發布時間：2021-03-12所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要簡要介紹了精密儀器與裝備的作用和中國部分領域的發展現狀，分析了緊密相關的幾項關鍵技術發展概況，剖析了與國外發達國家的差距以及未來發展空間，結合國家十三五時期的發展規劃，對精密儀器與裝備未來的發展進行展望。 關鍵詞精密儀器;高端裝備;智能制
摘要簡要介紹了精密儀器與裝備的作用和中國部分領域的發展現狀，分析了緊密相關的幾項關鍵技術發展概況，剖析了與國外發達國家的差距以及未來發展空間，結合國家“十三五”時期的發展規劃，對精密儀器與裝備未來的發展進行展望。
關鍵詞精密儀器;高端裝備;智能制造
精密儀器與裝備廣泛應用于科研、國防、工業制造及人民生活等領域，其研發與制造能力是國家高新技術發展水平的重要標志。先進制造技術，特別是未來的智能制造技術必須有大量精密測量儀器與裝備作為支撐。大量具有世界先進水平的精密儀器與裝備，尤其是國產儀器與裝備，是實現制造大國向制造強國轉變的必需基礎，是實現《中國制造2025》戰略的必要保障。但目前國內精密儀器與裝備產業發展與國外還存在著巨大差距，是中國產業結構轉型升級需要重點解決的問題之一。
1精密儀器與裝備的作用
中國科學院、中國工程院院士王大珩曾精辟地總結儀器儀表的作用：“科學研究的先行官、工業生產的倍增器、軍事上的戰斗力、生活上的物化法官”。
在科學研究最高榮譽諾貝爾獎中，近1/3的物理/化學獎與儀器緊密相關，在物理領域因儀器直接獲獎者達21人。現代科學研究中，儀器不僅是人類認識自然的工具，其自身也是科學研究的重要內容。沒有激光干涉引力波天文臺(LIGO)就不可能成功探測引力波[1]，沒有大型強子對撞機(LHC)也無法實際觀測到Higgs粒子[2]。
在工業生產中，精密儀器與裝備對國民經濟有巨大的“倍增器”和拉動作用。據美國國家標準技術研究院統計，為了質量認證和控制、自動化及流程分析，每天要完成2.5億次檢測、占國民生產總值的3.5%。要完成這些檢測，需要大量種類繁多的分析和檢測儀器。20世紀90年代初，美國商業部國家標準局曾發表評估報告，專門評估儀器儀表工業對美國國民經濟總產值的影響作用，其報告稱：儀器儀表工業總產值只占工業總產值的4%，但它對國民經濟的影響達到66%。工業生產中應用的精密裝備更是數不勝數，機床、光刻機、工業機器人等早已實現各種以往被認為不可能完成的任務，將人從繁重的體力勞動中解放出來。
在軍事應用中，精密儀器與裝備的應用極大地提高了偵察、打擊效率。現代偵察衛星活躍于太空之中，時刻監視著全球的軍事動向。精確制導技術大幅提高了戰術打擊成功率。美國空軍的一項研究發現[3]，激光制導炸彈對“硬”目標的有效性是傳統炸彈的100~200倍，對“軟”和區域目標的有效性是傳統炸彈的20~40倍。在攻擊敵人坦克的戰斗中，使用激光制導炸彈的次數約為總攻擊次數的10%，但其戰果卻囊括了被摧毀坦克總數的22%。越戰期間，為炸毀越南清化頷龍(又稱龍之顎)大橋，美軍出動采用常規炸彈的飛機873架次，最終損失11架飛機、104名飛行員，仍未能炸毀大橋，越軍總能在最短的時間內成功恢復。采用激光制導智能炸彈后，僅出動4架飛機，第一次攻擊就成功摧毀目標，直到戰后，仍未能成功恢復。
在現代生活中，刑事案件偵破、產品質量檢查、環境污染監測、違禁藥物服用、指紋假鈔識別等，到處依靠先進儀器進行判斷。1988—2002年間，甘肅省白銀市有9名女性慘遭入室殺害，盡管在案發現場曾收集到犯罪分子的指紋和DNA，但當時囿于落后的技術，案件遲遲沒有取得實質性進展。2016年，白銀市警方開始建立Y-STR數據庫，犯罪嫌疑人一位堂叔的DNA，因行賄被錄入數據庫中，警方通過基因對比，在海量的數據信息中找到了關鍵信息，通過指紋和DNA信息比對確定了嫌疑人身份。歷經28年，曾引起巨大社會恐慌的白銀連環殺人案終于告破。此外美國通過Y-DNA檢驗技術破獲50年前兇案、四川遂寧警方通過Y染色體家系排查鎖定逃亡11年疑犯、廣東汕尾警方通過DNA比對查出潛逃7年命案嫌犯、湖北警方通過Y染色體STR分型比對一月內抓獲兇手等事例均運用了先進的基因測序技術。
