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[摘要]：随着精密仪器制造与电子技术、电气自动化技术的结合，其应用已经变得非常普遍，对现代社会生活、工业生产、科学研究影响广泛，意义重大。本文着重从电气自动化与精密仪器两个方面展开探讨，最后集中到电气自动化技术和机密仪器的结合，通过探讨它们的发展及设计的基本思想来阐明二者的基本关系。
[关键词]：精密仪器 电气设计 电气自动化 控制系統
中图分类号：TU274.9 文献标识码：TU 文章编号：1009-914X（2012）29- 0260 -01
一、电气自动化的发展及应用
1、电气自动化的“现阶段”
随着科学技术及社会生产生活活动的不断发展和丰富，电气自动化的应用越来越广泛，一方面方便了生产生活，另一方面促使电气自动化技术水平不断提高。电气自动化技术向智能化方向的发展，使其能够实现对仪器仪表设备更为精准的控制，现阶段大容量信息数据传输技术的使用也使得电气自动化技术在仪器仪表控制方面更为有效。现实生活中电气自动化控制随处可见，在现代工厂制造业、科学实验室、航天飞行、交通等领域都有广泛的应用。随着新领域的开发、新技术的发明和推广，电气自动化不断地融合进新的因素，应用也将越来越广泛、越来越普遍。
纵观电气自动化控制的发展，不难发现：电气自动化的发展和工业的不断成长成熟相辅相成、相互影响，尤其在技术上联系颇为紧密。一方面，工业通讯的需要给电气自动化技术的发展提出了新的要求；另一方面，电气自动化技术使得工业生产通讯方便简洁、可控制，提高了生产效率，为企业用户带来了良好的经济效益。进一步提高我国在电气自动化领域的科技水平，对未来工业企业发展影响积极，意义重大。
2、电子技术及自动化技术在仪器仪表中的应用
自动化仪表，是常用于工业生产领域的一种具有较完善功能的自动化技术工具，它由若干自动化元件构成，本身有形成为一个完整的控制单元。作为功能性工具，它同时具有测量、显示、记录或测量、控制、报警等数种功能；作为自动化系统单元，是整个自动化系统中的一个子系统。自动化仪表的主要功能和作用是将输入信号按不同的方式转换成不同形式的输出信号。上个世纪五十年代左右，工业用的仪表仪器和自动化设备大都采用模拟信号，采集到的模拟信号被统一传送到集中控制室的控制盘上，操作人员便可以在此观察监控各个环节的运行情况。然而，模拟信号的传递效率低，联接不方便，精度也不高，信号的抗干扰能力低下。为了解决这些缺点，补足生产需求，数字信号就被接受并广泛使用。
3、电气化仪器仪表的发展
我国自新中国成立以后仪器仪表才有初步发展，随着国家第一个五年规划的实施，国内仪器仪表发展取得了重大突破，尤其是数字技术的出现使得各种数字仪器得以问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了好几个等级，为实现测试自动化打下了良好的基础。上世纪六十年代中期，计算机技术的发明和使用，使得仪表仪器的发展迎来了一个新的局面，其功能发生了质的变化，在原有的的接收…显示单一功能的基础之上新开辟了控制、分析、处理、计算等更为先进的和完善的功能。到上世纪末，微处理器的成功研发并被引用到仪表仪器中，键盘化操作，智能化的应用等又是仪表仪器发展史上的一次大的变革。仪表仪器发展到今天已有半个多世纪，今天的发展更注重新技术的使用，如电子设计自动化（EDA）、计算机辅助测试（CAT）、数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC）等。产品开发越来越注重产品系统的集成度及其性价比，技术使用也更加注重专业化。
二、精密仪器设计探讨
1、精密仪器发展国内外比照
经过半个多世纪的发展，对仪器仪表的研究已逐渐形成为一门独立的学科，而精密仪器则是仪器仪表学科的一个重要组成部分。它研究的对象是测量各种物理量所用的仪器仪表，包括长度、力学、热工、电磁、光学、无线电、时间频率、电离幅射等。精密仪器按产品可以分为很多种：工业自动化仪表与装置、电工仪器仪表、分析仪器、光学仪器、材料试验机、气象海洋仪器、照像机械、电影机械、办公机械、生物医疗仪器、无线电电子测量仪器、航空仪表、船用导航仪表、地震仪器、汽车仪表、拖拉机仪表、轴承测试仪表等等。
