测试技术的社会作用及发展方向

1.7.仪器仪表和测试技术是物化的、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，只有仪器仪表和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。仪器仪表和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。

从测量范围来看，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

从仪器仪表、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。

激光与光学技术，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。

智能测试是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。