測(cè)試技術(shù)的社會(huì)作用及發(fā)展方向
加入技術(shù)交流群
在長(zhǎng)度與距離測(cè)量方面應(yīng)用最多的是激光干涉儀（包括采用增量碼和絕對(duì)碼的干涉儀）和基于時(shí)間測(cè)量的各種雷達(dá)。影響測(cè)量精度的主要因素是大氣折射率以及與它相關(guān)的各種波在大氣中傳播速度的變化。
在直線度測(cè)量方面應(yīng)用最多的是激光準(zhǔn)直和各種基于步距測(cè)量的系統(tǒng)。激光準(zhǔn)直測(cè)量中影響測(cè)量精度的主要因素是激光束的漂移和大氣的擾動(dòng)，減小漂移和擾動(dòng)的方法和誤差補(bǔ)償技術(shù)是這一領(lǐng)域的主要研究課題。影響步距測(cè)量法精度的主要因素是誤差的累積，包括單次測(cè)量誤差的累積與調(diào)整誤差的累積。此外，步距法對(duì)不同頻率的誤差有不同的傳遞系數(shù)。
在空間測(cè)量方面主要采用基于三角測(cè)量原理的經(jīng)緯儀、多攝像機(jī)系統(tǒng)、基于球坐標(biāo)系統(tǒng)的激光跟蹤干涉儀、基于多邊法的全球定位系統(tǒng)(GPS)和采用多干涉儀的激光跟蹤干涉系統(tǒng)等。基于三角測(cè)量原理的系統(tǒng)存在標(biāo)定的問(wèn)題，此外測(cè)量不確定度隨距離迅速增長(zhǎng)。球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)也有后一問(wèn)題，且若發(fā)生擋光，測(cè)量還需從頭開(kāi)始。
筆者在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)資助下，對(duì)基于多邊法的激光跟蹤柔性坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了研究。利用四個(gè)按一定布局安放的激光跟蹤干涉儀B1、B2、B3、B4，在測(cè)量出它們到目標(biāo)靶鏡Ti的距離后，即可確定目標(biāo)靶鏡Ti的空間坐標(biāo)。如果B1、B2、B3、B4的基點(diǎn)位置是已知的，只要三路就可以確定目標(biāo)靶鏡Ti的空間坐標(biāo)。但跟蹤干涉儀是現(xiàn)場(chǎng)安裝的，它們之間的相對(duì)位置是未知的，因此需要利用冗余技術(shù)來(lái)自標(biāo)定。首先在某一點(diǎn)將四路激光器全部清零，目標(biāo)靶鏡Ti移動(dòng)一個(gè)位置，可以得到Bj、Ti(j=1～4)之間距離的4個(gè)方程，而新增的Ti的空間坐標(biāo)未知數(shù)只有3個(gè)，即多了一個(gè)方程。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)數(shù)足夠多(9)時(shí)，就可以確定B1、B2、B3、B4的4個(gè)基點(diǎn)與清零點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)自標(biāo)定。
為了實(shí)現(xiàn)自標(biāo)定，需要4路跟蹤干涉儀，但在標(biāo)定后只要3路就能正常工作。因此工作中，即使有一路暫時(shí)擋光，由于基點(diǎn)與動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)均已知，還能恢復(fù)跟蹤，并重置該干涉儀的正確讀數(shù)，即實(shí)現(xiàn)丟失信號(hào)自恢復(fù)。
利用冗余技術(shù)，還可以將跟蹤干涉儀逐個(gè)地遷移到新位置并標(biāo)定新的基點(diǎn)位置。這樣就可以將各個(gè)跟蹤干涉儀遷移到新的位置，測(cè)量被測(cè)對(duì)象上原來(lái)測(cè)不到的點(diǎn)，并保持坐標(biāo)系的統(tǒng)一。
在研究工作中我們解決了4路跟蹤干涉儀的最佳布局和最佳標(biāo)定問(wèn)題，研究成功了一種雙軸獨(dú)立回轉(zhuǎn)的跟蹤系統(tǒng)，它具有轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量輕、跟蹤快的特點(diǎn)，預(yù)計(jì)將在國(guó)防與大型工程測(cè)量中獲得廣泛應(yīng)用。
(2)微納測(cè)量
正如白春禮院士所指出的，為了促進(jìn)納米科技的發(fā)展，使納米科技能夠真正造福于人類，必須對(duì)納米器件的研制和納米尺度的檢測(cè)與表征給以充分重視與重點(diǎn)支持。
