測試技術(shù)的社會作用及發(fā)展方向
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1.4 國防和高科技的發(fā)展離不開測試
現(xiàn)代的戰(zhàn)爭是信息戰(zhàn)。無論是在科索沃，還是伊拉克，美國使用的主要武器都是激光制導(dǎo)武器。在現(xiàn)代的戰(zhàn)爭中，儀器儀表的測量控制精度決定了武器系統(tǒng)的打擊精度。儀器儀表的測試速度、診斷能力決定了武器系統(tǒng)的反應(yīng)能力。無論在伊拉克，還是在巴勒斯坦，美國和以色列常常采用定點(diǎn)殺傷。所謂定點(diǎn)殺傷就是根據(jù)探測到的信號進(jìn)行瞄準(zhǔn)、發(fā)射和跟蹤。
美國還在發(fā)展一種稱為反導(dǎo)彈的戰(zhàn)略計(jì)劃，它的基本思想就是精確、快速探測對方發(fā)射的導(dǎo)彈，并在此基礎(chǔ)上發(fā)射自己的火箭進(jìn)行攔截。測試是這一戰(zhàn)略思想的技術(shù)基礎(chǔ)。
一部現(xiàn)代的汽車有五、六十個(gè)傳感器，飛機(jī)、火箭、宇宙飛船上何止幾百、幾千個(gè)傳感器。一架飛機(jī)、火箭、宇宙飛船從它的加工到裝配一步也離不開檢測，飛機(jī)、火箭、宇宙飛船的加工和裝配精度是人命關(guān)天的。火箭在現(xiàn)場安裝、準(zhǔn)備發(fā)射都離不開檢測。俗話說，差之毫厘，失之千里，這是一種形容；而今火箭、宇宙飛船的發(fā)射差之毫厘，失之又何止千里？
在發(fā)射場上精確找正并發(fā)射后，由于大氣和其它天體、氣象等因素的影響，火箭、飛船還可能偏離預(yù)定的軌道。需要不斷地檢測航行的軌跡，進(jìn)行校正。不僅要按測量結(jié)果校正航行軌跡，還要按測得的加速度控制燃料和氣體的排放，以保證飛行軌道的準(zhǔn)確，而對所有這些檢測的精度和速度響應(yīng)的要求是極高的。
國家中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃指出，運(yùn)載火箭的試制費(fèi)一半用于儀器儀表，由此可見測試技術(shù)在發(fā)展航天、航空、國防等高科技中的作用。
我國已經(jīng)成功地發(fā)射了5艘宇宙飛船，還將實(shí)現(xiàn)嫦娥登月計(jì)劃。除了第五艘飛船是載人的以外，其它4艘的主要任務(wù)就是收集數(shù)據(jù)，為載人航天飛行做好準(zhǔn)備。只有有了充分的數(shù)據(jù)，弄清宇宙飛行的規(guī)律，才能保證飛行的安全，達(dá)到探索宇宙空間的奧秘，為人類服務(wù)的目的。在宇宙飛船上和在空間站上需進(jìn)行多種多樣的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，要通過測試獲得所需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
應(yīng)當(dāng)說今后的載人宇宙飛行、登月計(jì)劃、到其它星球的探索，很重要的任務(wù)，甚至主要任務(wù)，還是在測試。只有通過測試，才能了解宇宙，開發(fā)宇宙。以宇宙飛行為例，它不僅包括宇宙飛船，還包括許許多多地面觀測站、測控船。可以推測，在宇宙飛行實(shí)施中，花在儀器儀表和各種觀測站的費(fèi)用不會小于一半。
核武器和核工業(yè)的發(fā)展同樣離不開測試。核聚變與核裂變相比，不僅具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率、能釋放更巨大的能量，而且是更清潔的能源，這對核工業(yè)是十分重要的。目前世界上只有美、俄、中等少數(shù)幾個(gè)國家掌握核聚變技術(shù)。利用飛秒激光脈沖激勵(lì)、泵浦核聚變反應(yīng)是國際上十分引人注目的一個(gè)研究方向，因?yàn)轱w秒激光脈沖具有非常高的瞬時(shí)功率。為了獲得高的激勵(lì)功率和激勵(lì)效率，需要將幾十路飛秒激光束同時(shí)精確瞄準(zhǔn)一個(gè)直徑僅為幾百微米的空心靶球的球心，這是一個(gè)要求很高的幾何量測試問題。當(dāng)然在整個(gè)核反應(yīng)過程中還有更多其它重要的測試問題。
