测试技术的社会作用及发展方向

测试技术的社会作用及发展方向
1.测试技术在社会发展中的作用
1.1 测试是现代生产的推动器
生产力是社会发展的决定因素,一个国家的国力首先取决于它的生产能力,特别是它的制造能力,而测试技术是决定制造水平的因素之一。
自古至今,衡量生产水平的两大指标一直是质量和效率测试对于保证质量的重要性是不言而喻的,没有测试就无法评定产品质量的优劣,更无从保证产品的质量。何况现代生产都是通过测试,实现反馈,控制产品的质量。
生产效率同样也离不开测试。一台高速切削机床必须要有良好的轴系,包括回转精度、动平衡等,而这一切都需要测试。生产效率是以每一个人在单位时间内的产值来衡量的,为了提高生产效率必须实现自动化。制造业的自动化起源于上世纪初,主要是利用凸轮、挡块等在纺织、钟表等大规模生产中实现刚性自动化。科学技术的进步要求产品不断更新、工艺技术不断进步。这种刚性自动化在多数情况下已经成为生产发展的障碍,现代的自动化是柔性自动化,越是柔性的系统越需要测量。没有测量就无法获得反馈信息,正确、准确地控制工艺过程和执行部件的运动。
生产过程包括物质流、能源流与信息流,其中信息流是最活跃的,物质流与能源流在信息流的指挥下运动。信息技术与制造技术的融合是机械制造技术发展的主要方向,这些年制造业的最大进步是实现制造业的信息化,而作为提供源头信息的测试技术在这里起关键作用。越是现代化的企业,测控设备在总投资中的比例越大。例如,宝山钢铁公司建设中仪器仪表测试装备占总投资1/3。仪器仪表测试装备对整个国民经济的推动作用很大。国家中长期科学技术发展规划指出,仪器仪表是国民经济的倍增器。美国上世纪90年代仪器仪表只占工业总产值4%,但它对国民经济的影响面占66%。
作为自动化的进一步发展就是智能化。智能化生产要求生产过程能自动适应环境、原材料、工具和装备条件的变化,使生产系统工作在最佳状态,获得最优的产品与效益。智能化生产要求在整个生产过程中,对环境、原材料、工具和装备的状态进行检测,并在此基础上做出决策,使生产过程按最佳方式进行。
2002年的国际生产工程学会(CIRP)第52届年会上,德国H K Toenshoff教授做了题为“磨削中的过程控制”的主题报告。磨削过程是一个相当复杂的加工过程。加工精度要求高、机床转速高、砂轮磨损快、影响因素多,因而磨削中的过程监控也显得特别迫切。磨削中的过程监控包括三个方面:(1)及时发现磨削过程中的任何不正常现象,防止废品与事故;(2)根据测量得到的数据,实现过程的优化与最佳控制;(3)根据测得的磨削过程输入与输出参数建立磨削过程的模型。为了精确获得工艺状态数据,要求测量位置尽可能靠近磨削刃,通过在砂轮内部安装微型传感器,实现了温度、切削力、振动多参数测量,然后通过数据处理、判断和控制于一体的智能系统,来实现以最小的代价获得最优的产品质量。所以精确测试是智能控制的关键。
1.2 没有测试,就没有科学
国力竞争的关键是科技水平,我国与发达国家的差距也主要是科技上的差距。我国已将科技兴国作为我国的基本方针,而测试技术是科学发展必不可少的手段。伟大的化学家、计量学家门德列耶夫说过:“科学是从测量开始的,没有测量就没有科学,至少是没有精确的科学、真正的科学”。我国“两弹一星”元勋王大珩院士也说过:“仪器是认识世界的工具;科学是用斗量禾的学问。用斗去量禾就对事物有了深入的了解、精确的了解,就形成科学”。
科学上的发现和技术上的发明是从对事物的观察开始的。对事物的精细观察就要借助于仪器,就要测试,特别是在自然科学和工业生产领域更是如此。在对事物的观察、测试基础上经过分析推导,形成认识。到这一阶段还只能是假说、学说。实践是检验真理的唯一标准,只有在经过测试和考核,才能真正形成科学,所以说在科学发展的哪一阶段都离不开测试。国家中长期科学技术发展规划指出,仪器仪表测试是"新技术革命"的先导和基础。