目前国外仪器仪表发展的特点和趋势，可以概括为“五化一套”，即产品结构电子化、系统构成数字化、显示三维形象化、操作自动智能化、整机功能多参数化、产品成套专业化。然而，我国仪器仪表发展相对落后，精密仪器的开发研究更是与国际前沿想去甚远。产品技术与国外相比，其主要差距为：品种系列不全，成套水平低；技术性能低、质量差；标准化程度低；新技术采用缓慢，产品更新换代周期长；产品结构落后、功能少、智能化程度低。
2、精密仪器设计的基本思想
从系统工程的角度来讲，仪器常被定义为以信息流和信息变换为主的技术系统，如测量仪器、控制仪器、电影机和照相机、计算仪器、天文仪器、导航仪器等。仪器的应用十分广泛，随着社会生产形式多样化，新技术的不断涌现，仪器产品也不断更新和丰富，其种类越来越繁多。但是其基本的构成都比较相近，根据仪器中各部件的功能，可将各类仪器的组成分为以下几个基本部分：基准部件、感受转换部件、转换放大部件、瞄准部件、处理与计算装置、显示部件、驱动控制器、机械结构部件。
根据仪器的使用机器结构特点，在设计上就需要考虑六个方面的要求，即精度要求、经济性要求、效率要求、可靠性要求、寿命要求、造型要求。其设计原则包括12小点：
1）精度原则。从误差平均原理、位移量同步比较原理、误差补偿原理上提高仪器精度。
2）阿贝原则。将仪器的读数刻线尺，安排在被测尺寸线的延长线上。即被测量与仪器作读数用的基准线应顺次排成一条直线。
3）运动学设计原则。空间体具有6个自由度，根据物体要求运动的方式，即要求的自由度数，确定施加的约束数。
4）最小变形原则。使仪器当受力、重力、热、内应力、振动等时变形最小。 5）基面合一原则。使零件设计时，设计基准、加工基准、检验基准、装配基准统一。
6）最短传动链原则。影响测量精度的测量链系统和传动效率的传动链最短，零件最少。
7）精度匹配原则。在分折精度的基础上，对机、光、电各部分精度分配恰当，对各部分提出不同的精度要求。
8）仪器零部件的标准化、系列化、通用化原则。
9）仪器可靠性、安全、维修与操作方便原则。
10）结构工艺性好原则。
11）造型与装饰宜人原则。
12）价值系数最优原则。产品的功能与产品成本之比，反映了社会产品价值的高低。
3、电气自动化及控制设计
仪器仪表本身可视作一个系统单元或者本身就是一个完整的系统，其设计的基本思路和电气控制系统的设计思路相似。电气控制系统的设计包括原理设计和工艺设计两部分，一个是为满足生产过程中机械加工和工艺的各种控制要求而进行的电气控制设计，综合考虑设备的自动化程度和技术的先进性。另一个是为满足电气控制装置本身的制造、使用及维修的需要而进行的生产工艺设计。前者决定一台设备的使用效能和自动化程度，决定了生产机械设备的先进性和合理性；后者决定了电气控制设备的生产可行性、经济性、造型美观和使用维护方便等。更具精密仪器仪表的研发、生产等，设计工作的重点在于电气控制框图的设计及其工艺设计，主要包括电气原理图的绘制、电器元件的选用、整体布局规划、设计说明和使用维护说明的编写。设计上一般需遵循四个大的方面：
最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求。电气控制线路是为整个生产机械和工艺过程服务的，设计前需要全面了解仪器仪表的主要工作性能、结构特点、工作方式和保护电路装置等。
设计力求简单、经济、合理。尽量选用标准元器件，減少选用元器件的种类和数量以及线路长度、触电数目等。满足功能要求，而不盲目追求自动化和高指标。
确保系统安全可靠。合理选择电源、电器元件，正确连接电路线圈，避免出现寄生电路影响仪器仪表的正常工作。
设计必要的保护电路。在仪器仪表短路、过流、过载、失压等情况下起到保护仪器电路的作用。
参考文献：
[1] 李庆祥 王东生 李玉和. 现代精密仪器设计[M]. 北京：清华大学出版社，2004.
