測(cè)試計(jì)量技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展研究

測(cè)試、計(jì)量是人們從客觀事物中提取所需信息，借以認(rèn)識(shí)客觀事物并掌握其客觀規(guī)律的一種科學(xué)方法，測(cè)試測(cè)量技術(shù)則是通過(guò)測(cè)試手段實(shí)現(xiàn)上述方法的技術(shù)。測(cè)試計(jì)量技術(shù)是應(yīng)用學(xué)科，推動(dòng)著測(cè)試計(jì)量和儀器研究的進(jìn)步與發(fā)展。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)量?jī)x器的應(yīng)用已經(jīng)深入到生活的各個(gè)環(huán)節(jié)，上到國(guó)防建設(shè)、下到生產(chǎn)施工,因?yàn)樾枨蟛煌?，?dǎo)致各種計(jì)量?jī)x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(jì)量?jī)x器中，其用途也越來(lái)越標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)步引發(fā)了許多新型計(jì)測(cè)問(wèn)題，推動(dòng)著傳感器、測(cè)試計(jì)量?jī)x器的研究與發(fā)展，促使測(cè)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(jì)測(cè)技術(shù)比較，現(xiàn)代測(cè)試計(jì)量技術(shù)呈現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)。

1. 測(cè)量精確度不斷提高

測(cè)量范圍不斷擴(kuò)大，在 20 世紀(jì)的后 50 年，一般機(jī)械加工精度由 0.1 mm 量級(jí)提高到 0.001 mm 量級(jí)， 相應(yīng)的幾何量測(cè)量精度從 1μm 提高到 0.01 μm～0.001 μm，其間測(cè)量精度提高了 3 個(gè)數(shù)量級(jí)，這種趨勢(shì)將進(jìn)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(duì)微觀世界探索的不斷深入，測(cè)量對(duì)象尺度越來(lái)越小，達(dá)到了納米量級(jí)；另一方面，由于大型、超大型機(jī)械系統(tǒng)（電站機(jī)組、航空航天制造）、機(jī)電工程的制造、安裝水平提高，以及人們對(duì)于空間研究范圍的擴(kuò)大，測(cè)量對(duì)象尺度越來(lái)越大，導(dǎo)致從微觀到宏觀的尺寸測(cè)量范圍不斷擴(kuò)大，目前已達(dá) 10-15～1025 的范圍，相差 40 個(gè)數(shù)量級(jí)之巨。類(lèi)似地，在力值測(cè)量上，相差約 14 個(gè)數(shù)量級(jí)；在溫度測(cè)量中，相差約 12 個(gè)數(shù)量級(jí)。

2. 從靜態(tài)測(cè)量到動(dòng)態(tài)測(cè)量

從非現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量到現(xiàn)場(chǎng)在線靜態(tài)測(cè)量使科學(xué)研究從定性科學(xué)走向定量科學(xué)，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)認(rèn)識(shí)的一次飛躍?，F(xiàn)在乃至今后，各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下、制造過(guò)程中、物理化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程中等動(dòng)態(tài)物理量測(cè)量將越來(lái)越普及，促使測(cè)量方式由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)代制造業(yè)已呈現(xiàn)出和傳統(tǒng)制造不同的設(shè)計(jì)理念、制造技術(shù)，測(cè)量已不僅僅是最終產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定的手段，更重要的是為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造服務(wù)，以及為制造過(guò)程提供完備的過(guò)程參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程和檢測(cè)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(cè)量技術(shù)從傳統(tǒng)的非現(xiàn)場(chǎng)、事后測(cè)量，進(jìn)入制造現(xiàn)場(chǎng)，參與到制造過(guò)程，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量。

3. 從簡(jiǎn)單信息獲取到多信息融合

傳統(tǒng)的測(cè)量問(wèn)題涉及的測(cè)量信息種類(lèi)比較單一，現(xiàn)代測(cè)量信息系統(tǒng)則復(fù)雜得多，往往包括多種類(lèi)型的被測(cè)量。信息量大，如大批量工業(yè)制造的在線測(cè)量，每天的測(cè)量數(shù)據(jù)高達(dá)幾十萬(wàn)，又如產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造過(guò)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(cè)量之間的相互干擾，從中挖掘多個(gè)測(cè)量信息融合后的目標(biāo)信息將形成一個(gè)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(jī)械系統(tǒng)和制造中的測(cè)量問(wèn)題，主要面對(duì)幾何量測(cè)量。當(dāng)前復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)功能擴(kuò)大，精確度提高，系統(tǒng)性能涉及多種參數(shù)，測(cè)量問(wèn)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(jī)械作用機(jī)理和通常尺度下的系統(tǒng)也有顯著區(qū)別。為此，在測(cè)量領(lǐng)域，除幾何量外，應(yīng)當(dāng)將其他機(jī)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(cè)量對(duì)象復(fù)雜化、測(cè)量條件極端化

