十五年磨一劍：四方儀器以氣體分析技術破局，書寫國產科學儀器自強之路

　　科學儀器作為現代科技體系的核心感知工具，在探索未知、驅動社會發展中扮演關鍵角色。自上世紀50年代起，我國科學儀器歷經起步、成長、自主創新三階段，技術實力從依賴進口，到引進消化，再到如今自主創新實現國產化替代突破。氣體分析儀器作為重要分支，在工業過程監測、環境監測、汽車/發動機排放檢測、科學研究氣體分析等眾多領域都發揮著至關重要的作用，從化工、冶金、電力等行業的生產流程監控，到大氣環境質量的監測，再到多領域科學研究的分析主力，可謂無處不在。
 

　　過去，我國氣體分析儀器市場長期被進口產品主導，國外品牌憑借先進技術和成熟產品在市場中占據重要地位。近年來，隨著國內企業研發投入的增加、技術水平的提升以及國家政策的大力扶持，國產化替代進程顯著加速。
 

　　在這一艱辛歷程中，國產科學儀器企業也從技術積累匱乏到意識覺醒，從努力深入學習和消化吸收，到逐漸掌握關鍵技術原理，開展自主創新，不斷攻克技術難題，逐漸完成核心零部件和整機系統的研發、生產，擁有了許多具有自主知識產權的科學儀器產品，在諸多領域逐步實現了國產化替代，打破了長期以來國外技術的壟斷格局。
 

　　在國產科學儀器發展大浪潮中，作為一家基于核心傳感技術平臺的氣體分析儀器與解決方案供應商，四方光電(武漢)儀器有限公司(以下簡稱：四方儀器)自2010年創立以來，始終專注于氣體分析儀器產品的技術研發與生產，在技術上不斷探索，尋求突破。經過十多年的發展，已經擁有了多項以非分光紅外光譜(NDIR)、紫外差分吸收光譜(UV-DOAS)、激光拉曼(LRD)、可調諧半導體激光(TDLAS)、超聲波(Ultrasonic)等十余種核心技術為支撐的多個系列的氣體分析儀生產線，成為氣體分析解決方案供應商。其產品廣泛應用于化工、冶金、汽車測試、環境、能源、科學研究等領域。
 

　　夯實技術基礎，發力攻堅業界難題
 

　　自“十一五"開始，國家明確將“科學儀器設備研制與開發"列為國家科技支撐計劃啟動的重大項目予以支持，后續“十二五"、“十三五"以及“十四五"期間，科技部、國家自然科學基金委員會等部門分別部署了“重大科學儀器設備開發"重點專項和重大科研儀器研制項目，進一步鼓勵和支持我國科學儀器設備研發。而隨著國際競爭加劇、關鍵技術作為貿易壁壘的問題逐漸突出，在“十四五"期間，科技部通過“基礎科研條件與重大科學儀器設備研發"重點專項，圍繞國家基礎研究與科技創新重大戰略需求，以關鍵部件國產化為突破口，重點支持科學儀器工程化研制與應用開發。同期，《儀器儀表行業“十四五"規劃建議》提出，加快儀器儀表的發展步伐，集中力量解決部分國家急需解決的儀器儀表“卡脖子"和自主可控的問題。
 

　　打鐵還需自身硬。要想解決“卡脖子"問題，突破技術壁壘，實現國產化替代，國產企業自身技術實力的提高無疑是必走之路。作為氣體分析儀器頭部生產企業，四方儀器在氣體分析儀器核心部件——傳感器的技術開發與積累方面已經擁有二十多年的經驗，同時憑借其在光學氣體監測技術、拉曼技術、光散射技術以及超聲波檢測技術近二十年的深耕，在產品開發經驗上也具備了深厚的實力。至目前，四方儀器已經累計獲得185項專利，其中包括58項國內發明專利和10項國際發明專利。作為技術驅動型企業，憑借技術先發的優勢，四方儀器先后被認定為國家企業技術中心、湖北省工程技術研究中心，并于2024年被授予博士后科研工作站，進一步培養技術人才，形成 "研發 -專利- 人才" 的閉環培養模式，鞏固技術實力。
 

