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(diǎn)：

(1)以自然基準溯源和傳遞，同時(shí)在不同量程實(shí)現國際比對。如果自己沒(méi)有能力比對就要依靠其它國家。

(2)高精度。目前半導體工藝的典型線(xiàn)寬為0.25μm，并正向0.18μm過(guò)渡，2009年的預測線(xiàn)寬是0.07μm。如果定位要求占線(xiàn)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，達到300mm。這就意味著(zhù)測量定位系統的精度要優(yōu)于3×10的-8次方，相應的激光穩頻精度應該是10的-9次方數量級。

(3)高速度。目前加工機械的速度已經(jīng)提高到1m/sec以上，上世紀80年代以前開(kāi)發(fā)研制的儀器已不適應市場(chǎng)的需求。例如惠普公司的干涉儀市場(chǎng)大部分被英國Renishaw所占領(lǐng)，其原因是后者的速度達到了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)標準化。通訊接口過(guò)去常用GPIB，RS232，目前有可能成為替代物的高性能標準是USB、IEEE1394和VXI�，F在，技術(shù)領(lǐng)先者設法控制技術(shù)標準，參與標準制訂是儀器開(kāi)發(fā)的基礎研究工作之一。

我國儀器科技的發(fā)展現狀

(1)由于長(cháng)期習慣于仿制國外產(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，許多成果處于國際領(lǐng)先水平，有待篩選、提高和轉化，但產(chǎn)業(yè)化程度很低，沒(méi)有形成具有國際競爭力的完整產(chǎn)業(yè)。

未來(lái)發(fā)展趨勢

1．發(fā)展方向與學(xué)科前沿

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

數控設備的主要誤差來(lái)源可分為幾何誤差（共有21項）和熱誤差。對于重復出現的系統誤差，可采用軟件修正；對于隨機誤差較大的情況，要采用實(shí)時(shí)修正方法。對于熱誤差，一般要通過(guò)溫度測量進(jìn)行修正。我國機床行業(yè)市場(chǎng)萎縮同時(shí)又大量進(jìn)口國外設備的原因之一就是因為這方面的技術(shù)沒(méi)有得到推廣應用。為此，需要高速多通道激光干涉儀：其測量速度達60m/min以上，采樣速度達5000次/sec以上，以適應熱誤差和幾何誤差測量的需要�？諝庹凵渎蕦�(shí)時(shí)測量應達到2×10的-7次方水平，其測量結果和長(cháng)度測量結果可同步輸入計算機。

(2)運行和制造過(guò)程的監控和在線(xiàn)檢測技術(shù)

綜合運用圖像、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、應用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。在這個(gè)領(lǐng)域綜合創(chuàng )新的天地十分廣闊，如振動(dòng)、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(kāi)放環(huán)境下求得生存空間，沒(méi)有自主創(chuàng )新技術(shù)是沒(méi)有出路的。因此應該根據有專(zhuān)利權、有技術(shù)含量、有市場(chǎng)等原則選擇一些項目予以支持。根據當前發(fā)展現狀，信息、生命醫學(xué)、環(huán)保、農業(yè)等領(lǐng)域需要的產(chǎn)品應給予優(yōu)先支持。如醫學(xué)中介入治療的精密儀器設備、電子工業(yè)中的超分辨光刻和清潔方法和機理研究等。

2．優(yōu)先領(lǐng)域

在基礎研究的初期，對于能否有突破性進(jìn)展是很難預測的。但是，當已經(jīng)取得突破性進(jìn)展時(shí)，則需要有一個(gè)轉化機制以進(jìn)入市場(chǎng)。

(1)納米溯源技術(shù)和系統。

(2)介入安裝和制造的坐標跟蹤測量系統。

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

這些內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(lái)的共同點(diǎn)。如采用無(wú)導軌干涉儀，對跟蹤系統的要求可以降低；采用二維精密跟蹤測角系統在1M3測量范圍內可以得到高精度；有了超半球反射鏡可以提高4路跟蹤方案的精度。在現場(chǎng)進(jìn)行介入制造和裝配不能等待很長(cháng)時(shí)間，力和熱變形的補償是必須的而且需要足夠快，現在的技術(shù)還有相當大的差距，所以這些進(jìn)展是關(guān)鍵性的。

應用范圍：新型并行機構機床的鑒定，飛機裝配型架的鑒定，大型設備安裝，用于生物芯片精密機器人校準等。

(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，這是今后坐標測量機發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前接觸式測頭已完全被國外所壟斷，非接觸測頭還沒(méi)有發(fā)展成熟，我們有參與競爭的機遇。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。應該突破0.1～0.5μm分辨率。

(4)計算機輔助測量理論

信號處理系統的標準化、模塊化、兼容和集成。例如，目前多數采用ISA總線(xiàn)、IEEE488口，今后計算機可能取消ISA總線(xiàn)，用于筆記本電腦的USB接口將廣泛應用。過(guò)去，我國生產(chǎn)的儀器滿(mǎn)足于數字顯示，沒(méi)有數據交換接口，難以進(jìn)入國際市場(chǎng)。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準是USB、IEEE1394和VXI。在此轉折期為我們提供了機遇。目前虛擬儀器的工作頻段在千赫數量級，對于干涉信號處理顯得太低，可以采取聯(lián)合互補的方法形成模塊系列，同時(shí)降低成本，從總體上提高研發(fā)工作的效率。根據已有基礎，發(fā)展特長(cháng)，有利于克服重復研究。

(5)新器件，新材料

過(guò)去，科研評價(jià)體系存在偏重于整機和系統，忽視材料和器件的趨向。新的突破點(diǎn)可能出現在新光源、新型高頻探測器。目前探測器的響應頻率只有10的9次方，而光頻高達10的14次方，目前干涉儀實(shí)際上是起著(zhù)混頻器的作用，適應探測器的不足(如果探測器的響應果真能超過(guò)光頻，干涉儀也就沒(méi)有用了)。如果探測器的性能得到顯著(zhù)提高，對于通訊也是很大的突破。

(6)半導體激光器計量特性的研究和創(chuàng )新

半導體激光器用于計量需要解決很多問(wèn)題(如線(xiàn)寬、定標、變頻等)。但如果解決了諸多問(wèn)題以后，半導體激光系統比氣體激光系統更復雜，就不會(huì )有競爭力。有些問(wèn)題在物理層面上也沒(méi)有完全解決。例如半導體激光器如果能形成雙頻，無(wú)疑是一種十分重要的特性，如果既能掃頻又有兩個(gè)相近的頻率掃描，就會(huì )成為一種新的無(wú)導軌測量工具。