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我国测试计量技术与仪器的发展
时间:2018-08-07 10:13:30 来源: 字体:[ 超大 中型 标准 ]
  随着科学技术的不断发展,计量仪器的应用已经深入到生活的各个环节,上到国防建设、下到生产施工,因为需求不同,导致各种计量仪器的用途和性质都不相同。然而,随着科研成果的不断应用到计量仪器中,其用途也越来越标准化、智能化、数字化和微型化。
  当今发展和制造技术快速进步引发了许多新型计测问题,推动着传感器、测试计量仪器的研究与发展,促使测量技术中的新原理、新技术、新装置系统不断出现。和传统的计测技术比较,现代测试计量技术呈现出一些新的特点。
1.测量精确度不断提高
  测量范围不断扩大,在20 世纪的后50 年,一般机械加工精度由0.1 mm 量级提高到0.001 mm量级, 相应的几何量测量精度从1μm 提高到0.01 μm~0.001 μm,其间测量精度提高了3 个数量级,这种趋势将进一步持续。随着MEMS、微/ 纳米技术的兴起与发展,以及人们对微观世界探索的不断深入,测量对象尺度越来越小,达到了纳米量级;另一方面,由于大型、超大型机械系统(电站机组、航空航天制造)、机电工程的制造、安装水平提高,以及人们对于空间研究范围的扩大,测量对象尺度越来越大,导致从微观到宏观的尺寸测量范围不断扩大,目前已达10-15~1025 的范围,相差40 个数量级之巨。类似地,在力值测量上,相差约14 个数量级;在温度测量中,相差约12 个数量级。
2.从静态测量到动态测量
  从非现场测量到现场在线静态测量使科学研究从定性科学走向定量科学,实现了人类认识的一次飞跃。现在乃至今后,各种运动状态下、制造过程中、物理化学反应进程中等动态物理量测量将越来越普及,促使测量方式由静态向动态的转变。现代制造业已呈现出和传统制造不同的设计理念、制造技术,测量已不仅仅是最终产品质量评定的手段,更重要的是为产品设计、制造服务,以及为制造过程提供完备的过程参数和环境参数,使产品设计、制造过程和检测手段充分集成,形成一体的具备自主感知一定内外环境参数(状态),并作相应调整的“智能制造系统”,要求测量技术从传统的非现场、事后测量,进入制造现场,参与到制造过程,实现现场在线测量。
3.从简单信息获取到多信息融合
  传统的测量问题涉及的测量信息种类比较单一,现代测量信息系统则复杂得多,往往包括多种类型的被测量。信息量大,如大批量工业制造的在线测量,每天的测量数据高达几十万,又如产品数字化设计与制造过程中,包含了巨量数据信息。巨量信息的可靠、快速传输和高效管理以及如何消除各种被测量之间的相互干扰,从中挖掘多个测量信息融合后的目标信息将形成一个新兴的研究领域,即多信息融合。
4.几何量和非几何量集成
  传统机械系统和制造中的测量问题,主要面对几何量测量。当前复杂机电系统功能扩大,精确度提高,系统性能涉及多种参数,测量问题已不仅限于几何量,而且,日益发展的微纳尺度下的系统与结构,其机械作用机理和通常尺度下的系统也有显著区别。为此,在测量领域,除几何量外,应当将其他机械工程研究中常用的物理量包括在内,如力学性能参数、功能参数等。
5.测量对象复杂化、测量条件极端化
  当前部分测量问题出现测量对象复杂化,测量条件极端化的趋势有时候需要测量的是整个机器或装置,参数多样且定义复杂;有时候需要在高温、高压、高速、高危场合等环境中进行测量,使得测量条件极端化。
6.虚拟仪器技术获得了广泛应用
