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计测传媒独家专访:勤奋创新奉献之费业泰教授

2014/1/14 11:21:16  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

2005年英国哈兹菲尔德大学

  费业泰简介

  合肥工业大学教授,博士生导师,校务委员会委员。国内精密仪器学界知名专家,仪器仪表学科带头人,现代精度理论及应用技术的倡导者与杰出贡献 者。曾长期担任全国高等学校精密仪器专业教学指导委员会副主任。曾在美国西雅图华盛顿大学机械系为客座教授,近20年来应邀10次去台湾进行讲学和学术交 流访问。现任国际测量与仪器委员会(ICMI)常务理事、全国误差与不确定度研究会理事长,中国仪器仪表学会荣誉理事,中国微米纳米学会理事,安徽省计量 测试学会名誉理事长,《计测技术》等杂志编委,精密测试技术及仪器国家重点实验室(天津大学和清华大学)学术委员会资深委员,安徽省“现代测试与质量控 制”重点实验室副主任委员等。

  主要研究方向为:现代测试技术及仪器;测量误差与仪器精度理论及应用。先后出版了9本著作,其中《误差理论与数据处理》一书,被列为国家重点教 材,另在台湾出版《精密机械精度基础》一书;承担并完成了近40项高水平科研项目,其中包括16项国家自然科学基金项目;12项科研成果获得省部级奖励, 国家专利23项;发表论文320余篇,培养研究生108名,其中博士生46名;2007年被国际测量与仪器委员会(ICMI)授予终身贡献奖。

  计测技术:多年来,您一直从事现代精密测试技术研究,承担了近40余项科研课题,许多研究成果的产品化已取得重大进展,请您介绍一下您的研究成果?您研制测试仪器的准确度等级都非常高,您是如何做到的?

