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二十一世紀(jì)測量技術(shù)與儀器的發(fā)展趨勢
閱讀：2185 發(fā)布時(shí)間：2007-11-3
| 二十一世紀(jì)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(zhǔn)溯源和傳遞，同時(shí)在不同量程實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體工藝的典型線寬為0.25μm,，并正向0.18μm過渡,，2009年的預(yù)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(dá)到300mm,。這就意味著測量定位系統(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。 (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年代以前開發(fā)研制的儀器已不適應(yīng)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(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)者設(shè)法控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，參與標(biāo)準(zhǔn)制訂是儀器開發(fā)的基礎(chǔ)研究工作之一,。 我國儀器科技的發(fā)展現(xiàn)狀 (1)由于長期習(xí)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(shè)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,，許多成果處于水平，有待篩選,、提高和轉(zhuǎn)化,，但產(chǎn)業(yè)化程度很低，沒有形成具有競爭力的完整產(chǎn)業(yè),。 未來發(fā)展趨勢 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)備的主要誤差來源可分為幾何誤差（共有21項(xiàng)）和熱誤差,。對于重復(fù)出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差,，可采用軟件修正,；對于隨機(jī)誤差較大的情況，要采用實(shí)時(shí)修正方法,。對于熱誤差,，一般要通過溫度測量進(jìn)行修正。我國機(jī)床行業(yè)市場萎縮同時(shí)又大量進(jìn)口國外設(shè)備的原因之一就是因?yàn)檫@方面的技術(shù)沒有得到推廣應(yīng)用,。為此,，需要高速多通道激光干涉儀：其測量速度達(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量的需要,。空氣折射率實(shí)時(shí)測量應(yīng)達(dá)到2×10的-7次方水平，其測量結(jié)果和長度測量結(jié)果可同步輸入計(jì)算機(jī),。 (2)運(yùn)行和制造過程的監(jiān)控和在線檢測技術(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),。在這個領(lǐng)域綜合創(chuàng)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,。 (3)配合信息產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)科學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新 為了在開放環(huán)境下求得生存空間，沒有自主創(chuàng)新技術(shù)是沒有出路的,。因此應(yīng)該根據(jù)有權(quán),、有技術(shù)含量、有市場等原則選擇一些項(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，對于能否有突破性進(jìn)展是很難預(yù)測的,。但是，當(dāng)已經(jīng)取得突破性進(jìn)展時(shí),，則需要有一個轉(zhuǎn)化機(jī)制以進(jìn)入市場,。 (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),，二維精密跟蹤測角系統(tǒng)(0.2″～0.5″),，通用信號處理系統(tǒng)(工作頻率5兆)，無導(dǎo)軌半導(dǎo)體激光測量系統(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)方案中概括出來的共同點(diǎn),。如采用無導(dǎo)軌干涉儀,，對跟蹤系統(tǒng)的要求可以降低；采用二維精密跟蹤測角系統(tǒng)在1M3測量范圍內(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)場進(jìn)行介入制造和裝配不能等待很長時(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(biāo)測量機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前接觸式測頭已*被國外所壟斷,，非接觸測頭還沒有發(fā)展成熟,，我們有參與競爭的機(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)輔助測量理論 信號處理系統(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。過去,，我國生產(chǎn)的儀器滿足于數(shù)字顯示,，沒有數(shù)據(jù)交換接口，難以進(jìn)入市場,。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(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,，對于干涉信號處理顯得太低，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,，有利于克服重復(fù)研究。 (5)新器件,，新材料 過去,，科研評價(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,、新型高頻探測器。目前探測器的響應(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)探測器的不足(如果探測器的響應(yīng)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(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)量需要解決很多問題(如線寬,、定標(biāo)、變頻等),。但如果解決了諸多問題以后,，半導(dǎo)體激光系統(tǒng)比氣體激光系統(tǒng)更復(fù)雜，就不會有競爭力,。有些問題在物理層面上也沒有完*,。例如半導(dǎo)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(dǎo)軌測量工具。 (end) |