1.2 仪器的基本构成及其理论基础

1.2.1 仪器的基本构成

一个典型的仪器主要由实验装置、测量部件、数据处理、分析和输出设备，以及针对具体对象的控制设备等几部分构成。如图1-10所示的基于计算机的仪器构成，在许多场合下，要求仪器能够提供数字信号，以便于接入计算机数据采集系统或通信系统中。如果传感器的输出不是数字信号，则必须用模拟/数字（A/D）转换器将模拟信号转换为数字信号。数字信号送入计算机后，再进行处理、存储、显示或接入其他系统。

实验装置是一种能使被测对象处于预期待测状态的专口设备，它的作用在于充分暴露被测对象的内在特性以便进行有效的测量。

测量部件由传感器、信号测量电路或测量仪器（部件）组成。传感器是测量系统中的第一个环节，用于从被测对象获取信息或能量，并将其转换为适合测量的变量或信号。被测对象在一定的激励下，它的各种物理性能的变化经传感器完成由非电量到电量的转换，由此可见，对于不同的被测物理量要采用不同的传感器，因此所依据的构成传感器作用原理的物理效应也是千差万别的。对于一个测量任务来说，第一步便是要能有效地从被测对象来取得能用于测量的信息，因此，传感器在整个测量系统中的作用是十分重要的。

数据处理（也称为信号调理）部分是对从传感器所输出的信号做进一步的加工和处理，包括对信号的转换、放大、滤波、存储、重放和一些专门的信号处理及标定等，完成对被测信号的测量。这是因为从传感器输出的信号往往除了有用信号外还夹杂各种有害的干扰和噪声，因此，在进行进一步处理之前必须先将干扰和噪声对有用信号的影响减小到能正常测量有用信号的范围内。另外，传感器的输出信号往往具有光、机、电等多种形式，而对信号的后续处理往往都采取电的方式和手段，因而有时必须对传感器的输出信号进行进一步的转换，转换为适合电路处理的电信号，其中也包括信号的放大。通过信号调理部分的处理，最终希望获得能便于传输、显示和记录，以及可进行进一步后续处理的信号。

输出设备部分是将经信号调理部分处理过的信号用便于人们观察和分析的对象和手段进行记录或显示，测量结果或用指示仪表指示出来，或用记录仪记录，还可传送给数据处理器作进一步处理运算或求谱分析，使之变成后续设备所需要的输入信号。一方面被显示、打印、记录、存储、绘图；另一方面根据需要提供给控制仪器，作为控制的依据。

控制设备主要是根据数据处理单元按某种控制规律给出的控制信号对执行元件进行控制，从而使被控对象按照预定的指标或者规律运行，保证系统的正常工作和工业生产的正常进行。

以上功能都是通过传感器和不同的测量仪器、装置和控制设备来实现的，它们构成了一个仪器系统的核心部分。但是，被测（控）对象和观察者也是仪器系统的组成部分，它们同传感器、信号调理部分、控制器，以及数据显示和记录部分一起构成了一个完整的测控系统。这是因为在用传感器从被测对象获取信号时，被测对象通过不同的连接或祸合方式也对传感器产生了影响和作用。同样地，观察者通过自身的行为和方式也直接或间接地影响着系统的传递特性。因此，在评估一个测控系统的性能时也必须考虑这两个因素的影响。

随着生产实践和科学研究发展的需要，大量精度高、功能强、使用方便灵活、完全突破传统概念、全新一代的仪器不断涌现，已经得到了仪器界的广泛重视。这种仪器内部以微处理器为核心、具有信号采集、数据处理、显示记录、传输和测试过程自动控制等一系列功能，甚至还能辅助专家推断分析和进行决策，有自动补偿、自动校准、自动检测等较高的自动化水平和一定的分析判断能力，称为智能仪器。

1.2.2 仪器的功能特点

人类社会进人了信息时代，作为信息获取、测量、控制、监视与显示的仪器，无疑是一种极其重要的信息测量工具，是保证连续化生产设备安全、经济及自动化运行，为运行人员提供操作依据，为自动调节和控制过程参数乃至整个生产过程提供精确可靠信息的重要装备。

近20年来，世界上工业发达国家都十分重视仪器的发展，我国也已将信息产业作为优先发展的产业。因此，作为信息产业重要组成部分的仪器必将得到加速发展。近年来，由于半导体技术和微型计算机的飞速发展，微型计算机与仪器相结合，使仪器精度提高、功能扩展、可靠性增加。仪器的功能特点主要有以下几个方面：

