測試技術(shù)的社會作用及發(fā)展方向
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1.7.儀器儀表和測試技術(shù)是物化的、客觀的“法官”
在利益驅(qū)動下，社會上會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。進口商品時要嚴防帶入各種病菌，為了符合WTO的要求，出口商品也要自行仔細檢驗、嚴格把關(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，只有儀器儀表和測試技術(shù)能擔負起這一重任。
測試技術(shù)不僅用于檢測物體，在許多情況下也用于人體自身，如親子鑒別、指紋和虹膜識別、犯罪的罪證提取等都離不開儀器儀表，離不開測試技術(shù)。儀器儀表和測試技術(shù)是判定社會爭端的物化的、客觀的法官。
2.測試技術(shù)的發(fā)展方向
2.1 更高、更快、更強
(1)精度更高
精度是計量測試技術(shù)的永恒主題，隨著科技的發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)y試的精度要求越來越高。在尺寸測量范疇內(nèi)，從絕對量來講已經(jīng)提出了納米與亞納米的要求。納米測量已經(jīng)不僅是單一方向的測量，而要求實現(xiàn)空間坐標測量。上世紀八十年代，美國國家標準技術(shù)研究院開始進行分子測量機的研究。上世紀九十年代末，美國北卡羅萊納州立大學夏洛特分校與麻省理工學院合作進行亞原子測量機的研究。我國臺灣大學與合肥工業(yè)大學合作，也在這方面展開了研究。在相對精度上，工程測量要求10的-7次方～10的-8次方乃至10的-9次方，而基準實現(xiàn)要求10的-12次方。
在時間測量上，分辨力要求達到飛秒級，相對精度10的-14次方。最近國際上又開始了建立光鐘時間基準的研究，相對精度為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，美國國家標準技術(shù)研究院正在研究引力波對光速的影響，測試精度要求達到10的-17次方。
在電量上則是要求能夠精確測出單個電子的電量。
在航空航天領(lǐng)域，對飛行物速度和加速度的測量都要求達到0.05%的精度。
(2)速度更快
現(xiàn)代測量越來越多地在高速運動中進行。機床、蝸輪機、交通工具以及測量機的速度都在加快，要求測量轉(zhuǎn)速為每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)的蝸輪機轉(zhuǎn)子和定子間的氣隙，每轉(zhuǎn)要求采樣上萬次。非接觸測量在實現(xiàn)快速測量上比接觸測量有很大優(yōu)越性。
除了一般的機械工業(yè)外，國防、航天等高科技領(lǐng)域?qū)y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試控制的速度。飛行器在運行中要對其軌跡、姿態(tài)、加速度不斷進行校正，要求在很短時間內(nèi)迅速做出反應(yīng)。進行火箭攔截時，反應(yīng)不及時就會發(fā)生災(zāi)難，測量和反應(yīng)速度更是起決定作用。在對爆炸和核反應(yīng)過程的研究中，也常要求能反應(yīng)微秒時段內(nèi)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。
在自然科學領(lǐng)域一些超快物理現(xiàn)象和超快化學反應(yīng)的研究中，往往要求助于飛秒激光進行測試。
(3)功能更強
在科學技術(shù)的進步與社會發(fā)展過程中，會不斷出現(xiàn)新領(lǐng)域、新事物，需要人們?nèi)フJ識、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。有的測量條件越來越惡劣：高溫、高速、高濕、高塵、振動、密閉、遙測、高壓力、高電壓、深水、強場、易爆等等。所需測量的參數(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單的參數(shù)，也必須依照一定的準則進行擬合，才能獲得符合定義、符合使用要求的值。
從測量范圍來看，也空前擴大。尺寸測量要求能從原子核測到宇宙空間，電壓測量要求從納伏測到百萬伏，電阻測量從超導(dǎo)至10的14次方Ω，加速度測量從10的-4次方到10的4次方g，溫度測量從接近絕對零度到10的18次方度。
有些情況下要求實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)測量，以便在跨地域情況下實現(xiàn)同步測量。有些情況要求對多種參數(shù)實現(xiàn)同步測量，而同步的要求達微秒級。
所有這一切都要求測量手段與方法具有更強的功能。
2.2 融合一切最新科技成果
從儀器儀表、測試手段對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的貢獻看是“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)代測試是多學科、高科技的集合。
為了完成歷史賦予的使命，測試技術(shù)必須充分、及時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)代測量中簡單地依靠同類量進行直接比較實現(xiàn)測量的應(yīng)用已經(jīng)很少，因為它在精度、速度、功能上很難滿足要求。許多測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)實現(xiàn)量的轉(zhuǎn)換進行測量。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、化學、生物學等學科中的新發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)建新的測量原理與方法。
