測(cè)試技術(shù)的社會(huì)作用及發(fā)展方向
加入技術(shù)交流群
1.1 測(cè)試是現(xiàn)代生產(chǎn)的推動(dòng)器
生產(chǎn)力是社會(huì)發(fā)展的決定因素，一個(gè)國(guó)家的國(guó)力首先取決于它的生產(chǎn)能力，特別是它的制造能力，而測(cè)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(cè)試對(duì)于保證質(zhì)量的重要性是不言而喻的，沒(méi)有測(cè)試就無(wú)法評(píng)定產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，更無(wú)從保證產(chǎn)品的質(zhì)量。何況現(xiàn)代生產(chǎn)都是通過(guò)測(cè)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(cè)試。一臺(tái)高速切削機(jī)床必須要有良好的軸系，包括回轉(zhuǎn)精度、動(dòng)平衡等，而這一切都需要測(cè)試。生產(chǎn)效率是以每一個(gè)人在單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)值來(lái)衡量的，為了提高生產(chǎn)效率必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。制造業(yè)的自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)化是柔性自動(dòng)化，越是柔性的系統(tǒng)越需要測(cè)量。沒(méi)有測(cè)量就無(wú)法獲得反饋信息，正確、準(zhǔn)確地控制工藝過(guò)程和執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)。
生產(chǎn)過(guò)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(dòng)。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(cè)試技術(shù)在這里起關(guān)鍵作用。越是現(xiàn)代化的企業(yè)，測(cè)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(cè)試裝備占總投資1/3。儀器儀表、測(cè)試裝備對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)作用很大。國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃指出，儀器儀表是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的倍增器。美國(guó)上世紀(jì)90年代儀器儀表只占工業(yè)總產(chǎn)值4%，但它對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的影響面占66%。
作為自動(dòng)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(guò)程能自動(dòng)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(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)環(huán)境、原材料、工具和裝備的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并在此基礎(chǔ)上做出決策，使生產(chǎn)過(guò)程按最佳方式進(jìn)行。
在2002年的國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（CIRP）第52屆年會(huì)上，德國(guó)H K Toenshoff教授做了題為“磨削中的過(guò)程控制”的主題報(bào)告。磨削過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的加工過(guò)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(guò)程監(jiān)控也顯得特別迫切。磨削中的過(guò)程監(jiān)控包括三個(gè)方面：（1）及時(shí)發(fā)現(xiàn)磨削過(guò)程中的任何不正?，F(xiàn)象，防止廢品與事故；（2）根據(jù)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程的優(yōu)化與最佳控制；（3）根據(jù)測(cè)得的磨削過(guò)程輸入與輸出參數(shù)建立磨削過(guò)程的模型。為了精確獲得工藝狀態(tài)數(shù)據(jù)，要求測(cè)量位置盡可能靠近磨削刃，通過(guò)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(dòng)等多參數(shù)測(cè)量，然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理、判斷和控制于一體的智能系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)以最小的代價(jià)獲得最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量。所以精確測(cè)試是智能控制的關(guān)鍵。
1.2 沒(méi)有測(cè)試，就沒(méi)有科學(xué)
國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵是科技水平，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距也主要是科技上的差距。我國(guó)已將科技興國(guó)作為我國(guó)的基本方針，而測(cè)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(shuō)過(guò)：“科學(xué)是從測(cè)量開始的，沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有科學(xué)，至少是沒(méi)有精確的科學(xué)、真正的科學(xué)”。我國(guó)“兩彈一星”元?jiǎng)淄醮箸裨菏恳舱f(shuō)過(guò)：“儀器是認(rèn)識(shí)世界的工具；科學(xué)是用斗量禾的學(xué)問(wèn)。用斗去量禾就對(duì)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(duì)事物的觀察開始的。對(duì)事物的精細(xì)觀察就要借助于儀器，就要測(cè)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(duì)事物的觀察、測(cè)試基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)分析推導(dǎo)，形成認(rèn)識(shí)。到這一階段還只能是假說(shuō)、學(xué)說(shuō)。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，只有在經(jīng)過(guò)測(cè)試和考核，才能真正形成科學(xué)，所以說(shuō)在科學(xué)發(fā)展的哪一階段都離不開測(cè)試。國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃指出，儀器儀表和測(cè)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(cè)試技術(shù)的進(jìn)步開始。從20世紀(jì)初到現(xiàn)在，諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C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(méi)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(cè)而得到的。掃描隧道顯微鏡的發(fā)明對(duì)納米科技的興起和發(fā)展可以說(shuō)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(wàn)有引力的發(fā)現(xiàn)還是星球的運(yùn)動(dòng)。按照牛頓第一定律，在沒(méi)有外力作用下，月亮應(yīng)該做等速直線運(yùn)動(dòng)，為什么月亮不飛出去，而是繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)？這是困惑牛頓的一個(gè)問(wèn)題。只有在有向心力作用的情況下，月亮才會(huì)繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)。蘋果落在牛頓的頭上，啟發(fā)牛頓意識(shí)到一定是地球?qū)υ铝劣幸粋€(gè)引力。牛頓根據(jù)他假設(shè)的萬(wàn)有引力公式和向心力的公式進(jìn)行了計(jì)算，由于當(dāng)時(shí)測(cè)量技術(shù)的限制，牛頓沒(méi)有獲得正確的答案。牛頓是一個(gè)科學(xué)家，沒(méi)有得到實(shí)踐證明的東西，還不是科學(xué)，他沒(méi)有發(fā)表。只有在他故去之后，由于測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，在測(cè)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(wàn)有引力學(xué)說(shuō)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(wàn)有引力成為科學(xué)。測(cè)試在將“學(xué)說(shuō)”發(fā)展為科學(xué)中往往起著關(guān)鍵作用。
1.3 測(cè)試在信息科技中的地位
當(dāng)今時(shí)代是信息時(shí)代。信息科技包括信息的獲取、處理、傳輸、存儲(chǔ)、執(zhí)行。測(cè)試是科技、生產(chǎn)領(lǐng)域獲取信息的主要手段，在這個(gè)信息流中處于源頭位置，所以從一定意義上說(shuō)，沒(méi)有測(cè)試，信息科技就成了無(wú)源之水、無(wú)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(cè)試。為了提高所獲取信息的準(zhǔn)確性，現(xiàn)代的測(cè)試系統(tǒng)往往還包括信息的預(yù)處理、預(yù)存儲(chǔ)、傳輸和控制，把從信息的獲取到控制作為一個(gè)整體來(lái)對(duì)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(shí)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(chǔ)技術(shù)發(fā)展到空前高度，使信息流在推動(dòng)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(cè)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(chǔ)容量，這些都取決于在一塊芯片上能集成多少個(gè)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(jí)。知名的摩爾定理說(shuō)芯片上開關(guān)器件的密度每18個(gè)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(cè)基礎(chǔ)上得出的。正是精密工程按N. Taniguchi預(yù)測(cè)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(cè)試技術(shù)提供的端點(diǎn)球形與平面性的準(zhǔn)確測(cè)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(guó)完成了一項(xiàng)光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)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(guò)網(wǎng)格板的翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)，可以確定光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和光刻機(jī)誤差的各項(xiàng)誤差，并對(duì)它們進(jìn)行誤差補(bǔ)償。通過(guò)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(cè)試技術(shù)在促進(jìn)計(jì)算機(jī)發(fā)展中的作用。
評(píng)論