二十一世紀(jì)測量技術(shù)與儀器的發(fā)展趨勢

發(fā)展趨勢與前沿技術(shù)

測量技術(shù)與儀器涉及所有物理量的測量，對于材料、工程科學(xué)、能源科學(xué)關(guān)系密切。目前的發(fā)展趨勢有以下幾點：

（1）以自然基準(zhǔn)溯源和傳遞，同時在不同量程實現(xiàn)比對。如果自己沒有能力比對就要依靠其它國家。

（2）高精度。目前半導(dǎo)體工藝的典型線寬為0.25μm，并正向0.18μm過渡，2009年的預(yù)測線寬是0.07μm。如果定位要求占線寬的1/3，那么就要求10nm量級的精度，而且晶片尺寸還在增大，達(dá)到300mm。這就意味著測量定位系統(tǒng)的精度要優(yōu)于3×10的-8次方，相應(yīng)的激光穩(wěn)頻精度應(yīng)該是10的-9次方數(shù)量級。

（3）高速度。目前加工機(jī)械的速度已經(jīng)提高到1m/sec以上，上世紀(jì)80年代以前開發(fā)研制的儀器已不適應(yīng)市場的需求。例如惠普公司的干涉儀市場大部分被英國Renishaw所占領(lǐng)，其原因是后者的速度達(dá)到了1m/sec。

（4）高靈敏，高分辨，小型化。如將光譜儀集成到一塊電路板上。

（5）標(biāo)準(zhǔn)化。通訊接口過去常用GPIB，RS232，目前有可能成為替代物的高性能標(biāo)準(zhǔn)是USB、IEEE1394和VXI?，F(xiàn)在，技術(shù)者設(shè)法控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，參與標(biāo)準(zhǔn)制訂是儀器開發(fā)的基礎(chǔ)研究工作之一。

我國儀器科技的發(fā)展現(xiàn)狀

（1）由于長期習(xí)慣于仿制國外產(chǎn)品，我國的儀器儀表工業(yè)缺乏創(chuàng)新能力，跟不上科學(xué)研究和工程建設(shè)的需要。

（2）我國儀器科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域積累了大量科研成果，許多成果處于水平，有待篩選、提高和轉(zhuǎn)化，但產(chǎn)業(yè)化程度很低，沒有形成具有競爭力的完整產(chǎn)業(yè)。

未來發(fā)展趨勢

1．發(fā)展方向與學(xué)科前沿

（1）配合數(shù)控設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新（如主軸速度，精度創(chuàng)成）

數(shù)控設(shè)備的主要誤差來源可分為幾何誤差（共有21項）和熱誤差。對于重復(fù)出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差，可采用軟件修正；對于隨機(jī)誤差較大的情況，要采用實時修正方法。對于熱誤差，一般要通過溫度測量進(jìn)行修正。我國機(jī)床行業(yè)市場萎縮同時又大量進(jìn)口國外設(shè)備的原因之一就是因為這方面的技術(shù)沒有得到推廣應(yīng)用。為此，需要高速多通道激光干涉儀：其測量速度達(dá)60m/min以上，采樣速度達(dá)5000次/sec以上，以適應(yīng)熱誤差和幾何誤差測量的需要?？諝庹凵渎蕦崟r測量應(yīng)達(dá)到2×10的-7次方水平，其測量結(jié)果和長度測量結(jié)果可同步輸入計算機(jī)。

（2）運(yùn)行和制造過程的監(jiān)控和在線檢測技術(shù)

綜合運(yùn)用圖像、頻譜、光譜、光纖以及其它光與物質(zhì)相互作用原理的傳感器具有非接觸、高靈敏度、高柔性、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點。在這個領(lǐng)域綜合創(chuàng)新的天地十分廣闊，如振動、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。

（3）配合信息產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)科學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新

為了在開放環(huán)境下求得生存空間，沒有自主創(chuàng)新技術(shù)是沒有出路的。因此應(yīng)該根據(jù)有權(quán)、有技術(shù)含量、有市場等原則選擇一些項目予以支持。根據(jù)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀，信息、生命醫(yī)學(xué)、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域需要的產(chǎn)品應(yīng)給予優(yōu)先支持。如醫(yī)學(xué)中*的精密儀器設(shè)備、電子工業(yè)中的超分辨光刻和清潔方法和機(jī)理研究等。

