精密操纵与测量仪

近日，第3届高端测量仪器国际论坛暨第13届精密工程测量与仪器国际会议（IFMI & ISPEMI 2024）在山东青岛成功举办。会议邀请各国精密工程测量与仪器领域的高层科学家、专家与业界领袖，就国际精密工程测量与仪器领域面临的重大机遇、重大科学问题和关键技术问题展开深入研讨，展望其未来发展方向和技术路线等。会议期间，仪器信息网特别策划了专访环节，荣幸地邀请到了中国计量学会秘书马爱文，就我国精密测量仪器产业发展现状与建议、精密测量技术未来发展方向、制造业转型升级面临的挑战等话题展开分享。国产精密测量仪器产业发展面临瓶颈马爱文秘书长表示，“国内精密测量仪器的发展正面临瓶颈期。从更宏观的视角审视，精密测量技术是社会发展水平的缩影。我们过去常言，测得准才能造得精。这意味着，只有不断推进高精度测量仪器的研发与应用，才能引领产品向更高质量、更高精度迈进。以机械制造业为例，要实现高精尖产品的制造，其背后的工业母机必须具备远超产品本身的精度标准，而测量技术则需再上一层楼，至少达到母机精度的三分之一以上额外精度，方能确保产品的质量。然而，不可否认的是，我国在机械加工领域，包括精度、可靠性等方面，仍面临诸多挑战，这也在一定程度上折射出我国精密测量仪器及其技术与国际先进水平之间的显著差距。更为严峻的是，国际上的高精度产品禁运政策，如同一道无形的壁垒，严重制约了我国多个产业，尤其是高精度仪器仪表产业的发展。但我坚信，挑战与机遇并存，中华民族自古以来便以坚韧不拔、勇于探索著称，面对重重困难，我们定能迎难而上，研发出具有自主知识产权的高精度测量仪器，满足社会高质量发展的迫切需求。”多措并举，推动精密仪器产业高质量发展马爱文秘书长进一步谈到：“推动精密仪器产业的全面发展，需采取多维度策略，首要且核心的是计量测试技术的坚实基础。2018年国际单位制迎来重大变革，将七个基本量被定义于基本物理常数之上，为全球测量技术领域树立了统一的基准线。然而，要精准定义这七个基本量、构建坚实的计量基准体系，仍面临漫长且艰巨的探索之路。鉴于此，国家应聚焦基础研究，攻克计量基准难题，研发高精度仪器，为技术转化与社会应用奠定基础。同时，仪器仪表产业需加大科研投入，加速成果转化，将创新应用于实践。国家与产业界共同努力，才能推动我国精密仪器产业的蓬勃发展。高精密测量仪器的性能，实为整个产业技术水平的集中展现。其内部集成的芯片、精密齿轮及诸多基础零部件，其性能与品质直接决定了仪器的测量精度。这些部件共同构建了一个精密而复杂的产品系统，而系统性问题的解决，如误差调控，便成为推动仪器仪表产业向前发展的关键所在。以激光干涉仪为例，其高精度的实现同样依赖于多元零部件的精密配合。因此，零部件的质量、设计思路、制造工艺等因素，均对精密测量仪器的整体精度产生影响。中国若要在高精度测量仪器领域取得突破，不仅需计量部门的不懈努力，更需整个产业链上下游的协同提升。近年来，我持续关注国产仪器与国外同行在性能与市场上的差距。从设计等多个维度来看，国产仪器已在众多领域展现出替代进口产品的强劲实力。然而，在稳定性和可靠性方面，国产仪器及设备存在一定短板。以机床制造为例，德国机床采用经过30年应力消除的钢材制作导轨，以确保长期精度稳定，而国内企业往往难以达到这种高标准，甚至存在直接使用未经充分应力消除的钢材制作导轨的情况。这直接导致机床在使用一两年后，因应力变化而影响测量精度，发生精度漂移。此现象并非个例，也广泛存在于各类精密测量与测试设备中。国产设备在初期往往表现出色，但长期使用后精度下降的问题较为突出。尽管国家已建立了严格的检定校准制度作为外部保障，但提升设备自身的稳定性和可靠性才是治本之策。此外，在科研领域，前沿理论的探索与现场实际应用的紧密结合也至关重要。针对仪器设备在不同应用环境下的性能变化，特别是测量精度的波动及其对最终结果的潜在影响，亟需深入探究。当前，我国计量体系已臻完善，国家计量院专注于计量基准的研究，各省计量院则负责计量标准的制定。同时，众多高校与科研院所也在测量技术领域深耕细作。