0804儀器科學與技術一級學科簡介

1、0804儀器科學與技術一級學科簡介一級學科（中文）名稱：儀器科學與技術（英文）名稱：Instrumentation Science and Technology一、學科概況儀器科學與技術學科是一個古老而又極具生命力的學科。它伴隨 著人類最早的生產和社會活動的開始而萌生。 古代的測量器具盡管簡 單，但也基本具備了測量單位、標準量和標準量與被測量比對過程等 測量的基本屬性，如我國氏族社會已有“結繩記事”、“契木計時”的記載；大禹治水時使用了準繩與規(guī)矩；公元前 221年，我國秦朝已 形成量值統(tǒng)一的度量衡制度和器具；漢書律歷志中用“累黍定 尺”和“黃鐘律管”對長度進行了定義，其中用發(fā)出固定音高的“黃

2、鐘律管”之長來定長度標準是我國古代偉大的發(fā)明創(chuàng)造， 這種方法與 幾千年后的今天，世界上采用光波波長定義長度基準， 從基本原理上 有驚人的相似之處；此外還產生了樸素的測量方法，如利用平行光投 影的相似現(xiàn)象間接地測量物體的長度；進而產生了以測量單位、標準 量、測量量值與被測量值轉換關系為基礎的測量方法和測量儀器，如日晷和渾天儀等。在這個漫長的歷史過程中，盡管該學科在促進生產 力發(fā)展與社會進步中發(fā)揮了巨大作用，但仍處于學科的萌芽階段。直至1898年國際米制公約建立，初步形成了以米和公斤等為基 本計量單位、相應的計量標準器與測量儀器、量值溯源方法與測量理 論；進而衍生出作為該學科理論基礎的測量誤差理論

3、和計量學等，學科基本理論框架初步形成。隨著近代測量科學與儀器技術的學術價值 和實驗價值顯著提升，近代測量科學逐漸從近代物理學和化學等基礎 學科中分離出來，并逐漸形成為一門獨立的學科，成為近代科學的重要基礎學科之一。門捷列夫曾有著名論斷： “科學是從測量開始的” “沒有測量就沒有科學” ，“測量是科學的基礎” ?，F(xiàn)代測量學是前沿科學領域中最活躍和最有生命力的學科之一。 測量科學研究的重大突破性進展和新原理儀器的發(fā)明直接或間接地 引發(fā)了前沿重大科學問題的突破。 這在歷屆諾貝爾獎的研究成果中得到集中體現(xiàn)。到 2011 年為止，諾貝爾物理學獎、化學獎、生理學和 醫(yī)學獎獲獎項目總數(shù)為 352 項，獲獎總

4、人數(shù)為 547 名，直接因測量科 學研究成果或直接發(fā)明新原理儀器而獲獎的項目總數(shù)為 37（ 占 1 05） ，總人數(shù)為 50（占 91 ） ，如電子顯微鏡、質譜儀、 CT 斷 層掃描儀、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等；同時69的物理學獎、75的化學獎、 92的生理學和醫(yī)學獎都是借助于各種先進的高端儀器完成的。儀器科學與技術的發(fā)展，一直與和物理學、化學、生理學和醫(yī)學等基礎學科和前沿學科的發(fā)展與重大前沿科學問題的突破緊密地聯(lián) 系在一起。每次科學技術研究取得的重大進展都會推動儀器科學與技術產生跨越式發(fā)展。傳統(tǒng)儀器科學與技術以牛頓力學、電磁學、經典 光學、熱力學、化學等為理論基礎， 建立了長度、 力學

5、、熱工、電磁、光學、聲學、電子、時間頻率、電離輻射等計量測試專業(yè)與相應的測 量儀器技術產業(yè)。現(xiàn)代儀器科學與技術以電動力學、量子力學、現(xiàn)代光學、電子學 等為理論基礎，同時借助于現(xiàn)代新技術的突破性進展， 如微電子技術、 計算機技術、激光技術、光子技術、光電子技術和超導技術等，使儀 器科學與技術進入以量子計量為標志的新階段，如激光干涉測量技 術、原子頻標計量技術、基于電子隧道效應的掃描隧道顯微儀器技術、 基于量子化霍爾效應的電參量計量技術研究等相繼迅速取得突破， 并 發(fā)展成為新的儀器技術，進而促進儀器科學與技術的迅速發(fā)展。儀器科學與技術學科具有與眾多相關學科緊密交叉與融合的特 點，而且這種學科間的緊

