測試技術在社會發展中的作用

1.1 測試是現代生產的推動器

生產力是社會發展的決定因素，一個國家的國力首先取決于它的生產能力，特別是它的制造能力，而測試技術是決定制造水平的因素之一。
自古至今，衡量生產水平的兩大指標一直是質量和效率。測試對于保證質量的重要性是不言而喻的，沒有測試就無法評定產品質量的優劣，更無從保證產品的質量。何況現代生產都是通過測試，實現反饋，控制產品的質量。

生產效率同樣也離不開測試。一臺高速切削機床必須要有良好的軸系，包括回轉精度、動平衡等，而這一切都需要測試。生產效率是以每一個人在單位時間內的產值來衡量的，為了提高生產效率必須實現自動化。制造業的自動化起源于上世紀初，主要是利用凸輪、擋塊等在紡織、鐘表等大規模生產中實現剛性自動化。科學技術的進步要求產品不斷更新、工藝技術不斷進步。這種剛性自動化在多數情況下已經成為生產發展的障礙，現代的自動化是柔性自動化，越是柔性的系統越需要測量。沒有測量就無法獲得反饋信息，正確、準確地控制工藝過程和執行部件的運動。

生產過程包括物質流、能源流與信息流，其中信息流是最活躍的，物質流與能源流在信息流的指揮下運動。信息技術與制造技術的融合是機械制造技術發展的主要方向，這些年制造業的最大進步是實現制造業的信息化，而作為提供源頭信息的測試技術在這里起關鍵作用。越是現代化的企業，測控設備在總投資中的比例越大。例如，寶山鋼鐵公司建設中儀器儀表測試裝備占總投資1/3。儀器儀表、測試裝備對整個國民經濟的推動作用很大。國家中長期科學技術發展規劃指出，儀器儀表是國民經濟的倍增器。美國上世紀90年代儀器儀表只占工業總產值4%，但它對國民經濟的影響面占66%。

作為自動化的進一步發展就是智能化。智能化生產要求生產過程能自動適應環境、原材料、工具和裝備條件的變化，使生產系統工作在最佳狀態，獲得最優的產品與效益。智能化生產要求在整個生產過程中，對環境、原材料、工具和裝備的狀態進行檢測，并在此基礎上做出決策，使生產過程按最佳方式進行。

在2002年的國際生產工程學會（CIRP）第52屆年會上，德國H K Toenshoff教授做了題為“磨削中的過程控制”的主題報告。磨削過程是一個相當復雜的加工過程。加工精度要求高、機床轉速高、砂輪磨損快、影響因素多，因而磨削中的過程監控也顯得特別迫切。磨削中的過程監控包括三個方面：（1）及時發現磨削過程中的任何不正常現象，防止廢品與事故；（2）根據測量得到的數據，實現過程的優化與最佳控制；（3）根據測得的磨削過程輸入與輸出參數建立磨削過程的模型。為了精確獲得工藝狀態數據，要求測量位置盡可能靠近磨削刃，通過在砂輪內部安裝微型傳感器，實現了溫度、切削力、振動等多參數測量，然后通過數據處理、判斷和控制于一體的智能系統，來實現以最小的代價獲得最優的產品質量。所以精確測試是智能控制的關鍵。

1.2 沒有測試，就沒有科學

國力競爭的關鍵是科技水平，我國與發達國家的差距也主要是科技上的差距。我國已將科技興國作為我國的基本方針，而測試技術是科學發展必不可少的手段。偉大的化學家、計量學家門德列耶夫說過：“科學是從測量開始的，沒有測量就沒有科學，至少是沒有精確的科學、真正的科學”。我國“兩彈一星”元勛王大珩院士也說過：“儀器是認識世界的工具；科學是用斗量禾的學問。用斗去量禾就對事物有了深入的了解、精確的了解，就形成科學”。

科學上的發現和技術上的發明是從對事物的觀察開始的。對事物的精細觀察就要借助于儀器，就要測試，特別是在自然科學和工業生產領域更是如此。在對事物的觀察、測試基礎上經過分析推導，形成認識。到這一階段還只能是假說、學說。實踐是檢驗真理的唯一標準，只有在經過測試和考核，才能真正形成科學，所以說在科學發展的哪一階段都離不開測試。國家中長期科學技術發展規劃指出，儀器儀表和測試是"新技術革命"的先導和基礎。

