Kā galvenie instrumenti, lai iegūtu un analizētu fizisko, ķīmisko un bioloģisko informāciju par objektīvo pasauli, instrumentu projektēšanas principi integrē zināšanas no vairākām disciplīnām, tostarp sensoru tehnoloģiju, signālu apstrādi, datu prezentāciju un sistēmas kontroli. Mērķis ir pārvērst parādības, kuras ir grūti tieši identificēt, precīzos, kvantitatīvi nosakāmos un analizējamos datos. Mūsdienu rūpniecībā, zinātniskajā pētniecībā un valsts pārvaldībā instrumentu dizains ne tikai cenšas panākt mērījumu precizitāti un reakcijas ātrumu, bet arī uzsver spēju pielāgoties videi, ilgtermiņa stabilitāti un viedo funkciju integrāciju. Tā raksturīgie principi veido galveno posmu uztveres un izziņas ķēdē.
Projektēšanas sākumpunkts ir sensora principa noteikšana, tas ir, izmērītā parametra pārveidošana pārraidāmā signālā caur sensoru. Sensora izvēle ir atkarīga no izmērītā objekta īpašībām. Parastie principi ietver pretestības deformācijas efektu, termoelektrisko efektu, pjezorezistīvo efektu, fotoelektrisko efektu, elektromagnētisko indukciju un ķīmiskās adsorbcijas reakciju. Piemēram, termopāri izmanto temperatūras starpību starp divu dažādu metālu savienojuma vietām, lai radītu termoelektrisko potenciālu, panākot nepārtrauktu temperatūras uztveršanu; kapacitatīvie sensori atspoguļo šķidruma līmeni vai spiedienu, mainot attālumu starp elektrodiem vai dielektrisko konstanti; un elektroķīmiskie sensori izvada ar koncentrāciju saistītus elektriskos signālus, izmantojot konkrētu jonu redoksreakciju ar elektrodiem. Sensora posma konstrukcijai ir jāsabalansē jutība, lineārais diapazons, reakcijas laiks un pret{5}}traucējumu spēja, lai nodrošinātu sākotnējā signāla autentiskumu un lietojamību.
Pēc tam nāk signāla kondicionēšanas un pārveidošanas stadija, kas pārveido vāju vai izkropļotu sensora izvadi standarta, izmantojamā informācijā. Šis dizains bieži ietver iepriekšēju-pastiprināšanu, trokšņu filtrēšanu, temperatūras kompensāciju, nelineāru korekciju un analogo-uz-digitālo (A/D) vai digitālo-analogo (D/A) pārveidošanu. Pastiprināšanas ķēdei jāatbilst sensora izejas pretestībai un turpmāko ķēžu ieejas prasībām. Filtrēšanas posmā tiek izmantoti frekvenču domēna raksturlielumi, lai novērstu strāvas frekvences traucējumus, augstas-frekvences troksni un nejaušus traucējumus, nodrošinot signāla tīrību. Temperatūras kompensācijā tiek izmantoti termistori vai programmatūras algoritmi, lai koriģētu apkārtējās vides temperatūras izmaiņu ietekmi uz mērījumu, savukārt nelineārā korekcija uzlabo ieejas{10}}izejas attiecību linearitāti, izmantojot aparatūras shēmas vai matemātiskos modeļus, tādējādi uzlabojot mērījumu precizitāti visā diapazonā.
Datu apstrādes un attēlošanas posmā projektēšanas princips tiek atspoguļots informācijas organizēšanā un pasniegšanā. Mikroprocesoru vai iegulto sistēmu ieviešana ļauj moderniem instrumentiem veikt reāllaika aprēķinus, statistisko analīzi, datu glabāšanu un daudzkanālu saplūšanu. Displeja bloks izvēlas no digitālajām lampām, LCD ekrāniem, skārienekrāniem vai grafiskām saskarnēm, pamatojoties uz lietojumprogrammas scenāriju, intuitīvi izsakot mērījumu rezultātus skaitliskā, līknes vai grafiskā formā. Sistēmām, kurām nepieciešama attāla mijiedarbība, dizainā ir iestrādāts sakaru protokolu steks, lai nodrošinātu datu apmaiņu ar resursdatoru vai mākoņa platformu, nodrošinot pamatu centralizētai uzraudzībai un lēmumu atbalstam.
Sistēmas stabilitātes un uzticamības dizains caurstrāvo vispārējo arhitektūru. Tas ietver saprātīgu enerģijas pārvaldību, elektromagnētiskās saderības (EMC) dizainu, dublēšanas konfigurāciju un kļūdu pašdiagnostikas mehānismus. Strāvas padeves sekcijai jānodrošina sprieguma regulēšana, izolācija un pārejoša slāpēšana, lai nepieļautu, ka ārējās elektrotīkla svārstības ietekmē mērījumu precizitāti; EMC konstrukcijā tiek izmantots ekranējums, zemējums un filtrēšana, lai novērstu vadītos un izstarotos traucējumus, nodrošinot normālu instrumenta darbību sarežģītā elektromagnētiskā vidē; dublēšana un pašdiagnostika{3}}var izdot brīdinājumus vai pārslēgties uz rezerves kanāliem kritisko komponentu darbības traucējumu gadījumā, tādējādi uzlabojot sistēmas pieejamību.
Mūsdienu instrumentu dizains ietver arī inteliģentas un modulāras koncepcijas. Intelekts izpaužas iebūvētos-algoritmos, kas var veikt automātisku diapazona maiņu, funkciju izgūšanu un tendenču prognozēšanu, paplašinot instrumentu no pasīvās mērīšanas uz aktīvu analīzi; modularitāte, izmantojot standartizētas saskarnes un nomaināmas funkcionālās vienības, atvieglo lietotāja -definētu konfigurāciju un turpmākus jauninājumus, samazinot uzturēšanas izmaksas un pagarinot kalpošanas laiku.
Kopumā instrumentu izstrādes principi ir balstīti uz precīzu noteikšanu, kuru centrā ir uzticama kondicionēšana un vieda apstrāde, un to mērķis ir stabila prezentācija un mijiedarbība{0}}sistemātiska inženierijas pieeja. Šo principu izpratne un piemērošana ļauj izveidot augstas veiktspējas un ļoti pielāgojamus mērīšanas rīkus dažādās lietojuma vajadzībām un tehnoloģiskajos apstākļos, nodrošinot stabilu datu atbalstu zinātniskajai pētniecībai un rūpnieciskai attīstībai.
