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21世紀測量技術與儀器的發展

發布時間(jiān):2008-09-03 作者: 來源: 瀏覽:613

      測量技術與儀器(qì)涉及所有物理量的測量(liàng),對於材料、工程科學、能源科學關係密切。
 
      目前的發展(zhǎn)趨勢有以下幾點:    
(1)以自然基準(zhǔn)溯源和傳遞,同時在不(bú)同量程實現國際比對。如果自己沒有能力比(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0.18μm過渡,2009年的預測線寬是0.07μm。如(rú)果定位要求占線寬的1/3,那麽就要求10nm量級的精度,而且晶片(piàn)尺(chǐ)寸還在增大,達(dá)到300mm。這就意味著測量定(dìng)位係(xì)統的精度要優於3×10的-8次方,相應的激光穩頻精(jīng)度應該是10的-9次方(fāng)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(jì)80年代以(yǐ)前開發研製(zhì)的儀(yí)器已不適應市(shì)場的需求。例(lì)如惠普公司的幹涉儀市場大部分被英國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(yí)集成到一塊(kuài)電路板(bǎn)上。   
(5)標準化(huà)。通訊接口過去常用gpib、rs232,目(mù)前有(yǒu)可能成為替代物的高性能標(biāo)準(zhǔn)是usb、ieee1394和(hé)vxi。現在,技術領先者設法控製技術標準,參與標準製訂是儀器開發的基礎研究工作之一。   
 
我國儀器科技的發展現狀(zhuàng)    
(1)由於(yú)長期習(xí)慣於仿(fǎng)製國外(wài)產品,我國(guó)的儀器儀表工業缺乏創新(xīn)能力,跟不(bú)上科學研究和工程建設的需要。  
(2)我國儀(yí)器科學與技術研究領域積累了(le)大量(liàng)科研成果,許多成果處於國(guó)際領先水平,有待篩選、提高和轉化,但產業化程度很低,沒有形(xíng)成具有國際競爭力的(de)完整產(chǎn)業。 
 
