费业泰:追求最真实数据的60年
发布日期:2013-05-14
 
 
——记我国现代精度理论的开拓者费业泰教授
□本报记者 周 慧


2010年10月,费业泰教授当选建校以来“感动工大十大人物”。图为国务院国有资产监督委员会国有大型企业监事会原主席、我校校务委员会委员、1965届校友贾成炳为费业泰教授颁奖

    神舟上天,蛟龙入海。从航空航天到现代制造,近年来我国在高新技术领域中取得的一项又一项重大突破,令全国人民倍感振奋。而这些高科技成果的取得,都离不开精密仪器学科的支撑,而其中误差与精度理论及技术是其重要的一环。在我校,有这样一位老人,他将自己近60年的人生全部奉献给了精密仪器事业,为我国误差与精度理论研究发展作出了杰出的贡献,打下了坚实的基础,至今年近80岁高龄仍然工作在实验室,被称为我国精度理论的开拓者。他叫费业泰,仪器科学与光电工程学院教授,2007年被国际测量与仪器委员会(ICMI)授予终身贡献奖。

“我这一辈子,都是在和精度与误差这对反义词打交道”

    “失之毫厘谬以千里”。在现代科技发展的过程中,为了认识自然与遵循其发展规律用于自然,人类需要不断地对自然界的各种现象进行测量和研究。然而,由于试验方法和实验设备的不完善、周围环境的影响,以及受人类认识能力所限,测量和实验所得的数据和被测量的真值之间,总是不可避免的存在着差异。随着科学技术的日益发展和认识水平的不断提高,人们虽然可以将误差控制的越来越小,但终究不能完全消除它。而费业泰一辈子的工作,就是不断地消除误差,追求具有高精度的真值。

    1955年,费业泰大学毕业留校任教。1959年,费业泰教授从机械制造专业转行来到学校新开办的精密仪器专业,从此,精密仪器学科就成了他生命的全部。

    精度是现代精密工程的基本保障。尤其在信息技术时代,任何科学实验和工程实践所获得的大量数据信息,必须经过合理的数据处理并给出科学的评价,才有其实际价值。但在那个新中国工业建设刚刚起步的年代,我国对精度与误差的研究完全没有系统的理论,只能全部照搬外国模式。而机械工业的发展虽然热火朝天,但对于精度问题的认识,还存在严重的不足。在合肥工业大学,刚开办的精密仪器教研室同样没资料、没设备、更没有知识积累,甚至所有的老师都是从机械制造专业“半路出家”到精密仪器专业的。万事开头难,作为教研室负责人,费业泰清醒地意识到自己肩上的重担。“我这一辈子,就是在和精度与误差这对反义词打交道了。”为了挑起这副重担,没日没夜成为了费业泰生活的主旋律。在他的“字典”里,从来就没有“休息日”这个词,多少年来,每年只有大年初一给自己放一天假,其他的时间几乎都泡在实验室和办公室。精密仪器的误差修正实验是一项非常艰苦的工作。由于精密仪器特别敏感,白天因为干扰源较多,即使地板的轻微震动也会影响到数据稳定。为了确保实验质量,在忙碌了一个白天后,在下班时买个面包。夜深人静时在实验室做实验是费业泰常有的工作方式。

    1根头发丝有70至100μ那么粗,而我国目前使用的光栅测量机的精度普遍为5μ。早在上世纪80年代初,费业泰主持研发的“光栅一米测量机”,在理论上采用多误差源的全面误差分析建模进行多项误差修正与合成,突破了传统的单次误差建模与修正的局限性,显著地提高了仪器精度。经中国计算科学研究院检测,该测量机在一米长度达到了2.3μ的精度,这一精度使我国测量长度比对基准的精密仪器达到国外顶尖产品水平,成为我国精密仪器学科的标志性成果。

    在此基础上,费业泰对误差理论的应用技术展开了全面深入的研究,取得了一系列研究成果,全面推进了我国误差与精度理论的新发展。基于现代仪器的动态性特点,费业泰研究提出了动态精度理论,建立了全系统动态误差分析建模方法,提出了动态精度损失的“棚状模型”,并进一步对动态系统损失函数分解与溯源,分析动态系统各组成单元的精度损失规律,并提出了基于各单元等效损失的全系统均匀设计理论与方法,成为我国误差与精度理论的重大进展。

    “我们都是看着您的书步入精密仪器领域的。”在我国高层的仪器学科学术会议上,这是费业泰经常听到的话。费业泰先后出版了9本专著,1981年,费业泰所著的《误差理论与数据处理》一书,被列为国家重点教材,成为我国精密仪器学科理论的开拓之作。30多年来,该书再版6次,被全国200余所高校采用,成为我国高校测控技术与仪器专业和其他相关专业必须的一门专业基础课。在我国,年轻一代的杰青、长江学者,都是读着费业泰撰写的课本迈进了精密仪器科学的殿堂。而费业泰,则被业内誉为我国精度理论的开拓者。

