现代精密测量技术的状况及发展前景

现代精密测量技术的现状及发展趋势

摘要:本文主要概述了国内外现代精密测量技术的现状和特征。并指出了现代精密测量技术的发展趋势将是精密化﹑高速化﹑自动化﹑智慧化﹑集成化﹑经济化﹑非接触化和多功能化。

关键词:现代精密测量技术现状发展趋势

Modern Precise Measurement Technique Status and

Development Trends

Abstract:This paper outlines the domestic and international statues of modern precise measurement technique and features. And pointed out the main trends of precise measurement technique are precision, high-speed, automated, integrated, intelligent, economies, non-contact and multi-functional.

Keywords: Modern precise measurement technique Statues Trends

1引言

在科学技术高度发展的今天，现代精密测量技术对一个国家的发展起着十分重要的作用。如果没有先进的测量技术与测量手段，就很难设计和制造出综合性能和单相性能均优良的产品，更谈不发展现代高新尖端技术，因此世界各个工业发达国家都很重视和发展现代精密测量技术。[1]

现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智慧化的发展趋势。三坐标测量机（CMM）是适应上述发展趋势的典型代表，它几乎可以对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相互位置进行高准确度测量。发展高速坐标测量机是现代工业生产的要求。同时，作为下世纪的重点发展目标，各国在微/纳米测量技术领域开展了广泛的应用研究。[2]

2 国内外现代测量技术的现状

2.1坐标测量机的最新发展

三坐标测量机作为几何尺寸数字化检测设备在机械制造领域得到推广使用，技术应用于自己的产品以满足生产实际的需要。

2.1.1 误差自补偿技术

德国CarlZeiss公司最近开发的CNC小型坐标测量机采用热不灵敏陶瓷技术，使坐标测量机的测量精度在17.8～25.6℃范围不受温度变化的影响。国内自行开发的数控测量机软件系统PMIS包括多项系统误差补偿、系统参数识别和优化技。

图2.1.1CNC小型坐标测量机

2.1.2丰富的软件技术

CarlZeiss公司开发的坐标测量机软件STRATA-UX，其测量数据可以从CMM直接传送到随机配备的统计软件中去，对测量系统给出的检验数据进行实时分析与管理，根据要求对其进行评估。依据此数据库，可自动生成各种统计报表，包括X-BAR&R及X_BAR&S图表、频率直方图、运行图、目标图等。美国公司的Cameleon 测量系统所配支持软件可提供包括齿轮、板材、凸轮及凸轮轴共计50多个测量模块。日本Mistutor公司研制开发了一种图形显示及绘图程序，用于辅助操作者进行实际值与要求测量值之间的比较，具有多种输出方式。[3]

图2.1.2STRATA-UX系统处理简图

2.1.3非接触测量

基于三角测量原理的非接触激光光学探头应用于CMM上代替接触式探头。通过探头的扫描可以准确获得表面粗糙度信息，进行表面轮廓的三维立体测量及用于模具特征线的识别。该方法克服了接触测量的局限性。将激光双三角测量法应用于大范围内测量，对复杂曲面轮廓进行测量，其精度可高于1μm。英国IMS公司生产的IMP型坐标测量机可以配用其它厂商提供的接触式或非接触式探头。

图2.1.3IMP型坐标测量机

2.2微/纳米级精密测量技术

科学技术向微小领域发展，由毫米级、微米级继而涉足到纳米级，即微/纳米技术。微/纳米技术研究和探测物质结构的功能尺寸与分辨能力达到微米至纳米级尺度，使人类在改造自然方面深入到原子、分子级的纳米层次。纳米级加工技术可分为加工精度和加工尺度两方面。加工精度由本世纪初的最高精度微米级发展到现有的几个纳米数量级。金刚石车床加工的超精密衍射光栅精度已达1nm，实验室已经可以制作10nm以下的线、柱、槽。微/纳米技术的发展，离不开微米级和纳米级的测量技术与设备。具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已经比较成熟，如HP5528双频激光干涉测量系统（精度10nm）、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。因为扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜和原子力显微镜用来直接观测原子尺度结构的实现，使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的前沿技术。

图2.2HP5528双频激光干涉测量系统

2.2.1 扫描探针显微镜

1981年美国IBM公司研制成功的扫描隧道显微镜，把人们带到了微观世界。它具有极高的空间分辨率，广泛应用于表面科学、材料科学和生命科学等研究领域，在一定程度上推动了纳米技术的产生和发展。与此同时，基于STM相似的原理与结构，相继产生了一系列利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或接口纳米尺度上表现出来的性质的扫描探针显微镜（SPM），用来获取通过STM无法获取的有关表面结构和性质的各种信息，成为人类认识微观世界的有力工具。下面为几种具有代表性的扫描探针显微镜。

