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儀器

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儀器,指科學技術上用於實驗、計量、觀測、檢驗、繪圖等的器具或裝置。通常是為某一特定用途所準備的一套裝置或機器。儀器通常用於科學研究或技術測量、工業自動化過程控制、生產等用途,一般來説專用於一個目的的設備或裝置。儀器構造較為複雜,屬於高新技術產品,由多個部件組成的。儀器體積、重量、形狀有各種各樣,最小的可以直接拿在手中操作,較大體積的儀器一般被稱為裝置或設備。
中文名
儀器
外文名
instrument
見載刊物
《物理學名詞(第二版)》 科學出版社
公佈時間
1996年 [1] 

儀器釋義

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壓力錶 壓力錶
儀器是指用以檢出、測量、觀察、計算各物理量、物質成分、物性參數等的器具或設備。真空檢漏儀、壓力錶、測長儀、顯微鏡、乘法器等均屬於儀器儀表。廣義來説,儀器儀表也可具有自動控制、報警、信號傳遞和數據處理等功能。
儀器儀表能改善、擴展或補充人的官能。人們用感覺器官去視、聽、嘗、摸外部事物,而顯微鏡、望遠鏡、聲級計、酸度計高温計等儀器儀表可改善和擴展人的這些官能。另外,有些儀器儀表如磁強計、射線計數計等可感受到的物理量。還有些儀器儀表可以超過人的能力去記錄、計算和計數,如高速照相機、計算機等。

儀器發展簡史

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儀表 儀表
儀器儀表發展已有悠久的歷史。公元前1450年,古埃及就有綠石板影鍾。至公元14世紀,用以表示時間的唯一可靠的方法是日晷或影鍾。公元前600年至公元前525年,也有用棕櫚葉和鉛垂線記錄夜間時間和特定天體的儀器。當天體通過子午線時,從棕櫚葉的開口中觀察到天體穿過鉛垂線的過程。在中國江蘇儀徵出土了東漢中期的小型摺疊銅質民間測影儀器。
公元1400年前,埃及記錄較短時間的儀器叫水鍾,水鍾內有刻度,下有小孔,整個水鍾用雪花石膏做成瓶狀。在古希臘 古羅馬有當時世界上唯一的機械計時儀——水儀。通過水的傳遞計量時間,記錄的是不斷流動的概念而不是連續相等的時間,非常不精確。中國北宋時期的蘇頌和韓公謙於1088年製作了天文計時器——天文儀象台。它採用民間的水車、筒車、桔槔、凸輪和天平秤桿等,是集觀測、演示和報時為一身。
到了現代,隨着X射線、γ射線先後被德國科學家倫琴、法國科學家P.V.維拉德發現,因其超強穿透力這一特性,使儀器的功能與概念被進一步推向更深的領域,如X光檢查機、線寬檢測儀等儀器,就採用了X射線、γ射線的超強穿透力研發的先進檢測儀器設備。
20世紀初,電子技術的發展使各類電子儀器快速產生,如今後普及全球的電子計算機,便是從這一時代開始崛起的。同時,隨着工業化程度的不斷提高,各行各業的電子儀器如雨後春筍般地出現,如計量、分析、生物、天文、汽車、電力、石油、化工儀器等。

