电子测量仪表行业的工业设计发展

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  【摘要】 电子测量仪表行业可谓是制造业、电子行业、软件行业等多个行业最新研究成果的结晶,虽然该行业的整体规模并不大,但却足以体现一个国家的科技水平与科研人员的技术水平。电子测量仪表汇聚了工业设计、电子科技、软件实现、生物、物理、化学等多个学科的技术,是多种学科交叉集成的高科技产物。本文从电子测量仪表行业的工业设计方向,浅析了该行业现有的工业设计成果与未来发展方向,阐述了该行业工业设计的现状、存在的问题以及国内外电子测量仪表行业的工业设计特点,希望能对这个领域的发展有所启发与帮助。
  【关键词】 电子测量仪表 工业设计 现状 发展方向Industrial Design of Electronic Measuring Instrument Shao-wei Pei Datang Linktester Technology Co., Ltd.
  Abstract: Electronic measuring instrument industry is the crystal of manufacturing industry, electronic industry, and software industry ,etc. Although the scale of the electronic measuring instrument industry is not very big, it can represent the country’s science and technology level and technical level of researchers. It has brought the latest research results of multi-industries together, i.e., machinery manufacturing, electronics technology, software realization, etc. The electronic measuring instrument is the high-tech products combined different disciplines of electronics, material, physics, industrial design, mechanical, and software, etc. From the aspect of industrial design of electronic measuring instrument, this paper analyses the development of industrial design and direction, expounds the current status, defects and innovation of industrial design in this field, and industrial design characteristics of electronic measurement instrument industry at home and abroad, hoping to inspire and help to the development of this field.
  Keywords: electronic measuring instrument; industrial design; current status; development direction
  伴随着第二次工业革命的深入发展,20世纪20年代出现了一个新的行业——电子测量仪表行业,当时的电子测量仪表还主要为机械和电气结合的简单设备,功能单一,操作复杂,精确度也不近人如意。此后伴随着人类科技文明的进步,电子测量仪表行业也得到了飞速发展,如第二次世界大战中出现的声呐、雷达等设备均可归为电子测量仪表,这时的电子测量仪表已经将机械式指针替代为光电显示屏,操作难度大幅度降低,重量和体积也大幅度减小,已经可以安装在飞机、军舰等移动工具中使用。
  进入20世纪50年代,伴随着晶体管的出现,电子测量仪表的体积、重量、精度和操作复杂程度进一步大幅度降低。同时期,美国波音公司707飞机的设计、人机工程学的运用以及德国工业设计的蓬勃发展使各电子测量仪表公司开始逐渐重视电子测量仪表的工业设计,力求开发出能够便于操作的电子测量仪表。
  20世纪70年代发展至今,大规模集成电路的广泛应用使电子测量仪表的集成度大幅度提高,仪表的功能进一步扩展,这就对电子测量仪表行业的工业设计提出了更高的要求—人机交互能力和系统热稳定性能的提高,同时又要求重量和体积进一步缩小,这就带动了电子测量仪表行业工业设计的深入研究和发展[1] 。