纵观科学发展史和科技发明史,许多重大发现和发明都是从仪器仪表测试技术的进步开始。从20世纪初到现在,诺贝尔奖颁发给仪器发明、发展与相关的实验项目达27项之多。众所周知,没有哈勃望远镜就难以进行天体科学的研究,天体科学上的许多重大发现都是依靠哈勃望远镜的观测而得到的。扫描隧道显微镜的发明对纳米科技的兴起和发展可以说起到决定性作用。
苹果落在牛顿的脑袋上,启发了牛顿的灵感。但真正导致万有引力的发现还是星球的运动。按照牛顿第一定律,在没有外力作用下,月亮应该做等速直线运动,为什么月亮不飞出去,而是绕地球转动?这是困惑牛顿的一个问题。只有在有向心力作用的情况下,月亮才会绕地球转动。苹果落在牛顿的头上,启发牛顿意识到一定是地球对月亮有一个引力。牛顿根据他假设的万有引力公式和向心力的公式进行了计算,由于当时测量技术的限制,牛顿没有获得正确的答案。牛顿是一个科学家,没有得到实践证明的东西,还不是科学,他没有发表。只有在他故去之后,由于测试技术的进步,在测得了地球与月亮的较精确的距离和地球的质量的情况下,万有引力学说才得到了证实,是他的学生发表了牛顿论文,使牛顿万有引力成为科学。测试在将“学说”发展为科学中往往起着关键作用。
1.3 测试在信息科技中的地位
当今时代是信息时代。信息科技包括信息的获取、处理、传输、存储、执行。测试是科技、生产领域获取信息的主要手段,在这个信息流中处于源头位置,所以从一定意义上说,没有测试,信息科技就成了无源之水、无本之木。处于源头的信息是最微弱、最容易受到干扰的。信息的准确性首先取决于源头信息,取决于测试。为了提高所获取信息的准确性,现代的测试系统往往还包括信息的预处理、预存储、传输和控制,把从信息的获取到控制作为一个整体来对待。
谈到信息科技,人们往往首先想到的是计算机。信息时代的主要标志是高性能的电子计算机的发展与广泛应用。确实,高性能计算机的发展将信息处理和存储技术发展到空前高度,使信息流在推动科技和生产的作用发生了革命性的变化。需要指出的是,计算机的发展也离不开制造技术和测试技术。
计算机的性能指标首先是它的运算速度和存储容量,这些都取决于在一块芯片上能集成多少个晶体管,后者又取决于大规模集成电路的线条能做得多细。目前,大规模集成电路的线宽已做到0.1μm左右,进一步的发展要求将线条做到纳米级。知名的摩尔定理说芯片上开关器件的密度每18个月翻一番,其实这是在N Taniguchi于1974年提出的制造误差按指数曲线下降的预测基础上得出的。正是精密工程按N. Taniguchi预测的曲线发展,保证了计算机工业的发展,保证了摩尔定理的兑现。
一度困扰大规模集成电路发展的是芯片引脚数目的限制,正是机械工业提供的端面安装技术、测试技术提供的端点球形与平面性的准确测量,使大规模集成电路实现了引脚数目的突破。
1999年,笔者在美国完成了一项光学三坐标测量机和光刻机误差补偿误差的研究工作。该研究利用一块标准网格板,通过网格板的翻转和转动,可以确定光学三坐标测量机和光刻机误差的各项误差,并对它们进行误差补偿。通过误差补偿可使光刻机的误差减小一半,从而使集成电路的密集度增至4倍。从这一成果也可以清楚地看到测试技术在促进计算机发展中的作用。
1.4 国防和高科技的发展离不开测试
现代的战争是信息战。无论是在科索沃,还是伊拉克,美国使用的主要武器都是激光制导武器。在现代的战争中,仪器仪表测量控制精度决定了武器系统的打击精度。仪器仪表测试速度、诊断能力决定了武器系统的反应能力。无论在伊拉克,还是在巴勒斯坦,美国和以色列常常采用定点杀伤。所谓定点杀伤就是根据探测到的信号进行瞄准、发射和跟踪。
美国还在发展一种称为反导弹的战略计划,它的基本思想就是精确、快速探测对方发射的导弹,并在此基础上发射自己的火箭进行拦截。测试是这一战略思想的技术基础。
一部现代的汽车有五、六十个传感器,飞机、火箭、宇宙飞船上何止几百、几千个传感器。一架飞机、火箭、宇宙飞船从它的加工到装配一步也离不开检测,飞机、火箭、宇宙飞船的加工和装配精度是人命关天的。火箭在现场安装、准备发射都离不开检测。俗话说,差之毫厘,失之千里,这是一种形容;而今火箭、宇宙飞船的发射差之毫厘,失之又何止千里?
