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

本刊記者 陳婷婷 徐芳芳

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

本刊記者 陳婷婷 徐芳芳

長期從事機電一體化、精密測量技術與儀器和智能傳感器領域的研究工作。主持的“時柵位移傳感器研究”相繼獲得重慶市技術發明一等獎，中國電子學會科學技術二等獎，中國專利金獎，國家技術發明二等獎。主持的另一項成果“無線式數字遠程智能專家評審系統的研制”獲重慶市科技進步二等獎，2006年被信產部評為“信息產業科技創新先進個人”，獲國家發明專利6項，承擔了新版大型權威工具書《齒輪手冊》相關章節的撰寫，發表論文100余篇，其中《機械工程學報》、《儀器儀表學報》等重要學術期刊上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“中小型科技企業創新基金”項目、國防科工委“軍品配套”項目、國家質檢總局科研項目和國家自然科學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生的變化，相當于一個圓周轉動了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。”而他十五年前提出的革命性技術創新思想——“用時間測量空間微小位移量”，以及隨后發明的時柵位移傳感器，也像是對著精密位移測量技術的高墻跺了一下腳，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導感嘆的那樣，“全新的概念變成了全新的技術，全新的技術變成了全新的產品，全新的產品有可能帶動一個新興的產業”。向傳統的光柵技術挑戰，時柵技術已經開始推動整個行業的重新洗牌。

“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）將表現為另一個坐標系上觀察到的時間之差。”他希望以此思想突破精密位移測量技術的瓶頸。十五年彈指一揮間，時至今日，由中國人原創發明的時柵技術，已引起學術界、企業界和科技管理層越來越廣泛的認同和重視，正在逐漸發展成為我國精密位移測量領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費支持已超過千萬元。2010年課題組榮獲國家技術發明二等獎。

求學路上提煉的命題: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業的終結，而對于從小就與科技結緣立志要當科學家的彭東林而言，卻絕非如此。

在農村，讀書成了只有初一文化基礎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；生活單調沉悶，別人四處游玩時，他卻把做各種習題當作樂趣；當汽車修理工時，他又在父親的幫助下學起了英語。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。直至1977年恢復高考，他“意外”又“必然”地進入了重慶大學電氣工程系。以后以優異成績畢業留校，從此走上兒時幻想的科技人生道路。

在攻讀碩士和博士學位時，彭東林師從曾獲得過1979年全國科學大會獎的機械學專家張光輝教授，導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的回轉精度測量儀器的新方案，并據此寫了一篇論文投給一份學術期刊，獲得了評審專家的高度評價。彭東林美滋滋地拿給導師看，沒想到導師看完后卻不同意他發表，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”。彭東林聽從導師的建議，先做出來，再發表文章。經過艱苦努力，終于成功研發出新型儀器，并通過生產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品，他一個人背著近百斤重的儀器和老式計算機輾轉陜、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，檢票員已經等得很不耐煩了，幾個人圍住他訓了一頓后，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以其卓越的測試診斷功能征服了工廠的技術人員和工人，開始逐漸被市場接受，包括一汽、上汽在內的十幾家國有大型機床廠和齒輪廠都購買使用了這一設備。配置這一系統的我軍新型戰車，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——時空坐標轉換方法與時柵位移傳感器。

研發途中堅守的信念：創新

位移傳感器是一種在裝備制造業、國防工業中普遍使用的尖端技術。在完善回轉精度測量新型儀器的過程中，彭東林發現國內稍有檔次的同類測量系統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的高端設備進口,長期位列我國消耗外匯的第一大戶。在國防工業方面，在涉及超精密加工制造、精確瞄準制導、精準定位打擊等“高、精、尖”技術方面，現在不僅是歐美發達國家，就連日本韓國都對我國設置了重重技術壁壘。即使賣給中國的中檔精度產品，價格也高得離奇，使得國內企業不得不經常“拿一火車皮的產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環境和設備，生產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相對落后的刻劃技術，“利用時間量來測量精密位移”的重要學術思想。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，國家自然科學基金委員會基于保護創新的基本原則，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基金連續資助。2004年，課題組完成“時空坐標轉換方法與時柵位移傳感器”項目，經國家法定權威檢測機構——中國測試技術研究院檢定精度達到0.8角秒，超過進口光柵的精度水平。這是課題組經過10年努力后攻克的第一座高峰。

