現(xiàn)代測試計量技術(shù)及儀器的發(fā)展

測試、計量是人們從客觀事物中提取所需信息，借以認識客觀事物并掌握其客觀規(guī)律的一種科學(xué)方法，測試測量技術(shù)則是通過測試手段實現(xiàn)上述方法的技術(shù)。測試計量技術(shù)是應(yīng)用學(xué)科，推動著測試計量和儀器研究的進步與發(fā)展。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計量儀器的應(yīng)用已經(jīng)深入到生活的各個環(huán)節(jié)，上到國防建設(shè)、下到生產(chǎn)施工,因為需求不同，導(dǎo)致各種計量儀器的用途和性質(zhì)都不相同。然而,隨著科研成果的不斷應(yīng)用到計量儀器中，其用途也越來越標準化、智能化、數(shù)字化和微型化。

研究現(xiàn)狀及研究水平

當(dāng)今發(fā)展和制造技術(shù)快速進步引發(fā)了許多新型計測問題，推動著傳感器、測試計量儀器的研究與發(fā)展，促使測量技術(shù)中的新原理、新技術(shù)、新裝置系統(tǒng)不斷出現(xiàn)。和傳統(tǒng)的計測技術(shù)比較，現(xiàn)代測試計量技術(shù)呈現(xiàn)出一些新的特點。

1. 測量精確度不斷提高

測量范圍不斷擴大，在20 世紀的后50 年，一般機械加工精度由0.1 mm 量級提高到0.001 mm量級， 相應(yīng)的幾何量測量精度從1μm 提高到0.01 μm～0.001 μm，其間測量精度提高了3 個數(shù)量級，這種趨勢將進一步持續(xù)。隨著MEMS、微/ 納米技術(shù)的興起與發(fā)展，以及人們對微觀世界探索的不斷深入，測量對象尺度越來越小，達到了納米量級；另一方面，由于大型、超大型機械系統(tǒng)（電站機組、航空航天制造）、機電工程的制造、安裝水平提高，以及人們對于空間研究范圍的擴大，測量對象尺度越來越大，導(dǎo)致從微觀到宏觀的尺寸測量范圍不斷擴大，目前已達10-15～1025 的范圍，相差40 個數(shù)量級之巨。類似地，在力值測量上，相差約14 個數(shù)量級；在溫度測量中，相差約12 個數(shù)量級。 

2. 從靜態(tài)測量到動態(tài)測量

從非現(xiàn)場測量到現(xiàn)場在線靜態(tài)測量使科學(xué)研究從定性科學(xué)走向定量科學(xué)，實現(xiàn)了人類認識的一次飛躍。現(xiàn)在乃至今后，各種運動狀態(tài)下、制造過程中、物理化學(xué)反應(yīng)進程中等動態(tài)物理量測量將越來越普及，促使測量方式由靜態(tài)向動態(tài)的轉(zhuǎn)變。現(xiàn)代制造業(yè)已呈現(xiàn)出和傳統(tǒng)制造不同的設(shè)計理念、制造技術(shù)，測量已不僅僅是最終產(chǎn)品質(zhì)量評定的手段，更重要的是為產(chǎn)品設(shè)計、制造服務(wù)，以及為制造過程提供完備的過程參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，使產(chǎn)品設(shè)計、制造過程和檢測手段充分集成，形成一體的具備自主感知一定內(nèi)外環(huán)境參數(shù)（狀態(tài)），并作相應(yīng)調(diào)整的“智能制造系統(tǒng)”，要求測量技術(shù)從傳統(tǒng)的非現(xiàn)場、事后測量，進入制造現(xiàn)場，參與到制造過程，實現(xiàn)現(xiàn)場在線測量。 

3. 從簡單信息獲取到多信息融合

傳統(tǒng)的測量問題涉及的測量信息種類比較單一，現(xiàn)代測量信息系統(tǒng)則復(fù)雜得多，往往包括多種類型的被測量。信息量大，如大批量工業(yè)制造的在線測量，每天的測量數(shù)據(jù)高達幾十萬，又如產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與制造過程中，包含了巨量數(shù)據(jù)信息。巨量信息的可靠、快速傳輸和高效管理以及如何消除各種被測量之間的相互干擾，從中挖掘多個測量信息融合后的目標信息將形成一個新興的研究領(lǐng)域，即多信息融合。