发射场上精确找正并发射后,由于大气和其它天体、气象等因素的影响,火箭、飞船还可能偏离预定的轨道。需要不断地检测航行的轨迹,进行校正。不仅要按测量结果校正航行轨迹,还要按测得的加速度控制燃料和气体的排放,以保证飞行轨道的准确,而对所有这些检测的精度和速度响应的要求是极高的。
国家中长期科学技术发展规划指出,运载火箭的试制费一半用于仪器仪表,由此可见测试技术在发展航天、航空、国防等高科技中的作用。
我国已经成功地发射了5艘宇宙飞船,还将实现嫦娥登月计划。除了第五艘飞船是载人的以外,其它4艘的主要任务就是收集数据,为载人航天飞行做好准备。只有有了充分的数据,弄清宇宙飞行的规律,才能保证飞行的安全,达到探索宇宙空间的奥秘,为人类服务的目的。在宇宙飞船上和在空间站上需进行多种多样的科学实验,要通过测试获得所需要的实验数据
应当说今后的载人宇宙飞行、登月计划、到其它星球的探索,很重要的任务,甚至主要任务,还是在测试。只有通过测试,才能了解宇宙,开发宇宙。以宇宙飞行为例,它不仅包括宇宙飞船,还包括许许多多地面观测站、测控船。可以推测,在宇宙飞行实施中,花在仪器仪表和各种观测站的费用不会小于一半。
核武器和核工业的发展同样离不开测试。核聚变与核裂变相比,不仅具有更高的能量转换效率、能释放更巨大的能量,而且是更清洁的能源,这对核工业是十分重要的。目前世界上只有美、俄、中等少数几个国家掌握核聚变技术。利用飞秒激光脉冲激励、泵浦核聚变反应是国际上十分引人注目的一个研究方向,因为飞秒激光脉冲具有非常高的瞬时功率。为了获得高的激励功率和激励效率,需要将几十路飞秒激光束同时精确瞄准一个直径仅为几百微米的空心靶球的球心,这是一个要求很高的几何量测试问题。当然在整个核反应过程中还有更多其它重要的测试问题。
在谈论当今时代的高科技时,不能不提及纳米科技和微机电系统。宇宙飞行往大的方向探索宇宙空间的奥秘,而纳米科技和微机电系统则向小的方向,包括分子、原子领域探索世界的奥秘。
纳米量级已是对单个或少量分子、原子进行操作。纳米结构的物质表现了很多的独特性能。这些性能在材料科学、医学等许多领域有重要应用。例如,纳米结构的材料在硬度密度、强度、延展性、导热性、磁耦合、催化能力、吸附选择性以及电学和光学性能均有很大增进。例如纳米碳管的抗拉强度比钢高20倍,而强度质量比为钢的50多倍。将这些材料用在航空、航天上,用在人体显示出十分巨大的优越性。纳米粒子、纳米薄膜显示了其许多独特性能,纳米科技正在带动一场新的科技革命。
纳米是一个尺寸量度,只有能观测到它,才能研究它、应用它。从一定意义上说,测试技术的发展,对纳米科技的兴起起着决定性作用。1986年获得物理学诺贝尔奖的扫描隧道显微镜的发明,标志着纳米科技成为一门科学。
中国科学院副院长、我国知名纳米专家白春礼指出:目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是,在纳米尺度(1~100nm)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用,以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。纳米科技包括三个研究领域:纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。我们必须要对纳米器件的研制和纳米尺度的检测与表征的研究工作给予重点支持。
同样,国际上一些有识之士也充分意识到测试技术在发展纳米科技中的重要性。欧、美、中、日等国一些顶尖专家已先后在欧洲、美国、中国(2004年5月17~19日于北京)集会,论证测试纳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,向欧洲共同体以及各国政府报告,以引起各国政府对纳米检测的充分重视并给予物质支持。
微机电系统是近年来又一飞速发展的领域。全世界微机电产品的生产总值在1996年是144亿欧元,而2002年已增至约380亿欧元,这两年又以每年百分之几十的速率增长。
微机电系统的意义是显而易见的。前面谈到,航天飞行器的一个首要任务就是进行各种测试。飞行器上搭载的测试设备重一公斤,整个发射和运行中增加的能源和资金消耗是十分可观的。在飞机、导弹等武器中情况也是这样,必须要求测试设备微型化。