儀器主要分類

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儀表 儀表
儀器儀表是多種科學技術的綜合產物,品種繁多,使用廣泛,而且不斷更新,有多種分類方法。按使用目的和用途來分,主要有量具量儀、 汽車 儀表、電離輻射儀表、 拖拉機 儀表、船用儀表、航空儀表、導航儀器、駕駛儀器、無線電測試儀器、建材測試儀器、地震測試儀器、大地測繪儀器、水文儀器、計時儀器、農業測試儀器、商業測試儀器、教學儀器、醫療儀器、環保儀器等。屬於機械工業產品的儀器儀表有工業自動化儀表、電工儀器儀表、光學儀器、分析儀器、實驗室儀器與裝置、材 料試驗機、氣象海洋儀器、電影機械、照相機械、複印縮微機械、儀器儀表元器件、儀器儀表材料、儀器儀表工藝裝備等13類。它們通用性較強,批量較大,或為儀器儀表工業所必需的基礎。
各類儀器儀表按不同特徵,例如功能、檢測控制對象、結構、原理等再分為若干小類或子類。工業自動化儀表按功能右分為檢測儀表顯示儀表、調節儀表和執行器等。其中檢測儀表按被測物理量又分為温度測量儀表壓力測量儀表流量測量儀表、物位測量儀表和機械量測量儀表等。温度測量儀表和機械量測量儀表等。温度測量儀表按測量方式又分為接觸式測温儀表和非接觸式測温儀表。接觸式測温儀表又分為熱電式、膨脹式、電陰式等。其他各類儀器儀表的分類法大體類似,主要與發展過程、使用習慣和有關產品的分類有關。儀器儀表在分百鍊成鋼方面尚無統一的標準,儀器儀表的命名也存在類似情況。
常見種類
試驗機 試驗機
色譜儀器作為分析儀器中既基礎又重要的一大類,應用範圍廣、普及程度高,一直是分析儀器用户和廠商持續關注的焦點之一。
環境監測儀器是專門用於監測室內外環境各項參數的儀器總稱,通過對影響環境質量因素的代表值的測定,確定環境質量或污染程度及其變化趨勢。
分子光譜儀包括紫外可見、分子熒光、拉曼光譜、紅外光譜、光譜圖像技術等,是實驗室中常用的分析工具。隨着硬件和軟件技術的進步,分子光譜儀器技術也在不斷的進步,已經成為解決各種分子分析技術難題的有效手段。其應用領域也在不斷擴展,特別是在食品安全、藥品檢測和生命科學以及各種現場快速分析中發揮着日益重要的作用。
分子光譜儀器技術發展趨勢主要是小型化並增加其穩定性,從實驗室分析走向現場檢測;研究分析方法,拓寬其應用領域,也是當前分子光譜重要的發展方向。除了技術的進步之外,操作的簡單、便捷要求也帶來了儀器的智能化發展,大的彩色觸摸屏及平板電腦的加入也增加了用户的操作體驗性。
電化學分析是儀器分析的重要組成部分,與光譜分析、色譜分析一起構成了現代分析儀器的三大重要支柱。電化學分析法靈敏度和準確度高,選擇性好。電化學儀器裝置較為簡單,操作方便,應用廣泛。
顯微鏡 顯微鏡
電化學分析所包含的內容豐富,已近建立起比較完善的理論體系,在現代化學工業、生物與藥物分析、環境分析等領域有着廣泛的應用,特別是在生命科學領域更是發揮着其他分析方法難以取代的作用。隨着環境監測、生物醫藥等領域的快速發展,對電化學儀器的需求也越來越多。
實驗室常用設備主要涉及樣品前處理、實驗室傢俱、提供合成/反應所需環境以及為實驗室提供所需耗材等。
氣體温度計:多用氫氣或氦氣作測温物質,因為氫氣和氦氣的液化温度很低,接近於絕對零度,故它的測温範圍很廣。這種温度計精確度很高,多用於精密測量。
電阻温度計:分為金屬電阻温度計和半導體電阻温度計,都是根據電阻值隨温度的變化這一特性製成的。金屬温度計主要有用鉑、金、銅、鎳等純金屬的及銠鐵、磷青銅合金的;半導體温度計主要用碳、鍺等。電阻温度計使用方便可靠,已廣泛應用。它的測量範圍為-260℃至600℃左右。?
