圆状测量仪

2024年全球及中国电子测试测量仪器行业发展趋势和现状研究陈昕(广州思林杰科技股份有限公司 市场总监)前言：电子测试测量仪器是利用电子技术来进行测量的装置，是电子制造、电子设计、电子应用等领域不可或缺的工具。随着电子技术的不断发展，电子测试测量仪器的技术水平也不断提高，应用范围也不断扩大。电子测试测量仪器的广泛应用涉及通信、半导体、医疗、能源等多个领域，其性能和技术水平直接关系到各行业的科研、生产和服务水平。在全球范围内，这一领域正经历着巨大的变革，从而催生出新的机遇和挑战。近年来，全球及中国电子测试测量仪器行业保持稳步增长态势。在全球经济发展、工业技术水平提升背景下，全球电子测试测量仪器市场规模持续增长，预计到2025年，全球电子测试测量仪器行业市场规模将增长至172.72亿美元。中国电子测试测量仪器行业市场规模近年来也保持快速增长态势，2022年中国电子测试测量仪器行业市场规模为381.6亿元人民币，预计2023年将逐步扩大至410.4亿元人民币。在我国利好政策驱动下，智能制造、5G通信、汽车电子等下游产业快速发展，电子测试测量仪器行业也实现了快速增长。未来，全球及中国电子测试测量仪器行业将呈现以下发展趋势：智能化：电子测试测量仪器将向智能化方向发展，以满足工业制造智能化、自动化的需求。智能化电子测试测量仪器将具有更强的自动化、网络化、可视化等功能，能够实现更高效、更精准的测试。集成化：电子测试测量仪器将向集成化方向发展，以满足工业制造小型化、轻量化的需求。集成化电子测试测量仪器将多种功能集成到一个平台上，能够实现更便捷、更灵活的测试。虚拟化：电子测试测量仪器将向虚拟化方向发展，以满足工业制造虚拟化、仿真化的需求。虚拟化电子测试测量仪器将通过计算机模拟实现测试，能够实现更安全、更高效的测试。本文章将对全球及中国电子测试测量仪器行业的发展现状、发展趋势及竞争格局进行深入分析，并对行业发展趋势进行展望。1. 电子测试测量技术/仪器的发展历史电子测试测量技术和仪器的发展历史可以追溯到电子产业的早期阶段，随着电子技术的不断进步和应用领域的拓展，测试测量仪器在推动科技进步和确保电子设备性能的过程中发挥了关键作用。电子测试测量技术/仪器的发展历史可以追溯到19世纪初，以下是电子测试测量技术和仪器的发展历史中一些关键阶段：1820年，德国物理学家Johann Schweigger发明了检流计，这是世界上第一台电子测试仪器。检流计可以用来测量电流强度。1887年，爱迪生发明了真空管，这是电子测试测量技术发展的一个重要里程碑。真空管可以用来放大电信号，这使得电子测试仪器的测量精度和灵敏度得到了大幅提高。20世纪初，电子测试仪器的发展进入了快速发展阶段。1920年，美国的贝尔实验室发明了示波器，这是世界上第一台能够显示电信号波形的仪器。示波器的出现，极大地提高了电子测试技术的水平。20世纪中叶，电子技术的快速发展，推动了电子测试测量仪器的进一步发展。1956年，美国的Tektronix公司发明了数字示波器，这是世界上第一台能够显示数字电信号的仪器。数字示波器的出现，使得电子测试技术更加精准和灵活。20世纪70年代，集成电路技术的出现，使得电子测试测量仪器更加小型化和低成本。1976年，美国的Agilent公司推出了世界上第一台数字存储示波器，这是世界上第一台能够存储电信号波形的仪器。数字存储示波器的出现，使得电子测试技术更加便捷和高效。Tektronix 547型示波器 （图片来源 Lazy Electrons，产品来源Tektronix）随着技术应用发展，电子测试测量技术/仪器广泛应用于电子制造、电子设计、电子应用等领域。电子测试测量技术/仪器的发展，为电子技术的进步和应用提供了重要支撑，如：1. 半导体技术的崛起（1950年代 - 1960年代）：o 集成电路（IC）的出现推动了测试测量技术的发展，测试复杂度大大提高。o 数字化测试技术开始兴起，数字化示波器、逻辑分析仪等成为主流。