现代仪器科学的前沿技术

现代仪器科学的前沿技术现代科技的特点●改变21世纪的三大科技信息科技/生命科技/材料科技●信息技术成为推动科学技术和经济高速发展的关键技术●信息技术包括测量技术，计算机技术和通讯技术，测量技术是源头、关键基础。测控科学的地位和作用●伟大科学家门捷列夫曾断言，科学是从测量开始的，没有测量就没有科学。●测控技术及仪器是认识与改造物质世界的永恒重要基础和手段。●人类的生存发展依赖于测控，“农轻重、海陆空、吃穿用”，测控技术无所不存、无处不有。●科学技术重大发现与创新离不开测试与仪器。许多重要的发现都是通过测量而得到的。●现代战争中，先进的测控系统已成为精确打击武器装备的重要组成部分。重视与大力发展测控技术已成为大趋势●测控技术与仪器是国家科技水平和生活水平的重要标志。世界各发达国家均将测控技术列为重要发展领域。（日本列为21世纪首位，欧共体15项专项之一，美国更大力度支持。）●测试技术是多学科交叉与融合，研究领域广泛。研究热点前沿技术主要有1.微纳米测量及微系统（MEMS&NEMS）2.空间数字化测量技术3.远距离遥测技术4.光纤分布式网络测试技术与智能结构系统5.全球定位系统（GPS）应用6.非常规与恶劣环境下的测量7.环境对测试的影响与控制8.现代精度理论及实用方法9.生物传感技术与仿生测量10.生物医学无创伤检测和OCT几个前沿热点技术1.纳米精度测量技术2.空间数字化测量技术3.现代精度理论及应用4.热误差理论及应用纳米精度测量技术（1）微纳技术发展自70年代开始，首先由美国学者提出微机械设想，直到1989年开始形成世界性的MEMS技术，它把信息获取、处理和执行集成为一体，由此进入了微尺寸的新领域。MEMS被认为是21世纪广泛应用的新兴技术，各国大量投入，进展瞩目，每年以10％－20％的速率增长。通常认为微尺寸包含微米和纳米量级尺寸，对微纳米测量则有：微米测量：0.1um微纳米测量:100nm深纳米测量：10nm（2）纳米测量仪：扫描探针显微镜（SPM）—原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微（STM）、扫描力显微镜（SFM）等线值纳米测量仪—纳米坐标测量机—尺度发展1m0,1m=10cm0,01m=1cm1mm0,1mm=100µm0,01mm=10µm1µm0,1µm=100nm0,01µm=10nm1nm0,1nmNanotechnologyMicrotechnologyDNA2nmwideAtomicletteringusingscanningtunnelingmicroscopBird10cmhighHand10cmlongDiameterhumanhair100µmElephant2mhighICChip1cmwideGrainofsand1mmBiologicalcell10µmNimicromachinedgear100µmDustparticle1-5µmSmallestICfeature0.18µm6.5nmAtoms0.1-0.4nmQuantumelectronicstructure20nmadaptedfromVolkerSaile,Karlsruhe,GermanyMesotechnology微小机械0.1m-0.1mmMEMS0.1mm-0.1umNEMS100nm-0.1nm1940196019802000100(0.1mm)101(1µm)0.10.010.001(1nm)0.3nmAtomicLatticeSeparation0.0001(1Å)Machiningaccuracycapability(µm)UltraPrecisionMachiningPrecisionMachiningNormalMachiningTurningandmillingmachinesGrindingmachinesCNCmachinesLappingandhoningmachinesJigboring&grindingmachinesStepandrepeatcamerasOpticallensgrindingmachinesPrecisiongrindingmachinesSuper-finishingmachinesDiamondgrindingmachinesHighprecisionmaskalignersUltraprecisiondiamondturningmachinesDiffractiongratingrulingenginesFreeabrasivemachiningElectronbeamlithographySoftXraylithographyIonbeammachiningSTM/AFMmolecularmanipulationRef,afterTaniguchi‘Nano-’PatentsInearly2005,~31000patentsclaimedtoinvolvenanotechnology.Roughdistribution:USA30%China13%Germany7%Japan4%France3%S.Korea3%U.K.1.5%Source:anonviaEPSRCUk-ChinaNanometology,Huddersfield20051000Papers:20042000USA2310China123Japan104Germany84France53U.K.42Russia42Av.Citations