  进入21世纪后,电子测量仪表行业在经过近50年的发展后,这个行业的全球规模已经扩张到每年几百亿美元的产值[2],同时电子测量仪表也已细分为多个种类,覆盖了基础电子测量、通信电子、生物检测、电力、遥感、医药等多个领域。随着这个行业产值的迅速膨胀与应用领域的扩展,早期从事这个行业的公司已经发展成为行业内的顶级的公司,如德国罗德&施瓦茨公司、美国安捷伦公司、日本安利公司、美国的是德科技、美国艾默生电子、日本松下、德国西门子等行业巨头,这些公司基本垄断了全球高端电子测量仪表领域,如罗德与施瓦茨公司2014年一年便卖出了上千台高端手机测试类电子测量仪表,年销售额高达几十亿美元,占当年全球手机测试类电子测量仪表市场的60%以上的市场份额。近些年伴随着经济危机的出现,这些行业巨头都纷纷开始转向生物测量、电力测量等全新的领域,同时通过产业兼并与重组,剥离传统电子测量仪表的业务,然后迅速推出了适用于这些新兴行业的电子测量仪表。   伴随着中国近些年经济的蓬勃发展,国内各行各业对电子测量仪表的需求呈现爆炸式增长。由于国内电子测量仪表行业的发展水平低和国外对先进技术的垄断,国内的电子测量仪表行业基本由国外公司垄断,不仅造成了电子测量仪表的售价昂贵,而且由于严格控制技术外泄从而导致国内无法使用与国外同时代的电子测量仪表。但是在超高暴利和庞大市场的刺激下,国内也逐步发展起来了一批研发电子测量仪表的公司,如大唐联仪、创远、星河等电子测量仪表公司。但由于中国在电子、机械、生物、物理和工业设计等领域与发达国家的巨大差距,国内的电子测量仪表公司几乎都处于简单模仿国外行业巨头公司的产品或者生产一些低端的电子测量仪表的阶段。
  国内的电子测量仪表公司都存在规模较小、科技投入少、转型困难、竞争压力大、同质化等诸多问题;同时电子测量仪表的入门门槛较高,需要集合多学科的研究成果和资源整合能力;此外在目前国内的大环境下,非常不利于这种需要经过深入科学研究才能有所发展的行业;因此这些因素交织在一起共同限制了国内电子测量仪表公司的发展,使之难以与国外同类型公司竞争。
  由于国外的电子测量仪表行业已经经过了近50年的发展,电子测量仪表的工业设计已经相当成熟,无论人机设计、热设计、结构设计、外观设计和设计理念均已经相当成熟。目前国外电子测量仪表的工业设计主要有以下几个特征:
  1)产品外形尺寸逐渐减小。
  目前国外无显示屏类电子测量仪表的工业设计的最新流行趋势为小型化,一般无显示屏类电子测量仪表的产品高度已经降低到2U以下,仪表的宽度也不在以国际电联的19英寸设备要求为设计规范,同时电子测量仪表的产品深度也大幅度缩短。仪表的小型化可降低产品重量、降低产品的研发投入与制造成本,提高产品的性价比。如图1所示为德国某公司推出的小型化电子测量仪表系列,外形尺寸非常小巧。国外有显示屏类电子测量仪表的产品高度虽然扩展到5U以上,但产品深度却大幅度缩短,这样的设计理念可保证仪表在有较大显示屏的同时还可以缩小产品尺寸和降低产品重量,极大的提高产品的竞争力。


  2)人机交互正趋向于全触摸显示屏或者外接大尺寸显示屏,以及拥有丰富的测量端口。
  国外电子测量仪表的显示屏幕尺寸已提高到12.1英寸以上,同时采用全触摸交互界面、操作系统扁平化、多测量任务窗口并行显示和极少物理按键,极大的提高了仪表的人机交互能力和数据显示清晰度,以便于操作人员的使用,如图2所示为是德科技的MXA频谱分析仪表。此外仪表拥有丰富的端口类型,涵盖了射频端口、音频端口、时钟端口、并行串口、USB接口、以太网接口、VGA接口等多种接口类型,以适应不同使用环境的要求。
  3)全新的热设计理念。
  通过优化电路设计,多采用低功耗芯片和低功耗电路设计方案,进一步降低整机功耗,此外使用大面积铝基和铜基散热器、密闭散热风道和低风阻系统设计方案,可使仪表的散热方式实现自然对流冷却方式或者超低噪音强迫对流冷却方式,进而降低系统运行时的噪音和提高仪表安静性;
  4)仪表结构设计多采用快速插接方式。
  国外电子测量仪表的结构多采用快速拼接与插接式,功能板卡实现模组化设计和无缆化设计理念,可实现仪表在不拆卸外壳和线缆的情况下直接更换功能板卡,方便仪表的升级与形态变化;结构材料多采用工程塑料或者硬质铝合金以减轻仪表重量;
  5)外观更加美观与圆润化。
  国外仪表多采用中性色系,配色柔和[3],通过一些装饰性颜色带,丰富仪表外观色彩,使仪表更加具有潮流感与现代气息。同时仪表多采用工程塑料包角和工程塑料外观零件,如圆润设计的把手和具有曲面造型的前面板,提高仪表的质感和高端感。
  由于国内的电子测量仪表行业起步非常晚,因此国内电子测量仪表行业的工业设计基本以参考国外同类型仪表为基础。
  此外,由于行业内对工业设计的重视程度不高,长期忽视工业设计对产品品质和质感的影响程度,因此国内电子测量仪表行业的工业设计与国外仍存在着较大差距,主要表现在:产品外观趋同,由于行业内公司不重视仪表的外观设计,同时片面强调工业设计零件的成本,因此国内电子测量仪表一般采用市场中常见的仪表类外观产品,因此无论外观配色、外观零件设计、工业设计理念等均差强人意,如外观颜色均采用一种颜色,不考虑不同功能区的色彩提示,使仪表的档次在感官上较低。