2. 微处理器和计算机时代（1970年代 - 1980年代）：o 随着微处理器的普及，测试测量设备越来越依赖于计算机控制和数据处理。o 自动测试设备（ATE）开始流行，提高了测试效率和精度。3. 高性能和高频率测试（1990年代至今）：o 通信技术的迅猛发展推动了对高频、高速数字信号的测试需求，射频测试、高速数字通信测试等成为焦点。o 高性能、高灵敏度、高精度的仪器不断涌现，以满足现代电子设备复杂性的测试需求。4. 物联网和5G时代（21世纪）：o 物联网和5G技术的崛起带动了对更高频率、更大带宽的测试需求，尤其是在通信和无线领域。o 智能化、云端化等技术的融入使得测试数据的处理和分析更为高效。芯片测试系统 (图片来源：Teradyne，产品来源：Teradyne、Litepoint)未来，电子测试测量技术/仪器的发展将继续保持快速增长态势。随着智能制造、5G通信、人工智能、量子计算、新型材料等技术的进步，电子测试测量技术/仪器将向智能化、集成化、虚拟化等方向发展。2. 以思林杰的发展历程看行业的时代变迁广州思林杰科技股份有限公司（后简称“思林杰科技”）成立于2005年，是一家领先的测试测量技术与方案提供商。思林杰科技从2010年开始进入自动化测试行业；2013年推出第一代基于ARM+DSP的仪器模块应用于消费类电子产品生产测试场景；2014年推出第二代 ARM+FPGA 仪器模块平台并推向市场；2019年发布第三代嵌入式仪器平台并投入市场，得到国内外多个知名厂商的批量使用并获得好评；2021推出 Nysa 模块化仪器平台与Archon SDK平台；2022年完成IPO登陆上交所科创板；2023年聚焦在高精密、高速及射频测试测量方向发力，实现更高端测量仪器的样机研发。思林杰科技近年来获得国家第四批专精特新“小巨人”企业，广东省高新技术企业，成立院士专家工作站，并与多所高校建立联合实验室。思林杰科技发展历程思林杰科技进入测试测量领域，顺应了行业发展和时代变迁。可穿戴消费类电子产品设备结构非常精密，测试测量的需求规格高，并需要多台仪器设备的组合才能完成各种信号的采集和激励，譬如传感器端的高灵敏度微弱信号，高速的数字信号，射频频段的信号录播与回放，电源的电压电流数据采集分析等。最开始，客户在研发阶段用了多台传统仪器进行测试系统搭建进行原型机验证与测试，NPI 转产时，客户寻求更高效的测试解决方案，我们和客户一起深入讨论需求和应用场景，自研了基于 FPGA 控制器架构，在自研总线上搭载了多种类型的仪器模块，FPGA控制器与仪器模块间通过底层自研总线互联，采集与激励的信号处理通过 FPGA 数字逻辑进行并行处理与算法加速。得益于选择了异构处理的 FPGA 架构，内部集成了ARM处理器，测试用例的调度、测试结果的判定都在同一颗 FPGA 芯片内完成，测试效率得到了很大的提升，同时在体积、成本上也满足了客户转产的需求。经过多个迭代，思林杰科技发布了Nysa模块化仪器平台：有基于嵌入式架构的板卡形态，体积紧凑易于集成到设备里；有基于插卡式架构的仪器形态，多类型仪器可简单插拔配置相应固件就可完成测试系统的搭建，适用于研发和NPI的原型机验证测试阶段；同时思林杰科技有强大的按需定制能力，可以为客户定制各类综合测试仪和解决方案。思林杰 Nysa 模块化仪器与 Archon 测试系统管理软件随着客户对测试测量需求的不断提升，思林杰科技继续完善Nysa仪器模块库，推出了面向高精密测量、高速数字信号测试测量与射频信号测试与处理的解决方案。测试测量解决方案覆盖从验证-试产-量产完整产品周期，与国际领先客户进行深度合作和获得高度认可，其解决方案广泛用于各消费类电子产品原型机测试、NPI、产线测试。近年来，思林杰基于FPGA搭配各类型AD/DA和传感器解决方案开始进入工业、生物医疗、芯片产业等应用场景，有的作为客户产品各阶段的测试测量解决方案，有的甚至作为关键零部件集成到客户产品内部，加深了与客户的紧密合作，对行业发展和对测量需求的提升都有了更深刻的理解。