山大自动检测技术课件00仪器科学与技术专业人才培养的思考

1、 仪器科学与技术 专业人才培养的思考主要内容仪器科学与技术人才培养的历史沿革仪器科学与技术专业人才培养的定位仪器科学与技术专业人才培养的思考 仪器科学与技术 专业人才培养的历史沿革1.专业人才培养的历史沿革1951年，我国着手编制“一五”计划“一五”期间，陆续建立一批大型骨干企业和国防工业仪器仪表专业人才的培养提上议事日程1.专业人才培养的历史沿革1952年，受教育部委托，天津大学筹建“精密机械仪器专业”，浙江大学筹建“光学仪器专业”这是我国仪器仪表专业高等教育的开端1.专业人才培养的历史沿革1953-1958年，根据国民经济发展和国防建设需要，部分高校相继成立仪器仪表专业1.专业人才培养的历

2、史沿革到1966年，全国共有36所院校设置仪器仪表专业对应于各仪器仪表类别，有计量仪器、光学仪器、计时仪器、分析仪器、热工仪表、航空仪表、电测仪表等十多个专业名称完全按前苏联的模式办学， 以鲍曼工学院和莫斯科机床工具学院的教学计划和教学大纲为蓝本，教材译自苏联仪器仪表专家著作1.专业人才培养的历史沿革这一时期，高校有计划地培养了能够独立进行仪器设计、制造的高层次工程技术人员一批批仪器仪表专门人才成为国民经济建设、国防建设、科学研究的中坚力量1.专业人才培养的历史沿革改革开放，教育指导思想调整，教育“面向世界、面向未来、面向现代化”按产品分类的专业教育不能适应社会需求1998年教育部颁发本科专业

3、目录，11个仪器类专业合并1.专业人才培养的历史沿革进入新世纪，仪器科学与技术高等教育飞速发展专业设置院校增长174%在校生增长213%1.专业人才培养的历史沿革 2007年，全国普通高校226个规模以上专业就业排名，测控专业列第34位年份全国院校211院校200985%90%200885%90%200790%90%200690%90%200585%85%200490%90%测控技术及仪器专业招生、分配两头热测控专业就业率区间分布教育部全国高校学生信息咨询与就业指导中心公布数据1.专业人才培养的历史沿革 研究生培养方面1.专业人才培养的历史沿革1978年，仪器仪表学科恢复招收研究生1981年，

4、国家建立学位制度，仪器仪表学科研究生培养工作长足发展1983年，授予我国第一个仪器仪表学科博士学位1.专业人才培养的历史沿革 2009年，仪器科学与技术研究生培养规模 学科点数（个）一级学科博士点 21二级学科博士点 14二级学科硕士点 129 在校人数（人） 博士生 1300 硕士生 6200 招生数（人） 博士生 230 硕士生 19701.专业人才培养的历史沿革 仪器科学与技术学科不同培养类型分布1.专业人才培养的历史沿革 学科良好的发展态势，得益于：近年来我国经济实力不断增强，特别是先进制造业、信息产业的飞速发展，社会对复合型人才培养的需求旺盛；仪器仪表行业关心支持专业教育改革，营造了

5、良好的社会环境，仪器科学与技术学科正在得到社会认同；各高校依托各自优势致力于本专业的教学改革，积累了丰富经验，取得了不菲的成绩；全体教师改变教育观念，顺应信息技术蓬勃发展的潮流，主动面上社会需求，为学科发展作出了积极贡献 仪器科学与技术 专业人才培养的定位2.1仪器仪表的地位和作用“新技术革命的关键技术是信息技术，信息技术是测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成，测量技术则是关键和基础。” 钱学森院士“仪器仪表往往被看做科研和工业生产的配角，然而它早已成为我国科技发展和提升工业产品质量的核心组成部分，作用举足轻重。事实证明，中国科技实力与经济发展的喉咙，部分地被卡在仪器仪表这一关上。” 王大