温差電偶温度計:是一種工業上廣泛應用的測温儀器。利用温差電現象製成。兩種不同的金屬絲焊接在一起形成工作端,另兩端與測量儀表連接,形成電路。把工作端放在被測温度處,工作端與自由端温度不同時,就會出現電動勢,因而有電流通過迴路。通過電學量的測量,利用已知處的温度,就可以測定另一處的温度。這種温度計多用銅——康銅、鐵——康銅、鎳銘——康銅、金鈷——銅、鉑——銠等組成。它適用於温差較大的兩種物質之間,多用於高温和低濁測量。有的温差電偶能測量高達3000℃的高温,有的能測接近絕對零度的低温。?
實驗儀器 實驗儀器
高温温度計:是指專門用來測量500℃以上的温度的温度計,有光測温度計、比色温度計和輻射温度計。高温温度計的原理和構造都比較複雜,這裏不再討論。其測量範圍為500℃至3000℃以上,不適用於測量低温。
指針式温度計:是形如儀表盤的温度計,也稱寒暑表,用來測室温,是用金屬的熱脹冷縮原理製成的。它是以雙金屬片做為感温元件,用來控制指針。雙金屬片通常是用銅片和鐵片鉚在一起,且銅片在左,鐵片在右。由於銅的熱脹冷縮效果要比鐵明顯的多,因此當温度升高時,銅片牽拉鐵片向右彎曲,指針在雙金屬片的帶動下就向右偏轉(指向高温);反之,温度變低,指針在雙金屬片的帶動下就向左偏轉(指向低温)。
玻璃管温度計:玻璃管温度計是利用熱脹冷縮的原理來實現温度的測量的。由於測温介質的膨脹係數與沸點及凝固點的不同,所以我們常見的玻璃管温度計主要有:煤油温度計水銀温度計、紅鋼筆水温度計。他的優點是結構簡單,使用方便,測量精度相對較高,價格低廉。缺點是測量上下限和精度受玻璃質量與測温介質的性質限制。且不能遠傳,易碎。
光彈實驗儀器 光彈實驗儀器
壓力式温度計:壓力式温度計是利用封閉容器內的液體,氣體或飽和蒸氣受熱後產生體積膨脹或壓力變化作為測信號。它的基本結構是由温包、毛細管和指示表三部分組成。它是最早應用於生產過程温度控制的方法之一。壓力式測温系統仍然是就地指示和控制温度中應用十分廣泛的測量方法。壓力式温度計的優點是:結構簡單,機械強度高,不怕震動。價格低廉,不需要外部能源。缺點是:測温範圍有限制,一般在-80~400℃;熱損失大響應時間較慢;儀表密封系統(温包,毛細管,彈簧管)損壞難於修理,必須更換;測量精度受環境温度、温包安裝位置影響較大,精度相對較低;毛細管傳送距離有限制。
熱電偶温度計:熱電偶温度計是由兩條不同金屬連接着一個靈敏的電壓計所組成。金屬接點在不同的温度下,會在金屬的兩端產生不同的電位差。電位差非常微小,故需靈敏的電壓計才能測得。由電壓計的讀數,便可知道温度為何。
液晶温度計:用不同配方製成的液晶,其相變温度不同,當其相變時,其光學性質也會改變,使液晶看起來變了色。如果將不同相變温度的液晶塗在一張紙上,則由液晶顏色的變化,便可知道温度為何。此温度計之優點是讀數容易,而缺點則是精確度不足,常用於觀賞用魚缸中,以指示水温。
實驗儀器:萬用表、台式萬用表、指針表、示波器、信號發生器、LCR電橋、頻率計、耐壓測試儀、台式絕緣電阻測試儀、台式泄漏電流測試儀、台式接地電阻測試儀、電源、電參數測試儀、音-視頻測試儀、數字設備測試儀、失真儀、靜電放電測試儀、自動元件分析儀、線圈圈數測量儀、自動變壓器測試系統;
熱工儀表紅外線測温儀紅外熱像儀、接觸式測温儀、温濕度測試儀、在線紅外測温儀、在線紅外熱像儀;
環保儀器:噪音測試儀、風速測試儀、有毒氣體測試儀、鹵素氣體測試儀、煙氣分析儀、温濕度儀表、氣密撿漏儀、氣體檢測儀、照度計;
光通信測量儀器:光譜分析儀光時域反射計、光纖對接器、光纖可視故障定位儀、光纖熔接機、光纖切割機、光源、光功率計、光纖多用表、光回波損耗測試儀誤碼測試儀
無損測量試儀:轉速錶、測振儀、超聲波塗層測厚儀、測距儀、硬度計、粗糙度儀超聲波探傷儀激光測徑儀、塗層測厚儀、手持式合金分析儀、金屬設備缺陷診斷儀、便攜式電纜故障檢測儀、雷達測速儀、防腐層狀況檢測儀、電火花測試儀;
電力儀器:鉗形表、兆歐表、漏電流鉗表、鉗形接地電阻測試儀高壓絕緣電阻測試儀線纜測高儀、接地電阻測試儀、功率因數表、電力專用非接觸檢相器、漏電開關測試儀、迴路阻抗抗測試儀、電力綜合測試儀、線路尋蹤器、電力質量分析儀