我们应凝聚各方智慧与力量，共同推动高精度测量技术及仪器的研发与转化进程，以切实满足企业及社会发展的实际需求。当前，国家高度重视这一领域的协同发展，通过NQI等支撑项目，积极促进产学研深度融合，确保企业界的广泛参与。”AI与量子测量赋能精密测量技术发展聚焦精密测量技术，仪器厂商正积极拥抱人工智能（AI）技术，通过深度融合与创新应用，实现测量精度与效率的双重提升。对此，马爱文秘书长认为，人工智能与精密测量之间相辅相成，不可分割。精密测量借助人工智能的算法优化，显著提升了测量精度；然而，若过度聚焦于人工智能，可能导致对测试技术基础工艺及零部件材料研究的忽视，从而限制了测量技术的整体进步。因此，他强调两者应形成良性的互动循环，人工智能为精密测量提供算法支持，精密测量则为人工智能算法提供精确数据，共同推动整个系统性能的大幅提升。在探讨精密测量的未来发展方向时，马爱文秘书长则表示：“量子测量技术无疑是一个极具潜力和前瞻性的领域。随着2018年国际单位制中七个基本单位全面基于基本物理常数重新定义，人类社会正式迈入了量子时代，极大地促进了量子测量技术的发展。量子测量技术，简而言之，是利用量子、原子、分子等微观粒子作为测量工具，依托其独特的物理特性（如体积小、能量高、带电性、磁性等）来精确感知和测量外界环境的变化。这一技术因其极高的灵敏度，在精密测量领域展现出前所未有的优势，被视为未来发展的重要方向。然而，量子测量仍需攻克诸多技术难题，如离子干涉、离子阱的精确控制、单控温色芯技术的突破等。这些技术挑战要求我们在研发过程中不断创新，攻克难关，以实现量子测量技术的突破与应用。尽管如此，量子测量的潜力和价值不容忽视。它将成为人类认知世界、利用自然规律的重要工具。因此，我衷心希望仪器仪表产业能够紧跟量子测量技术的发展步伐，积极投入研发创新，推出具有自主知识产权的量子测量产品与设备。”精密测量：筑牢数字化与智能化转型的基石2024年3月，工信部等七部门联合印发《推动工业领域设备更新实施方案》，围绕推进新型工业化，以大规模工业设备更新为抓手，实施制造业技术改造升级工程，以数字化转型和绿色化升级为重点，推动制造业高端化、智能化、绿色化发展。针对此重大举措，马爱文秘书长发表了深刻见解：“数字化转型是一个多维度、深层次的变革过程。基于我在工业计量与测量领域的研究，以及对众多工业企业的实地考察，我深刻体会到，我国工业发展尚处在1.0至2.0的初级阶段，数字化与智能化水平与国际前沿存在显著差距，这主要受限于历史工业基础薄弱。然而，值得注意的是，国内大型企业已积极投身数字化、智能化、网络化转型，并初显成效，特别是在汽车制造业中，智能化技术的应用彻底革新了这一传统行业。关于精密测量技术，对于大多数工业企业而言，当前或许并不需要过于高端的测量设备；但在高端装备制造领域，如芯片制造与航空航天关键部件（如齿轮）的制造中，高精度测量仪器不可或缺。这种高精度需求推动了精密测量技术的发展，反过来精密测量技术也促进了工业企业的智能化与快速化进程。传感器作为智能化的基石，其高精度制造同样离不开先进测量技术的有力支撑。因此，精密测量技术与工业智能化之间形成了相辅相成、共同发展的良性循环。工信部最新推出的大规模设备更新政策，旨在通过优化生产工艺与流程，引领工业企业借助数字化转型实现制造质量的提升。在此过程中，我强烈建议加强对测量仪器与设备的集成应用，将其直接嵌入生产流程，确保产品质量的显著提升。以汽车制造业为例，高精度测量技术是机床与机器人高效运作的关键。只有确保机器人装配精准无误，才能组装出高质量汽车。因此，我们必须将计量与高精度测试技术融入设备更新与工艺改造之中，确保每一次升级都是对品质追求的深刻实践，而非简单的设备替换。此外，国家大力倡导的数字化转型及大数据应用，其根基源自精准的测量技术，特别是稳定可靠的高精度数据。这些数据不仅是提升产品质量的基石，也是节能减排、精细化管理及应对气候变化等战略决策的重要依据。因此，我们呼吁将计量与测试技术贯穿于产品全生命周期的每一个环节，从设计、研发、制造到检验、报废，全程赋能产业升级，减少资源浪费，促进可持续发展。