無論是科學技術發展、國家重大需求，還是國民經濟建設、人類的日常生活，精密儀器與裝備均發揮著不可替代的作用。
2各國競相發展精密儀器與裝備
鑒于精密儀器與裝備的不可替代作用，各國均把精密儀器與裝備作為重要戰略行業進行支持和發展。
美國作為當今世界唯一的超級大國，雖然其經濟地位先后受到日本、中國的激烈競爭，但多年以來，始終保持著在高技術領域的領先優勢。即便如此，美國政府與科技界仍普遍存在危機感，通過制定各種戰略規劃，為高新技術發展保駕護航。2005年美國國家科學基金會(NSF)《NSF2020愿景》[4]啟用的第一個策略，即：開發可用于生物技術、成像、納米技術和通信等領域的新儀器，創造新奇研究機會和助燃技術創新。美國把科學儀器設備發展的總目標確定為保持美國在世界科學儀器領域的領先地位。NSF設立了主要科學儀器設備計劃(MRI)、大型儀器設備計劃(IMR-MIP)、地球科學儀器和設備(EAR-IF)等計劃，支持先進科學儀器的研制工作[5]。此外美國衛生部(NIH)、能源部(DOE)、國防部(DOD)、海洋大氣管理局(NOAA)、航空航天局(NASA)等部門亦有多種儀器計劃。
日本文部科學省從1995年開始制定科學基本計劃，每5年1期，2016年發布的第5期[6]，計劃以制造業為核心，靈活利用信息通信技術，基于因特網或物聯網，打造世界領先的“超智能社會(5.0社會)”。計劃大力推進學術研究和基礎研究及相關改革，強化戰略性基礎研究、打造世界頂尖研究基地，戰略性地加強設施設備和信息基礎。日本的先進科學儀器計劃[7]主要分為3類，包括納米材料研究儀器平臺計劃、先進測量和分析技術與儀器研發計劃及高端基礎研究科學儀器共享平臺建設計劃。
作為第一次工業革命的發源地，歐洲各國在現代科技中也發揮著巨大作用。德國聯邦教育研究部(BMBF)通過資助德國高校使用大型儀器來進行高水準的基礎研究。德意志科學基金會(DFG)設立了“重大研究儀器計劃”和“重大儀器創新計劃”對科學儀器研究提供資助。英國科學技術辦公室(OST)將“研究、人才、研究設施、知識轉移”作為四大資助目標，建立了科學基礎設施和科學儀器投資機制并確立了投資比例。英國研究理事會近年來也啟動了一系列儀器計劃。特別是工程與自然科學研究理事會(EPSRC)還成立了一個儀器設備戰略咨詢團隊，針對重要的儀器設備形成了一系列儀器設備路線圖，如核磁共振光譜儀路線圖、光電子能譜儀路線圖等。
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新中國成立以來也十分重視精密儀器研制工作。1950年決定在中國科學院設立儀器館，并于1952年在長春正式組建了儀器館，即為現中國科學院長春光學精密機械與物理研究所前身。1956年，王大珩牽頭將儀器儀表作為重要工作之一，列入中國第一個十二年科技遠景規劃中。2006年，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020)》明確將科學儀器創制列為優先發展的戰略領域。2009年，國家自然科學基金委員會和中國科學院聯合設立大科學裝置聯合基金。2011年，財政部設立國家重大科學儀器設備開發專項資金，以提高中國科學儀器設備的自主創新能力和裝備水平。
3中國精密儀器與裝備發展現狀
精密儀器與裝備涵蓋面極廣，以下通過幾個具有較大影響力的具體市場案例對中國精密儀器與裝備領域當前的發展情況略作分析。
大型科研儀器方面，經過持續6年的調查、整理，由科技部計劃司、財政部教科文司和國家科技基礎條件平臺中心聯合編制的《國家重點科技基礎條件資源調查年度報告》于2013年10月首次公開發布。統計結果表明，經過60多年的發展，中國大型科研儀器仍未完全擺脫建國初期就存在的主要依靠國外進口的尷尬局面。截至2012年底，通過購置方式獲取的大型科學儀器占比達到95.9%，自研僅占2.4%。在購置的設備中，進口比例高達78.5%，國產部分占22.5%，其中還包含大量的外商獨資、合資企業。在各研究領域，2012年中國新購置的大型科學儀器按產地來源分，各國占比情況如圖1所示。在生物醫藥、現代農業、環保資源等新興領域，進口比率甚至近90%。
