复、恶性竞争,可考虑组建独立于高校、院所的国家协同创新中心、产业联盟,真正起到引领行业、集中力量、合理配置资源以解决实际问题的作用。
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