  人机交互能力考虑不周全,由于资源积累不足,国内电子测量仪表在前期总体设计时便没有充分考虑人机工程学,端口设计的合理程度、端口种类与分布、按键排布与大小、UI操作界面和显示区域精细度等设计均在各种缺陷,如射频端口没有充分考虑使用者的手部操作空间,以至于端口旋拧不便甚至射频端口的螺牙划伤手指等,以至于后期不得不进行改版设计。
  热设计不充分,全部热设计仿真软件均为国外产品,同时由于国内在电子散热方面的研究较为粗浅和风道设计考虑不周全,因此国内的电子测量仪表的散热效率较低,只能一味采用大功率、多数量风扇散热系统,从而导致仪表噪声大、电路失效、内部灰尘较多等问题。如图3所示为国内仪表与国外仪表的内部清净度对比,国内某仪表公司的内部板卡在使用一段时间后积灰问题严重而国外某仪表公司的内部板卡在使用一段时候仍能保持清洁。内部结构设计不合理,国内电子测量仪表虽参考国外同类型仪表,但由于电子设计方面能力不足,因此往往造成内部电路臃肿,结构部分复杂,内部结构集成度较低,和无法实现功能板卡模块化设计等,严重浪费内部的宝贵空间。如图4所示,国内某仪表公司开发的电路采用较大且明显突出的器件,从而导致电路的结构腔体异型。

  基于对国内外电子测量仪表行业工业设计的现状与问题的深入研究,未来电子测量仪表的工业设计必将会朝着小型化、内部高度集成化、低功耗化、网络化、人机交互便捷化方向发展。
  1)小型化是未来电子测量仪表行业工业设计发展的必然方向。
  伴随着电子器件功能的完善,电路设计将更加简单化和密集化,因此电子测量仪表的外形尺寸将不断缩小,可能未来的某一天,电子测量仪表的外形尺寸和现在的移动终端相仿。小型化将要求电子测量仪表的工业设计更加严谨,通过优化仪表结构,使仪表内部结构更加规整与简洁。同时小型化将要求电子测量仪表公司提高对仪表工业设计的重视程度,提高工业设计在仪表开发过程中的优先级和重要性,要采用全局的眼光看待仪表的工业设计,使仪表的开发由电路设计为主导转变为以工业设计为主导,从而提高产品竞争力。只有那些能补足工业设计缺陷的公司采用提前占得市场先机。
  2)内部高度集成化是电子测量仪表发展的实现手段。
  通过内部模组化设计和无缆设计,实现对仪表内部空间的充分占用,提高内部模块集成化程度。同时内部模组化设计和无缆设计可提高仪表功能的扩展,实现电子测量仪表功能多样化与形态丰富化。内部模块设计可提高仪表的灵活度,仪表实际使用用户可根据使用需求灵活调整仪表的功能,从而提高仪表的适应性。同时内部模块化设计能降低仪表的生产难度,提高生产效率,仪表公司可先生产各内部模块,然后根据客户需求配置仪表,避免整机的在线升级与校验。
  3)低功耗是电子测量仪表行业电子设计的必然要求。
  伴随着电路的功耗的降低,可大幅度缩小散热系统的复杂程度,仪表将可采用自然散热方式或超低噪音强迫对流冷却方式,此外仪表采用全密闭式设计、功能区域风道隔离、功能区域风量调节、优化板卡风阻等热设计手段,能大幅提到仪表散热效能,从而降低电子测量仪表的运行噪声,同时有利于内部结构与板卡的清洁度,提高设备的可靠性和运行寿命。
  4)网络化是电子测量仪表行业发展的催化剂。
  伴随着目前网络的飞速发展,电子测量仪表厂商可不再出售仪表设备,而是通过网络使客户直接和电子测量仪表厂商连接,客户直接租用电子测量仪表厂商提供的测试功能服务,这样客户可以免去设备购置、维护等成本,同时电子测量仪表厂商就能利用一套设备同时对多个用户提供网络测试服务,提高双方的利润。
  5)人机交互便捷化是电子测量仪表发展的保障。
  未来有显示屏类电子测量仪表将采用全触摸屏幕或者采用大尺寸外接触摸显示器,免去物理按键所带来的操作不便问题,用户可清晰查看测量结果或者同时进行多测量项业务,同时提高UI界面扁平化设计,方便用户调用不同测量项[4][5] 。无屏类电子测量仪表将采用多种类端口、多数量端口形式,通过丰富的端口形式,可满足不同测试需求,此外多测量端口可同时实现多个终端设备或者测试项目的数据采集和分析,提高测试效率。
  目前电子测量行业正悄然发生着大变革,伴随着技术难度的降低,行业内的公司正逐渐增多,行业内公司的竞争激烈程度正与日俱增,只有那些能够提高自身产品的竞争力的公司才能在这个行业中脱颖而出,只有那些真正意识到工业设计对仪表行业的重要程度的公司才能迎风破浪,才能引领未来行业的发展方向,只有引领了行业发展方向的公司才能成为行业中的领军公司。
  参 考 文 献
  [1]连学涛, 华颜涛. 浅谈电子测量仪器的现状与发展[J]. 科协论坛, 2012(12):59-60.
  [2]国家发展改革委经济运行局机电处. 仪器仪表行业2006年运行分析及2007年趋势预测[J]. 中国经贸导刊, 2007(6):16.
  [3]何人可. 工业设计史[M]. 北京:北京理工大学出版社, 2000.
  [4]人机交互的进化与未来[J]. 互联网周刊. 2014(3):56-57.
  [5]姜霄, 王以华, 董晓玮. 工业设计专业中人机交互课程的现状分析与应用[J]. 大众科技, 2011(2): 138-139.
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