而內行人都知道，圓傳感器由于“圓周封閉原則”，受溫度變化影響較小；而直線傳感器因為對溫度敏感，受環境影響大而更難實現高精度。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。國內現狀是：1微米以內精度的傳感器國內廠家做不出來，國外對我實行禁運封鎖。2～3微米以內精度的國內廠家很難做，國外產品即使賣數萬元高價也能獨占中國市場。而眾多國內廠家只在低精度產品市場內靠低價血拼，最低只能賣到幾百元。如何攻克各種技術難關，能夠讓自己的直線式時柵達到1微米以內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，終于在2009年11月，再次經法定計量檢定部門——中國測試技術研究院檢定，在1米長的全程范圍內，直線時柵樣機精度達到0.5微米。手持這張記載著驕人數據的權威報告，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：產業化

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，而不能轉化為生產力。彭教授的觀點是：任何一項新成果，都必須依賴現有技術進行發展，這就像紅花和綠葉的關系。這項成果的生命力，或者說真實價值，就在于它是否對現有技術提出了過高的要求，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的開發之中，是因為他們從內心深處意識到：這是一項好技術，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產品所必須的優秀潛質。隨著時柵的產品化技術不斷改進，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(是同類產品的10倍以上)，智能化程度高。這些技術優勢，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。

某廠在上世紀90年代耗巨資引進一項國外技術，試圖應用在我軍武器裝備上。但是其中“精度、抗振”兩項關鍵技術難題長期無法解決，拖了十多年一直無法結題。2007年，時柵課題組經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。經過兩年攻關，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裝備仍可以完全正常工作。現該廠項目已全部達到技術指標而于2009年年底向總裝備部順利結題。同時，該廠已開始將該技術開發成一種全新的尖端裝備系列產品，初步應用在兩家國防單位就很快獲得高度評價。“兩大技術難點”變成了“兩大技術優勢”。時柵技術在國防科技領域的一炮打響已經引起了相關管理層的高度重視。

像十幾年前一樣，彭東林仍然對向市場推銷自己的產品樂此不疲。不過他現在不需要獨自一人背著產品“闖蕩江湖”了。在重慶理工大學的新校區，學校為“時柵傳感器重慶市高校創新團隊”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新，探索高校科研成果產業化和產學研一體化。他認為，一種新思想可能只需要科學家一個人的知識經驗和想象力，而一臺實際樣機就需要一個課題組成員的協同努力；當發展到產品化、產業化階段時，社會化的大協作，政府的政策導向就成為新的必要條件。

彭東林教授常常用“愚公移山”比喻科技研發和成果轉換的過程。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。真正實現科技成果轉化，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去“感動上帝”，即換取“社會承認”，再由政府和企業這兩個“神仙”去實現產品化全過程。在這種觀點的支配下，按照他提出的“技術實力、資金實力、自帶市場、行業老大、強大營銷網絡、老板眼光獨到”6個條件，經過千挑萬選，目前已與某大型央企集團合作組建“龍柵科技有限公司”，專門開展時柵的產業化工作。該企業從老總到廣大技術人員經過與學校的前期合作，十分看好時柵的發展前景，在為課題組出具的“用戶證明報告”中，稱之為“源頭性的原始創新、革命性的科技進步，將為我國帶來戰略性的實力提升。”

時柵技術相繼于2005年獲重慶市技術發明一等獎，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“機械科學基礎研究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年由中國科協主編的《機械工程學科發展報告》一書中稱“彭東林教授發明的‘時柵位移傳感器及其測試系統’,是近幾年來精密測量領域少見的原始創新成果，是對傳統柵式位移傳感器的重大突破。”時柵已被編入《檢測技術》全國大學統編教材，這是第一次由中國人發明并命名的傳感器被列入大學統編教材。2010年“基于測量基準時空轉換技術的時柵位移傳感器”再獲國家技術發明二等獎。

彭東林教授和他的課題組已經推倒了精密位移測量技術革命的第一塊多米諾骨牌，新的產業鏈條正在逐步開啟。“上帝”也在開始為他們鼓掌。

專家檔案：彭東林，教授，工學博士，重慶理工大學電子信息與自動化學院院長。重慶大學機械傳動國家重點實驗室博士生導師，重慶市首批學術學科帶頭人，重慶市杰出專業技術人才。