6、珩院士2.1仪器仪表的地位和作用没有测量，就没有科学 门捷列夫“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展。” 诺贝尔奖获得者R. R. Ernst 仪器仪表是科学研究的“先行官” Richard R. Ernst 1991，高分辨率核磁共振2.1仪器仪表的地位和作用19012009年历届诺贝尔物理，化学，生物医学获奖总项数为300余项，与测量理论与仪器技术紧密相关的40余项2.1仪器仪表的地位和作用1990年代，美国仪器仪表产业的产值约占工业总产值4%，而它拉动的相关产业产值到达社会总产值66%NIST各种测量与控制仪器仪表装置只占企业固定资产约10%，但离开它就不能正常、安全生产，更不可能创造

7、巨额的产值和利润 仪器仪表是工业生产的“倍增器”2.1仪器仪表的地位和作用 仪器仪表是军事上的“战斗力”现代战争中，技术优势对军事战斗力的支撑作用越来越大朝鲜战争：20越南战争：60海湾战争：1002.1仪器仪表的地位和作用产品质量检验环境监测健康保障指纹识别、防伪案件侦破气象预报交通指挥灾情防控仪器仪表是社会生活的“物化法官”2.1仪器仪表的地位和作用历史表明，谁掌握了测量控制和仪器仪表技术创新的主动权，谁就掌握了科学研究原始创新的手段测序方法年代测序方式所需时间所需经费（美元）常规凝胶电泳1990手工15年30亿毛细管电泳阵列2001自动3年3亿微流控芯片2005自动100天50万超高通量

8、基因组测序系统（第二代测序仪）2006自动1-2天1-2万仪器创新促进基因测序研究效率和质量提升2.1仪器仪表的地位和作用仪器科学与技术学科的发展水平，是国家科技水平和综合国力的重要体现自主研发技术仪器设备是科技创新的重要内容仪器仪表产业是国家战略性产业之一哈勃望远镜2.2 仪器仪表发展的若干趋势大口径光学元件形面的高精度测量45nm光刻机使用的浸没透镜口径：300mm波长：193nm数值孔径：大于1镜片数量：40-60片单片透镜（最大口径达到300mm）的面形精度要求到达1nm数十片透镜的装配精度在纳米量级2.2 仪器仪表发展的若干趋势微电子器件线宽减少的规律2.2 仪器仪表发展的若干趋势最

9、小粒子探测的发展电子云分布图原子核居中，核外被电子轨道围绕；这些电子轨道形成弥散的电子云，形状从球形到纺锤体形再到三叶形不等2.2 仪器仪表发展的若干趋势 集成光学元件的测量结构尺寸测量：厚度，2nm宽度，2nm侧壁倾角， 3接缝位移， 2nm厚度随长度变化侧面表面粗糙度端面表面粗糙度光学参数测量：不同加工方法导致的折射率变化加工中引入的应力和双折线加工中引入的拉曼普移动接缝局部的散射损耗接缝局部的偏振态变化光辐射压引入的位移和变形高功率入射造成的局部载流子浓度表面粗糙度引入的载流子寿命变化2.2 仪器仪表发展的若干趋势新材料及其应用中的测量氧化锌（ZnO）:光电、压敏、气敏、压电等方面应用石

10、墨烯：厚度只有0.335nm石墨烯射频晶体管运行频率达到100GHz（1个原子厚、10个原子宽）2.2 仪器仪表发展的若干趋势生命科学中的测量三维超分辨力光学测量仪三维超分辨力光学扫描仪蛋白质分子测量图蛋白质分子结构2.2 仪器仪表发展的若干趋势 2、测量尺寸向大、极大尺寸发展制造工程中的超大尺寸测量：几十至百米航空航天制造中的装配测量与质量控制，其尺度大约100米以内，局部精度为0.010.05mm，整体精度在亚毫米量级，相对精度10-6 -10-5，只要测量参数空间坐标、空间姿态、空间相对关系。船舶制造过程中的装配测量与控制，其尺寸大约几百米以内，局部精度为亚毫米，整体精度在毫米量级，相对

11、精度约2.2 仪器仪表发展的若干趋势 飞机装配要求的精密测量不同的部件（包括飞机截面和机翼）相互间进行精确适配几何量测量：各个部件的外形和装配截面局部精度为0.010.05mm飞机的整体外形建立机身的参考坐标系装配复杂曲面，方向精度0.1mmA380-长度：73m，翼展：80m，高度：24m2.2 仪器仪表发展的若干趋势 空间探测相对测量精度： 空间尺寸测量问题是一种极大尺寸测量问题。尽管目前极大尺寸上的测量精度需求并不完全满足一般超精密概念中的深亚微米特征，但从整个量程范围内来看目前其相对测量精度要求高达10-8乃至10-10以上，已经接近超精密测量范畴，而潜在的相对测量精度需求则更是高达1