縱觀科學發展史和科技發明史，許多重大發現和發明都是從儀器儀表和測試技術的進步開始。從20世紀初到現在，諾貝爾獎頒發給儀器發明、發展與相關的實驗項目達27項之多。眾所周知，沒有哈勃望遠鏡就難以進行天體科學的研究，天體科學上的許多重大發現都是依靠哈勃望遠鏡的觀測而得到的。掃描隧道顯微鏡的發明對納米科技的興起和發展可以說起到決定性作用。

蘋果落在牛頓的腦袋上，啟發了牛頓的靈感。但真正導致萬有引力的發現還是星球的運動。按照牛頓第一定律，在沒有外力作用下，月亮應該做等速直線運動，為什么月亮不飛出去，而是繞地球轉動？這是困惑牛頓的一個問題。只有在有向心力作用的情況下，月亮才會繞地球轉動。蘋果落在牛頓的頭上，啟發牛頓意識到一定是地球對月亮有一個引力。牛頓根據他假設的萬有引力公式和向心力的公式進行了計算，由于當時測量技術的限制，牛頓沒有獲得正確的答案。牛頓是一個科學家，沒有得到實踐證明的東西，還不是科學，他沒有發表。只有在他故去之后，由于測試技術的進步，在測得了地球與月亮的較精確的距離和地球的質量的情況下，萬有引力學說才得到了證實，是他的學生發表了牛頓論文，使牛頓萬有引力成為科學。測試在將“學說”發展為科學中往往起著關鍵作用。

1.3 測試在信息科技中的地位

當今時代是信息時代。信息科技包括信息的獲取、處理、傳輸、存儲、執行。測試是科技、生產領域獲取信息的主要手段，在這個信息流中處于源頭位置，所以從一定意義上說，沒有測試，信息科技就成了無源之水、無本之木。處于源頭的信息是最微弱、最容易受到干擾的。信息的準確性首先取決于源頭信息，取決于測試。為了提高所獲取信息的準確性，現代的測試系統往往還包括信息的預處理、預存儲、傳輸和控制，把從信息的獲取到控制作為一個整體來對待。

談到信息科技，人們往往首先想到的是計算機。信息時代的主要標志是高性能的電子計算機的發展與廣泛應用。確實，高性能計算機的發展將信息處理和存儲技術發展到空前高度，使信息流在推動科技和生產的作用發生了革命性的變化。需要指出的是，計算機的發展也離不開制造技術和測試技術。

計算機的性能指標首先是它的運算速度和存儲容量，這些都取決于在一塊芯片上能集成多少個晶體管，后者又取決于大規模集成電路的線條能做得多細。目前，大規模集成電路的線寬已做到0.1μm左右，進一步的發展要求將線條做到納米級。知名的摩爾定理說芯片上開關器件的密度每18個月翻一番，其實這是在N Taniguchi于1974年提出的制造誤差按指數曲線下降的預測基礎上得出的。正是精密工程按N. Taniguchi預測的曲線發展，保證了計算機工業的發展，保證了摩爾定理的兌現。

一度困擾大規模集成電路發展的是芯片引腳數目的限制，正是機械工業提供的端面安裝技術、測試技術提供的端點球形與平面性的準確測量，使大規模集成電路實現了引腳數目的突破。

1999年，筆者在美國完成了一項光學三坐標測量機和光刻機誤差補償誤差的研究工作。該研究利用一塊標準網格板，通過網格板的翻轉和轉動，可以確定光學三坐標測量機和光刻機誤差的各項誤差，并對它們進行誤差補償。通過誤差補償可使光刻機的誤差減小一半，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試技術在促進計算機發展中的作用。

