測(cè)試技術(shù)的社會(huì)作用及發(fā)展方向
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1.4 國(guó)防和高科技的發(fā)展離不開(kāi)測(cè)試
現(xiàn)代的戰(zhàn)爭(zhēng)是信息戰(zhàn)。無(wú)論是在科索沃，還是伊拉克，美國(guó)使用的主要武器都是激光制導(dǎo)武器。在現(xiàn)代的戰(zhàn)爭(zhēng)中，儀器儀表的測(cè)量控制精度決定了武器系統(tǒng)的打擊精度。儀器儀表的測(cè)試速度、診斷能力決定了武器系統(tǒng)的反應(yīng)能力。無(wú)論在伊拉克，還是在巴勒斯坦，美國(guó)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(cè)到的信號(hào)進(jìn)行瞄準(zhǔn)、發(fā)射和跟蹤。
美國(guó)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(cè)對(duì)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(cè)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(kāi)檢測(cè)，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(chǎng)安裝、準(zhǔn)備發(fā)射都離不開(kāi)檢測(cè)。俗話說(shuō)，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(chǎng)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(cè)航行的軌跡，進(jìn)行校正。不僅要按測(cè)量結(jié)果校正航行軌跡，還要按測(cè)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(duì)所有這些檢測(cè)的精度和速度響應(yīng)的要求是極高的。
國(guó)家中長(zhǎng)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(jiàn)測(cè)試技術(shù)在發(fā)展航天、航空、國(guó)防等高科技中的作用。
我國(guó)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(guò)測(cè)試獲得所需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
應(yīng)當(dāng)說(shuō)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(cè)試。只有通過(guò)測(cè)試，才能了解宇宙，開(kāi)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(cè)站、測(cè)控船?？梢酝茰y(cè)，在宇宙飛行實(shí)施中，花在儀器儀表和各種觀測(cè)站的費(fèi)用不會(huì)小于一半。
核武器和核工業(yè)的發(fā)展同樣離不開(kāi)測(cè)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(duì)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(guó)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(guó)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(cè)試問(wèn)題。當(dāng)然在整個(gè)核反應(yīng)過(guò)程中還有更多其它重要的測(cè)試問(wèn)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(jí)已是對(duì)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(dòng)一場(chǎng)新的科技革命。
納米是一個(gè)尺寸量度，只有能觀測(cè)到它，才能研究它、應(yīng)用它。從一定意義上說(shuō)，測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)、我國(guó)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(cè)與表征。我們必須要對(duì)納米器件的研制和納米尺度的檢測(cè)與表征的研究工作給予重點(diǎn)支持。
同樣，國(guó)際上一些有識(shí)之士也充分意識(shí)到測(cè)試技術(shù)在發(fā)展納米科技中的重要性。歐、美、中、日等國(guó)一些頂尖專家已先后在歐洲、美國(guó)、中國(guó)(2004年5月17～19日于北京)集會(huì)，論證測(cè)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(guó)政府報(bào)告，以引起各國(guó)政府對(duì)納米檢測(cè)的充分重視并給予物質(zhì)支持。
微機(jī)電系統(tǒng)是近年來(lái)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(zhǎng)。
微機(jī)電系統(tǒng)的意義是顯而易見(jiàn)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(cè)試。飛行器上搭載的測(cè)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(cè)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(wú)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(dòng)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(lái)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(cè)。開(kāi)始人們只重視設(shè)計(jì)和工藝，而忽略了封裝和檢測(cè)。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(guò)測(cè)試來(lái)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(duì)微機(jī)電系統(tǒng)的工藝過(guò)程和成品進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)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(cè)試技術(shù)是開(kāi)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(lái)越多地關(guān)心自身的奧秘。