本刊記者 陳婷婷 徐芳芳

時柵：精密位移測量技術(shù)革命的第一塊骨牌
——專訪重慶理工大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院彭東林教授

本刊記者 陳婷婷 徐芳芳

長期從事機電一體化、精密測量技術(shù)與儀器和智能傳感器領(lǐng)域的研究工作。主持的“時柵位移傳感器研究”相繼獲得重慶市技術(shù)發(fā)明一等獎，中國電子學(xué)會科學(xué)技術(shù)二等獎，中國專利金獎，國家技術(shù)發(fā)明二等獎。主持的另一項成果“無線式數(shù)字遠程智能專家評審系統(tǒng)的研制”獲重慶市科技進步二等獎，2006年被信產(chǎn)部評為“信息產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新先進個人”，獲國家發(fā)明專利6項，承擔了新版大型權(quán)威工具書《齒輪手冊》相關(guān)章節(jié)的撰寫，發(fā)表論文100余篇，其中《機械工程學(xué)報》、《儀器儀表學(xué)報》等重要學(xué)術(shù)期刊上20篇，SCI、EI收錄21篇。目前作為項目負責人正在承擔并完成國家“863”項目、科技部“中小型科技企業(yè)創(chuàng)新基金”項目、國防科工委“軍品配套”項目、國家質(zhì)檢總局科研項目和國家自然科學(xué)基金項目等多項國家級科研項目。（以上均排名第一）

在重慶理工大學(xué)彭東林教授的研究室里，你對著碩大的測量儀器輕輕呼一口氣，時柵傳感器馬上就能測出這口氣引起的機械轉(zhuǎn)動：1角秒。也就是說，你呼出的這一口氣，使測量儀器的刻度產(chǎn)生的變化，相當于一個圓周轉(zhuǎn)動了130萬分之一。彭教授常說：“在精密測量儀器面前，看似巋然不動的鋼鐵就像豆腐一樣軟：跺一下腳，吹一口氣，其變化都足以引起儀器的強烈反應(yīng)?！倍迥昵疤岢龅母锩约夹g(shù)創(chuàng)新思想——“用時間測量空間微小位移量”，以及隨后發(fā)明的時柵位移傳感器，也像是對著精密位移測量技術(shù)的高墻跺了一下腳，吹了一口氣，其影響正在不斷放大。多年以后，正如一位國家部委領(lǐng)導(dǎo)感嘆的那樣，“全新的概念變成了全新的技術(shù)，全新的技術(shù)變成了全新的產(chǎn)品，全新的產(chǎn)品有可能帶動一個新興的產(chǎn)業(yè)”。向傳統(tǒng)的光柵技術(shù)挑戰(zhàn)，時柵技術(shù)已經(jīng)開始推動整個行業(yè)的重新洗牌。

“用時間測空間”的提出，基于“相對論”的思維方式。彭東林教授1995年曾提出：“建立相對運動的雙坐標系，則一個坐標系上的位置之差（位移）將表現(xiàn)為另一個坐標系上觀察到的時間之差?！彼Ｍ源怂枷胪黄凭芪灰茰y量技術(shù)的瓶頸。十五年彈指一揮間，時至今日，由中國人原創(chuàng)發(fā)明的時柵技術(shù)，已引起學(xué)術(shù)界、企業(yè)界和科技管理層越來越廣泛的認同和重視，正在逐漸發(fā)展成為我國精密位移測量領(lǐng)域的一項標志性成果。課題組近幾年來獲得國家“863”、國防科工委項目等經(jīng)費支持已超過千萬元。2010年課題組榮獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎。

求學(xué)路上提煉的命題:時柵

1969年，17歲的彭東林隨著文化大革命的洪流去了農(nóng)村，一待就是三年，返城后又做了六年汽車修理工。對于很多人而言，九年時間基本上就代表了學(xué)業(yè)的終結(jié)，而對于從小就與科技結(jié)緣立志要當科學(xué)家的彭東林而言，卻絕非如此。

在農(nóng)村，讀書成了只有初一文化基礎(chǔ)的彭東林最大的樂趣。他四處找來高年級的教材，像看小說一樣癡迷地閱讀；生活單調(diào)沉悶，別人四處游玩時，他卻把做各種習(xí)題當作樂趣；當汽車修理工時，他又在父親的幫助下學(xué)起了英語。在當時的情況下，彭東林根本沒想過哪一天還能憑這些知識考上大學(xué)。直至1977年恢復(fù)高考，他“意外”又“必然”地進入了重慶大學(xué)電氣工程系。以后以優(yōu)異成績畢業(yè)留校，從此走上兒時幻想的科技人生道路。

