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激光测试仪器开创者叶声华:做对国家有用的研究

人才新闻中国仪表网2014年05月16日 14:45人气:15616


 
  1934年出生于湖北省沙市。1962年天津大学精密仪器专业研究生毕业。精密测试技术及仪器国家重点实验室首任主任。现任天津大学精仪学院名誉院长、精密仪器系教授、博导、测试计量技术及仪器国家重点学科学术带头人。多次获得国家发明奖、国家科技进步奖、何梁何利科技奖、全国科学大会奖、国家教学成果奖等奖项。著有《激光在精密计量中的应用》《激光测量技术》等著作。2003年当选为中国工程院院士。
  
  印象:他是科技界的一束创新之光
  
  3月27日上午,天津市科学技术奖励大会在天津礼堂举行,中国工程院叶声华、李正名两位院士被授予2013年度天津市科技重大成就奖。
  
  获奖者之一,天津大学的叶声华院士是仪器科学与技术领域的杰出学者,我国激光与光电测试技术与仪器的开创者。已是80岁高龄的他每天仍忙于科研工作,奔波于全国各地。4月16日,在参加完成都的一次专业学术会议后,他在天津大学精密仪器学院的办公室接受了专访。
  
  如果无人介绍,眼前这位老先生给人的第一印象就是普通。外表普通,可能是当下中国科学家的共性。你很难从他们的外在捕捉到任何非比寻常的信息,只有当你了解到他们取得的成就、创造的价值,你才会被其征服,发现他们真的拥有可以推进时代进步的力量。在面对面交谈的同时,老先生还专门准备了文字资料,细微之处,也呈现了一位科学家的严谨作风。
  
  1957年,叶声华被教育部派到天津大学做进修教师,后来又在这里读研究生,毕业留校。至今他已在天津大学工作了整整57年,他的所有智慧、思想、创造,甚至琐碎生活,都与这个校园紧紧地联结在一起。几十年来,他和他的团队潜心研究激光视觉检测、激光衍射测量、激光准直技术、柔性在线自动测量及大尺度精密测量等高新技术,取得了一系列高水平的研究成果。这些成果被成功应用于汽车生产、飞机制造、高铁测试等诸多领域,产生了上亿元经济效益,同时也标志着中国精密测试技术及仪器已经达到国际先进水平。
  
  叶声华有一个观点:科研一要有创新,二要对国家有用。“像我们这样工科专业的人员,工程背景很重要,要求你的成果能够有成效,在工程里面得到应用。”从上中学时受老师启发立志学习“对国家有用”的工程专业,到研究生毕业后留在天津大学任教,叶声华的科研和教学都始终围绕着“有用”这一主题。他的每一项研究都围绕着工业发展的实际需求进行,因此也能很快转换为生产力,推动工业的变革。
  
  上世纪80年代初,叶声华领导创建了国家重点实验室——精密测量技术及仪器国家重点实验室。随着年龄的增长,他辞去主任职务,专心搞科研,这个实验室的第一个博士生胡小唐成了老师的接班人。在叶声华的身后,团队里的年轻人已经成长起来,成为一个很优秀的团队,2004年被全国总工会评为创新示范岗,2012年被评为教育部创新团队。“他们基本上继承了我的研究方向,而且发扬光大,这是我最高兴的事。”
  
  核心技术只能靠自主研发
  
  在叶声华众多科研成果中,“汽车三维尺寸激光视觉测量系统”是最具价值的项目之一。这项技术主要用于汽车车身尺寸检测,它可以自动检测出车身各个配件间是否严丝合缝,车身焊接有没有达到下线标准。叶声华早年曾从事激光研究,又因工程专业出身,两项高精尖技术相结合,使他在这个领域的研究中具有了得天独厚的优势。
  