1.4 國防和高科技的發展離不開測試

現代的戰爭是信息戰。無論是在科索沃，還是伊拉克，美國使用的主要武器都是激光制導武器。在現代的戰爭中，儀器儀表的測量控制精度決定了武器系統的打擊精度。儀器儀表的測試速度、診斷能力決定了武器系統的反應能力。無論在伊拉克，還是在巴勒斯坦，美國和以色列常常采用定點殺傷。所謂定點殺傷就是根據探測到的信號進行瞄準、發射和跟蹤。

美國還在發展一種稱為反導彈的戰略計劃，它的基本思想就是精確、快速探測對方發射的導彈，并在此基礎上發射自己的火箭進行攔截。測試是這一戰略思想的技術基礎。

一部現代的汽車有五、六十個傳感器，飛機、火箭、宇宙飛船上何止幾百、幾千個傳感器。一架飛機、火箭、宇宙飛船從它的加工到裝配一步也離不開檢測，飛機、火箭、宇宙飛船的加工和裝配精度是人命關天的。火箭在現場安裝、準備發射都離不開檢測。俗話說，差之毫厘，失之千里，這是一種形容；而今火箭、宇宙飛船的發射差之毫厘，失之又何止千里？

在發射場上精確找正并發射后，由于大氣和其它天體、氣象等因素的影響，火箭、飛船還可能偏離預定的軌道。需要不斷地檢測航行的軌跡，進行校正。不僅要按測量結果校正航行軌跡，還要按測得的加速度控制燃料和氣體的排放，以保證飛行軌道的準確，而對所有這些檢測的精度和速度響應的要求是極高的。

國家中長期科學技術發展規劃指出，運載火箭的試制費一半用于儀器儀表，由此可見測試技術在發展航天、航空、國防等高科技中的作用。
我國已經成功地發射了5艘宇宙飛船，還將實現嫦娥登月計劃。除了第五艘飛船是載人的以外，其它4艘的主要任務就是收集數據，為載人航天飛行做好準備。只有有了充分的數據，弄清宇宙飛行的規律，才能保證飛行的安全，達到探索宇宙空間的奧秘，為人類服務的目的。在宇宙飛船上和在空間站上需進行多種多樣的科學實驗，要通過測試獲得所需要的實驗數據。

應當說今后的載人宇宙飛行、登月計劃、到其它星球的探索，很重要的任務，甚至主要任務，還是在測試。只有通過測試，才能了解宇宙，開發宇宙。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站、測控船。可以推測，在宇宙飛行實施中，花在儀器儀表和各種觀測站的費用不會小于一半。

核武器和核工業的發展同樣離不開測試。核聚變與核裂變相比，不僅具有更高的能量轉換效率、能釋放更巨大的能量，而且是更清潔的能源，這對核工業是十分重要的。目前世界上只有美、俄、中等少數幾個國家掌握核聚變技術。利用飛秒激光脈沖激勵、泵浦核聚變反應是國際上十分引人注目的一個研究方向，因為飛秒激光脈沖具有非常高的瞬時功率。為了獲得高的激勵功率和激勵效率，需要將幾十路飛秒激光束同時精確瞄準一個直徑僅為幾百微米的空心靶球的球心，這是一個要求很高的幾何量測試問題。當然在整個核反應過程中還有更多其它重要的測試問題。

在談論當今時代的高科技時，不能不提及納米科技和微機電系統。宇宙飛行往大的方向探索宇宙空間的奧秘，而納米科技和微機電系統則向小的方向，包括分子、原子領域探索世界的奧秘。

在納米量級已是對單個或少量分子、原子進行操作。納米結構的物質表現了很多的獨特性能。這些性能在材料科學、醫學等許多領域有重要應用。例如，納米結構的材料在硬度、密度、強度、延展性、導熱性、磁耦合、催化能力、吸附選擇性以及電學和光學性能均有很大增進。例如納米碳管的抗拉強度比鋼高20倍，而強度質量比為鋼的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越性。納米粒子、納米薄膜也顯示了其許多獨特性能，納米科技正在帶動一場新的科技革命。

納米是一個尺寸量度，只有能觀測到它，才能研究它、應用它。從一定意義上說，測試技術的發展，對納米科技的興起起著決定性作用。1986年獲得物理學諾貝爾獎的掃描隧道顯微鏡的發明，標志著納米科技成為一門科學。