“精密仪器学科的研究,我能做的只有精益求精”

    在半个多世纪的科研过程中,费业泰承担并完成了近40项高水平科研项目,其中包括17项国家自然科学基金项目,发表过320余篇论文,各项科研成果获得9项省部级奖励,发表出版的大量论著被学术界广泛采用,并为我国重点科研项目解决了大量实践难题。

    任何精密仪器都存在着温度的问题,由于热胀冷缩,不同温度下设备中的不同材料会发生不同特性的变化,有的变化甚至会影响到设备的正常性能。为了摸清这一规律,费业泰总是不分昼夜地泡在实验室里,进行高强度长周期的热变形实验。通过对大量实验数据的分析研究,费业泰发现有些零件的外形尺寸随着温度的增大反而变小。如何科学地解释这些热变形误差的特殊物理现象,费业泰根据测量仪器组成误差的特性与对精度的影响,深入系统地研究了热误差理论及应用,提出了多项新概念,突破了传统理论的约束,创新性地提出热误差理论。该理论通过对箱体热变形量的设计,保证在不同温度下热变形降到最低,提高各类工业产品效率和品质。如今,由费业泰提出的精度误差理论,已经成为我国精度评定的基本方法以及精密仪器学科的理论基础。而热误差理论,也成为精密仪器学科典型的三个学科方向之一。

    航天器在太空中飞行,迎着太阳的一面与背着太阳的一面温度相差数百摄氏度,而不同的材料在不同的形状下膨胀的特性也有很大差别,用什么材料才能确保卫星的正常使用,这是长期困扰我国的问题。带着这一问题,时任我国某型卫星研制部门负责同志找到了费业泰。费业泰在大量实验的基础上,发现了原有的国家膨胀系数标准在实际应用中存在较大问题。“同样的材料,在不同的外形尺寸下膨胀量存在较大差异,过去我国在制定膨胀系数标准时,使用的是圆柱体的材料进行测量,无法真实地反映这一差异,给实际应用带来了困难。”为此,费业泰在膨胀系数制定时创新性地将测定材料制成球形,可以真实地反映材料性能,不受材料尺寸的影响,不仅成功解决了这一难题,更依此提出了全新的热误差理论体系。

   上世纪90年代初,我国修建三峡大坝,其关键设备涡轮机在生产过程中遇到了同样的难题。电机由于在冰天雪地的哈尔滨电机厂生产,而在投入到三峡使用时,必然会因为温度的差异导致内部链接装置出现较大误差,甚至会影响设备的正常运转。“如果出现差错,这已经不是生产成本的问题,而是根本无法对全国人民交代。”哈尔滨电机厂领导找到了费业泰,费业泰运用热变形理论,很快解决了这一难题,使装备具有良好的装配性能,保障了工程的顺利进行。

    半个多世纪来,费业泰的精度理论在我国社会主义现代化建设的各个领域中得到了广泛的应用。随着科技水平的发展,精度问题日益受到重视,然而从理论到实践的道路,却并不平坦。在我国精密机械领域,一度曾陷入一味追求依靠加工设备,每个部件都高精度的误区。这一做法不仅大大提高了成本,而且效果也并不稳定。针对这一情况,费业泰在我国率先提出“最好的部件在一起不一定能有最好的性能”这一理念,通过大量的科学实验,他找到了误差传递的规律,并利用这一规律提出了新的方法。这一方法不再要求每个部件均为高精度,而是通过不同部件之间的最优化组合,保证机械设备的高精度。这一方法也成为我国最新精度理论的重要内容。

    由费业泰一手创立的我校现代精度工程研究中心,可以说是费业泰科研成果的结晶,这个由费业泰主持的十几项自然科学基金积淀而成的实验中心,精度方向的实验仪器都是费业泰亲手自制的,全国仅此一家,在国内处于领先地位。40多位院士、知名学者和中央部委领导视察过该实验室,并对费业泰的研究成果给予了高度评价。在费业泰的主持下,这个实验室一直坚持开放性的原则。多年来,其他学校的博士如果没有条件,都可以到这个实验室来做实验完成论文。

 

“身正为范,想做好学问,首先要学会做人”

    在近60年的执教生涯中,费业泰已招收培养了100余名博、硕士研究生,无论对学生还是对青年教师,“高标准、严要求”是费业泰一贯的原则。这种严格不仅是在学术上,更是在品格上。为了保证人才培养质量,费业泰采用了最实在也最辛苦的办法:亲力亲为。

