仪器科学与技术学科的特点与发展趋势

时间：2022-10-20 百科知识版权反馈

【摘要】：仪器仪表的先进性代表了仪器科学与技术学科领域科技和产业的发展水平。仪器科学与技术学科的特点主要体现在以下三个方面。仪器科学与技术学科的目的是为了应用。作为仪器科学与技术学科研究成果的仪器仪表产品的总体发展趋势是，由传统的仪器仪表朝着高可靠性、高精度、高灵敏、使用寿命长和环保型的方向发展。

仪器科学与技术学科的特点与发展趋势

丁天怀¹　陈祥光²

(1．清华大学精密仪器与机械学系，北京100084;

2．北京理工大学化工与环境学院，北京100081)

1　前言

仪器是认识世界的工具，是人们用来对物质(自然界)实体及其属性进行观察、监视、测定、验证、记录、传输、变换、显示、分析处理与控制的各种器具和系统的总称^［1］。它在促进科技进步和生产发展中发挥了重要作用，历经不断发展，在现代科学技术和生产力推动下，已形成包括精密仪器及机械、测试计量技术及仪器两个二级学科的仪器科学与技术一级学科^［2］。仪器科学与技术已成为现代科学技术的重要学科之一，与现代科学技术的许多学科有紧密联系，是一门涉及测试计量技术及仪器、精密仪器及机械、光学工程、机械电子工程、检测技术与自动化装置、计算机应用等多学科交叉的新型综合性学科。

仪器仪表的先进性代表了仪器科学与技术学科领域科技和产业的发展水平。先进的科学仪器既是技术创新和知识创新的前提，也是原始创新和重大发明的推动力。统计结果表明，1/3以上的诺贝尔物理学奖、化学奖和生物医学奖颁发给了那些在电子显微镜、质谱仪、CT断层扫描仪、X光物质结构分析仪、光学相衬显微镜和新开辟领域的扫描隧道显微镜等科学仪器及其方法技术方面有杰出创新的科学家^［3］。

2　仪器科学与技术学科特点

仪器科学与技术为一级学科。目前国内已有二百余所高等院校有该一级学科或二级学科^［4］。作为仪器科学与技术学科唯一的本科专业——测控技术与仪器专业的发展速度很快，呈现出招生和分配两头热的良好状态。仪器科学与技术学科主要组成包括:工业自动化测控技术及工业自动化仪表与系统，科学测试、分析技术及科学仪器，人体诊疗技术及医疗仪器，信息计测技术及电测仪器，专用检测技术及各类专用测量仪器，相关传感器、元器件、材料及技术等。仪器科学与技术学科的特点主要体现在以下三个方面。

2．1　多学科交叉融合

学科交叉是创新思想的源泉^［5］。不同的思想和不同的科研方法在某一点产生火花，就会使科学家产生灵感，从而突破原来固有的思维模式，开创出新的研究领域。随着现代科学技术的迅猛发展，仪器科学与技术学科已发展成为一门与光学工程、机械电子工程、检测技术与自动化装置、计算机应用技术、信号与信息处理等多学科交叉的新型综合性学科，特别是与一些新兴学科的交叉，这是仪器科学与技术的特点，图1中虚框内的学科与“仪器科学与技术学科”都存在交叉融合关系。

随着计算机网络技术、软件技术、微纳米技术的发展，测控技术呈现出虚拟化、网络化和微型化的发展趋势，从而使仪器仪表学科的多学科交叉及多系统集成而形成的边缘学科的属性越来越明显^［6］。

图1　仪器科学与技术学科与其他学科的交叉

2．2　多系统集成创新

先进仪器的开发需要综合多方面知识，集成多种技术。仪器科学与技术学科的充实、发展和创新需要不断吸收其他学科的新成就，需要集成交叉学科的新理论、新技术，拓宽本学科的理论和技术基础，如图2所示。

图2　仪器科学与技术学科的多系统集成

仪器仪表是人类扩大视野、开拓新域的前导工具，时刻面临着严峻的挑战，它本身总是处于永不止息的创造发展之中。随着人类活动领域的迅速扩大，传统仪器仪表无法应付的测量对象急剧增加^［7］。因此，仪器科学与技术学科能够敏锐地感知新技术、新材料、新工艺等不断发展，并且能够以最快的速度不断更新。比如，为了研究天体，从最初的伽利略望远镜，到现在服役的哈勃望远镜，再到即将升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜，每一次新技术的革新都将带动仪器技术的发展，造福于人类社会。

2．3　应用领域宽广

仪器科学与技术学科的目的是为了应用。它主要为科研服务，也为工业上的生产服务。当今仪器仪表，除了少部分专用，大部分仪器的应用领域都比较广泛，而且随着科技的进一步发展，人类对测量仪器的需求领域逐渐扩大，在传统仪器仪表无法解决问题的时候，必然会诞生新的仪器仪表。比如分析仪器最初主要用于研究化学物质质和量的问题，随后被大量应用于地质勘探和冶金领域;第二次世界大战期间和战后初期，则被广泛用于原子能工业;以后是半导体和功能材料;再接着是环境保护部门。进入20世纪90年代，随着生命科学的重要性日渐被人们认识，科学仪器的应用开始向药物、医学和生物工程等领域扩展。随着化学、分子生物学、临床医学、药物学、材料科学、电子器件、纳米材料等领域的发展及环境监测和过程控制要求的加强，科学仪器的应用领域还将不断扩大，并得到更大更快的发展^［8］。

科学仪器能够敏锐地感知新技术、新材料、新工艺等不断发展，并且能够以最快的速度不断发展更新。仪器仪表的不断发展，不仅推进科技的不断进步，也给工业生产和人民生活提供了便利。

3　学科发展趋势

作为仪器科学与技术学科研究成果的仪器仪表产品的总体发展趋势是，由传统的仪器仪表朝着高可靠性、高精度、高灵敏、使用寿命长和环保型的方向发展。而新型仪器仪表与元器件将朝着智能化、小型化(微型化)、网络化、虚拟化、集成化的方向发展，如图3所示。