（1）由于现代电子技术的应用，仪器能进行连续测量、记录和实时控制，并能根据测量的结果自行判断、运算与分析。反应速度快，不但适用于传统的静态测量，也适应飞速发展的动态测量的要求。

（2）微处理器的引入使现代仪器的功能较传统仪器有了极大的提高。仪器利用微处理器的数据处理能力，可以将几个不同参数的测量结果综合起来，从而间接地获得需要知道的测量参数。许多原来用硬件电路难以解决或根本无法解决的问题，由于利用软件而得到较好的解决。

（3）有较强的数据处理能力，即运算和判断的能力。如求平均值、方差、百分误差和统计分析等，仪器可以通过数据处理进行自动校正、非线性补偿、数字滤波等处理来修正、克服由各种传感器、变换器、放大器等引进的误差和干扰，从而能大大提高仪器的精度和其他性能指标。

（4）具有很高的自动化水平和自动测量的能力。如自动选择量程，自动调节零点、测试点和触发电平，自动校准、自动故障诊断和自动扫描键盘等，实现了测量过程的自动化，提高了测量的精确度、灵敏度和仪器的可靠性。

（5）具有可程控操作能力和人机对话的能力。现代仪器面板通常采用键盘操作和字符显示，通常都具备GPIB接口，配有IEC-625和RS-232等通用接口总线，能很方便地通过接口组成多功能自动测试系统，进行多点扫描检测。

（6）由于采用了微处理器，越来越多的硬件被软件所代替，重量、体积和功耗减小，结构简化，成本降低，仪器的可靠性和可维修性得以提高。

（7）具有存储大量测量信息、标准量值和各种历史数据，以及备用参数的功能。

（8）各种控制算法在仪器中得到广泛应用，仪器性能得到很好完善和提高。

1.2.3 仪器理论的基本内容

仪器学是一门很复杂的学科，分析仪器是仪器的最主要部分之一。任何仪器，特别是分析仪器都有它们特定的理论基础，这些理论都属于仪器学的范畴。

仪器学是一门涉及光学、机械学、电子学、计算机科学等多个领域的学科，因此，这些学科的有关理论都是仪器学理论的一部分。例如，光学理论包含了几何光学理论、光学设计理论、像差理论、物理光学中的量子光学理论、波动学与粒子学理论、干涉衍射理论、光栅理论、光电发射理论等；机械学理论包含机械设计、机械制造学、金相学、金属热处理学、材料科学、公差配合理论、机械加工工艺理论、焊接理论等；电子学理论包含电磁波理论、磁共振理论、晶体管电路基础理论、集成电路理论、模拟电路和数字电路理论、各类放大器理论、噪声理论、电子元器件失效的浴盆效应理论等；计算机科学包含计算机硬件、软件（程序设计）技术、网络技术等；还有材料力学、理论力学也是仪器学经常会涉及的基础理论。这些都是一切科学仪器，特别是光学类分析仪器设计、制造的最基本的理论。这些学科的理论综合，再加上仪器学的适用性、可靠性、智能性、经济性、美学性、工艺性六大要素，就是仪器学的全部理论。

仪器学是一门系统学科、综合学科，特别是光学类分析仪器（包括物理光学仪器、光谱仪器、光学计量仪器，以及各种带电光源的分析仪器等），不仅涉及多个学科，还涉及使用方面的问题，而且各有关学科之间有着特殊的相关性。从仪器学的理论来看，一台仪器是由许多部件组成的，各个部件就像一个传感器或变压器一样，它对输人信号（上一单元传给本传感器或变压器的信号）、输出信号（本传感器或变压器传给下一单元的信号）都有非常明确的要求，而这些要求又与各个传感器或变压器本身的特性、性能技术指标等密切相关。如果不清楚传感器或变压器本身的特性、性能技术指标，不清楚它对前面和后面部分的基本要求，不清楚前面和后面各部分的基本性能等，就不可能设计好各个部件，也不可能达到设计优质仪器的目的或要求。

仪器学是一门关联学科（或交叉学科），仪器的各个部分相互关联、相互影响、相互补充、相互制约。一台仪器的好与坏主要取决于仪器的整个系统，一台仪器的性能技术指标主要取决于整个仪器系统的每一个部分（元器件和部件）。但评价一台仪器的好坏，只能着眼于整个系统，不能只看某一个部分（元器件和部件）。例如，最基础、最常规、最普及、使用最多的各类光谱仪器，它们一般都由光学、机械、电子、计算机等各个部分组成，如果光学部分、机械部分的功能和性能都非常好，但电子学部分、计算机部分不好，整机也不可能好；如果电子学部分和计算机部分都非常好，而光学、机械部分不好，整机也不可能好。只要哪一个部件出现问题（或故障），整机都不能正常运转。因此，仪器的各个部件前后关联，前面的部件对后面的部件有很大的影响，后面的部件也对前面的部件有明确的、具体的要求。整台仪器由各个部分组成一个不可分割的系统，整台仪器的各个部分密切相关，相互匹配。