4 幾何量和非幾何量集成

傳統(tǒng)機械系統(tǒng)和制造中的測量問題，主要面對幾何量測量。當(dāng)前復(fù)雜機電系統(tǒng)功能擴大，精確度提高，系統(tǒng)性能涉及多種參數(shù)，測量問題已不僅限于幾何量，而且，日益發(fā)展的微納尺度下的系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)，其機械作用機理和通常尺度下的系統(tǒng)也有顯著區(qū)別。為此，在測量領(lǐng)域，除幾何量外，應(yīng)當(dāng)將其他機械工程研究中常用的物理量包括在內(nèi)，如力學(xué)性能參數(shù)、功能參數(shù)等。

5. 測量對象復(fù)雜化、測量條件極端化

當(dāng)前部分測量問題出現(xiàn)測量對象復(fù)雜化，測量條件極端化的趨勢有時候需要測量的是整個機器或裝置，參數(shù)多樣且定義復(fù)雜；有時候需要在高溫、高壓、高速、高危場合等環(huán)境中進行測量，使得測量條件極端化。

6 虛擬儀器技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用

虛擬儀器（Virtual Instrument）是日益發(fā)展的計算機硬件、軟件和總線技術(shù)在向其他技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過程中，與測試技術(shù)、儀器技術(shù)密切結(jié)合，共同孕育出的一項全新成果，其核心是：以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機獨具的運算、大容量存儲、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結(jié)合起來融為一體，從而構(gòu)成一臺外觀與傳統(tǒng)硬件儀器相同，功能得到顯著加強，充分享用計算機智能資源的全新儀器系統(tǒng)。

虛擬儀器技術(shù)在高壓電測量中的應(yīng)用

存在的問題和差距

縱觀我國計量測試技術(shù)及儀器設(shè)備的歷史與現(xiàn)狀，和國外先進水平相比，存在下列不足：

（1）對技術(shù)創(chuàng)新重視不夠，自主創(chuàng)新能力較差，原創(chuàng)技術(shù)少。

在已有的主流計量測試技術(shù)及儀器設(shè)備中，很少有我們自己的原創(chuàng)技術(shù)。誠然，和其他學(xué)科類似，原創(chuàng)涉及理論基礎(chǔ)和行業(yè)積累，長期以來我國和工業(yè)發(fā)達國家在制造技術(shù)上的差距，相當(dāng)程度上影響了計量測試技術(shù)的研發(fā)能力，但不可否認的是，對計量測試技術(shù)的作用和地位認識不充分、研究力度和資金投入不足、研究工作不扎實、急功近利、只重數(shù)量不重質(zhì)量、不重視工程應(yīng)用等因素，也直接促成了當(dāng)前研究缺乏活力的狀況。

（2）高端、高附加值測量儀器設(shè)備幾乎空白。

當(dāng)前主流行業(yè)應(yīng)用中的高端儀器設(shè)備，國內(nèi)品牌被排斥在外。高端儀器有著很高的附加值和商業(yè)利潤，常常是一只進口的便攜式儀器箱容納的設(shè)備價值超過100 萬RMB，甚至更多，而一套大型的國產(chǎn)儀器設(shè)備只有相對低廉的利潤。高端儀器設(shè)備的高額利潤建立在高技術(shù)含量的基礎(chǔ)上，因為利潤高，保證了后續(xù)研發(fā)有充足的資金投入，形成了良性循環(huán)。與此形成反差的是，國內(nèi)建立在原材料和人力成本優(yōu)勢基礎(chǔ)上的儀器設(shè)備，必然利潤微薄，繼而造成研發(fā)投入不足，嚴重制約著我國測試計量技術(shù)及儀器設(shè)備的進一步發(fā)展。

（3）測試計量技術(shù)是面向工程應(yīng)用的學(xué)科，推動學(xué)科發(fā)展的主要動力來源于應(yīng)用需求，理論成果如無工程背景，不能解決工程應(yīng)用中的測量問題，則意義和價值將大打折扣。

