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技術文章

超低頻高壓發生器的發展方向

超低頻高壓發生器的發展方向永恒主題，隨著科技的發展，各個領域對測試的精度要求越來越高。在尺寸測量范疇內，從**量來講已經提出了納米與亞納米的要求。納米測量已經不僅是單一方向的測量，而要求實現空間坐標測量。上世紀八十年代，美國國家標準技術研究院開始進行分子測量機的研究。上世紀九十年代末，美國北卡羅萊納州立大學夏洛特分校與麻省理工學院合作進行亞原子測量機的研究。我國臺灣大學與合肥工業大學合作，也在這方面展開了研究。在相對精度上，工程測量要求10的-7次方～10的-8次方乃至10的-9次方，而基準實現要求10的-12次方。

在時間測量上，分辨力要求達到飛秒級，相對精度10的-14次方。*近國際上又開始了建立光鐘時間基準的研究，相對精度為10的-19次方，即3000億年不差1秒。

為了開展某些基礎物理研究的需要，美國國家標準技術研究院正在研究引力波對光速的影響，測試精度要求達到10的-17次方。

在電量上則是要求能夠**測出單個電子的電量。

在航空航天領域，對飛行物速度和加速度的測量都要求達到0.05%的精度。

超低頻高壓發生器的發展方向
現代測量越來越多地在高速運動中進行。機床、蝸輪機、交通工具以及測量機的速度都在加快，要求測量轉速為每分鐘十幾萬轉的蝸輪機轉子和定子間的氣隙，每轉要求采樣上萬次。非接觸測量在實現快速測量上比接觸測量有很大優越性。

除了一般的機械工業外，國防、航天等高科技領域對測量速度的要求就更高了。如果說武器系統的打擊精度主要取決于測量控制的精度，那么武器系統的反應能力則主要取決于測試控制的速度。飛行器在運行中要對其軌跡、姿態、加速度不斷進行校正，要求在很短時間內迅速做出反應。進行火箭攔截時，反應不及時就會發生災難，測量和反應速度更是起決定作用。在對爆炸和核反應過程的研究中，也常要求能反應微秒時段內的狀態數據。

在自然科學領域一些超快物理現象和超快化學反應的研究中，往往要求助于飛秒激光進行測試。

功能更強

在科學技術的進步與社會發展過程中，會不斷出現新領域、新事物，需要人們去認識、探索和開拓，使之更好地為人類服務。例如開拓外層空間、探索微觀世界、了解人類自身的奧秘等等。

為此所需要測試的領域越來越多，超低頻高壓發生器的發展方向，環境越來越復雜，天上、地下、水中、人體內部。有的測量條件越來越惡劣：高溫、高速、高濕、高塵、振動、密閉、遙測、高壓力、高電壓、深水、強場、易爆等等。所需測量的參數類別越來越多，有的參數還是模糊參數，例如刀具磨損就是一個模糊參數。參數的定義也越來越復雜，就是像圓的直徑這樣看似*為簡單的參數，也必須依照一定的準則進行擬合，才能獲得符合定義、符合使用要求的值。

從測量范圍來看，也**擴大。尺寸測量要求能從原子核測到宇宙空間，電壓測量要求從納伏測到百萬伏，電阻測量從超導至10的14次方Ω，加速度測量從10的-4次方到10的4次方g，溫度測量從接近**零度到10的18次方度。

有些情況下要求實現聯網測量，以便在跨地域情況下實現同步測量。有些情況要求對多種參數實現同步測量，而同步的要求達微秒級。

所有這一切都要求測量手段與方法具有更強的功能。

2.2 融合一切*新科技成果

從儀器儀表、測試手段對國民經濟和社會發展的貢獻看是“秤砣雖小，四兩壓千斤”；就其技術含量而言，是“麻雀雖小、五臟俱全”。因此，現代測試是多學科、高科技的集合。

為了完成歷史賦予的使命，測試技術必須充分、及時利用和融合一切*新科技成果。超低頻高壓發生器的發展方向，科技**就是要將自然科學中的新發現迅速用到工程中來，解決工程和生產中的問題。

現代測量中簡單地依靠同類量進行直接比較實現測量的應用已經很少，因為它在精度、速度、功能上很難滿足要求。許多測量都是建立在一定的物理效應基礎上，即利用一定的物理效應實現量的轉換進行測量。例如利用霍爾效應構成霍爾傳感器，利用隧道效應構成掃描隧道顯微鏡。要密切注意物理學、化學、生物學等學科中的新發現，創建新的測量原理與方法。