儀器性能指標

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測量儀器 測量儀器
衡量儀器儀表性能的主要技術指標有精確度、靈敏度、響應時間等。精確度表示儀表測量結果與被測量真值的一致程度。儀器儀表的精確度常用精確度等級來表示,例如0.1級、0.2級、0.5級、1.0級、1.5級等。0.1級表儀表總的誤差不超過±1.0%範圍。精確度等級數小,説明儀表的系統誤差和隨機誤差都小,也就是這種儀表精密。靈敏度表示當被測的量有一個很小的增量時與此增量引起儀表示值增量之比,它反映儀表能夠測量的最小被測量。響應時間是指儀表輸入一個階躍量時,其輸出由初始值第一次到達最終穩定值的時間間隔 ,一般規定以到達穩定值的95%時的時間為準。此外,還有重複性、線性度、滯環、死區、漂移等性能技術指標。

儀器相關用途

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儀器用途多種多樣,在科學研究的實驗室裏、在醫學研究和實踐中儀器是非常重要的科研工具和裝置;隨着中國工業自動化水平的不斷提高,各種新式儀器研發、製造的進步和更新非常快,在工業生產和過程控制領域被廣泛應用。
1、儀器是科學技術發展的重要前提和根本保障。人類發展史上任何一次大的飛躍都是基於工具的巨大創新和根本變革驅動的,作為“工具”的科學儀器的發展和創新往往是催生科技創新的重要要素。
2、儀器是經濟發展和國防安全的重要保障。儀器是保障經濟發展、國家安全不可或缺的重要基礎條件。首先,著名科學家錢學森先生指出:“新技術革命的關鍵技術是信息技術。信息技術由測量技術計算機技術、通訊技術三部分組成。測量技術則是關鍵和基礎”。
3、儀器是推進和諧社會建設的重要力量。現今,全球的資源枯竭、環境污染等問題成為社會健康發展的瓶頸;食品安全問題、公共突發事件、疾病診斷、易燃易爆化學危險品等給人民的生活帶來了嚴重影響,這些重大問題的解決都離不開先進的檢測技術和手段。