  上世纪80年代初,我国汽车工业开始起步,汽车产量逐年提高,但是质量控制成了难题,人工手动机械检测的方式,适应不了汽车工业的发展。叶声华曾去美国的汽车企业考察,发现他们的测量系统“用激光一闪一闪几下就测完了”,有效提高了汽车质量。他也走遍了国内主要汽车生产厂家,“我们只能用三坐标来测量。三坐标测量的方法精度很高,但因为一辆车要测一百多个点,少说也要五六十个点,所以效率低,测一辆汽车要两个班十几个小时。汽车生产线一个工位停下来只有两三分钟,所以这种测量方法在生产线上没办法挨个儿车测量,只能进行百分之一的抽样测量。”
  
  初步了解到国外最先进的技术,但技术核心部分只能靠自己。叶声华产生了一个想法:能不能用激光模仿人眼的观测方式来研制这套测量系统?这项技术起步于1989年,是“八五”攻关项目。他的学生,现任天津大学精密仪器与光电子工程学院精密仪器系主任的段发阶教授回忆,当时这项技术国内没人做,“老师教给我们方法,告诉我们怎么论证,引入一些传感器,还要对数据进行分析。”
  
  他们的第一套测量系统与南京依维柯汽车公司合作,叶声华带着学生们干了三年,他的大脑一直被这个问题占据,灵光一闪,好像找到了一点解决问题的灵感,就立刻记录下来,反复实验,但结果仍不太理想。厂长找到叶声华:“叶老师,要不然就算了吧,不用干了。”叶声华不放弃:“再给我点时间,我一定能做出来!”果不其然,半年后,这套测试技术终于成功了,检测时间由6到12小时缩短到七八分钟以内,精度达到国际标准。厂长很高兴,说效率提高了百倍。但叶声华他们知道,这仅仅是第一步。
  
  从那之后,叶声华和他的团队又用了十年时间不断完善,慢慢将这项技术推广到国内其他生产厂家,测量精度和效率都大大提高,取代了进口技术。“我们把这个弄出来以后,现在基本上国内大的汽车厂家都用了我们的技术。”
  
  曾经有个给美国产品做销售推广的华人找到叶声华,对他说,叶先生你是搞测量的,汽车制造的测量你能不能不要做了,你帮我们推销,推销一台给你们10万美金。叶声华婉言拒绝:“我是老师,做这个研究一方面为了应用,一方面也为培养学生,不是为了赚钱。推销我可以帮你,但我不会要你的钱,我不是推销员。”
  
  2013年,位于宁波的国内首个大众全球化标准工厂技术招标,有四个工位要采用汽车测量系统,招标金额达1000多万元。叶声华讲起这次招标依然有些小小的兴奋:“大众车厂很牛,这家工厂又是德国大众在全世界的样板,他们之前就说,只要质量好,不考虑价格。投标的有德国、法国、美国的公司,中国只有我们一家。最后我们中标,我们的小伙子们兴奋得不得了。这并不是因为我们的设备价格低,而是我们的技术比其他几家都要好,测得准,精确到几十个微米。”
  
  在这项技术的基础上,叶声华的团队又利用GPS卫星定位的原理,开发出一种室内GPS仪器,拿到了国家重大科学仪器设备开发专项。“这项发明利用GPS定位和激光扫描原理,可以算出某一点的坐标位置。最初这是美国高校的一个实验小组设计后给波音公司用的,我们受到启发,自己研制。”
  
  这套新系统与沈飞集团合作,安装到飞机总装的工作台上,测量整个装配的过程,能够保证安装的精准。叶声华说,美国的这项技术卖给了日本尼康公司。“后来我们两家比较,看谁测得准,尼康的技术人员花了一个礼拜,测出来的误差是几毫米;我们只用了一天,测出来的误差只有零点几毫米,尼康公司也不得不佩服我们。其实这种仪器的误差不应该到几毫米,也许是他们来沈阳的人员还不太熟悉吧。”
  
