隨著制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的迅猛發(fā)展，作為制造數(shù)據(jù)獲取的基本感知和測量工具，高端儀器儀表已成為人工智能、大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合的核心紐帶，在全球制造業(yè)格局重塑、制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、科技強(qiáng)國中的地位日益突顯。

在相關(guān)政策的引導(dǎo)和支持下，我國高端儀器儀表領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)水平快速發(fā)展，涌現(xiàn)出一批有代表性的骨干企業(yè)和典型產(chǎn)品。盡管如此，行業(yè)技術(shù)突破仍需加強(qiáng)，國內(nèi)需求仍主要依賴進(jìn)口，核心技術(shù)缺乏、高精尖產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口、產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重、精度不高、生產(chǎn)工藝落后、研發(fā)能力弱、缺乏專業(yè)人才等問題凸顯。

此外，當(dāng)前貿(mào)易保護(hù)主義和貿(mào)易摩擦頻頻發(fā)生，高端儀器儀表產(chǎn)品受到禁運(yùn)、斷供的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅了制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。為保障我國高端儀器儀表產(chǎn)業(yè)安全穩(wěn)定，亟需對對外依存情況進(jìn)行摸底，全面掌握產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和不足，針對嚴(yán)重依賴于國外的短板環(huán)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)化和布局，防止關(guān)鍵環(huán)節(jié)被長期“卡脖子”，實(shí)現(xiàn)全面自主可控的高端儀器儀表研發(fā)體系建設(shè)。

本文從分析流量計(jì)、激光干涉儀、原子力顯微鏡和激光跟蹤儀對外依存著手，從政策、產(chǎn)業(yè)、人才、技術(shù)、資金等角度提出儀器儀表行業(yè)存在的問題，為政府制定相關(guān)科技政策、部署科技計(jì)劃、制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線、投資決策等提供支撐與參考。

四種儀器儀表對外依存情況分析
以產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)差距與關(guān)鍵零部件進(jìn)口依存情況為研究內(nèi)容，對4種具有代表性的高端儀器儀表產(chǎn)品對外依存度分析。



1、激光干涉儀
1)國內(nèi)外現(xiàn)狀
國外激光干涉儀的主要生廠商有美國Keysight(Agilent)公司(5530干涉儀、10735A三軸干涉儀)，美國ZYGO公司(ZMI系列干涉儀)，英國Renishaw公司(XL80干涉儀、X M-60和X M-600多光束干涉儀)，德國耶拿爾公司(ZLM 700干涉儀)，其中，XM-60、XM-600多光束干涉儀、10735A三軸干涉儀可同時(shí)測量多個(gè)自由度參數(shù)。

國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家有哈爾濱超精密裝備工程技術(shù)中心有限公司、成都工具研究所有限公司、深圳中圖儀器股份有限公司等，產(chǎn)品包括HUE-531型干涉儀、MJS系列干涉儀、SJ6000型干涉儀等，技術(shù)指標(biāo)低于國外同類產(chǎn)品，目前多自由度參數(shù)同時(shí)測量的激光干涉儀產(chǎn)品仍處于研發(fā)階段。

國內(nèi)外關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對比如表1所示。

表1 國內(nèi)外關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對比



2)對外依存情況分析
①產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)差距
a、在產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)上，缺乏設(shè)計(jì)的沉淀和發(fā)展，設(shè)計(jì)理念和技術(shù)參照國外商用激光干涉儀產(chǎn)品。
b、在工藝上，激光干涉儀封裝及熱平衡穩(wěn)定性要劣于國外同類產(chǎn)品。
c、在原材料供應(yīng)上，國內(nèi)光學(xué)元件性能劣于國外同類光學(xué)元件。

②關(guān)鍵零部件進(jìn)口依賴情況
穩(wěn)頻激光發(fā)生器是激光干涉儀的核心部件，其波長穩(wěn)定性直接影響干涉儀測量性能，但目前高穩(wěn)定性的激光發(fā)生器主要依賴進(jìn)口，國內(nèi)激光發(fā)生器在波長穩(wěn)定性和體積方面仍有所欠缺。



