精密测量是高端制造的“眼睛”: 我国机械测试领域的发展之路

　　面向制造强国战略，突破装备重大需求，为促进学术交流，推动相关领域纵深发展，《激光与光电子学进展》于2023年第3期(2月)推出“超精密测量技术”专题，其中邀请国家自然科学基金委员会工程与材料科学部机械学科主任叶鑫等从科学基金资助情况统计和文献分析本领域的代表性进展。

　　1、引 言

　　机械测试理论与技术以计量标准理论、测试理论方法、传感技术及器件、测试仪器系统等内容为主体，综合运用材料、控制、信息等多学科领域最新成果，研究机械信息的高效获取方法与技术，构建高性能仪器设备，是定量机械科学研究、精准制造过程控制和可靠服役性能维护的基础。机械测试是机械学科的3 个重要组成部分之一：设计是前提、制造是基础、测量是关键;机械测试是机械设计的量化工具，是机械制造的眼睛。在国际竞争格局发生深刻变化、国内高质量发展提出新要求的背景下，机械测试理论与技术正逐步摒弃传统单一、辅助的功能模式，从被动为机械学科提供测试服务，转变为主动创新测量方法技术，推动制造技术进步，特别是在以光刻机为代表的各类高端装备中，机械测试理论与技术更是贯穿设计、制造与服役的全过程，起到了信息赋能的融合与推动作用。

　　机械测试领域研究，在技术及仪器设备层面的科学性与专业性使其成为与制造系统深度融合集成、保障制造工艺优化、产品性能提升的关键;在原理方法基础层面的交叉性和前沿性使其兼具“ 非对称”赶超优势，特别是新一代量子基标准体系下的计量测试原理方法和溯源技术、智能制造环境状态感知等问题有望成为在该领域弯道超车的重点。

　　本文通过科学基金资助情况统计及国内外文献检索，综合分析了本领域的代表性进展、研究热点与发展趋势，为本领域的科研工作者提供参考。

　　2、自然科学基金项目资助分析及研究进展

　　2.1、面上/青年/地区项目

　　36年来(1987年—2022年)，机械测试理论与技术领域申请国家自然科学基金面上/青年/地区项目总数为6423项，在机械设计与制造学科(E05)申请总数中的占比为7. 09%，但平均资助率却达到了21. 52%，高出E05 平均资助率1. 1个百分点，且面上项目和青年科学基金项目申请总数及获资助项目数排前5名的依托单位完全一致，如图1所示，哈尔滨工业大学的资助率最高(高达44. 32%)，合肥工业大学申请量最高但资助率在前5名高校中最低。地区科学基金项目申请量和获资助项目数前5名的依托单位相同，分别是南昌航空大学、华东交通大学、昆明理工大学、桂林电子科技大学、南昌大学。

　　2.2、重要人才类项目的资助情况

　　自1994年国家杰出青年科学基金项目(以下简称杰青项目)和2012年优秀青年科学基金项目(以下简称优青项目)设立至今，机械测试理论与技术领域共有88 人申请杰青项目，11人获得资助，平均资助率为12. 5%，高于E05 平均资助率(10. 03%)，获资助人数占E05 总资助人数(118 名)的9. 32%;共有86人申请优青项目，8人获得资助，平均资助率为9. 3%，基本与E05 的平均资助率(9. 32%)持平，获资助人数占E05总资助人数(126名)的6. 35%。申请与资助情况，如图2所示。人才类项目有2个特点：

　　1) 面向制造强国战略，突破装备重大需求。获资助人才类项目背景主要面向高端精密装备几何量超精密测量所需的新型测量原理、方法、技术及仪器研究，研究方向主要集中在精密与超精密测量、机械传感与测量、微纳结构测量、在线/原位测量等方向的理论、方法与器件等。这些方向瞄准了高端精密装备和高性能制造过程，是实现我国重大装备“ 上水平”、制造过程“高性能”、服役状态“恒保持”的关键。如北京航空航天大学张广军教授研制的载人飞船二氧化碳分压传感器随“神舟一号”和“神舟二号”成功发射;华中科技大学刘世元教授提出了纳米结构椭偏散射计算测量新原理，创新研制出宽光谱穆勒矩阵椭偏仪、高分辨成像椭偏仪、超快椭偏仪等三类仪器，膜厚重复测量精度为0. 002 nm(目前国际最高水平)，广泛应用于集成电路(IC)纳米结构、新型二维材料、极端超快过程等测量表征，实现了高端椭偏仪成果转化与产业化，开发的IC 膜厚/关键尺寸(OCD)测量设备已批量进入中芯国际、长江存储等产线。2) 深耕机械测试沃土，精心培育高端人才。36年间(1987年—2022 年)，在机械测试理论与技术领域申请项目的依托单位共373 家，各类项目总计申请量36 项(年均1 项)以上的仅26 家，说明该领域目前大多数学者仍然是单兵作战，能形成团队优势的相对较少。比较有代表性的团队有：哈尔滨工业大学谭久彬院士团队，面向超精密激光干涉、激光共焦、微光纤传感、微环境测控等超精密测量仪器与装备技术研究，近10年来承担机械测试理论与技术领域基金项目30 余项，总经费2300余万元，资助培养院士1人，优青1名，其他国家高层次及青年人才12人。天津大学邾继贵团队，依托于精密测试技术与仪器国家重点实验室，针对机械制造发展过程中的在线精密测量问题，研究激光及光电测试、视觉检测、大尺寸测量等空间几何量测量原理和技术，创新制造现场精密测量理论与方法，开发新型测量仪器，服务航空航天、船舶、汽车等领域大型装备现场精密测量需求，支撑装备制造技术持续迭代升级，助力国家智能制造产业发展。近10年，团队获批国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目1 项、重点项目1 项及其他项目10 项，培养杰青1 名。中北大学张文栋团队，立足于研究开发极端环境下动态过程参量原位测试的方法、技术和仪器，解决动态测试中基础科学问题与关键技术难题，培养杰青、优青各2名，另有卓青、青拔、青长、百千万人才11名。

