測試技術(shù)的社會作用及發(fā)展方向
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在長度與距離測量方面應(yīng)用最多的是激光干涉儀（包括采用增量碼和絕對碼的干涉儀）和基于時(shí)間測量的各種雷達(dá)。影響測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。
在直線度測量方面應(yīng)用最多的是激光準(zhǔn)直和各種基于步距測量的系統(tǒng)。激光準(zhǔn)直測量中影響測量精度的主要因素是激光束的漂移和大氣的擾動，減小漂移和擾動的方法和誤差補(bǔ)償技術(shù)是這一領(lǐng)域的主要研究課題。影響步距測量法精度的主要因素是誤差的累積，包括單次測量誤差的累積與調(diào)整誤差的累積。此外，步距法對不同頻率的誤差有不同的傳遞系數(shù)。
在空間測量方面主要采用基于三角測量原理的經(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?；谌菧y量原理的系統(tǒng)存在標(biāo)定的問題，此外測量不確定度隨距離迅速增長。球坐標(biāo)測量系統(tǒng)也有后一問題，且若發(fā)生擋光，測量還需從頭開始。
筆者在國家自然科學(xué)基金會資助下，對基于多邊法的激光跟蹤柔性坐標(biāo)測量系統(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)場安裝的，它們之間的相對位置是未知的，因此需要利用冗余技術(shù)來自標(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，測量被測對象上原來測不到的點(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)動部分質(zhì)量輕、跟蹤快的特點(diǎn)，預(yù)計(jì)將在國防與大型工程測量中獲得廣泛應(yīng)用。
(2)微納測量
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，必須對納米器件的研制和納米尺度的檢測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，要使它真正成為測量工具還必須“溯源”，將它與“米”定義聯(lián)系起來。德國國家物理技術(shù)研究院（PTB）、Ilmenau大學(xué)、中國計(jì)量科學(xué)研究院、天津大學(xué)等，都在將掃描探測顯微鏡與激光干涉儀連接方面做了大量研究工作。
除了各種掃描探測顯微鏡，近場光學(xué)顯微鏡在微納測量中也極有應(yīng)用前景。光學(xué)測量方法沒有測量力，這在微納測量中具有很大的優(yōu)越性。由于它工作在離被測件只有若干納米的近場，克服了衍射對光學(xué)系統(tǒng)分辨力的限制。電容傳感器等也可達(dá)到納米級的分辨力，但需要經(jīng)過標(biāo)定。
激光波長可以直接溯源，但激光波長為幾百納米。為了達(dá)到納米級分辨力需要細(xì)分，采用一般電子或軟件方法很難保證細(xì)分精度。PTB、英國國家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)、意大利國家計(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量儀。它利用硅220的晶格常數(shù)（在100kPa和22.5°C下為0.192015497nm）對激光波長實(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)納米測量。上世紀(jì)80年代，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院開始研究分子測量機(jī)，90年代末，美國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)行了亞原子測量機(jī)的研制。亞原子測量機(jī)的測量范圍是25mm×25mm×100μm，測頭采用近場光學(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)過精確標(biāo)定的電容傳感器同時(shí)測量z向位移和工作臺繞兩根水平軸的轉(zhuǎn)動。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的角擺，進(jìn)行誤差補(bǔ)償。整個(gè)測量機(jī)還采用筆者在該校做訪問教授期間研究成功的方法進(jìn)行綜合誤差補(bǔ)償。初步測試結(jié)果測量機(jī)的不重復(fù)誤差小于1nm。
德國Ilmenau大學(xué)研制的納米測量機(jī)將掃描探針顯微鏡或其它亞納米分辨力顯微鏡（如近場光學(xué)顯微鏡）作為瞄準(zhǔn)（對零）裝置。被測對象放在測量機(jī)工作臺上，與三面直角反射鏡一起運(yùn)動。x、y、z干涉儀分別測量工作臺在x、y、z三個(gè)方向的位移，俯仰、偏擺和滾轉(zhuǎn)傳感器分別測量工作臺繞三根軸的角運(yùn)動誤差并進(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的測量不確定度。
我國臺灣大學(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，特別是在國防、航空、航天、生物、醫(yī)學(xué)、智能技術(shù)等領(lǐng)域。2000國際生產(chǎn)工程學(xué)會第50屆年會的5篇大會主題報(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、封裝和測試。測試在微機(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)需要通過測試來獲取，微機(jī)電系統(tǒng)的性能也需要通過測試來評定。
微機(jī)電系統(tǒng)的檢測包括工藝檢測和性能檢測。微機(jī)電系統(tǒng)檢測的難點(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。第二是要求檢測過程不會對微執(zhí)行器的運(yùn)行狀態(tài)有任何影響。借用電路上的術(shù)語，也就是要求檢測裝置的輸入阻抗為無限大，不從被測對象提?。ㄒ膊惠斔停┤魏文芰俊５谌沁\(yùn)動（不僅包括機(jī)械運(yùn)動，也包括其它形式的運(yùn)動）的量也很小。感受點(diǎn)很小，運(yùn)動量又很微小，要求測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)的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“利用激光多普勒技術(shù)測量梳狀振子運(yùn)動特性”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將光束聚焦于被測物體P的表面。反射光經(jīng)O3收集，穿過O3后變成平行光，再經(jīng)M3反射，由O4聚焦到光電接收器E。若被測物體P以速度V運(yùn)動，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輸出信號的頻率為：f＝f0+Δf，其中Δf＝f0V(cosθ1-cosθ2)/c，其中c為光速。在測得Δf后即可求得振子的運(yùn)動速度，并由此獲得其運(yùn)動特性。
從以上討論可以看出，測試技術(shù)對社會發(fā)展起著極其重要的推動作用，必須充分運(yùn)用一切最新科技成果，加快發(fā)展測試技術(shù)，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)與國防發(fā)展，促進(jìn)人民健康與社會安定。(end)
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