2．優(yōu)先領(lǐng)域

在基礎(chǔ)研究的初期，對于能否有突破性進(jìn)展是很難預(yù)測的。但是，當(dāng)已經(jīng)取得突破性進(jìn)展時，則需要有一個轉(zhuǎn)化機(jī)制以進(jìn)入市場。

（1）納米溯源技術(shù)和系統(tǒng)。

（2）介入安裝和制造的坐標(biāo)跟蹤測量系統(tǒng)。

關(guān)鍵理論和技術(shù)：超半球反射器（n=2或在機(jī)構(gòu)上創(chuàng)新），快速、多路干涉儀（頻差3～5兆），二維精密跟蹤測角系統(tǒng)（0.2″～0.5″），通用信號處理系統(tǒng)（工作頻率5兆），無導(dǎo)軌半導(dǎo)體激光測量系統(tǒng)（分辨率1μm），熱變形仿真，力變形仿真。

這些內(nèi)容不局限于一種技術(shù)方案，而是幾種不同技術(shù)方案中概括出來的共同點。如采用無導(dǎo)軌干涉儀，對跟蹤系統(tǒng)的要求可以降低；采用二維精密跟蹤測角系統(tǒng)在1M3測量范圍內(nèi)可以得到高精度；有了超半球反射鏡可以提高4路跟蹤方案的精度。在現(xiàn)場進(jìn)行介入制造和裝配不能等待很長時間，力和熱變形的補(bǔ)償是必須的而且需要足夠快，現(xiàn)在的技術(shù)還有相當(dāng)大的差距，所以這些進(jìn)展是關(guān)鍵性的。

應(yīng)用范圍：新型并行機(jī)構(gòu)機(jī)床的鑒定，飛機(jī)裝配型架的鑒定，大型設(shè)備安裝，用于生物芯片精密機(jī)器人校準(zhǔn)等。

（3）非接觸測頭以及各種掃描探針顯微鏡

航空航天行業(yè)對此已經(jīng)提出迫切要求，這是今后坐標(biāo)測量機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前接觸式測頭已*被國外所壟斷，非接觸測頭還沒有發(fā)展成熟，我們有參與競爭的機(jī)遇。以前較多采用的激光三角法原理受到很多限制，難以有突破性進(jìn)展，但可在原理創(chuàng)新上下功夫。應(yīng)該突破0.1～0.5μm分辨率。

（4）計算機(jī)輔助測量理論

信號處理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、兼容和集成。例如，目前多數(shù)采用ISA總線、IEEE488口，今后計算機(jī)可能取消ISA總線，用于筆記本電腦的USB接口將廣泛應(yīng)用。過去，我國生產(chǎn)的儀器滿足于數(shù)字顯示，沒有數(shù)據(jù)交換接口，難以進(jìn)入市場。國外生產(chǎn)的儀器普遍配備IEEE488（GPIB）口。RS232：目前有可能成為替代物的高性能標(biāo)準(zhǔn)是USB、IEEE1394和VXI。在此轉(zhuǎn)折期為我們提供了機(jī)遇。目前虛擬儀器的工作頻段在千赫數(shù)量級，對于干涉信號處理顯得太低，可以采取聯(lián)合互補(bǔ)的方法形成模塊系列，同時降低成本，從總體上提高研發(fā)工作的效率。根據(jù)已有基礎(chǔ)，發(fā)展特長，有利于克服重復(fù)研究。

（5）新器件，新材料

過去，科研評價體系存在偏重于整機(jī)和系統(tǒng)，忽視材料和器件的趨向。新的突破點可能出現(xiàn)在新光源、新型高頻探測器。目前探測器的響應(yīng)頻率只有10的9次方，而光頻高達(dá)10的14次方，目前干涉儀實際上是起著混頻器的作用，適應(yīng)探測器的不足（如果探測器的響應(yīng)果真能超過光頻，干涉儀也就沒有用了）。如果探測器的性能得到顯著提高，對于通訊也是很大的突破。

（6）半導(dǎo)體激光器計量特性的研究和創(chuàng)新

半導(dǎo)體激光器用于計量需要解決很多問題（如線寬、定標(biāo)、變頻等）。但如果解決了諸多問題以后，半導(dǎo)體激光系統(tǒng)比氣體激光系統(tǒng)更復(fù)雜，就不會有競爭力。有些問題在物理層面上也沒有完*。例如半導(dǎo)體激光器如果能形成雙頻，無疑是一種十分重要的特性，如果既能掃頻又有兩個相近的頻率掃描，就會成為一種新的無導(dǎo)軌測量工具。