2、原子力顯微鏡
1)國內(nèi)外現(xiàn)狀
原子力顯微鏡市場被美國Bruker和MCL，及韓國Park公司所壟斷，其中美國Bruker公司的產(chǎn)品性能處于行業(yè)領(lǐng)先地位。以Dimension ICON系列最具代表性，該產(chǎn)品配置了溫度補(bǔ)償位置傳感器，實(shí)現(xiàn)了Z軸亞埃級和XY軸埃級低噪音水平，在輕敲模式下低于30pm，接觸模式下可獲得原子級圖像；全新設(shè)計(jì)的XYZ閉環(huán)掃描頭，在高速掃描模式下仍可獲得高質(zhì)量圖像以及更大的數(shù)據(jù)采集輸出量；針尖和樣品之間開放式空間設(shè)計(jì)滿足了不同商業(yè)與科研工作需求。

國內(nèi)很多高校和研究所也已開展多年尖子原子力顯微鏡技術(shù)和應(yīng)用的研究，自主開發(fā)了原子力顯微鏡系統(tǒng)。如中國計(jì)量科學(xué)研究院成功研制了計(jì)量型原子力顯微鏡、大范圍納米測量機(jī)、雙探針原子力顯微鏡等，標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度可達(dá)1nm。研發(fā)過程中突破了計(jì)量型原子力掃描測頭、多倍程納米位置激光干涉儀、氣浮滑動(dòng)大范圍納米位移臺等核心技術(shù)。

國內(nèi)外關(guān)鍵技術(shù)特征指標(biāo)對比如表2所示。

表2 國內(nèi)外關(guān)鍵技術(shù)特征指標(biāo)對比



2)對外依存情況分析
①產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)差距
微小探針、高分辨測頭、原子力整機(jī)以及測量分析軟件是影響原子力顯微鏡性能的重要因素，而國內(nèi)相關(guān)的特種材料、高精密器件加工制備技術(shù)還不成熟，主要體現(xiàn)在精密微納加工、高端通用電子元器件制備、壓電陶瓷材料制備等方面。

a、在精密微納加工工藝方面，國內(nèi)缺乏沉積、光刻、刻蝕等一整套用于高銳度微懸臂梁探針等工藝，而探針是原子力顯微鏡的關(guān)鍵核心部件，其質(zhì)量直接影響原子力顯微鏡的性能。

b、在高端通用電子元器件制備工藝方面，國內(nèi)缺乏ADC、DAC、光電探測器、FPGA等制備工藝，包括芯片設(shè)計(jì)、晶片制作、封裝制作等。這些器件是原子力顯微鏡中數(shù)字控制器的基礎(chǔ)支撐。

c、在壓電陶瓷材料制備工藝方面，國內(nèi)在摻雜改性、陶瓷極化、粉體制備等生產(chǎn)工藝上較為落后，而壓電陶瓷是高精密納米臺的基石，直接影響原子力顯微鏡的分辨力。

d、原子力顯微鏡中涉及的軟硬件系統(tǒng)、開發(fā)設(shè)計(jì)平臺也主要依賴于國外。

②關(guān)鍵零部件進(jìn)口依賴情況
目前，研發(fā)所需的零部件多為美國、德國、日本等進(jìn)口產(chǎn)品，雖然國內(nèi)已有企業(yè)和科研單位具備相關(guān)研發(fā)能力，但部分關(guān)鍵部件仍依賴進(jìn)口。
關(guān)鍵零部件進(jìn)口依賴情況如表3所示。



3、激光跟蹤儀
1)國內(nèi)外現(xiàn)狀
激光跟蹤儀的主要制造商有?？怂箍?Hexagon Metrology,Leica品牌)、美國自動(dòng)精密工程公司(Automated Precision,Inc.,API)和法如科技公司(FARO Technologies Inc.)，3家公司多年來已推出一系列的激光跟蹤儀產(chǎn)品。其中，海克斯康在技術(shù)、質(zhì)量和市場占有量均具備顯著優(yōu)勢，Leica 1996年利用高精度絕對測距技術(shù)，解決了跟蹤儀斷光續(xù)接問題，并推出了AT901、AT960等系列，自2004年起，開發(fā)了T-Probe、T-Scan等一系列測量附件，使得跟蹤儀從單一坐標(biāo)測量功能拓展至六維測量及掃描功能，跟蹤儀向多儀器組合網(wǎng)絡(luò)測量應(yīng)用發(fā)展。