  费业泰:1959年,我由机械学科专业转到精密仪器学科专业,由于工作需要,承担了该学科专业的多项教学工作,主要是精密测试理论及技术方面的教学内容,当时从事相关科研不多,直到上世纪70年代后期才开始现代测试技术及仪器研究。所承担的近40项科研任务,主要来自国家自然科学基金委、原国家技术监督局和原机械工业部及科技部项目,其中最多的是国家自然科学基金项目,共有16项。我的研究工作是现代高精度测试技术,但均将相关基础理论及其应用技术作为研究侧重点, 因为这是测试技术领域的共性问题,具有一定的普遍性。例如我主持研制的高精度一米光栅测长机、纳米三坐标测量机和柔性关节式坐标测量机等,虽然它们都是具体的现代测试仪器,涉及高精度结构设计与制造技术,但现代误差理论及技术应用是研究的关键问题。因为研究成果要有新颖性,需要在理论基础上具有创新。所以我几十年的成果习惯以基础理论与技术为主导,而将仪器结构融合于其中。在这方面需介绍的问题很多,例如测试技术常见误差源的误差特性及分布研究;具体测试系统多误差源分析、建模及评定;误差分离与修正技术;动态测量误差建模、修正及评定;测试系统的总误差合成、分解与朔源;使用过程中误差增大的精度损失函数及应用;最小误差的测试系统的最佳结构设计等。这些问题在具体测试仪器研制和应用过程中涉及的可能是某个方面或多个方面,在此不可能详细论述,只能简要综合论述。例如过去研制的一米光栅测长机,这是具有多误差源违阿贝原则的动态测量结构系统,而且分析各单项误差均较大,其中仅标准量光栅尺和结构阿贝误差就达15μm以上,各项原始误差的综合计算达到35μm,因此采用了多误差源的单项误差修正与误差合成,经中国计量科学研究院专家用标准大量块组比对检测,在一米测量范围,其最大误差仅为2.3μm。近年来研制的纳米三坐标测量机,在全面分析误差源的基础上,除了对个别高精度部件选用必需的已有器件外,重点是研究采用多种措施尽量减小各单项误差的影响。除了采用常用的误差修正技术,在结构上研究了独特技术。对测量臂采用单拱桥臂和对称多拱桥塔式臂,经力学分析计算,其结构稳定度比单臂梁提高了一倍以上。对其二维测量的工作台导轨结构,采用共平面二维导轨,避免了通常采用的堆积式二维工作台产生的影响。对三维测量仪器的结构和工作台布局则提出“331”原则,即x、y、z轴方向三个测量线交会于一点,x、y两导轨面与测量面三面共平面,而三线交点与三面共面必须重合,经理论分析计算,这种结构布局对导轨直线度和共点、共面度要求均不高,而阿贝误差的影响显著减少或可予以忽略,达到制造成本低、测量精度高之目的。在研制柔性关节式坐标测量机过程中,分析了测量机的多极坐标组成的串联式复杂结构特点,使多项原始误差经传递系数逐级放大以及测量机姿态的随机性对测量结果的影响,在全面分析各原始误差及其特性的基础上,研究了它的“果仁式”误差规律、参数辨识和误差修正,提出了基于高斯-牛顿法和泛函分析等进行误差建模与修正,有效地减小了多项原始误差的影响,该项目成果现已开发产品,正在全面产业化。叶声华院士主持该项目成果鉴定会时,给予了高度评价,指出这是误差理论与精密加工紧密结合的结果。此外,在进行多项测试系统常见误差源的分析研究中,重点深入地研究了普遍存在的温度变化引起的热误差,提出了多项热误差的新颖理论与应用技术,特别是对于高精度测量机和纳米精度测量具有实际意义。研究了热误差机理,提出形体尺寸参数的热误差是形体其他相关尺寸参数的非线性函数,而传统热误差公式中仅含有所研究的一个尺寸参数的线性函数,可认为这是欠科学性及精度不高的近似误差公式。基于这种理论,引出了一些具有实际意义的新概念,如简单圆环的内外径热误差,其内径热误差受外径大小的影响,而其外径的热误差同样受内径大小的影响,即相同的内径(或外径),当温度变化时,其外径(或内径)不同,内径(或外径)的热误差也不同。当外径增大到一定尺寸时,内径的热误差将为负值,即内径不增大反而减小,这与传统概念完全不同。当然,也存在内外径尺寸比达到某个定值时,内径尺寸将不随温度变化而变化,即存在保持内径不变的所谓圆环“临界结构”。除此之外,还提出形体热变形的非相似性、最佳热配合原理、形体热鲁棒性理论、材料热膨胀系数的科学定义等理论及应用技术。

  由以上介绍的部分研究结果可以看出,在研究具体测试仪器时,除了研究必要的结构技术外,重点研究测试技术的相关共性理论与技术,具有一定普遍意义的。

1988年在西雅图华盛顿大学实验室

  计测技术:目前精密测试技术有哪些亟待解决的问题或研究热点?未来的发展趋势是什么?

  费业泰:这是一个非常广泛,涉及测试技术多方面的大问题,也许还是需要学术界讨论取得共识的复杂问题,我只能就某方面谈谈个人一孔之见。在2010年出版的国家自然科学基金委机械学专著《学科发展战略研究报告(2011-2020) 》中有关于测量科学发展的论述,大家可以看看。它是经过国内众多著名学者经过较长时间共同讨论修改定稿的,有重要指导意义。其中提到未来需研究的前沿问题,如新型传感器原理及仪器、计量测试新原理与新方法、高精度测量与误差理论等,涉及的内容相当广泛。我认为对于高精度小尺寸与大尺寸测量、自然环境与恶劣环境条件下的高精度测量、在线与动态测量以及现代误差理论及应用等,应给予足够重视。

1988年在西雅图华盛顿大学校园

  计测技术:您在现代误差理论与应用研究方面做出了突出的贡献,您撰写的《误差理论与数据处理》一书自1981年以来已出版了6次。请您谈谈目前现代误差理论急待解决的问题是什么?

