测试技术的社会作用及发展方向

在长度与距离测量方面应用最多的是激光干涉仪（包括采用增量码和绝对码的干涉仪）和基于时间测量的各种雷达。影响测量精度的主要因素是大气折射率以及与它相关的各种波在大气中传播速度的变化。

在直线度测量方面应用最多的是激光准直和各种基于步距测量的系统。激光准直测量中影响测量精度的主要因素是激光束的漂移和大气的扰动，减小漂移和扰动的方法和误差补偿技术是这一领域的主要研究课题。影响步距测量法精度的主要因素是误差的累积，包括单次测量误差的累积与调整误差的累积。此外，步距法对不同频率的误差有不同的传递系数。

在空间测量方面主要采用基于三角测量原理的经纬仪、多摄像机系统、基于球坐标系统的激光跟踪干涉仪、基于多边法的全球定位系统(GPS)和采用多干涉仪的激光跟踪干涉系统等。基于三角测量原理的系统存在标定的问题，此外测量不确定度随距离迅速增长。球坐标测量系统也有后一问题，且若发生挡光，测量还需从头开始。

笔者在国家自然科学基金会资助下，对基于多边法的激光跟踪柔性坐标测量系统进行了研究。利用四个按一定布局安放的激光跟踪干涉仪B1、B2、B3、B4，在测量出它们到目标靶镜Ti的距离后，即可确定目标靶镜Ti的空间坐标。如果B1、B2、B3、B4的基点位置是已知的，只要三路就可以确定目标靶镜Ti的空间坐标。但跟踪干涉仪是现场安装的，它们之间的相对位置是未知的，因此需要利用冗余技术来自标定。首先在某一点将四路激光器全部清零，目标靶镜Ti移动一个位置，可以得到Bj、Ti(j=1～4)之间距离的4个方程，而新增的Ti的空间坐标未知数只有3个，即多了一个方程。当测量点数足够多(9)时，就可以确定B1、B2、B3、B4的4个基点与清零点的位置，实现自标定。

为了实现自标定，需要4路跟踪干涉仪，但在标定后只要3路就能正常工作。因此工作中，即使有一路暂时挡光，由于基点与动点坐标均已知，还能恢复跟踪，并重置该干涉仪的正确读数，即实现丢失信号自恢复。

利用冗余技术，还可以将跟踪干涉仪逐个地迁移到新位置并标定新的基点位置。这样就可以将各个跟踪干涉仪迁移到新的位置，测量被测对象上原来测不到的点，并保持坐标系的统一。

在研究工作中我们解决了4路跟踪干涉仪的最佳布局和最佳标定问题，研究成功了一种双轴独立回转的跟踪系统，它具有转动部分质量轻、跟踪快的特点，预计将在国防与大型工程测量中获得广泛应用。

(2)微纳测量

正如白春礼院士所指出的，为了促进纳米科技的发展，使纳米科技能够真正造福于人类，必须对纳米器件的研制和纳米尺度的检测与表征给以充分重视与重点支持。

作为纳米科技发展的里程碑——扫描隧道显微镜正在由观察工具向测量工具发展。继扫描隧道显微镜之后，出现了原子力显微镜和各种扫描探针显微镜（Scanning Probing Microscope）。然而，要使它真正成为测量工具还必须“溯源”，将它与“米”定义联系起来。德国国家物理技术研究院（PTB）、Ilmenau大学、中国计量科学研究院、天津大学等，都在将扫描探测显微镜与激光干涉仪连接方面做了大量研究工作。

除了各种扫描探测显微镜，近场光学显微镜在微纳测量中也极有应用前景。光学测量方法没有测量力，这在微纳测量中具有很大的优越性。由于它工作在离被测件只有若干纳米的近场，克服了衍射对光学系统分辨力的限制。电容传感器等也可达到纳米级的分辨力，但需要经过标定。

激光波长可以直接溯源，但激光波长为几百纳米。为了达到纳米级分辨力需要细分，采用一般电子或软件方法很难保证细分精度。PTB、英国国家物理实验室(NPL)、意大利国家计量院（IMGC）联合研制了一种将激光干涉仪与X射线衍射仪结合在一起的大量程纳米测量仪。它利用硅220的晶格常数（在100kPa和22.5°C下为0.192015497nm）对激光波长实现细分，达到亚纳米的分辨力。

