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1、.0804 仪器科学与技术一级学科简介一级学科中文名称：仪器科学与技术 英 文 名 称 ： Instrumentation Science and Technology一、学科概况仪器科学与技术学科是一个古老而又极具生命力的学科。它伴随着人类最早的生产和社会活动的开头而萌生。古代的测量器具尽管简洁,但也根本具备了测量单位、标准量和标准量与被测量比对过程等测量的根本属性,如我国氏族社会已有“结绳记事“、“契木计时“的记载；大禹治水时使用了准绳与法规；公元前 221 年,我国秦朝已形成量值统一的度量衡制度和器具；汉书律历志中用“累黍定尺“和“ 黄钟律管“ 对长度进展了定义,其中用发出固定音高的“黄
2、钟律管“之长来定长度标准是我国古代宏大的制造制造,这种方法与几千年后的今日,世界上承受光波波长定义长度基准 ,从根本原理上有惊人的相像之处；此外还产生了朴实的测量方法,如利用平行光投影的相像现象间接地测量物体的长度；进而产生了以测量单位、标准量、测量量值与被测量值转换关系为根底的测量方法和测量仪器,如日晷和浑天仪等。在这个漫长的历史过程中,尽管该学科在促进生产力进展与社会进步中发挥了巨大作用,但仍处于学科的萌芽阶段。直至 1898 年国际米制公约建立,初步形成了以米和公斤等为根本计量单位、相应的计量标准器与测量仪器、量值溯源方法与测量理论；进而衍生出作为该学科理论根底的测量误差理论和计量学等,
3、学科根本理论框架初步形成。随着近代测量科学与仪器技术的学术价值和试验价值显著提升,近代测量科学渐渐从近代物理学和化学等根底学科中分别出来,并渐渐形成为一门独立的学科 ,成为近代科学的重要根底学科之一。门捷列夫曾有著名论断：“科学是从测量开头的“,“ 没有测量就没有科学“,“测量是科学的根底“。1 / 9现代测量学是前沿科学领域中最活泼和最有生命力的学科之一。测量科学争论的重大突破性进展和原理仪器的制造直接或间接地 引发了前沿重大科学问题的突破。这在历届诺贝尔奖的争论成果中得到集中表达。到20XX 为止,诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学和医学奖获奖工程总数为352 项,获奖总人数为547 名,直接
4、因测量科学争论成果或直接制造原理仪器而获奖的工程总数为 37, 总人数为 50,如电子显微镜、质谱仪、CT 断层扫描仪、扫描隧道显微镜和原子力显微镜等；同时 69的物理学奖、75的化学奖、92的生理学和医学奖都是借助于各种先进的高端仪器完成的。仪器科学与技术的进展,始终与和物理学、化学、生理学和医学等根底学科和前沿学科的进展与重大前沿科学问题的突破严密地联 系在一起。每次科学技术争论取得的重大进展都会推动仪器科学与技术产生跨越式进展。传统仪器科学与技术以牛顿力学、电磁学、经典光学、热力学、化学等为理论根底,建立了长度、力学、热工、电磁、光学、声学、电子、时间频率、电离辐射等计量测试专业与相应的
5、测量仪器技术产业。现代仪器科学与技术以电动力学、量子力学、现代光学、电子学等为理论根底,同时借助于现代技术的突破性进展,如微电子技术、计算机技术、激光技术、光子技术、光电子技术和超导技术等,使仪器科学与技术进入以量子计量为标志的阶段 ,如激光干预测量技术、原子频标计量技术、基于电子隧道效应的扫描隧道显微仪器技术、基于量子化霍尔效应的电参量计量技术争论等相继快速取得突破,并进展成为的仪器技术,进而促进仪器科学与技术的快速进展。仪器科学与技术学科具有与众多相关学科严密穿插与融合的特点,而且这种学科间的严密穿插与融合越来越成为现代仪器技术 ,特别是高端仪器技术进展的趋势。一方面,仪器科学与技术学科的