在談?wù)摦?dāng)今時(shí)代的高科技時(shí)，不能不提及納米科技和微機(jī)電系統(tǒng)。宇宙飛行往大的方向探索宇宙空間的奧秘，而納米科技和微機(jī)電系統(tǒng)則向小的方向，包括分子、原子領(lǐng)域探索世界的奧秘。
在納米量級已是對單個(gè)或少量分子、原子進(jìn)行操作。納米結(jié)構(gòu)的物質(zhì)表現(xiàn)了很多的獨(dú)特性能。這些性能在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域有重要應(yīng)用。例如，納米結(jié)構(gòu)的材料在硬度、密度、強(qiáng)度、延展性、導(dǎo)熱性、磁耦合、催化能力、吸附選擇性以及電學(xué)和光學(xué)性能均有很大增進(jìn)。例如納米碳管的抗拉強(qiáng)度比鋼高20倍，而強(qiáng)度質(zhì)量比為鋼的50多倍。將這些材料用在航空、航天上，用在人體上顯示出十分巨大的優(yōu)越性。納米粒子、納米薄膜也顯示了其許多獨(dú)特性能，納米科技正在帶動一場新的科技革命。
納米是一個(gè)尺寸量度，只有能觀測到它，才能研究它、應(yīng)用它。從一定意義上說，測試技術(shù)的發(fā)展，對納米科技的興起起著決定性作用。1986年獲得物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)的掃描隧道顯微鏡的發(fā)明，標(biāo)志著納米科技成為一門科學(xué)。
中國科學(xué)院副院長、我國知名納米專家白春禮指出：目前科技界普遍公認(rèn)的納米科技的定義是，在納米尺度（1～100nm）上研究物質(zhì)（包括原子、分子的操縱）的特性和相互作用，以及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。納米科技包括三個(gè)研究領(lǐng)域：納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征。我們必須要對納米器件的研制和納米尺度的檢測與表征的研究工作給予重點(diǎn)支持。
同樣，國際上一些有識之士也充分意識到測試技術(shù)在發(fā)展納米科技中的重要性。歐、美、中、日等國一些頂尖專家已先后在歐洲、美國、中國(2004年5月17～19日于北京)集會，論證測試在納米科技中不可或缺的作用，形成了“The need for measurement and testing in nanotechnology”的正式文件，向歐洲共同體以及各國政府報(bào)告，以引起各國政府對納米檢測的充分重視并給予物質(zhì)支持。
微機(jī)電系統(tǒng)是近年來又一飛速發(fā)展的領(lǐng)域。全世界微機(jī)電產(chǎn)品的生產(chǎn)總值在1996年是144億歐元，而2002年已增至約380億歐元，這兩年又以每年百分之幾十的速率增長。
微機(jī)電系統(tǒng)的意義是顯而易見的。前面談到，航天飛行器的一個(gè)首要任務(wù)就是進(jìn)行各種測試。飛行器上搭載的測試設(shè)備重一公斤，整個(gè)發(fā)射和運(yùn)行中增加的能源和資金消耗是十分可觀的。在飛機(jī)、導(dǎo)彈等武器中情況也是這樣，必須要求測試設(shè)備微型化。
生命科學(xué)研究是微機(jī)電系統(tǒng)又一重要應(yīng)用領(lǐng)域。進(jìn)行生命科學(xué)和生物技術(shù)的研究，需要將各種微型傳感器和執(zhí)行器植入人體或生物體內(nèi)部，探索人體與生物的奧秘。人體的治療與骨骼、神經(jīng)和關(guān)節(jié)等的康復(fù)、無損傷的外科手術(shù)、藥品的準(zhǔn)確輸送、心臟疾病的準(zhǔn)確診斷、人工器官的植入、生物品種的改良等也需要各種微型器械。