  漫漫求学路

  
  叶声华内心深处有一个观念——要做先进的、对国家有用的科学研究。“搞科研跟陈景润搞数学是不一样的,搞数学可以从自己的兴趣出发,根据他已学的东西慢慢去钻研、突破;而我们不一样,我们的选题应该看国家的需要,要围绕‘有用’这两个字,我最早的选题就是结合天津的建设需要。”这个观念,还是来自于他最初对科学研究的认知。
  
  年少时叶声华在湖北省沙市三中读书,有两件事让他印象深刻,一是学校开设了一门《工商绘图》课,教学生画广告画;二是物理老师是工程师出身,自己还开了家机械厂。“这两件事有一个共同点,就是学以致用。这种观念对我后来搞科研也有一定的影响。”
  
  1952年,新中国成立初期,民众心情激昂,叶声华正逢高中毕业。老师对他们说,国家要开始大规模建设,机械、电力都要大发展,需要机械工程师、电机工程师,你们去报这个吧!同学们因此大多选择了工科,有的报电机,有的报土木,叶声华报考了南昌大学工学院机械专业。
  
  大学毕业以后,因为成绩优异,叶声华被选拔到前苏联读研究生。他先是到北京俄语学院留苏预备部学俄语,但一年后,前苏联选拔留学生的方式发生变化,研究生选拔对象要求有两年以上工作经验,不招本科毕业生。于是,教育部将叶声华派到天津大学做进修教师,以此作为工作经历。
  
  1957年,叶声华来到天津大学。“当时天津大学有个著名的二级教授,叫王守融,是全国仪器仪表领域的‘领头羊’,我跟他学了两年仪器仪表,预定的研究方向是分析计算机,就是银行用的那种机械式的分析计算机。”
  
  在天津大学做了两年进修教师,叶声华本想继续到前苏联深造,但中苏关系开始紧张,前苏联有的专业不再招收中国留学生。教育部认为叶声华学得不错,建议他在国内读研究生。“那时候国内只有少数学校的少数老师可以带研究生,都是教育部指定的。天大也没有几个,搞仪器的就是王守融教授。教育部让我报考他的研究生,我一考就考取了,这辈子就扎根在天大了。”
  
  天津大学校史馆里珍存着一张老照片,正是叶声华那一届毕业生的合照。照片里前排是校长和老师,学生们在后面排成两排。“我们那一届研究生全校也只有这二十多人,专业有化工、精仪、水利,等等。”读研究生期间,王守融教授让叶声华研究的课题是“电磁分度”。“我选择了其中的一部分—相位测量,做了一些理论分析和实验,也做出了一台相位计,评价不错。毕业后领导让我继续留下来,之后就一直在做精密仪器方向的工作。”
  
  在艰苦条件下研制激光
  
  “上世纪70年代初期,我们都到宝坻农村去了,向农民学习,挖地拾粪。”叶声华那一代知识分子,大多有过相同的命运。但是,与当时大多数人相比,叶声华也许是幸运的。
  
  “我们所在系的党总支书记是原三十八军的复员军人。非常巧,管我们的军宣队队长也是三十八军的军人,我们的党总支书记是他的老上级。对于书记的一些想法,他不敢反对。老书记找到我:老叶,我看你们整天在这里挑粪耕地,业务都荒废了,以后再需要时恐怕什么都做不了。我有个想法,你跟我带十个人回学校搞科研!我听了非常高兴,连我一起十个人就这样回来了,包括我们的老院长张国雄,还有姚建铨院士。”
  
  回到大学以后,十个人坐在一起讨论—科研究竟怎么搞,搞什么?当时学校秩序混乱,在那样的条件下,搞科研谈何容易。“我们讨论了很久,一致同意要搞点新的、最先进的东西。”大家分头去图书馆查资料,最后一致认为:激光是先进的东西,就搞激光!
  
