时栅：精密位移测量技术革命的第一块骨牌——专访重庆理工大学电子信息与自动化学院彭东林教授

本刊记者 陈婷婷 徐芳芳

时栅：精密位移测量技术革命的第一块骨牌
——专访重庆理工大学电子信息与自动化学院彭东林教授

本刊记者 陈婷婷 徐芳芳

长期从事机电一体化、精密测量技术与仪器和智能传感器领域的研究工作。主持的“时栅位移传感器研究”相继获得重庆市技术发明一等奖，中国电子学会科学技术二等奖，中国专利金奖，国家技术发明二等奖。主持的另一项成果“无线式数字远程智能专家评审系统的研制”获重庆市科技进步二等奖，2006年被信产部评为“信息产业科技创新先进个人”，获国家发明专利6项，承担了新版大型权威工具书《齿轮手册》相关章节的撰写，发表论文100余篇，其中《机械工程学报》、《仪器仪表学报》等重要学术期刊上20篇，SCI、EI收录21篇。目前作为项目负责人正在承担并完成国家“863”项目、科技部“中小型科技企业创新基金”项目、国防科工委“军品配套”项目、国家质检总局科研项目和国家自然科学基金项目等多项国家级科研项目。（以上均排名第一）

在重庆理工大学彭东林教授的研究室里，你对着硕大的测量仪器轻轻呼一口气，时栅传感器马上就能测出这口气引起的机械转动：1角秒。也就是说，你呼出的这一口气，使测量仪器的刻度产生的变化，相当于一个圆周转动了130万分之一。彭教授常说：“在精密测量仪器面前，看似岿然不动的钢铁就像豆腐一样软：跺一下脚，吹一口气，其变化都足以引起仪器的强烈反应。”而他十五年前提出的革命性技术创新思想——“用时间测量空间微小位移量”，以及随后发明的时栅位移传感器，也像是对着精密位移测量技术的高墙跺了一下脚，吹了一口气，其影响正在不断放大。多年以后，正如一位国家部委领导感叹的那样，“全新的概念变成了全新的技术，全新的技术变成了全新的产品，全新的产品有可能带动一个新兴的产业”。向传统的光栅技术挑战，时栅技术已经开始推动整个行业的重新洗牌。

“用时间测空间”的提出，基于“相对论”的思维方式。彭东林教授1995年曾提出：“建立相对运动的双坐标系，则一个坐标系上的位置之差（位移）将表现为另一个坐标系上观察到的时间之差。”他希望以此思想突破精密位移测量技术的瓶颈。十五年弹指一挥间，时至今日，由中国人原创发明的时栅技术，已引起学术界、企业界和科技管理层越来越广泛的认同和重视，正在逐渐发展成为我国精密位移测量领域的一项标志性成果。课题组近几年来获得国家“863”、国防科工委项目等经费支持已超过千万元。2010年课题组荣获国家技术发明二等奖。

求学路上提炼的命题:时栅

1969年，17岁的彭东林随着文化大革命的洪流去了农村，一待就是三年，返城后又做了六年汽车修理工。对于很多人而言，九年时间基本上就代表了学业的终结，而对于从小就与科技结缘立志要当科学家的彭东林而言，却绝非如此。

在农村，读书成了只有初一文化基础的彭东林最大的乐趣。他四处找来高年级的教材，像看小说一样痴迷地阅读；生活单调沉闷，别人四处游玩时，他却把做各种习题当作乐趣；当汽车修理工时，他又在父亲的帮助下学起了英语。在当时的情况下，彭东林根本没想过哪一天还能凭这些知识考上大学。直至1977年恢复高考，他“意外”又“必然”地进入了重庆大学电气工程系。以后以优异成绩毕业留校，从此走上儿时幻想的科技人生道路。

在攻读硕士和博士学位时，彭东林师从曾获得过1979年全国科学大会奖的机械学专家张光辉教授，导师建议他将精密仪器作为自己的主要研究方向。其间，彭东林提出一套用于机床和武器系统的回转精度测量仪器的新方案，并据此写了一篇论文投给一份学术期刊，获得了评审专家的高度评价。彭东林美滋滋地拿给导师看，没想到导师看完后却不同意他发表，还告诫他“做研究一定要沉得住气，最可贵的是把研究成果用于实践”。彭东林听从导师的建议，先做出来，再发表文章。经过艰苦努力，终于成功研发出新型仪器，并通过生产试用不断完善这种新仪器。为了让一些大型机床厂试用他的产品，他一个人背着近百斤重的仪器和老式计算机辗转陕、滇、鄂、沪、苏、吉、粤等地，四处推销。有一次在昆明下火车后，接车的人没到，他实在背不动两大箱仪器，只好一箱一箱往前挪。到出站口时，检票员已经等得很不耐烦了，几个人围住他训了一顿后，开出了一张行李超重的罚单。