微機(jī)電系統(tǒng)在信息技術(shù)和智能系統(tǒng)中應(yīng)用前景非常廣闊。前面談到的嵌入砂輪內(nèi)部的傳感器，在智能衣服中能自動調(diào)節(jié)溫度的傳感與控制器等都必須做得非常小，只能用微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工藝來實(shí)現(xiàn)。
微機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括設(shè)計(jì)、工藝、封裝和檢測。開始人們只重視設(shè)計(jì)和工藝，而忽略了封裝和檢測。在微觀范疇中，物體、材料的許多物理、力學(xué)等性能都是與宏觀世界不一樣的。許多常用的工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中都不能應(yīng)用，必須通過測試來獲取適合于微機(jī)電系統(tǒng)的新的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。為了獲得符合性能要求的微機(jī)電器件，必須對微機(jī)電系統(tǒng)的工藝過程和成品進(jìn)行檢測。測試技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)瓶頸因素。
1.5 測試技術(shù)是開展生命科學(xué)研究的支撐
隨著科技的發(fā)展，人類在適應(yīng)和征服大自然中取得了巨大的成就，人類越來越多地關(guān)心自身的奧秘。改革開放以來，我國人民的生活有了很大的改善，人們越來越多地關(guān)心健康，一些發(fā)達(dá)國家更是如此。工業(yè)的發(fā)展只有幾百年的歷史，而人類與生物的進(jìn)化已經(jīng)有幾千年、幾萬年的歷史，一些工業(yè)產(chǎn)品的性能在不少方面還不如人類與生物。以上種種方面都在促使生命科學(xué)和生物技術(shù)將成為21世紀(jì)的領(lǐng)頭科學(xué)和技術(shù)。
醫(yī)學(xué)正在經(jīng)歷一個(gè)由經(jīng)驗(yàn)、技藝變?yōu)榭茖W(xué)的過程，要把醫(yī)學(xué)由經(jīng)驗(yàn)、技藝變?yōu)榭茖W(xué)，要依靠儀器儀表，要依靠測試。儀器與測試技術(shù)是了解人體和生物生命機(jī)理和探測疾患的主要手段。沒有良好的測試手段，包括各種植入人體內(nèi)部的傳感器，是不可能洞察人體和生物的奧秘的。對于祖國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中醫(yī)學(xué)、中草藥更是如此。中醫(yī)學(xué)、中草藥積累了多少代人的心血和經(jīng)驗(yàn)，是人類寶貴的文化遺產(chǎn)。中醫(yī)學(xué)關(guān)于將人作為一個(gè)整體的見地，有關(guān)如經(jīng)絡(luò)、針灸、號脈等的學(xué)說與實(shí)踐都是非常珍貴的，但也存在怎樣將它們由經(jīng)驗(yàn)、技藝變?yōu)榭茖W(xué)并進(jìn)一步深化、擴(kuò)大的問題，而所有這一切都靠測試，靠儀器儀表。
儀器儀表、測試技術(shù)還能為人類提供多種人造器官，實(shí)現(xiàn)康復(fù)。這里不僅包括人工眼睛、耳朵、鼻子、舌頭等感覺器官，也包括其它的各種器官。
例如上肢運(yùn)動的癱瘓可能由于感覺—運(yùn)動通道因麻痹而阻斷，在通過測試得到正常人小腦發(fā)出的信號、利用電激勵(lì)模擬神經(jīng)刺激后，就可以恢復(fù)上肢的運(yùn)動。若是因?yàn)榧∪饣蚬趋朗艿綋p傷而失去上肢運(yùn)動，則可通過對正常人在小腦指揮下的神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)電運(yùn)動控制信號的測試，構(gòu)建人工假肢，實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動。