當(dāng)前部分測(cè)量問(wèn)題出現(xiàn)測(cè)量對(duì)象復(fù)雜化，測(cè)量條件極端化的趨勢(shì)有時(shí)候需要測(cè)量的是整個(gè)機(jī)器或裝置，參數(shù)多樣且定義復(fù)雜；有時(shí)候需要在高溫、高壓、高速、高危場(chǎng)合等環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量，使得測(cè)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(jì)算機(jī)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(guò)程中，與測(cè)試技術(shù)、儀器技術(shù)密切結(jié)合，共同孕育出的一項(xiàng)全新成果，其核心是：以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、大容量存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等智能化功能，同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)融為一體，從而構(gòu)成一臺(tái)外觀與傳統(tǒng)硬件儀器相同，功能得到顯著加強(qiáng)，充分享用計(jì)算機(jī)智能資源的全新儀器系統(tǒng)。

虛擬儀器技術(shù)在高壓電測(cè)量中的應(yīng)用

存在的問(wèn)題和差距

縱觀我國(guó)計(jì)量測(cè)試技術(shù)及儀器設(shè)備的歷史與現(xiàn)狀，和國(guó)外先進(jìn)水平相比，存在下列不足：

（1）對(duì)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(jì)量測(cè)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(chéng)然，和其他學(xué)科類(lèi)似，原創(chuàng)涉及理論基礎(chǔ)和行業(yè)積累，長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)和工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在制造技術(shù)上的差距，相當(dāng)程度上影響了計(jì)量測(cè)試技術(shù)的研發(fā)能力，但不可否認(rèn)的是，對(duì)計(jì)量測(cè)試技術(shù)的作用和地位認(rèn)識(shí)不充分、研究力度和資金投入不足、研究工作不扎實(shí)、急功近利、只重?cái)?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(cè)量?jī)x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(guó)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(rùn)，常常是一只進(jìn)口的便攜式儀器箱容納的設(shè)備價(jià)值超過(guò) 100 萬(wàn) RMB，甚至更多，而一套大型的國(guó)產(chǎn)儀器設(shè)備只有相對(duì)低廉的利潤(rùn)。高端儀器設(shè)備的高額利潤(rùn)建立在高技術(shù)含量的基礎(chǔ)上，因?yàn)槔麧?rùn)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(guó)內(nèi)建立在原材料和人力成本優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上的儀器設(shè)備，必然利潤(rùn)微薄，繼而造成研發(fā)投入不足，嚴(yán)重制約著我國(guó)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展。

（3）測(cè)試計(jì)量技術(shù)是面向工程應(yīng)用的學(xué)科，推動(dòng)學(xué)科發(fā)展的主要?jiǎng)恿?lái)源于應(yīng)用需求，理論成果如無(wú)工程背景，不能解決工程應(yīng)用中的測(cè)量問(wèn)題，則意義和價(jià)值將大打折扣。

況且，我國(guó)在測(cè)試計(jì)量理論上也很薄弱，近年來(lái)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(shí)用性強(qiáng)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(guó)計(jì)量測(cè)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(yán)重，也嚴(yán)重阻礙了學(xué)科的發(fā)展。

測(cè)試計(jì)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前的傳感、測(cè)試計(jì)量和計(jì)測(cè)儀器在機(jī)械系統(tǒng)和制造過(guò)程中的作用和重要性較之過(guò)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(jī)械及制造技術(shù)的快速發(fā)展促使對(duì)傳感器、測(cè)量?jī)x器的研究不斷深入，內(nèi)容不斷拓展，使得當(dāng)前乃至將來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，該領(lǐng)域內(nèi)研究的問(wèn)題都將主要集中在傳感原理、數(shù)字化測(cè)量、超精密測(cè)量、測(cè)量理論及基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)等方面。其中涉及的共性問(wèn)題有：新型傳感原理及技術(shù)，先進(jìn)制造的現(xiàn)場(chǎng)、非接觸及數(shù)字化測(cè)量，機(jī)械測(cè)試類(lèi)儀器“有界無(wú)限”統(tǒng)一模型的建立及實(shí)現(xiàn)，超大尺寸精密測(cè)量，微 / 納米級(jí)超精密測(cè)量，基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)測(cè)量理論研究等，上述問(wèn)題的研究也是測(cè)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(cè)試計(jì)量問(wèn)題的不斷出現(xiàn)