當然，并不是兩個物理量之間的關(guān)系都可以用于測量，通過X向Y的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)測量，一是要求Y比X易于操作、易于測量；二是Y/X很大，而Y/Pi很小，即Y對X的變化很敏感，而其它各種量Pi對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)，然后進行信號融合，以確定X。
過去說儀器儀表是光、機、電結(jié)合體，現(xiàn)在僅有光、機、電結(jié)合不夠了，光、機、電、算結(jié)合也不夠，而是要充分運用激光、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)。
激光與光學技術(shù)，包括基于幾何光學、波動光學、量子光學的各種測量方法，在幾何量檢測中具有廣泛應(yīng)用前景。一方面是因為長度單位“米”是通過光在真空中在1/299792458秒時間內(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、無測量力、精度高、光斑可以很小、提供的信息豐富、可以在遠離被測對象的地方進行測量、便于實現(xiàn)快速測量等優(yōu)點，在大尺寸、常規(guī)尺寸、在線測量以及微納領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。
測量儀器自身的微型化、便攜化是測量儀器的重要發(fā)展方向。在國防、航空、航天、生物、醫(yī)學、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)。對于現(xiàn)場測量及大型工程測量的便攜化，也要充分利用激光、光纖、光學、MEMS、微電子、軟件等技術(shù)提供的條件。
這里特別要強調(diào)的是測試與信息技術(shù)的融合。測試是一個提取信息的過程，它不僅包括原始信息的獲取，還包括信息的處理、存儲、傳輸和控制。特別是在復(fù)雜環(huán)境下，對于復(fù)雜參數(shù)的測試更離不開信息的處理和存儲(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)測試以及工藝流程、生產(chǎn)過程或科學實驗流程的測試都是這方面的實例。
智能測試是測試技術(shù)發(fā)展的一個方向。對于智能技術(shù)還沒有一個統(tǒng)一的、確切的定義。筆者認為智能應(yīng)該至少包括以下三方面內(nèi)容：①對環(huán)境、工作條件、機器狀態(tài)、對象情況變化等具有自適應(yīng)性；②實現(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。
筆者在國家自然科學基金會資助下開發(fā)了一套智能三坐標測量系統(tǒng)。三坐標測量機將一切幾何量都歸結(jié)為坐標測量，從而使它有很大的通用性。根據(jù)工件的形狀編好程序后，就能進行自動測量。在完成點的坐標采集后，由軟件進行數(shù)據(jù)處理，提取特征值，并進行評定。
傳統(tǒng)三坐標測量機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)占相當大的比例。對于這些生產(chǎn)，編程就是相當大的工作量，而且需要一定的知識。固然現(xiàn)代三坐標測量機一般都有自學習程序，即人工測量一遍，即可生成測量程序，但對單件和少量幾件的生產(chǎn)幾乎沒有意義。通過點菜單來生成程序也是相當繁瑣的，因此需要開發(fā)一種勿需編程和自學習就能自動生成測量程序的智能三坐標測量機。
智能三坐標測量系統(tǒng)的工作原理是利用中性文件STEP或IGES由工件的CAD文件提取被測工件的幾何特征和公差特征，實現(xiàn)信息共享；依靠知識庫對工件進行三維重構(gòu)和建模。進行重構(gòu)和建模是因為不了解工件的整體尺寸形狀，就無法解決防碰撞的問題。另外，對同樣一個100mm尺寸，軸間距與工件長度測量方法是完全不同的。工件在測量機上是隨意放置的，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，才能對工件進行測量，這就是自適應(yīng)問題。為了確定工件的安放位姿，在三坐標測量機上裝有一個攝像機。獲得工件的實際圖像后，將它與由工件CAD模型生成的工件虛擬圖像進行比較，以確定工件的安放位姿。由于工件可能利用不同的基準定位放置(例如一個箱體的六個面都可以作為安放基準)，需要生成各種安放情況下的虛擬圖像，與實際圖像進行匹配，并計算實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，利用知識庫和數(shù)據(jù)庫，選擇測頭配置，確定測量點，進行路徑規(guī)劃，優(yōu)化并生成測量程序，從而實現(xiàn)包括編程在內(nèi)的自動智能測量。
2.3 開展極端測量
相對而言，一般常規(guī)測量技術(shù)已比較成熟，而一些極端情況下的測量，例如超高溫與超低溫的測量、大尺寸及微納尺寸的測量則存在問題較多。測試技術(shù)正在向解決這些極端測量問題的方向發(fā)展。
對于幾何量來說，極端測量主要就是大尺寸及微納尺寸的測量。
(1)大尺寸測量
由于國防、航空、航天以及大型工程的需要，大尺寸測量已經(jīng)是一個熱門研究課題。2002年國際生產(chǎn)工程學會(CIRP)以“大尺寸計量——新進展”為題，做了測量領(lǐng)域的主題報告，足以說明大尺寸計量在現(xiàn)代科技及生產(chǎn)中的重要性。
大尺寸測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、運動軌跡等的測量。航空、航天、天文觀測與空間探索、交通（含交通監(jiān)測、軌道、管道鋪設(shè)、電梯安裝運行等）、大型工程（如粒子加速器、發(fā)電機組、輪船、大型容器等）都對大尺寸測量提出很多、很高的要求。
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