四方儀器研發實力
 

　　除專利、技術中心、研究中心、博士后科研工作站這類軟實力之外，為深入融入國家創新體系，早日突破技術壁壘，解決業界“卡脖子"技術難題，開發可替代國產化產品，在硬件實力上，四方儀器也加大了投入力度，包括建立了規范的實驗室、配備了種類繁多的測試設備、并制定了完整的測試流程。為確保產品質量，其在產品上市前實施全流程嚴格管控。從研發設計、性能測試到生產制造、質量檢驗的每個環節，均執行高標準可靠性驗證。通過建立完善的質量管理體系，采用最嚴苛的測試標準，確保每臺儀器都經過充分驗證。致力于為用戶提供可靠性最高的產品，保障每一位用戶都能獲得精準可靠的檢測結果。據悉，在生產方面，四方儀器實行了精益化生產制度，擁有已投入量產使用的百萬級傳感器生產線和儀器儀表整機生產線，可為各領域氣體監測任務提供工程化基礎條件。整體而言，四方儀器已經實現從核心部件研發、生產到整機的組裝、生產的自主可控。
 

四方儀器創新研發實驗室
 

　　機會總是留給有準備的人。憑借強硬的軟、硬實力，在2012年，四方儀器獲批科技部國家重大科學儀器設備開發專項——激光拉曼光譜氣體分析儀的研發與應用。該專項主要針對激光拉曼光譜法的特征信號較弱等業界技術難題，經過團隊多年努力，形成了包括光路及光譜分析、拉曼信號增強等技術，解決了激光器功率、溫度等外部因素波動對測量精度的影響問題，獲得發明專利十余項 ，最終成功研發出具有自主知識產權的商業化產品——激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-6000。
 

國家重大科技專項——激光拉曼光譜氣體分析儀的研發與應用
 

　　激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-6000能夠對包括H2、N2、O2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H6、C3H8等在內的近20種氣體組分進行精確的定量分析，解決了在工業過程氣體分析領域，傳統技術面臨的分析流程復雜、耗材需求高昂、響應時間緩慢、分析范圍有限以及維護成本高等問題。而后，該款產品獲得“2021年度中國石油與化工自動化行業科技進步一等獎"、“2021年度中國分析測試協會科學技術獎(CAIA獎)二等獎"等多項榮譽。目前已廣泛應用于天然氣、煤化工、石油化工、鋼鐵、冶金、電力等工業領域中氣體成分、熱值等指標檢測。
 

重大科技成果——激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-6000
 

　　據悉，四方儀器研發的激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-6000 系國內較早實現自主知識產權的商業化產品之一，對相關領域技術發展起到積極推動作用。該系列產品投放市場后，獲得行業客戶的認可。同時，四方儀器積極參與行業標準的編制與修訂工作，致力于推動行業技術進步與產業升級。
 

　　技術全面開花，構筑核心優勢
 

　　在當今科技高速發展的時代，各行業均處于深刻變革與快速發展的進程中。面對全球科技競爭日益激烈、我國經濟結構調整、產業轉型升級需求迫切以及環保要求提高等形勢，需求端對科學儀器精度、可靠性等性能指標要求也在不斷提高，國內各行業對科學儀器的需求日益多樣化，對科學儀器企業在提升產品質量、優化性能方面提出了更高的要求。
 

　　面對時刻變化的行業局勢，四方儀器始終將“掌握核心傳感技術，服務于智慧工業、節能減排產業的氣體分析儀器及解決方案供應商"作為自己的品牌使命。通過扎實的軟實力與可靠的硬實力，在國產科學儀器發展的浪潮中，對各種挑戰和機遇能夠應對自如。尤其是在工業過程、汽車/發動機排放檢測、環境監測等領域的技術深耕，更加切實地展現了四方儀器的“專"與“精"。
 