生命科学研究是微机电系统又一重要应用领域。进行生命科学和生物技术的研究,需要将各种微型传感器和执行器植入人体或生物体内部,探索人体与生物的奥秘。人体的治疗与骨骼、神经和关节等的康复、无损伤的外科手术、药品的准确输送、心脏疾病的准确诊断、人工器官的植入、生物品种的改良等也需要各种微型器械。
微机电系统在信息技术和智能系统中应用前景非常广阔。前面谈到的嵌入砂轮内部的传感器,在智能衣服中能自动调节温度的传感与控制器等都必须做得非常小,只能用微机电系统的设计和工艺来实现。
微机电系统的关键技术包括设计、工艺、封装和检测。开始人们只重视设计和工艺,而忽略了封装和检测。在微观范畴中,物体、材料的许多物理、力学等性能都是与宏观世界不一样的。许多常用的工程设计数据在微机电系统的设计中都不能应用,必须通过测试来获取适合于微机电系统的新的设计数据。为了获得符合性能要求的微机电器件,必须对微机电系统的工艺过程和成品进行检测。测试技术已经成为发展微机电系统的一个瓶颈因素。
1.5 测试技术是开展生命科学研究的支撑
随着科技的发展,人类在适应和征服大自然中取得了巨大的成就,人类越来越多地关心自身的奥秘。改革开放以来,我国人民的生活有了很大的改善,人们越来越多地关心健康,一些发达国家更是如此。工业的发展只有几百年的历史,而人类与生物的进化已经有几千年、几万年的历史,一些工业产品的性能在不少方面还不如人类与生物。以上种种方面都在促使生命科学和生物技术将成为21世纪的领头科学和技术。
医学正在经历一个由经验、技艺变为科学的过程,要把医学由经验、技艺变为科学,要依靠仪器仪表,要依靠测试仪器测试技术是了解人体和生物生命机理和探测疾患的主要手段。没有良好的测试手段,包括各种植入人体内部的传感器,是不可能洞察人体和生物的奥秘的。对于祖国传统医学中医学、中草药更是如此。中医学、中草药积累了多少代人的心血和经验,是人类宝贵的文化遗产。中医学关于将人作为一个整体的见地,有关如经络、针灸、号脉等的学说与实践都是非常珍贵的,但也存在怎样将它们由经验、技艺变为科学并进一步深化、扩大的问题,而所有这一切都靠测试,靠仪器仪表
仪器仪表测试技术还能为人类提供多种人造器官,实现康复。这里不仅包括人工眼睛、耳朵、鼻子、舌头等感觉器官,也包括其它的各种器官。
例如上肢运动的瘫痪可能由于感觉—运动通道因麻痹而阻断,在通过测试得到正常人小脑发出的信号、利用电激励模拟神经刺激后,就可以恢复上肢的运动。若是因为肌肉或骨骼受到损伤而失去上肢运动,则可通过对正常人在小脑指挥下的神经系统机电运动控制信号测试,构建人工假肢,实现所需运动。
应当说,在机械量的测试人体或生物测试之间并没有一条鸿沟,其基本原理是完全相通的。在几何量测试中具有广泛应用的迈克尔逊干涉仪,同样可以应用于人体测量。在几何量测试中为了得到大的相干长度,常常使用单色性好的激光。在光学层析术(OCT)中要求光源的相干长度短,只有当由分光镜分光、形成的测量光束和参考光束光程相等时,光电探测器上才能产生干涉信号。靠改变加在压电陶瓷上的电压,使参考反射镜的位置变化,引起参考光束光程改变,使得被测对象上的层析面位置也随之改变。利用一套几何光路,对被测对象进行扫描,测量对象上的各个点。这种方法已被成功地用于皮肤癌的诊断中。
美国南加州大学教授、天津大学长江学者卢志扬教授提出了激励技术(Inspiring Technology)的思想。他认为测试应当无所不在,在人们日常的工作和生活用品上,都应该装上微型传感器,检测人们的身体状况。根据检测的结果,有针对性地发出反馈激励信号,促进人们的健康。
1.6 现代生活和人类生存离不开仪器仪表
如果说多少年前测试手段主要用于科学研究和工业生产,那么今天测试技术已经进入了千家万户。许多家用电器都带有测试装置,如傻瓜相机具有测量光亮度和物体距离的装置,能够自动调整曝光度和对焦。一部现代汽车装有50~60个传感器,用于检测油量、油门打开的情况以及司机是否喝了酒、安全带是否系好等等,全球导航系统(GPS)也将成为汽车的必备装置。
人们一直梦想房屋、车辆、衣服能自动调节温度,为此需要将各种微型传感器、芯片、执行器置入建筑、车辆、材料、织物内部等,构成智能建筑、车辆、衣物等。已经证明,这一梦想在技术上完全可以实现,只是价格问题。保健、医疗设备进家庭就更习以为常。所以说测试技术已经进入千家万户,测试已经是我们生活不可短缺的了。
科技的发展创造了历史的奇迹。但环境和生态也正遭到巨大的破坏,成为对人类生存的最大威胁之一。要保护环境必须对环境进行监测。海洋资源的开发、海洋污染防治与灾难的预防都需要加强监测。地震、火灾、恐怖行为等都在对我们生存形成威胁,需要加强监测