功夫不负有心人，这套全新原理的测试系统以其卓越的测试诊断功能征服了工厂的技术人员和工人，开始逐渐被市场接受，包括一汽、上汽在内的十几家国有大型机床厂和齿轮厂都购买使用了这一设备。配置这一系统的我军新型战车，还参加了建国50周年大阅兵。1995年，这个项目被评为“国家级科技成果重点推广计划项目”。更重要的是，在从事这项工作的过程中，彭东林逐渐提炼出他以后毕生从事的科研方向——时空坐标转换方法与时栅位移传感器。

研发途中坚守的信念：创新

位移传感器是一种在装备制造业、国防工业中普遍使用的尖端技术。在完善回转精度测量新型仪器的过程中，彭东林发现国内稍有档次的同类测量系统用的都是国外的光栅传感器。我国每年都要花费上千亿美元的宝贵外汇，用于高精度数控机床和高档精密量仪进口，以精密位移传感器为核心技术的高端设备进口,长期位列我国消耗外汇的第一大户。在国防工业方面，在涉及超精密加工制造、精确瞄准制导、精准定位打击等“高、精、尖”技术方面，现在不仅是欧美发达国家，就连日本韩国都对我国设置了重重技术壁垒。即使卖给中国的中档精度产品，价格也高得离奇，使得国内企业不得不经常“拿一火车皮的产品换回外国人一书包的东西”。

能否不花那么多钱，不要求那么精致的生产环境和设备，生产出高精度的测量仪器呢？彭东林注意到，时间量是目前人类测量精度最高的一种物理量，而且一块高精度的石英表只有几块钱的成本，能不能把时间量作为基准去测量空间呢？1995年，彭东林提出超越国内相对落后的刻划技术，“利用时间量来测量精密位移”的重要学术思想。这一思想刚一提出便激起强烈反响，有人为这一崭新的理念叫好，但更多的人表示怀疑。

幸运的是，国家自然科学基金委员会基于保护创新的基本原则，于1996年将这一课题作为“非共识项目”批准立项。4年后当他拿出一台原理性样机时，13位权威专家给出了完全一致的高度评价。此后，彭东林获得了多项国家自然科学基金连续资助。2004年，课题组完成“时空坐标转换方法与时栅位移传感器”项目，经国家法定权威检测机构——中国测试技术研究院检定精度达到0.8角秒，超过进口光栅的精度水平。这是课题组经过10年努力后攻克的第一座高峰。

而内行人都知道，圆传感器由于“圆周封闭原则”，受温度变化影响较小；而直线传感器因为对温度敏感，受环境影响大而更难实现高精度。但是在实际需求中，直线传感器的需求量是圆传感器的20倍以上。国内现状是：1微米以内精度的传感器国内厂家做不出来，国外对我实行禁运封锁。2～3微米以内精度的国内厂家很难做，国外产品即使卖数万元高价也能独占中国市场。而众多国内厂家只在低精度产品市场内靠低价血拼，最低只能卖到几百元。如何攻克各种技术难关，能够让自己的直线式时栅达到1微米以内精度的国际先进水平，打破国外封锁，夺回市场份额，成为课题组成员的又一块心病。又是多少个寒暑假，又是多少次挑灯夜战，终于在2009年11月，再次经法定计量检定部门——中国测试技术研究院检定，在1米长的全程范围内，直线时栅样机精度达到0.5微米。手持这张记载着骄人数据的权威报告，彭教授长长舒了一口气，感到自己的腰板挺得更直了。

至此，时栅传感器构成了包括圆周和直线测量的完整体系，更有底气参与市场的严酷竞争。它彻底摒弃了国外各种传感器的精密刻划工艺，而改由时间脉冲构成测量基准。它与光栅精度相当，成本却只有后者的十分之一。