儀器發展趨勢

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汽車座椅檢測儀器 汽車座椅檢測儀器
科學技術的進步不斷對儀器儀表提出更高更新的要求。儀器儀表的發展趨勢是不斷利用新的工作原理和採用新材料及新的元器件,例如利用超聲波、微波、射線、紅外線、核磁共振、超導、激光等原理和採用各種新型半導體敏感元件、集成電路、集成光路、光導纖維等元器件。其目的是實現儀器儀表的小型化,減輕重量、降低生產成本和更便於使用與維修等。另一重要的趨勢是通過微型計算機的使用來提高儀器儀表的性能,擔高儀器儀表本身自動化、智能化程度和數據處理能力。儀器儀表不僅供單項使用,而且可能過標準接口和數據通道與電子計算機結合起來,組成各種測試控制管理綜合系統,滿足更高的要求。
儀器儀表行業是中國發展的新型行業,在與國際接軌的同時,中國的儀器儀表行業發展有了長足的進步空間具備了與國際競爭的實力。
國內科技水平及發展趨勢:
實驗儀器(試管) 實驗儀器(試管)
儀器儀表行業整體綜合技術水平達到國際80年代中期水平,微電子技術和計算機技術在儀器儀表產品中普遍採用,約15%的產品實現了智能化,達到國際90年代水平;30%的產品實現了數字化,達到國際80年代末期水平。綜合服務能力顯著提:可以承接30萬-60萬千瓦火電站、核電站、30萬噸合成氨、120噸轉爐、日產30萬立方米城市煤氣站工程、成套大型爐窯等大型工程成套控制項目。
大類產品滿足需要程度:中高檔科學測試儀器國內市場滿足率為30%,中低檔科學儀器滿足率65%;生產過程測量控制儀表及系統產品在大型工程項目中的品種滿足率達50%,中小型工程達70%。進口產品往往是科研、生產所需的重大、關鍵設備,技術含量大,附加值高。
產業從無到有、從小到大、初步形成了門類比較齊全的儀器儀表生產、科研、營銷體系。建成了一批科研開發機構(其中機械系統的儀器儀表專業科研所20家,國家級工程研究中心3家、企業技術中心5家,國家級產品質量檢測中心9家);培養了一批專業的經營、管理、技術人才。特別是部分中低檔產品形成了自己的優勢和特色各種數字萬用表、電度表、水錶、煤氣表、水準儀、中低檔光學顯微鏡、望遠鏡等產量世界前列,在基本滿足國內需要的同時,大量出口。
精密數字壓力錶 精密數字壓力錶
通過科技攻關、聯合開發、合資合作和引進技術消化吸收國產化等多種形式,使中國儀器儀表行業部分中高檔主導產品縮小了與國際先進水平的差距,並形成生產能力。自主開發的主要產品包括中小型DCS、現場總線智能儀表、總線式測試系統、汽車專用檢測試驗設備、超聲診斷儀器、微波等離子光譜、新型擴散硅敏感元件等,引進技術國產化的主要產品有記錄儀、精小型調節閥、新型變送器、光譜、色譜、掃描電鏡水質分析儀、專用複合材料等;合資合作的主要產品有大型DCS、EJA、流量計、電子經緯儀動平衡試驗機、高低温試驗儀器等。
一批國有、集體、民營、三資企業和科研院所通過市場競爭,在行業中脱穎而出,並顯現出良好發展勢頭和後勁,已形成主導、核心力量。
國外科技水平及發展趨勢:
數字化、智能化
無損檢測儀器 無損檢測儀器
由於微電子技術的進步,儀器儀表產品進一步與微處理器、PC技術融合,儀器儀表的數字化、智能化水平不斷得到提高。
儀器儀表中採用了大量的超大規模集成(VLSI)的新器件、表面貼裝技術(SMT)、多層線路板印刷、圓片規模集成(WSI)和多芯片模塊(MCM)等新工藝,CAD、CAM、CAPP、CAT等計算機輔助手段,使多媒體技術、人機交互、模糊控制、人工神經元網絡等新技術在現代儀器儀表中得到了廣泛應用。
網絡化
當前國際上現場總線與智能儀表的發展呈現多種總線及其儀表共存發展的局面。HART、FF、Profibus、Lonworks、WorldFIP、CAN等總線都從應用於某一領域不斷向其他領域擴展。
多種智能化儀器儀表已陸續推向市場,儀器儀表正經歷着深刻的智能化變革。集成測試系統也走向了網絡化,各台儀器之間通過GPIB總線、VXI總線相連。
微型化
MEMS是80年代中末期發達國家重點發展的領域之一,被視為21世紀廣泛應用的新技術。被列為美國“對國家安全及繁榮有重大影響”的22項重大技術之一的傳感器及信號處理技術,主要是依託微型化技術。應用MEMS技術的微型儀器儀表被稱為芯片上的儀器儀表,MEMS產品包括汽車加速計,壓力、化學、流量傳器、微光譜儀等產品,廣泛應用於環境科學、航天、生物醫療、汽車工業、軍事、工業控制等領域。