作為納米科技發(fā)展的里程碑——掃描隧道顯微鏡正在由觀察工具向測(cè)量工具發(fā)展。繼掃描隧道顯微鏡之后，出現(xiàn)了原子力顯微鏡和各種掃描探針顯微鏡（Scanning Probing Microscope）。然而，要使它真正成為測(cè)量工具還必須“溯源”，將它與“米”定義聯(lián)系起來(lái)。德國(guó)國(guó)家物理技術(shù)研究院（PTB）、Ilmenau大學(xué)、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、天津大學(xué)等，都在將掃描探測(cè)顯微鏡與激光干涉儀連接方面做了大量研究工作。
除了各種掃描探測(cè)顯微鏡，近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡在微納測(cè)量中也極有應(yīng)用前景。光學(xué)測(cè)量方法沒(méi)有測(cè)量力，這在微納測(cè)量中具有很大的優(yōu)越性。由于它工作在離被測(cè)件只有若干納米的近場(chǎng)，克服了衍射對(duì)光學(xué)系統(tǒng)分辨力的限制。電容傳感器等也可達(dá)到納米級(jí)的分辨力，但需要經(jīng)過(guò)標(biāo)定。
激光波長(zhǎng)可以直接溯源，但激光波長(zhǎng)為幾百納米。為了達(dá)到納米級(jí)分辨力需要細(xì)分，采用一般電子或軟件方法很難保證細(xì)分精度。PTB、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)、意大利國(guó)家計(jì)量院（IMGC）聯(lián)合研制了一種將激光干涉儀與X射線衍射儀結(jié)合在一起的大量程納米測(cè)量?jī)x。它利用硅220的晶格常數(shù)（在100kPa和22.5°C下為0.192015497nm）對(duì)激光波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)細(xì)分，達(dá)到亞納米的分辨力。
科技的發(fā)展要求不僅在一維尺度上、而要在三維尺度上實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量。上世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院開(kāi)始研究分子測(cè)量機(jī)，90年代末，美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)夏洛特分校與麻省理工學(xué)院合作進(jìn)行了亞原子測(cè)量機(jī)的研制。亞原子測(cè)量機(jī)的測(cè)量范圍是25mm×25mm×100μm，測(cè)頭采用近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，具有零膨脹系數(shù)的微晶玻璃構(gòu)成計(jì)量框架，同時(shí)采用磁懸浮導(dǎo)軌。由于z向行程較小，采用三個(gè)經(jīng)過(guò)精確標(biāo)定的電容傳感器同時(shí)測(cè)量z向位移和工作臺(tái)繞兩根水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。在x、y兩個(gè)方向都采用激光干涉儀，y向采用了兩個(gè)激光干涉儀以確定工作臺(tái)的角擺，進(jìn)行誤差補(bǔ)償。整個(gè)測(cè)量機(jī)還采用筆者在該校做訪問(wèn)教授期間研究成功的方法進(jìn)行綜合誤差補(bǔ)償。初步測(cè)試結(jié)果測(cè)量機(jī)的不重復(fù)誤差小于1nm。
德國(guó)Ilmenau大學(xué)研制的納米測(cè)量機(jī)將掃描探針顯微鏡或其它亞納米分辨力顯微鏡（如近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡）作為瞄準(zhǔn)（對(duì)零）裝置。被測(cè)對(duì)象放在測(cè)量機(jī)工作臺(tái)上，與三面直角反射鏡一起運(yùn)動(dòng)。x、y、z干涉儀分別測(cè)量工作臺(tái)在x、y、z三個(gè)方向的位移，俯仰、偏擺和滾轉(zhuǎn)傳感器分別測(cè)量工作臺(tái)繞三根軸的角運(yùn)動(dòng)誤差并進(jìn)行誤差補(bǔ)償。根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該測(cè)量機(jī)可以在25mm×25mm×5mm范圍內(nèi)，達(dá)到0.1nm的分辨力和5～10nm的測(cè)量不確定度。