6、密交叉與融合越來越成為現(xiàn)代儀器技術， 特 別是高端儀器技術發(fā)展的趨勢。 一方面， 儀器科學與技術學科的發(fā)展 必須借助于相關學科的新技術成果， 如研制新原理儀器必須采用光學 新技術、精密機械新技術、 電磁新技術、 電子新技術和控制新技術等； 另一方面，相關學科發(fā)展過程中遇到的難題與需求也會為新原理儀器 的發(fā)明提供了機遇。 如生命學科領域的前沿問題之一是基因結構和活 體細胞三維結構及形態(tài)與病理學、 藥理學之間的關系， 這一需求導致 高空間分辨率層析共焦顯微鏡的發(fā)明與發(fā)展。 又如分子物理學的前沿 問題之一是分子及原子結構的真實性與可操作性， 這一需求導致了掃 描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的發(fā)明與廣泛應

7、用。 目前，儀器科學與 技術學科與大部分工科和理科學科都形成了密切的交叉與融合關系。二、學科內涵1. 研究對象儀器是認識世界的工具， 是對物理、 化學和生物量以及各類工程 量等進行觀測、測量、測試、檢測、計量、監(jiān)測及控制的重要手段， 是信息的源頭。 儀器科學與技術學科的研究對象可分為四個層面： 一個是通過測量方法和儀器的發(fā)明，發(fā)現(xiàn)自然現(xiàn)象，認識自然規(guī)律， 即從量的屬性這一角度揭示客觀世界的內在規(guī)律，以認識世界為目 的；第二個是對物理、化學和生物量以及各類工程量等進行精確測量， 并對儀器的量值進行溯源和傳遞， 以獲取準確一致和可靠的數(shù)據(jù)， 為 改造世界建立基礎與前提； 第三個是對生產和工作過程進

8、行監(jiān)測和控 制，保證生產和工作過程的可靠性與效率；對產品質量進行測量，指 導工藝水平提升， 控制產品質量的可靠性與水平的提升； 第四個是對 人類健康狀況進行檢測， 對生存環(huán)境狀況和安全狀況以及各類社會活 動進行監(jiān)測，作為人類自身健康、 環(huán)境與社會安全保障的基礎與前提。 儀器科學與技術學科是為人類認識自然現(xiàn)象， 發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律提供科學 手段，為人類健康、環(huán)境安全、以及生產和社會活動法制化提供物質技術保障的一個跨學科的、知識密集和技術密集的綜合性學科。2. 理論儀器科學與技術學科是一門典型的交叉性學科， 其理論體系尚處 于不斷發(fā)展和完善的過程之中。 從總體上概括， 儀器科學與技術學科 的理論體系主要

9、由應用物理科學、傳感技術科學、測量科學、計量科 學、信息處理科學、儀器技術科學和工程實驗科學等構成。根據(jù)儀器 科學與技術學科各個分支領域的研究成果， 并綜合考慮儀器科學與技 術學科各個分支領域分類的復雜性、 差異性以及共同屬性， 儀器科學 與技術學科的主要理論包括：傳感理論、測量方法與測量儀器模型、 儀器系統(tǒng)協(xié)同設計理論、儀器性能協(xié)同控制理論、儀器精度理論、測 量誤差與不確定度理論、儀器誤差補償理論、測量誤差修正理論、量 值傳遞與溯源方法、信號與圖像及信息理論、 多傳感器數(shù)據(jù)融合理論、 過程測控理論等。3. 知識基礎儀器科學與技術學科的知識基礎仍處于不斷地發(fā)展與完善之中。支撐儀器科學與技術學科

10、理論體系的知識基礎由四大部分構成，即：(1) 測量方法學的概念、基本原理及運用 測量方法學包括關于測量的概念、 測量理論、 測量原則和測量方法論；運用上述概念、理論、原則和方法論，針對處于一定被測對象 和被測環(huán)境下的被測量的具體特性， 建立測量方法， 主要解決可測性 問題；在此基礎上，建立優(yōu)化的測量誤差分配模型與誤差補償模型， 建立優(yōu)化的測量方法、 測量模型和儀器模型， 主要解決測量方法構成 與測量的準確性問題。(2) 傳感器理論與技術傳感器理論與技術包括對物理、 化學和生物量以及工程量等的感 知或傳感機理與技術、信號或信息轉換與放大技術、 傳感器設計方法， 主要解決傳感模型和傳感系統(tǒng)的建立問