中國科學院副院長、我國知名納米專家白春禮指出：目前科技界普遍公認的納米科技的定義是，在納米尺度（1～100nm）上研究物質（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科交叉的科學和技術。納米科技包括三個研究領域：納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征。我們必須要對納米器件的研制和納米尺度的檢測與表征的研究工作給予重點支持。��

同樣，國際上一些有識之士也充分意識到測試技術在發展納米科技中的重要性。歐、美、中、日等國一些頂尖專家已先后在歐洲、美國、中國(2004年5月17～19日于北京)集會，論證測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政府報告，以引起各國政府對納米檢測的充分重視并給予物質支持。

微機電系統是近年來又一飛速發展的領域。全世界微機電產品的生產總值在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。

微機電系統的意義是顯而易見的。前面談到，航天飛行器的一個首要任務就是進行各種測試。飛行器上搭載的測試設備重一公斤，整個發射和運行中增加的能源和資金消耗是十分可觀的。在飛機、導彈等武器中情況也是這樣，必須要求測試設備微型化。

生命科學研究是微機電系統又一重要應用領域。進行生命科學和生物技術的研究，需要將各種微型傳感器和執行器植入人體或生物體內部，探索人體與生物的奧秘。人體的治療與骨骼、神經和關節等的康復、無損傷的外科手術、藥品的準確輸送、心臟疾病的準確診斷、人工器官的植入、生物品種的改良等也需要各種微型器械。

微機電系統在信息技術和智能系統中應用前景非常廣闊。前面談到的嵌入砂輪內部的傳感器，在智能衣服中能自動調節溫度的傳感與控制器等都必須做得非常小，只能用微機電系統的設計和工藝來實現。

微機電系統的關鍵技術包括設計、工藝、封裝和檢測。開始人們只重視設計和工藝，而忽略了封裝和檢測。在微觀范疇中，物體、材料的許多物理、力學等性能都是與宏觀世界不一樣的。許多常用的工程設計數據在微機電系統的設計中都不能應用，必須通過測試來獲取適合于微機電系統的新的設計數據。為了獲得符合性能要求的微機電器件，必須對微機電系統的工藝過程和成品進行檢測。測試技術已經成為發展微機電系統的一個瓶頸因素。

1.5 測試技術是開展生命科學研究的支撐

隨著科技的發展，人類在適應和征服大自然中取得了巨大的成就，人類越來越多地關心自身的奧秘。改革開放以來，我國人民的生活有了很大的改善，人們越來越多地關心健康，一些發達國家更是如此。工業的發展只有幾百年的歷史，而人類與生物的進化已經有幾千年、幾萬年的歷史，一些工業產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和生物技術將成為21世紀的領頭科學和技術。

醫學正在經歷一個由經驗、技藝變為科學的過程，要把醫學由經驗、技藝變為科學，要依靠儀器儀表，要依靠測試。儀器與測試技術是了解人體和生物生命機理和探測疾患的主要手段。沒有良好的測試手段，包括各種植入人體內部的傳感器，是不可能洞察人體和生物的奧秘的。對于祖國傳統醫學中醫學、中草藥更是如此。中醫學、中草藥積累了多少代人的心血和經驗，是人類寶貴的文化遺產。中醫學關于將人作為一個整體的見地，有關如經絡、針灸、號脈等的學說與實踐都是非常珍貴的，但也存在怎樣將它們由經驗、技藝變為科學并進一步深化、擴大的問題，而所有這一切都靠測試，靠儀器儀表。

儀器儀表、測試技術還能為人類提供多種人造器官，實現康復。這里不僅包括人工眼睛、耳朵、鼻子、舌頭等感覺器官，也包括其它的各種器官。

例如上肢運動的癱瘓可能由于感覺—運動通道因麻痹而阻斷，在通過測試得到正常人小腦發出的信號、利用電激勵模擬神經刺激后，就可以恢復上肢的運動。若是因為肌肉或骨骼受到損傷而失去上肢運動，則可通過對正常人在小腦指揮下的神經系統機電運動控制信號的測試，構建人工假肢，實現所需運動。