在我们日常生活中,由于环境的污染和一些暴利的驱动,无论在我们的食品、饮料、还是药品中,都会有大量的有害物质,其危害不可轻视。要加快开发一些简易、便携的手段,加强对于各种污染的检测。例如,我们开发了一种检测液体的装置。被测液体经毛细管形成液滴,在液滴生成过程中,其形状变化与液体的比重、粘度、表面张力等诸多力学特性有关。在滴头上插2根光纤,一根是输入光纤,另一根是接受光纤。这样,接受光纤中输出的光强信号,一方面与液滴的形状有关,另一方面又与液体的颜色、浑浊度折射率等许多光学特性有关,这样就可以精确识别液体的性质和浓度。为了避免供液速度的影响,由环形电极和滴头构成电容器,测量液滴的体积。输出光强随液滴体积变化的曲线称为液体的指纹图。为了进一步分析液体的成分,还可以插入微型光谱仪,以获得光强随液滴体积、光波长变化的三维指纹图。
1.7.仪器仪表测试技术是物化的、客观的“法官”
在利益驱动下,社会上会有各种各样的不法行为,假酒、假药、假种子、假币、假证书、含激素和各种有害成分的食品、饮料等等,无所不有。商品缺斤短两、非法注水现象更是司空见惯。进口商品时要严防带入各种病菌,为了符合WTO的要求,出口商品也要自行仔细检验、严格把关。在所有这些情况下,以什么为依据,这就需要物化的、客观的法官,只有仪器仪表测试技术能担负起这一重任。
测试技术不仅用于检测物体,在许多情况下也用于人体自身,如亲子鉴别、指纹和虹膜识别、犯罪的罪证提取等都离不开仪器仪表,离不开测试技术。仪器仪表测试技术是判定社会争端的物化的、客观的法官。
2.测试技术的发展方向
2.1 更高、更快、更强
(1)精度更高
精度是计量测试技术的永恒主题,随着科技的发展,各个领域对测试的精度要求越来越高。在尺寸测量范畴内,从绝对量来讲已经提出了纳米与亚纳米的要求。纳米测量已经不仅是单一方向的测量,而要求实现空间坐标测量。上世纪八十年代,美国国家标准技术研究院开始进行分子测量机的研究。上世纪九十年代末,美国北卡罗莱纳州立大学夏洛特分校与麻省理工学院合作进行亚原子测量机的研究。我国台湾大学与合肥工业大学合作,也在这方面展开了研究。在相对精度上,工程测量要求10的-7次方~10的-8次方乃至10的-9次方,而基准实现要求10的-12次方。
在时间测量上,分辨力要求达到飞秒级,相对精度10的-14次方。最近国际上又开始了建立光钟时间基准的研究,相对精度为10的-19次方,即3000亿年不差1秒。
为了开展某些基础物理研究的需要,美国国家标准技术研究院正在研究引力波对光速的影响,测试精度要求达到10的-17次方。
在电量上则是要求能够精确测出单个电子的电量。
在航空航天领域,对飞行物速度和加速度的测量都要求达到0.05%的精度。
(2)速度更快
现代测量越来越多地在高速运动中进行。机床、蜗轮机、交通工具以及测量机的速度都在加快,要求测量转速为每分钟十几万转的蜗轮机转子和定子间的气隙,每转要求采样上万次。非接触测量在实现快速测量上比接触测量有很大优越性。
除了一般的机械工业外,国防、航天等高科技领域对测量速度的要求就更高了。如果说武器系统的打击精度主要取决于测量控制的精度,那么武器系统的反应能力则主要取决于测试控制的速度。飞行器在运行中要对其轨迹、姿态、加速度不断进行校正,要求在很短时间内迅速做出反应。进行火箭拦截时,反应不及时就会发生灾难,测量和反应速度更是起决定作用。在对爆炸和核反应过程的研究中,也常要求能反应微秒时段内的状态数据
在自然科学领域一些超快物理现象和超快化学反应的研究中,往往要求助于飞秒激光进行测试
(3)功能更强
在科学技术的进步与社会发展过程中,会不断出现新领域、新事物,需要人们去认识、探索和开拓,使之更好地为人类服务。例如开拓外层空间、探索微观世界、了解人类自身的奥秘等等。
为此所需要测试的领域越来越多,环境越来越复杂,天上、地下、水中、人体内部。有的测量条件越来越恶劣:高温、高速、高湿、高尘、振动、密闭、遥测、高压力、高电压、深水、强场、易爆等等。所需测量的参数类别越来越多,有的参数还是模糊参数,例如刀具磨损就是一个模糊参数。参数的定义也越来越复杂,就是像圆的直径这样看似最为简单的参数,也必须依照一定的准则进行拟合,才能获得符合定义、符合使用要求的值。
测量范围来看,也空前扩大。尺寸测量要求能从原子核测到宇宙空间,电压测量要求从纳伏测到百万伏,电阻测量从超导至10的14次方Ω,加速度测量从10的-4次方到10的4次方g,温度测量从接近绝对零度到10的18次方度。
