測(cè)試技術(shù)的社會(huì)作用及發(fā)展方向
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1.7.儀器儀表和測(cè)試技術(shù)是物化的、客觀的“法官”
在利益驅(qū)動(dòng)下，社會(huì)上會(huì)有各種各樣的不法行為，假酒、假藥、假種子、假幣、假證書、含激素和各種有害成分的食品、飲料等等，無所不有。商品缺斤短兩、非法注水現(xiàn)象更是司空見慣。進(jìn)口商品時(shí)要嚴(yán)防帶入各種病菌，為了符合WTO的要求，出口商品也要自行仔細(xì)檢驗(yàn)、嚴(yán)格把關(guān)。在所有這些情況下，以什么為依據(jù)，這就需要物化的、客觀的法官，只有儀器儀表和測(cè)試技術(shù)能擔(dān)負(fù)起這一重任。
測(cè)試技術(shù)不僅用于檢測(cè)物體，在許多情況下也用于人體自身，如親子鑒別、指紋和虹膜識(shí)別、犯罪的罪證提取等都離不開儀器儀表，離不開測(cè)試技術(shù)。儀器儀表和測(cè)試技術(shù)是判定社會(huì)爭(zhēng)端的物化的、客觀的法官。
2.測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向
2.1 更高、更快、更強(qiáng)
(1)精度更高
精度是計(jì)量測(cè)試技術(shù)的永恒主題，隨著科技的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)y(cè)試的精度要求越來越高。在尺寸測(cè)量范疇內(nèi)，從絕對(duì)量來講已經(jīng)提出了納米與亞納米的要求。納米測(cè)量已經(jīng)不僅是單一方向的測(cè)量，而要求實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)測(cè)量。上世紀(jì)八十年代，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院開始進(jìn)行分子測(cè)量機(jī)的研究。上世紀(jì)九十年代末，美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)夏洛特分校與麻省理工學(xué)院合作進(jìn)行亞原子測(cè)量機(jī)的研究。我國(guó)臺(tái)灣大學(xué)與合肥工業(yè)大學(xué)合作，也在這方面展開了研究。在相對(duì)精度上，工程測(cè)量要求10的-7次方～10的-8次方乃至10的-9次方，而基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)要求10的-12次方。
在時(shí)間測(cè)量上，分辨力要求達(dá)到飛秒級(jí)，相對(duì)精度10的-14次方。最近國(guó)際上又開始了建立光鐘時(shí)間基準(zhǔn)的研究，相對(duì)精度為10的-19次方，即3000億年不差1秒。
為了開展某些基礎(chǔ)物理研究的需要，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院正在研究引力波對(duì)光速的影響，測(cè)試精度要求達(dá)到10的-17次方。
在電量上則是要求能夠精確測(cè)出單個(gè)電子的電量。
在航空航天領(lǐng)域，對(duì)飛行物速度和加速度的測(cè)量都要求達(dá)到0.05%的精度。
(2)速度更快
現(xiàn)代測(cè)量越來越多地在高速運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行。機(jī)床、蝸輪機(jī)、交通工具以及測(cè)量機(jī)的速度都在加快，要求測(cè)量轉(zhuǎn)速為每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)的蝸輪機(jī)轉(zhuǎn)子和定子間的氣隙，每轉(zhuǎn)要求采樣上萬次。非接觸測(cè)量在實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量上比接觸測(cè)量有很大優(yōu)越性。
除了一般的機(jī)械工業(yè)外，國(guó)防、航天等高科技領(lǐng)域?qū)y(cè)量速度的要求就更高了。如果說武器系統(tǒng)的打擊精度主要取決于測(cè)量控制的精度，那么武器系統(tǒng)的反應(yīng)能力則主要取決于測(cè)試控制的速度。飛行器在運(yùn)行中要對(duì)其軌跡、姿態(tài)、加速度不斷進(jìn)行校正，要求在很短時(shí)間內(nèi)迅速做出反應(yīng)。進(jìn)行火箭攔截時(shí)，反應(yīng)不及時(shí)就會(huì)發(fā)生災(zāi)難，測(cè)量和反應(yīng)速度更是起決定作用。在對(duì)爆炸和核反應(yīng)過程的研究中，也常要求能反應(yīng)微秒時(shí)段內(nèi)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。
在自然科學(xué)領(lǐng)域一些超快物理現(xiàn)象和超快化學(xué)反應(yīng)的研究中，往往要求助于飛秒激光進(jìn)行測(cè)試。
(3)功能更強(qiáng)
在科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展過程中，會(huì)不斷出現(xiàn)新領(lǐng)域、新事物，需要人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)、探索和開拓，使之更好地為人類服務(wù)。例如開拓外層空間、探索微觀世界、了解人類自身的奧秘等等。