  费业泰:1996年,在我主持的《全国现代误差与精度理论及其应用》高级研讨班上,参加的著名学者专题讨论了误差理论的产生及其发展,首次提出经典误差理论与现代误差理论两个概念,并分析了它们的不同特点及其基本问题。

  误差理论及应用研究,巳经历200多年历史,它是伴随着生产与科技而并行发展,总体进程可分为经典误差理论和现代误差理论两个阶段。经典误差理论是以统计学原理为基础,以静态测量误差与服从正态分布为主的随机误差评定与数据处理的理论为特征。而现代误差理论则是静态测量误差与动态测量误差于一体,随机误差与系统误差于一体,测量结果数据处理与测量方法及仪器于一体,以及多种不同误差分布于一体的误差分析、建模、合成、评定与数据处理的理论,使误差理论适应了现代测试技术发展之需要。

  基于现代误差理论的内容,目前急需解决的主要问题应是:全面分析研究现代测试技术常见误差源的性质及及误差分布规律,为测量不确定度的科学评定提供重要依据;进一步推进测量不确定度的普遍合理应用,研究现代测试技术中面向对象的测量不确定度评定,提供实际测量时的有益依据;更广泛研究误差分离与修正技术的应用,特别是研究多误差源复杂测量系统的误差分离与修正原理及技术;深入研究动态测量系统的误差理论,主要包括动态测量的不确定度评定、动态误差建模及误差分离与修正等,这是面临具有较大难度的亟待解决问题,力求能尽早改变目前存在的以静代动现象,以适应现代工程测量中愈来愈多的动态测量技术。

  由于误差理论在现代科学实验和工程技术中愈来愈显示出具有重要作用, 1978年在高校精密仪器专业委员会召开的教学研讨会上,我提出在精密仪器专业课程设置中增设《误差理论与数据处理》这门新课,得到大家赞同,这也是我国高等学校首次开设本课程。现在时隔30余年,全国高等学校开设误差理论课程的专业及编写出版相关教科书已为普遍,可见误差理论与数据处理知识的重要作用已广为认同。

2003年,在美国新泽西州费教授和他的学生合影

  计测技术:不确定度是现代误差理论的重要内容,自上世纪90年代在我国宣贯后,已成为定量描述测量结果质量的重要指标,在进行不确定度分析和评定时应注意那些问题?

  费业泰:不确定度原理在国际上研究应用己近30年,我国自90年代宣贯以来也取得重要进展,并制定了有关标准,实际工作中已得到普遍应用,我在高校教材《误差理论与数据处理》第4版修订时专门增加测量不确定度一个章节。目前在测试工作中,特别是计量工作中已普遍用不确定度来评定测量结果,极少见有人仍用极限误差来评定测量结果。但是在应用中仍存在一些问题与不合理现象,或者仅是简单地在形式套用不确定度标准规范,甚至还有人将测量仪器过去给出的极限误差换成扩展不确定度,仅是改变名词。要达到科学合理的应用不确定度原理之目的,需要注意的问题我认为主要有几个方面:首先是全面正确的分析测量仪器及测量过程中的误差源;充分了解各误差源所产生误差的性质,给出它对测量结果影响的定量描述,其中包括需要确定各误差是独立的直接作用项还是存在误差传递函数,这些是正确应用不确定度原理的必须具备的基础。要知道用不确定度评定测量结果,误差理论则是不确定度正确应用的重要基础和依据。在我主持的高级研讨班上,对误差与不确定度的关系进行了充分的讨论并取得共识,如果不具备误差理论知识,难以正确应用不确定度原理;其次是正确确定基于误差分析结果给出的两类不确定度分量,在此需要注意原始误差特性及分布,进行不确定度合成时需要考虑到容易被忽视的自由度影响,并选取相同的各分量置信概率。在不确定度合成时,B类不确定度往往是一个难点,它涉及的问题较多,特别是测量实践的具体问题,必须运用误差理论与测试技术知识,对B类不确定度分量的有关问题进行合理分析;再者是测试工作中如果已有传感器或仪器作为一个独立因素,必须注意它们的产品是否给出了不确定度,如果是过去的旧式仪器,不能简单的将它给出的极限误差换成不确定度。最后,我还要强调的是现代测试技术中愈来愈多地采用动态测试,在进行动态测量结果的不确定度评定时,要尽可能地避免以静代动,必要时需进行可能的深入研究分析,虽然目前仍面临许多困难和问题,但应尽可能地给出较为合理的动态不确定度评定。

