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中北大學極端環(huán)境特種傳感與測試創(chuàng)新研究團隊成員正在圍繞近期發(fā)射任務(wù)進行產(chǎn)品研發(fā)。受訪單位供圖
【創(chuàng)新團隊】
“5、4、3、2、1，點火！”10月30日，隨著倒數(shù)聲落下，神舟十九號載人飛船成功發(fā)射。在觀看電視直播時，中北大學教授、儀器科學與技術(shù)學科團隊骨干成員劉文怡激動不已。
“每一次‘神箭’出征，都有我們團隊研制的成果參與任務(wù)，這次也不例外。”劉文怡驕傲地說。
日前，第28屆“中國青年五四獎?wù)?rdquo;評選揭曉，中北大學極端環(huán)境特種傳感與測試創(chuàng)新研究團隊獲“中國青年五四獎?wù)录w”榮譽稱號。
接力攻克測試技術(shù)難題
作為一個小眾學科，我國存儲測試技術(shù)學科隨著新中國發(fā)展而成長。
我國存儲測試技術(shù)奠基人、中北大學教授祖靜回憶，新中國成立后，我國武器系統(tǒng)的研制受限于傳統(tǒng)方法，設(shè)計畫圖、試驗樣機加工、靶場實射檢驗設(shè)計準確性不高。針對這些瓶頸，20世紀80年代初，祖靜提出采用先進的電子技術(shù)和微處理機技術(shù)，研制微型存儲測試裝置，并將其直接放置到被測體內(nèi)或被測環(huán)境中。在被測對象運動的過程中，該裝置能實時準確測取并存儲動態(tài)參數(shù)。這項技術(shù)被定義為“存儲測試技術(shù)”。
1980年，祖靜主持創(chuàng)立了我國第一個兵器測試技術(shù)專業(yè)。此后，兵器測試技術(shù)方面的科學研究不斷深入，學科也開枝散葉。
我國航天事業(yè)不斷發(fā)展，一些亟須攻克的技術(shù)難題也隨之出現(xiàn)。在大型儀器設(shè)備的測試方面，我國與國際水平存在差距，高性能測試儀器大部分依賴進口，無法滿足航空航天等尖端領(lǐng)域的最新測試需求。因此，新技術(shù)攻關(guān)迫在眉睫。
劉文怡介紹，火箭上類型眾多的傳感器對于保障火箭安全運行至關(guān)重要，它們猶如人的眼睛和鼻子，時刻監(jiān)測各項指標的變化。
盡管團隊積累了大量火炮傳感存儲測試經(jīng)驗，但劉文怡坦言，火箭的技術(shù)難度更大、系統(tǒng)更復雜，對傳感器和測試儀器的要求也更高。
“航天器部件一旦投入使用，就沒有辦法修復，所以要在零缺陷基礎(chǔ)上配合火箭系統(tǒng)傳輸盡可能多的測量數(shù)據(jù)，為火箭飛行試驗節(jié)約成本、提高效率。”劉文怡告訴記者，針對這個問題，團隊成員刻苦鉆研10余年，最終研制出數(shù)據(jù)壓縮裝置，在國際上首次采用無損壓縮技術(shù)，極大豐富了有限時間內(nèi)可傳輸?shù)臏y量數(shù)據(jù)量，將獲取的飛行數(shù)據(jù)從原本的2到3路提高至10余路。
在研制過程中，團隊成員多次遇到數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)存在誤碼和丟失等問題，他們本著歸零精神屢敗屢戰(zhàn)，最終實現(xiàn)了數(shù)據(jù)壓縮裝置的穩(wěn)定工作。該裝置近10年數(shù)十次圓滿完成了飛行任務(wù)。
“高精尖”飛入尋常百姓家
曾經(jīng)，傳感器是人們?nèi)粘Ｉ钪泻茈y接觸到的“高精尖”產(chǎn)品。而如今，可穿戴傳感器、煙霧傳感器、數(shù)字診療傳感器等的應(yīng)用，讓這種“高精尖”產(chǎn)品飛入尋常百姓家。