思林杰科技拥有超过200人的专业研发团队，自身具有制造与装配生产线，可保证质量与及时交付，并已通过IS09001,14001和27001等认证，运作成熟规范。3. 全球及中国电子测试测量仪器市场规模及现状全球电子测试测量仪器市场规模近年来保持稳步增长态势，2022年全球电子测试测量仪器行业市场规模扩大至146.10亿美元。在全球经济发展、工业技术水平提升背景下，全球电子测试测量仪器市场规模持续增长，预计到2025年，全球电子测试测量仪器行业市场规模将增长至172.72亿美元。数据来源：FROST&SULLIVAN从区域发展情况来看，欧美等发达国家和地区的电子测试测量仪器行业起步早，上下游产业链基础较好，市场规模较大，市场需求以产品升级换代为主，市场将保持中高速增长 而以中国和印度为代表的亚太地区，处于产业转型升级及新兴市场快速发展阶段，对电子测试仪器的需求潜力大，市场规模将以较高的增速增长。中国电子测试测量仪器市场规模中国电子测试测量仪器行业市场规模近年来也保持快速增长态势，2022年中国电子测试测量仪器行业市场规模为381.6亿元人民币，预计2025年将逐步扩大至410.4亿元人民币。在我国利好政策驱动下，智能制造、5G通信、汽车电子等下游产业快速发展，电子测试测量仪器行业也实现了快速增长。数据来源：FROST&SULLIVAN市场规模增长驱动力全球及中国电子测试测量仪器市场规模的增长主要由以下因素驱动：电子技术的不断发展，推动了电子产品的快速迭代，对电子测试测量仪器的需求不断增加。智能制造、5G通信、人工智能等新兴技术的快速发展，对电子测试测量仪器提出了更高的要求。政府政策的支持，鼓励企业进行技术创新和产业升级，推动了电子测试测量仪器行业的发展。市场竞争格局全球电子测试测量仪器行业市场格局相对集中，CR5约为45%。其中是德科技、罗德与施瓦茨、泰克、美国国家仪器等海外厂商占据市场主导地位。我国电子测试测量仪器行业起步相对较晚，在技术上与国外优势企业仍有一定的差距。近年来，我国电子测试测量仪器行业发展迅速，涌现出一批具有竞争力的企业。行业发展趋势未来，全球及中国电子测试测量仪器行业将呈现以下发展趋势：智能化：电子测试测量仪器将向智能化方向发展，以满足工业制造智能化、自动化的需求。智能化电子测试测量仪器将具有更强的自动化、网络化、可视化等功能，能够实现更高效、更精准的测试。集成化：电子测试测量仪器将向集成化方向发展，以满足工业制造小型化、轻量化的需求。集成化电子测试测量仪器将将多种功能集成到一个平台上，能够实现更便捷、更灵活的测试。虚拟化：电子测试测量仪器将向虚拟化方向发展，以满足工业制造虚拟化、仿真化的需求。虚拟化电子测试测量仪器将通过计算机模拟实现测试，能够实现更安全、更高效的测试。4. 思林杰主推产品介绍思林杰科技目前产品主要方向：NYSA模块化仪器平台、高精确度测量、高速信号采集与处理、射频信号测量。NYSA 模块化仪器平台基于 FPGA 控制器， 搭配丰富灵活的仪器模块， 如万用表、示波器、 信号发生器、 数据记录仪、 音频分析仪等，涵盖了高精度信号、 高速与射频信号测试测量与处理， 提供了从验证到试产到量产的全过程测试测量技术与解决方案，同时与国际领先客户达成深度合作并获得高度认可。 其中嵌入式形态结构紧凑， 方便内嵌设备； 插卡式仪器整机不仅可用于原型开发，也可作为多功能仪器使用；独立式仪器小巧紧凑， 可作为单⼀功能的仪器使用； 综测仪提供了多功能完整产线测试整机形态，方便部署于产线测试。思林杰 NYSA 嵌入式模块化仪器平台Archon 是思林杰科技自主研发的测试系统管理软件，具备图形化低代码方式开发管理运行测试用例和测试计划的功能，支持实时查看测试数据、自定义数据报表模板和可视化数据分析，并为与其他企业系统的连接提供可扩展的插件。