未來發展趨勢(shì) 
1.發展方向與學科(kē)前沿  
(1)配合(hé)數控設備的技術創新(如主軸(zhóu)速度,精度創成)  
數控設(shè)備的主要誤差來源可分為幾何誤差和熱誤差。對於重複出現的(de)係統誤差,可采用軟件修正(zhèng);對於(yú)隨機誤差較大的情況,要采用實時修正方法。對(duì)於熱誤差,一般要通過溫度測(cè)量進行修正。我(wǒ)國機床行業市場萎縮同時又大量進口國外設備的原因之一就是因(yīn)為這方麵的技術沒(méi)有得到推廣應用。為此,需要高速(sù)多(duō)通道激光幹涉儀(yí):其測量速度達60m/min以上,采樣速度達5000次/sec以(yǐ)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(yīng)達到2×10的-7次方水(shuǐ)平,其測量結果和長度測量結果可同步(bù)輸入計算機。    
(2)運行和製造過程的監控和在線(xiàn)檢測技術   
綜合(hé)運用圖像、頻譜、光譜、光纖以及其它光與物質相互作用(yòng)原理的傳感器具有非接觸(chù)、高靈敏度、高柔性、應用(yòng)範圍廣的優點。在這個領域綜合創新的天(tiān)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(zhì)等的測量(liàng)。    
(3)配合(hé)信息產業和生產科學的(de)技術創新   
為(wéi)了在開放環境下(xià)求得生存(cún)空間,沒有自主創新技術是沒有出路的。因此應該(gāi)根據有(yǒu)專利(lì)權、有技術含(hán)量、有市場等原則選擇一些項目予以(yǐ)支持。根據當前發展現狀,信息、生命醫學、環保、農業等領域需要的產品應給予(yǔ)優先支持。如醫學(xué)中(zhōng)介入治療的精(jīng)密儀器設備、電子工業中的超分辨率(lǜ)光刻和清潔方法、機理研究等。   
 2.優先領域  
在基礎研究的初期,對於能否有突破性進展是很難預測的。但是(shì),當已經取得(dé)突破性進展時,則需要有一個轉化機(jī)製以進入市場。   
(1)納(nà)米溯源技術(shù)和係統。   
(2)介(jiè)入安裝(zhuāng)和製造的坐(zuò)標跟蹤測量係統。  
關鍵理論和技術:超半球(qiú)反射器(n=2或在機構上創(chuàng)新),快速、多路幹涉儀(頻差3~5兆(zhào)),二維(wéi)精密跟(gēn)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(bàn)導體激光測量(liàng)係統(分辨率1μm),熱變(biàn)形仿真(zhēn),力變形仿真。  
這些內容不(bú)局限於一種技(jì)術方案,而是幾種不(bú)同技術方案中概括出來的(de)共同點。如采用無導(dǎo)軌幹涉儀,對跟蹤係統的要求可以降低;采用(yòng)二維精密跟蹤測角係統在1m3測量(liàng)範圍內可以得到高精度;有(yǒu)了超半球反射鏡可以提高4路跟蹤方(fāng)案的精度(dù)。在現(xiàn)場進行介入製造和(hé)裝配不能等(děng)待很長時間(jiān),力和熱變形的補償是必須的而且需要足夠快,現(xiàn)在的技術還有(yǒu)相當大的差距,所以這些進展(zhǎn)是關鍵性的(de)。 
應用範圍:新型並行機構機床的(de)鑒定,飛(fēi)機裝配型架的鑒定,大型設備安裝,用於生物芯片精密機器人校準等。   
(3)非接觸測頭以(yǐ)及各種掃描探(tàn)針顯微鏡 
航空航天(tiān)行(háng)業對此已經提出迫切要求,這是今後坐標測量機發展的關鍵技術。目前接觸式測頭(tóu)已完全被國外所壟斷,非接觸(chù)測頭還沒有發(fā)展成熟,我(wǒ)們有參與競爭的機遇(yù)。以(yǐ)前較多采用的(de)激光(guāng)三角法原理受到很多限製,難以有(yǒu)突破性進展,但可在原理創新上下(xià)功夫。應該突破0.1~0.5μm分(fèn)辨率。  
(4)計算機輔助測量理論  
信號處理係(xì)統的標準化、模塊化、兼容和集成。例如(rú),目前多數采用isa總線、ieee488口,今後計算(suàn)機可能取消isa總線(xiàn),用於筆記(jì)本電(diàn)腦的usb接口將(jiāng)廣泛應用。過去,我國生產的儀器滿足於數字顯(xiǎn)示,沒有數據交換接口,難以進入國際市場。國外生產的儀器普遍配備ieee488(gpib)口。目(mù)前(qián)有可能成為替代物(wù)的高性能標準是usb、ieee1394和vxi。在此轉折期為(wéi)我們提供了機遇。目前虛擬儀器的工作頻(pín)段在千赫數量級,對於幹涉信號(hào)處理顯得太低(dī),可以采取聯合互補的(de)方法形成模塊係列(liè),同時降(jiàng)低(dī)成本,從總體上提高研發工(gōng)作的效率。根據已(yǐ)有基礎,發(fā)展特長,有利於克服重複研究。   
(5)新器件,新材料   
過去,科研評價體係存在偏重於整機和係統,忽視材料(liào)和器件的趨(qū)向。新的突破點可能出現在新光源、新型高頻探測器。目前(qián)探測器的響應頻率隻有(yǒu)10的9次方(fāng),而光頻高達10的14次方,目前幹涉儀(yí)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(gàn)涉儀也就沒有用了)。如果探測器的性能得到顯著提高,對於通(tōng)訊也是很大的突破。    
(6)半導體激(jī)光器計量特性的研究和創(chuàng)新 &nb

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