在半導體制造領域，2016年中國集成電路進口2270.7億美元[8]，連續4年超2000億美元，與原油并列成為最大進口產品。作為半導體制造的核心裝備，目前廣泛應用的深紫外光刻機被阿斯麥(ASML)、佳能(Canon)、尼康(Nikon)等公司壟斷，而在最先進的極紫外(extremeultravioletlithography，EUV)光刻機方面目前只有ASML公司能夠提供商用產品。據其2017年第一季度財務報告[9]顯示，EUV系統已累計出貨18套，總價超過20億歐元，累計未交貨訂單達到21套，總價值超過23億歐元，單臺均價超過1億歐元。國產光刻機90nm光刻鏡頭2016年才研制成功，EUV尚停留在原理驗證階段。在半導體制造工藝方面，英特爾公司(In⁃tel)、三星集團、臺灣積體電路制造等公司已經大規模應用14nm工藝，部分10nm工藝開始量產，正逐步研發7nm工藝。中芯國際集成電路制造有限公司作為國內半導體制造龍頭企業，其制造工藝僅能達到28nm[10]，與國外有2~3代的差距。
在工業母機——機床方面，根據Gardner報告[11]，2015年中國機床消費總額達275億美元，占世界總量35%。中國機床生產量已達到221億美元，其中絕大部分用于滿足國內需求。而德、日、意等國家生產的機床60%以上用于出口。中國機床行業經過幾代人的拼搏，從1949年只能生產簡易皮帶機床到如今成為世界第一大機床生產國，進步明顯，但與國外相比仍有巨大差距，中國仍然是世界最大的機床進口國，僅2015年，貿易逆差就達到54億美元。高檔機床基本依靠進口，自產中、高檔機床中80%的數據系統也要依賴進口，一套復雜數控系統軟件包的費用甚至接近母機費用。
工業自動化方面，機器人已開始大規模應用于各個行業。曾生產出中國第一輛汽車的中國第一汽車集團公司已經開始在生產線上大量應用各種機器人，包括點焊、弧焊、涂膠、噴漆等。然而所采用的機器人絕大部分為進口設備，僅有的少部分國產機器人也即將面臨淘汰[12]。雖然中國機器人產業已經取得了長足進步，但與工業發達國家相比，還存在較大差距[13]。主要表現在：機器人產業鏈關鍵環節缺失，零部件中高精度減速器、伺服電機和控制器等依賴進口;核心技術創新能力薄弱，高端產品質量可靠性低;機器人推廣應用難，市場占有率亟待提高;企業“小、散、弱”問題突出，產業競爭力缺乏;機器人標準、檢測認證等體系亟待健全。
中國是一個農業大國，但在農業儀器方面，自主化水平遠遠無法與中國農業大國的地位相匹配。2015年6月3日，農業部重點實驗室建設項目儀器設備統一招標采購——農田觀測和實驗室分析儀器部分中標結果公布[14]，其中涉及質譜、色譜、光譜、聚合酶鏈式反應(PCR)等279套分析儀器設備，金額共計1.2億元。國產僅北京海光儀器有限公司中標一臺原子熒光光譜儀，價值18萬元。6月12日另外一批中標結果公布[15]，金額共計8385萬元，152臺/套儀器中，只有6臺來自國產，包括3套全球定位系統(GPS)和3套果蔬加工設備。精密檢測與計量方面完全被進口設備所壟斷。
基因測序方面，近幾年基因測序市場規模飛速發展，根據BCCResearch數據[16]，從2007年的7.94億美元增長至2015年的59億美元，全球基因測序市場年均增長28.5%，預計未來幾年全球市場仍將繼續保持快速增長，2020年將達到138億美元，年復合增長率在18.5%左右。在基因測序市場中，測序儀器設備及耗材位于行業上游，市場為Illumi⁃na公司壟斷，其毛利率一度高達71.3%(2016年第一季度)[17]。中國在測序儀器的研發方面還處于初級階段，僅有低通量的產品，且核心部件也大部分進口，在高通量測序儀器方面處于空白。