12、0-18，已超过现有超精密测量手段所达到的极限测量精度。2.2 仪器仪表发展的若干趋势3、测量条件向复杂化、极端化方向发展，要求不断严格上天入地下海 钻探最深记录12.26Km（前苏联），仅相当于地球半径的0.2%平均地温梯度约为30度/Km玉树地震震源深度14Km 蛟龙号深海潜水器设计7000米，已完成3759米试验，压力约为每平方米4000吨2.2 仪器仪表发展的若干趋势国外现状国内现状“十一五”指标加速度计分辨率10-11 g-10-15 g10-9 g10-10 g机械加工精度0.1um-0.4um2um0.4um实用性已上星未使用争取实用化航天器高性能加速度计2.2 仪器仪表发展的若

13、干趋势地球物理探测仪器对比项医学核磁共振成像地下核磁共振成像难点磁场强度人工磁场（2T）天然地磁场（0.00005T）四万分之一强度不可改变激发频率30-100MHz1-3KHz地磁场核磁共振技术是目前研究的难点探测目标距离近（不足1米）远（超过百米）被测微弱信号衰减严重，如地下100米深处产生的核磁共振信号为nV级测量环境室内可采取屏蔽野外无法采取屏蔽电磁噪声干扰严重，如电力线干扰等人为电磁干扰测量结果解释被测目标结构已知地下结构未知测量点少，推断解释十分困难2.2 仪器仪表发展的若干趋势 深水自主导航探测（AUV） 深水探测主要包括以海底油气资源开发为目的的深水工程探测（地形地貌特征、地质

14、特征等）以及军事或环境研究为目的的深水环境检测（水温、水深、流向、流速、盐度以及水声等）追求最大下潜深度是起步全方位探测则是关键传感器主要包括：声纳、浅地层剖面仪、多波速测深仪、流速剖面仪、水下导航定位系统、声通讯系统等国外7000m的AUV已产品化国内3000m暂时还未实现，传感器全部依赖进口2.2 仪器仪表发展的若干趋势4、动态测量向高频、甚至射频拓展，在线测量需求更为迫切射频仪器应用于医学2.2 仪器仪表发展的若干趋势 超短脉冲激光用于研究超快瞬态物理现象采用飞秒脉冲与惰性气体原子碰撞，获得超短阿秒脉冲（ s），用于研究原子壳层内的电子动力学（束缚电子运动学），高能离子和热能电子的运动，

15、和分子中介电子的运动等超短激光脉冲在气体或离子中的传播试验Led3.3v超短脉冲切割方法超短脉冲半导体激光器2.2 仪器仪表发展的若干趋势5、测量对象不断增加，同一对象的测量参数也不断增加，网络化测量需求迫切 2011年，高速测验列车：速度500km/h以上 安全运行面临的基本问题 平稳性 稳定性 可靠性 安全性2.2 仪器仪表发展的若干趋势高速列车综合检测技术主要检测系统实现主要功能关键技术参数动特性范围轮轨接触状态测量连续测量轮轨横向力、垂向力，轮轨作用点在车轮踏面上的位置横向力、垂向力测量精度：1%作用点位置测量精度：3mm0-512Hz轮轨状态测定系统检测轨道左右高低、左右不平顺；检测

16、轨道曲率高低左右不平顺：精度0.5mm，范围60mm曲率：测量范围23/30mm,精度0.05%0-256Hz气流状态监测系统检测列车表面，车厢的压力及其变化规律及流场分布；检测车体、车窗的几何变化压力：精度0.2%位移：精度0.1%，量程0-100mm0-256Hz弓网状态监测系统检测受电弓的气动和冲击特性气动阻力：精度0.3%，量程0-1300N气动升力：精度0.1%，量程0-200N0-256Hz列车振动状态及服役性能检测系统检测车体、构架、轴箱和车下关键设备的振动特性及其传递关系；检测影响列车舒适性的振动、噪声、照度、温度、气压和温度等参数加速度测量精度为1%0-4096Hz测试技术针

