1.研究对象 仪器是认识世界的工具,是对物理、化学和生物量以及各类工程量等进行观测、测量、测试、检测、计量、监测及控制的重要手段,是信息的源头。仪器科学与技术学科的研究对象可分为4个层面:第一个是通过测量方法和仪器的发明,发现自然现象,认识自然规律,即从量的属性这一角度揭示客观世界的内在规律,以认识世界为目的;第二个是对物理、化学和生物量以及各类工程量等进行精确测量,并对仪器的量值进行溯源和传递,以获取准确一致和可靠的数据,为改造世界建立基础与前提;第三个是对生产和工作过程进行监测和
控制,保证生产和工作过程的可靠性与效率;对产品质量进行测量,指导工艺水平提升,控制产品质量的可靠性与水平的提升;第四个是对人类健康状况进行检测,对生存环境状况和安全状况以及各类社会活动进行监测,作为人类自身健康、环境与社会安全保障的基础与前提。仪器科学与技术学科是为人类认识自然现象,发现自然规律提供科学手段,为人类健康、环境安全,以及生产和社会活动法制化提供物质技术保障的一个跨学科的、知识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交叉性学科,其理论体系尚处于不断发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实验科学等构成。根据仪器科学与技术学科各个分支领域的研究成果,并综合考虑仪器科学与技术学科各个分支领域分类的复杂性、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:传感器及系统理论,传感器数据融合理论,测量理论与方法学,仪器系统协同设计理论,仪器的微型化、网络
化和虚拟化理论与设计方法,测量控制理论,信号与图像及信息理论,测量误差与不确定度理论,量值传递与溯源方法,精密仪器精度理论与设计方法,电子测量理论与仪器设计方法,检测分析仪器、生物医疗仪器和环境监测仪器理论与设计方法等。
3.知识基础 仪器科学与技术学科的知识基础仍处于不断发展与完善之中。支撑仪器科学与技术学科理论体系的知识基础由六大部分构成。
(1)测量方法学的概念、基本原理及运用。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,针对处于一定被测对象和被测环境下的被测量的具体特性,建立测量方法,主要解决可测性问题;在此基础上,建立优化的测量误差
分配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等问题。
(2)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。
(3)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,新原理核心技术基础、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、图像和信息等进行直接显示、输出和对外部设备进行反馈控制等;主要解决仪器或测控系统构成和测量手段与能力的实现问题。
(4)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。
(5)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可靠性与准确性问题。
(6)计量学的概念、基本原理及应用。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,针对科学研究、生产活动、经济活动、社会活动和国际交流等需求,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基础,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一致等问题。
支撑上述知识基础的学科专业知识,主要包括:测量误差与不确定度理论、互换性与测量技术基础、信号与系统、数字信号处理、图像处理、传感技术、电子技术、网络技术、测控技术为专业基础知识;测量技术、仪器设计、测控系统设计、仪器精度理论等专业技术知识。专业技术知识在专业体系的构建上根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注重能力的培养,即主动获取知识的能力,独立分析问题与解决问题的能力,以及创新研究能力。
仪器科学与技术学科具有显著的多学科交叉特点与学科自身可持续创新的优势。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新研究成果的能力。相邻学科与相关学科的最新研究成果的不断融入,使仪器科学与技术学科知识基础不断拓展和深化。相关知识基础主要由三大类构成,即自然科学基础知识类:包括数学、物理学、化学、生物学等;技术科学知识基础类:包括精密机械学、电子学、计算机及网络技术、控制理论、微纳米技术、应用光学、物理光学、激光原理与技术等;人文社会科学基础知识类:包括科学
技术史、哲学、政治经济学等。
4.研究方法 仪器科学与技术学科伴随着科学技术的整体发展,不断在实验科学、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认识,在解决这些问题的过程中进行理论和方法创新,逐渐构建了学科的理论体系,形成了具有本学科特点的研究方法,大致可归纳为如下方法:
(1)仪器与测量系统测量学特性的系统分析方法。大型高端精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复杂系统,具有不可控的干扰源多、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,必须针对具体的仪器与测量系统问题,采用多学科手段,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、精确补偿与经验数据结合、误差分离与误差抑制结合等方法,获取大量的相关数据,精确估算各个不确定度分量,判断各个测量学特性的偏移量,经多次测
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。为达到高精度、多参量和高效率的设计目标,大型高端仪器和精密测量系统的设计无法由常规的仪器设计方法实现,必须采用协同设计方法。该方法首先采用多学科技术与方法,如光学、精密机械学、电子学、电磁学、控制理论、计算机等技术与方法,完成仪器系统的原理设计;然后采用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、成本代价,进行协同设计。经过反复地综合平衡、性能兼顾、取舍与妥协,逐步解决多 种性能间的矛盾、多种功能间的耦合、精度与效率间的匹配和性能与成本间的统一等,最终完成最优设计方案。
(3)仪器的量值溯源与性能评估方法。测量仪器具有完成一定测量、控制甚至制造功能的特性,是对被测量进行定量评价的装置。对测量仪器性能的评估是要保证其正常完成规定的功能要求,对测量仪器量值溯源必须满足计量学特性的要求,其中最核心的内容是能否满足测量不确定度要求。有条件的情况下,可直接对测量仪器整机性能进行量值溯源与评价,其他情况下也可釆用规范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行溯源性分析与评价,最终确认该仪器的整体性能与功能满足设计要求。