（1）原子力显微镜（AFM）

为了弥补STM只限于观测导体和半导体表面结构的缺陷，Binning等人发明了AFM，AFM利用微探针在样品表面划过时带动高敏感性的微悬臂梁随表面的起伏而上下运动，通过光学方法或隧道电流检测出微悬臂梁的位移，实现探针尖端原子与表面原子间排斥力检测，从而得到

表面形貌信息。就应用而言，STM主要用

于自然科学研究，而相当数量的AFM已经

用于工业技术领域。1988年中国科学院化

学所研制成功国内首台具有原子分辨率

的AFM。安装有微型光纤传导激光干涉三

维测量系统，可自校准和进行绝对测量的

计量型原子力显微镜可使目前纳米测量

技术定量化。利用类似AFM的工作原理，

检测被测表面特性对受迫振动力敏组件

产生的影响，在探针与表面10～100nm距

离范围，可以探测到样品表面存在的静电

力、磁力、范德华力等作用力，相继开发

磁力显微镜、静电力显微镜、摩擦力显微

镜等，统称为扫描力显微镜。图2.2.1原子力显微镜（2）光子扫描隧道显微镜（PSTM）

PSTM的原理和工作方式与STM相似，后者利用电子隧道效应，而前者利用光子隧道效应探测样品表面附近被全内反射所激起的瞬衰场，其强度随距接口的距离成函数关系，获得表面结构信息。

图2.2.2光子扫描隧道显微镜

（3）其它显微镜

如扫描隧道电位仪（STP）可用来探测纳米尺度的电位变化；扫描离子电导显微镜（SICM）适用于进行生物学和电生理学研究；扫描热显微镜已经获得了血红细胞的表面结构；弹道电子发射显微镜（BEEM）则是目前唯一能够在纳米尺度上无损检测表面和接口结构的先进分析仪器，国内也已研制成功。[4]

图2.2.3扫描隧道电位仪

2.2.2纳米测量的扫描X射线干涉技术

以SPM为基础的观测技术只能给出纳米级分辨率，却不能给出表面结构准确的纳米尺寸，这是因为到目前为止缺少一种简便的纳米精度（0.10～0.01nm）尺寸测量的定标手段。美国NIST和德国PTB分别测得硅（220）晶体的晶面间距为192015.560±0.012fm和192015.902±0.019fm。日本NRLM在恒温下对220晶间距进行稳定性测试，发现其18天的变化不超过0.1fm。实验充分说明单晶硅的晶面间距具有较好的稳定性。扫描X射线干涉测量技术是微/纳米测量中的一项新技术，它正是利用单晶硅的晶面间距作为亚纳米精度的基本测量单位，加上X射线波长比可见光波波长小两个数量级，有可能实现0.01nm的分辨率。该方法较其它方法对环境要求低，测量稳定性好，结构简单，是一种很有潜力的方便的纳米测量技术。自从1983年D.G.Chetwynd将其应用于微位移测量以来，英、日、意大利相继将其应用于纳米级位移传感器的校正。国内清华大学测试技术与仪器国家重点实验室在1997年5月利用自己研制的X射线干涉器件在国内首次清楚地观察到X射线干涉条纹。软X射线显微镜、扫描光声显微镜等用以检测微结构表面形貌及内部结构的微缺陷。迈克尔逊型差拍干涉仪，适于超精细加工表面轮廓的测量，如抛光表面、精研表面等，测量表面轮廓高度变化最小可达0.5nm，横向（X，Y向）测量精度可达0.3～1．0μm。渥拉斯顿型差拍双频激光干涉仪在微观表面形貌测量中，其分辨率可达0.1nm数量级。