    费业泰的学生都收到过他的六字师训:“勤奋、求实、谦让”,这是费业泰对学生做人治学的要求,也是他本人的行为准则。费业泰认为,勤奋是对治学的最基本要求,求实是教学科研成功的基石,而谦让则能够使阻力变为支持,能让人的事业拥有更高的发展空间。近60年来,费教授一直以身示范,用自己的一言一行诠释着这六个字的涵义。正是凭着这种精神,费业泰在境内外学术界建立起良好的学术环境。费业泰先后10次应邀赴台湾进行学术交流和访问讲学,架起了两岸学术界沟通的桥梁,他谦让待人的高尚品德更赢得了台湾学术界的认可与支持,取得了一系列重要成果。

    “费教授就是不断地要我们做高水平课题,不断地将任务压在我们身上,然后再‘逼’着我们去写论文投高水平学术期刊。” 在指导青年教师申报课题时,每个项目的申报书费业泰都要亲自过目,亲自修改。

    承受着费业泰对学术科研上“高压”的同时,学生们在生活上也得到了费业泰无微不至的关怀。费业泰对学生家里的情况像“片警”一样了解,甚至连有几个兄弟姐妹他都清楚。家里困难的同学到了学期末总能多领些津贴,那是费业泰想方设法争取来的;学生们在实验室里泡再久也不会饿着,因为费业泰在实验室准备了电冰箱和微波炉;甚至学生的个人问题费业泰都会非常操心,有的学生就是在他的“撮合”下才找到自己的美满姻缘。

    “做研究的,不能考虑利益,只能考虑学术的需要。”这是费业泰经常挂在口边的一句话。作为一名老共产党员,费业泰生活非常节俭,很少收礼送礼,但一支手电筒却是他最珍贵的礼物,在别人看来,它很普通,可是对于费业泰来说,这支手电筒却有着很特殊的意义。因为,这支手电筒是他的学生送给他的生日礼物,虽然不值多少钱,这却是费教授每天必不可少的“宝贝”。原来,有一段时间,费业泰的办公室在7楼,等他夜里23点多下班的时候,没有电梯,路灯也经常不亮,他每天就摸黑下楼。在他65岁生日那天,他的研究生们特地送了一支手电筒给他作为生日礼物。这支小小的手电筒,照亮的不仅是费教授的归家小径,也折射出了费业泰的人生观念——牺牲自己、照亮别人。费业泰出国、出差,总要带点礼物,这些礼物并不是送给亲朋好友,而是送给学院大楼的门卫。因为他经常是半夜离开大楼回家,总是要麻烦门卫起床开门。

    这简朴的老人在科研经费方面也总是精打细算,一省再省,但是只要是学生要在学术科研上用钱,他总是不计成本地全力支持。

    2008年,74岁的费业泰退休了,但退休后的他仍然坚持每天呆在实验室,家是旅馆,一日三餐和睡觉时才回去。

    2008年,病魔击倒了仍然坚持工作的费业泰,他被诊断为肾肿瘤。在切除手术以后,费业泰仍然舍不得他工作一辈子的实验室,时至今日,他仍然坚守在实验室一线。

    2011年,77岁高龄的费业泰到北京进行国家专项答辩后,急着赶回合肥,由于北京暴雨,机场一直停飞,等到11点仍然不能起飞。同行的学生担心费业泰的身体,劝他住一晚再走。但费业泰坚持说次日有重要的事情,一定要回去。于是,学生陪着费业泰辗转北京站和北京西站,均没有买到票。费业泰坚持在北京机场等待。硬是等到了次日凌晨4点通知起飞的消息。早上7点,带着一身疲惫抵达合肥后,费业泰立即投入到工作中。这时,他的学生才发现,费业泰口中的重要事,只是约定了要给一个研究生修改论文。

    数十年如一日的辛勤操劳成就了费业泰在精密仪器学科如今的影响。他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、中国仪器仪表学会名誉理事、中国计量测试学会理事兼几何量专业委员会副主任、中国机械工程联合会全国高校机电类专业教学委员会顾问等职。而我校精密仪器学科,也从一无所有发展为具有学士、硕士、博士完整的三级学位体系,精度理论及应用领域研究水平在国内名列前茅。

    2013年,费业泰即将迎来自己的80岁生日,尽管身体不再如以前硬朗,但费业泰仍然坚持在自己的实验室里,并仍然坚持参加重要学术会议,为学科建设、合作实验室等事务奔波。在我校,在我国精密仪器领域,费业泰所取得的成就已经超越学术上的成果,更成为一面精神上的旗帜。

 

 
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