從以上幾個不同的行業、領域發展現狀可見，雖然中國的精密儀器與裝備整體規模已經有了極大提高，成為名符其實的世界工廠，但中國相關產業實際上存在極大的核心技術危機，低端產能過剩、高端依賴進口，核心技術亟需突破，“制造業空心化”風險不斷加大。這一危機不解決，將極大影響中國制造業發展進步，由“中國制造”向“中國創造”的轉變也將僅僅是一個口號，難以真正實現。這一問題必須引起有關部門，包括國家政府、科研部門、產業部門等的重視，并下大決心、大氣力予以解決。
4核心關鍵技術國內外對比
精密儀器與裝備涉及眾多學科且相互交叉，系統整體差距往往源于核心技術的落后。以下主要從材料科學、光學技術、精密機械、電子技術、通信與控制等方面進行簡要分析和探討。
4.1材料科學
在精密儀器與裝備中，材料的性能具有決定性的影響。既包括發光材料、光學傳輸材料、光電轉換材料等功能性材料，也包含用于構建儀器本體的結構材料。
反射鏡是各種大型天文望遠鏡的關鍵技術，隨著口徑的提高，溫度變化對反射鏡面型的影響越明顯。目前大口徑地基望遠鏡反射鏡材料均為低膨脹系數材料，主要有德國肖特集團的微晶玻璃和康寧公司的超低膨脹系數(ULE)玻璃兩類，最大單體口徑均達到8m以上，拼接口徑最大達30m。而目前國內用于天文觀測的望遠鏡最大單體口徑僅為2.16m[18]，拼接口徑最大僅6.7m[19]，與國際天文觀測水平差距明顯。在空間應用方面，采用SiC材料，口徑達到3.5m的Herschel望遠鏡已于2009年升空，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所2016年研制成功4m級SiC材料[20]，實現了大口徑SiC反射鏡的國際領先，但仍難以彌補大口徑反射鏡材料方面的巨大差距。
在結構材料方面，碳纖維強度是鋼的20倍，拉伸模量是鋼的2~3倍，比重僅為鋼的1/4，抗拉強度是鋼的7.9倍，是火箭、衛星、導彈、戰斗機和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰略基礎材料。碳纖維材料主要有高拉伸強度T系列和高彈性(拉伸模量)M系列兩大類，其主要性能參數如圖2所示。
中國碳纖維雖然產量不小，但產品應用主要集中在體育休閑、高爾夫和釣魚竿等低端產品領域，航空航天領域應用僅占2%，難以滿足高端產品中的碳纖維需求。近年國內陸續有企業報道研制成功高強度T800[21]、T1000材料[22]。但在高彈性碳纖維方面，國內仍有較大差距。在國產T800的材料測試中[23]，采用的儀器絕大多數為進口產品：直徑測量儀來自日本、表面粗糙度和力學測試儀來自美國、表面成分和力學性能測試儀來自英國，只有剪切強度采用國產儀器。
4.2光學技術
光學技術在精密儀器與裝備中應用廣泛，許多精密測量依賴光學技術。激光器作為一種理想的測量用光源，2016年中國產業市場規模在236億元左右[24]，但在精密儀器與裝備領域所需要的高性能激光器仍主要依賴進口，包括高功率、高穩定性、窄線寬等特殊性能激光器。在工業上廣泛應用的大功率光纖激光器，近年來雖國產屢有突破，成本優勢明顯，但高端產品方面，仍需要后續市場檢驗。
光學系統的創新設計，不斷提高儀器系統的整體性能。美國的空間監視望遠鏡(SpaceSurveillanceTelescope，SST)創新性地采用曲面焦平面電荷耦合元件(CCD)[25]，結合3.5m大口徑，F1.0大光圈設計，在緊湊的體積內，實現了6°的大視場，使其成為世界上最快和最敏捷的大型望遠鏡，一晚能對整個地球同步軌道帶進行多次觀測，而以往常需要數周時間。從同軸系統到離軸系統[26]，從球面到自由曲面[27]，中國科技長期處于“跟跑”狀態，雖不斷取得技術突破，但在創新性方面仍有較大差距。特別是如今光學設計主要工具軟件，包括成像、照明、仿真等基本都被國外產品所壟斷。——論文作者：賈平
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