為此所需要測(cè)試的領(lǐng)域越來越多，環(huán)境越來越復(fù)雜，天上、地下、水中、人體內(nèi)部。有的測(cè)量條件越來越惡劣：高溫、高速、高濕、高塵、振動(dòng)、密閉、遙測(cè)、高壓力、高電壓、深水、強(qiáng)場(chǎng)、易爆等等。所需測(cè)量的參數(shù)類別越來越多，有的參數(shù)還是模糊參數(shù)，例如刀具磨損就是一個(gè)模糊參數(shù)。參數(shù)的定義也越來越復(fù)雜，就是像圓的直徑這樣看似最為簡(jiǎn)單的參數(shù)，也必須依照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行擬合，才能獲得符合定義、符合使用要求的值。
從測(cè)量范圍來看，也空前擴(kuò)大。尺寸測(cè)量要求能從原子核測(cè)到宇宙空間，電壓測(cè)量要求從納伏測(cè)到百萬伏，電阻測(cè)量從超導(dǎo)至10的14次方Ω，加速度測(cè)量從10的-4次方到10的4次方g，溫度測(cè)量從接近絕對(duì)零度到10的18次方度。
有些情況下要求實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)測(cè)量，以便在跨地域情況下實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量。有些情況要求對(duì)多種參數(shù)實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量，而同步的要求達(dá)微秒級(jí)。
所有這一切都要求測(cè)量手段與方法具有更強(qiáng)的功能。
2.2 融合一切最新科技成果
從儀器儀表、測(cè)試手段對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn)看是“秤砣雖小，四兩壓千斤”；就其技術(shù)含量而言，是“麻雀雖小、五臟俱全”。因此，現(xiàn)代測(cè)試是多學(xué)科、高科技的集合。
為了完成歷史賦予的使命，測(cè)試技術(shù)必須充分、及時(shí)利用和融合一切最新科技成果。科技創(chuàng)新就是要將自然科學(xué)中的新發(fā)現(xiàn)迅速用到工程中來，解決工程和生產(chǎn)中的問題。
現(xiàn)代測(cè)量中簡(jiǎn)單地依靠同類量進(jìn)行直接比較實(shí)現(xiàn)測(cè)量的應(yīng)用已經(jīng)很少，因?yàn)樗诰取⑺俣?、功能上很難滿足要求。許多測(cè)量都是建立在一定的物理效應(yīng)基礎(chǔ)上，即利用一定的物理效應(yīng)實(shí)現(xiàn)量的轉(zhuǎn)換進(jìn)行測(cè)量。例如利用霍爾效應(yīng)構(gòu)成霍爾傳感器，利用隧道效應(yīng)構(gòu)成掃描隧道顯微鏡。要密切注意物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科中的新發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)建新的測(cè)量原理與方法。
當(dāng)然，并不是兩個(gè)物理量之間的關(guān)系都可以用于測(cè)量，通過X向Y的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)測(cè)量，一是要求Y比X易于操作、易于測(cè)量；二是Y/X很大，而Y/Pi很小，即Y對(duì)X的變化很敏感，而其它各種量Pi對(duì)X的影響很小。完全滿足上述條件是很困難的，在一些復(fù)雜的測(cè)量中，常利用多種效應(yīng)，得到各種Yi(Yi可為各種不同性質(zhì)的量)，然后進(jìn)行信號(hào)融合，以確定X。
過去說儀器儀表是光、機(jī)、電結(jié)合體，現(xiàn)在僅有光、機(jī)、電結(jié)合不夠了，光、機(jī)、電、算結(jié)合也不夠，而是要充分運(yùn)用激光、光纖、超導(dǎo)、納米、量子、仿生、微電子、MEMS、衛(wèi)星、信息等領(lǐng)域的一切最新發(fā)現(xiàn)和技術(shù)。
激光與光學(xué)技術(shù)，包括基于幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子光學(xué)的各種測(cè)量方法，在幾何量檢測(cè)中具有廣泛應(yīng)用前景。一方面是因?yàn)殚L(zhǎng)度單位“米”是通過光在真空中在1/299792458秒時(shí)間內(nèi)走過的距離定義的，具有“溯源”的優(yōu)越性，另一方面它具有不接觸、無測(cè)量力、精度高、光斑可以很小、提供的信息豐富、可以在遠(yuǎn)離被測(cè)對(duì)象的地方進(jìn)行測(cè)量、便于實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在大尺寸、常規(guī)尺寸、在線測(cè)量以及微納領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。
測(cè)量?jī)x器自身的微型化、便攜化是測(cè)量?jī)x器的重要發(fā)展方向。在國(guó)防、航空、航天、生物、醫(yī)學(xué)、智能技術(shù)等中，微型化具有十分重要的意義。這里要充分利用MEMS、微電子以及光纖、超導(dǎo)、納米、量子、仿生、軟件等技術(shù)使儀器微型化，Lab on a chip,軟件就是儀器，是微型化的體現(xiàn)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量及大型工程測(cè)量的便攜化，也要充分利用激光、光纖、光學(xué)、MEMS、微電子、軟件等技術(shù)提供的條件。
這里特別要強(qiáng)調(diào)的是測(cè)試與信息技術(shù)的融合。測(cè)試是一個(gè)提取信息的過程，它不僅包括原始信息的獲取，還包括信息的處理、存儲(chǔ)、傳輸和控制。特別是在復(fù)雜環(huán)境下，對(duì)于復(fù)雜參數(shù)的測(cè)試更離不開信息的處理和存儲(chǔ)(包括多種信息的融合)，在某些情況下還離不開信息的傳輸和控制。聯(lián)網(wǎng)測(cè)試以及工藝流程、生產(chǎn)過程或科學(xué)實(shí)驗(yàn)流程的測(cè)試都是這方面的實(shí)例。
