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技術文章

沒有尼龍制品，就沒有科學

國力競爭的關鍵是科技水平，沒有尼龍制品，就沒有科學，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**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、**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**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**"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。沒有尼龍制品，就沒有科學，但真正導致萬有引力的發現還是星球的運動。按照牛頓**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**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**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*微弱、*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。沒有尼龍制品，就沒有科學，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**高度，使信息流在推動科技和生產的作用發生了**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**、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?；鸺诂F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**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**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**，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?？梢酝茰y，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**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**。

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，沒有尼龍制品，就沒有科學，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**專家已先后在歐洲、美國、中國(2004年5月17～19日于北京)**，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**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**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。

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