坐标中国第六期｜“精密之眼”如何以时间测量空间

亦心绿

“精密之眼”如何#以时间测量空间#？#坐标中国# 明日揭晓！
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3 k, A' j' A( H) @6 Z% t8 C                                                        　　小新说
　　回首我们这十年，中央企业打造的一系列国之重器和超级工程，从不同维度镌刻下国家发展的新坐标(15.390, -0.56, -3.51%)。9月12日，“我们这十年@坐标中国”网上主题宣传正式启动，以不断刷新的中国跨度、中国精度、中国高度、中国深度、中国力度、中国速度为经纬，聚焦党的十八大以来具有代表性的基础设施建设和科技创新重大成果，展现央企建设者攻坚克难、挑战极限的胆识、魄力与智慧。
1 s- O! N, ]7 \# s, z; x
. C0 i" u  v6 D( N2 G  h2 z% p　　没有超精密测量，就没有高质量的装备制造。以“时间测量空间”的纳米时栅，测量精度最高可达±0.06角秒，相当于360度圆周内，任意1度的60000分之一，该测量精度达到了现有检测仪器水平的极限。今天，小新为您带来“坐标中国”系列主题片第六期，“中国精度”之《精密之眼》。

& r. t" n+ m8 k9 d　　以时间测量空间？
　　对，你没看错！
* }1 ?! Q( s- A9 \; u　　这听起来也许很科幻，
8 N" H. y3 [" ?0 `　　但绝不是天方夜谭。
7 W* j* p5 ^" O; p0 T8 @　　实现这神奇“时空转换”的关键
; V* K( O6 w9 ]" ?　　正是纳米时栅，
: q) p  h8 H9 k+ l, h& W7 Q　　一种“以时间测量空间”的
3 j% q* a2 q* P. f　　超高精度超高分辨力的位移传感器，
　　被称为精密定位与控制的“天眼”。
　
2 ~6 C9 {$ i$ y! {: Y　　PART1
. K0 `' V2 [. L- ?+ ~3 I　　时间何以测量空间？
　　在人类漫长的测量史中，
4 c4 W- L2 h  L: x" F# u* r, Z- P　　从“布手知尺，布指知寸”，
4 Y. T* @3 A* K2 y　　到使用具有统一尺寸和形状的工具；
! v4 n1 s, U( T6 N　　从测量精准至0.01mm的千分尺，
3 Q9 i$ S  N. a% ?　　到光学测量技术登上历史舞台……
　　时至今日，
* W9 o+ \8 z" c6 i: O4 ]　　我们甚至可以
　　“以时间测量空间”。
　　这关于“时”与“空”之间的秘密
6 d  h  w) U  U- x# u. c; u　　究竟是什么？
' |5 m4 Z, R" Y) M$ W
4 Z  E% ]$ x' A  t' C6 ?　　想象一个时钟
　　当秒针在表盘上匀速旋转一圈时
　　表示其在空间上走过了360度
　　而在时间上则经过了60秒
* R* L$ h9 M3 T) B: F+ z5 F! l# T& Z　　通过秒针的匀速运动
* f. Z7 U) q, h" {9 S" {6 ?　　让空间和时间产生了关联
6 P: {# F: i6 s
& F2 N) z- c2 D2 `; q　　可通俗理解为
% f, X& G0 ]$ \, N" \* Z5 Q1 l　　在相对匀速运动的两个坐标系上
' J7 M4 e( X/ ?$ `; _6 U　　互相观察对方
　　一方位置之差（位移）
4 l- }) `$ A( K1 M. ]# V* k3 ^+ R　　表现为另一方观察到的
8 A4 x, d( S  J　　时间之差