6、进展必需借助于相关学科的技术成果,如研制原理仪器必需承受光学技术、周密机械技术、电磁技术、电子技术和掌握技术等； 另一方面,相关学科进展过程中遇到的难题与需求也会为原理仪器的制造供给了机遇。如生命学科领域的前沿问题之一是基因构造和活体细胞三维构造及形态与病理学、药理学之间的关系,这一需求导致高空间区分率层析共焦显微镜的制造与进展。又如分子物理学的前沿问题之一是分子及原子构造的真实性与可操作性,这一需求导致了扫描隧道显微镜和原子力显微镜的制造与广泛应用。目前,仪器科学与技术学科与大局部工科和理科学科都形成了亲热的穿插与融合关系。二、学科内涵1. 争论对象仪器是生疏世界的工具,是对物理、化学和生物
7、量以及各类工程量等进展观测、测量、测试、检测、计量、监测及掌握的重要手段, 是信息的源头。仪器科学与技术学科的争论对象可分为四个层面：第一个是通过测量方法和仪器的制造,觉察自然现象,生疏自然规律,即从量的属性这一角度提醒客观世界的内在规律,以生疏世界为目的； 其次个是对物理、化学和生物量以及各类工程量等进展准确测量,并对仪器的量值进展溯源和传递 ,以猎取准确全都和牢靠的数据 ,为改造世界建立根底与前提；第三个是对生产和工作过程进展监测和掌握, 保证生产和工作过程的牢靠性与效率；对产品质量进展测量,指导工艺水平提升,掌握产品质量的牢靠性与水平的提升；第四个是对人类安康状况进展检测,对生存环境状况
8、和安全状况以及各类社会活动进展监测,作为人类自身安康、环境与社会安全保障的根底与前提。仪器科学与技术学科是为人类生疏自然现象,觉察自然规律供给科学手段,为人类安康、环境安全、以及生产和社会活动法制化供给物质技术保障的一个跨学科的、学问密集和技术密集的综合性学科。2. 理论仪器科学与技术学科是一门典型的穿插性学科,其理论体系尚处于不断进展和完善的过程之中。从总体上概括,仪器科学与技术学科的理论体系主要由应用物理科学、传感技术科学、测量科学、计量科学、信息处理科学、仪器技术科学和工程试验科学等构成。依据仪器科学与技术学科各个分支领域的争论成果,并综合考虑仪器科学与技术学科各个分支领域分类的简单性、
9、差异性以及共同属性,仪器科学与技术学科的主要理论包括：传感理论、测量方法与测量仪器模型、仪器系统协同设计理论、仪器性能协同掌握理论、仪器精度理论、测量误差与不确定度理论、仪器误差补偿理论、测量误差修正理论、量值传递与溯源方法、信号与图像及信息理论、多传感器数据融合理论、过程测控理论等。3. 学问根底仪器科学与技术学科的学问根底仍处于不断地进展与完善之中。支撑仪器科学与技术学科理论体系的学问根底由四大局部构成,即：测量方法学的概念、根本原理及运用测量方法学包括关于测量的概念、测量理论、测量原则和测量方法论；运用上述概念、理论、原则和方法论,针对处于肯定被测对象和被测环境下的被测量的具体特性 ,建
10、立测量方法,主要解决可测性问题；在此根底上,建立优化的测量误差安排模型与误差补偿模型 , 建立优化的测量方法、测量模型和仪器模型,主要解决测量方法构成与测量的准确性问题。传感器理论与技术传感器理论与技术包括对物理、化学和生物量以及工程量等的感知或传感机理与技术、信号或信息转换与放大技术、传感器设计方法, 主要解决传感模型和传感系统的建立问题。仪器工程学与测控系统工程学仪器工程学与测控系统工程学包括仪器精度理论与设计方法,原理核心技术根底、仪器核心单元设计方法 ,仪器集成技术与方法, 仪器误差补偿技术与理论,仪器性能测试与校准技术等；还包括利用相关技术对信号、图像和信息等进展直接显示、输出和对外
11、部设备进展反响掌握等；主要解决仪器或测控系统构成和测量手段与力量的实现问题。信号、图像和信息处理理论与技术信号、图像和信息处理理论与技术包括信号与系统理论、数字信号处理理论与技术、图像和信息处理理论与技术、以及信号、图像或信息的利用技术等,主要解决信号、图像和信息的提取、处理和利用问题。测量误差理论与数据处理技术测量误差理论与数据处理技术包括测量误差与不确定度理论、仪器误差补偿理论与技术、测量误差修正理论与技术、数据处理理论与技术等,主要解决测量结果的牢靠性与准确性问题。计量学的概念、根本原理及应用计量学包括计量的概念、计量理论、计量体系和计量法规等。运用上述概念、理论、体系和法规等,针对科学
