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华氏温度计 精密仪器发展史摘要：精密仪器工业是带动国家基础工业的火车头，下面就对精密机械发展史加以讨论，根据精密仪器发展史重点阐述各个阶段精密仪器的特点及应用领域，还分析了国内精密仪器发展的现状及精密仪器总体发展趋势。
关键词：精密仪器 ；发展；精确；测量；设计
History of the Development of Precision Instruments
3110644236 ZHENG Zhi
Abstract: Precision instruments industry is driven by the engine of national basic industries, the paper explored the history of the development of precision machinery, based on the history of the development of precision instruments focuses on the characteristics and applications of the various stages of precision instruments, and also analyzed the overall status of the development of the domestic precision instruments and precision instrumentstrends.
Key words: Precision instruments; development; accurate; measurement; design
0 前言
精密仪器隶属于仪器科学与技术一级学科，与信息科学与技术密切相关。主要研究现代精密仪器及智能、微小型机电系统，包括测控技术、微系统理论与应用、智能结构系统与技术、误差理论、信号分析与数据处理等。现代科学仪器及设备是机、电、光、计算机、材料科学、物理、化学、生物学等先进技术的高度综合，它既是知识创新和技术创新的前提，也是创新研究的主体内容之一。
目前，本学科技术的发展趋向智能化、微型化、集成化和系统工程化，其发展及应用与现代科技的各个领域的发展密切相关，在生物、医学、材料、航天、环保和国防等领域尤其突出，应用领域极其广泛。
1 精密仪器的发展
1.1 古代仪器的发展
从人类出现的时代，开始出现了制造。
起初当然只是制造简单的一些工具，直到部落文明的形成，人们已能够制造比较精细复杂的工具。即使在人们熟知的四大文明古国，在几千年的时间里，他们也仅仅以制造作战武器为主，而其他的制造才用于生活的基本材料。
仪器仪表发展已有悠久的历史。据《韩非子•有度》记载，中国在战国时期已有了利用天然磁铁制成的指南仪器，称为司南（图1）。古代的仪器在很长的历史时期中多属用以定向、计时或供度量衡用的简单仪器。
图1 司南
称重器和计时器人类最早的度量器具是称重器和计时器，反映了人类早期的认识和生活需求。现已发现公元前2500年使用天平的证据，而在普通贸易中使用天平（图2）的最早迹象是在公元前1350年。天平杆为木制，砝码则是用青铜做成的各类鸟兽形状。原始的计时器主要有影钟、水钟和水运天文台3种。公元前1450年，古埃及就有绿石板影钟。
至公元14世纪，用以表示时间的唯一可靠的方法是日晷（图3）或影钟。
图2 天平
图3 日晷
公元前600年至公元前525年，也有用棕榈叶和铅垂线记录夜间时间和特定天体的仪器。
当天体通过子午线时，从棕榈叶的开口中观察到天体穿过铅垂线的过程。在我国江苏仪征，出土了东汉中期的小型折叠铜质民间测影仪器，外形与现代医学上使用的台式血压计相似。
公元1400年前，埃及记录较短时间的仪器叫水钟。水钟内有刻度，下有小孔，整个水钟用雪花石膏做成瓶状。在希腊，罗马有当时世界上唯一的机械计时仪——水仪。通过水的传递计量时间，记录的是不断流动的概念而不是连续相等的时间，非常不精确。
我国北宋时期的苏颂和韩公谦于1088年制作了天文计时器——天文仪象台。它采用民间的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等，是集观测、演示和报时为一身的“自动化”天文钟，被称为水运天文台。在我国，公元前300～公元前100年，有人利用天然磁石的性质发明了磁罗盘，即定向仪器。指南针到宋代发展成熟。
我国西夏时候就有观测和记录天文的仪器叫浑天仪。元代的郭守仪(1231年～1361年)对浑天仪进行了改造，制成简仪，其制造水平在当时遥遥领先，其原理在现代工程测量、地形观测和航海仪器中广泛使用。
东汉时期，张衡发明了世界上第一台自动天文仪——浑天仪（图4）和世界上第一台观测气象的候风仪，开创了人类使用仪器测量地震的历史。
图4 浑天仪
1.2早期的精密仪器
至1500年，世界上已有了精密仪器。这时的天文仪器已经比较精确，主要有赤道经纬仪、子午浑仪、视差仪，以及希腊的角度仪、水准仪及星盘等。计时仪器有便携式日昝和水钟。计算和证明仪器有天球仪、日历、小时计算器等。这些仪器的制造工艺和使用材料等在当时都有相当高的水平和测量精度。
780年，穆斯林造币厂的工人把天平放在密闭容器中，以两次的称量结果相比较，天平经过无数次摆动达到平衡后读取数据，能称出1 /3毫克。这是分析天平的始祖。
