隨著制造業(yè)數字化、網絡化和智能化的迅猛發(fā)展，作為制造數據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、大數據分析、工業(yè)互聯網等技術與實體經濟深度融合的核心紐帶，在全球制造業(yè)格局重塑、制造業(yè)轉型升級、科技強國中的地位日益突顯。
在相關政策的引導和支持下，我國高端儀器儀表領域產業(yè)規(guī)模和技術水平快速發(fā)展，涌現出一批有代表性的骨干企業(yè)和典型產品。盡管如此，行業(yè)技術突破仍需加強，國內需求仍主要依賴進口，核心技術缺乏、高精尖產品嚴重依賴進口、產品同質化嚴重、精度不高、生產工藝落后、研發(fā)能力弱、缺乏專業(yè)人才等問題凸顯。
此外，當前貿易保護主義和貿易摩擦頻頻發(fā)生，高端儀器儀表產品受到禁運、斷供的風險，嚴重威脅了制造業(yè)重點領域的持續(xù)發(fā)展。為保障我國高端儀器儀表產業(yè)安全穩(wěn)定，亟需對對外依存情況進行摸底，全面掌握產業(yè)發(fā)展現狀和不足，針對嚴重依賴于國外的短板環(huán)節(jié)進行強化和布局，防止關鍵環(huán)節(jié)被長期“卡脖子”，實現全面自主可控的高端儀器儀表研發(fā)體系建設。
本文從分析流量計、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、產業(yè)、人才、技術、資金等角度提出儀器儀表行業(yè)存在的問題，為政府制定相關科技政策、部署科技計劃、制定產業(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
以產業(yè)基礎差距與關鍵零部件進口依存情況為研究內容，對4種具有代表性的高端儀器儀表產品對外依存度分析。
1、激光干涉儀
1)國內外現狀
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三軸干涉儀可同時測量多個自由度參數。
國內主要生產廠家有哈爾濱超精密裝備工程技術中心有限公司、成都工具研究所有限公司、深圳中圖儀器股份有限公司等，產品包括HUE-531型干涉儀、MJS系列干涉儀、SJ6000型干涉儀等，技術指標低于國外同類產品，目前多自由度參數同時測量的激光干涉儀產品仍處于研發(fā)階段。
國內外關鍵技術指標對比如表1所示。
表1 國內外關鍵技術指標對比
2)對外依存情況分析
①產業(yè)基礎差距
a、在產品設計技術上，缺乏設計的沉淀和發(fā)展，設計理念和技術參照國外商用激光干涉儀產品。
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品。
c、在原材料供應上，國內光學元件性能劣于國外同類光學元件。
②關鍵零部件進口依賴情況
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)生器主要依賴進口，國內激光發(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)國內外現狀
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公司的產品性能處于行業(yè)領先地位。以Dimension ICON系列最具代表性，該產品配置了溫度補償位置傳感器，實現了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；全新設計的XYZ閉環(huán)掃描頭，在高速掃描模式下仍可獲得高質量圖像以及更大的數據采集輸出量；針尖和樣品之間開放式空間設計滿足了不同商業(yè)與科研工作需求。
國內很多高校和研究所也已開展多年尖子原子力顯微鏡技術和應用的研究，自主開發(fā)了原子力顯微鏡系統(tǒng)。如中國計量科學研究院成功研制了計量型原子力顯微鏡、大范圍納米測量機、雙探針原子力顯微鏡等，標準測量不確定度可達1nm。研發(fā)過程中突破了計量型原子力掃描測頭、多倍程納米位置激光干涉儀、氣浮滑動大范圍納米位移臺等核心技術。
國內外關鍵技術特征指標對比如表2所示。
表2 國內外關鍵技術特征指標對比
2)對外依存情況分析
①產業(yè)基礎差距
微小探針、高分辨測頭、原子力整機以及測量分析軟件是影響原子力顯微鏡性能的重要因素，而國內相關的特種材料、高精密器件加工制備技術還不成熟，主要體現在精密微納加工、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鍵核心部件，其質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，國內缺乏ADC、DAC、光電探測器、FPGA等制備工藝，包括芯片設計、晶片制作、封裝制作等。這些器件是原子力顯微鏡中數字控制器的基礎支撐。
c、在壓電陶瓷材料制備工藝方面，國內在摻雜改性、陶瓷極化、粉體制備等生產工藝上較為落后，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)設計平臺也主要依賴于國外。
②關鍵零部件進口依賴情況
目前，研發(fā)所需的零部件多為美國、德國、日本等進口產品，雖然國內已有企業(yè)和科研單位具備相關研發(fā)能力，但部分關鍵部件仍依賴進口。
關鍵零部件進口依賴情況如表3所示。
3、激光跟蹤儀
1)國內外現狀