表3 關(guān)鍵零部件進(jìn)口依賴情況



國內(nèi)目前尚無商品化的六自由度激光跟蹤儀。中科院微電子研究所進(jìn)行了激光跟蹤儀樣機(jī)研究，深圳市中圖儀器股份有限公司開展了激光跟蹤儀研究，目前處在工程化階段。在測量精度和測量范圍方面與國外成熟產(chǎn)品仍有較大差距。

國內(nèi)外關(guān)鍵技術(shù)特征指標(biāo)對比，如表4所示。

2)對外依存情況分析
①產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)差距
a、設(shè)計(jì)技術(shù)
國外產(chǎn)品經(jīng)過30年的迭代，在激光光束斷光續(xù)接，機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，軟件應(yīng)用性設(shè)計(jì)方面均有顯著優(yōu)勢；國內(nèi)在儀器整機(jī)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性、精度保持、應(yīng)用軟件、可靠性、儀器壽命等方面存在一定差距。

b、原材料
表4 國內(nèi)外關(guān)鍵技術(shù)特征指標(biāo)對比



◆國內(nèi)與國外在原材料產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)方面無差距；
◆國內(nèi)儀器生產(chǎn)時(shí)間不夠，缺乏儀器質(zhì)量數(shù)據(jù)積累。

②關(guān)鍵零部件進(jìn)口依賴情況
◆國外在激光光源、光柵等關(guān)鍵器件、原材料有穩(wěn)定可靠的供應(yīng)鏈，國內(nèi)目前尚缺乏，需依賴進(jìn)口。
◆穩(wěn)頻激光器組件，目前主要依賴進(jìn)口產(chǎn)品，雖有國產(chǎn)替代產(chǎn)品，但精度和可靠性不夠。
◆跟蹤伺服系統(tǒng)中的位置度傳感器PSD、高性能電機(jī)和控制器、信號處理FPGA芯片需采用進(jìn)口產(chǎn)品。



4、流量計(jì)
1)國內(nèi)外現(xiàn)狀
國外流量計(jì)主要生產(chǎn)商如表5所示。

表5 國外流量計(jì)主要生產(chǎn)商



國內(nèi)主要生產(chǎn)流量計(jì)的廠家包括重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，上海光華儀表有限公司，沈陽蘭申電器有限公司等，流量計(jì)種類涵蓋了電磁，超聲波，質(zhì)量，差壓，孔板，渦街，渦輪，熱式等，整體技術(shù)研發(fā)還處于追趕國外同類型產(chǎn)品階段，流量計(jì)產(chǎn)品指標(biāo)和國外同類型產(chǎn)品接近和持平。

2)對外依存情況分析
①產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)差距
a、管段制造
大口徑厚壁管段制造技術(shù)；內(nèi)壁高精度加工；高精度斜角貫穿開孔；無泄漏耐壓焊接技術(shù)；高效隔熱包覆材料技術(shù)。

b、換能器
耐高溫、高壓電系數(shù)、特性穩(wěn)定陶瓷晶體；低損耗音波傳播技術(shù)；換能器內(nèi)耐高溫零部件焊接、填充技術(shù)；換能器整體特性穩(wěn)定性技術(shù)。

c、基于時(shí)差法的信號處理技術(shù)
寬范圍流速下高精度時(shí)差采集技術(shù)；振動(dòng)、音噪下信噪處理技術(shù)；多通道流場采集、處理技術(shù)；關(guān)鍵部件自檢、診斷、安全保障技術(shù)。