0 U' u, X' C3 q* K6 V8 n. s　　PART2
　　纳米时栅到底有多精密？
　　国之大器，
- [9 F$ O# H) h1 b. `　　始于毫末。
1 J& J0 j! e% W  p+ }　　“现代热力学之父”开尔文
  Q" V9 C$ u, @0 `' i　　有一条著名结论：
　　“只有测量出来，才能制造出来。”
; H+ X* ?: h! b* G9 t6 T) U8 K- G+ C　　没有精密的测量，
　　就没有精密的产品，
# D& T. i5 c* H8 H0 O　　高水平的精密测量技术和精密仪器制造能力，
6 E9 b6 m$ `; c) h- i" a　　是发展高端制造业的必备条件。
- K, g$ E- ^: A1 u4 F0 ^1 u# w　　纳米时栅的测量精度
" g5 ~7 q/ `2 \1 o　　最高可达±0.06角秒，
　　相当于360度圆周内，
　　任意1度的60000分之一，
　　这个测量精度达到了
! M4 D  e* H. l) T# C　　现有检测仪器水平的极限。
3 o3 j; G( X! I- p2 `" J  H　　在我国最高法定计量机构——
8 x3 f2 G6 B) @0 |+ N　　中国计量科学研究院两次现场测试结果
& j$ N7 c' [" R; h8 H. q$ H　　和国家角度基准的比对结果显示，
　　纳米时栅精度全面达到国际领先水平。
: n; g) S4 n+ q( W　　PART3
6 j& y# }8 s4 j3 |$ J% q% R　　纳米时栅是如何炼成的？
7 T" f9 q( U* p7 ~; w　　精密位移测量器件作为核心功能部件，
　　被国外巨头们进行严格战略性封锁。
　　进口传感器存在
　　价格高、货期长、售后难的问题，
# Y1 V& Z; J# W) F# P! N# t, \　　我国精密位移测量领域
　　亟待摆脱受制于人的局面。
　　时栅技术
/ w  s' T6 Z: T0 W　　作为我国自主研发的首创性成果，
4 m2 u: R! @5 E! K. L　　通过建立空间位移和
# M2 ~. `# r' c/ o　　时间基准之间的关系，
　　利用时间上的时刻比较
  p9 h& r9 E, L　　来实现位移测量，
5 h1 {5 L2 A# N% B/ U3 w　　从而达到高精度、
* q% d# r" K9 k& K1 s" v　　高可靠性的测量目的。
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　　十年磨一剑，二十年磨一尺。
  M' g; K9 c$ C( Q0 Q2 A# i　　纳米时栅团队从1996年
　　提出“时栅角度传感器”理念起，
1 D2 m) C$ w3 l+ i. j2 Z& C　　坚持自主研发道路，
* S* Y1 l$ G8 N8 l( ~　　历经
　　第一代机械式时栅、
　　第二代磁场式时栅、
　　第三代电场式时栅（即“纳米时栅”），
3 a- ~2 S  b; Y1 m) L5 l　　持续攻克
　　“提高测量精度与增加测量范围的矛盾”
+ K6 b8 b8 n  _# ]4 M) {　　“精度提高导致的误差溯源困难”
! z$ H* I! b$ o! V0 w　　“突破光学衍射极限改善分辨力”
　　三座技术大山。
　　破解产品可靠性、
0 ]7 W9 q5 P* g) R4 l, }　　应用场景多样化、
3 y& }$ y, B+ v　　市场认可度等多只“拦路虎”，
  b) r1 v) o- F9 }/ _　　团队开发出一种高精度运动控制
# p" |% i8 @- E- }　　耐油污粉尘的时栅位移传感器，
　　实现从思想到技术的里程碑。

　　2021年4月，
" t7 p0 {/ A3 D! }. A! E6 F　　通用技术集团和重庆理工大学
　　共同成立
* B5 c: Q  l& Z" e0 P  j　　通用技术集团国测时栅科技有限公司，
　　标志着时栅成果正式开启转化应用
- [- C# Y* e- s$ i0 p8 ?　　服务市场用户的新阶段，
% K) t. i% K( c) H7 n# ]7 X　　纳米时栅产业化进程全面提速。
" _, b  a; t( B' I6 p( V　　目前，纳米时栅技术
7 r3 X5 w+ k1 k$ G8 L) a　　已经广泛应用于高档数控机床、
9 i% |/ @4 [5 f  O3 _  e$ d　　坐标测量仪、伺服电机、
* G- X/ G% j9 ?* o; R- V1 F4 s　　量具量仪、半导体工业的测量，
8 Q: b& B& \% P# B4 i- P* Z9 f　　以及生产设备、自动化设备、
$ d# R. v3 p) }; S, P　　工业机器人(8.730, -0.18, -2.02%)等领域。
6 z; d0 t$ q; @: C7 s5 c　　纳米时栅正在逐步填补
( a# R$ V& p  n! {) m0 M5 s9 |　　国内高端精密位移测量领域空白，
- v# [; L8 C6 Z8 T, o　　成为国内高端装备企业
" D. V$ U, _1 A: Y5 T　　发展道路中的坚强后盾。
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　　面向世界科技前沿，
. g  }/ @" h! P　　面向经济主战场，
　　面向国家重大需求，
$ \4 i/ r$ S' H$ a7 F. N2 X　　努力实现更多“从0到1”的新突破，
　　大步行进在中国精度的逐梦征程上！
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4 q( X, R  D; S' W5 N$ Z# O                                                                        责任编辑：李思阳