　　工業過程監測領域
 

　　隨著經濟的大力發展，工業生產領域的相關要求也在不斷發生變化?！吨腥A人民共和國安全生產法》的推出，使得工業過程中可燃氣體、有毒氣體等實時監測提上日程，讓氣體分析儀器成為企業安全生產、防患于未然的設備，對氣體分析儀的精度、可靠性和響應速度等性能指標的要求也在不斷提高。與此同時，產業升級和高質量發展政策也在鼓勵鋼鐵、冶金、化工、電力等工業企業逐步實現提質增效。在此過程中，氣體分析儀可用于檢測此類工業過程中的氫、氧、氮等氣體成分和含量，以提供精確的數據，助力企業優化生產工藝，實現提質增效。此外，《重點用能單位節能管理辦法》等政策為工業企業的節能減排指出了新方向，要求相關企業加強能源管理，提高能源利用效率。氣體分析儀用于檢測燃燒過程中的氣體成分，幫助企業優化燃燒控制，實現節能降耗的優勢就凸顯出來。
 

　　目前，四方儀器應用于鋼鐵、冶金、化工、電力等工業生產過程中的產品包括LRD激光拉曼系列、TDLAS激光系列、NDIR紅外系列，從測量精度、測量速度以及測量組分上實現了全覆蓋。
 

　　激光拉曼光譜氣體分析產品系列——高精度、全組分監測
 

　　在國家重大科學儀器專項成果激光拉曼光譜氣體分析儀LRGA-6000的基礎上，四方儀器陸續推出了同系列的LRGA-3100、LRGA-3200、LRGA-3200EX產品，共同組成了鋼鐵、冶金、煤化工、石油化工、天然氣開采集輸、新能源電池等眾多行業的氣體全組分濃度與熱值監測全套應用產品。
 

　　激光拉曼光譜氣體分析儀因其測量范圍廣泛，能夠適應不同行業的生產環境，展現出了較高的可擴展性。除氣體成分和含量分析外，還可監測工業過程中的熱值，為我國工業生產領域的高質量發展提供了有力支持。
 

四方儀器激光拉曼光譜氣體分析系列產品
 

　　激光氣體分析產品系列——快速響應
 

　　可調諧半導體激光(TDLAS)技術是利用半導體激光器的波長調諧特性和待測氣體對激光的選擇性吸收特性對氣體濃度進行測量的一種技術。該技術具有選擇性高、響應速度快、不受水分影響、無漂移等技術優勢。利用TDLAS技術，四方儀器開發了原位激光過程氣體分析儀(對射式/單端式)GasTDL-3100、抽取式激光氣體分析系統GasTDL-3110等多款產品，可實時連續反應被測氣體濃度，且具備Ex db IIC T6 Gb / Ex tb IIIC T80℃ Db級隔爆與粉塵雙防爆功能，在提高煤氣利用效率、節能降耗的同時，提供安全保障。
 

　　該系列產品在監測過程中，被測氣體不受背景氣體交叉干擾，對射式與單端式均采用原位安裝方式，無需采樣預處理系統。其具有秒級響應速度，可通過在線測量實時反應氣體濃度，且在高溫、高濕、高粉塵、高腐蝕性、高流速等惡劣測量環境下具有良好的適應性，已經被廣泛用于冶金、石化、天然氣等多類行業。
 

四方儀器激光氣體分析系列產品
 

　　紅外氣體分析產品系列——多組分監測、品類豐富
 

　　作為傳統且極為成熟的氣體分析技術，NDIR氣體分析儀在復雜生產環境中，能精準識別并測量目標氣體濃度，有效排除其他氣體干擾，極大提升監測準確性。系統可同時在線測量CO、CO2、CH4、H2、O2、C2H2、C2H4、CnHm八種參數，顯示十種參數(包括熱值和N2)，也能夠保證對焦爐煤氣、混合煤氣、發生爐煤氣、秸稈燃氣等氣體熱值的準確把控，在含水、含塵、易腐蝕等惡劣工況中呈現出較強適應性。
 

　　作為全方案氣體分析儀供應商，四方儀器擁有眾多品類的紅外氣體分析儀器，如：紅外氣體分析儀(防爆型)Gasboard-3500、在線氣體分析系統Gasboard-9021EX/9031EX、煤氣分析儀(便攜型)Gasboard-3100P等。從在線儀表、監測系統到便攜式檢測設備，各類形式都有，可同時滿足工業現場測量和實驗室氣囊取樣分析需求，在工業生產過程中的應用極為廣泛。
 