仪器学的基础理论除包含光学、机械学、电子学、计算机等相关学科的基础理论以外，还包括仪器的六大要素，即仪器的适用性、可靠性、智能性、经济性、美学性、工艺性。所以，从事各类分析仪器、特别是光学类分析仪器（如光谱仪器、液相色谱的光学类检测器、薄层扫描仪等）的设计、制造、测试、使用和维修的科技工作者，都应该掌握仪器学理论。只有掌握了仪器学理论，才能设计好仪器，才能设计出优质的仪器；只有掌握了仪器学理论，才能保证把仪器用到最佳状态，才能真正用好仪器。

仪器学理论是所有分析仪器，特别是各种光学类分析仪器的理论基础，是各类分析仪器设计的理论根据，是设计、制造分析仪器必须遵守的准则。每一台光学类分析仪器，基本上都涉及光、机、电、计算机。即使很简单的天平、pH计（用来精密测量液体介质的酸碱度值），也都是如此。所以，光学类分析仪器（如各类光谱仪器、液相色谱的光学类检测器等）是集光学、机械、电子学、计算机为一体的、技术密集的高科技产品，这四个方面都会对分析仪器的可靠性产生极大的影响。一台分析仪器的性能技术指标是否可靠，将直接影响使用者使用该仪器获得的分析测试数据的误差是否过大。而分析仪器的性能技术指标是否可靠，又取决于设计者是否按照仪器学理论对部件和整机进行最佳的设计和调试。

仪器学是仪器设计的理论基础，国外的先进管理理念认为“仪器的可靠性80%是设计出来的”。所以，分析仪器行业的科技工作者要特别重视仪器的设计。仪器设计的含义是多方面的、是很深远的。例如，从设计本身来讲，有光、机、电的部件设计，有主机（整机）总体设计；从制造角度来讲，有加工工艺设计、调试工艺设计；从使用角度来讲，有使用工艺（操作简易、使用方便、计算机界面友好等）问题；从维修角度来讲，有维修工艺（维修是否方便）问题等。

目前，国内一些仪器设计/制造者往往不注重工艺问题，所以在设计、研制样机时，质量很好。但批量生产时，因为工艺问题使仪器的质量开始下降；或者使用者在操作仪器时，使用不方便，维修不方便。一个优秀的分析仪器设计者，必须首先懂得仪器学理论，并且在仪器学理论的指导下开展实践。在设计过程中，从一开始就要高度重视各类工艺的设计。特别是光谱、色谱仪器这类高科技产品的设计/制造者，更要高度重视这些问题。光学类分析仪器的光度室设计，也是机械结构设计的重要组成部分。尤其是光度室的结构和零件设计，材料选择等更为重要。例如，有些光学类分析仪器经常采用塑料零件制作光度室，但是，设计者对塑料的物理性能缺少研究，在塑料的品种、材料厚度、几何尺寸、加工工艺、温度系数等方面缺乏深入了解。结果，光度室的零件容易产生变形，严重影响仪器的可靠性。

仪器机壳的设计，底板上元部件的分布排列方式，也都是有很深学问的。例如，在设计高压液相色谱的紫外检测器时，为了给氘灯散热，曾经采用轴流风机（电风扇），吹散热量。结果由于风路考虑不周，将氘灯的热量直接吹到电子元件和印制电路板上，引起电子元件发热而产生飘移，致使仪器很不稳定。后来重新设计，改变风路，使紫外检测器的稳定性得到明显提高。

我们说设计制造仪器的目的，是为了满足使用者的使用要求。因此，设计制造出来的仪器就要求好用。“好用”的标准是仪器稳定可靠。稳定是指仪器的漂移小、重复性好；可靠是指仪器的测试数据准确度高、故障率低、仪器制造厂的售后服务好等。如果一台光学类分析仪器，开机后一直不能稳定，基线始终在漂移。或者说，重复性很差，则这台仪器肯定不好用。如果一台光学类分析仪器测试的数据不准确，则这种仪器肯定不可靠。如果一台光学类分析仪器，出现故障后迟迟得不到维修，这种仪器既不可靠也不好用。