同时，这也为测量仪器制造企业与供应商带来了前所未有的发展机遇，但前提是他们必须持续提供高质量的产品与服务，以满足市场的测量需求。”采访中，马爱文多次强调，精密测量技术不仅是产业升级的基石，更是国家高端科研不可或缺的支撑。作为科学研究的先行者，高精度的测量仪器应广泛服务于各科研领域，提供可靠的测量手段。与此同时，智慧城市、智慧交通、医疗及生命科学等领域都离不开精密的测量设备与仪器。我衷心希望，全国的仪器仪表制造企业能够瞄准社会需求，研发出更多高质量、高性能的测量仪器设备，共同促社会进步与发展。

第3届高端测量仪器国际论坛暨第13届精密工程测量与仪器国际会议（IFMI & ISPEMI 2024）于2024年8月8日至10日在山东青岛成功举办。本会议由国际测量与仪器委员会、中国计量测试学会、中国仪器仪表学会共同发起，中国工程院信息与电子工程学部指导，哈尔滨工业大学主办，中国计量测试学会计量仪器专业委员会、北京信息科技大学、中国石油大学（华东）、海克斯康制造智能技术（青岛）有限公司联合承办。本会议的目的是，邀请各国精密工程测量与仪器领域的高层科学家、专家与业界领袖，就国际精密工程测量与仪器领域面临的重大机遇、重大科学问题和关键技术问题进行研讨，交流国际精密工程测量与仪器领域取得的重大进展；特别是，根据世界新一轮科技革命与产业变革的前沿发展趋势，判断未来5年和10年精密工程测量与仪器技术的发展方向和技术路线；同时，推测未来5年和10年全球各领域对精密工程测量与仪器的需求，判断国际精密工程测量与仪器产业发展趋势；进而提出促进世界高端测量仪器科学研究与产业发展的建议，共同促进世界范围内高端测量仪器技术的发展。中国工程院院士、哈尔滨工业大学精密仪器工程研究院院长谭久彬教授担任大会主席并致辞。谭久彬院士指出：“随着超精密工程、精准医疗、智能制造和原子级制造，以及物联网、大数据、云计算、人工智能和智慧城市等领域不断发生革命性突破，精密工程测量与仪器技术必然迎来前所未有的巨大挑战和发展机遇。近年来，至少有三件大事将对精密测量和仪器技术的发展走势产生至关重要的影响。一是2018年国际计量大会正式通过了一项具有里程碑意义的重要决议，即7个国际基本计量单位均由自然常数来定义，并于2019年5.20国际计量日正式实施。这件事带来的直接好处是，标准量值传递链将实现扁平化和去中心化，这将导致国际测量体系与各国的国家测量体系发生革命性的变化。二是数字化制造、网络化制造和智能化制造发展得非常迅速，加上国际计量单位定义常数化、计量量子化发展双重趋势的作用下，精密测量仪器将产生新的形态；三是原子级制造的兴起将导致精密测量仪器技术成体系的创新。上述三件大事必将导致国际仪器产业体系的重大变革。”谭久彬院士担任大会主席并致辞大会现场中国计量测试学会副理事长兼秘书长马爱文先生、中国仪器仪表学会副理事长兼秘书长张彤先生、中国石油大学（华东）校长助理于连栋教授参加大会并在开幕式上致辞。中国计量测试学会秘书长马爱文在大会开幕式致辞中国仪器仪表学会副理事长兼秘书长张彤在大会开幕式致辞中国石油大学（华东）校长助理于连栋在大会开幕式致辞本次会议分为主论坛大会报告、分论坛研讨和圆桌论坛3部分。共有来自中国、美国、英国、德国、日本、韩国、加拿大、澳大利亚、俄罗斯、白俄罗斯、塞尔维亚、比利时、新加坡等13个国家和地区的280余位专家出席本次盛会，10900余名科技工作者和研究生观看了会议直播。大会特邀中国工程院院士、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所所长张学军研究员，德国工程院院士Ö mer Sahin Ganiyusufoglu教授、白俄罗斯国家科学院主席团第一副主席Sergey Antonovich Chizhik院士、美国密歇根大学Steven Cundiff教授、韩国科学技术院Seung-Woo Kim教授、德国联邦物理技术研究院Jens Flügge教授、中国计量科学研究院原院长方向研究员、美国加州大学洛杉矶分校Mona Jarrahi教授、海克斯康制造智能技术研究院首席专家王慧珍女士等国际著名专家做大会主旨报告。