  他们白手起家,到处找实验设备。“激光器分两种,一种气体激光器,一种固体激光器。固体激光器当时可以买到红宝石、铝玻璃等材料,有了材料,要打磨得两端平行,作为激光器的谐振腔,这很困难,但最后大家也真做出来了。气体激光器需要把玻璃管中间部分抽成真空,然后要调谐振腔,将两端调平行,我们就在两端用打眼的纸板来调谐振腔,当谐振腔的两个反射镜调平行后,激光就射出来了。”激光直接射到叶声华的眼睛上,强烈的刺激也许是导致他后来视网膜脱落的原因,但这根本无法阻拦他搞科研的热情。“不论白天黑夜,大家都特别有干劲,就跟打仗一样。当时He—Ne激光国内还没有几家能做出来。”
  
  国家第七个五年计划开始后,科学院和教委共同承担了重大科学研究项目—激光及其应用,组织全国专家研究讨论这个课题。华中科技大学的教授做组长,天津大学的叶声华和姚建铨老师做项目专家。这个项目分了好多子课题,例如激光原理、激光医疗、激光加工。叶声华和清华大学的廖延彪负责激光应用。他们又将激光应用细化,叶声华具体负责激光检测和激光测量,廖延彪开始做光纤传感。“基本上我们做激光检测是最早的。”这个项目也成了叶声华日后的科研方向。
  
  天津大学成立激光专业时,系领导希望叶声华做教研室主任,叶声华拒绝了。一方面因为自己的妻子在那里做副主任;但更重要的还是叶声华更喜欢精密测量专业,他最想做的是怎样把激光运用到精密测量中。“我考上大学,读研究生,学的就是精密测量这个方向,我喜欢这个专业,专业有需要,又正好能发挥我的特长,我就一直在这里搞下去。”
  
  40岁到50岁,正是一个科学家的黄金时代。当时的叶声华已取得了很多成就,但仍甘于清贫。实验室建设过程中,有出国考察的经费,叶声华将出国机会照顾到每一个人,自己仅去了一两次。他们一家人长期住在天大的筒子楼宿舍。“什么叫筒子楼你知道吧?”他笑着问,“就像学生宿舍,一间房给我住,做饭就在门口楼道里头,冬天烤火,就把煤炉子搬进来。我住的那间有十七八平方米,我们夫妻带两个孩子。一直住到上世纪80年代开始分单元宿舍,搬进几十平方米的两室一厅,觉得很满意了。”
  
  将科研转化为生产力
  
  在许多次不同场合的演讲中,叶声华常会提起一件事。多年以前,我国从外国进口了一批石油。货物到达天津港后,我方人员查验货物,发觉存在货物数值比合同量要少的可能。但当时我国的大流量计量技术很落后,即使有这样的怀疑,也无法提供准确的测量数值,最后只能认倒霉。这件事成了叶声华心中挥之不去的遗憾。“所以,我们搞科研一定要瞄准国家需求,不是凭自己的兴趣搞点东西。搞科研不是仿造,不能照葫芦画瓢,科研就是要你走到前头去,要有最新的先进技术,要有创新,不创新不叫科研;再一个就是我们搞的东西要有用,不能当摆设、展览。要把我们做的事做实,转化为生产力,绝不能做做样子,做出来的东西只能放在实验室。”
  
  早在1953年,天津大学在全国率先成立精密机械仪器专业之初,其创建思路便是“根据国家需要而来”。叶声华听自己的老师说过:“成立这个专业,就是因为我国在执行第一个五年计划时,机械制造、机械加工专业很多,但机械测量专业是没有的,机械制造产品很难保证质量,我们的专业就是为机械制造质量把关。”
  
