精密測(cè)量——科學(xué)探索的“眼睛” 高端制造的“尺子”

精密測(cè)量——科學(xué)探索的“眼睛”

高端制造的“尺子”科學(xué)家門捷列夫說：“科學(xué)是從測(cè)量開始的?！薄艾F(xiàn)代熱力學(xué)之父”開爾文有一條著名結(jié)論：“只有測(cè)量出來，才能制造出來。”人類科學(xué)研究的革命，工業(yè)制造的迭代升級(jí)，都離不開測(cè)量技術(shù)的精進(jìn)。在當(dāng)代科技和工業(yè)領(lǐng)域，高水平的精密測(cè)量技術(shù)和精密儀器制造能力，是一個(gè)國(guó)家科學(xué)研究和整體工業(yè)領(lǐng)先程度的重要指標(biāo)，更是發(fā)展高端制造業(yè)的必備條件。隨著精密測(cè)量技術(shù)不斷進(jìn)步，其在科學(xué)研究、工程科技、現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

精密測(cè)量是工業(yè)生產(chǎn)的倍增器

       精密測(cè)量是一個(gè)大的泛指的范疇。凡是準(zhǔn)確度很高的各類測(cè)量，都可稱之為精密測(cè)量。在精密和超精密工程領(lǐng)域，精密測(cè)量有具體的數(shù)量級(jí)，是指測(cè)量準(zhǔn)確度在1微米至0.1微米量級(jí)的測(cè)量，超精密測(cè)量是指測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于100納米，如10納米、1納米，甚至皮米（千分之一納米）量級(jí)的測(cè)量。

精密測(cè)量興起于工業(yè)大生產(chǎn)。規(guī)?；笊a(chǎn)是現(xiàn)代工業(yè)的重要特征，產(chǎn)業(yè)分工與專業(yè)化配套越來越細(xì)化，地域分布越來越廣，產(chǎn)業(yè)鏈遍布全世界。也就是說，一個(gè)產(chǎn)品由成百上千甚至成千上萬個(gè)零部件組成，這些零部件不可能由一個(gè)廠家生產(chǎn)，需要聯(lián)合遍布各地的多個(gè)優(yōu)勢(shì)廠家。比如一部智能手機(jī)有1600多個(gè)零件和元器件，由分布在世界上10多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的150多家工廠提供。這樣做，能大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高、質(zhì)量高、成本低，優(yōu)勢(shì)明顯。但技術(shù)層面存在一個(gè)難題——面對(duì)如此多零件、元器件，其中任何一個(gè)的尺寸精度或其他技術(shù)指標(biāo)不合格，就無法集成到一起。

       為解決這類問題，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際計(jì)量局（BIPM）制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，國(guó)際計(jì)量局將公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞給每一臺(tái)測(cè)量?jī)x器，以保證這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量值在全世界范圍內(nèi)一致。之后，生產(chǎn)廠商使用測(cè)量?jī)x器，對(duì)產(chǎn)品的每一個(gè)零件和元器件的所有技術(shù)參數(shù)進(jìn)行精密測(cè)量。這樣才能保證所有的測(cè)量?jī)x器都是精確的，測(cè)量數(shù)據(jù)都是精準(zhǔn)的，進(jìn)而成千上萬的零件或元器件具有互換性。通俗地說，就是不同廠商的產(chǎn)品都是合格的、好用的。由此而來，精密測(cè)量已成為促進(jìn)科技發(fā)展的新興學(xué)科。

精密儀器助力科學(xué)新發(fā)現(xiàn)

怎樣進(jìn)行精密測(cè)量？這就需要實(shí)施精密測(cè)量的工具——精密儀器。精密儀器包括各類高端測(cè)量?jī)x器、分析儀器、成像儀器、診療儀器和各類實(shí)驗(yàn)儀器等。在幫助工業(yè)生產(chǎn)“把關(guān)”的同時(shí)，精密儀器也是科學(xué)研究的有力工具?？v觀各國(guó)科技發(fā)展歷史，不難發(fā)現(xiàn)，科技強(qiáng)國(guó)一定是基礎(chǔ)研究強(qiáng)國(guó)，基礎(chǔ)研究強(qiáng)國(guó)一定是測(cè)量與儀器強(qiáng)國(guó)。大多數(shù)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)和基礎(chǔ)研究突破，都是借助先進(jìn)的精密測(cè)量方法和尖端測(cè)量?jī)x器實(shí)現(xiàn)的。引力波探測(cè)就是一個(gè)典型例子。

       引力波探測(cè)是直接驗(yàn)證愛因斯坦廣義相對(duì)論、探索宇宙起源和演變的實(shí)驗(yàn)，具有重大科學(xué)價(jià)值。但引力波信號(hào)極其微弱，探測(cè)難度極大，采用超高分辨率的遠(yuǎn)距離激光干涉測(cè)量方法探測(cè)，是目前最有優(yōu)勢(shì)的技術(shù)途徑。也就是說，激光干涉測(cè)量?jī)x的測(cè)量準(zhǔn)確度，將直接決定探測(cè)引力波的極限能力。如果激光干涉測(cè)量?jī)x建立在地球上，其互為垂直的兩路激光測(cè)量臂長(zhǎng)至少要達(dá)到4000米。只有滿足這一條件，引力波引起的激光測(cè)量臂長(zhǎng)極其微小的變化（不超過質(zhì)子直徑的萬分之一）才能被測(cè)量到。如果按比例放大，這一超高分辨率測(cè)量相當(dāng)于在繞地球1000億圈的長(zhǎng)度上，檢測(cè)出不超過一根頭發(fā)絲直徑的長(zhǎng)度變化。經(jīng)各國(guó)科學(xué)家共同努力，2016年人類首次直接測(cè)量到高頻段引力波，3位相關(guān)科學(xué)家因此項(xiàng)成果獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