图2.2.4迈克尔逊型差拍干涉仪

2.2.3光学干涉显微镜测量技术

光学干涉显微镜测量技术，包括外差干涉测量技术、超短波长干涉测量技术、基于F-P（Ferry-Perot）标准的测量技术等，随着新技术、新方法的利用亦具有纳米级测量精度。外差干涉测量技术具有高的位相分辨率和空间分辨率，如光外差干涉轮廓仪具有0.1nm的分辨率；基于频率跟踪的F-P标准具测量技术具有极高的灵敏度和准确度，其精度可达0.001nm，但其测量范围受激光器的调频范围的限制，仅有0.1μm。而扫描电子显微镜（SEM）可使几十个原子大小的物体成像。美国ZYGO公司开发的位移测量干涉仪系统，位移分辨率高于0.6nm，可在1.1m/s的高速下测量，适于纳米技术在半导体生产、数据存储硬盘和精密机械中的应用。目前，在微/纳米机械中，精密测量技术一个重要研究对象是微结构的机械性能与力学性能、谐振频率、弹性模量、残余应力及疲劳强度等。微细结构的缺陷研究，如金属聚集物、微沉淀物、微裂纹等测试技术的纳米分析技术目前尚不成熟。国外在此领域主要开展用于晶体缺陷的激光扫描层析技术，用于研究样品顶部几个微米之内缺陷情况的纳米激光雷达技术，其探测尺度分辨率均可达到1nm。

图2.2.4位移测量干涉仪系统

2.3图像识别测量技术

随着近代科学技术的发展，几何尺寸与形位测量已从简单的一维、二维坐标或形体发展到复杂的三维物体测量，从宏观物体发展到微观领域。被测物体图像中即包含有丰富的信息，为此，正确地进行图像识别测量已经成为测量技术中的重要课题。图像识别测量过程包括：（1）图像信息的获取；（2）图像信息的加工处理，特征提取；（3）判断分类。计算机及相关计算技术完成信息的加工处理及判断分类，这些涉及到各种不同的识别模型及数理统计知识。图像测量系统一般由以下结构组成，如图1所示。以机械系统为基础，线阵、面阵电荷耦合器件CCD或全息照相系统构成摄像系统；信息的转换由视频处理器件完成电荷信号到数字信号的转换；计算机及计算技术实现信息的处理和显示；回馈系统包括温度误差补偿，摄像系统的自动调焦等功能；载物工作台具有三坐标或多坐标自由度，可以精确控制微位移。[5]

2.3.1CCD传感器技术

物体三维轮廓测量方法中，有三坐标法、干涉法、穆尔等高线法及相位法等。而非接触电荷耦合器件CCD是近年来发展很快的一种图像信息传感器。[5]它具有自扫描、光电灵敏度高、几何尺寸精确及敏感单元尺寸小等优点。随着集成度的不断提高、结构改善及材料质量的提高，它已日益广泛地应用于工业非接触图像识别测量系统中。在对物体三维轮廓尺寸进行检测时，采用软件或硬件的方法，

如解调法、多项式插值函数法及概率统计法等，测量系统分辨率可达微米级。也有将CCD应用于测量半导体材料表面应力的研究。

2.3.2照相技术

全息照相测量技术是60年代发展起来的一种新技术，用此技术可以观察到被测物体的空间像。激光具有极好的空间相干性和时间相干性，通过光波的干涉把经物体反射或透射后，光束中的振幅与相位信息。

3现代测量技术的发展趋势

3.1精密化

科学技术向微小领域发展，由毫米级、微米级继而涉足到纳米级，即微/纳米技术。微/纳米技术研究和探测物质结构的功能尺寸与分辨能力达到微米至纳米级尺度，使人类在改造自然方面深入到原子、分子级的纳米层次。纳米级加工技术可分为加工精度和加工尺度两方面。加工精度由本世纪初的最高精度微米级发展到现有的几个纳米数量级。金刚石车床加工的超精密衍射光栅精度已达1nm，实验室已经可以制作10nm以下的线、柱、槽。具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已经比较成熟，如HP5528双频激光干涉测量系统（精度10nm）、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。因为扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜和原子力显微镜，用来直接观测原子尺度结构的实现，使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的前沿技术。[6] 3.2自动化

在线在机测量技术以及工位量仪、主动量仪是大批量生产时保证加工质量的重要手段。计量型仪器进入生产现场、融入生产线，监控生产过程。对仪器的高可靠性、高效率、高精度以及质量统计功能、故障诊断功能提出了新的要求，而近年来开发的各种在线在机测量仪器满足了这些要求。

3．3智能化

智能化测量技术是数字化制造技术的一个重要的、不可或缺的组成部分；智能化测量仪器、智能化量具产品的不断丰富和发展，适合并满足了生产现场不断提高的使用要求

3.4集成化

各测量机制造商独立开发的不同软件系统往往互不兼容，也因知识产权的问题，这些工程软件是封闭的。系统集成技术主要解决不同软件包之间的通信协议和软件翻译接口问题。利用系统集成技术可以把CAD、CAM及CAT以在线工作方式集成在一起，形成数学实物仿形制造系统，大大缩短了模具制造及产品仿制生产周期。[7]