有些情况下要求实现联网测量,以便在跨地域情况下实现同步测量。有些情况要求对多种参数实现同步测量,而同步的要求达微秒级。
所有这一切都要求测量手段与方法具有更强的功能。
2.2 融合一切最新科技成果
仪器仪表测试手段对国民经济和社会发展的贡献看是“秤砣虽小,四两压千斤”;就其技术含量而言,是“麻雀虽小、五脏俱全”。因此,现代测试是多学科、高科技的集合。
为了完成历史赋予的使命,测试技术必须充分、及时利用和融合一切最新科技成果。科技创新就是要将自然科学中的新发现迅速用到工程中来,解决工程和生产中的问题。
现代测量中简单地依靠同类量进行直接比较实现测量的应用已经很少,因为它在精度、速度、功能上很难满足要求。许多测量都是建立在一定的物理效应基础上,即利用一定的物理效应实现量的转换进行测量。例如利用霍尔效应构成霍尔传感器,利用隧道效应构成扫描隧道显微镜。要密切注意物理学、化学、生物学等学科中的新发现,创建新的测量原理与方法。
当然,并不是两个物理量之间的关系都可以用于测量,通过X向Y的转化实现测量,一是要求Y比X易于操作、易于测量;二是Y/X很大,而Y/Pi很小,即Y对X的变化很敏感,而其它各种量Pi对X的影响很小。完全满足上述条件是很困难的,在一些复杂的测量中,常利用多种效应,得到各种Yi(Yi可为各种不同性质的量),然后进行信号融合,以确定X。
过去说仪器仪表是光、机、电结合体,现在仅有光、机、电结合不够了,光、机、电、算结合也不够,而是要充分运用激光光纤、超导、纳米、量子、仿生、微电子、MEMS、卫星、信息等领域的一切最新发现和技术。
激光光学技术,包括基于几何光学、波动光学、量子光学的各种测量方法,在几何量检测中具有广泛应用前景。一方面是因为长度单位“米”是通过光在真空中在1/299792458秒时间内走过的距离定义的,具有“溯源”的优越性,另一方面它具有不接触、无测量力、精度高、光斑可以很小、提供的信息丰富、可以在远离被测对象的地方进行测量、便于实现快速测量等优点,在大尺寸、常规尺寸、在线测量以及微纳领域都有广泛应用。
测量仪器自身的微型化、便携化是测量仪器的重要发展方向。在国防、航空、航天、生物、医学、智能技术等中,微型化具有十分重要的意义。这里要充分利用MEMS、微电子以及光纤、超导、纳米、量子、仿生、软件等技术使仪器微型化,Lab on a chip,软件就是仪器,是微型化的体现。对于现场测量及大型工程测量的便携化,也要充分利用激光光纤光学、MEMS、微电子、软件等技术提供的条件。
这里特别要强调的是测试与信息技术的融合。测试是一个提取信息的过程,它不仅包括原始信息的获取,还包括信息的处理、存储、传输和控制。特别是在复杂环境下,对于复杂参数的测试更离不开信息的处理和存储(包括多种信息的融合),在某些情况下还离不开信息的传输和控制。联网测试以及工艺流程、生产过程或科学实验流程的测试都是这方面的实例。
智能测试测试技术发展的一个方向。对于智能技术还没有一个统一的、确切的定义。笔者认为智能应该至少包括以下三方面内容:①对环境、工作条件、机器状态、对象情况变化等具有自适应性;②实现信息交换与共享;③具有判断、决策、优化的能力,从脑力上解放人类,使人类能更多地从事创造性的脑力劳动。
笔者在国家自然科学基金会资助下开发了一套智能三坐标测量系统。三坐标测量机将一切几何量都归结为坐标测量,从而使它有很大的通用性。根据工件的形状编好程序后,就能进行自动测量。在完成点的坐标采集后,由软件进行数据处理,提取特征值,并进行评定。
传统三坐标测量机的不足之一就是需要编程。在现代生产中单件和少量几件的生产占相当大的比例。对于这些生产,编程就是相当大的工作量,而且需要一定的知识。固然现代三坐标测量机一般都有自学习程序,即人工测量一遍,即可生成测量程序,但对单件和少量几件的生产几乎没有意义。通过点菜单来生成程序也是相当繁琐的,因此需要开发一种勿需编程和自学习就能自动生成测量程序的智能三坐标测量机。
