測試技術(shù)的社會作用及發(fā)展方向
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1.1 測試是現(xiàn)代生產(chǎn)的推動器
生產(chǎn)力是社會發(fā)展的決定因素，一個國家的國力首先取決于它的生產(chǎn)能力，特別是它的制造能力，而測試技術(shù)是決定制造水平的因素之一。
自古至今，衡量生產(chǎn)水平的兩大指標(biāo)一直是質(zhì)量和效率。測試對于保證質(zhì)量的重要性是不言而喻的，沒有測試就無法評定產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，更無從保證產(chǎn)品的質(zhì)量。何況現(xiàn)代生產(chǎn)都是通過測試，實(shí)現(xiàn)反饋，控制產(chǎn)品的質(zhì)量。
生產(chǎn)效率同樣也離不開測試。一臺高速切削機(jī)床必須要有良好的軸系，包括回轉(zhuǎn)精度、動平衡等，而這一切都需要測試。生產(chǎn)效率是以每一個人在單位時間內(nèi)的產(chǎn)值來衡量的，為了提高生產(chǎn)效率必須實(shí)現(xiàn)自動化。制造業(yè)的自動化起源于上世紀(jì)初，主要是利用凸輪、擋塊等在紡織、鐘表等大規(guī)模生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)剛性自動化?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步要求產(chǎn)品不斷更新、工藝技術(shù)不斷進(jìn)步。這種剛性自動化在多數(shù)情況下已經(jīng)成為生產(chǎn)發(fā)展的障礙，現(xiàn)代的自動化是柔性自動化，越是柔性的系統(tǒng)越需要測量。沒有測量就無法獲得反饋信息，正確、準(zhǔn)確地控制工藝過程和執(zhí)行部件的運(yùn)動。
生產(chǎn)過程包括物質(zhì)流、能源流與信息流，其中信息流是最活躍的，物質(zhì)流與能源流在信息流的指揮下運(yùn)動。信息技術(shù)與制造技術(shù)的融合是機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展的主要方向，這些年制造業(yè)的最大進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的信息化，而作為提供源頭信息的測試技術(shù)在這里起關(guān)鍵作用。越是現(xiàn)代化的企業(yè)，測控設(shè)備在總投資中的比例越大。例如，寶山鋼鐵公司建設(shè)中儀器儀表測試裝備占總投資1/3。儀器儀表、測試裝備對整個國民經(jīng)濟(jì)的推動作用很大。國家中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃指出，儀器儀表是國民經(jīng)濟(jì)的倍增器。美國上世紀(jì)90年代儀器儀表只占工業(yè)總產(chǎn)值4%，但它對國民經(jīng)濟(jì)的影響面占66%。
作為自動化的進(jìn)一步發(fā)展就是智能化。智能化生產(chǎn)要求生產(chǎn)過程能自動適應(yīng)環(huán)境、原材料、工具和裝備條件的變化，使生產(chǎn)系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，獲得最優(yōu)的產(chǎn)品與效益。智能化生產(chǎn)要求在整個生產(chǎn)過程中，對環(huán)境、原材料、工具和裝備的狀態(tài)進(jìn)行檢測，并在此基礎(chǔ)上做出決策，使生產(chǎn)過程按最佳方式進(jìn)行。
在2002年的國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）第52屆年會上，德國H K Toenshoff教授做了題為“磨削中的過程控制”的主題報(bào)告。磨削過程是一個相當(dāng)復(fù)雜的加工過程。加工精度要求高、機(jī)床轉(zhuǎn)速高、砂輪磨損快、影響因素多，因而磨削中的過程監(jiān)控也顯得特別迫切。磨削中的過程監(jiān)控包括三個方面：（1）及時發(fā)現(xiàn)磨削過程中的任何不正常現(xiàn)象，防止廢品與事故；（2）根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)過程的優(yōu)化與最佳控制；（3）根據(jù)測得的磨削過程輸入與輸出參數(shù)建立磨削過程的模型。為了精確獲得工藝狀態(tài)數(shù)據(jù)，要求測量位置盡可能靠近磨削刃，通過在砂輪內(nèi)部安裝微型傳感器，實(shí)現(xiàn)了溫度、切削力、振動等多參數(shù)測量，然后通過數(shù)據(jù)處理、判斷和控制于一體的智能系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)以最小的代價獲得最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量。所以精確測試是智能控制的關(guān)鍵。
1.2 沒有測試，就沒有科學(xué)
國力競爭的關(guān)鍵是科技水平，我國與發(fā)達(dá)國家的差距也主要是科技上的差距。我國已將科技興國作為我國的基本方針，而測試技術(shù)是科學(xué)發(fā)展必不可少的手段。偉大的化學(xué)家、計(jì)量學(xué)家門德列耶夫說過：“科學(xué)是從測量開始的，沒有測量就沒有科學(xué)，至少是沒有精確的科學(xué)、真正的科學(xué)”。我國“兩彈一星”元勛王大珩院士也說過：“儀器是認(rèn)識世界的工具；科學(xué)是用斗量禾的學(xué)問。用斗去量禾就對事物有了深入的了解、精確的了解，就形成科學(xué)”。