  虚拟仪器(Virtual Instrument)是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集渗透的过程中,与测试技术、仪器技术密切结合,共同孕育出的一项全新成果,其核心是:以计算机作为仪器统一的硬件平台,充分利用计算机独具的运算、大容量存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能,同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化,使之与计算机结合起来融为一体,从而构成一台外观与传统硬件仪器相同,功能得到显著加强,充分享用计算机智能资源的全新仪器系统。
  纵观我国计量测试技术及仪器设备的历史与现状,和国外先进水平相比,存在下列不足:
(1)对技术创新重视不够,自主创新能力较差,原创技术少。
  在已有的主流计量测试技术及仪器设备中,很少有我们自己的原创技术。诚然,和其他学科类似,原创涉及理论基础和行业积累,长期以来我国和工业发达国家在制造技术上的差距,相当程度上影响了计量测试技术的研发能力,但不可否认的是,对计量测试技术的作用和地位认识不充分、研究力度和资金投入不足、研究工作不扎实、急功近利、只重数量不重质量、不重视工程应用等因素,也直接促成了当前研究缺乏活力的状况。
(2)高端、高附加值测量仪器设备几乎空白。
  当前主流行业应用中的高端仪器设备,国内品牌被排斥在外。高端仪器有着很高的附加值和商业利润,常常是一只进口的便携式仪器箱容纳的设备价值超过100 万RMB,甚至更多,而一套大型的国产仪器设备只有相对低廉的利润。高端仪器设备的高额利润建立在高技术含量的基础上,因为利润高,保证了后续研发有充足的资金投入,形成了良性循环。与此形成反差的是,国内建立在原材料和人力成本优势基础上的仪器设备,必然利润微薄,继而造成研发投入不足,严重制约着我国测试计量技术及仪器设备的进一步发展。
  测试计量技术是面向工程应用的学科,推动学科发展的主要动力来源于应用需求,理论成果如无工程背景,不能解决工程应用中的测量问题,则意义和价值将大打折扣。
  况且,我国在测试计量理论上也很薄弱,近年来虽发表了大量的学术论文,出现了很多研究成果,高水平、实用性强的成果不够多,而较多的则是低水平重复。此外,由于行业原因,我国计量测量从业人员较少,业务素质整体水平不高,人才流失,尤其是高层次人才流失严重,也严重阻碍了学科的发展。
  当前的传感、测试计量和计测仪器在机械系统和制造过程中的作用和重要性较之过去有明显提高,已作为必须的组成部分参与到系统的功能中。这种地位的变化,加之机械及制造技术的快速发展促使对传感器、测量仪器的研究不断深入,内容不断拓展,使得当前乃至将来一段时间内,该领域内研究的问题都将主要集中在传感原理、数字化测量、超精密测量、测量理论及基准标准等方面。其中涉及的共性问题有:新型传感原理及技术,先进制造的现场、非接触及数字化测量,机械测试类仪器“有界无限”统一模型的建立及实现,超大尺寸精密测量,微/ 纳米级超精密测量,基准标准及相关测量理论研究等,上述问题的研究也是测量技术研究领域内最具活力、最有代表性的研究方向。
  新的测量问题不断出现和最终解决有赖于传感原理和测量传感器研究的创新。综合目前国内外研究状况,该领域大致有两方面主要工作:
(1)研究开发全新传感器原理和传感器;
(2) 深入研究和改进已有的传感原理和传感器,以获得更好的性能。前者如近年来获得广泛关注的基于MEMS 工艺的集成多参数传感器、耐高温压力传感器、微惯性传感器、光纤传感器等;后者如电容、电感、电涡流、光栅尺、磁栅尺、观测型扫描电镜、激光干涉仪等传统传感器的深入原理研究和性能改进措施。