　　2.3、重点类项目的资助情况

　　机械测试理论与技术领域重点类项目申请及资助情况，如图3所示。迄今为止共有83人提出申请，18人获得资助，资助率为21. 69%，略高于E05 的平均资助率(19. 12%)，获资助人数占E05 总资助人数(257名)的7%。其中，聚焦无损检测、在线检测、高精密测量和超声传感方向的项目较多，瞄准了动态测量、位姿测量、在线测量、高分辨测量以及微细结构测量和缺陷检测等前沿方向。同时，也有计量基准方向的项目。表明资助项目涵盖了机械测试理论与技术的几乎所有资助领域，对各领域的协调发展起到了很好的导向作用。

　　机械测试领域具有很强的交叉性，融入设计与制造的全过程。截至目前，机械学科所资助的252项重点项目中，非机械测试领域的项目有235项，其中研究内容或技术手段涉及机械测试、测量的项目有158项，占比67. 2%。如：华中科技大学熊有伦院士在“ 大型复杂曲面零件的数字化设计-加工-测量一体化理论与技术”重点项目中，开展了几何量和物理量在线组合测量的研究，研究大型复杂曲面零件的全局测量和局部测量相结合的在线测量和数据融合方法，探索加工过程中力、热等物理量的间接测量新方法，实现大型复杂曲面零件加工过程中几何量和物理量的组合测量和快速高精度获取;西安交通大学何正嘉教授在“大型复杂机电系统早期故障智能预示的理论与技术”重点项目中，利用多源传感器优化配置，分析复杂机械系统的动力学、热力学和摩擦学特性，研究潜在故障发生、发展机理，通过多源(振动、噪声、温度、扭转等)传感器的优选与合理配置，获得最能反映微弱和潜在故障的信息。然而，作为机械测试的标准和基础，机械计量标准、理论与方法的研究较少，需引导科学家加强该方向的研究。

　　2.4、国家重大科研仪器设备研制专项及项目的资助情况

　　国家重大科研仪器研制项目面向科学前沿和国家需求，以科学目标为导向，资助对促进科学发展、探索自然规律和开拓研究领域具有重要作用的原创科研仪器与核心部件的研制，着力支持原创性重大科研仪器设备研制，为科学研究提供更新颖的手段和工具，以全面提升我国的原始创新能力。包括部门推荐和自由申请2个亚类，部门推荐类项目的资助额度在1000万元/项以上(以下简称大仪器)，自由申请类项目一般应小于1000万元(以下简称小仪器)。现代科学的发展历程表明，重大科学创新和科学研究新领域的开辟通常以科学仪器和技术方法上突破为先导。

　　机械测试理论与技术获资助国家重大科研仪器设备研制专项及项目在学部及全委的占比，如图4所示。截至目前，E05 学科共资助大仪器3项。

　　1) 中南大学钟掘院士主持的“材料与构件深部应力场及缺陷无损探测中子谱仪研制”(51327902)，资助经费为7800万元。该项目是基金委工程与材料科学部首批资助的重大仪器专项项目，重点针对结构材料深部内应力不能直接测量的问题，该问题已成为研究、设计、制造工程结构和复杂装备的巨大屏障，严重影响着新材料的研究工作。通过该项目的实施，自主研制了国内首台高通量、高分辨、大承重、高定位精度的中子应力工程谱仪，具有兼顾宏观应力检测和缺陷周边微应力场检测的功能，可实现在高低温及机械加载条件的应力测试，为揭示材料与构件深部应力形成与演变规律提供了重要的研究手段。2021 年9 月18 日，经项目验收专家组充分质疑和讨论，专家组认为该仪器总体处于国际先进水平，高中子通量、小取样体积和可测工件尺寸等指标属国际一流，测点智能切换具有独创性，并且突破了高通量中子聚焦、大小取样体积与高分辨探测、大承载高刚度高精度样品台架等关键技术。服务于工程构件精确设计和制造及服役性能的精确评估，以及材料-构件一体化设计、重大装备安全运行的工程需求，为国家重大工程的安全服役提供科学依据。