團隊骨干成員、中北大學教授張國軍介紹，2016年，團隊開始嘗試將傳感器技術(shù)應(yīng)用到生活中，取得了不錯成績。例如，團隊研制的MEMS心音心電原位同步無創(chuàng)冠心病檢測儀、中醫(yī)舌面脈問信息采集分析系統(tǒng)、超聲CT乳腺癌早期檢測儀等，可實現(xiàn)心血管疾病、乳腺疾病的早期篩查，對促進我國數(shù)字診療設(shè)備的快速發(fā)展有重要意義。
2022年北京冬奧會，中北大學傳感器設(shè)備的相關(guān)技術(shù)成果還為運動員備賽訓練提供了科技支撐。團隊骨干成員、中北大學教授丑修建帶領(lǐng)團隊多次赴黑龍江八一雪場冬訓基地進行測試。基地海拔1245米，冬季積雪厚達80厘米，最低溫為零下45攝氏度。盡管雪場的極端環(huán)境為測試工作帶來了不小挑戰(zhàn)，但丑修建和團隊成員絲毫沒有退縮。
“高山滑雪海拔高、落差大、速度快、動作復雜，教練員無法直觀捕捉運動員轉(zhuǎn)彎的技術(shù)細節(jié)，這給教練員精準輔導增加了難度。”丑修建介紹，為解決這個問題，科研團隊設(shè)計了一套傳感測試設(shè)備。只需讓運動員佩戴好可穿戴設(shè)備，同步使用多點攝像、無人機跟蹤拍攝等技術(shù)手段，運動員從靜止狀態(tài)加速到指定速度、調(diào)節(jié)姿態(tài)、入彎等各個動作的數(shù)據(jù)便一覽無余。團隊開發(fā)的程序運用精準定位算法與軌跡系統(tǒng)，讓傳感器“說”出“所見所聞”。同時，程序還能整合分析反饋運動員生理參數(shù)、運動學數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)，為教練員指導訓練、優(yōu)化技術(shù)提供支撐。
丑修建說，在競技體育追求“更快、更高、更強”的過程中，傳感器這種科技“小裝備”扮演了重要角色。從運動員訓練到康復治療，每個環(huán)節(jié)都離不開科技支撐。運用新科技助力運動員提升成績，已成為運動科技賽道的焦點之一。
朝著量子測試領(lǐng)域進發(fā)
隨著服務(wù)領(lǐng)域不斷擴展，中北大學極端環(huán)境特種傳感與測試創(chuàng)新研究團隊持續(xù)加大研發(fā)力度，在傳感測試儀器耐高溫高壓、抗腐蝕等性能提升上狠下功夫。
團隊骨干成員唐軍介紹，目前團隊已能夠測量高達20萬個重力加速度的力學量，處于國際領(lǐng)先水平。不僅如此，團隊研發(fā)的傳感器和精密測量儀器能在上千攝氏度的高溫環(huán)境中正常工作，攻克了“黑障區(qū)”動態(tài)測試技術(shù)“測不了、測不準、活不了”等科學難題。
“目前團隊研制的系列產(chǎn)品成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域30多個運載工程，相關(guān)技術(shù)已成為我國飛船逃逸、潛射出水以及高速侵徹等‘黑障區(qū)’極端條件下唯一的測試手段。”唐軍說。
盡管取得了諸多成就，但團隊并未就此止步。目前，團隊開始向量子測試領(lǐng)域進發(fā)，利用量子技術(shù)等新興技術(shù)，實現(xiàn)在極端環(huán)境中對信號的捕捉。
“量子技術(shù)等的引入，將為傳感器技術(shù)帶來革命性突破。”唐軍說，具有極高靈敏度和精確度的量子傳感器，能夠捕捉到傳統(tǒng)傳感器難以捕捉的微弱信號，為科學研究打開全新視角。這種技術(shù)融合與創(chuàng)新，將極大提升我國在高端傳感器領(lǐng)域的核心競爭力，滿足國家對于高精度、高可靠性傳感器的迫切需求。
“一代人有一代人的使命，一代人有一代人的奮斗，但愛黨愛國始終是科學家的靈魂。”在唐軍看來，做科研最重要的是能坐得住冷板凳、耐得住寂寞，敢啃“硬骨頭”。
“職業(yè)生涯中能做一兩件國家用得上的東西，為國家服務(wù)，就是做科研的意義所在。”唐軍說。（記者 韓 榮 實習生 馮皓欽）