Archon 广泛应用在消费电子、军工和芯片测试领域， 降低测试用例开发管理难度，提高生产测试效率。Nysa Toolkit 是 Archon的辅助固件生成工具。其根据不同的项目需求， 可以选择对应的仪器模块并连接到控制模块上，自动生成固件；同时也是 Nysa 系列仪器的管理工具，可以对嵌入式、 插卡式及独立式的 Nysa 仪器集中管理， 可以动态生成仪器的固件，并下载到仪器中。对于不同的仪器模块，显示相应的虚拟仪表界面，方便用户调试。思林杰 Archon 测试系统管理软件近期除了NYSA模块化仪器平台和Archon测试系统管理软件，思林杰科技基于最新的FPGA技术和各类AD/DA解决方案，推出了面向高精度测量、高速信号采集与处理、射频信号测量等解决方案。在高精度测量方面，思林杰科技近期推出了SG2165 SMU和SG2350 LCR。其中，SG2165 精密型源测量单元（SMU）能够实现四象限操作，精确地输出电压或电流以及同时测量电压、电流和电阻等功能。 它集成了六位半数字万用表 (DMM) 、五位半精密电压源、电流源、电⼦负载和脉冲发生器的功能，具有功能丰富，体积小巧紧凑，标准测试接口等特点，非常适合集成到测试治具中。 SG2165 源测量单元平台主要用于半导体、传感器、模组等 IVR 测试测量。 其为产线测试量身定制，为产线自动化 ICT 及 FCT 提供高效、高性价比的测试测量解决方案。思林杰 SG2165 精密型源测量单元（SMU）SG2350 LCR 阻抗测试平台是⼀款精密型 LCR 表，其基本测量精度可达 0.1%，且支持多种测试激励模式，拥有 20 Hz 至 2 MHz 连续可调的宽范围测试频率，和 0 至 2 Vrms 或者 0 至20 mArms 连续可调的测试电平，并且具备可调最大 2 V 的直流偏置功能；使用该平台可测试多种阻抗参数，测量精准的同时，可实现最快 5 ms 的测量速度，其紧凑、模块化的设计为产线元器件，材料，半导体，MEMS 等阻抗参数测试测量提供了高性价比的选择。思林杰 SG2350 LCR 阻抗测试平台在高速信号采集与处理方面，思林杰发布了一系列的DAQ数据采集方案与产品和高速总线分析解决方案。DAQ 数据采集其核心架构由模拟前端 （AFE）、模数转换器 （ADC）、现场可编程门阵列 (FPGA) 及触发(Trigger) 组成。 通过 AFE 对模拟信号进⾏信号调理后经过核心组件 ADC 实现对模拟信号的数字量化编码，最终通过 FPGA SoC 进行数字信号的采集、处理、分析和存储转发，并可支持内部及外部触发采样模式。其中，FPGA基于Xilinx Zynq 7000系列和UltraScale+系列，采集速率涵盖250KSPS/24bits到5GSPS/8bits等各速率和分辨率解决方案。DAQ数据采集产品有三种产品形态，如数据采集模块、数据采集卡及数据采集盒子三种数据采集系统，方便根据客户需求选择合适的产品形态和提供丰富的解决方案。DAQ 产品主要用于电气、物理、机械、声学和信号路由等应用，可以表征产品、监控过程或产品、以及控制测试过程，在科学研究、工业自动化和测试测量领域起着关键的作用。思林杰 SG1227 PCIe 高速采集卡 思林杰 SG2168 高速采集盒在高速总线分析方面，思林杰科技推出了MIPI D-PHY、C-PHY、RFFE、SPMI、I3C、USB-C、Displayport等高速信号采集、发生与处理解决方案，并可基于FPGA SerDes进行PRBS误码率测试，基于BERT进行高速眼图重构，为高速数据线缆测试、高速连接器测试、高速信号链路测试提供了高效高性价比的信号质量评估测试方案。思林杰 SG2153 MIPI Tester PRBS 眼图、误码率&抖动容限分析在射频信号测量方面，思林杰发布了VNA矢量网络分析仪和SDR软件无线电平台。SG2163 型矢量网络分析仪（ VNA ）是⼀款四端口8.5GHz频段的射频测量仪器，其能够提供射频信号传输特性和反射特性的测量。