測（cè）量技術與儀器的發展趨勢

測量技術與儀器涉及所有物理量的測量，對於材料、工程科學、能源科（kē）學關（guān）係密（mì）切（qiē）。目前的（de）發（fā）展趨勢有以下幾點： 

    （1）以自（zì）然基（jī）準溯源和傳遞，同時在不同量程實現國際比對。如果（guǒ）自己沒有能（néng）力比（bǐ）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，並正向（xiàng）0.18μm過（guò）渡，2009年的預測線（xiàn）寬是0.07μm。如果定（dìng）位要求占線寬的1/3，那麽就要求10nm量級的精度，而且晶片（piàn）尺寸還在增大，達到（dào）300mm。這就意味著測量定位係統的精度要優於3×10的－8次方，相應的激光穩頻精度應該是10的－9次方數（shù）量級。

    （3）高（gāo）速度。目前加工（gōng）機械的速度已經提高到1m/sec以上，上世紀80年（nián）代以前開發（fā）研製（zhì）的儀器已不適應市場的需求。例如惠普公司的幹涉儀市場大部分被英（yīng）國Renishaw所占領，其原因是後者的速度達到了1m/sec。 

    （4）高靈敏（mǐn），高分辨，小型化。如（rú）將光（guāng）譜（pǔ）儀（yí）集成到一塊電路板上。 

    （5）標準（zhǔn）化。通訊接（jiē）口過去常用GPIB、RS232，目前有可能成為替代（dài）物的高（gāo）性能標準是USB、IEEE1394和（hé）VXI。現在，技術領先（xiān）者設法（fǎ）控製技術標準（zhǔn），參與標（biāo）準（zhǔn）製訂是儀器開發的基礎研究工作（zuò）之一。

    我國（guó）儀器科技的發展現狀 

    （1）由於長期習慣（guàn）於仿製國（guó）外產品，我國的儀器儀表工業缺乏創新能力，跟不上（shàng）科學研究和工程建設的需要。 

    （2）我國（guó）儀器科（kē）學與技術研究領（lǐng）域積（jī）累了大量科研成果，許多成（chéng）果處於（yú）國際領先（xiān）水平，有待篩選（xuǎn）、提高和轉化，但產（chǎn）業化程（chéng）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（xué）科前沿 

    （1）配合數控設（shè）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（共有21項）和熱誤差。對（duì）於重複出現的係（xì）統誤差，可（kě）采用軟件修正；對於隨機誤差較大的情（qíng）況，要采（cǎi）用實時修正方法。對於熱誤差，一般（bān）要通過溫度測量進行修正（zhèng）。我國機床行業市場萎縮同時又大量進口國（guó）外設備（bèi）的原因之一就是因為這方麵的技術沒有得到推廣應用。為此，需要高速多通道激光幹（gàn）涉（shè）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（wù）差測量的需要。空氣折射率實時測量應達（dá）到（dào）2×10的－7次方水平，其測量結果和長度測量結（jié）果可同步輸入計算機（jī）。
 
    （2）運（yùn）行（háng）和製造過（guò）程的監控和（hé）在線檢測技術 

    綜（zōng）合運用圖像（xiàng）、頻譜、光譜、光纖以及其它光與物質相互作用原理的（de）傳感器具有非（fēi）接觸、高靈（líng）敏度（dù）、高柔性、應用範圍廣的（de）優點。在這個領域綜合創新（xīn）的天地十分廣闊，如振動、粗糙度、汙染物（wù）、含水量、加工（gōng）尺寸及相互位置等的測量。 

    （3）配合信（xìn）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（shù）是（shì）沒有出路（lù）的。因此應該（gāi）根據（jù）有專利權、有技（jì）術含量、有（yǒu）市（shì）場等（děng）原則選擇一些項目予以支持。根據當前發展（zhǎn）現狀，信息、生命醫學、環保、農業等領域需（xū）要（yào）的產（chǎn）品應給予優先支持。如醫學中（zhōng）介入治療的精密儀（yí）器設備、電子工業中的超分（fèn）辨率光刻和清潔方法（fǎ）、機理（lǐ）研究等。 

    2．優先領域

    在基礎研究的初期（qī），對於能（néng）否有突破性進展是很難預（yù）測的。但是，當已經取得突破性進展時，則（zé）需要有一個轉化（huà）機製（zhì）以進入市場。 