況且，我國在測試計量理論上也很薄弱，近年來雖發(fā)表了大量的學(xué)術(shù)論文，出現(xiàn)了很多研究成果，高水平、實用性強的成果不夠多，而較多的則是低水平重復(fù)。此外，由于行業(yè)原因，我國計量測量從業(yè)人員較少，業(yè)務(wù)素質(zhì)整體水平不高，人才流失，尤其是高層次人才流失嚴重，也嚴重阻礙了學(xué)科的發(fā)展。

測試計量技術(shù)的發(fā)展趨勢

當(dāng)前的傳感、測試計量和計測儀器在機械系統(tǒng)和制造過程中的作用和重要性較之過去有明顯提高，已作為必須的組成部分參與到系統(tǒng)的功能中。這種地位的變化，加之機械及制造技術(shù)的快速發(fā)展促使對傳感器、測量儀器的研究不斷深入，內(nèi)容不斷拓展，使得當(dāng)前乃至將來一段時間內(nèi)，該領(lǐng)域內(nèi)研究的問題都將主要集中在傳感原理、數(shù)字化測量、超精密測量、測量理論及基準標準等方面。其中涉及的共性問題有：新型傳感原理及技術(shù)，先進制造的現(xiàn)場、非接觸及數(shù)字化測量，機械測試類儀器“有界無限”統(tǒng)一模型的建立及實現(xiàn)，超大尺寸精密測量，微/ 納米級超精密測量，基準標準及相關(guān)測量理論研究等，上述問題的研究也是測量技術(shù)研究領(lǐng)域內(nèi)最具活力、最有代表性的研究方向。

1、新的測試計量問題的不斷出現(xiàn)

新的測量問題不斷出現(xiàn)和最終解決有賴于傳感原理和測量傳感器研究的創(chuàng)新。綜合目前國內(nèi)外研究狀況，該領(lǐng)域大致有兩方面主要工作：（1）研究開發(fā)全新傳感器原理和傳感器；（2） 深入研究和改進已有的傳感原理和傳感器，以獲得更好的性能。前者如近年來獲得廣泛關(guān)注的基于MEMS 工藝的集成多參數(shù)傳感器、耐高溫壓力傳感器、微慣性傳感器、光纖傳感器等；后者如電容、電感、電渦流、光柵尺、磁柵尺、觀測型掃描電鏡、激光干涉儀等傳統(tǒng)傳感器的深入原理研究和性能改進措施。

2、測試計量技術(shù)應(yīng)該符合現(xiàn)代制造的要求

傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)中，制造和檢測常常是分離的，測量環(huán)境和制造環(huán)境不一致，測量的目的是判斷產(chǎn)品是否合格，測量信息對制造過程無直接影響。現(xiàn)代制造業(yè)已呈現(xiàn)出和傳統(tǒng)制造不同的設(shè)計理念、制造技術(shù)，測量技術(shù)應(yīng)當(dāng)從傳統(tǒng)的非現(xiàn)場、“事后”測量，進入制造現(xiàn)場，參與到制造過程，實現(xiàn)現(xiàn)場在線測量。現(xiàn)場、在線測量的共同問題包括非接觸、快速測量傳感器研制與開發(fā)、測量系統(tǒng)及其控制、測量設(shè)備與制造設(shè)備的集成幾方面。近年來數(shù)字化測量的迅速發(fā)展為先進制造中的現(xiàn)場、非接觸測量提供了有效解決方案，多尺寸視覺在線測量、數(shù)碼柔性坐標測量、機器人測量機、三維形貌測量等數(shù)字化測量原理、技術(shù)與系統(tǒng)的研究取得了顯著的研究成果，并獲得成熟的工業(yè)應(yīng)用。

3D掃描計量

3、領(lǐng)域測試類儀器統(tǒng)一模型的建立

領(lǐng)域測試類（例如機械測試類）儀器的“有界無限”統(tǒng)一模型的建立。所謂“有界無限”是指領(lǐng)域測試是一個“界”，只要在這個“界”內(nèi)，同類測試的功能或儀器都將被包含或可添加到這一系統(tǒng)中。這一統(tǒng)一模型稱之為“巖石模型”。基于這一模型理論，對測試功能虛擬控件進行多次、深度集成制造便可由上述模型演變成為一個“有界無限”、包含大量測試儀器并可實際使用的復(fù)雜、巨型虛擬測試儀器庫。這是一個復(fù)雜的功能測試系統(tǒng)，同時也是一個開放的系統(tǒng)。對于他已有的資源可以立即滿足測試的要求，他還沒有的資源可以很快地在模型內(nèi)自動生成或開發(fā)，從而可以繼續(xù)滿足任何新的測試需求。通過這一模型的建立，將使傳統(tǒng)儀器的“單機”概念消失，代之而起的是經(jīng)多次、深度集成制造而成的大型“儀器庫”。在將來的測試儀器中，儀器庫將成為測試測量所使用的儀器“單位”，而同一行業(yè)的只需使用這一儀器“單位”便可滿足其全部測試要求。