本产品由主机单元和基于 Windows 系统的控制与显示界面组成，数据传输采用千兆以太网接口。其广泛应用于微波器件，材料科学，电子通信等基础行业和领域的射频研发测试与生产制造。思林杰 SG2163 矢量网络分析仪（ VNA ）SG2277 是⼀款基于软件无线电技术的射频测试平台。 该平台集主控处理器、FPGA 和射频前端于⼀体，最多支持 8 个通道的信号生成、8 个通道的信号采样及频谱分析功能。平台有射频直采和上下变频解决方案，覆盖到6.5 GHz频段，该功能使平台在许多场景的应用中更加灵活。思林杰 SG2277 射频测试平台（ SDR ）5. 思林杰产品主要应用场景思林杰科技NYSA模块化仪器最开始应用于消费类电子产品线测试。典型的消费类电子产品FCT测试系统需要若干台传统仪器进行系统搭建，如示波器、信号源、数字万用表、音频分析仪、时序测试仪、程控电源、电子负载、频率计、FW烧写器、数字IO逻辑分析仪、通信接口扩展器、开关与切换等，有的功能由于传统仪器没有现成解决方案或成本高，甚至需要定制化实现。因此，由于消费类电子产品更新速度快、技术应用周期短，基于传统标准仪器的解决方案不能高效满足FCT测试需求，其需要涵盖多类型仪器的测试系统搭建与调试，难度高，周期长，行业内缺乏定制化功能交钥匙解决方案，成本高、体积大、UPH效率低。为了解决消费类电子产品FCT测试这个行业痛点，思林杰科技推出了NYSA模块化仪器的FCT解决方案。其解决方案基于FPGA SOC（ARM+FPGA）控制器，通过底层自定义总线与模块化仪器并行互联。其中FPGA的数字逻辑层，可进行采集和激励信号的处理和算法加速，数字信号的测试测量和一些解决方案的逻辑层面定制，如频率计、FW烧写器、通信接口扩展、数字IO逻辑和总线分析；FPGA的ARM处理器可运行RTOS或Linux，运行Archon测试系统对仪器模块和信号的管理、进行测试序列的执行和测试结果处理和上传。同时，思林杰科技积累了丰富的仪器模块库，如示波器系列、信号源系列、数字万用表系列、音频分析仪系列和相应的IP库，可通过对现有仪器模块选择进行FCT测试系统的搭建。在同等机柜体积下，嵌入式模块化仪器相对于传统标准仪器可以实现总效率、并行通道数、读取、切换、上传效率、测试速率的提高，测试系统体积的大幅减小，总成本的大幅降低。基于标准仪器的传统 FCT 产线测试方案 思林杰NYSA嵌入式仪器模块FCT产线测试方案近年来，NYSA模块化仪器除了在消费类电子产品测试FCT站点大规模部署和应用外，在ICT、模组测试甚至芯片测试阶段也开始用NYSA模块化仪器解决方案进行测试系统的搭建，此外也有越来越多的客户在研发阶段的原型机测试、NPI小批量转产验证测试使用此解决方案。在其他行业，如生物医疗、新能源等领域，思林杰科技也基于FPGA和最新的AD/DA解决方案，提供核心模块的研发、验证、批量生产服务，譬如基于FPGA的卷积、反卷积、积分等算法处理与加速，生物医疗传感器微弱信号的共模噪声抑制和降噪处理，高压信号与激光信号的激励与处理，AI视觉检测与成像处理系统等。这些方案与模块除了应用于产品测试领域，更广泛的应用于客户产品核心模块的测量领域，思林杰科技提供了全过程产品研发、验证、批量生产测试交付服务。生物医疗应用：微生物质谱检测系统应用 新能源应用：激光测风雷达6. 未来电子测试测量技术/仪器发展趋势智慧工厂未来电子测试测量技术和仪器的发展趋势涉及多个方面，其中包括：高集成度和多功能性： 未来的测试测量仪器很可能会越来越集成多种功能，以适应复杂系统和设备的测试需求。高度集成甚至多学科融合的仪器可以提高测试效率和减少测试成本。宽频带和高速度： 随着通信和数据传输速度的不断提高，测试仪器需要具备更高的频带和速度来适应新兴技术和标准，如5G通信、物联网和高速数字总线。自动化和智能化： 自动化在测试领域一直是一个重要的趋势。