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揭开仪器DIY的神秘面纱
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科研仪器这个话题近日再次在科学网引起关注，很多老师和同学都发表了非常精彩的真知灼见，相信对有识之士思考国产科研仪器何去何从必有裨益1-4。在此我想结合最近参与设计了一台还算得上精密的，世界上独此一台的仪器，通过其漫长的诞生过程，来揭开仪器DIY的神秘面纱以及仪器设计中涉及的诸多因素。以期对各位博友的许多观点提供一点佐证。
任何仪器的设计制造，都是与科研课题紧密相连，可以说仪器是因课题而生的。围绕我的课题，我们决定设计一款仪器，可用于研究微观边界对悬浮液多相体系流变行为的影响，而且必须能与同步辐射源的X散射联用，因为同步辐射X散射已经成为了研究软物质复杂体系的利器(在此祝贺上海光源的顺利开通)。为此，我们组成了一个团队，合作的指导老师之一曾经在博士后期间从事过相关仪器的设计，有着丰富的经验，当然他只是提供必要的指导，不会自己亲手干活。一个即将毕业的博士生的主要课题就是从事仪器设计开发，有着实际的操作经验，特别是在CAD制图，Labview编程方面。另外一个德国博士后，从事理论模拟，在编程和网络通讯方面造诣较高。我的主要背景是化学，从事一些软物质相关的所谓交叉学科的研究，主要是对我们打算做什么实验，想要什么以及实验体系有一些想法，同时曾经到法国的欧洲同步辐射中心ESRF做过多次试验，对X光路的配置以及实验的具体过程有着较为实际的了解，因为我们设计的仪器最终是要与X散射联用的，这些经验也比较重要。
总结1）仪器的设计要有非常重要的前期知识积累和合理的技术搭配。没有指导老师和博士生的实际经验积累，让我自己从零开始设计，没戏。即将毕业的博士生以仪器设计为课题，只发表了一篇仪器相关的论文，但并不影响他的毕业（毕业后打算去公司）。
下面简述一下整个流程。
第一步当然是纸面上的设计，经过反复多次集体讨论，反反复复在画了不下几百张A4打印纸后，这个仪器的各个细节进本上都定下来了。由于如此多次的讨论，那段时间我闭上眼就能浮现该仪器的大概形貌。
第二步，构想的数字化。这一步就是采用CAD制图以及LabView把前期的构想在计算机上表达出来，并进行各种模拟实验。通过反复的讨论修改，在仔细渲染后，仪器的整体形貌完美展现出来。
第三步，各个部件的定制和购买。仪器的整体框架需要用整块材料切割出来，而且必须要用高精度的数字机床才能达到我们的精度要求。一般欧美大型科研机构都有比较完备的workshop,我们只需要把材料要求和CAD资料发给他们就行了。过了几天做好的框架就摆在我们的桌子上了。样品台要求极端平整的石英玻璃，一家公司为这个忙乎了好几个月，失败了很多次后才成功，当然也要价不菲。
接下来最复杂最耗时的是电气零部件的购买。比如这款仪器的核心部件要求平行度要达到纳米级别，必须通过6个高精度的传感器来控制。提供相关部件的（西方）公司很多。这段时间我们每个人手上都有好几本知名公司的产品目录，仔细地比较各种参数，与技术人员反复讨论。由于仪器的精度要求，基本上是只买好的，不问价格。光每个传感器的价格就在两万RMB左右，整个采购下来总价在50万RMB左右。
各个部件的全部备齐耗时数月。
总结2）一般欧美大型科研机构配套有比较完善的workshop，能承担很多复杂的设计生产任务。
总结3） 没有钱什么事情都干不了。整个仪器光购买零部件就花了近5万欧元，不过这比起整个项目的几十万欧元的经费，这5万也就算不了什么。
总结4） 这个仪器涉及到很多高精度的电器部件如高精度微型马达，传感器等，非欧美国家估计很难买到。
第四步，各种部件购齐之后，然后就是组装了，由于前期设计到位，各个部件都能完美组合起来。几天忙碌之后，完整的仪器就展现在眼前了。
第五步，有了硬件，接下来最重要的就是软件了--如何采集数据，如何控制仪器。此外，由于同步辐射的实验是人机分离的，必须遥控操作仪器,这又涉及到如何远程操作仪器的问题。各个电气部件如测距传感器，高精度马达的等部件都带有LabView的接口包，通过LabView这款强大的软件，可以较为容易地实现数据的采集和控制。最后还设计了一个过得去的可视化界面。
第六步，调试和改进。 在软硬部件都完工后，我们找了很多标样对这个仪器进行了大量测试，同时对软硬件再次进行调试和改进。
万事具备后，ESRF分配给我们的beamtime(机时？)终于到来。我们把仪器拆散后打包，装满了一个面包车的货箱。来到ESRF的后再次把仪器重现组装起来，并且放到光路上进行调试。很幸运的是，我们的仪器与光路完美匹配。接下来就是几天几夜白昼不分疯狂的实验了…
整个过程下来，基本上就像是用乐高玩具搭各种造型的过程，并无神秘之处。曾经与一个仪器公司的开发人员聊过，他们也基本上就是“东拼西凑”，然后通过工业设计一个摩登的外形。当然了，实际情况要复杂得多，有时候涉及到一些核心部件的研发还是很费神的。
通过以上记录，我们可以看到，仪器的设计生产涉及到知识贮备积累，各种低端到高端的零部件的提供(这可能涉及到整个国家的工业基础，呵呵，有点大了)，钱，当然还有就是整个环境对仪器开发的重视和认可了。
参考文献
1）中国的科研仪器何时能有变革？
http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=301080
2） 我们还很需要国产仪器
http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=301067
3）我们真的需要国产仪器吗？
http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=301053
4）吕喆老师的博客有关于仪器的系列文章
