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彭东林:用时间测量空间

2008-06-25 来源:光明日报 作者:本报记者张国圣 我有话说

当彭东林1995年提出“用时间测量空间微小位移量”时,就有人觉得他“有可能引起一场震动”。

从事精密测量研究的彭东林常说一句话:“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。”当彭东林在1995年提出“用时间测量空间微小位移量”的技术创新思想时,就有人觉得他“有可能引起一场震动”。

“用时间测空间”的提出,基于“相对论”的思维方式。彭东林设想:“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测量技术的瓶颈。即使现在回过头来看他当时提出的这一学术理念,也会觉得这更像一个哲学命题,而不再是技术创新领域的问题。

然而当彭东林竟然真的在4年后拿出了一台原理性样机时,13位权威专家给出了完全一致的高度评价。又经8年多持续不断的艰苦努力,当高精度的“精密时栅位移传感器”获得2007年中国专利金奖后,一位了解详情的国家部委领导感叹道:“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。”而一位企业家的评价则是“时栅技术将导致整个行业的重新洗牌。”

现在,由中国人原创发明的时栅技术,已引起学术界、企业界和国家科技管理层越来越广泛的认同和重视,课题组近三年来获得国家“863”国防科工委项目等经费支持已超过千万元,那么这一场震动是如何引起的呢?

“老三届”的“非常规发展历程”

身为博士生导师、重庆工学院电子信息与自动化学院院长的彭东林,上小学时就曾经一度“辉煌”。1960年5月8日的《重庆日报》还刊登过他带领同学开展无线电活动的消息,他也曾因此被评为“重庆市优秀少先队员”。彭东林那时的理想,是长大了当一名科学家。但是当读到初一的时候,他就因“文革”停止了学业。1969年,彭东林下乡当了3年“知识青年”,返城后又做了6年汽车修理工。

看书成了只有初一文化的彭东林最大的乐趣。在农村时,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。那时候彭东林就是想看书,根本没想过哪一天还能凭这些知识考上大学。1977年高考恢复,彭东林幸运地进入了重庆大学电机系。后来攻读硕士学位时,他又有幸师从曾获得过1979年全国科学大会奖的张光辉教授。导师建议他将精密仪器作为自己的主要研究方向。

读研期间,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个新仪器。

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。

科技人员的“非共识研究项目”

在完善机床和武器系统的回转精度测量新型仪器的过程中,彭东林发现国内所有同类测量系统用的都是国外的光栅传感器。这是工业上常用的一种精密测量刻线尺,最高的可以刻到千分之一毫米,即每微米一线。如果是圆周测量,一个圆周大约有130万个角秒,目前的技术水平还只能在一个圆周上刻划约10万根刻线,每根刻线代表约13个角秒。

随着新技术产品对精度的要求不断提高,刻划技术也在不断向更精更密发展。在利用光原理发明了光栅后,国外科学家又先后利用磁原理发明了磁栅,利用电容原理发明了容栅。这些技术都遵循了“高精度测量必须依赖更高精度的刻线标尺”,而刻线标尺必定是“在一个基体上沿空间均匀分布刻线”的原理。在目前的科技水平下,刻划技术已接近其发展极限。代表国际最高刻划技术水平的德国海德汉公司,为了制造一个趋于完美的超净和超静的刻划环境,耗资14亿欧元建造了一座具有多层真空结构的地下车间。光是这一个车间的投资,就超过了建造4个北京“鸟巢”体育场的总投资!

发达国家掌握着核心技术、拥有先进的技术设施和雄厚的资金,这使他们得以长期保持着产品的技术和质量优势,以及在装备制造领域尖端的制造设备和基础功能件等方面一统天下的局面。为了保持这种优势,这些国家还设置了对我出口的重重技术壁垒和条件限制。比如精度优于一个角秒的仪器,就严格限制卖给中国。购买方必须得保证用于非军事目的,必须接受对方不定期检查等苛刻条款。现在不仅是欧美,就连日、韩都在高精度仪器产品方面卡我们。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一种标尺,用时间去测量空间呢?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。但是他们不知道,彭东林的这套思想是从他多年从事此项研究的经验中“悟出来的”。

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年将这一项目作为“非共识项目”批准立项。此后8年,彭东林获得了两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。国家自然科学基金委员会破例组织了当年唯一一次专家鉴定会。由一位工程院院士和天津大学、清华大学两个国家重点实验室的主任等9位专家组成的专家组给出的鉴定意见是:“时栅技术具有显著的创新性,处于国际先进水平,时栅位移传感器原理属国内外首创,具有广泛的应用前景”。在国外科学家发明的光栅、磁栅、容栅、电栅、球栅……之外,从此有了一种由中国人发明并拥有完全知识产权的全新原理的栅式传感器――时栅。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。

时栅到底有多精密?在重庆工学院的彭东林研究室里,你对着时栅轻轻呼出一口气,时栅马上就能测出这口气引起的震动: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。

工程中的“非传统体制创新”

彭东林多年来牢记导师教诲,既然做的是应用研究,研究成果就一定要“应用”。“应用”不仅能充分体现科研成果的价值,也有助于促进技术创新自身的不断完善。像十几年前一样,他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。

在重庆工学院的新校区,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说,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。

彭东林自信地表示,如果市场推广成功,时栅这项科研成果每年至少可以创造超过十亿元的产值。但他同时意识到,这样大规模的市场开发,显然不能照搬自己过去一个人肩扛手提、单枪匹马挨家挨户游说的模式。“我们的科研团队已经解决了技术创新的原理、设计、构造等上游尖端问题,但这项技术仍存在一些小瑕疵。比如在防水、外观、工艺、制造技术等方面,都还不尽完善。但这些不是我们自己的科研队伍所擅长的,所以我们需要配套的人才和团队。”彭东林说,自己现在迫切需要有市场开拓特殊专长的人来经营这项技术,并已经开始与国内几家企业探讨产业化合作模式。

学校似乎并不担心这些已经功成名就的教师会因此“不务正业”。党委书记饶宁华说,重庆工学院一直在探索通过机制创新处理好“教授”与“企业家”的双重身份关系,既利用学校的资源为企业服务,也利用企业的资源为学校和科研服务。只要企业愿意把科研项目拿到学校来做,成果享有权还是归企业,参与研发的教师也可以算作自己的科研成果。通过将学校的教学和科研与企业发展结合,带动学科建设和科研团队,从而真正实现共赢。

刘全利校长表示,学校鼓励教师利用自己的科研成果创办企业。如果企业具备较高的科研水平,学校也愿意与他们联合创办工程技术研究中心。刘全利说:“我们希望通过这些实际的举措,真正解决高校科技评价体系中存在的‘重理论轻实践、重成果轻应用、重论文轻专利’的问题。”

刚刚公布的“2008中国高校中国专利奖金奖排行榜”,其依据是1989年至2007年国内高校获得中国专利奖金奖的数据。共有23所国内高校进入这一排行榜,重庆工学院是其中唯一一所地方普通高校。

彭东林说,从事应用技术研究二十多年来,现在是自己感觉最好的时候。“希望我们能够在技术创新和体制创新两方面都有突破,能够研发出中国的一项标志性原创成果,也能够开拓让人眼馋的市场。市场越大,技术成果产生的价值就越大,我们科技人员对国家和社会的贡献也会更大。”(本文照片为资料照片)

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