  叶声华认为,搞工科专业研究要注意两点,一是要搞国家有需要的;二是一定要考虑先进的、创新的事情,这也是他在具体工作中的指导思路。多年以前,天津造船厂的技术人员找到叶声华,希望能帮助做出一台用来校准轮船传动轴系的设备。一般轮船发动机都安装在中间靠后的位置,动力通过一根轴传动螺旋桨,这根轴的多个轴承必须保证在一条直线上,稍有弯曲轴就会磨损。以前安装时要先拉一根钢丝,然后沿着钢丝安装轴承,但钢丝会因自身重量而向下弯曲,导致安装误差。叶声华和同事们研制出一台激光准直仪器,减少了安装误差。“当然在这个过程中也有很多问题,我们就跟着造船厂的工人摸爬滚打的工作。”后来,这个项目被推广到全国,卖了六七十台,还获得了天津市科学技术二等奖和国家科学大会奖励。
  
  有一次,天津一家生产钨钼丝的企业在产品出口过程中遇到问题。对方指责他们的产品尺寸不合格,达不到要求,企业负责人无奈之下向叶声华求助。叶声华的团队帮他们做了一台激光衍射测径仪,用这台仪器测量,产品根本没有问题。企业负责人拿到测量报告,说这下总算扬眉吐气了。叶声华说:“后来这件事也让我很是感慨,如果我们没有先进的测量技术,没有准确的计量,那岂不是要吃哑巴亏?”
  
  不能把学生关在象牙塔里
  
  天津大学的老校长李曙森曾经说过一句话:“高等学校要抓三件事:科研、教学、实验室,这三件事情一定要做好”。叶声华也一直在坚决执行老校长的治学理念,“科研跟教学是相辅相成的。尤其是像我们工程类的专业,科研的成果应该丰富更新教学的内容。”
  
  叶声华和两位同事编过一本《激光在精密计量中的应用》的教科书。这本书写于1976年地震以后,那时叶声华住在临时搭建的地震棚里,“也没有计算机,就趴在小桌子上一笔一笔写出来了。”把激光引进测量领域,当时有的老师觉得这教不了学生,但学生都对这个科目感兴趣。这本书在上世纪70年代末成了这个领域里的第一本专业书,被清华、川大、华中、上交大等高等院校采用,影响了无数科技工作者。直到现在还有人称赞:“老叶,你这个书写得太好了,很感谢有这样一本书。”还有年轻人对叶声华说:“我是读您这本书长大的。”
  
  几十年来,叶声华培养出80余名博士、100余名硕士,其中涌现了大批拔尖人才,包括院士、长江学者、杰出青年以及优博论文获得者。他的一名叫肖海的学生,读研期间提出把恒温实验室内用于精密测量的干涉仪拿到室外去做测量的课题,并以此申请到自然科学基金,现在他已是美国一所大学的终身教授;研制出神舟系列飞船传感器的张广军博士,也已担任北京航空航天大学副校长,并在2013年当选中国工程院院士。不久前叶声华八十寿诞,张广军还和师兄弟们一起相聚母校,共同为恩师祝寿。看到自己的学生在国内外科技竞争舞台上大显身手,做老师的叶声华感到由衷地欣慰。
  
  80岁的叶声华与“80后”“90后”的学生并没有代沟,因为他始终乐于倾听年轻人的想法,也因为他一直站在科学技术的最前沿。“我经常强调我们的学生要有首创精神,争取将年轻人好的想法放入科研之中加以实现。学生平时在课堂上要好好听课,与老师多接触,到实验室多看看,多想想,自己就能有新想法。时代不一样了,他们的视野,看到的东西跟我们那个时候不一样了,国家的要求也不一样,应该说他们的思想比我们那时候更活跃。不过我跟他们讲我们这个专业要为国家服务,他们还是听得进去的。”
  
  叶声华提倡学生早下实验室,身临其境,到实践中学习。“比如想来我实验室读研究生的,本科三四年级就可以来,来这里给师兄师姐们打打下手,从递个锤子拿个钳子啊、焊个电路开始,熟悉了实验室,也学到了些东西,久而久之,也知道了研究生都在做什么,培养了兴趣,给读研究生打下基础。我们绝不能把学生关在象牙塔里,要让他们多去实践,特别是工科学生,更要从实践中找灵感。”
(本文来源:天津日报转载请注明出处
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