机械测试理论与技术是获取机械物理信息的主要途径，是推动工业生产和制造技术进步的“倍增器”。随着我国从“资本密集型、劳动密集型”产业逐步向“知识密集型”产业升级，以集成电路、航空航天、高速轨道交通、新能源汽车为代表的战略性新兴产业与高技术制造业正成为未来十年我国制造业升级的重点领域。如何完整而精确地获取高性能装备运行过程中的服役状态以及如何实时而全面地获取产品制造过程中的形性参数，是保证制造装备与制造过程实现“高性能”、“高效率”的关键所在。开展了科学基金资助情况统计和文献分析，从精密测量、纳米测量与量子测量3个维度综合分析了本领域的代表性进展、研究热点与发展趋势，总结了面向高性能制造的机械测试重要理论、核心方法与关键技术进展，探讨了所面临的关键挑战，凝练了未来5~10年的重大科学问题。

提出了一种基于四象限探测器和波片阵列的集成式干涉信号探测系统。波片阵列的对准误差是激光干涉测量非线性误差的主要来源之一。首先分析了波片阵列对准误差对测量结果的影响机理，然后利用琼斯矩阵建立了波片阵列对准误差引入的非线性误差模型，并搭建实验系统进行验证和研究。实验结果表明，波片阵列引入的非线性误差会随着对准误差的增大而增大，在－20°～20°范围内，四分之一波片引入的非线性误差在0～13 nm之间，二分之一波片引入的非线性误差在0～2.4 nm之间。研究结果对单频激光干涉测量系统的集成化及非线性误差的分析和消除具有重要的参考价值。

激光干涉测量技术作为超精密测量的重要手段, 为实现亚纳米级测量分辨力, 通常对干涉周期信号进行数百倍甚至上千倍的插值细分, 引入分辨力有效性问题。本文基于涡旋光束的螺旋相位特性, 搭建高精度共轭涡旋光干涉位移测量结构, 将被测直线位移量与干涉图案绕中心旋转角度建立线性传感关系。信号采集与处理中基于干涉信号特点, 结合高速光电探测器进行干涉图案周期计数与相机进行低速干涉图案图像细分, 对干涉图案自身进行空间等角度细分, 有效降低后继周期信号的细分倍数并提高测量分辨力可靠性, 以保证涡旋光干涉信号实时处理系统的亚纳米量级测量精度。搭建涡旋光束拓扑荷数为4的干涉测量实验测试系统, 理论上干涉图案旋转1°对应的被测位移量为0.88 nm, 设计基于LabVIEW的信号实时采集和处理系统并进行测量分辨力测试与误差分析, 在实验室条件下分辨力优于0.5 nm。

针对当前微纳米测量中存在的微结构跨尺度、高精度测量及高深宽比结构多参数表征问题, 基于纳米测量机和微接触测头构建了纳米坐标测量系统。通过对测头与定位平台机械、电气及软件接口的设计, 实现测头与平台的集成, 并利用标准球对测量系统进行校准。为保证测量结果的可溯源性, 对定位平台三轴激光干涉仪的激光器进行了拍频。最后, 利用搭建的测量系统对高度10 μm,2 mm的超高台阶及硅臂卡爪的侧壁倾角进行了测量, 表明系统具备大尺寸结构的高精度测量和复杂MEMS器件特征尺寸的精确表征能力。

针对当前微纳米测量中存在的大范围高精度测量及复杂微结构几何参数表征难题, 基于多测头传感和精密定位平台复用技术, 开发了一台具有多种测量尺度和测量模式的复合型微纳米测量仪。为使其具备大范围快速扫描测量和小范围精细测量功能, 仪器集成了白光干涉和原子力显微镜两种测头, 通过设计适用于两种测头集成的桥架结构及宏/微两级驱动定位平台, 实现整机的开发。为保证仪器测量结果的准确性和溯源性, 利用标准样板对开发完成的仪器进行了校准。仪器搭载的白光干涉测头可以达到横向500 nm, 纵向1 nm的分辨力; 原子力显微镜测头横向和纵向分辨力均可达到1 nm。最后, 利用目标仪器对微球样品进行了测量, 通过大范围成像和小范围精细扫描, 获得了微球的表面特征, 验证了仪器对复杂微结构的测量能力。

为了提高单频激光干涉测振系统的测量精度，提出了一种基于伪极值的非线性误差实时主动补偿方法，该方法使用伪极值计算直流偏置误差和不等幅误差，通过矢量相位校正运算抑制非正交误差。实验结果表明：该方法降低了测量期间因激光器功率漂移、Abbe误差导致的正交信号椭圆轨迹螺旋化形变，以及因数字信号传输误码造成的异常数据对非线性误差补偿的影响。在搭建的单频激光干涉测振系统中，使用伪极值法结合矢量相位校正运算方法可将周期性剩余误差峰峰值降低至0.8 nm，比传统的极值法具有更好的非线性误差抑制效果，且该方法不需要复杂的运算，保持了良好的实时性。

为了研究散射测量的正向测量依据, 采用严格耦合波分析理论, 对1维矩形面型周期性结构衍射建模, 在MATLAB环境下实现严格耦合波分析算法, 并讨论了1维周期结构高度、线宽和占空比的测量特性,理论上线宽的测量可以达到纳米级分辨率。结果表明, 严格耦合波分析理论精确和高效, 对1维微纳米周期结构表现出了良好的测量特性。这为散射测量提供了科学性和可行性依据。

本文以聚苯乙烯纳米颗粒作为测量对象,分别采用最为常见的扫描电子显微镜法(SEM)和动态光散射法(DLS)测量其粒径.结果表明:电子显微镜法可观察颗粒形貌及结构,但测量误差偏大;动态光散射法可精确测量颗粒粒径及其分布状态.分析讨论了这两种测量方法的优缺点,对纳米颗粒测量具有重要的指导作用.

作为一种超精密的非接触式测量设备，双频激光干涉测量系统可以在保证纳米级测量精度的情况下实现大范围和高速度测量，因而获得非常广泛的用途。环境是影响激光干涉测量系统测量精度的最大因素，为了获得纳米测量精度，必须对测量环境进行补偿。因此，重点研究了环境补偿技术，并研制了一种新型波长跟踪器，与Edlen经验公式进行对比测试，结果表明新型波长跟踪器具有良好的补偿效果。采用自制波长跟踪器补偿之后，被测运动台伺服精度可达1.61 nm。