應當說，在機械量的測試與人體或生物測試之間并沒有一條鴻溝，其基本原理是完全相通的。在幾何量測試中具有廣泛應用的邁克爾遜干涉儀，同樣可以應用于人體的測量。在幾何量測試中為了得到大的相干長度，常常使用單色性好的激光。在光學層析術（OCT）中要求光源的相干長度短，只有當由分光鏡分光、形成的測量光束和參考光束光程相等時，光電探測器上才能產生干涉信號。靠改變加在壓電陶瓷上的電壓，使參考反射鏡的位置變化，引起參考光束光程改變，使得被測對象上的層析面位置也隨之改變。利用一套幾何光路，對被測對象進行掃描，測量對象上的各個點。這種方法已被成功地用于皮膚癌的診斷中。

美國南加州大學教授、天津大學長江學者盧志揚教授提出了激勵技術（Inspiring Technology）的思想。他認為測試應當無所不在，在人們日常的工作和生活用品上，都應該裝上微型傳感器，檢測人們的身體狀況。根據檢測的結果，有針對性地發出反饋激勵信號，促進人們的健康。

1.6 現代生活和人類生存離不開儀器儀表

如果說多少年前測試手段主要用于科學研究和工業生產，那么今天測試技術已經進入了千家萬戶。許多家用電器都帶有測試裝置，如傻瓜相機具有測量光亮度和物體距離的裝置，能夠自動調整曝光度和對焦。一部現代汽車裝有50～60個傳感器，用于檢測油量、油門打開的情況以及司機是否喝了酒、安全帶是否系好等等，全球導航系統（GPS）也將成為汽車的必備裝置。

人們一直夢想房屋、車輛、衣服能自動調節溫度，為此需要將各種微型傳感器、芯片、執行器置入建筑、車輛、材料、織物內部等，構成智能建筑、車輛、衣物等。已經證明，這一夢想在技術上完全可以實現，只是價格問題。保健、醫療設備進家庭就更習以為常。所以說測試技術已經進入千家萬戶，測試已經是我們生活不可短缺的了。

科技的發展創造了歷史的奇跡。但環境和生態也正遭到巨大的破壞，成為對人類生存的最大威脅之一。要保護環境必須對環境進行監測。海洋資源的開發、海洋污染防治與災難的預防都需要加強監測。地震、火災、恐怖行為等都在對我們生存形成威脅，需要加強監測。

在我們日常生活中，由于環境的污染和一些暴利的驅動，無論在我們的食品、飲料、還是藥品中，都會有大量的有害物質，其危害不可輕視。要加快開發一些簡易、便攜的手段，加強對于各種污染的檢測。例如，我們開發了一種檢測液體的裝置。被測液體經毛細管形成液滴，在液滴生成過程中，其形狀變化與液體的比重、粘度、表面張力等諸多力學特性有關。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信號，一方面與液滴的形狀有關，另一方面又與液體的顏色、渾濁度、折射率等許多光學特性有關，這樣就可以精確識別液體的性質和濃度。為了避免供液速度的影響，由環形電極和滴頭構成電容器，測量液滴的體積。輸出光強隨液滴體積變化的曲線稱為液體的指紋圖。為了進一步分析液體的成分，還可以插入微型光譜儀，以獲得光強隨液滴體積、光波長變化的三維指紋圖。����

1.7.儀器儀表和測試技術是物化的、客觀的“法官”

在利益驅動下，社會上會有各種各樣的不法行為，假酒、假藥、假種子、假幣、假證書、含激素和各種有害成分的食品、飲料等等，無所不有。商品缺斤短兩、非法注水現象更是司空見慣。進口商品時要嚴防帶入各種病菌，為了符合WTO的要求，出口商品也要自行仔細檢驗、嚴格把關。在所有這些情況下，以什么為依據，這就需要物化的、客觀的法官，只有儀器儀表和測試技術能擔負起這一重任。

測試技術不僅用于檢測物體，在許多情況下也用于人體自身，如親子鑒別、指紋和虹膜識別、犯罪的罪證提取等都離不開儀器儀表，離不開測試技術。儀器儀表和測試技術是判定社會爭端的物化的、客觀的法官。