       就科學(xué)研究而言，這樣的探測(cè)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為測(cè)量到低頻段引力波，必須將激光干涉測(cè)量?jī)x建立在太空環(huán)境中。這樣，其互為垂直的兩路激光測(cè)量臂長(zhǎng)才能夠達(dá)到數(shù)十萬千米到數(shù)百萬千米，激光干涉測(cè)量?jī)x的測(cè)量準(zhǔn)確度才有望達(dá)到1皮米。

       引力波的例子很好地證明了，測(cè)量技術(shù)有多精密，科學(xué)探索就能走多遠(yuǎn)。

只有測(cè)量出來，才能制造出來

       對(duì)國(guó)家而言，精密測(cè)量與裝備制造業(yè)水平緊密相關(guān)。裝備制造業(yè)向中高端跨越的關(guān)鍵是提升制造質(zhì)量，而提升制造質(zhì)量的關(guān)鍵則是提高精密測(cè)量能力。只有通過精密測(cè)量，才能知道產(chǎn)品哪里不合格；只有通過大量精密測(cè)量數(shù)據(jù)的積累，才能找到產(chǎn)品不合格的根源與規(guī)律；只有基于精密測(cè)量數(shù)據(jù)建立起成體系的誤差補(bǔ)償模型，才能有效實(shí)現(xiàn)制造精度和產(chǎn)品性能的精確調(diào)控，產(chǎn)品質(zhì)量才能在不斷的精確調(diào)控中逐漸提升。

       超精密光刻機(jī)的研制，很好地證明了這個(gè)結(jié)論。超精密光刻機(jī)被稱為“超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰”，挑戰(zhàn)著人類超精密制造的精度和性能極限。超精密光刻機(jī)是在超精密量級(jí)上把最先進(jìn)的光機(jī)電控等幾十個(gè)分系統(tǒng)、幾萬個(gè)零部件集成在一起，使其高性能協(xié)同工作。它是人類裝備制造史上復(fù)雜程度最高、技術(shù)難度最大、綜合精度性能最強(qiáng)的尖端裝備之一。它在高速和高加速度下，達(dá)到納米級(jí)的同步精度、單機(jī)套刻精度和匹配套刻精度等，這與傳統(tǒng)的精度提升環(huán)境完全不同。超精密光刻機(jī)的制造精度已接近現(xiàn)有制造能力的極限，其精度提升一點(diǎn)點(diǎn)，通常都要付出幾倍十幾倍的努力。比如，用于28納米節(jié)點(diǎn)制程的DUV光刻機(jī)擁有7萬多個(gè)光機(jī)零件，涉及上游5000多家供應(yīng)商。這些零部件對(duì)精度和穩(wěn)定性的要求極高，只有發(fā)揮供應(yīng)鏈上所有頂尖制造商的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，才能全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，超精密光刻機(jī)才能研發(fā)成功。

       任何一個(gè)重要零件的不合格，都會(huì)導(dǎo)致超精密光刻機(jī)研制失敗。以其中一個(gè)構(gòu)件——激光反射鏡的制造精度為例。它由微晶玻璃制成，有108項(xiàng)尺寸公差和62項(xiàng)形狀、位置、方向公差，還有內(nèi)部應(yīng)力等技術(shù)要求。要完成這樣一個(gè)復(fù)雜構(gòu)件的超精密測(cè)量，需要20多種專用超精密測(cè)量?jī)x器。而光刻機(jī)有7萬多個(gè)光機(jī)零件，其中80%以上的零件屬于精密和超精密級(jí)，需要700多種專用精密和超精密測(cè)量?jī)x器。如果沒有成體系的專用超精密測(cè)量技術(shù)與儀器來管控制造精度，就不可能制造出合格的零件，也就不可能裝配調(diào)試出合格的部件與分系統(tǒng)，更不可能制造出合格的光刻機(jī)整機(jī)。

       精密測(cè)量技術(shù)還推動(dòng)了各國(guó)建立國(guó)家測(cè)量體系。它能夠有效管控工業(yè)測(cè)量體系，保障整個(gè)制造鏈的質(zhì)量，賦能高科技產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。對(duì)大眾而言，直觀感受就是所購(gòu)買的工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量變好了、更好用了。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品都經(jīng)歷了從低質(zhì)量向高質(zhì)量的曲折發(fā)展歷程。正是因?yàn)榻⑵鹆送暾木軠y(cè)量體系，培育起了一批頂尖超精密儀器企業(yè)，才能對(duì)高端裝備制造形成強(qiáng)有力支撐，才能打造出諸多國(guó)際馳名品牌。

       我國(guó)正在向世界科技強(qiáng)國(guó)、制造強(qiáng)國(guó)和質(zhì)量強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，構(gòu)建新一代國(guó)家測(cè)量體系成為關(guān)鍵一環(huán)。今年1月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，明確提出加快構(gòu)建國(guó)家現(xiàn)代先進(jìn)測(cè)量體系，推進(jìn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。我國(guó)精密測(cè)量領(lǐng)域科研工作者將繼續(xù)勇?lián)厝?，以與時(shí)俱進(jìn)的精神、革故鼎新的勇氣、堅(jiān)忍不拔的定力，為中國(guó)制造備好“尺子”，為科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)不懈奮斗。

來源：網(wǎng)絡(luò)   作者：譚久彬 中國(guó)工程院院士、哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授

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