11、題。(3) 儀器工程學與測控系統(tǒng)工程學 儀器工程學與測控系統(tǒng)工程學包括儀器精度理論與設計方法， 原理核心技術基礎、儀器核心單元設計方法，儀器集成技術與方法， 儀器誤差補償技術與理論， 儀器性能測試與校準技術等； 還包括利用 相關技術對信號、 圖像和信息等進行直接顯示、 輸出和對外部設備進 行反饋控制等；主要解決儀器或測控系統(tǒng)構成和測量手段與能力的實 現(xiàn)問題。(4) 信號、圖像和信息處理理論與技術信號、圖像和信息處理理論與技術包括信號與系統(tǒng)理論、 數(shù)字信 號處理理論與技術、圖像和信息處理理論與技術、以及信號、圖像或 信息的利用技術等，主要解決信號、圖像和信息的提取、處理和利用 問題。(5) 測量

12、誤差理論與數(shù)據(jù)處理技術測量誤差理論與數(shù)據(jù)處理技術包括測量誤差與不確定度理論、 儀 器誤差補償理論與技術、 測量誤差修正理論與技術、 數(shù)據(jù)處理理論與 技術等，主要解決測量結果的可靠性與準確性問題。(6) 計量學的概念、基本原理及應用 計量學包括計量的概念、計量理論、計量體系和計量法規(guī)等。運 用上述概念、理論、體系和法規(guī)等，針對科學研究、生產活動、經濟 活動、社會活動和國際交流等需求，建立科學的計量單位制、量值溯 源與傳遞方法和體系、 以及計量基準裝置和計量標準裝置等。 計量學 是儀器科學與技術的基礎， 主要解決在全國范圍內和國際范圍內測量 單位的統(tǒng)一與量值的準確一致等問題。支撐上述知識基礎的學科

13、專業(yè)知識， 主要包括： 測量誤差與不確 定度理論、互換性與測量技術基礎、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、光 學圖像處理、傳感技術、測控電路技術為專業(yè)基礎知識；測量技術、 儀器設計、測控系統(tǒng)設計、儀器精度理論等為專業(yè)技術知識。專業(yè)技術知識在專業(yè)體系的構建上根據(jù)各自專業(yè)方向的內涵不同有所側重。儀器科學與技術學科注重能力的培養(yǎng)， 即主動獲取知識的能力， 獨立 分析問題與解決問題的能力，以及創(chuàng)新研究能力。儀器科學與技術學科具有顯著的多學科交叉特點與學科自身可 持續(xù)創(chuàng)新的優(yōu)勢。 這些特點與優(yōu)勢得益于儀器科學與技術學科具備不 斷吸取相鄰學科與相關學科的最新研究成果的能力。 相鄰學科與相關 學科的最新研究成果的不

14、斷融入， 使儀器科學與技術學科知識基礎不 斷拓展和深化。 相關知識基礎主要由三大類構成， 即自然科學基礎知 識類：包括數(shù)學、物理學、化學、生物學等；技術科學知識基礎類： 包括應用光學、物理光學、制圖學、精密機械學、電子技術基礎、計 算機技術和控制理論與技術等； 人文社會科學基礎知識類： 包括科學 技術史、哲學、政治經濟學等。4. 研究方法 儀器科學與技術學科伴隨著科學技術的整體發(fā)展， 不斷在實驗科 學、技術科學和工程科學中存在的大量測量科學問題和測量技術問題 等方面深化認識 , 在解決這些問題的過程中進行理論和方法創(chuàng)新 , 逐 漸構建了學科的理論體系， 形成了具有本學科特點的研究方法， 大致

15、可歸納為如下方法學：（1）儀器與測量系統(tǒng)測量學特性的系統(tǒng)分析方法。大型高端精 密測量儀器和系統(tǒng)是一個多測量參量、 多誤差源、 多種變化規(guī)律和多 重復合作用的復雜系統(tǒng)，具有不可控干的擾源多、難補償誤差多、多 變量耦合問題多和難建模問題多等特征，無法用現(xiàn)有典型方法分析， 必須針對具體的儀器與測量系統(tǒng)問題， 采用多學科手段， 綜合運用系 統(tǒng)分析、分類歸納、分層解耦、以及直接監(jiān)測與間接測算結合、精確 補償與經驗數(shù)據(jù)結合、 誤差分離與誤差抑制結合等方法， 獲取大量的 相關數(shù)據(jù)， 精確估算各個不確定度分量， 判斷各個測量學特性的偏移 量，經多次測算與權衡，最終提出最優(yōu)測量方案。（2）儀器與測量系統(tǒng)的協(xié)同設