12、争论、生产活动、经济活动、社会活动和国际沟通等需求,建立科学的计量单位制、量值溯源与传递方法和体系、以及计量基准装置和计量标准装置等。计量学是仪器科学与技术的根底,主要解决在全国范围内和国际范围内测量单位的统一与量值的准确全都等问题。支撑上述学问根底的学科专业学问,主要包括：测量误差与不确定度理论、互换性与测量技术根底、信号与系统、数字信号处理、光学图像处理、传感技术、测控电路技术为专业根底学问；测量技术、仪器设计、测控系统设计、仪器精度理论等为专业技术学问。专业技术学问在专业体系的构建上依据各自专业方向的内涵不同有所侧重。仪器科学与技术学科留意力量的培育 ,即主动猎取学问的力量,独立分析问题
13、与解决问题的力量,以及创争论力量。仪器科学与技术学科具有显著的多学科穿插特点与学科自身可 持续创的优势。这些特点与优势得益于仪器科学与技术学科具备不断吸取相邻学科与相关学科的最争论成果的力量。相邻学科与相关学科的最争论成果的不断融入,使仪器科学与技术学科学问根底不断拓展和深化。相关学问根底主要由三大类构成,即自然科学根底学问类：包括数学、物理学、化学、生物学等；技术科学学问根底类： 包括应用光学、物理光学、制图学、周密机械学、电子技术根底、计算机技术和掌握理论与技术等；人文社会科学根底学问类：包括科学技术史、哲学、政治经济学等。4. 争论方法仪器科学与技术学科伴随着科学技术的整体进展,不断在试
14、验科学、技术科学和工程科学中存在的大量测量科学问题和测量技术问题等方面深化生疏,在解决这些问题的过程中进展理论和方法创 ,渐渐构建了学科的理论体系,形成了具有本学科特点的争论方法 ,大致可归纳为如下方法学：1 仪器与测量系统测量学特性的系统分析方法。大型高端周密测量仪器和系统是一个多测量参量、多误差源、多种变化规律和多重复合作用的简单系统,具有不行控干的扰源多、难补偿误差多、多变量耦合问题多和难建模问题多等特征 ,无法用现有典型方法分析,必需针对具体的仪器与测量系统问题 ,承受多学科手段,综合运用系统分析、分类归纳、分层解耦、以及直接监测与间接测算结合、准确补偿与阅历数据结合、误差分别与误差抑
15、制结合等方法,猎取大量的相关数据,准确估算各个不确定度重量,推断各个测量学特性的偏移量, 经屡次测算与权衡,最终提出最优测量方案。2 仪器与测量系统的协同设计方法。为到达高精度、多参量和高效率的设计目标,大型高端仪器和周密测量系统的设计无法由常规的仪器设计方法实现,必需承受协同设计方法。该方法首先承受多学科技术与方法,如光学、周密机械学、电子学、电磁学、掌握理论、计算机等技术与方法,完成仪器系统的原理设计；然后承受多学科方法与理论逐一分析与估算各测量特性的满足度和偏差。以此为依据, 结合各分系统、技术单元、子单元等的指标裕度、技术潜力、本钱代价,进展协同设计。经过反复地综合平衡、性能兼顾、取舍
16、与妥协 , 逐步解决多种性能间的冲突、多种功能间的耦合、精度与效率间的匹配和性能与本钱间的统一等,最终完成最优设计方案。3 仪器性能的溯源性评估方法。对测量仪器性能的评估必需满足计量学特性的要求,其中最核心的评估内容是能否满足测量不确定度要求。承受标准的计量学方法逐一对仪器系统中的各传感单元、监测单元和测量单元进展溯源性分析与评估,以最终确认该仪器的整体性能与功能满足设计要求。三、学科范围仪器科学与技术包括两个争论方向：即周密仪器技术与工程和测试计量技术及仪器。二者在培育目标、争论范围和课程设置等方面, 各自形成了具有显著特色的理论体系,面对不同的应用背景；但同时二者又有很多相互联系和共同之处。1. 周密仪器技术与工程学科： 主要面对周密工程和微纳技术领