未来的仪器很可能会更加智能，具备自动识别、配置和执行测试任务的能力。机器学习和人工智能技术可能会应用于测试数据分析和故障诊断。量子技术的应用： 随着量子技术的发展，未来的测试测量仪器可能会受益于量子传感器和量子计算的应用。这可能导致更高的精度和灵敏度。更小型化和便携性： 随着设备越来越小型化，测试仪器也需要变得更小巧轻便，以适应便携性需求。这对于现场测试和移动设备的测试非常重要。绿色技术： 环保和能源效率是未来技术发展的关键方向之一。测试仪器可能会采用更为节能和环保的设计，以减少对环境的影响。云服务和远程访问： 云服务和远程访问技术的发展使得测试数据的存储、管理和分析更加便捷。未来的测试仪器可能会更加集成云服务，实现远程访问和协作。AI 人工智能总体而言，未来电子测试测量技术和仪器的发展趋势将在高度集成、自动化、智能化、便携性和环保方面取得进展，以适应不断变化的技术和市场需求。随着人们对生活品质需求的提升、新技术应用的产品导入，测试测量市场将保持高速发展趋势，测试测量市场规模将越来越大，各芯片厂商、仪器仪表厂家、测试测量方案集成商将在此市场拥有很好的发展空间，结合市场需求和自身产品、解决方案优势持续迭代，获得长远发展。作者简介陈昕(1982)，男，2006英国约克大学获得通信工程硕士学位，毕业后分别从事基于FPGA的通信系统设计与研发、FPGA芯片系统应用、电子测试测量系统与应用设计与市场发展主管，现任思林杰科技市场总监、北美与线上营销总监。

高山滑雪最高时速达248km/h，滑雪赛道也需要“塑胶跑道”“更快，更高，更强”是奥林匹克的口号，充分反映了奥林匹克运动所倡导的不断进取、永不满足的奋斗精神。奥运会纪录的频频打破，不但有运动员的刻苦训练，教练员的辛勤指导，科技尤其是对于运动场地的科技提升也扮演了重要的角色。就拿大家熟悉的田径运动场而言，最初的跑道是煤渣跑道（相信很多70后、80后的老伙伴们都跑过吧），后来改成了人工合成的塑胶跑道，与煤渣跑道相比，其弹性好，吸震能力好，为运动员的发挥和成绩的提高提供了物质基础。在1968年的墨西哥奥运会上，在首次使用的塑胶跑道赛场上创造了诸多的奥林匹克纪录。2022年中国北京即将举行冬季奥林匹克运动会，中国提出了“科技冬奥”的概念，中国冰雪运动必须走科技创新之路。高山滑雪比赛是冬季奥运会的重要组成部分，被誉为“冬奥会皇冠上的明珠“。高山滑雪的观赏性强，危险性大，比赛时运动员最高时速可达到248km/h。高山滑雪比赛均采用冰状雪赛道。什么是冰状雪？所谓冰状雪，是指滑雪场的雪质形态，其表面有一层薄的硬冰壳，用于减小赛道表面对于滑雪板的摩擦力。可以说冰状雪赛道就是高山滑雪项目的塑胶跑道，其制作的质量对提高运动员的成绩及滑雪的舒适感，保护运动员的身体，延长运动寿命有着十分重要的作用。看似简单的冰状雪赛道，制作起来却大有讲究。冰状雪的制作过程十分复杂，目前采用的是向雪地内部注水的方案。但是注水的强度和注水的时间把握需要根据不同的赛道地点以及当时注水时的气温进行相应的调节，以保证冰状雪赛道既有一定的强度，又有足够的弹性，使得运动员能够在高速的高山滑雪比赛中舒畅的进行滑降、回转等比赛项目。与田径场塑胶跑道不同的是，每次比赛每一个运动员在进行高山滑雪比赛时，由于技术动作的需要，都或多或少的会对冰状雪的赛道产生一定损伤，为了保证比赛的公平性，前后出发的滑雪运动员的赛道雪质状态需要保证一致，因此冰状雪赛道还需要有一定的厚度以及均匀性。研制新型冰状雪测量仪器，保障赛道质量既然冰状雪赛道有如此多的要求，那么过去是如何判断冰状雪赛道的雪质的呢?主要是采用人工判断的方法，即找一些有经验的裁判员用探针安装在电钻上进行触探工作，通过触探工作反馈的手感判断冰状雪赛道的建造质量。这种带有一定“盲盒”性质的判断工作往往会显得很不透明，也不利于这项运动的推广。