②關(guān)鍵零部件進(jìn)口依賴情況
◆耐高溫、高壓電系數(shù)、特性穩(wěn)定陶瓷晶體。國內(nèi)有耐高溫陶瓷晶體，單特性的穩(wěn)定性存在缺陷，而這是保障高溫、高精度、在線運(yùn)維的前提條件。
◆高速DSP數(shù)字處理芯片，這是反映回波信號再現(xiàn)性分析的技術(shù)保障。
◆高分辨率時(shí)差芯片可實(shí)現(xiàn)時(shí)差法處理回波信號，從而保證流速測量精度。

行業(yè)發(fā)展具體建議
以上詳細(xì)分析了四種具有代表性的高端儀器儀表產(chǎn)品的對外依存情況，以下結(jié)合產(chǎn)業(yè)、資金與市場等方面提出針對性發(fā)展建議。

1、在產(chǎn)品研發(fā)上，進(jìn)一步加大基礎(chǔ)技術(shù)攻關(guān)投入力度，推進(jìn)儀器儀表產(chǎn)品的研發(fā)工作，通過高校、科研院所和企業(yè)聯(lián)合研發(fā)的道路，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)；以靈活方式招攬國內(nèi)外優(yōu)秀成熟人才，形成完整產(chǎn)業(yè)鏈研究；通過吸收國外已有產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，突破關(guān)鍵技術(shù)，通過研發(fā)、測試、應(yīng)用、反饋閉環(huán)，快速完善儀器技術(shù)不足，解決復(fù)雜系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)工程性難題，解決儀器小型化和體積重量功耗問題，提升儀器精度、穩(wěn)定性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等應(yīng)用難題，開發(fā)易用性強(qiáng)的應(yīng)用軟件，增強(qiáng)儀器國產(chǎn)化率和自主可控水平；通過持續(xù)的設(shè)備更新及補(bǔ)充投入，提高產(chǎn)品工藝；通過精益生產(chǎn)活動(dòng)提高產(chǎn)品品質(zhì)，加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的工藝控制，完善產(chǎn)品細(xì)節(jié)。

2、以國際先進(jìn)儀器儀表為標(biāo)桿，首先以部分儀器儀表或其零部件為突破口，超過國際先進(jìn)水平，逐漸拓展到裝備工業(yè)、汽車、醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)、國防及航空航天等領(lǐng)域。

3、在解決關(guān)鍵零部件進(jìn)口依賴的基礎(chǔ)上，首先考慮跨行業(yè)合作，在技術(shù)、工藝等方面，加強(qiáng)校企、行業(yè)間的合作；關(guān)鍵零部件的可替代化，尋找關(guān)鍵零部件的可替代供應(yīng)商，確保產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展；此外，在成本降低的情況及技術(shù)的完整掌握下，將產(chǎn)品系列逐漸向下延伸，使國產(chǎn)儀表在市場規(guī)模較大的中低端選型中，提高技術(shù)含量，增加與國外產(chǎn)品的競爭力，提升國產(chǎn)儀表的市場占用率。

4、國家應(yīng)將有限的資源長期、定點(diǎn)支持國內(nèi)有市場支持的、有潛力和毅力的企業(yè)或科研院所。系統(tǒng)調(diào)研梳理已有技術(shù)基礎(chǔ)、對標(biāo)產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢以及更細(xì)化的行業(yè)需求，通過綜合對比原理、關(guān)鍵器件選型、技術(shù)路線等，形成可行性方案。企業(yè)或科研院所可申請經(jīng)費(fèi)支持，逐步攻克“產(chǎn)學(xué)研用”全鏈條中的關(guān)鍵技術(shù)。在原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不斷實(shí)現(xiàn)小型化、緊湊化、易用性強(qiáng)的儀器設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)儀器的商品化、應(yīng)用化過程。

5、以市場為紐帶，與國內(nèi)部分優(yōu)秀企事業(yè)單位開展合作，充分利用已投入的部分尖端設(shè)備和研究成果，形成完整的上、中、下產(chǎn)業(yè)群；提升品牌影響力，加強(qiáng)市場宣傳，打造國產(chǎn)高端品牌，通過自身核心競爭力提升市場的信任度和認(rèn)可度，展現(xiàn)民族品牌的精神力和創(chuàng)造力，搶占及增量市場份額。

作者：蘇錚、邢志鵬、郝燦、李洋、袁江、周維虎