[2] 孟宪艳. 电子仪器、自动化仪器仪表的新发展[M]. 天津市电子仪表实验所，2006.
[3] 毕克伟. 工业电气自动化的应用与发展[M]. 科学实践，2010.
[关键词]：精密仪器 电气设计 电气自动化 控制系統
中图分类号：TU274.9 文献标识码：TU 文章编号：1009-914X（2012）29- 0260 -01
一、电气自动化的发展及应用
1、电气自动化的“现阶段”
随着科学技术及社会生产生活活动的不断发展和丰富，电气自动化的应用越来越广泛，一方面方便了生产生活，另一方面促使电气自动化技术水平不断提高。电气自动化技术向智能化方向的发展，使其能够实现对仪器仪表设备更为精准的控制，现阶段大容量信息数据传输技术的使用也使得电气自动化技术在仪器仪表控制方面更为有效。现实生活中电气自动化控制随处可见，在现代工厂制造业、科学实验室、航天飞行、交通等领域都有广泛的应用。随着新领域的开发、新技术的发明和推广，电气自动化不断地融合进新的因素，应用也将越来越广泛、越来越普遍。
纵观电气自动化控制的发展，不难发现：电气自动化的发展和工业的不断成长成熟相辅相成、相互影响，尤其在技术上联系颇为紧密。一方面，工业通讯的需要给电气自动化技术的发展提出了新的要求；另一方面，电气自动化技术使得工业生产通讯方便简洁、可控制，提高了生产效率，为企业用户带来了良好的经济效益。进一步提高我国在电气自动化领域的科技水平，对未来工业企业发展影响积极，意义重大。
2、电子技术及自动化技术在仪器仪表中的应用
自动化仪表，是常用于工业生产领域的一种具有较完善功能的自动化技术工具，它由若干自动化元件构成，本身有形成为一个完整的控制单元。作为功能性工具，它同时具有测量、显示、记录或测量、控制、报警等数种功能；作为自动化系统单元，是整个自动化系统中的一个子系统。自动化仪表的主要功能和作用是将输入信号按不同的方式转换成不同形式的输出信号。上个世纪五十年代左右，工业用的仪表仪器和自动化设备大都采用模拟信号，采集到的模拟信号被统一传送到集中控制室的控制盘上，操作人员便可以在此观察监控各个环节的运行情况。然而，模拟信号的传递效率低，联接不方便，精度也不高，信号的抗干扰能力低下。为了解决这些缺点，补足生产需求，数字信号就被接受并广泛使用。
3、电气化仪器仪表的发展
我国自新中国成立以后仪器仪表才有初步发展，随着国家第一个五年规划的实施，国内仪器仪表发展取得了重大突破，尤其是数字技术的出现使得各种数字仪器得以问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了好几个等级，为实现测试自动化打下了良好的基础。上世纪六十年代中期，计算机技术的发明和使用，使得仪表仪器的发展迎来了一个新的局面，其功能发生了质的变化，在原有的的接收…显示单一功能的基础之上新开辟了控制、分析、处理、计算等更为先进的和完善的功能。到上世纪末，微处理器的成功研发并被引用到仪表仪器中，键盘化操作，智能化的应用等又是仪表仪器发展史上的一次大的变革。仪表仪器发展到今天已有半个多世纪，今天的发展更注重新技术的使用，如电子设计自动化（EDA）、计算机辅助测试（CAT）、数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC）等。产品开发越来越注重产品系统的集成度及其性价比，技术使用也更加注重专业化。
二、精密仪器设计探讨
1、精密仪器发展国内外比照
经过半个多世纪的发展，对仪器仪表的研究已逐渐形成为一门独立的学科，而精密仪器则是仪器仪表学科的一个重要组成部分。它研究的对象是测量各种物理量所用的仪器仪表，包括长度、力学、热工、电磁、光学、无线电、时间频率、电离幅射等。精密仪器按产品可以分为很多种：工业自动化仪表与装置、电工仪器仪表、分析仪器、光学仪器、材料试验机、气象海洋仪器、照像机械、电影机械、办公机械、生物医疗仪器、无线电电子测量仪器、航空仪表、船用导航仪表、地震仪器、汽车仪表、拖拉机仪表、轴承测试仪表等等。