16、計方法。為達到高精度、多參量 和高效率的設計目標， 大型高端儀器和精密測量系統(tǒng)的設計無法由常 規(guī)的儀器設計方法實現(xiàn)， 必須采用協(xié)同設計方法。 該方法首先采用多 學科技術與方法， 如光學、精密機械學、 電子學、電磁學、控制理論、 計算機等技術與方法， 完成儀器系統(tǒng)的原理設計； 然后采用多學科方 法與理論逐一分析與估算各測量特性的滿足度和偏差。以此為依據(jù)， 結合各分系統(tǒng)、技術單元、子單元等的指標裕度、技術潛力、成本代 價，進行協(xié)同設計。經過反復地綜合平衡、性能兼顧、取舍與妥協(xié)， 逐步解決多種性能間的矛盾、 多種功能間的耦合、 精度與效率間的匹 配和性能與成本間的統(tǒng)一等，最終完成最優(yōu)設計方案。（3）

17、儀器性能的溯源性評估方法。對測量儀器性能的評估必須 滿足計量學特性的要求， 其中最核心的評估內容是能否滿足測量不確 定度要求。采用規(guī)范的計量學方法逐一對儀器系統(tǒng)中的各傳感單元、 監(jiān)測單元和測量單元進行溯源性分析與評估， 以最終確認該儀器的整 體性能與功能滿足設計要求。三、學科范圍儀器科學與技術包括兩個研究方向： 即精密儀器技術與工程和測 試計量技術及儀器。二者在培養(yǎng)目標、研究范圍和課程設置等方面， 各自形成了具有顯著特色的理論體系， 面向不同的應用背景； 但同時 二者又有許多相互聯(lián)系和共同之處。1. 精密儀器技術與工程學科： 主要面向精密工程和微納技術領 域、高端裝備制造領域、生物醫(yī)學領域、環(huán)

18、境工程領域和相關觀測與 實驗領域，以光電轉換、機電轉換、光機電轉換和其它物理、化學和 生物等轉換方式為手段， 探索研究和開發(fā)新原理科學儀器、 精密測量 儀器、專用精密測試儀器與試驗儀器。精密儀器技術與工程學科是以精確獲取被測量信息為目標， 以光 機電等相關學科前沿技術為手段，探索、研究、設計和研制新原理高 端儀器，以多學科交叉融合為顯著特征的綜合性和前沿性學科。 按儀 器獲取與處理信息流的本質劃分， 有兩大類理論基礎， 一類以光電信 息技術為主的相關理論，如數(shù)學、物理學、光學、電子學、光電信息 理論、圖像理論和控制理論等基礎理論； 另一類以電子信息技術為主 的相關理論，如數(shù)學、物理學、電子學、

19、電磁學、控制理論和信號理 論為基礎理論。而其共性基礎理論是數(shù)學、物理學、誤差理論和控制 理論等。精密儀器技術與工程學科主要研究傳感技術、 測量方法學、 精密 儀器精度理論、精密儀器設計方法、精密儀器共性關鍵技術、精密儀 器集成技術、精密儀器制造工藝、精密加工 / 測量一體化裝備技術、 幾何參量測量儀器技術、 機械參量測量儀器技術、 運動參量測量儀器 技術、光電儀器技術、視覺儀器技術、微 / 納機械及測量儀器技術、 科學儀器技術、顯微儀器技術、生物儀器技術、環(huán)境儀器技術、地球 科學儀器技術、環(huán)境遙測遙感儀器技術、大型高端專用儀器技術、航 空航天專用儀器技術、測試與試驗儀器技術等。2. 測試計量技

20、術及儀器學科： 主要面向幾何量、 力學量、電學量 （電磁學和電子學） 、光學量、熱學量、聲學量、時間頻率、電離輻 射等相關物理量和工程量以及化學量和生物量， 探索、研究新的測量 原理和方法以及量值溯源和傳遞方法； 同時研制和開發(fā)新穎的儀器和 計量標準裝置，開展對裝備或系統(tǒng)的綜合測試、 診斷與預測技術研究， 研制和開發(fā)新穎的測試系統(tǒng)，建立其校準和測試比對方法。測試計量技術及儀器學科是以追求量值的統(tǒng)一為目標， 以多學科 交叉融合為顯著特征的綜合性和前沿性學科。其共性基礎理論是數(shù) 學、物理學、光學、化學、誤差理論、控制理論、測量方法學和計量 學等。測試計量技術及儀器學科主要研究測量方法學、 計量學、誤差理 論與數(shù)據(jù)處理方法、量值溯源與傳遞技術、 計量儀器校準與比對技術、幾何量測試計量技術與儀器、力學量測試計量技術與儀器、電（磁） 學量測試計量技術與儀器、 光學量測試計量技術與儀器、 熱學量測試