2004年费教授访台在住所圆山大饭店前留影

  计测技术:您从事精密测试教学和研究工作几十年,取得那么多引人瞩目的成绩,不论是创新性研究还是创新型成果,您为之付出的心血和汗水是常人难以想象的,是什么动力一直支持您不断向前?

  费业泰:我从事精密仪器专业教学50余年,主讲过十余门课程,后期主要是承担精密测试技术及仪器和误差理论方面的教学科研工作,在实践中深感国家的测试技术及仪器与外国差距大,教学中的主要仪器多是外国产品,因此培养高质量测试技术及仪器人才、进行创新仪器研究,是我们义不容辞的艰巨任务,如何不断地提出具有一定学科前沿性的测试理论及技术,也是我是必须思考的问题。在进行国家高水平科研任务时,应把创新研究放在首位。经过多项高水平测试技术的科研实践,我深深感到高水平、高精度测试技术研究,除了必要的高精度器件研究外,更重要是结合具体测试方法及仪器结构,进行误差理论及应用研究。误差理论及应用技术是测试技术及仪器学科领域特有的理论与技术,它在本学科的重要性已被学术界所共识。在测试方法及仪器设计、研制及使用等全过程,自始至终离不开误差理论的强劲的指导,在设计时要根据给出的允许总误差或不确定度来科学合理分配各组成部分的误差,以达到保证精度的最佳结构设计;在全误差分析基础上,需尽可能进行充分的误差分离与修正,以达到低成本的制造效果;对测试系统进行评价时,需要正确地计算误差,以给出合理可靠的不确定度评定。

2004年费教授和金国藩院士访台合影

  当今,计量测试的标准量不断从低精度向高精度发展,对高精度标准量如何定量评定,则成为难题,通常是通过更复杂的系统尽量减小与控制其相关误差的影响而得到更高精度的测量结果。早年曾经有一个专业仪器厂召开高精度产品鉴定会,我和中国计量科学研究院长度处的杨自本高工参加了鉴定工作,因为仪器产品精度高,当时计量院也没有更高精度的标准量,所以只能选用与产品精度相近的标准量进行对比测试,由于测试组测得的结果判定超差较大,仪器不合格,以致引起厂方与鉴定委员会之间的分歧。我经过误差理论分析,提出一种反向对称比对法可消除标准量误差的影响。经专家与厂方讨论一致通过同意采用这种方法重新进行鉴定测试,最终得到了大家都满意的测试结果,这是误差理论成功应用解决测试技术难题的一个范例。传统的用高精度一维球列鉴定三坐标测量机,其鉴定范围受球列长度所限制,根据误差理论分析,我提出了一维球列对称联系组合精度定标法,只需一个尺寸较小的球列及给出一个球间距实际值,即可鉴定较大尺寸的坐标测量系统,而且小尺寸球列其他所有未知球间距皆可同时被准确确定。该测量方法所采用的特殊的误差与数据处理方法,取得的效果明显,还被英国学者撰文时所提及。前面已经谈到,我们研制的纳米三坐标测量机,不仅采用了提出结构系统误差较小的“331”原则外,还对测量标准量进行误差修正。该测量机的成功研制,充分显现误差理论及技术的重要作用,台湾著名学者在国际学术大会上还对此给予介绍。

2004年和金国藩院士访台合影

  由以上多种实例可以看出,任何测试技术及仪器的研究,始终离不开误差理论的指导。我们在进行高水平国家项目的研究工作中,取得的多项具有一定新颖性的成果,其中不少均是误差理论的成功应用。

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