目前国外仪器仪表发展的特点和趋势，可以概括为“五化一套”，即产品结构电子化、系统构成数字化、显示三维形象化、操作自动智能化、整机功能多参数化、产品成套专业化。然而，我国仪器仪表发展相对落后，精密仪器的开发研究更是与国际前沿想去甚远。产品技术与国外相比，其主要差距为：品种系列不全，成套水平低；技术性能低、质量差；标准化程度低；新技术采用缓慢，产品更新换代周期长；产品结构落后、功能少、智能化程度低。
2、精密仪器设计的基本思想
从系统工程的角度来讲，仪器常被定义为以信息流和信息变换为主的技术系统，如测量仪器、控制仪器、电影机和照相机、计算仪器、天文仪器、导航仪器等。仪器的应用十分广泛，随着社会生产形式多样化，新技术的不断涌现，仪器产品也不断更新和丰富，其种类越来越繁多。但是其基本的构成都比较相近，根据仪器中各部件的功能，可将各类仪器的组成分为以下几个基本部分：基准部件、感受转换部件、转换放大部件、瞄准部件、处理与计算装置、显示部件、驱动控制器、机械结构部件。
根据仪器的使用机器结构特点，在设计上就需要考虑六个方面的要求，即精度要求、经济性要求、效率要求、可靠性要求、寿命要求、造型要求。其设计原则包括12小点：
1）精度原则。从误差平均原理、位移量同步比较原理、误差补偿原理上提高仪器精度。
2）阿贝原则。将仪器的读数刻线尺，安排在被测尺寸线的延长线上。即被测量与仪器作读数用的基准线应顺次排成一条直线。
3）运动学设计原则。空间体具有6个自由度，根据物体要求运动的方式，即要求的自由度数，确定施加的约束数。
4）最小变形原则。使仪器当受力、重力、热、内应力、振动等时变形最小。 5）基面合一原则。使零件设计时，设计基准、加工基准、检验基准、装配基准统一。
6）最短传动链原则。影响测量精度的测量链系统和传动效率的传动链最短，零件最少。
7）精度匹配原则。在分折精度的基础上，对机、光、电各部分精度分配恰当，对各部分提出不同的精度要求。
8）仪器零部件的标准化、系列化、通用化原则。
9）仪器可靠性、安全、维修与操作方便原则。
10）结构工艺性好原则。
11）造型与装饰宜人原则。
12）价值系数最优原则。产品的功能与产品成本之比，反映了社会产品价值的高低。
3、电气自动化及控制设计
仪器仪表本身可视作一个系统单元或者本身就是一个完整的系统，其设计的基本思路和电气控制系统的设计思路相似。电气控制系统的设计包括原理设计和工艺设计两部分，一个是为满足生产过程中机械加工和工艺的各种控制要求而进行的电气控制设计，综合考虑设备的自动化程度和技术的先进性。另一个是为满足电气控制装置本身的制造、使用及维修的需要而进行的生产工艺设计。前者决定一台设备的使用效能和自动化程度，决定了生产机械设备的先进性和合理性；后者决定了电气控制设备的生产可行性、经济性、造型美观和使用维护方便等。更具精密仪器仪表的研发、生产等，设计工作的重点在于电气控制框图的设计及其工艺设计，主要包括电气原理图的绘制、电器元件的选用、整体布局规划、设计说明和使用维护说明的编写。设计上一般需遵循四个大的方面：
最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求。电气控制线路是为整个生产机械和工艺过程服务的，设计前需要全面了解仪器仪表的主要工作性能、结构特点、工作方式和保护电路装置等。
设计力求简单、经济、合理。尽量选用标准元器件，減少选用元器件的种类和数量以及线路长度、触电数目等。满足功能要求，而不盲目追求自动化和高指标。
确保系统安全可靠。合理选择电源、电器元件，正确连接电路线圈，避免出现寄生电路影响仪器仪表的正常工作。
设计必要的保护电路。在仪器仪表短路、过流、过载、失压等情况下起到保护仪器电路的作用。
参考文献：
[1] 李庆祥 王东生 李玉和. 现代精密仪器设计[M]. 北京：清华大学出版社，2004.
[2] 孟宪艳. 电子仪器、自动化仪器仪表的新发展[M]. 天津市电子仪表实验所，2006.
[3] 毕克伟. 工业电气自动化的应用与发展[M]. 科学实践，2010.