智能測(cè)試是測(cè)試技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。對(duì)于智能技術(shù)還沒有一個(gè)統(tǒng)一的、確切的定義。筆者認(rèn)為智能應(yīng)該至少包括以下三方面內(nèi)容：①對(duì)環(huán)境、工作條件、機(jī)器狀態(tài)、對(duì)象情況變化等具有自適應(yīng)性；②實(shí)現(xiàn)信息交換與共享；③具有判斷、決策、優(yōu)化的能力，從腦力上解放人類，使人類能更多地從事創(chuàng)造性的腦力勞動(dòng)。
筆者在國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)資助下開發(fā)了一套智能三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)將一切幾何量都?xì)w結(jié)為坐標(biāo)測(cè)量，從而使它有很大的通用性。根據(jù)工件的形狀編好程序后，就能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。在完成點(diǎn)的坐標(biāo)采集后，由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取特征值，并進(jìn)行評(píng)定。
傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的不足之一就是需要編程。在現(xiàn)代生產(chǎn)中單件和少量幾件的生產(chǎn)占相當(dāng)大的比例。對(duì)于這些生產(chǎn)，編程就是相當(dāng)大的工作量，而且需要一定的知識(shí)。固然現(xiàn)代三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)一般都有自學(xué)習(xí)程序，即人工測(cè)量一遍，即可生成測(cè)量程序，但對(duì)單件和少量幾件的生產(chǎn)幾乎沒有意義。通過點(diǎn)菜單來生成程序也是相當(dāng)繁瑣的，因此需要開發(fā)一種勿需編程和自學(xué)習(xí)就能自動(dòng)生成測(cè)量程序的智能三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。
智能三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的工作原理是利用中性文件STEP或IGES由工件的CAD文件提取被測(cè)工件的幾何特征和公差特征，實(shí)現(xiàn)信息共享；依靠知識(shí)庫對(duì)工件進(jìn)行三維重構(gòu)和建模。進(jìn)行重構(gòu)和建模是因?yàn)椴涣私夤ぜ恼w尺寸形狀，就無法解決防碰撞的問題。另外，對(duì)同樣一個(gè)100mm尺寸，軸間距與工件長(zhǎng)度測(cè)量方法是完全不同的。工件在測(cè)量機(jī)上是隨意放置的，除了知道工件的尺寸、形狀、公差要求外，還必須知道工件的姿態(tài)和位置，才能對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量，這就是自適應(yīng)問題。為了確定工件的安放位姿，在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上裝有一個(gè)攝像機(jī)。獲得工件的實(shí)際圖像后，將它與由工件CAD模型生成的工件虛擬圖像進(jìn)行比較，以確定工件的安放位姿。由于工件可能利用不同的基準(zhǔn)定位放置(例如一個(gè)箱體的六個(gè)面都可以作為安放基準(zhǔn))，需要生成各種安放情況下的虛擬圖像，與實(shí)際圖像進(jìn)行匹配，并計(jì)算實(shí)際圖像的重心位置與主軸方向，以確定工件的位置和方向。在此基礎(chǔ)上，利用知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫，選擇測(cè)頭配置，確定測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)行路徑規(guī)劃，優(yōu)化并生成測(cè)量程序，從而實(shí)現(xiàn)包括編程在內(nèi)的自動(dòng)智能測(cè)量。
2.3 開展極端測(cè)量
相對(duì)而言，一般常規(guī)測(cè)量技術(shù)已比較成熟，而一些極端情況下的測(cè)量，例如超高溫與超低溫的測(cè)量、大尺寸及微納尺寸的測(cè)量則存在問題較多。測(cè)試技術(shù)正在向解決這些極端測(cè)量問題的方向發(fā)展。
對(duì)于幾何量來說，極端測(cè)量主要就是大尺寸及微納尺寸的測(cè)量。
(1)大尺寸測(cè)量
由于國(guó)防、航空、航天以及大型工程的需要，大尺寸測(cè)量已經(jīng)是一個(gè)熱門研究課題。2002年國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)以“大尺寸計(jì)量——新進(jìn)展”為題，做了測(cè)量領(lǐng)域的主題報(bào)告，足以說明大尺寸計(jì)量在現(xiàn)代科技及生產(chǎn)中的重要性。
大尺寸測(cè)量主要指幾米至幾百米范圍內(nèi)物體的空間位置、尺寸、形狀、運(yùn)動(dòng)軌跡等的測(cè)量。航空、航天、天文觀測(cè)與空間探索、交通（含交通監(jiān)測(cè)、軌道、管道鋪設(shè)、電梯安裝運(yùn)行等）、大型工程（如粒子加速器、發(fā)電機(jī)組、輪船、大型容器等）都對(duì)大尺寸測(cè)量提出很多、很高的要求。
評(píng)論