四方儀器紅外氣體分析系列產品
 

　　相較于色譜(GC)與質譜(MS)等氣體分析技術，四方儀器的多類技術系列產品在測量過程中，均無需拆卸安裝、配備耗材等，結構簡單，易于操作，使用性能更為友好。
 

　　除上述產品外，在工業領域，四方儀器還擁有多款高性能產品，廣泛應用于冶金、石油化工、煤化工、天然氣開采、焦化、電力、汽車鋰電等眾多行業，且經過多年的行業積累，四方儀器也具備定制開發能力。良好的產品性能和優異的服務能力獲得了眾多用戶的青睞，其產品已應用于中海油、武鋼軋鋼廠、盧旺達KivuWatt等多個國內外大型項目。
 

　　汽車/發動機排放檢測領域
 

　　隨著全球環境治理精細化發展，機動車尾氣超細顆粒(PM2.5以下)排放成為近年國際關注的焦點。歐盟作為排放控制技術先進地區，2011年在Euro 5b輕型車標準中納入顆粒計數法(PN)，建立了基于數量而非質量的排放監測體系。2023年3月，歐盟進一步發布《壓燃式發動機車輛定期檢驗顆粒數量測量建議》，將PN檢測從新車認證擴展至在用柴油車年檢，形成 "生產-在用" 全周期管控閉環。目前歐盟法規已覆蓋輕型/重型車，檢測場景從臺架典型工況延伸至實際道路行駛(RDE)，技術要求涵蓋發動機燃燒優化、后處理裝置效率等全鏈條。
 

　　在國際標準趨同背景下，中國2023年7月實施的國六b標準加速與全球接軌，將RDE實際道路測試、PN顆粒物數量檢測納入強制要求。這一轉變直接推動國內汽車產業鏈技術升級：發動機制造商需優化燃燒控制策略以降低原始排放，尾氣處理裝置企業需開發更高效率的顆粒捕集器(DPF)及再生系統，零部件檢測機構則新增 PN粒徑分布、實時道路排放數據采集等能力建設。數據顯示，國六實施半年內，主流柴油機企業PN排放均值較國五下降67%，后處理系統供應商研發投入增長42%，形成從法規倒逼到技術創新的正向循環。
 

　　作為國內最早布局機動車排放檢測設備的企業，四方儀器持續受益于全球排放法規升級帶來的市場機遇。在歐盟2011年引入顆粒計數法、中國2023年實施國六b的政策窗口期，企業通過兩代核心產品的技術突破，完成從跟隨到革新的跨越。
 

　　2021年，針對國內PEMS(車載排放測試系統)長期依賴進口的局面，四方儀器依托十多年積累的氣體分析技術，推出Gasboard-9805便攜式排放測試系統。該設備不僅滿足國六RDE實際道路行駛排放測試要求，更通過全自主研發的非分光紅外(NDIR)、化學發光(CLD)等核心模塊，實現±2%精度的實時排放數據分析，打破歐美企業在該領域的壟斷，目前已廣泛應用于機動車和非道路移動機械制造企業的實際工況排放測試試驗。
 

四方儀器便攜式排放測試系統
 

　　值得關注的是，四方儀器的企業技術路徑始終緊扣法規演進。隨著自主研制的NDIR、NDUV、CLD、FID、CPC和TDLAS等一系列核心傳感器模組達到國際前列水平，四方儀器在汽車尾氣檢測領域的產品線逐漸從在用車尾氣分析儀器擴展至符合新車排放標準的大型排放測試系統。四方儀器自主研發的Gasboard-9801發動機排放測試系統和Gasboard-9802發動機排放全流稀釋定容采樣系統(CVS)具有功能齊全、準確性高和自動化程度高等特點，已廣泛應用于發動機、摩托車以及輕型車制造企業的研發與認證試驗。
 