在攻讀碩士和博士學(xué)位時，彭東林師從曾獲得過1979年全國科學(xué)大會獎的機械學(xué)專家張光輝教授，導(dǎo)師建議他將精密儀器作為自己的主要研究方向。其間，彭東林提出一套用于機床和武器系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度測量儀器的新方案，并據(jù)此寫了一篇論文投給一份學(xué)術(shù)期刊，獲得了評審專家的高度評價。彭東林美滋滋地拿給導(dǎo)師看，沒想到導(dǎo)師看完后卻不同意他發(fā)表，還告誡他“做研究一定要沉得住氣，最可貴的是把研究成果用于實踐”。彭東林聽從導(dǎo)師的建議，先做出來，再發(fā)表文章。經(jīng)過艱苦努力，終于成功研發(fā)出新型儀器，并通過生產(chǎn)試用不斷完善這種新儀器。為了讓一些大型機床廠試用他的產(chǎn)品，他一個人背著近百斤重的儀器和老式計算機輾轉(zhuǎn)陜、滇、鄂、滬、蘇、吉、粵等地，四處推銷。有一次在昆明下火車后，接車的人沒到，他實在背不動兩大箱儀器，只好一箱一箱往前挪。到出站口時，檢票員已經(jīng)等得很不耐煩了，幾個人圍住他訓(xùn)了一頓后，開出了一張行李超重的罰單。

功夫不負有心人，這套全新原理的測試系統(tǒng)以其卓越的測試診斷功能征服了工廠的技術(shù)人員和工人，開始逐漸被市場接受，包括一汽、上汽在內(nèi)的十幾家國有大型機床廠和齒輪廠都購買使用了這一設(shè)備。配置這一系統(tǒng)的我軍新型戰(zhàn)車，還參加了建國50周年大閱兵。1995年，這個項目被評為“國家級科技成果重點推廣計劃項目”。更重要的是，在從事這項工作的過程中，彭東林逐漸提煉出他以后畢生從事的科研方向——時空坐標轉(zhuǎn)換方法與時柵位移傳感器。

研發(fā)途中堅守的信念：創(chuàng)新

位移傳感器是一種在裝備制造業(yè)、國防工業(yè)中普遍使用的尖端技術(shù)。在完善回轉(zhuǎn)精度測量新型儀器的過程中，彭東林發(fā)現(xiàn)國內(nèi)稍有檔次的同類測量系統(tǒng)用的都是國外的光柵傳感器。我國每年都要花費上千億美元的寶貴外匯，用于高精度數(shù)控機床和高檔精密量儀進口，以精密位移傳感器為核心技術(shù)的高端設(shè)備進口,長期位列我國消耗外匯的第一大戶。在國防工業(yè)方面，在涉及超精密加工制造、精確瞄準制導(dǎo)、精準定位打擊等“高、精、尖”技術(shù)方面，現(xiàn)在不僅是歐美發(fā)達國家，就連日本韓國都對我國設(shè)置了重重技術(shù)壁壘。即使賣給中國的中檔精度產(chǎn)品，價格也高得離奇，使得國內(nèi)企業(yè)不得不經(jīng)?！澳靡换疖嚻さ漠a(chǎn)品換回外國人一書包的東西”。

能否不花那么多錢，不要求那么精致的生產(chǎn)環(huán)境和設(shè)備，生產(chǎn)出高精度的測量儀器呢？彭東林注意到，時間量是目前人類測量精度最高的一種物理量，而且一塊高精度的石英表只有幾塊錢的成本，能不能把時間量作為基準去測量空間呢？1995年，彭東林提出超越國內(nèi)相對落后的刻劃技術(shù)，“利用時間量來測量精密位移”的重要學(xué)術(shù)思想。這一思想剛一提出便激起強烈反響，有人為這一嶄新的理念叫好，但更多的人表示懷疑。