分析仪器工作者（分析仪器的设计、制造者）的任务非常明确，就是要保证做出的仪器好用。然而，普遍存在的现状：仪器制造工作者不注意调查了解使用者如何使用仪器，不注意了解使用者对仪器的要求，甚至不了解自己做出的仪器的性能技术指标的物理意义，不了解这些性能技术指标对分析误差的影响。由于制造者不了解使用者的思路，不了解使用者对仪器的使用情况。所以，他们设计、制造出的仪器质量不高，不能满足使用要求。这是我国光学类分析仪器长期处在低水平状态的主要原因之一。

分析仪器使用者（仪器分析工作者）的任务是“用好”仪器，然而“用好”的学问是很深的。目前，较为普遍存在的一种现象是，使用仪器的人常常不熟悉仪器，尤其是不熟悉仪器的性能技术指标的物理意义，以及这些性能技术指标相互之间的关系，特别是不熟悉这些仪器的性能技术指标对分析测试误差的影响。因此，往往不能把仪器用到最佳状态，或者说，不能最大限度地发挥仪器的作用。从我国大量引进的各类昂贵的光学类分析仪器的使用情况来看，有很多仪器使用非常不合理，有的“大材小用”，有的“搁置不用”，有的“物非其用”。有的科技工作者把很高档的紫外可见分光光度计作为一般的紫外可见分光光度计或一般的可见分光光度计使用；有些原子吸收分光光度计的三种原子化器（火焰、石墨炉、氢化物发生器）齐全，但是最贵重的石墨炉原子化器却从未使用过。结果是外汇用了很多，实验室挤得满满的，但对研究和生产并无太大推动。

因此，使用者要用好仪器，首先应该初步了解仪器学理论，应该初步了解所用仪器的结构、主要性能技术指标的物理意义及其相互关系和对分析误差的影响，并掌握对这些主要性能技术指标的简单检测方法，应该经常检测所用仪器的主要性能技术指标，以保证仪器工作在最佳状态，保证测试数据的准确可靠。只有这样，才能用好仪器。但是，很多使用者不重视仪器学，所以不能将仪器用在最佳状态，或者说，用不好仪器。这也是我国整体分析测试技术水平长期处低水平状态的主要原因之一。

1.2.4 仪器设计与制造工艺的关系

优质仪器既是设计出来的，也是制造出来的。优质仪器不仅要求设计水平高，还要求加工制造（包括设备、加工场所、加工技术、检验水平等）水平高。所以，高水准的仪器制造商不仅要重视设计，还必须重视加工制造。设计和制造必须密切结合，形成设计制造一体化。长期以来，由于设计和工艺的分家，制造被定位于加工工艺，这是一种狭义的制造概念。随着社会发展和科技进步，需要综合、融合和复合多种技术去研究和解决问题，特别是集成制造技术的问世，提出了广义制造的概念，也称为“大制造”的概念，它体现了制造概念的扩展。

仪器的设计内容包括光学、机械、电子学、计算机等各个方面的设计。例如，结构设计包括仪器整体布局、机械部件、机械零件、机壳、光路、印制电路板、散热器、风路等；光学设计包括光栅选择、透镜的几何尺寸和色差、像差的设计、单色器的杂散光、光谱带宽设计等；电子学设计包括电源、放大器、A/D转换器、保护电路、控制电路的设计等；计算机设计包括软件、硬件设计等；工艺设计包括制造工艺、安装工艺、使用工艺、维修工艺等的设计；还有整机及各个方面的误差分配设计等。虽然每个设计者不可能对上述每项设计都非常精通，但是必须对每个环节及其要求都有比较清楚的了解。

1.机械设计

仪器学理论中的机械结构、机械零部件设计涉及的学科很多，包括材料力学、理论力学、公差配合、金相学、热处理学、焊接学等。设计者对这些与仪器学有关的理论（学科）应该有一定的了解，并且在设计时应该严格遵循有关的仪器学理论。

有些小型化的仪器将仪器底盘（底座）设计得非常薄，另外，选择材料时也未从仪器学角度考虑，结果仪器的抗振动性能很差，导致仪器的稳定性很差。有些设计者对仪器的主要性能技术指标，特别是对影响分析误差最大的噪声、L杂散光、基线平直度、稳定性等关键性能技术指标缺乏研究，设计出来的仪器外形很漂亮，自动化程度也很高，但是分析测试的数据不准确，这些现象应该引起广大使用者的重视。

光学类分析仪器的光度室设计，也是机械结构设计的重要组成部分，尤其是光度室的结构和零件设计、材料选择等更为重要。例如，有些光学类分析仪器经常采用塑料零件制作光度室。但是，设计者对塑料的物理性能缺少研究，在塑料的品种、材料厚度、几何尺寸、加工工艺、温度系数等方面缺乏深人了解。结果，光度室的零件容易产生变形，严重影响仪器的可靠性。