　　據了解，2024年由某摩托車排放質檢中心聯合5個大型摩托車企業開展了6個摩托車排放實驗室間的比對試驗。結果顯示，四方儀器發動機排放全流稀釋排放測試系統(CVS)不僅符合摩托車歐五及國五標準技術要求，其實際性能水平也已與國際主流品牌相當，打破機動車尾氣PN分析市場技術壟斷，解決“卡脖子"問題，降低用戶使用成本，實現國產化替代指日可待。且在2024年Gasboard-9802已出口海外市場，為四方儀器進一步走向國際開創了良好的局面。
 

四方儀器新一代全流稀釋排放測試系統
 

　　上述幾種專用系統解決方案分別用來應對實際道路行駛的多種工況，以及新生產發動機/機動車排放標準臺架工況的行業法規測試需求，在動力研究實驗室、新車性能實驗室及實際行駛排放測試上持續發揮著積極作用，用戶涵蓋高校、科研機構及前述各類制造企業等。
 

　　在機動車排放管控從 "質量控制" 轉向 "數量+粒徑" 精準治理的趨勢下，四方儀器的技術突圍不僅推動著國產設備替代，更以標準化產品加速法規落地。其十五年發展軌跡，正是中國環保裝備制造業從 "政策跟隨" 到 "技術革新" 的典型縮影。
 

四方儀器發動機排放氣體全生命周期檢測解決方案
 

　　當下，憑借深厚的技術沉淀，四方儀器從核心零部件研發到整機系統優化，不斷攻克技術難題，研發出一系列具有自主知識產權的科學儀器產品，在諸多領域逐步實現國產化替代，打破了長期以來國外技術的壟斷格局，有力推動了我國科技與產業的自主可控發展。
 

　　量產與服務雙擎驅動，四方儀器打造國際化形象
 

　　為保證產品質量可靠，四方儀器將精益求精的精神貫穿至產品全產業鏈，從核心部件、組裝、標定及檢驗等多個關鍵環節，嚴密把控產品質量，通過追溯系統精準跟蹤每個成品及零部件的信息。通過對人員、設備、環境、檢測、包裝等環節進行嚴格把控來實現產品溯源，為每臺儀器及零部件構建起從生產、倉儲、銷售到流通和服務的全生命周期管理體系。四方儀器建立的完善的標準化企業管理體系，為其贏得了國內外相關技術領域的多項資質與認證，亦為公司拓展市場、提升競爭力奠定了堅實的基礎。
 

四方儀器的精益生產能力
 

　　在國產化替代的政策推動下，國產儀器在某些領域取得了不錯的成績，但在分析儀器領域，市場的占有率較之國外品牌還有一定的差距，且用戶的認可程度需要時間來推進。如何獲取用戶的認可是四方儀器多年來一直思考的問題。經過多年的探索與實踐，四方儀器組建了一支強大且全面的服務團隊，從售前開始，至售中和售后，均配備了專業的團隊，立足本土，即時響應用戶需求，為用戶提供專業的服務。此外，隨著智能化發展趨勢，四方儀器除了提供產品現場安裝調試培訓外，還建立了遠程視頻服務，為用戶提供設備維護和保養培訓、故障處理培訓以及客戶遠程視頻培訓等服務。近二十年的行業經驗、快速的服務響應以及高質量的技術支持，使得四方儀器這一品牌形象實現了近年來的跨越式發展。
 

　　在國產科學儀器突破 "卡脖子" 的征程中，四方儀器的發展軌跡堪稱一部鮮活的技術突圍史。從2010年以核心傳感技術切入氣體分析領域，到2024年所參與國內外眾多重大項目的落地，這家企業經過十五年的深耕，完成了從跟隨者到規則制定者的蛻變——覆蓋工業、發動機/汽車、環保等全場景產品矩陣，不僅補充了氣體激光拉曼、PEMS、發動機排放全流稀釋定容采樣系統等領域的國產空白，更以CVS出口海外的突破，標志著中國科學儀器從 "本土替代" 向 "全球競爭" 的跨越。
 

　　四方儀器的故事不僅是技術突圍的樣本，更是中國制造業從 "制造" 到 "智造" 的縮影。當越來越多的 "四方們" 崛起，我們終將見證：那些曾被 "卡脖子" 的領域，終將生長出支撐中國科技自立的參天大樹。