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=299772
https://blog.sciencenet.cn/blog-292390-301494.html
下一篇：病毒，化敌为友
任何仪器的设计制造，都是与科研课题紧密相连，可以说仪器是因课题而生的。围绕我的课题，我们决定设计一款仪器，可用于研究微观边界对悬浮液多相体系流变行为的影响，而且必须能与同步辐射源的X散射联用，因为同步辐射X散射已经成为了研究软物质复杂体系的利器(在此祝贺上海光源的顺利开通)。为此，我们组成了一个团队，合作的指导老师之一曾经在博士后期间从事过相关仪器的设计，有着丰富的经验，当然他只是提供必要的指导，不会自己亲手干活。一个即将毕业的博士生的主要课题就是从事仪器设计开发，有着实际的操作经验，特别是在CAD制图，Labview编程方面。另外一个德国博士后，从事理论模拟，在编程和网络通讯方面造诣较高。我的主要背景是化学，从事一些软物质相关的所谓交叉学科的研究，主要是对我们打算做什么实验，想要什么以及实验体系有一些想法，同时曾经到法国的欧洲同步辐射中心ESRF做过多次试验，对X光路的配置以及实验的具体过程有着较为实际的了解，因为我们设计的仪器最终是要与X散射联用的，这些经验也比较重要。
总结1）仪器的设计要有非常重要的前期知识积累和合理的技术搭配。没有指导老师和博士生的实际经验积累，让我自己从零开始设计，没戏。即将毕业的博士生以仪器设计为课题，只发表了一篇仪器相关的论文，但并不影响他的毕业（毕业后打算去公司）。
下面简述一下整个流程。
第一步当然是纸面上的设计，经过反复多次集体讨论，反反复复在画了不下几百张A4打印纸后，这个仪器的各个细节进本上都定下来了。由于如此多次的讨论，那段时间我闭上眼就能浮现该仪器的大概形貌。
第二步，构想的数字化。这一步就是采用CAD制图以及LabView把前期的构想在计算机上表达出来，并进行各种模拟实验。通过反复的讨论修改，在仔细渲染后，仪器的整体形貌完美展现出来。
第三步，各个部件的定制和购买。仪器的整体框架需要用整块材料切割出来，而且必须要用高精度的数字机床才能达到我们的精度要求。一般欧美大型科研机构都有比较完备的workshop,我们只需要把材料要求和CAD资料发给他们就行了。过了几天做好的框架就摆在我们的桌子上了。样品台要求极端平整的石英玻璃，一家公司为这个忙乎了好几个月，失败了很多次后才成功，当然也要价不菲。
接下来最复杂最耗时的是电气零部件的购买。比如这款仪器的核心部件要求平行度要达到纳米级别，必须通过6个高精度的传感器来控制。提供相关部件的（西方）公司很多。这段时间我们每个人手上都有好几本知名公司的产品目录，仔细地比较各种参数，与技术人员反复讨论。由于仪器的精度要求，基本上是只买好的，不问价格。光每个传感器的价格就在两万RMB左右，整个采购下来总价在50万RMB左右。
各个部件的全部备齐耗时数月。
总结2）一般欧美大型科研机构配套有比较完善的workshop，能承担很多复杂的设计生产任务。
总结3） 没有钱什么事情都干不了。整个仪器光购买零部件就花了近5万欧元，不过这比起整个项目的几十万欧元的经费，这5万也就算不了什么。
总结4） 这个仪器涉及到很多高精度的电器部件如高精度微型马达，传感器等，非欧美国家估计很难买到。
第四步，各种部件购齐之后，然后就是组装了，由于前期设计到位，各个部件都能完美组合起来。几天忙碌之后，完整的仪器就展现在眼前了。
第五步，有了硬件，接下来最重要的就是软件了--如何采集数据，如何控制仪器。此外，由于同步辐射的实验是人机分离的，必须遥控操作仪器,这又涉及到如何远程操作仪器的问题。各个电气部件如测距传感器，高精度马达的等部件都带有LabView的接口包，通过LabView这款强大的软件，可以较为容易地实现数据的采集和控制。最后还设计了一个过得去的可视化界面。
第六步，调试和改进。 在软硬部件都完工后，我们找了很多标样对这个仪器进行了大量测试，同时对软硬件再次进行调试和改进。
万事具备后，ESRF分配给我们的beamtime(机时？)终于到来。我们把仪器拆散后打包，装满了一个面包车的货箱。来到ESRF的后再次把仪器重现组装起来，并且放到光路上进行调试。很幸运的是，我们的仪器与光路完美匹配。接下来就是几天几夜白昼不分疯狂的实验了…
整个过程下来，基本上就像是用乐高玩具搭各种造型的过程，并无神秘之处。曾经与一个仪器公司的开发人员聊过，他们也基本上就是“东拼西凑”，然后通过工业设计一个摩登的外形。当然了，实际情况要复杂得多，有时候涉及到一些核心部件的研发还是很费神的。
通过以上记录，我们可以看到，仪器的设计生产涉及到知识贮备积累，各种低端到高端的零部件的提供(这可能涉及到整个国家的工业基础，呵呵，有点大了)，钱，当然还有就是整个环境对仪器开发的重视和认可了。
参考文献
1）中国的科研仪器何时能有变革？
http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=301080
2） 我们还很需要国产仪器
http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=301067
3）我们真的需要国产仪器吗？
http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=301053
4）吕喆老师的博客有关于仪器的系列文章
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=299772
https://blog.sciencenet.cn/blog-292390-301494.html
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