仪器机壳的设计、底板上元部件的分布排列，也都是有很深学问的。例如，在设计高压液相色谱的紫外检测器时，为了给氖灯散热，曾经采用电风扇吹散热量。结果由于对风路考虑不周，将氖灯的热量直接吹到电子元件和印制电路板上，引起电子元件发热而产生漂移，致使仪器很不稳定。后来重新设计，改变风路，使紫外检测器的稳定性得到明显提高。

2.光学设计

光学设计要求设计者具有光学理论的坚实基础，必须掌握几何光学、光组设计（包括各种像差理论、干涉衍射理论、杂散光理论）等仪器学的基本理论。

3.电子学设计

仪器设计者除要求掌握电子学理论外，还应该了解、掌握仪器学中的光电发射理论、光电器件（如硅光电池、光电管、光电倍增管等）的光电特性，这样才能设计出优质的仪器。

另外，设计者应对整机的原理和各个部件有全面的了解，尤其要对整机和部件的主要性能技术指标有足够的了解。如果不了解仪器整机原理，不了解仪器整机对部件的要求，就不可能设计出优质的仪器。

4.工艺设计

在仪器的制造中，关键和核心的问题是工艺，它直接影响仪器的质量和产业化。然而，工艺设计是最容易被忽视的，这也是影响批量生产的主要因素。例如，国内有关科研人员共研发出15项科研成果，其中，13项达到当时国际上同类产品的先进水平，2项填补国内空白，5项获得各类科研成果奖。但是，这些科研成果中只有3项能真正进行批量生产，其余因为工艺问题不能投入生产。因为一般的分析仪器科研成果离产业化还有较大距离，一旦要进行批量生产，还必须进行二次设计（生产设计，特别是工艺设计）。如果对成果样机从生产的角度进行二次设计，就有可能使样机的先进性受到影响。所以，仪器设计者必须始终高度重视工艺设计，必须根据整机和各个部件的性能技术指标要求，全面考虑部件和整机的工艺性。

工艺性涵盖的内容很广，包括加工制造工艺、安装工艺、维修工艺和使用工艺。

加工制造工艺是整机质量的保证。如果没有良好的加工制造工艺、加工制造设备、测试设备和加工制造场地，是做不出优质光学类分析仪器的。

安装工艺指的是要保证安装工作安全、简单，保证不会出现损坏仪器的问题。首先是仪器安装时，要绝对保证不会因为仪器设计等原因引起仪器以外的其他安全方面的问题，如火灾、人身伤亡等。一般来说，从国外发达国家进口的仪器在安装调试时，仪器的各种插头和插座之间，不存在插头插错的问题（插头插不进去就说明插错了，插进去了就是对的），不会因为插头插错而烧坏仪器或引起火灾。目前，有些国产仪器已经这样做了，如北京普析通用公司的TU-1901、TAS-986等。但有些仪器的许多插头、插座的形状和大小基本相同，上面标有编号，对号配对接插。使用者如果不注意就有可能插错，轻者仪器不能正常运转，重者会烧坏仪器，甚至引起火灾。

维修工艺是指仪器维修要简单方便。任何仪器不管档次高低，都不可能不出故障。一旦出现故障，需要及时维修，这就要求有好的维修工艺，要求维修方便。有些仪器在维修时拆卸很不方便，要打开仪器寻找故障非常困难。例如，有些仪器要打开后盖取出变压器非常麻烦；有些仪器如果要换氖灯等易损件很不方便。因此，维修工艺很重要。

使用工艺是指仪器操作简单，使用方便，计算机界面要“友好”。这已经引起很多设计者的重视。但是，有些仪器软件设计不合理，若使用者进行了误操作，则必须从新开始，中间不可修改，操作很麻烦；有些仪器的软件缺少人性化，只能使用某种特定的计算机。所以，仪器的设计要重视使用工艺。

仪器设计制造过程中除了要求设计者掌握仪器的设计内容外，还要求设计者了解仪器制造业的特点，总的来说可以概括为以下几点：仪器品种繁多，而且作用要求各不相同；零件尺寸小而形状复杂；精度要求高；使用条件复杂，所用材料品种很多；仪器生产分散，专业化和协作化程度低；装配工作量所占比重大。所有这些特点使得仪器的制造方法非常广泛，甚至比较复杂特殊。并且，它将紧密地随着仪器技术的发展而不断发展。