我國(guó)臺(tái)灣大學(xué)與合肥工業(yè)大學(xué)也在合作進(jìn)行納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的研究工作。
微機(jī)電系統(tǒng)是一個(gè)十分令人注目的技術(shù)領(lǐng)域，特別是在國(guó)防、航空、航天、生物、醫(yī)學(xué)、智能技術(shù)等領(lǐng)域。2000國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)第50屆年會(huì)的5篇大會(huì)主題報(bào)告中有3篇是關(guān)于微機(jī)電系統(tǒng)或納米技術(shù)的。從2001～2003年3屆年會(huì)中又有5篇關(guān)于微機(jī)電系統(tǒng)的主題報(bào)告。
微機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括設(shè)計(jì)、工藝、封裝和測(cè)試。測(cè)試在微機(jī)電系統(tǒng)中具有極重要的位置，因?yàn)樵谖⒂^范疇，物體、材料的許多物理、力學(xué)等性能都是與宏觀世界不一樣的，適合于微機(jī)電系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)需要通過(guò)測(cè)試來(lái)獲取，微機(jī)電系統(tǒng)的性能也需要通過(guò)測(cè)試來(lái)評(píng)定。
微機(jī)電系統(tǒng)的檢測(cè)包括工藝檢測(cè)和性能檢測(cè)。微機(jī)電系統(tǒng)檢測(cè)的難點(diǎn)首先在于它尺寸小，要能捕獲微小尺寸的感受點(diǎn)，捕獲機(jī)構(gòu)必須十分小，同時(shí)需要精確定位。第二是要求檢測(cè)過(guò)程不會(huì)對(duì)微執(zhí)行器的運(yùn)行狀態(tài)有任何影響。借用電路上的術(shù)語(yǔ)，也就是要求檢測(cè)裝置的輸入阻抗為無(wú)限大，不從被測(cè)對(duì)象提?。ㄒ膊惠斔停┤魏文芰?。第三是運(yùn)動(dòng)（不僅包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)，也包括其它形式的運(yùn)動(dòng)）的量也很小。感受點(diǎn)很小，運(yùn)動(dòng)量又很微小，要求測(cè)量裝置有很高的靈敏度和精確度。在很多情況下，微機(jī)電系統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)已成為制約微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)瓶頸因素。
筆者承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“利用激光多普勒技術(shù)測(cè)量梳狀振子運(yùn)動(dòng)特性”的原理為：由激光器L發(fā)出的激光束經(jīng)聲光調(diào)制器A進(jìn)行分光和調(diào)制，得到兩束頻率相差40MHz的光，再經(jīng)五角棱鏡C、反射鏡M1、M2，準(zhǔn)直棱鏡組O1、O2，經(jīng)棱鏡O3將光束聚焦于被測(cè)物體P的表面。反射光經(jīng)O3收集，穿過(guò)O3后變成平行光，再經(jīng)M3反射，由O4聚焦到光電接收器E。若被測(cè)物體P以速度V運(yùn)動(dòng)，光束1和2與V的夾角分別為θ1、θ2，激光的頻率為f0，則光電接收器E輸出信號(hào)的頻率為：f＝f0+Δf，其中Δf＝f0V(cosθ1-cosθ2)/c，其中c為光速。在測(cè)得Δf后即可求得振子的運(yùn)動(dòng)速度，并由此獲得其運(yùn)動(dòng)特性。
從以上討論可以看出，測(cè)試技術(shù)對(duì)社會(huì)發(fā)展起著極其重要的推動(dòng)作用，必須充分運(yùn)用一切最新科技成果，加快發(fā)展測(cè)試技術(shù)，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防發(fā)展，促進(jìn)人民健康與社會(huì)安定。(end)
評(píng)論