15世纪后期，随着自然科学的发展，早期的科学仪器也以不同的背景和形式逐渐形成，主要有光学仪器、温度计、摆钟、数学仪器等。
1590年左右，荷兰人扎哈里那斯·詹森制造了第一个非常精确的复合显微镜，这就是今天人们常说的显微镜。伽利略在他早期的实验中，用玻璃管制成了空气温度计。 后来，托斯卡斯的大公斐迪南二世改良制成液体温度计。
大约1714年，华伦海特创造了以其名字命名的温度计，被称为华氏温度计。17世纪末，气压计和温度计与刻度标尺、指针和其它配件配合安装在一起，成为仪器大家庭中的重要组成部分，也是仪器制造贸易中的重要部分。英格兰的吉米尼率先进行数学仪器(1524年～1562年)的制造，之后不久英国雕刻匠和制模匠科尔开始从事仪器的专门制作，从此开始出现了大批的仪器供应商，产品范围也由星盘、日昝和象限仪扩展到观测和测量用仪器，以及一系列演示“自然科学实验”的仪器。
1.3 现代的精密仪器
然而一直到20世纪初，在工业革命以前人们能够完成的制造工作仍然是很局限的，人们只能在手工制作的条件下制作一些比较常用的工具，直到工业革命开始后，机械得以迅猛的发展。尤其是第二次工业革命后，制造业的蓬勃发展使人们对生活要求品质的不断提高，开始出现了各种机械仪器的制造，这些仪器起初只是用于生活中。
直到20世纪50年代后期，人们开始将其运用到对工业生产的量化以及对生产设计精度的提高。
随着机械仪器的不但发展和完善，在20世纪60年代初，精密仪器的词语开始出现在人们的眼中。从此精密仪器开始不断发展渗透，如机械、测量、电子、计算机及自动化、光学技术等等。因此精密仪器的设计也在不断完善，由当初的简单到现在的程序多样，结构复杂，人们已将其运用到各个能涉及到的领域。如机械仪表、机床、检测技术和仪器设计、高精密测量仪、数据传输等等。总之，精密仪器在此后不断迅猛发展。
近代以来，制造业的进步，汽车制造业、造船业、飞机制造业，模具制造业、航空航天业的发展，极大地带动了包括量具，测量仪器在内的整个工具行业的技术进步，量具量仪也逐步开始向高端产品发展过渡。直到现在精密仪器已经成为一种比较完善的独立课程。精密仪器之前，人们已经创立了精密机械这个比较前卫的名词，精密仪器的发展是随着机械的发展才慢慢开始兴起的，特别是精密机械。精密机械泛指在精确度上领先当前技术前端的相关机械应用，包括了研发、设计、制造以及精密量测量的范畴。
精密机械所涵盖的范畴也相当广泛，包括了机械制造，光、机、电、算等一系列学科行业。古代、近代，钟表制造是当时精密机械的典型代表。现代精密机械仪器，往往是以精密机械为主体，由光、电、计算机导致精密仪器系统精密化、智能化、信息化、综合化。
随着时代的需要，仪器设计在精密机械中的发展越来成熟出现了精密仪器这个词语。而这也是对以前仪器和测量的一种综合称呼的测验，也由此使精密仪器得到更充足的发展空间。
上世纪90年代初许多仪器迅速发展，主要包括色谱仪器、光谱仪器、电化学仪器、研究型光学显微镜、扫描电子显微镜、电子天平、离心机、电子万能试验机、超声波探伤机、X射线探伤机、电子经纬仪、精密电测仪器(图5)等。
还有，微波等离子光谱仪、便携式光离子化气相色谱仪、全自动原子吸收分光光度计（图6）、原子荧光分光光度计、激光干涉计量仪器、全站仪、全自动智能超声波探伤机、全自动远程诊断光学显微镜，分散型控制系统(DCS)（图7）和电磁流量计等更是飞速发展。
图5精密电测仪器
图6 子荧光分光光度计
图7分散型控制系统(DCS)
2 我国的精密仪器的发展现状
近年来，我国精密测试仪器行业经过几十年的建设与发展，已经初步形成产品门类比较齐全、具有一定生产规模和开发
能力的产业体系，成为除日本外全球第二大量具生产国。
然而，业内人士认为，我国精密测量技术和一起的发展现状仍然远远不能满足国内机械装备制造业迅速发展的需求，尤其是在先进测量技术和仪器的基础理论研究、共性关键技术的开发方面与国外先进技术水平仍然存在较大的差距。
令人感到欣喜的是，我国精密测量技术和仪器制造企业近年来在数显技术和数显量具产品的自主开发上加大投入，已经取得巨大的成效。国产数显量具从前几年简单的条形液晶数字显示发展到较为复杂的面形液晶动态模拟的图像显示。
3 精密仪器的发展趋势
随着现代制造业的发展，高精度、高可靠性的测量能力对测量仪器提出了更高的要求，由传统微米、亚微米精度向着纳米量级精度方向发展；实时测量、大尺寸测量技术的发展是对测量仪器工作范围的拓展，测量方式也由原接触式向光学非接触式测量过渡；此外，信息技术与测量技术的集成，即CAD/CAM/CAT的技术应用也将是未来精密测量技术发展的方向。
世界近20年来，微电子技术、计算机技术、精密机械技术、高密封技术、特种加工技术、集成技术、薄膜技术、网络技术、纳米技术、激光技术、超导技术和生物技术等高新技术得到了迅猛发展。这一背景和形势，不断地向仪器提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、样品量更少、检测微损甚至无损、遥感遥测更远距、使用更方便、成本更低廉、无污染等，同时也为仪器科技与产业的发展提供了强大的推动力，并成了仪器进一步发展的物质、知识和技术基础。
我们相信，精密仪器的发展将会是一片光明。
参考文献：
[1] 须鼎兴，倪涵，虞润身. 电子测量仪器原理及应用技术. 同济大学出版社
[2] 亚兴，马洛夫. 精密仪器制造工艺学. 天津大学精密仪器教研室
[3] 梁春庄. 我国仪器仪表行业60年发展历程综述 。