4、微/納米技術(shù)迅速發(fā)展

微/納米技術(shù)作為當(dāng)前發(fā)展最迅速，研究廣泛、投入最多的科學(xué)技術(shù)之一，被認為是當(dāng)前科技發(fā)展的重要前沿。在該科技中，微/納米的超精密測量技術(shù)是代表性的研究領(lǐng)域，也是微/納米科技得以發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。在微/納測量領(lǐng)域，基礎(chǔ)問題包括納米計量、納米測量系統(tǒng)理論與設(shè)計、微觀形貌測量等方面，主要研究問題和方向為：基于掃描電子顯微鏡的精密納米計量、微納坐標測量機（分子測量機）、基于干涉的非接觸微觀形貌測量、基于原子晶格作刻度的X 射線干涉測量及其與光學(xué)干涉儀的組合原理、納米測量系統(tǒng)設(shè)計理論和微納尺寸測量條件的研究等。涉及的重要工程測量問題有：面向MEMS 和MOEMS 的微尺度測量、面向22 nm～45 nm極大規(guī)模集成電路制造的測量等。

精密測量顯微鏡

5、發(fā)展超大尺寸測量和超大型設(shè)備

超大尺寸測量的主要任務(wù)是獲取與評價大型和超大型裝備與系統(tǒng)制造過程中機械特性和物理特性等信息，分析各影響制造性能的要素與機理，為提升制造能力與水平提供科學(xué)依據(jù)。在超大尺寸測量領(lǐng)域內(nèi)的、共性基礎(chǔ)問題包括距離測量原理、超大尺寸空間坐標測量、超大尺寸測量的現(xiàn)場溯源原理與方法。代表性研究方向和重要測量問題，如：大尺寸、高速跟蹤坐標測量系統(tǒng)；車間范圍空間定位系統(tǒng)（WPS）；GPS 在超大機械系統(tǒng)中的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)；數(shù)字造船中結(jié)構(gòu)尺寸、容積測量；飛機制造中形狀尺寸測量；超大型電站裝備和重機裝備制造中的測量；面向大型尖端裝備制造的超精密測量等。

6、大力發(fā)展基準、標準技術(shù)

基準標準技術(shù)是測試計量技術(shù)水平的最高表現(xiàn)形式，是發(fā)展超精密制造的前提和保障，也是引導(dǎo)促進先進加工和測量技術(shù)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。基準標準技術(shù)滯后將嚴重制約精密制造和裝備制造業(yè)的發(fā)展。尤其是，在過去的10年中超精加工技術(shù)的提高使得工業(yè)界可以制造以前難以想象的微小和形狀復(fù)雜的工件，表面粗糙度正在達到原子級尺度，并可由像原子力顯微鏡等這樣復(fù)雜的顯微鏡來進行測量。但是相應(yīng)的標準還沒有制定，需要制定新的納米尺度上表面粗糙度和公差測量標準作為新的納米測量基礎(chǔ)。與此對應(yīng)，研究對應(yīng)芯片、掩模板測量中的線條寬度、間距、臺階高度、表面粗糙度、膜厚等被測量的校對樣板，并對這些樣板進行標定和比對，對于保證這些幾何參數(shù)量值的統(tǒng)一和溯源具有十分重要的意義。多傳感器測量及測量信息融合技術(shù)是現(xiàn)代測量計量技術(shù)出現(xiàn)的新特點。現(xiàn)代復(fù)雜機電系統(tǒng)涉及信息多，測量信息量大，傳感器數(shù)量較多，多源巨量信息分析評估困難，需借助數(shù)據(jù)融合理論進行處理。多傳感器測量應(yīng)用中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)正逐漸成為提升測量系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。