國內實驗儀器發展趨勢:
量杯 量杯
隨着經濟的發展與科技的進步,中國的實驗儀器設備也不斷取得了可喜的成績。涉及到的產品儀器包括光學測量儀器、分析測量儀器、電子測量儀器、環境測量儀器、實驗測量儀器、生物工程設備等等。
1、電子天平:中國電子天平重視發展1mg~0.1mg讀數的高精度電子天平技術,在温度補償、時間飄移和示值重複性誤差方面提高天平質量水平。採用貼片IC集成度、裝配工藝中採用專用設備,有效降低人為故障因素,從而提高中國電子天平的技術水平,中國大稱量電磁技術通過自主創新已取得很大成就,電子天平在“十二五”期間將取得突破性進展,贏得更大的發展空間。
2、實驗室離心機:中國離心機專業已成為實驗室儀器重要專業,有110多個生產廠家其產品已發展到4大系列50多個品種,廣泛應用於醫療、血站、高校、科研單位、生物製藥、精細化工、農牧業、新材料、石油、食品、環保、基因工程等許多領域上,中低檔離心機不僅能滿足國內生產的需要,而且出口到世界各地,高端離心機主要是指40000~50000r/min。各類離心機只要進一步提高控制技術、安全防護技術、控温技術、轉子製造技術,完全可以實現批量生產高端離心機,使實驗室離心機全面達到世界先進水平。
顯微鏡 顯微鏡
3、熱分析儀器:中國熱分析儀器的發展已有35年的歷史,品種少,綜合熱分析技術水平不高,今後重點要放在綜合熱分析技術研究和開發,注重引入國外新型熱分析儀器製造技術,以促進中國熱分析儀器的發展。
在熱分析儀器中,熱值分析是發展最快的分專業,中國以煤炭工業、能源工業的發展,促進熱值分析的快速發展,大部分產品達到和接近世界先進水平,今後熱值分析技術要特別重視領域開發和綜合測試技術的發展。
4、環境實驗室設備:環境試驗設備是實驗室儀器最大專業,有100多個生產企業,實驗室儀器的大型企業大部分集中在這個專業,其中產值在1億以上的企業6~7家,為中國國防、航天、交通運輸、工業、農業、科學、醫療衞生部門生產所需的環境試驗設備,今後環境設備要進一步加強市場開拓:
1)加強特殊要求的試驗箱開發;
2)發展醫療衞生急需的試驗箱、培養箱;
3)注重建立本行業的名牌產品。
光學儀器 光學儀器
5、電泳儀:國產電泳儀是實驗室儀器中亟待發展的一個專業,中國生產電泳儀廠家十分重視和國際先進水平接軌,大部分儀器水平接近國外先進水平,電泳儀市場仍需進一步開拓,電泳儀產品中大部分高端儀器仍依賴進口。
1)重視和科研部門、高校結合,努力開拓高檔的電泳儀;
2)進一步做好基層醫療單位所需的電泳儀器;
3)加強新技術、新材料的應用。
6、應變與振動測試儀器:中國應變與振動測試儀器有50多年發展歷史,其檢測技術和水平有了很大的發展,在土建工程、水利設施、路橋建設、汽車、高鐵、石油、航天、科研、高校得到廣泛應用,今後重點開發動態測試系統,提高系統抗干擾、抗噪音、自動校準、高分子率、快速和穩定性能,要重視建立本行業標準體系,建設多功能生產和開發基地。
測量儀器 測量儀器
7、陶瓷檢測儀器:中國是陶瓷生產大國,其陶瓷檢測技術也走在世界前列,陶瓷檢測已進入一個新的發展階段,儀器要實現網絡化、在線監測、智能控制系統、人機界面技術等作為陶瓷儀器的發展方向,同時要重視產品標準制定,開拓陶瓷儀器的新局面,打開首次儀器出口渠道。
8、動力測試儀器:經過近50年發展,中國動力測試儀器進入快速發展時期,從單參數的測量發展到多參數綜合測試系統、台架測試、在線測量和遙控技術的階段,涵蓋了汽車、發動機、電機、風機、水泵、航空航天、船舶、高鐵等方面。“十二五”期間應努力做好:
1)提高傳感器的技術水平,特別是傳感器其精加工的工藝技術水平,使之趕上和達到世界先進水平;
2)提高綜合測試能力;
3)加強動力測試儀器標準化工作,做好產品標準的制修訂工作,與國際先進技術接軌,從而進一步開拓中國動力測試儀器的市場。
9、真空儀器與裝置:中國真空儀器正處於快速發展的時期。隨着國家、電力、能源、鋼鐵、石化、化肥、科研的發展,為真空設備製造行業迎來了新的發展機遇,也對真空設備提出了更多更高的要求,同時也受到了國外大型真空設備強有力的挑戰,中國的真空行業要努力做好:
1)進一步發展優勢產品,擴大出口;
2)提高企業的技術水平和管理水平,加強自主創新能力;
3)努力擴大真空技術應用領域,提高市場競爭能力,使真空行業真正進入一個穩定發展階段。
參考資料