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二十一世纪测量技术与仪器的发展趋势

测量技术与仪器涉及所有物理量的测量,对于材料、工程科学、能源科学关系密切。目前的发展趋势有以下几点: 

(1) 以自然基准溯源和传递,同时在不同量程实现国际比对。如果自己没有能力比对就要依靠其它国家。 

(2) 高精度。目前半导体工艺的典型线宽为 0.25μm ,并正向 0.18μm 过渡, 2009 年的预测线宽是 0.07μm 。如果定位要求占线宽的 1/3 ,那么就要求 10nm 量级的精度,而且晶片尺寸还在增大,达到 300mm 。这就意味着测量定位系统的精度要优于 3×10 的 -8 次方,相应的激光稳频精度应该是 10 的 -9 次方数量级。 

(3) 高速度。目前加工机械的速度已经提高到 1m /sec 以上,上世纪 80 年代以前开发研制的仪器已不适应市场的需求。例如惠普公司的干涉仪市场大部分被英国 Renishaw 所占领,其原因是后者的速度达到了 1m /sec 。 

(4) 高灵敏,高分辨,小型化。如将光谱仪集成到一块电路板上。 

(5) 标准化。通讯接口过去常用 GPIB , RS232 ,目前有可能成为替代物的高性能标准是 USB 、 IEEE1394 和 VXI 。现在,技术领先者设法控制技术标准,参与标准制订是仪器开发的基础研究工作之一。 


我国仪器科技的发展现状 

(1) 由于长期习惯于仿制国外产品,我国的仪器仪表工业缺乏创新能力,跟不上科学研究和工程建设的需要。 

(2) 我国仪器科学与技术研究领域积累了大量科研成果,许多成果处于国际领先水平,有待筛选、提高和转化,但产业化程度很低,没有形成具有国际竞争力的完整产业。 


未来发展趋势 

1 .发展方向与学科前沿 

(1) 配合数控设备的技术创新 ( 如主轴速度,精度创成 ) 

数控设备的主要误差来源可分为几何误差(共有 21 项)和热误差。对于重复出现的系统误差,可采用软件修正;对于随机误差较大的情况,要采用实时修正方法。对于热误差,一般要通过温度测量进行修正。我国机床行业市场萎缩同时又大量进口国外设备的原因之一就是因为这方面的技术没有得到推广应用。为此,需要高速多通道激光干涉仪:其测量速度达 60m /min 以上,采样速度达 5000 次 /sec 以上,以适应热误差和几何误差测量的需要。空气折射率实时测量应达到 2×10 的 -7 次方水平,其测量结果和长度测量结果可同步输入计算机。 

(2) 运行和制造过程的监控和在线检测技术 

综合运用图像、频谱、光谱、光纤以及其它光与物质相互作用原理的传感器具有非接触、高灵敏度、高柔性、应用范围广的优点。在这个领域综合创新的天地十分广阔,如振动、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。 

(3) 配合信息产业和生产科学的技术创新 

为了在开放环境下求得生存空间,没有自主创新技术是没有出路的。因此应该根据有专利权、有技术含量、有市场等原则选择一些项目予以支持。根据当前发展现状,信息、生命医学、环保、农业等领域需要的产品应给予优先支持。如医学中介入治疗的精密仪器设备、电子工业中的超分辨光刻和清洁方法和机理研究等。 


2 .优先领域 

在基础研究的初期,对于能否有突破性进展是很难预测的。但是,当已经取得突破性进展时,则需要有一个转化机制以进入市场。 

(1) 纳米溯源技术和系统。 

(2) 介入安装和制造的坐标跟踪测量系统。 

关键理论和技术:超半球反射器 (n=2 或在机构上创新 ) ,快速、多路干涉仪 ( 频差 3 ~ 5 兆 ) ,二维精密跟踪测角系统 (0.2″ ~ 0.5″) ,通用信号处理系统 ( 工作频率 5 兆 ) ,无导轨半导体激光测量系统 ( 分辨率 1μm) ,热变形仿真,力变形仿真。 

这些内容不局限于一种技术方案,而是几种不同技术方案中概括出来的共同点。如采用无导轨干涉仪,对跟踪系统的要求可以降低;采用二维精密跟踪测角系统在 1M3 测量范围内可以得到高精度;有了超半球反射镜可以提高 4 路跟踪方案的精度。在现场进行介入制造和装配不能等待很长时间,力和热变形的补偿是必须的而且需要足够快,现在的技术还有相当大的差距,所以这些进展是关键性的。 

应用范围:新型并行机构机床的鉴定,飞机装配型架的鉴定,大型设备安装,用于生物芯片精密机器人校准等。 

(3) 非接触测头以及各种扫描探针显微镜 

航空航天行业对此已经提出迫切要求,这是今后坐标测量机发展的关键技术。目前接触式测头已完全被国外所垄断,非接触测头还没有发展成熟,我们有参与竞争的机遇。以前较多采用的激光三角法原理受到很多限制,难以有突破性进展,但可在原理创新上下功夫。应该突破 0.1 ~ 0.5μm 分辨率。

(4) 计算机辅助测量理论 

信号处理系统的标准化、模块化、兼容和集成。例如,目前多数采用 ISA 总线、 IEEE488 口,今后计算机可能取消 ISA 总线,用于笔记本电脑的 USB 接口将广泛应用。过去,我国生产的仪器满足于数字显示,没有数据交换接口,难以进入国际市场。国外生产的仪器普遍配备 IEEE488(GPIB) 口。 RS232 :目前有可能成为替代物的高性能标准是 USB 、 IEEE1394 和 VXI 。在此转折期为我们提供了机遇。目前虚拟仪器的工作频段在千赫数量级,对于干涉信号处理显得太低,可以采取联合互补的方法形成模块系列,同时降低成本,从总体上提高研发工作的效率。根据已有基础,发展特长,有利于克服重复研究。 

(5) 新器件,新材料 

过去,科研评价体系存在偏重于整机和系统,忽视材料和器件的趋向。新的突破点可能出现在新光源、新型高频探测器。目前探测器的响应频率只有 10 的 9 次方,而光频高达 10 的 14 次方,目前干涉仪实际上是起着混频器的作用,适应探测器的不足 ( 如果探测器的响应果真能超过光频,干涉仪也就没有用了 ) 。如果探测器的性能得到显著提高,对于通讯也是很大的突破。 

(6) 半导体激光器计量特性的研究和创新 

半导体激光器用于计量需要解决很多问题 ( 如线宽、定标、变频等 ) 。但如果解决了诸多问题以后,半导体激光系统比气体激光系统更复杂,就不会有竞争力。有些问题在物理层面上也没有完全解决。例如半导体激光器如果能形成双频,无疑是一种十分重要的特性,如果既能扫频又有两个相近的频率扫描,就会成为一种新的无导轨测量工具。


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