幸運的是，國家自然科學(xué)基金委員會基于保護創(chuàng)新的基本原則，于1996年將這一課題作為“非共識項目”批準立項。4年后當他拿出一臺原理性樣機時，13位權(quán)威專家給出了完全一致的高度評價。此后，彭東林獲得了多項國家自然科學(xué)基金連續(xù)資助。2004年，課題組完成“時空坐標轉(zhuǎn)換方法與時柵位移傳感器”項目，經(jīng)國家法定權(quán)威檢測機構(gòu)——中國測試技術(shù)研究院檢定精度達到0.8角秒，超過進口光柵的精度水平。這是課題組經(jīng)過10年努力后攻克的第一座高峰。

而內(nèi)行人都知道，圓傳感器由于“圓周封閉原則”，受溫度變化影響較??；而直線傳感器因為對溫度敏感，受環(huán)境影響大而更難實現(xiàn)高精度。但是在實際需求中，直線傳感器的需求量是圓傳感器的20倍以上。國內(nèi)現(xiàn)狀是：1微米以內(nèi)精度的傳感器國內(nèi)廠家做不出來，國外對我實行禁運封鎖。2～3微米以內(nèi)精度的國內(nèi)廠家很難做，國外產(chǎn)品即使賣數(shù)萬元高價也能獨占中國市場。而眾多國內(nèi)廠家只在低精度產(chǎn)品市場內(nèi)靠低價血拼，最低只能賣到幾百元。如何攻克各種技術(shù)難關(guān)，能夠讓自己的直線式時柵達到1微米以內(nèi)精度的國際先進水平，打破國外封鎖，奪回市場份額，成為課題組成員的又一塊心病。又是多少個寒暑假，又是多少次挑燈夜戰(zhàn)，終于在2009年11月，再次經(jīng)法定計量檢定部門——中國測試技術(shù)研究院檢定，在1米長的全程范圍內(nèi)，直線時柵樣機精度達到0.5微米。手持這張記載著驕人數(shù)據(jù)的權(quán)威報告，彭教授長長舒了一口氣，感到自己的腰板挺得更直了。

至此，時柵傳感器構(gòu)成了包括圓周和直線測量的完整體系，更有底氣參與市場的嚴酷競爭。它徹底摒棄了國外各種傳感器的精密刻劃工藝，而改由時間脈沖構(gòu)成測量基準。它與光柵精度相當，成本卻只有后者的十分之一。

當前工作瞄準的靶心：產(chǎn)業(yè)化

對于科技人員而言，最尷尬的境地無異于大量“成果”只能紙上談兵，而不能轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。彭教授的觀點是：任何一項新成果，都必須依賴現(xiàn)有技術(shù)進行發(fā)展，這就像紅花和綠葉的關(guān)系。這項成果的生命力，或者說真實價值，就在于它是否對現(xiàn)有技術(shù)提出了過高的要求，紅花是否過份要求綠葉。時柵課題組的同志們之所以多年來能夠全身心沉浸在時柵技術(shù)的開發(fā)之中，是因為他們從內(nèi)心深處意識到：這是一項好技術(shù)，它不需要很苛刻的加工條件，在一個普通高校的條件下用很簡單的方法手段就能達到別人(尤其是外國人)花極高代價才能達到的效果，這就注定它先天具備一項高品質(zhì)產(chǎn)品所必須的優(yōu)秀潛質(zhì)。隨著時柵的產(chǎn)品化技術(shù)不斷改進，課題組成員所津津樂道的“時柵四大賣點”逐漸展現(xiàn)在人們面前：成本低(大約是其它同類傳感器的十分之一)，可靠性好(耐摔打碰撞，不怕油污粉塵等惡劣工況)，分辨力高(是同類產(chǎn)品的10倍以上)，智能化程度高。這些技術(shù)優(yōu)勢，在課題組承擔的一項國防重大科研項目中得到充分的展現(xiàn)。

某廠在上世紀90年代耗巨資引進一項國外技術(shù)，試圖應(yīng)用在我軍武器裝備上。但是其中“精度、抗振”兩項關(guān)鍵技術(shù)難題長期無法解決，拖了十多年一直無法結(jié)題。2007年，時柵課題組經(jīng)過層層專家評審和答辯后，以原國防科工委“軍品配套”項目形式介入此課題。經(jīng)過兩年攻關(guān)，將其精度從×.×密位提高到0.×密位。而在振動實驗中，強烈振動將手拇指粗的螺釘都振斷了，但時柵傳感器及其系統(tǒng)裝備仍可以完全正常工作?，F(xiàn)該廠項目已全部達到技術(shù)指標而于2009年年底向總裝備部順利結(jié)題。同時，該廠已開始將該技術(shù)開發(fā)成一種全新的尖端裝備系列產(chǎn)品，初步應(yīng)用在兩家國防單位就很快獲得高度評價?！皟纱蠹夹g(shù)難點”變成了“兩大技術(shù)優(yōu)勢”。時柵技術(shù)在國防科技領(lǐng)域的一炮打響已經(jīng)引起了相關(guān)管理層的高度重視。