智能三坐标测量系统的工作原理是利用中性文件STEP或IGES由工件的CAD文件提取被测工件的几何特征和公差特征,实现信息共享;依靠知识库对工件进行三维重构和建模。进行重构和建模是因为不了解工件的整体尺寸形状,就无法解决防碰撞的问题。另外,对同样一个100mm尺寸,轴间距与工件长度测量方法是完全不同的。工件在测量机上是随意放置的,除了知道工件的尺寸、形状、公差要求外,还必须知道工件的姿态和位置,才能对工件进行测量,这就是自适应问题。为了确定工件的安放位姿,在三坐标测量机上装有一个摄像机。获得工件的实际图像后,将它与由工件CAD模型生成的工件虚拟图像进行比较,以确定工件的安放位姿。由于工件可能利用不同的基准定位放置(例如一个箱体的六个面都可以作为安放基准),需要生成各种安放情况下的虚拟图像,与实际图像进行匹配,并计算实际图像的重心位置与主轴方向,以确定工件的位置和方向。在此基础上,利用知识库和数据库,选择测头配置,确定测量点,进行路径规划,优化并生成测量程序,从而实现包括编程在内的自动智能测量
2.3 开展极端测量
相对而言,一般常规测量技术已比较成熟,而一些极端情况下的测量,例如超高温与超低温的测量、大尺寸及微纳尺寸的测量则存在问题较多。测试技术正在向解决这些极端测量问题的方向发展。
对于几何量来说,极端测量主要就是大尺寸及微纳尺寸的测量
(1)大尺寸测量
由于国防、航空、航天以及大型工程的需要,大尺寸测量已经是一个热门研究课题。2002年国际生产工程学会(CIRP)以“大尺寸计量——新进展”为题,做了测量领域的主题报告,足以说明大尺寸计量在现代科技及生产中的重要性。
大尺寸测量主要指几米至几百米范围内物体的空间位置、尺寸、形状、运动轨迹等的测量。航空、航天、天文观测与空间探索、交通(含交通监测、轨道、管道铺设、电梯安装运行等)、大型工程(如粒子加速器、发电机组、轮船、大型容器等)都对大尺寸测量提出很多、很高的要求。
在长度与距离测量方面应用最多的是激光干涉仪(包括采用增量码和绝对码的干涉仪)和基于时间测量的各种雷达。影响测量精度的主要因素是大气折射率以及与它相关的各种波在大气中传播速度的变化。
在直线度测量方面应用最多的是激光准直和各种基于步距测量的系统。激光准直测量中影响测量精度的主要因素是激光束的漂移和大气的扰动,减小漂移和扰动的方法和误差补偿技术是这一领域的主要研究课题。影响步距测量法精度的主要因素是误差的累积,包括单次测量误差的累积与调整误差的累积。此外,步距法对不同频率的误差有不同的传递系数。
在空间测量方面主要采用基于三角测量原理的经纬仪、多摄像机系统、基于球坐标系统的激光跟踪干涉仪、基于多边法的全球定位系统(GPS)和采用多干涉仪的激光跟踪干涉系统等。基于三角测量原理的系统存在标定的问题,此外测量不确定度随距离迅速增长。球坐标测量系统也有后一问题,且若发生挡光,测量还需从头开始。
笔者在国家自然科学基金会资助下,对基于多边法的激光跟踪柔性坐标测量系统进行了研究。利用四个按一定布局安放的激光跟踪干涉仪B1、B2、B3、B4,在测量出它们到目标靶镜Ti的距离后,即可确定目标靶镜Ti的空间坐标。如果B1、B2、B3、B4的基点位置是已知的,只要三路就可以确定目标靶镜Ti的空间坐标。但跟踪干涉仪是现场安装的,它们之间的相对位置是未知的,因此需要利用冗余技术来自标定。首先在某一点将四路激光器全部清零,目标靶镜Ti移动一个位置,可以得到Bj、Ti(j=1~4)之间距离的4个方程,而新增的Ti的空间坐标未知数只有3个,即多了一个方程。当测量点数足够多(9)时,就可以确定B1、B2、B3、B4的4个基点与清零点的位置,实现自标定。
为了实现自标定,需要4路跟踪干涉仪,但在标定后只要3路就能正常工作。因此工作中,即使有一路暂时挡光,由于基点与动点坐标均已知,还能恢复跟踪,并重置该干涉仪的正确读数,即实现丢失信号自恢复。
利用冗余技术,还可以将跟踪干涉仪逐个地迁移到新位置并标定新的基点位置。这样就可以将各个跟踪干涉仪迁移到新的位置,测量被测对象上原来测不到的点,并保持坐标系的统一。
在研究工作中我们解决了4路跟踪干涉仪的最佳布局和最佳标定问题,研究成功了一种双轴独立回转的跟踪系统,它具有转动部分质量轻、跟踪快的特点,预计将在国防与大型工程测量中获得广泛应用。
(2)微纳测量
正如白春礼院士所指出的,为了促进纳米科技的发展,使纳米科技能够真正造福于人类,必须对纳米器件的研制和纳米尺度的检测与表征给以充分重视与重点支持。
作为纳米科技发展的里程碑——扫描隧道显微镜正在由观察工具向测量工具发展。继扫描隧道显微镜之后,出现了原子力显微镜和各种扫描探针显微镜(Scanning Probing Microscope)。然而,要使它真正成为测量工具还必须“溯源”,将它与“米”定义联系起来。德国国家物理技术研究院(PTB)、Ilmenau大学、中国计量科学研究院、天津大学等,都在将扫描探测显微镜与激光干涉仪连接方面做了大量研究工作。