激光跟蹤儀的主要制造商有?？怂箍?Hexagon Metrology,Leica品牌)、美國自動精密工程公司(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品。其中，?？怂箍翟诩夹g、質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，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絡測量應用發(fā)展。
表3 關鍵零部件進口依賴情況
國內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行了激光跟蹤儀樣機研究，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品仍有較大差距。
國內外關鍵技術特征指標對比，如表4所示。
2)對外依存情況分析
①產業(yè)基礎差距
a、設計技術
國外產品經過30年的迭代，在激光光束斷光續(xù)接，機械結構穩(wěn)定性，軟件應用性設計方面均有顯著優(yōu)勢；國內在儀器整機設計、穩(wěn)定性、精度保持、應用軟件、可靠性、儀器壽命等方面存在一定差距。
b、原材料
表4 國內外關鍵技術特征指標對比
◆國內與國外在原材料產業(yè)基礎方面無差距；
◆國內儀器生產時間不夠，缺乏儀器質量數據積累。
②關鍵零部件進口依賴情況
◆國外在激光光源、光柵等關鍵器件、原材料有穩(wěn)定可靠的供應鏈，國內目前尚缺乏，需依賴進口。
◆穩(wěn)頻激光器組件，目前主要依賴進口產品，雖有國產替代產品，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、高性能電機和控制器、信號處理FPGA芯片需采用進口產品。
4、流量計
1)國內外現狀
國外流量計主要生產商如表5所示。
表5 國外流量計主要生產商
國內主要生產流量計的廠家包括重慶川儀自動化股份有限公司，上海光華儀表有限公司，沈陽蘭申電器有限公司等，流量計種類涵蓋了電磁，超聲波，質量，差壓，孔板，渦街，渦輪，熱式等，整體技術研發(fā)還處于追趕國外同類型產品階段，流量計產品指標和國外同類型產品接近和持平。
2)對外依存情況分析
①產業(yè)基礎差距
a、管段制造
大口徑厚壁管段制造技術；內壁高精度加工；高精度斜角貫穿開孔；無泄漏耐壓焊接技術；高效隔熱包覆材料技術。
b、換能器
耐高溫、高壓電系數、特性穩(wěn)定陶瓷晶體；低損耗音波傳播技術；換能器內耐高溫零部件焊接、填充技術；換能器整體特性穩(wěn)定性技術。
c、基于時差法的信號處理技術
寬范圍流速下高精度時差采集技術；振動、音噪下信噪處理技術；多通道流場采集、處理技術；關鍵部件自檢、診斷、安全保障技術。
②關鍵零部件進口依賴情況
◆耐高溫、高壓電系數、特性穩(wěn)定陶瓷晶體。國內有耐高溫陶瓷晶體，單特性的穩(wěn)定性存在缺陷，而這是保障高溫、高精度、在線運維的前提條件。
◆高速DSP數字處理芯片，這是反映回波信號再現性分析的技術保障。
◆高分辨率時差芯片可實現時差法處理回波信號，從而保證流速測量精度。
行業(yè)發(fā)展具體建議
以上詳細分析了四種具有代表性的高端儀器儀表產品的對外依存情況，以下結合產業(yè)、資金與市場等方面提出針對性發(fā)展建議。
1、在產品研發(fā)上，進一步加大基礎技術攻關投入力度，推進儀器儀表產品的研發(fā)工作，通過高校、科研院所和企業(yè)聯合研發(fā)的道路，實現優(yōu)勢互補；以靈活方式招攬國內外優(yōu)秀成熟人才，形成完整產業(yè)鏈研究；通過吸收國外已有產品的優(yōu)點，突破關鍵技術，通過研發(fā)、測試、應用、反饋閉環(huán)，快速完善儀器技術不足，解決復雜系統(tǒng)集成設計工程性難題，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)境適應性等應用難題，開發(fā)易用性強的應用軟件，增強儀器國產化率和自主可控水平；通過持續(xù)的設備更新及補充投入，提高產品工藝；通過精益生產活動提高產品品質，加強生產過程中的工藝控制，完善產品細節(jié)。
2、以國際先進儀器儀表為標桿，首先以部分儀器儀表或其零部件為突破口，超過國際先進水平，逐漸拓展到裝備工業(yè)、汽車、醫(yī)療、物聯網、國防及航空航天等領域。
3、在解決關鍵零部件進口依賴的基礎上，首先考慮跨行業(yè)合作，在技術、工藝等方面，加強校企、行業(yè)間的合作；關鍵零部件的可替代化，尋找關鍵零部件的可替代供應商，確保產品的可持續(xù)發(fā)展；此外，在成本降低的情況及技術的完整掌握下，將產品系列逐漸向下延伸，使國產儀表在市場規(guī)模較大的中低端選型中，提高技術含量，增加與國外產品的競爭力，提升國產儀表的市場占用率。
4、國家應將有限的資源長期、定點支持國內有市場支持的、有潛力和毅力的企業(yè)或科研院所。系統(tǒng)調研梳理已有技術基礎、對標產品技術特點與優(yōu)勢以及更細化的行業(yè)需求，通過綜合對比原理、關鍵器件選型、技術路線等，形成可行性方案。企業(yè)或科研院所可申請經費支持，逐步攻克“產學研用”全鏈條中的關鍵技術。在原理樣機實現的基礎上，不斷實現小型化、緊湊化、易用性強的儀器設計，最終實現儀器的商品化、應用化過程。
5、以市場為紐帶，與國內部分優(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備和研究成果，形成完整的上、中、下產業(yè)群；提升品牌影響力，加強市場宣傳，打造國產高端品牌，通過自身核心競爭力提升市場的信任度和認可度，展現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