像十幾年前一樣，彭東林仍然對向市場推銷自己的產(chǎn)品樂此不疲。不過他現(xiàn)在不需要獨自一人背著產(chǎn)品“闖蕩江湖”了。在重慶理工大學(xué)的新校區(qū)，學(xué)校為“時柵傳感器重慶市高校創(chuàng)新團隊”建立了1500平方米的中試基地，這個基地同時還是“機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心”。作為中心主任的彭東林知道，按照教育部文件精神，工程中心最重要的職責就是通過機制創(chuàng)新，探索高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)學(xué)研一體化。他認為，一種新思想可能只需要科學(xué)家一個人的知識經(jīng)驗和想象力，而一臺實際樣機就需要一個課題組成員的協(xié)同努力；當發(fā)展到產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化階段時，社會化的大協(xié)作，政府的政策導(dǎo)向就成為新的必要條件。

彭東林教授常常用“愚公移山”比喻科技研發(fā)和成果轉(zhuǎn)換的過程。他認為，愚公移山精神的真諦在于“感動上帝”，而大山最終是被上帝派來的兩個神仙搬走的，而不是被愚公挖掉的。真正實現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化，要干的事太多太多，不能單靠一代又一代科技人員慢慢去干，而是要通過真干和實際成績?nèi)ァ案袆由系邸?，即換取“社會承認”，再由政府和企業(yè)這兩個“神仙”去實現(xiàn)產(chǎn)品化全過程。在這種觀點的支配下，按照他提出的“技術(shù)實力、資金實力、自帶市場、行業(yè)老大、強大營銷網(wǎng)絡(luò)、老板眼光獨到”6個條件，經(jīng)過千挑萬選，目前已與某大型央企集團合作組建“龍柵科技有限公司”，專門開展時柵的產(chǎn)業(yè)化工作。該企業(yè)從老總到廣大技術(shù)人員經(jīng)過與學(xué)校的前期合作，十分看好時柵的發(fā)展前景，在為課題組出具的“用戶證明報告”中，稱之為“源頭性的原始創(chuàng)新、革命性的科技進步，將為我國帶來戰(zhàn)略性的實力提升?！?/p>

時柵技術(shù)相繼于2005年獲重慶市技術(shù)發(fā)明一等獎，并被評為“重慶市高校十大科技進展”和“重慶市十大科技新聞”。2006年國家自然科學(xué)基金委員會為紀念建委20周年而出版的大型叢書“機械科學(xué)基礎(chǔ)研究20年”中將此項成果列為17項“典型成果”之一。2007年獲2年一度的第10屆中國專利金獎，該獎項是全國地方高校首次獲獎，全國高校此屆唯一獲獎。2009年由中國科協(xié)主編的《機械工程學(xué)科發(fā)展報告》一書中稱“彭東林教授發(fā)明的‘時柵位移傳感器及其測試系統(tǒng)’,是近幾年來精密測量領(lǐng)域少見的原始創(chuàng)新成果，是對傳統(tǒng)柵式位移傳感器的重大突破?！睍r柵已被編入《檢測技術(shù)》全國大學(xué)統(tǒng)編教材，這是第一次由中國人發(fā)明并命名的傳感器被列入大學(xué)統(tǒng)編教材。2010年“基于測量基準時空轉(zhuǎn)換技術(shù)的時柵位移傳感器”再獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎。

彭東林教授和他的課題組已經(jīng)推倒了精密位移測量技術(shù)革命的第一塊多米諾骨牌，新的產(chǎn)業(yè)鏈條正在逐步開啟?！吧系邸币苍陂_始為他們鼓掌。

專家檔案：彭東林，教授，工學(xué)博士，重慶理工大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院院長。重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室博士生導(dǎo)師，重慶市首批學(xué)術(shù)學(xué)科帶頭人，重慶市杰出專業(yè)技術(shù)人才。