測(cè)量技術(shù)與儀器的發(fā)展趨勢(shì)

測(cè)量技術(shù)與儀器涉及所有物理量的測(cè)量，對(duì)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(shì)有以下幾點(diǎn)：  
    （1）以自然基準(zhǔn)溯源和傳遞，同時(shí)在不同量程實(shí)現(xiàn)國(guó)際比對(duì)。如果自己沒(méi)有能力比對(duì)就要依靠其它國(guó)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(guò)渡，2009年的預(yù)測(cè)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(jí)的精度，而且晶片尺寸還在增大，達(dá)到300mm。這就意味著測(cè)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(jí)。
    （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(kāi)發(fā)研制的儀器已不適應(yīng)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(guó)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(guò)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。現(xiàn)在，技術(shù)領(lǐng)先者設(shè)法控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，參與標(biāo)準(zhǔn)制訂是儀器開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)研究工作之一。
    我國(guó)儀器科技的發(fā)展現(xiàn)狀  
    （1）由于長(zhǎng)期習(xí)慣于仿制國(guó)外產(chǎn)品，我國(guó)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(guó)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(guó)際領(lǐng)先水平，有待篩選、提高和轉(zhuǎn)化，但產(chǎn)業(yè)化程度很低，沒(méi)有形成具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的完整產(chǎn)業(yè)。  
    未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
    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(lái)源可分為幾何誤差（共有21項(xiàng)）和熱誤差。對(duì)于重復(fù)出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差，可采用軟件修正；對(duì)于隨機(jī)誤差較大的情況，要采用實(shí)時(shí)修正方法。對(duì)于熱誤差，一般要通過(guò)溫度測(cè)量進(jìn)行修正。我國(guó)機(jī)床行業(yè)市場(chǎng)萎縮同時(shí)又大量進(jìn)口國(guó)外設(shè)備的原因之一就是因?yàn)檫@方面的技術(shù)沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。為此，需要高速多通道激光干涉儀：其測(cè)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(cè)量的需要。空氣折射率實(shí)時(shí)測(cè)量應(yīng)達(dá)到2×10的－7次方水平，其測(cè)量結(jié)果和長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果可同步輸入計(jì)算機(jī)。  
    （2）運(yùn)行和制造過(guò)程的監(jiān)控和在線檢測(cè)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(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的測(cè)量。  
    （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(yīng)該根據(jù)有專利權(quán)、有技術(shù)含量、有市場(chǎng)等原則選擇一些項(xiàng)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)中介入治療的精密儀器設(shè)備、電子工業(yè)中的超分辨率光刻和清潔方法、機(jī)理研究等。  
    2．優(yōu)先領(lǐng)域
    在基礎(chǔ)研究的初期，對(duì)于能否有突破性進(jìn)展是很難預(yù)測(cè)的。但是，當(dāng)已經(jīng)取得突破性進(jìn)展時(shí)，則需要有一個(gè)轉(zhuǎn)化機(jī)制以進(jìn)入市場(chǎng)。  
    （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(cè)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(cè)角系統(tǒng)（0.2″～0.5″），通用信號(hào)處理系統(tǒng)（工作頻率5兆），無(wú)導(dǎo)軌半導(dǎo)體激光測(cè)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(lái)的共同點(diǎn)。如采用無(wú)導(dǎo)軌干涉儀，對(duì)跟蹤系統(tǒng)的要求可以降低；采用二維精密跟蹤測(cè)角系統(tǒng)在1M3測(cè)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(chǎng)進(jìn)行介入制造和裝配不能等待很長(zhǎng)時(shí)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(cè)頭以及各種掃描探針顯微鏡  
    航空航天行業(yè)對(duì)此已經(jīng)提出迫切要求，這是今后坐標(biāo)測(cè)量機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前接觸式測(cè)頭已完全被國(guó)外所壟斷，非接觸測(cè)頭還沒(méi)有發(fā)展成熟，我們有參與競(jìng)爭(zhēng)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(jì)算機(jī)輔助測(cè)量理論  
    信號(hào)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(jì)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(guò)去，我國(guó)生產(chǎn)的儀器滿足于數(shù)字顯示，沒(méi)有數(shù)據(jù)交換接口，難以進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。國(guó)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(jí)，對(duì)于干涉信號(hào)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(shí)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(zhǎng)，有利于克服重復(fù)研究。  
    （5）新器件，新材料  
    過(guò)去，科研評(píng)價(jià)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(diǎn)可能出現(xiàn)在新光源、新型高頻探測(cè)器。目前探測(cè)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(shí)際上是起著混頻器的作用，適應(yīng)探測(cè)器的不足（如果探測(cè)器的響應(yīng)果真能超過(guò)光頻，干涉儀也就沒(méi)有用了）。如果探測(cè)器的性能得到顯著提高，對(duì)于通訊也是很大的突破。  
    （6）半導(dǎo)體激光器計(jì)量特性的研究和創(chuàng)新  
    半導(dǎo)體激光器用于計(jì)量需要解決很多問(wèn)題（如線寬、定標(biāo)、變頻等）。但如果解決了諸多問(wèn)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(huì)有競(jìng)爭(zhēng)力。有些問(wèn)題在物理層面上也沒(méi)有完全解決。例如半導(dǎo)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(dǎo)軌測(cè)量工具。