科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)上的發(fā)明是從對事物的觀察開始的。對事物的精細(xì)觀察就要借助于儀器，就要測試，特別是在自然科學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域更是如此。在對事物的觀察、測試基礎(chǔ)上經(jīng)過分析推導(dǎo)，形成認(rèn)識。到這一階段還只能是假說、學(xué)說。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，只有在經(jīng)過測試和考核，才能真正形成科學(xué)，所以說在科學(xué)發(fā)展的哪一階段都離不開測試。國家中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃指出，儀器儀表和測試是"新技術(shù)革命"的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。
縱觀科學(xué)發(fā)展史和科技發(fā)明史，許多重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明都是從儀器儀表和測試技術(shù)的進(jìn)步開始。從20世紀(jì)初到現(xiàn)在，諾貝爾獎頒發(fā)給儀器發(fā)明、發(fā)展與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)27項(xiàng)之多。眾所周知，沒有哈勃望遠(yuǎn)鏡就難以進(jìn)行天體科學(xué)的研究，天體科學(xué)上的許多重大發(fā)現(xiàn)都是依靠哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測而得到的。掃描隧道顯微鏡的發(fā)明對納米科技的興起和發(fā)展可以說起到?jīng)Q定性作用。
蘋果落在牛頓的腦袋上，啟發(fā)了牛頓的靈感。但真正導(dǎo)致萬有引力的發(fā)現(xiàn)還是星球的運(yùn)動。按照牛頓第一定律，在沒有外力作用下，月亮應(yīng)該做等速直線運(yùn)動，為什么月亮不飛出去，而是繞地球轉(zhuǎn)動？這是困惑牛頓的一個問題。只有在有向心力作用的情況下，月亮才會繞地球轉(zhuǎn)動。蘋果落在牛頓的頭上，啟發(fā)牛頓意識到一定是地球?qū)υ铝劣幸粋€引力。牛頓根據(jù)他假設(shè)的萬有引力公式和向心力的公式進(jìn)行了計(jì)算，由于當(dāng)時測量技術(shù)的限制，牛頓沒有獲得正確的答案。牛頓是一個科學(xué)家，沒有得到實(shí)踐證明的東西，還不是科學(xué)，他沒有發(fā)表。只有在他故去之后，由于測試技術(shù)的進(jìn)步，在測得了地球與月亮的較精確的距離和地球的質(zhì)量的情況下，萬有引力學(xué)說才得到了證實(shí)，是他的學(xué)生發(fā)表了牛頓論文，使牛頓萬有引力成為科學(xué)。測試在將“學(xué)說”發(fā)展為科學(xué)中往往起著關(guān)鍵作用。
1.3 測試在信息科技中的地位
當(dāng)今時代是信息時代。信息科技包括信息的獲取、處理、傳輸、存儲、執(zhí)行。測試是科技、生產(chǎn)領(lǐng)域獲取信息的主要手段，在這個信息流中處于源頭位置，所以從一定意義上說，沒有測試，信息科技就成了無源之水、無本之木。處于源頭的信息是最微弱、最容易受到干擾的。信息的準(zhǔn)確性首先取決于源頭信息，取決于測試。為了提高所獲取信息的準(zhǔn)確性，現(xiàn)代的測試系統(tǒng)往往還包括信息的預(yù)處理、預(yù)存儲、傳輸和控制，把從信息的獲取到控制作為一個整體來對待。
談到信息科技，人們往往首先想到的是計(jì)算機(jī)。信息時代的主要標(biāo)志是高性能的電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用。確實(shí)，高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展將信息處理和存儲技術(shù)發(fā)展到空前高度，使信息流在推動科技和生產(chǎn)的作用發(fā)生了革命性的變化。需要指出的是，計(jì)算機(jī)的發(fā)展也離不開制造技術(shù)和測試技術(shù)。
計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)首先是它的運(yùn)算速度和存儲容量，這些都取決于在一塊芯片上能集成多少個晶體管，后者又取決于大規(guī)模集成電路的線條能做得多細(xì)。目前，大規(guī)模集成電路的線寬已做到0.1μm左右，進(jìn)一步的發(fā)展要求將線條做到納米級。知名的摩爾定理說芯片上開關(guān)器件的密度每18個月翻一番，其實(shí)這是在N Taniguchi于1974年提出的制造誤差按指數(shù)曲線下降的預(yù)測基礎(chǔ)上得出的。正是精密工程按N. Taniguchi預(yù)測的曲線發(fā)展，保證了計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展，保證了摩爾定理的兌現(xiàn)。
一度困擾大規(guī)模集成電路發(fā)展的是芯片引腳數(shù)目的限制，正是機(jī)械工業(yè)提供的端面安裝技術(shù)、測試技術(shù)提供的端點(diǎn)球形與平面性的準(zhǔn)確測量，使大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)了引腳數(shù)目的突破。
1999年，筆者在美國完成了一項(xiàng)光學(xué)三坐標(biāo)測量機(jī)和光刻機(jī)誤差補(bǔ)償誤差的研究工作。該研究利用一塊標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格板，通過網(wǎng)格板的翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動，可以確定光學(xué)三坐標(biāo)測量機(jī)和光刻機(jī)誤差的各項(xiàng)誤差，并對它們進(jìn)行誤差補(bǔ)償。通過誤差補(bǔ)償可使光刻機(jī)的誤差減小一半，從而使集成電路的密集度增至4倍。從這一成果也可以清楚地看到測試技術(shù)在促進(jìn)計(jì)算機(jī)發(fā)展中的作用。
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