科技的发展要求不仅在一维尺度上、而要在三维尺度上实现纳米测量。上世纪80年代，美国国家标准技术研究院开始研究分子测量机，90年代末，美国北卡罗莱纳州立大学夏洛特分校与麻省理工学院合作进行了亚原子测量机的研制。亚原子测量机的测量范围是25mm×25mm×100μm，测头采用近场光学显微镜，具有零膨胀系数的微晶玻璃构成计量框架，同时采用磁悬浮导轨。由于z向行程较小，采用三个经过精确标定的电容传感器同时测量z向位移和工作台绕两根水平轴的转动。在x、y两个方向都采用激光干涉仪，y向采用了两个激光干涉仪以确定工作台的角摆，进行误差补偿。整个测量机还采用笔者在该校做访问教授期间研究成功的方法进行综合误差补偿。初步测试结果测量机的不重复误差小于1nm。

德国Ilmenau大学研制的纳米测量机将扫描探针显微镜或其它亚纳米分辨力显微镜（如近场光学显微镜）作为瞄准（对零）装置。被测对象放在测量机工作台上，与三面直角反射镜一起运动。x、y、z干涉仪分别测量工作台在x、y、z三个方向的位移，俯仰、偏摆和滚转传感器分别测量工作台绕三根轴的角运动误差并进行误差补偿。根据初步实验结果，该测量机可以在25mm×25mm×5mm范围内，达到0.1nm的分辨力和5～10nm的测量不确定度。

我国台湾大学与合肥工业大学也在合作进行纳米三坐标测量机的研究工作。

微机电系统是一个十分令人注目的技术领域，特别是在国防、航空、航天、生物、医学、智能技术等领域。2000国际生产工程学会第50届年会的5篇大会主题报告中有3篇是关于微机电系统或纳米技术的。从2001～2003年3届年会中又有5篇关于微机电系统的主题报告。

微机电系统的关键技术包括设计、工艺、封装和测试。测试在微机电系统中具有极重要的位置，因为在微观范畴，物体、材料的许多物理、力学等性能都是与宏观世界不一样的，适合于微机电系统的新设计数据需要通过测试来获取，微机电系统的性能也需要通过测试来评定。

微机电系统的检测包括工艺检测和性能检测。微机电系统检测的难点首先在于它尺寸小，要能捕获微小尺寸的感受点，捕获机构必须十分小，同时需要精确定位。第二是要求检测过程不会对微执行器的运行状态有任何影响。借用电路上的术语，也就是要求检测装置的输入阻抗为无限大，不从被测对象提取（也不输送）任何能量。第三是运动（不仅包括机械运动，也包括其它形式的运动）的量也很小。感受点很小，运动量又很微小，要求测量装置有很高的灵敏度和精确度。在很多情况下，微机电系统的检测技术已成为制约微机电系统发展的一个瓶颈因素。

笔者承担的国家自然科学基金项目“利用激光多普勒技术测量梳状振子运动特性”的原理为：由激光器L发出的激光束经声光调制器A进行分光和调制，得到两束频率相差40MHz的光，再经五角棱镜C、反射镜M1、M2，准直棱镜组O1、O2，经棱镜O3将光束聚焦于被测物体P的表面。反射光经O3收集，穿过O3后变成平行光，再经M3反射，由O4聚焦到光电接收器E。若被测物体P以速度V运动，光束1和2与V的夹角分别为θ1、θ2，激光的频率为f0，则光电接收器E输出信号的频率为：f＝f0+Δf，其中Δf＝f0V(cosθ1-cosθ2)/c，其中c为光速。在测得Δf后即可求得振子的运动速度，并由此获得其运动特性。

从以上讨论可以看出，测试技术对社会发展起着极其重要的推动作用，必须充分运用一切最新科技成果，加快发展测试技术，促进国民经济与国防发展，促进人民健康与社会安定。(end)