應(yīng)當(dāng)說，在機(jī)械量的測試與人體或生物測試之間并沒有一條鴻溝，其基本原理是完全相通的。在幾何量測試中具有廣泛應(yīng)用的邁克爾遜干涉儀，同樣可以應(yīng)用于人體的測量。在幾何量測試中為了得到大的相干長度，常常使用單色性好的激光。在光學(xué)層析術(shù)（OCT）中要求光源的相干長度短，只有當(dāng)由分光鏡分光、形成的測量光束和參考光束光程相等時(shí)，光電探測器上才能產(chǎn)生干涉信號?？扛淖兗釉趬弘娞沾缮系碾妷?，使參考反射鏡的位置變化，引起參考光束光程改變，使得被測對象上的層析面位置也隨之改變。利用一套幾何光路，對被測對象進(jìn)行掃描，測量對象上的各個(gè)點(diǎn)。這種方法已被成功地用于皮膚癌的診斷中。
美國南加州大學(xué)教授、天津大學(xué)長江學(xué)者盧志揚(yáng)教授提出了激勵(lì)技術(shù)（Inspiring Technology）的思想。他認(rèn)為測試應(yīng)當(dāng)無所不在，在人們?nèi)粘５墓ぷ骱蜕钣闷飞?，都?yīng)該裝上微型傳感器，檢測人們的身體狀況。根據(jù)檢測的結(jié)果，有針對性地發(fā)出反饋激勵(lì)信號，促進(jìn)人們的健康。
1.6 現(xiàn)代生活和人類生存離不開儀器儀表
如果說多少年前測試手段主要用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)，那么今天測試技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了千家萬戶。許多家用電器都帶有測試裝置，如傻瓜相機(jī)具有測量光亮度和物體距離的裝置，能夠自動調(diào)整曝光度和對焦。一部現(xiàn)代汽車裝有50～60個(gè)傳感器，用于檢測油量、油門打開的情況以及司機(jī)是否喝了酒、安全帶是否系好等等，全球?qū)Ш较到y(tǒng)（GPS）也將成為汽車的必備裝置。
人們一直夢想房屋、車輛、衣服能自動調(diào)節(jié)溫度，為此需要將各種微型傳感器、芯片、執(zhí)行器置入建筑、車輛、材料、織物內(nèi)部等，構(gòu)成智能建筑、車輛、衣物等。已經(jīng)證明，這一夢想在技術(shù)上完全可以實(shí)現(xiàn)，只是價(jià)格問題。保健、醫(yī)療設(shè)備進(jìn)家庭就更習(xí)以為常。所以說測試技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入千家萬戶，測試已經(jīng)是我們生活不可短缺的了。
科技的發(fā)展創(chuàng)造了歷史的奇跡。但環(huán)境和生態(tài)也正遭到巨大的破壞，成為對人類生存的最大威脅之一。要保護(hù)環(huán)境必須對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。海洋資源的開發(fā)、海洋污染防治與災(zāi)難的預(yù)防都需要加強(qiáng)監(jiān)測。地震、火災(zāi)、恐怖行為等都在對我們生存形成威脅，需要加強(qiáng)監(jiān)測。
在我們?nèi)粘Ｉ钪?，由于環(huán)境的污染和一些暴利的驅(qū)動，無論在我們的食品、飲料、還是藥品中，都會有大量的有害物質(zhì)，其危害不可輕視。要加快開發(fā)一些簡易、便攜的手段，加強(qiáng)對于各種污染的檢測。例如，我們開發(fā)了一種檢測液體的裝置。被測液體經(jīng)毛細(xì)管形成液滴，在液滴生成過程中，其形狀變化與液體的比重、粘度、表面張力等諸多力學(xué)特性有關(guān)。在滴頭上插2根光纖，一根是輸入光纖，另一根是接受光纖。這樣，接受光纖中輸出的光強(qiáng)信號，一方面與液滴的形狀有關(guān)，另一方面又與液體的顏色、渾濁度、折射率等許多光學(xué)特性有關(guān)，這樣就可以精確識別液體的性質(zhì)和濃度。為了避免供液速度的影響，由環(huán)形電極和滴頭構(gòu)成電容器，測量液滴的體積。輸出光強(qiáng)隨液滴體積變化的曲線稱為液體的指紋圖。為了進(jìn)一步分析液體的成分，還可以插入微型光譜儀，以獲得光強(qiáng)隨液滴體積、光波長變化的三維指紋圖。
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