二十一世紀(jì)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(xiàn)寬為0.25μm,并正向0.18μm過(guò)渡,2009年的預(yù)測(cè)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(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?,F(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??諝庹凵渎蕦?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(xiàn)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。
(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(zhuān)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(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(xiàn)、IEEE488口,今后計(jì)算機(jī)可能取消ISA總線(xiàn),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(mǎn)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(xiàn)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。