17、对性强，测量参数多，数据量大2.2 仪器仪表发展的若干趋势测量的网络化、信息集成化智能住宅人体健康现代农业交通环境国防工业监控2.2 仪器仪表发展的若干趋势1.测量精度亚纳米量级，测量尺度纳米量级2.测量尺度向大、极大尺寸发展3.测量条件向复杂化、极端化方向发展，要求不断严格4.动态测量向高频、甚至射频拓展，在线测量的需求更为迫切。5.测量对象不断增加，同一对象的测量参数也在不断增加，网络化测量需求迫切 仪器科学与技术发展及 人才培养的思考 3.学科发展及人才培养的思考 3.1 基础研究有待加强，原创思想欠缺仪器的创新依赖于基础研究的创新1933年德国科学家Ruska发明电子显微镜1960年美

18、国科学家Maiman发明激光器1982年美国科学家Binning发明扫描隧道显微镜1986年发明原子力显微镜第一台扫描电子显微镜第一台原子力显微镜第一台扫描隧道显微镜第一台激光器原创性科学仪器设备往往会开辟新的学科领域3.学科发展及人才培养的思考 3.2 关键材料、零部件、工艺研究不深入德国I1menau技术大学研制了世界上首台商品化纳米定位与测量仪，实现了25mm X 25mm X 5mm范围内的高精度定位关键材料：零膨胀玻璃关键零部件：单频激光干涉仪关键工艺：加工工艺、装配工艺 研制高端测量仪器必备三要素ZERODUR零膨胀玻璃单频激光干涉仪3.学科发展及人才培养的思考 3.3 产学研结合

19、薄弱中国2009年固定资产投资中上万亿元来自进口，其中60%为进口仪器设备，进口科学仪器总额1000亿元，年增长率约30%。大多数领域的高端测量仪器100%依赖进口；涉及国家安全的核心仪器，如超高频、超高精度、超高分辨率的测量仪器，则被禁运 科学仪器设备是国家自主创新能力的表现 尖端科学仪器及其核心技术是不可能通过进口获得的3.学科发展及人才培养的思考 3.3 产学研结合薄弱国内高端科学仪器产业基本丧失国际竞争力，对国家重大项目缺乏有力支撑 基础仪器缺乏持续的研发，没有形成规模化产业 传统仪器功能少、技术指标低 大量高端科学仪器完全依赖进口套管旋转1周心轴移动2.0mm（老式的为0.5mm）的

20、快速测量日本三丰（mitutoyo）公司的“QuantuMike快进千分尺”在日本工业组织促进会举办的“2008年最佳设计奖”评选活动中荣获了“最佳设计奖”3.学科发展及人才培养的思考激光跟踪仪数字全息显微镜MEMS运动分析仪纳米压痕仪微拉曼光谱仪X射线衍射仪众多仪器没有国产品牌Leica率先研发了绝对距离测量（ADM）技术解决断光接续后的精度问题将数字成像和视觉测量方法引入并集成，研发了T-probe和T-scan测量技术，降低了仅仅利用跟踪球实现通用坐标测量存在的缺陷进一步研发了自动瞄准跟踪技术（Powerlock），几乎完全摆脱了激光断光接续问题激光跟踪仪作为一种重要的基础测量设备，在国

21、内有着巨大的市场需求，但一直没有国产产品，被Leica、API和FARO所垄断自身的研发部门，与大学和研究机构建立的良好合作渠道3.学科发展及人才培养的思考3.学科发展及人才培养的思考 3.3 产学研结合薄弱国内仪器设备研发项目主要由个研究机构和大学承担，企业承担的比例较低，产学研合作研发项目的比例更低，而且呈现降趋势仪器产业相对规模小，技术和经济的积累不足，现行的机制和体制不利于新产品的研发研究机构和高校中测量技术与仪器的自主创新成果较少，转化率低3.学科发展及人才培养的思考 3.3 产学研结合薄弱学校只关心培养，在学校适应社区、终身学习能力培养方面投入少 一项对在华跨国企业公司和国内高科技企业的调研表明：公司只能从国内10-15所大学雇佣到适