　　2) 清华大学雒建斌院士主持的“高分辨原位实时摩擦能量耗散测量系统”(51527901)，资助经费为7475. 9 万元。项目立足于引领摩擦学的研究，由以力学为核心的研究范式向能量范式转变，以千分之一量级摩擦系数的超滑体系为研究对象，为降低占比工业30% 的摩擦损耗为发展目标。课题突破了万分之一量级超低摩擦系数测量、摩擦过程中声子动力学行为测量、电子伏特级物理射线超宽发射谱的探测、摩擦界面分子结构演变的实时测量等仪器关键技术，并研制出国际首台原位实时高灵敏度摩擦能量耗散测量系统，实现万分之一的摩擦系数并揭示了摩擦能量耗散摩擦起源以及超滑的本质，拓展了超滑材料体系和指标能力。目前国际上尚无同类功能的仪器。其成功研制将大幅提升我国大型表界面领域科学仪器的研究水平，具有重大战略意义。超滑本质的揭示将利于研发出新的超滑材料，使摩擦能耗呈数量级降低，可望对制造、交通、能源等领域产生深远影响，也将是人类文明史的一大进步。

　　3) 武汉大学刘胜教授主持的“薄膜生长缺陷跨时空尺度原位/实时监测与调控实验装置”(51727901)，资助经费为6500 万元。该项目针对薄膜生长过程跨越介观到宏观的空间尺度和飞秒到秒的时间尺度、缺陷萌生及演化机理留有许多空白的现状，研制薄膜生长过程跨时空尺度原位/实时测量与调控实验装置，实现飞秒激光-等离子体复合增强的分子束外延(MBE)、有机金属化学气相沉积法(MOCVD)、微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)真空互联系统，生长异构异质薄膜。目前已成功研制出飞秒激光连续/突发成像系统、超快激光调控装置等各类测试/调控装置及定制超快电子成像等关键装备;已完成主体多功能薄膜集成生长装备的设计、各测量装置与薄膜生长系统的集成方案;同时开展了金刚石半导体p 型掺杂、氮化镓外延薄膜的飞秒激光缺陷修补研究，从本质上揭示了能量的吸收、传递、转换机制，以及微观缺陷的产生、演化和调控规律等主要科学问题。该实验装置对解决我国在薄膜生长核心技术“卡脖子”问题具有重要意义，大大促进了宽禁带等半导体材料与器件领域的学科发展与进步。

　　在机械测试理论与技术方向共资助小仪器12 项，占E05 学科资助项目数和经费的一半以上，分别占工程与材料科学部资助项目数量和资助经费的17. 95%;在全委的资助项目数量和资助经费也分别占到了2. 97% 和3. 08%。资助的项目多聚焦于航空航天、量子传感等前沿领域无损检测和测量、损伤测试、高分辨率成像关键核心仪器等领域。面向航空航天及量子传感，如在轨服务的空间机械臂接触作业地面半实物模拟器、航天服内嵌式意图驱动操作仪、基于稀疏孔径多波段成像的飞机位姿动态视觉测量系统、机载共形阵列天线柔性自动三维扫描测量技术与系统、深空探测成像仪、全模式微动磨损测试系统和高温高压多相流冲击微动损伤测试系统、共聚焦拉曼与微纳米压痕同步同位测试仪、固态量子传感的自旋系综测量与调控装置等。面向智能制造、基础工业和人类健康的多目标测量和检测仪器研制，如高性能精密坐标测量可重构多目标坐标测量技术及仪器、五轴数控机床的激光高精度多参数快速综合测量仪、超精密蜗轮副隐含误差规律的机械传动误差检测智能仪、小模数齿轮超精密测量仪、极端工况下轮轨黏着特性测试系统等基础制造业、多面体结构高性能分子成像仪器、血糖血脂无创监测核磁共振科学仪器、人体运动单元放电序列(MUAPt)的非侵入式记录仪器等。

　　每一项科研仪器的研制成功通常成为某一领域发展的“增速器”，为相关方向的基础科学研究、制造工艺优化、产业化提供了新原理、新方法和新途径，也能起到为该领域指明新研究方向和广阔发展前景的重要作用。机械测试理论与技术面向机械工程学科共性测量问题，以重大科研仪器设备研制为重点研究内容之一，与国家重大科研仪器研制项目鼓励和培育具有原创性思想的探索性科研仪器研制的资助导向较为相符。这也充分体现了机械测试理论与技术是衡量机械前沿基础科学研究能力及机械工程发展水平的重要标志之一，在机械学科基础研究、制造技术装备研发、制造过程控制、产品质量保证、系统运行保障等全部流程环节中发挥着不可或缺的支撑作用。

来源：计量资讯速递