    （1）納（nà）米（mǐ）溯源技術和係統。 

    （2）介入安裝和製（zhì）造的坐標（biāo）跟蹤測量（liàng）係統。 

    關鍵理論和技術（shù）：超半球反（fǎn）射器(n=2或在機構上創新)，快速、多路（lù）幹涉儀（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（pín）率5兆），無導軌半（bàn）導體激光測量係統（分辨率1μm），熱變形仿真，力（lì）變形（xíng）仿真。
 
    這（zhè）些內（nèi）容（róng）不（bú）局限於一種（zhǒng）技術（shù）方案，而是幾種不同技術方案（àn）中概括出來的共同點。如采用無導軌幹涉儀，對跟（gēn）蹤係統的要（yào）求可以降低；采用二（èr）維精密跟蹤測角係統在1M3測量範圍內可以得到高精度；有了超半球反射鏡可（kě）以（yǐ）提（tí）高4路跟蹤方案的精度。在（zài）現場進行介入製造和裝配不能等待很長時間（jiān），力和熱（rè）變（biàn）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（yǐ）這些進展是關鍵性的。 

    應用範圍：新型（xíng）並行機構機床的（de）鑒（jiàn）定，飛機（jī）裝配型架的鑒定，大（dà）型設備安裝，用（yòng）於生物芯片（piàn）精（jīng）密機器人校準等（děng）。 

    （3）非接（jiē）觸測頭以及各種掃描探針顯（xiǎn）微鏡 

    航（háng）空航天行業對（duì）此已經提出迫切要求，這是今後坐標測（cè）量機發展的關鍵技術。目前接觸式測頭已完全被國外所壟（lǒng）斷，非接觸測頭還沒有發展成熟，我（wǒ）們有參與競爭的機遇。以（yǐ）前較多采用的激光三（sān）角法（fǎ）原理受到很多限製，難以有突破性進展，但可在（zài）原理創新上下（xià）功夫。應該突破0.1～0.5μm分辨率（lǜ）。
 
    （4）計（jì）算機輔助測量理論 

    信（xìn）號處理係統的標準化、模（mó）塊化、兼容和集成。例如，目前多數采用ISA總線（xiàn）、IEEE488口，今（jīn）後計算機可能取消ISA總線，用於（yú）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於數字（zì）顯（xiǎn）示，沒（méi）有數據交換接口，難以（yǐ）進入國（guó）際市場。國外生產（chǎn）的儀（yí）器普遍配備IEEE488（GPIB）口。RS232：目（mù）前有可能成為替代（dài）物的高性（xìng）能（néng）標準（zhǔn）是USB、IEEE1394和（hé）VXI。在此轉（zhuǎn）折期為（wéi）我（wǒ）們提供了機遇。目前虛擬儀器的工作頻段在千赫數量級，對於幹涉信號處（chù）理顯得（dé）太低，可以采（cǎi）取聯合互補的方法（fǎ）形成模塊係列，同時降低成本，從總體上提（tí）高研發工作的效率。根據已有基礎，發展特長（zhǎng），有（yǒu）利於克服重複研究。 

    （5）新器（qì）件，新材料 

    過（guò）去，科研評價體係存在偏重於整機和係統，忽視材料和器件的趨向。新的突破點可（kě）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，目前幹涉儀實際上是起著混頻器的作用，適（shì）應探測（cè）器的不足（zú）（如果探（tàn）測（cè）器的響應果真能超過光（guāng）頻（pín），幹（gàn）涉儀也就沒有用了）。如（rú）果探測器的性能得到顯著提高，對於通訊也是（shì）很大的突破（pò）。
 
    （6）半（bàn）導體激光器計量特性的（de）研究和創新
 
    半導體（tǐ）激（jī）光器用於計量需（xū）要解決很多問題（如線寬（kuān）、定標（biāo）、變頻等）。但如（rú）果解決了諸多問題以後，半導體激光係統比氣體激光係統更複雜，就不會有競爭力。有些問題在物理層（céng）麵上也沒有（yǒu）完全解決（jué）。例（lì）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（tè）性，如果既能掃頻又有兩個相（xiàng）近的頻率掃描，就會成為一種新的無導軌測（cè）量工具。