当前工作瞄准的靶心：产业化

对于科技人员而言，最尴尬的境地无异于大量“成果”只能纸上谈兵，而不能转化为生产力。彭教授的观点是：任何一项新成果，都必须依赖现有技术进行发展，这就像红花和绿叶的关系。这项成果的生命力，或者说真实价值，就在于它是否对现有技术提出了过高的要求，红花是否过份要求绿叶。时栅课题组的同志们之所以多年来能够全身心沉浸在时栅技术的开发之中，是因为他们从内心深处意识到：这是一项好技术，它不需要很苛刻的加工条件，在一个普通高校的条件下用很简单的方法手段就能达到别人(尤其是外国人)花极高代价才能达到的效果，这就注定它先天具备一项高品质产品所必须的优秀潜质。随着时栅的产品化技术不断改进，课题组成员所津津乐道的“时栅四大卖点”逐渐展现在人们面前：成本低(大约是其它同类传感器的十分之一)，可靠性好(耐摔打碰撞，不怕油污粉尘等恶劣工况)，分辨力高(是同类产品的10倍以上)，智能化程度高。这些技术优势，在课题组承担的一项国防重大科研项目中得到充分的展现。

某厂在上世纪90年代耗巨资引进一项国外技术，试图应用在我军武器装备上。但是其中“精度、抗振”两项关键技术难题长期无法解决，拖了十多年一直无法结题。2007年，时栅课题组经过层层专家评审和答辩后，以原国防科工委“军品配套”项目形式介入此课题。经过两年攻关，将其精度从×.×密位提高到0.×密位。而在振动实验中，强烈振动将手拇指粗的螺钉都振断了，但时栅传感器及其系统装备仍可以完全正常工作。现该厂项目已全部达到技术指标而于2009年年底向总装备部顺利结题。同时，该厂已开始将该技术开发成一种全新的尖端装备系列产品，初步应用在两家国防单位就很快获得高度评价。“两大技术难点”变成了“两大技术优势”。时栅技术在国防科技领域的一炮打响已经引起了相关管理层的高度重视。

像十几年前一样，彭东林仍然对向市场推销自己的产品乐此不疲。不过他现在不需要独自一人背着产品“闯荡江湖”了。在重庆理工大学的新校区，学校为“时栅传感器重庆市高校创新团队”建立了1500平方米的中试基地，这个基地同时还是“机械检测技术与装备教育部工程研究中心”。作为中心主任的彭东林知道，按照教育部文件精神，工程中心最重要的职责就是通过机制创新，探索高校科研成果产业化和产学研一体化。他认为，一种新思想可能只需要科学家一个人的知识经验和想象力，而一台实际样机就需要一个课题组成员的协同努力；当发展到产品化、产业化阶段时，社会化的大协作，政府的政策导向就成为新的必要条件。

彭东林教授常常用“愚公移山”比喻科技研发和成果转换的过程。他认为，愚公移山精神的真谛在于“感动上帝”，而大山最终是被上帝派来的两个神仙搬走的，而不是被愚公挖掉的。真正实现科技成果转化，要干的事太多太多，不能单靠一代又一代科技人员慢慢去干，而是要通过真干和实际成绩去“感动上帝”，即换取“社会承认”，再由政府和企业这两个“神仙”去实现产品化全过程。在这种观点的支配下，按照他提出的“技术实力、资金实力、自带市场、行业老大、强大营销网络、老板眼光独到”6个条件，经过千挑万选，目前已与某大型央企集团合作组建“龙栅科技有限公司”，专门开展时栅的产业化工作。该企业从老总到广大技术人员经过与学校的前期合作，十分看好时栅的发展前景，在为课题组出具的“用户证明报告”中，称之为“源头性的原始创新、革命性的科技进步，将为我国带来战略性的实力提升。”

时栅技术相继于2005年获重庆市技术发明一等奖，并被评为“重庆市高校十大科技进展”和“重庆市十大科技新闻”。2006年国家自然科学基金委员会为纪念建委20周年而出版的大型丛书“机械科学基础研究20年”中将此项成果列为17项“典型成果”之一。2007年获2年一度的第10届中国专利金奖，该奖项是全国地方高校首次获奖，全国高校此届唯一获奖。2009年由中国科协主编的《机械工程学科发展报告》一书中称“彭东林教授发明的‘时栅位移传感器及其测试系统’,是近几年来精密测量领域少见的原始创新成果，是对传统栅式位移传感器的重大突破。”时栅已被编入《检测技术》全国大学统编教材，这是第一次由中国人发明并命名的传感器被列入大学统编教材。2010年“基于测量基准时空转换技术的时栅位移传感器”再获国家技术发明二等奖。

彭东林教授和他的课题组已经推倒了精密位移测量技术革命的第一块多米诺骨牌，新的产业链条正在逐步开启。“上帝”也在开始为他们鼓掌。

专家档案：彭东林，教授，工学博士，重庆理工大学电子信息与自动化学院院长。重庆大学机械传动国家重点实验室博士生导师，重庆市首批学术学科带头人，重庆市杰出专业技术人才。