3.5经济化

在制造业中，质量保证的理想目标是实行生产的零废品制造。在实现这个目标的过程中，精密测试技术的作用和重要意义是不言而喻的。零部件的加工质量、整机的装配质量都与加工设备、测试设备以及测试信息的分析处理等有关，因此实现零废品生产，以精密测试的角度出发，以下问题应予考虑：(1)在加工工件前，事先检测机床。如何快速准确地对加工设备进行校验，获得机床的精度状况，这对大幅度地减少返工，甚至消除返工是非常有益的。当然这是包括检测设备的研究开发。(2)生产过程中对工件进行在线测量或对工件进行100%检测，这就需要研究适合于动态或准动态的测试设备，甚至能集成到加工设备中的特殊测试设备，做到实时测试，根据测试结果不断修改工艺参数，对加工设备进行补充调整或回馈控制。从精度理论方面也相应要研究动态精度理论，包括动态精度的评定等。(3)研究如何充

分利用测量信息来实现零废品生产。通过100%在线测量数据的充分利用，从中分析加工和测量过程中误差分布的动态特性，同时根据加工误差的动态特性和传感器精度的精度损失特性，以及产品质量要求和公差规定，给出零废品制造的基本理论模型。充分利用人工神经网络，遗传算法等现代数学方法进行准确的加工质量预测，做到质量超前控制。

3.6非接触化

非接触测试技术很多，特别值得一提的是视觉测试技术。现代视觉理论和技术的发展，不仅在于模拟人眼能完成的功能，更重要的是它能完成人眼所不能胜任的工作，所以视觉技术作为当今最新技术，在电子、光学和计算机等技术不断成熟和完善的基础上得到迅速发展。视觉测试技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同，视觉测试技术重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量，如轿车白车身三维尺寸的测量、模具等三维面形的快速测量、大型工件同轴度测量、共面性测量等。它可以广泛应用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程。视觉测试技术在国外发展很快，早在20世纪80年代，美国国家标准局就预计，检测任务的90%将由视觉测试系统来完成。美国在80年代就有100多家公司跻身于视觉测试系统的经营市场，可见视觉测试系统确实很有前途。在1999年10月的北京国际机床博览会上已见到国外利用视觉检测技术研制的仪器，如流动式光学三坐标测量机、高速高精度数字化扫描系统、非接触式光学三坐标测量机等先进仪器。[10]

3.7多功能化

多传感器融合技术在制造现场中的应用多传感器融合是解决测量过程中测量信息获取的方法，它可以提高测量信息的准确性。由于多传感器是以不同的方法或从不同的角度获取信息的，因此可以通过它们之间的信息融合去伪存真，提高测量精度。积木式、组合式测量方法白车身三维尺寸测量系统就属于这类方法，也可以说它是柔性很好的专用坐标测量机，关键在于系统的建立。便携式测量仪器如便携式光纤干涉测量仪、便携式大量程三维测量系统等，往往用于解决现场大尺寸的测量问题。虚拟仪器虚拟仪器是虚拟现实技术在精密测试领域的应用，国内已有深入的研究。一种是将多种数字化的测试仪器虚拟成一台以计算机为硬件支撑的数字式的智能化测试仪器；另一种是研究虚拟制造中的虚拟测量，如虚拟量块、虚拟坐标测量机等。智能结构它属于结构检测与故障诊断，是融合智慧技术、传感技术、信息技术、仿生技术、材料科学等的一门交叉学科，使监测的概念过渡到在线、动态、主动的实时监测与控制。[8]

参考文献

[1]赵志刚，赵伟，黄松岭.试论现代测量技术的主要进步特征及发展局势.电子测量仪学报，2008年，21期：1-4。

[2]张尧学.透明计算:概念、结构和示例[J].电子学报,2004(12A):169-174.

[3]冯志刚,王祁.信太克规.自确认压力传感器结构设计.传感技术学报,2006(6):662-666.

[4]赵志刚,赵伟.多传感器系统中传感器失效检测新方法研究.传感器技术学报,2006.12,19(6):2723-2726.

[5]林洪桦.动态测试数据处理[M].北京:北京理工大学出版社,1995.

[6]赵伟,张小牛,孟浩文.网络化--测量技术与仪器发展的新趋势,电测与仪表,2000.7,37(7):5-9.

[7]曲正伟,赵伟,黄松岭.面向资源共享与协作的仪器设备网格.电测与仪表,2007,2,44(2):1-4.

[8]王晓敏.电测和仪表的发展.第四届全国电磁计量大会论文集,2007,09:402-406.