測量技術與儀器發展趨勢

測量技術與儀器發展趨勢

測量技術與(yu) 儀(yi) 器涉及所有物理量的測量，對於(yu) 材料、工程科學、能源科學關(guan) 係密切。目前的發展趨勢有以下幾點： 　　(1)以自然基準溯源和傳(chuan) 遞，同時在不同量程實現比對。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(ti) 工藝的典型線寬為(wei) 0.25μm，並正向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，那麽(me) 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係統的精度要優(you) 於(yu) 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年代以前開發研製的儀(yi) 器已不適應市場的需求。例如惠普公司的幹涉儀(yi) 市場大部分被英國Renishaw所占領，其原因是後者的速度達到了1m/sec。 　　(4)高靈敏，高分辨，小型化。如將光譜儀(yi) 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(wei) 替代物的高性能標準是USB、IEEE1394和VXI。現在，技術者設法控製技術標準，參與(yu) 標準製訂是儀(yi) 器開發的基礎研究工作之一。 　　我國儀(yi) 器科技的發展現狀 　　(1)由於(yu) 長期習(xi) 慣於(yu) 仿製國外產(chan) 品，我國的儀(yi) 器儀(yi) 表工業(ye) 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(yi) 器科學與(yu) 技術研究領域積累了大量科研成果，許多成果處於(yu) 水平，有待篩選、提高和轉化，但產(chan) 業(ye) 化程度很低，沒有形成具有競爭(zheng) 力的完整產(chan) 業(ye) 。 　　未來發展趨勢 　　1．發展方向與(yu) 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(wei) 幾何誤差（共有21項）和熱誤差。對於(yu) 重複出現的係統誤差，可采用軟件修正；對於(yu) 隨機誤差較大的情況，要采用實時修正方法。對於(yu) 熱誤差，一般要通過溫度測量進行修正。我國機床行業(ye) 市場低迷同時又大量進口國外設備的原因之一就是因為(wei) 這方麵的技術沒有得到推廣應用。為(wei) 此，需要高速多通道激光幹涉儀(yi) ：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)運行和製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(yu) 物質相互作用原理的傳(chuan) 感器具有非接觸、高靈敏度、高柔性、應用範圍廣的優(you) 點。在這個(ge) 領域綜合創新的天地十分廣闊，如振動、粗糙度、汙染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。 　　(3)配合信息產(chan) 業(ye) 和生產(chan) 科學的技術創新 　　為(wei) 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(nong) 業(ye) 等領域需要的產(chan) 品應給予優(you) 先支持。如醫學中介入治療的精密儀(yi) 器設備、電子工業(ye) 中的超分辨光刻和清潔方法和機理研究等。 　　2．優(you) 先領域 　　在基礎研究的初期，對於(yu) 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(ge) 轉化機製以進入市場。 　　(1)納米溯源技術和係統。 　　(2)介入安裝和製造的坐標跟蹤測量係統。 　　關(guan) 鍵理論和技術：超半球反射器(n=2或在機構上創新)，快速、多路幹涉儀(yi) (頻差3～5兆)，二維精密跟蹤測角係統(0.2″～0.5″)，通用信號處理係統(工作頻率5兆)，無導軌半導體(ti) 激光測量係統(分辨率1μm)，熱變形仿真，力變形仿真。 　　這些內(nei) 容不局限於(yu) 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。如采用無導軌幹涉儀(yi) ，對跟蹤係統的要求可以降低；采用二維精密跟蹤測角係統在1M3測量範圍內(nei) 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。在現場進行介入製造和裝配不能等待很長時間，力和熱變形的補償(chang) 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(guan) 鍵性的。 　　應用範圍：新型並行機構機床的鑒定，飛機裝配型架的鑒定，大型設備安裝，用於(yu) 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 　　航天行業(ye) 對此已經提出迫切要求，這是今後坐標測量機發展的關(guan) 鍵技術。目前接觸式測頭已*被國外所壟斷，非接觸測頭還沒有發展成熟，我們(men) 有參與(yu) 競爭(zheng) 的機遇。以前較多采用的激光三角法原理受到很多限製，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 　　信號處理係統的標準化、模塊化、兼容和集成。例如，目前多數采用ISA總線、IEEE488口，今後計算機可能取消ISA總線，用於(yu) 筆記本電腦的USB接口將廣泛應用。過去，我國生產(chan) 的儀(yi) 器滿足於(yu) 數字顯示，沒有數據交換接口，難以進入市場。國外生產(chan) 的儀(yi) 器普遍配備IEEE488(GPIB)口。RS232：目前有可能成為(wei) 替代物的高性能標準是USB、IEEE1394和VXI。在此轉折期為(wei) 我們(men) 提供了機遇。目前虛擬儀(yi) 器的工作頻段在千赫數量級，對於(yu) 幹涉信號處理顯得太低，可以采取聯合互補的方法形成模塊係列，同時降低成本，從(cong) 總體(ti) 上提高研發工作的效率。根據已有基礎，發展特長，有利於(yu) 克服重複研究。 　　(5)新器件，新材料 　　過去，科研評價(jia) 體(ti) 係存在偏重於(yu) 整機和係統，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隻有10的9次方，而光頻高達10的14次方，目前幹涉儀(yi) 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，幹涉儀(yi) 也就沒有用了)。如果探測器的性能得到顯著提高，對於(yu) 通訊也是很大的突破。 　　(6)半導體(ti) 激光器計量特性的研究和創新 　　半導體(ti) 激光器用於(yu) 計量需要解決(jue) 很多問題(如線寬、定標、變頻等)。但如果解決(jue) 了諸多問題以後，半導體(ti) 激光係統比氣體(ti) 激光係統更複雜，就不會(hui) 有競爭(zheng) 力。有些問題在物理層麵上也沒有完*。例如半導體(ti) 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(liang) 個(ge) 相近的頻率掃描，就會(hui) 成為(wei) 一種新的無導軌測量工具。

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