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)人民的生活有了很大的改善，人們?cè)絹?lái)越多地關(guān)心健康，一些發(fā)達(dá)國(guó)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(wàn)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(guò)程，要把醫(yī)學(xué)由經(jīng)驗(yàn)、技藝變?yōu)榭茖W(xué)，要依靠?jī)x器儀表，要依靠測(cè)試。儀器與測(cè)試技術(shù)是了解人體和生物生命機(jī)理和探測(cè)疾患的主要手段。沒(méi)有良好的測(cè)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(duì)于祖國(guó)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(jiàn)地，有關(guān)如經(jīng)絡(luò)、針灸、號(hào)脈等的學(xué)說(shuō)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(wèn)題，而所有這一切都靠測(cè)試，靠?jī)x器儀表。
儀器儀表、測(cè)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(jué)器官，也包括其它的各種器官。
例如上肢運(yùn)動(dòng)的癱瘓可能由于感覺(jué)—運(yùn)動(dòng)通道因麻痹而阻斷，在通過(guò)測(cè)試得到正常人小腦發(fā)出的信號(hào)、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(dòng)。若是因?yàn)榧∪饣蚬趋朗艿綋p傷而失去上肢運(yùn)動(dòng)，則可通過(guò)對(duì)正常人在小腦指揮下的神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)的測(cè)試，構(gòu)建人工假肢，實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)。
應(yīng)當(dāng)說(shuō)，在機(jī)械量的測(cè)試與人體或生物測(cè)試之間并沒(méi)有一條鴻溝，其基本原理是完全相通的。在幾何量測(cè)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(cè)量。在幾何量測(cè)試中為了得到大的相干長(zhǎng)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(zhǎng)度短，只有當(dāng)由分光鏡分光、形成的測(cè)量光束和參考光束光程相等時(shí)，光電探測(cè)器上才能產(chǎn)生干涉信號(hào)?？扛淖兗釉趬弘娞沾缮系碾妷海箙⒖挤瓷溏R的位置變化，引起參考光束光程改變，使得被測(cè)對(duì)象上的層析面位置也隨之改變。利用一套幾何光路，對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行掃描，測(cè)量對(duì)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(guó)南加州大學(xué)教授、天津大學(xué)長(zhǎng)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(cè)試應(yīng)當(dāng)無(wú)所不在，在人們?nèi)粘５墓ぷ骱蜕钣闷飞希紤?yīng)該裝上微型傳感器，檢測(cè)人們的身體狀況。根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果，有針對(duì)性地發(fā)出反饋激勵(lì)信號(hào)，促進(jìn)人們的健康。
1.6 現(xiàn)代生活和人類生存離不開(kāi)儀器儀表
如果說(shuō)多少年前測(cè)試手段主要用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)，那么今天測(cè)試技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了千家萬(wàn)戶。許多家用電器都帶有測(cè)試裝置，如傻瓜相機(jī)具有測(cè)量光亮度和物體距離的裝置，能夠自動(dòng)調(diào)整曝光度和對(duì)焦。一部現(xiàn)代汽車裝有50～60個(gè)傳感器，用于檢測(cè)油量、油門打開(kāi)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(mèng)想房屋、車輛、衣服能自動(dòng)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(mèng)想在技術(shù)上完全可以實(shí)現(xiàn)，只是價(jià)格問(wèn)題。保健、醫(yī)療設(shè)備進(jìn)家庭就更習(xí)以為常。所以說(shuō)測(cè)試技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入千家萬(wàn)戶，測(cè)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(duì)人類生存的最大威脅之一。要保護(hù)環(huán)境必須對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。海洋資源的開(kāi)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(cè)。地震、火災(zāi)、恐怖行為等都在對(duì)我們生存形成威脅，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。
在我們?nèi)粘Ｉ钪?，由于環(huán)境的污染和一些暴利的驅(qū)動(dòng)，無(wú)論在我們的食品、飲料、還是藥品中，都會(huì)有大量的有害物質(zhì)，其危害不可輕視。要加快開(kāi)發(fā)一些簡(jiǎn)易、便攜的手段，加強(qiáng)對(duì)于各種污染的檢測(cè)。例如，我們開(kāi)發(fā)了一種檢測(cè)液體的裝置。被測(cè)液體經(jīng)毛細(xì)管形成液滴，在液滴生成過(guò)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(hào)，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(shí)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(cè)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(zhǎng)變化的三維指紋圖。
評(píng)論