助力2022北京冬奥会，依托科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项2020的“不同气候条件下冰状雪赛道制作关键技术”项目，中国科学院南京天文光学技术研究所南极团队和中国气象科学研究院共同合作研发了用于判断冰状雪赛道质量的冰雪粒径测量仪和冰雪硬度测量仪，其目的在于将冰状雪质量的人工主观判断，变成清晰可见的客观物理数据，通过对这些物理数据的科学分析，结合有经验的运动员的滑雪体验，掌握不同地点，不同天气条件下冰状雪赛道的制作方法。主要有如下两种仪器：冰雪粒径自动测量仪和冰雪硬度自动测量仪。积雪颗粒的形状及大小是影响雪的力学性质的主要因素，不同大小雪粒之间在自然状态下空隙不断变小，雪中含有的空气降低，使得雪粒间的化学键合力增强，从而影响雪的硬度。那么如何测量积雪的颗粒呢，科研人员采用漫散射原理：近红外光经过粗糙的表面会被无规律的向各个方向反射，会造成光强度减弱，光减弱的大小跟表面的粗糙相关，而积雪表面的粗糙程度是由粒径决定的。通过测量光减弱的比例间接的测量出冰雪的颗粒大小。冰雪粒径自动测量仪测量注水雪样雪的硬度测试是反映冰雪强度的重要指标之一，冰雪硬度测量仪的原理是通过电机带动滑轨驱动探头打入冰状雪赛道内部，并读取探头受到的反作用力的大小来判断冰雪的硬度条件。该方法的好处是可以做到基本无损的对赛道进行冰雪硬度的测量，不影响赛道的后续使用，并且可以通过读取力和冰状雪深度的曲线了解冰状雪赛道的均匀性。针对高山滑雪的赛场坡度较陡，人工攀爬十分困难，科研人员在仪器的便携性上做了特殊的设计，设计了一款折叠式的硬度测量仪，方便携带，可以从坡顶沿雪道一直测量到坡底，实现了仪器的“就地展开”和“指哪测哪”的功能。冰雪硬度测量仪现场工作照片2020年11月-2021年3月，抓住冬奥会举办前的最后一个冬季的机遇，在冬奥会举办地北京延庆、河北张家口以及黑龙江哈尔滨亚布力冬季体育训练基地对不同气候条件、不同注水强度的冰状雪赛道，使用研制的冰雪粒径自动测量仪和冰雪硬度自动测量仪进行了粒径及冰雪硬度测试，获得了不同深度冰雪粒径的变化图以及不同深度的冰雪硬度的曲线图。冰状雪赛道压强-深度关系图该项目的首席科学家，中科院西北研究院冰冻圈科学国家重点实验室副主任王飞腾研究员认为“雪粒径及硬度计等新型冰雪仪器的研究，将过去以人工经验为主的冰状雪赛道状态判断变为了客观、清晰的科学指标，为冰状雪赛道制作标准的透明化提供了参考依据”。项目攻关团队的带头人，国际冰冻圈科学协会副主席，中国气象科学研究院丁明虎研究员认为“雪粒径和硬度计的设计充分考虑了不同于自然雪的人工造雪的特殊情况，仪器在项目工作中表现优异，性能稳定，可靠性高。”未来将在南极天文台发挥作用冰雪强度、硬度的测量不仅可以应用于滑雪相关的体育运动中，在未来的极地工程建设上也能发挥作用。遥远的南极虽然不是适合人类居住的地方，但是却有着良好的天文观测条件。根据2020年在 Nature 上发表的一篇文章，证明昆仑站所在的冰穹A地区的光学天文观测条件优于已知的其他任何地面台址。这项研究成果确认了昆仑站有珍贵的天文观测台址资源，为我国进一步开展南极天文研究奠定了科学的基础。但是如何在南极地区安装大型望远镜又有很多实际的困难，其中之一就是普通的大型望远镜的基墩都是直接安装在地球的基岩上，这样基墩比较扎实稳固，能保证望远镜在观测时不会因为地基不稳产生晃动，但是冰穹A地区的冰大约有4000m那么厚，相当于1500层楼房那么高，如果再想将望远镜基墩打入基岩显然难以做到。那么大型望远镜如何能够平稳的伫立在南极浮动的冰盖上呢？这就需要科学家们对冰穹A地区的冰雪进行特殊的加固处理，使其能够满足基墩的设计要求。在加固处理完后，我们的雪粒径和硬度测量仪就可以对加固后的冰雪强度进行测量，通过科学的数据检验其是否能够满足南极大型望远镜的需求。