當然，并不是兩個物理量之間的關系都可以用于測量，通過X向Y的轉化實現測量，一是要求Y比X易于操作、易于測量；二是Y/X很大，而Y/Pi很小，即Y對X的變化很敏感，而其它各種量Pi對X的影響很小。完全滿足上述條件是很困難的，在一些復雜的測量中，常利用多種效應，得到各種Yi(Yi可為各種不同性質的量)，然后進行信號融合，以確定X。

過去說儀器儀表是光、機、電結合體，現在僅有光、機、電結合不夠了，光、機、電、算結合也不夠，而是要充分運用激光、光纖、超導、納米、量子、仿生、微電子、MEMS、衛星、信息等領域的一切*新發現和技術。

激光與光學技術，包括基于幾何光學、波動光學、量子光學的各種測量方法，在幾何量檢測中具有廣泛應用前景。一方面是因為長度單位“米”是通過光在真空中在1/299792458秒時間內走過的距離定義的，具有“溯源”的優越性，另一方面它具有不接觸、無測量力、精度高、光斑可以很小、提供的信息豐富、可以在遠離被測對象的地方進行測量、便于實現快速測量等優點，在大尺寸、常規尺寸、在線測量以及微納領域都有廣泛應用。

測量儀器自身的微型化、便攜化是測量儀器的重要發展方向。在國防、航空、航天、生物、醫學、智能技術等中，微型化具有十分重要的意義。這里要充分利用MEMS、微電子以及光纖、超導、納米、量子、仿生、軟件等技術使儀器微型化，Lab on a chip,軟件就是儀器，是微型化的體現。對于現場測量及大型工程測量的便攜化，也要充分利用激光、光纖、光學、MEMS、微電子、軟件等技術提供的條件。

這里特別要強調的是測試與信息技術的融合。測試是一個提取信息的過程，它不僅包括原始信息的獲取，還包括信息的處理、存儲、傳輸和控制。特別是在復雜環境下，對于復雜參數的測試更離不開信息的處理和存儲(包括多種信息的融合)，在某些情況下還離不開信息的傳輸和控制。聯網測試以及工藝流程、生產過程或科學實驗流程的測試都是這方面的實例。

智能測試是測試技術發展的一個方向。對于智能技術還沒有一個統一的、確切的定義。筆者認為智能應該至少包括以下三方面內容：①對環境、工作條件、機器狀態、對象情況變化等具有自適應性；②實現信息交換與共享；③具有判斷、決策、優化的能力，從腦力上解放人類，使人類能更多地從事創造性的腦力勞動。

筆者在國家自然科學基金會資助下開發了一套智能三坐標測量系統。超低頻高壓發生器的發展方向，三坐標測量機將一切幾何量都歸結為坐標測量，從而使它有很大的通用性。根據工件的形狀編好程序后，就能進行自動測量。在完成點的坐標采集后，由軟件進行數據處理，提取特征值，并進行評定。

傳統三坐標測量機的不足之一就是需要編程。在現代生產中單件和少量幾件的生產占相當大的比例。對于這些生產，編程就是相當大的工作量，而且需要一定的知識。固然現代三坐標測量機一般都有自學習程序，即人工測量一遍，即可生成測量程序，但對單件和少量幾件的生產幾乎沒有意義。通過點菜單來生成程序也是相當繁瑣的，因此需要開發一種勿需編程和自學習就能自動生成測量程序的智能三坐標測量機。

智能三坐標測量系統的工作原理是利用中性文件STEP或IGES由工件的CAD文件提取被測工件的幾何特征和公差特征，實現信息共享；依靠知識庫對工件進行三維重構和建模。進行重構和建模是因為不了解工件的整體尺寸形狀，就無法解決防碰撞的問題。另外，對同樣一個100mm尺寸，軸間距與工件長度測量方法是完全不同的。工件在測量機上是隨意放置的，除了知道工件的尺寸、形狀、公差要求外，還必須知道工件的姿態和位置，才能對工件進行測量，這就是自適應問題。為了確定工件的安放位姿，在三坐標測量機上裝有一個攝像機。獲得工件的實際圖像后，將它與由工件CAD模型生成的工件虛擬圖像進行比較，以確定工件的安放位姿。由于工件可能利用不同的基準定位放置(例如一個箱體的六個面都可以作為安放基準)，需要生成各種安放情況下的虛擬圖像，與實際圖像進行匹配，并計算實際圖像的重心位置與主軸方向，以確定工件的位置和方向。在此基礎上，利用知識庫和數據庫，選擇測頭配置，確定測量點，進行路徑規劃，優化并生成測量程序，從而實現包括編程在內的自動智能測量。

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