张学军院士的主题演讲题为《机器人辅助的超精密非球面及自由曲面光学抛光》，提出了一种以机器人系统为中心的新型抛光方法，将确定性抛光技术（如计算机控制光学表面抛光和离子束整形）与机器人平台协同集成，形成了一种灵活、经济、高效的多轴抛光设备，在中型非球面和自由曲面光学元件制造中实现了亚纳米精度，同时大幅度降低了生产成本，可满足新一代高端制造装备制造、前沿科学实验所需的高端光学元件大规模生产需求。张学军院士发表主题演讲Ö mer Sahin Ganiyusufoglu院士的主题演讲《智能装备与在线测试》着重探讨了从大规模生产向创新驱动的高质量产业快速转型的发展趋势。在这一过程中，智能机器和智能制造技术扮演着至关重要的角色，这些技术能够通过在线测量和在线测试实现自动化的过程优化。他强调，传感器是信息数据获取的关键，并通过人工智能（AI）使装备“智能化”。Ganiyusufoglu院士通过汽车行业的若干实例详细介绍了从传统大规模生产向智能制造转型的过程。Ö mer Sahin Ganiyusufoglu院士发表主题演讲Mona Jarrahi教授在其题为《太赫兹技术的新前沿》的主题演讲中，介绍了一种新型高性能光电导太赫兹源，利用等离子体纳米天线实现了创纪录的太赫兹辐射输出，功率达到数毫瓦级，比现有技术提高了三个数量级，成功应用于太赫兹探测器、超光谱焦平面阵列和量子级探测灵敏度的外差光谱仪，使其在宽太赫兹频带和室温条件下的检测能力大幅提升。该技术突破为医疗成像、诊断、大气监测、制药质量控制和安全监测等领域带来了新的机遇，具有广阔的应用潜力。Mona Jarrahi教授在线发表主题演讲Seung-Woo Kim教授的主题演讲《基于梳状激光的光频率产生技术用于精密测量和仪器》，探讨了超短激光脉冲及其频率梳在现代计量学中的革命性应用。他指出，频率梳作为一种“频率标尺”，能够与微波原子钟或光钟稳定联结，产生超稳定的光频率，从而促进干涉测量和飞行时间测量等领域的技术突破。Kim教授进一步介绍了这种光频合成技术在自由空间相干通信、频率传输、光谱学以及太赫兹波生成等领域的应用。他还展望了频率梳技术未来在计量学和仪器制造领域的广泛应用前景，并提出了相关的技术挑战和解决方案。Seung-Woo Kim教授发表主题演讲Steven Cundiff教授的主题演讲《优化频率梳用于多梳光谱》集中讨论了双梳光谱技术的优势与挑战。双梳光谱是一种光学傅里叶变换光谱技术，通过使用两个略有不同重复频率的频率梳，实现无需移动部件的扫描延迟。Steven Cundiff教授指出，虽然双梳光谱在光谱分辨率、信噪比和采集时间方面表现优异，但也存在诸如光谱范围与采集时间之间的难以兼顾的问题。他提出，通过使用重复频率接近倍数关系的两个梳子，可以改善光谱分辨率，减少对信噪比的影响。此外，通过相位调制技术可以在不降低信噪比的情况下缩短采集时间，满足非线性光谱学中的高脉冲能量需求。 Steven Cundiff教授发表主题演讲Sergey Antonovich Chizhik院士的发表了《原子力显微镜在微机械装置表征中的应用》的主题演讲，讨论了原子力显微镜（AFM）在微机电系统（MEMS）纳米级结构和材料性能表征方面的应用。Chizhik院士介绍了一系列自主开发的AFM设备和方法，及其在电子学和生物细胞研究中的应用，展示了包括纳米层析成像、静态与动态力谱学、纳米钻探以及振荡摩擦测量等技术的创新性应用。他还讨论了这些方法在生物细胞研究中的特殊应用，并展望了AFM在MEMS表征中的广阔应用前景。Sergey Antonovich Chizhik院士发表主题演讲方向研究员在主题演讲《计量数字化转型的机遇与挑战》中，详细探讨了数字化时代对计量学的深远影响。自2018年国际单位制（SI）重新定义以来，计量领域进入了数字时代，所有SI单位都基于物理学的基本定律和常数进行了定义。