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，荣幸地邀请到了西安交通大学杨树明教授，就其研究方向、精密测量技术发展趋势以及我国精密测量仪器产业发展现状等话题展开分享。西安交通大学 杨树明教授仪器信息网：请简单介绍下您的研究方向。杨树明教授：我一直聚焦于微纳测量领域，包括在该领域开展基础和应用研究，以及关键技术和装备开发等。近些年来，我们把微纳测量技术应用于芯片检测领域，特别是晶圆缺陷检测设备的研发。在长期技术储备的基础上，我们与企业紧密合作，争取在该领域实现重大突破，推动我国半导体芯片检测技术的自主化进程，解决晶圆缺陷检测的国产化难题。仪器信息网：您如何看待国内外精密测量仪器产业的发展现状？杨树明教授：精密和超精密测量的重要性越来越受到重视，也迎来前所未有的发展机遇，将在制造业转型升级中发挥重要作用，为制造业的提质增效提供有力支撑。然而，我们也应清醒地看到，对于精密测量仪器，国内与国际先进水平之间仍存在显著差距。而缩小这一差距，需要长期的坚持与不懈努力。仪器信息网：国内精密测量仪器产业应如何补齐这一差距？杨树明教授：我觉得人才是核心要素。一方面，该领域专业人才短缺，当前亟需通过提升高校培养规模、鼓励更多高校开设相关专业来加强人才供给；另一方面，构建有效的激励机制与制度保障，从而吸引并留住优秀人才在该领域长期耕耘。这两方面对于补齐我国与国际精密测量技术先进水平之间的差距具有关键作用。另外，要推动我国精密测量技术的蓬勃发展，逐步缩小与国际前沿的差距，并实现超越，我们还需要从多个维度上坚持不懈地努力。仪器信息网：我国在精密测量技术及仪器领域面临哪些挑战？特别是关键核心零部件及供应链方面是否存在瓶颈？杨树明教授：当前，从关键零部件至整机，我们仍面临诸多挑战。例如光源，尽管国内光源性能正逐步提升，但是短波长光源尚且没有完全达到应用要求，市场上尚缺乏适用于晶圆缺陷检测的成熟光源产品。同时，探测器、光学元件等关键零部件与国际先进水平相比，仍存在一定的差距。不过，我们在人工智能领域表现亮眼，相关技术在精密测量技术领域的应用，展现了一定的优势。仪器信息网：您如何看待人工智能对精密测量技术的影响？杨树明教授："智能"已成为众多领域关注焦点之一。在测量领域，人工智能影响着测量的标定方法、管理方式和应用领域等，同时人工智能发展又需要测量作为支撑，包括数据如何精确获取、数据处理算法和模型的准确性等。可见，人工智能与精密测量必然相互融合发展。仪器信息网：您认为未来精密测量技术及仪器将沿着哪些方向发展？有哪些新兴技术或应用值得关注？杨树明教授：过去的测量工作主要聚焦于单一物理量，采用单一方法和设备完成。然而，随着测量需求日益多样化与复杂化，测量向着多物理量同步测量的方向迈进，要求测量仪器和设备集成多测头，具有多功能。随着加工精度和尺度从微米级到纳米级再到原子级，精度与尺度的极致追求对测量技术提出了更高要求，而且极端化的工作环境使得传统方法与技术难以胜任。此外，极致精度和极端尺度方面，缺乏标准和测量规范，需要探索新的计量与溯源方法。仪器信息网：您认为大规模设备更新将对国产仪器带来哪些机遇？杨树明教授：这是国产仪器发展的好机会和机遇。国产设备因性能与进口设备存在一定差距，导致市场在选择时往往倾向于进口产品。在当前国际形势下，加上政策支持与国产仪器前期的基础和积累，国产仪器有望加速融入市场，在实际应用中不断迭代升级，逐步提升其性能。这必将促进国产仪器行业的加速发展，并逐步实现国产替代。仪器信息网：在国产替代的大背景下，您认为国产精密测量仪器企业应加强哪些方面的能力建设以提升竞争力？杨树明教授：首先，应加强企业与高校的紧密合作。企业应主动寻求与高校的深度合作，而高校也应积极与企业对接。双方应基于各自的需求与优势，构建协同发展的合作模式。企业应充分利用高校的科研平台与资源优势，在制定未来发展规划时，特别是涉及新技术、新方法时，与高校紧密合作，让高校进行前瞻性研究。实际上，高校也要积极与企业开展紧密合作，与企业携手并进，才能使其成果落地。借此机会，我们诚挚希望与更多企业及高校研究院所携手，共同研发高端测量仪器，为国家解决“卡脖子”技术和产业升级提供技术支撑。