  传统的制造系统中,制造和检测常常是分离的,测量环境和制造环境不一致,测量的目的是判断产品是否合格,测量信息对制造过程无直接影响。现代制造业已呈现出和传统制造不同的设计理念、制造技术,测量技术应当从传统的非现场、“事后”测量,进入制造现场,参与到制造过程,实现现场在线测量。现场、在线测量的共同问题包括非接触、快速测量传感器研制与开发、测量系统及其控制、测量设备与制造设备的集成几方面。近年来数字化测量的迅速发展为先进制造中的现场、非接触测量提供了有效解决方案,多尺寸视觉在线测量、数码柔性坐标测量、机器人测量机、三维形貌测量等数字化测量原理、技术与系统的研究取得了显著的研究成果,并获得成熟的工业应用。
  领域测试类(例如机械测试类)仪器的“有界无限”统一模型的建立。所谓“有界无限”是指领域测试是一个“界”,只要在这个“界”内,同类测试的功能或仪器都将被包含或可添加到这一系统中。这一统一模型称之为“岩石模型”。基于这一模型理论,对测试功能虚拟控件进行多次、深度集成制造便可由上述模型演变成为一个“有界无限”、包含大量测试仪器并可实际使用的复杂、巨型虚拟测试仪器库。这是一个复杂的功能测试系统,同时也是一个开放的系统。对于他已有的资源可以立即满足测试的要求,他还没有的资源可以很快地在模型内自动生成或开发,从而可以继续满足任何新的测试需求。通过这一模型的建立,将使传统仪器的“单机”概念消失,代之而起的是经多次、深度集成制造而成的大型“仪器库”。在将来的测试仪器中,仪器库将成为测试测量所使用的仪器“单位”,而同一行业的只需使用这一仪器“单位”便可满足其全部测试要求。
  微/纳米技术作为当前发展最迅速,研究广泛、投入最多的科学技术之一,被认为是当前科技发展的重要前沿。在该科技中,微/纳米的超精密测量技术是代表性的研究领域,也是微/纳米科技得以发展的前提和基础。在微/纳测量领域,基础问题包括纳米计量、纳米测量系统理论与设计、微观形貌测量等方面,主要研究问题和方向为:基于扫描电子显微镜的精密纳米计量、微纳坐标测量机(分子测量机)、基于干涉的非接触微观形貌测量、基于原子晶格作刻度的X 射线干涉测量及其与光学干涉仪的组合原理、纳米测量系统设计理论和微纳尺寸测量条件的研究等。涉及的重要工程测量问题有:面向MEMS 和MOEMS 的微尺度测量、面向22 nm~45 nm极大规模集成电路制造的测量等。
超大尺寸测量的主要任务是获取与评价大型和超大型装备与系统制造过程中机械特性和物理特性等信息,分析各影响制造性能的要素与机理,为提升制造能力与水平提供科学依据。在超大尺寸测量领域内的、共性基础问题包括距离测量原理、超大尺寸空间坐标测量、超大尺寸测量的现场溯源原理与方法。代表性研究方向和重要测量问题,如:大尺寸、高速跟踪坐标测量系统;车间范围空间定位系统(WPS);GPS 在超大机械系统中的应用关键技术;数字造船中结构尺寸、容积测量;飞机制造中形状尺寸测量;超大型电站装备和重机装备制造中的测量;面向大型尖端装备制造的超精密测量 等。
  基准标准技术是测试计量技术水平的最高表现形式,是发展超精密制造的前提和保障,也是引导促进先进加工和测量技术发展的技术基础。基准标准技术滞后将严重制约精密制造和装备制造业的发展。尤其是,在过去的10年中超精加工技术的提高使得工业界可以制造以前难以想象的微小和形状复杂的工件,表面粗糙度正在达到原子级尺度,并可由像原子力显微镜等这样复杂的显微镜来进行测量。但是相应的标准还没有制定,需要制定新的纳米尺度上表面粗糙度和公差测量标准作为新的纳米测量基础。
  与此对应,研究对应芯片、掩模板测量中的线条宽度、间距、台阶高度、表面粗糙度、膜厚等被测量的校对样板,并对这些样板进行标定和比对,对于保证这些几何参数量值的统一和溯源具有十分重要的意义。多传感器测量及测量信息融合技术是现代测量计量技术出现的新特点。现代复杂机电系统涉及信息多,测量信息量大,传感器数量较多,多源巨量信息分析评估困难,需借助数据融合理论进行处理。多传感器测量应用中的数据融合技术正逐渐成为提升测量系统性能的关键技术之一。
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