除了各种扫描探测显微镜,近场光学显微镜在微纳测量中也极有应用前景。光学测量方法没有测量力,这在微纳测量中具有很大的优越性。由于它工作在离被测件只有若干纳米的近场,克服了衍射对光学系统分辨力的限制。电容传感器等也可达到纳米级的分辨力,但需要经过标定。
激光波长可以直接溯源,但激光波长为几百纳米。为了达到纳米级分辨力需要细分,采用一般电子或软件方法很难保证细分精度。PTB、英国国家物理实验室(NPL)、意大利国家计量院(IMGC)联合研制了一种将激光干涉仪与X射线衍射仪结合在一起的大量程纳米测量仪。它利用硅220的晶格常数(在100kPa和22.5°C下为0.192015497nm)对激光波长实现细分,达到亚纳米的分辨力。
科技的发展要求不仅在一维尺度上、而要在三维尺度上实现纳米测量。上世纪80年代,美国国家标准技术研究院开始研究分子测量机,90年代末,美国北卡罗莱纳州立大学夏洛特分校与麻省理工学院合作进行了亚原子测量机的研制。亚原子测量机的测量范围是25mm×25mm×100μm,测头采用近场光学显微镜,具有零膨胀系数的微晶玻璃构成计量框架,同时采用磁悬浮导轨。由于z向行程较小,采用三个经过精确标定的电容传感器同时测量z向位移和工作台绕两根水平轴的转动。在x、y两个方向都采用激光干涉仪,y向采用了两个激光干涉仪以确定工作台的角摆,进行误差补偿。整个测量机还采用笔者在该校做访问教授期间研究成功的方法进行综合误差补偿。初步测试结果测量机的不重复误差小于1nm。
德国Ilmenau大学研制的纳米测量机将扫描探针显微镜或其它亚纳米分辨力显微镜(如近场光学显微镜)作为瞄准(对零)装置。被测对象放在测量机工作台上,与三面直角反射镜一起运动。x、y、z干涉仪分别测量工作台在x、y、z三个方向的位移,俯仰、偏摆和滚转传感器分别测量工作台绕三根轴的角运动误差并进行误差补偿。根据初步实验结果,该测量机可以在25mm×25mm×5mm范围内,达到0.1nm的分辨力和5~10nm的测量不确定度。
我国台湾大学与合肥工业大学也在合作进行纳米三坐标测量机的研究工作。
微机电系统是一个十分令人注目的技术领域,特别是在国防、航空、航天、生物、医学、智能技术等领域。2000国际生产工程学会第50届年会的5篇大会主题报告中有3篇是关于微机电系统或纳米技术的。从20012003年3届年会中又有5篇关于微机电系统的主题报告。
微机电系统的关键技术包括设计、工艺、封装和测试测试在微机电系统中具有极重要的位置,因为在微观范畴,物体、材料的许多物理、力学等性能都是与宏观世界不一样的,适合于微机电系统的新设计数据需要通过测试来获取,微机电系统的性能也需要通过测试来评定。
微机电系统的检测包括工艺检测和性能检测。微机电系统检测的难点首先在于它尺寸小,要能捕获微小尺寸的感受点,捕获机构必须十分小,同时需要精确定位。第二是要求检测过程不会对微执行器的运行状态有任何影响。借用电路上的术语,也就是要求检测装置的输入阻抗为无限大,不从被测对象提取(也不输送)任何能量。第三是运动(不仅包括机械运动,也包括其它形式的运动)的量也很小。感受点很小,运动量又很微小,要求测量装置有很高的灵敏度和精确度。在很多情况下,微机电系统的检测技术已成为制约微机电系统发展的一个瓶颈因素。
笔者承担的国家自然科学基金项目“利用激光多普勒技术测量梳状振子运动特性”的原理为:由激光器L发出的激光束经声光调制器A进行分光和调制,得到两束频率相差40MHz的光,再经五角棱镜C、反射镜M1、M2,准直棱镜组O1、O2,经棱镜O3将光束聚焦于被测物体P的表面。反射光经O3收集,穿过O3后变成平行光,再经M3反射,由O4聚焦到光电接收器E。若被测物体P以速度V运动,光束1和2与V的夹角分别为θ1、θ2,激光频率为f0,则光电接收器E输出信号频率为:f=f0+Δf,其中Δf=f0V(cosθ1-cosθ2)/c,其中c为光速。在测得Δf后即可求得振子的运动速度,并由此获得其运动特性。
从以上讨论可以看出,测试技术对社会发展起着极其重要的推动作用,必须充分运用一切最新科技成果,加快发展测试技术,促进国民经济与国防发展,促进人民健康与社会安定

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发布人:众宇旺仪器 发布时间:2011年6月2日 已被浏览 1382 次 〖 打印本文