:20042000Switzerland1510Netherlands139USA139Belgium118Denmark116U.K.107China42‘Nano-’PapersUk-ChinaNanometology,Huddersfield2005Source:anonviaEPSRC用原子力显微镜在Si（111）表面上提取单个Si原子在Cu（111）表面上移动分子60C线值纳米测量仪标普纳米量块快速检测仪美国NIST分子测量机采用三点对称式机台设计，符合阿贝原理的位置测量系统workingvolume:100*100*100mm线性步进压电马达+光栅尺MEMSProbeDiameter:0.3mmUncertainty:50nm荷兰Eindhoven大学高精度3D-CMM采用传统的高精度CMM机台，新开发接触式的光纤感应及非接触式CCD感应的双探头系统测量范围为25×40×25mmProbeDiameter:25umUncertainty:100nm德国PTB的SpecialCMM测量范围：20mm×20mm×10mm测量不确定度：30nm合肥工业大学研制的纳米三坐标测量机（1）装配成功的纳米三坐标测量机合肥工业大学承担的国际重大合作项目纳米三坐标测量机方案测量范围：25mm×25mm×10mm测量不确定度：10nm共平面二维工作台平面光栅二维测量系统原理空间数字化测量系统（1）视觉测量系统（2）机器人坐标测量系统（3）经纬仪坐标测量系统（4）便携式关节测量机（5）激光跟踪干涉测量（6）光学数码柔性坐标测量机汽车车身多视觉测量站机器人本体测头基于机器人坐标测量原理实际机器人坐标测量系统11O1X1Y1Z122O2X2Y2Z2p经纬仪坐标测量系统原理测量装置实物便携式关节测量机关节式测量机测量汽车车身外壳(1)关节式测量机测量汽车车身外壳（2）单站激光跟踪干涉仪激光跟踪干涉仪精度标定激光跟踪干涉仪动态精度实验激光跟踪干涉仪在车间的应用热误差理论及应用（1）热误差影响的重要性（2）材料的热膨胀属性与规律（3）研究热误差的复杂性（4）减小热误差的主要途径与措施高精度恒温室（仓）高精度误差修正（建模）热误差研究的意义温度影响机械与仪器的性能及精度是始终存在的物理现象，虽然采取措施可以减小其影响，但永远不会完全予以消除，而且其影响精度是随着机械与仪器精度不断提高相应地有所增大。温度对精密技术影响的历程测量精度与机械精度发展关系温度引起误差与测量总误差关系热误差研究的意义英国伯明翰（Brimingham）大学J.Peclenik教授调查统计表明，热变形误差引起的加工误差约占总加工误差的40～70％；1973年德国阿亨Aachen工业大学H.Brauning教授分析认为，现代制造业中由热变形引起的加工误差一般约占总加工误差的50％；1985年莫斯科自动化工程研究所A.V.Push调查结果则认为，热变形引起加工误差则可占总加工误差的25～75％。圆柱体尺寸热变形曲线孔形零件的热变形曲线材料热膨胀系数德国物理学家格律乃森（Grueneisen）从热力学理论出发，提出了材料热膨胀系数的理论表达式，它能科学地反映物体材料热膨胀系数的物理本质，但公式复杂，且包含的众多未知参量难以确定，因此该理论表达式不具有实用性。热膨胀系数同材料不同长度试件热膨胀系数与温度变化关系同材料不同直径的球体试件热变形系数t材料热膨胀系数国家及标准号试验样品中国（GB/T16920－17）1997Ø5mm，长度25~100mm圆棒或截面5mm×5mm，长度25~100mm的正方形棒。英国（BS7030:1988）Ø5mm，长度25~100mm圆棒圆棒；截面5mm×5mm，长度25~100mm的正方形棒。日本（JISR3102-1995）长度20mm以上，Ø4.0±0.5mm圆柱。美国（ISO11359-2）1999长度5~10mm，宽5mm的矩形棒，或长度5~10mm，直径5mm的圆柱。温度影响的因素分析测量过程温度误差源材料膨胀系数的测定值材料膨胀系数的测量误差物体形状结构不同材料组织不均匀不同的加工方法及热处理方法物体温度误差模型空气冷热（自然或人）室内照明热源仪器本身照明热源仪器工作引起的温度变化人体热源理论模型的误差模型线性化误差偏离标准温度室内温度梯度室内温度波动温度测量误差物体温变滞后及不均匀性形体几何元素热变形的非相似性经过多年的研究，我们得到一些有重要科学价值与实际意义的结论，零件热变形时任一形体尺寸的热变形量不遵循传统线性公式规律，它与形体其他尺寸密切相关，即可表示为其他尺寸的非线性函数。在高精度微纳米尺寸来认识，形体热变形时其组成各形面不是严格保持原有面素而变化，在微观上均改变了原有面素，变化前后的面素不具相似性，即具有非相似性，如直线变为非直线，平面变为非平面，方体变为非方体，外方的内圆孔变为非圆孔，渐开面变为非渐开面等，这种在微观上不按原有形体变化的现象可称为热改变性，它对于低精度的精密技术的影响可以忽略，但对现代精密技术则有较大影响，需给予重视。韩国研制的恒温仓热变形误差实验系统实验箱内部三维工作台与测量部件热变形误差实验系统原理图不同尺寸圆环零件热变形规律实验热变形误差模型不同温度时方体截面形状温度升高时正方体表面变形形体结构对热变形误差影响复杂系统结构热变形误差测定精度理论及应用（1）动态精度理论（2）误差分离与修正技术（3）测量不确定度原理及应用长光栅测量系统动态精度实验装置位移传感器动态精度实验装置动态测角仪实时误差修正系统动态测角仪原理图动态测角仪结构图谢谢！