21世紀測量技術與儀器的發展

21世紀測量技術與儀器的發展
2008-09-03

  
      測量技術與儀器涉及所有物理量的測量，對于材料、工程科學、能源科學關系密切。

      目前的發展趨勢有以下幾點：    
（1）以自然基準溯源和傳遞，同時在不同量程實現國際比對。如果自己沒有能力比對就要依靠其它國家。   
（2）高精度。目前半導體工藝的典型線寬為0.25μm，并正向0.18μm過渡，2009年的預測線寬是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，達到300mm。這就意味著測量定位系統的精度要優于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提高到1m/sec以上，上世紀80年代以前開發研制的儀器已不適應市場的需求。例如惠普公司的干涉儀市場大部分被英國Renishaw所占領，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。現在，技術領先者設法控制技術標準，參與標準制訂是儀器開發的基礎研究工作之一。   

我國儀器科技的發展現狀     
（1）由于長期習慣于仿制國外產品，我國的儀器儀表工業缺乏創新能力，跟不上科學研究和工程建設的需要。   
（2）我國儀器科學與技術研究領域積累了大量科研成果，許多成果處于國際領先水平，有待篩選、提高和轉化，但產業化程度很低，沒有形成具有國際競爭力的完整產業。  

未來發展趨勢  
1．發展方向與學科前沿   
（1）配合數控設備的技術創新（如主軸速度，精度創成）   
數控設備的主要誤差來源可分為幾何誤差和熱誤差。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，要采用實時修正方法。對于熱誤差，一般要通過溫度測量進行修正。我國機床行業市場萎縮同時又大量進口國外設備的原因之一就是因為這方面的技術沒有得到推廣應用。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。空氣折射率實時測量應達到2×10的－7次方水平，其測量結果和長度測量結果可同步輸入計算機。     
（2）運行和制造過程的監控和在線檢測技術   
綜合運用圖像、頻譜、光譜、光纖以及其它光與物質相互作用原理的傳感器具有非接觸、高靈敏度、高柔性、應用范圍廣的優點。在這個領域綜合創新的天地十分廣闊，如振動、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等的測量。     
（3）配合信息產業和生產科學的技術創新   
為了在開放環境下求得生存空間，沒有自主創新技術是沒有出路的。因此應該根據有專利權、有技術含量、有市場等原則選擇一些項目予以支持。根據當前發展現狀，信息、生命醫學、環保、農業等領域需要的產品應給予優先支持。如醫學中介入治療的精密儀器設備、電子工業中的超分辨率光刻和清潔方法、機理研究等。   
2．優先領域   
在基礎研究的初期，對于能否有突破性進展是很難預測的。但是，當已經取得突破性進展時，則需要有一個轉化機制以進入市場。   
（1）納米溯源技術和系統。   
（2）介入安裝和制造的坐標跟蹤測量系統。   
關鍵理論和技術：超半球反射器(n=2或在機構上創新)，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方案，而是幾種不同技術方案中概括出來的共同點。如采用無導軌干涉儀，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。在現場進行介入制造和裝配不能等待很長時間，力和熱變形的補償是必須的而且需要足夠快，現在的技術還有相當大的差距，所以這些進展是關鍵性的。  
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  
航空航天行業對此已經提出迫切要求，這是今后坐標測量機發展的關鍵技術。目前接觸式測頭已完全被國外所壟斷，非接觸測頭還沒有發展成熟，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，難以有突破性進展，但可在原理創新上下功夫。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、ieee488口，今后計算機可能取消isa總線，用于筆記本電腦的usb接口將廣泛應用。過去，我國生產的儀器滿足于數字顯示，沒有數據交換接口，難以進入國際市場。國外生產的儀器普遍配備ieee488（gpib）口。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，可以采取聯合互補的方法形成模塊系列，同時降低成本，從總體上提高研發工作的效率。根據已有基礎，發展特長，有利于克服重復研究。   
（5）新器件，新材料   
過去，科研評價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，目前干涉儀實際上是起著混頻器的作用，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）半導體激光器計量特性的研究和創新   
半導體激光器用于計量需要解決很多問題（如線寬、定標、變頻等）。但如果解決了諸多問題以后，半導體激光系統比氣體激光系統更復雜，就不會有競爭力。有些問題在物理層面上也沒有完全解決。例如半導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軌測量工具。