方向研究员介绍了数字化计量的转型过程，特别是国际计量委员会（CIPM）在推动全球数字化计量框架方面的努力，并探讨了未来计量技术和测量仪器发展面临的机遇和挑战。他强调，随着全球数字化转型的加速，计量学的数字化变革将继续深刻影响各个行业，推动工程测量技术的进一步创新和发展。方向研究员发表主题演讲Jens Flügge教授的主题演讲《干涉仪在测量系统中的集成》探讨了干涉仪在高精度测量中的广泛应用。Jens Flügge教授介绍了激光干涉仪的设计方案及其在不同测量系统中的应用，包括PTB纳米比长仪、用于硅晶格参数测定的光学/X射线干涉仪，以及用于干涉仪校准的真空比较仪等。他详细介绍了上述装备的设计、优化过程及其实际测量案例，展示了在降低测量不确定度和提高测量精度方面的创新性解决方案，阐明了干涉仪技术在计量领域的重要性和应用前景。 Jens Flügge教授在线发表主题演讲王慧珍首席专家的主题演讲《智能计量技术深度赋能制造业高质量发展》重点介绍了现代几何计量技术的最新进展，及其在高端制造业中的应用。人工智能（AI）、多传感器技术和测量数据再利用相融合，实现了制造过程的优化和提高生产效率。她展示了智能几何计量系统提升生产精度和质量控制水平的典型案例，探讨了未来智能计量技术的发展趋势和挑战。她认为，随着先进制造业对高精度、高效生产需求的不断增长，智能几何计量系统将在提升制造业整体质量和竞争力方面发挥越来越重要的作用。王慧珍女士发表主题演讲分论坛分为10个分会场，共计63个分论坛邀请报告。分论坛的专家学者们结合测量仪器技术与精密工程各个分支方向，交流了目前本领域存在的重大科学问题与关键技术问题、具有发展优势的新的技术路线和近期重大研究进展与突破；探讨了因学科交叉衍生出的新原理、新技术和新方向；并对该领域未来10-15年的发展趋势与特点、新的应用背景和可能产生的新突破进行了探索与研判。除主论坛、分论坛的学术交流与研讨外，会议还以圆桌论坛形式进行战略研讨。圆桌论坛邀请测量仪器领域的著名专家学者与企业家参加了研讨。圆桌论坛围绕“面向高端装备制造的高端测量仪器发展战略”为主题展开讨论。与会专家学者与企业家首先就我国当前国家测量体系和仪器产业体系对先进制造支撑能力的现状及存在的问题，未来10-15年仪器领域重大应用场景战略需求、前沿仪器技术、发展趋势、全景路线图，全制造链、全产业链和全生命周期测量仪器体系建设框架构建，嵌入式、芯片化、微型化、小型化的计量标准体系与实时精度调控体系构建，仪器学科发展战略和创新领军人才培养体系，精密仪器产业体系构建、发展趋势研判、仪器产业布局构想等热点问题展开了热烈讨论，并达成了初步共识。

科众精密是一家专业生产接触角测量仪的公司。在材料科学领域中，接触角测量仪具有非常广泛的应用，下面我们来介绍一下接触角测量仪在材料科学中的应用。接触角是指液体和固体接触面上的夹角，是表征液体在固体表面上的吸附、润湿、渗透和浸润特性的重要指标。接触角测量仪通过测量液滴在固体表面上的接触角来研究固体表面的性质和液体在固体表面上的相互作用。具体应用如下：表面能测量：接触角测量仪可以测量固体表面的表面能，即表面自由能。表面自由能是表征固体表面化学性质的重要参数，它可以用来预测液体在固体表面上的吸附、润湿、渗透和浸润等特性。表面改性：接触角测量仪可以研究表面改性技术对固体表面的影响。例如，通过在固体表面引入特定化学官能团，可以改善其润湿性能和耐水性能，从而改善其在液体介质中的应用性能。涂层材料研究：接触角测量仪可以用来研究涂层材料的润湿性能和耐腐蚀性能。例如，通过测量涂层表面的接触角，可以评估其抗水、抗油和抗化学腐蚀性能。纳米材料研究：接触角测量仪可以用来研究纳米材料的润湿性能和表面性质。由于纳米材料表面积大，表面性质较为特殊，因此接触角测量仪可以提供非常有价值的研究数据。界面现象研究：接触角测量仪可以用来研究液体和固体界面上的各种现象，例如界面张力、表面扩散和相互作用力等。这些研究数据对于理解物质的分子结构和表面性质具有非常重要的意义。综上所述，接触角测量仪在材料科学中具有非常广泛。