测试技术的社会作用及发展方向

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，仪器仪表的测量控制精度决定了武器系统的打击精度。仪器仪表的测试速度、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？

在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。

在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，用在人体上显示出十分巨大的优越性。纳米粒子、纳米薄膜也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，论证测试在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。仪器与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的测试，构建人工假肢，实现所需运动。

应当说，在机械量的测试与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的测量。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。