新的測(cè)量問(wèn)題不斷出現(xiàn)和最終解決有賴(lài)于傳感原理和測(cè)量傳感器研究的創(chuàng)新。綜合目前國(guó)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(kāi)發(fā)全新傳感器原理和傳感器；（2） 深入研究和改進(jìn)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(lái)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(cè)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(jìn)措施。

2、測(cè)試計(jì)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(cè)常常是分離的，測(cè)量環(huán)境和制造環(huán)境不一致，測(cè)量的目的是判斷產(chǎn)品是否合格，測(cè)量信息對(duì)制造過(guò)程無(wú)直接影響?，F(xiàn)代制造業(yè)已呈現(xiàn)出和傳統(tǒng)制造不同的設(shè)計(jì)理念、制造技術(shù)，測(cè)量技術(shù)應(yīng)當(dāng)從傳統(tǒng)的非現(xiàn)場(chǎng)、“事后”測(cè)量，進(jìn)入制造現(xiàn)場(chǎng)，參與到制造過(guò)程，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量?，F(xiàn)場(chǎng)、在線測(cè)量的共同問(wèn)題包括非接觸、快速測(cè)量傳感器研制與開(kāi)發(fā)、測(cè)量系統(tǒng)及其控制、測(cè)量設(shè)備與制造設(shè)備的集成幾方面。近年來(lái)數(shù)字化測(cè)量的迅速發(fā)展為先進(jìn)制造中的現(xiàn)場(chǎng)、非接觸測(cè)量提供了有效解決方案，多尺寸視覺(jué)在線測(cè)量、數(shù)碼柔性坐標(biāo)測(cè)量、機(jī)器人測(cè)量機(jī)、三維形貌測(cè)量等數(shù)字化測(cè)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(jì)量

3、領(lǐng)域測(cè)試類(lèi)儀器統(tǒng)一模型的建立

領(lǐng)域測(cè)試類(lèi)（例如機(jī)械測(cè)試類(lèi)）儀器的“有界無(wú)限”統(tǒng)一模型的建立。所謂“有界無(wú)限”是指領(lǐng)域測(cè)試是一個(gè)“界”，只要在這個(gè)“界”內(nèi)，同類(lèi)測(cè)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(chēng)之為“巖石模型”。基于這一模型理論，對(duì)測(cè)試功能虛擬控件進(jìn)行多次、深度集成制造便可由上述模型演變成為一個(gè)“有界無(wú)限”、包含大量測(cè)試儀器并可實(shí)際使用的復(fù)雜、巨型虛擬測(cè)試儀器庫(kù)。這是一個(gè)復(fù)雜的功能測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)也是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)。對(duì)于他已有的資源可以立即滿足測(cè)試的要求，他還沒(méi)有的資源可以很快地在模型內(nèi)自動(dòng)生成或開(kāi)發(fā)，從而可以繼續(xù)滿足任何新的測(cè)試需求。通過(guò)這一模型的建立，將使傳統(tǒng)儀器的“單機(jī)”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(kù)”。在將來(lái)的測(cè)試儀器中，儀器庫(kù)將成為測(cè)試測(cè)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(cè)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(rèn)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(cè)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(cè)量領(lǐng)域，基礎(chǔ)問(wèn)題包括納米計(jì)量、納米測(cè)量系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì)、微觀形貌測(cè)量等方面，主要研究問(wèn)題和方向?yàn)椋夯趻呙?a target="_blank">電子顯微鏡的精密納米計(jì)量、微納坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（分子測(cè)量機(jī)）、基于干涉的非接觸微觀形貌測(cè)量、基于原子晶格作刻度的 X 射線干涉測(cè)量及其與光學(xué)干涉儀的組合原理、納米測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和微納尺寸測(cè)量條件的研究等。涉及的重要工程測(cè)量問(wèn)題有：面向 MEMS 和 MOEMS 的微尺度測(cè)量、面向 22 nm～45 nm 極大規(guī)模集成電路制造的測(cè)量等。

精密測(cè)量顯微鏡

5、發(fā)展超大尺寸測(cè)量和超大型設(shè)備

超大尺寸測(cè)量的主要任務(wù)是獲取與評(píng)價(jià)大型和超大型裝備與系統(tǒng)制造過(guò)程中機(jī)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(jī)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(cè)量領(lǐng)域內(nèi)的、共性基礎(chǔ)問(wèn)題包括距離測(cè)量原理、超大尺寸空間坐標(biāo)測(cè)量、超大尺寸測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)溯源原理與方法。代表性研究方向和重要測(cè)量問(wèn)題，如：大尺寸、高速跟蹤坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)；車(chē)間范圍空間定位系統(tǒng)（WPS）；GPS 在超大機(jī)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(cè)量；飛機(jī)制造中形狀尺寸測(cè)量；超大型電站裝備和重機(jī)裝備制造中的測(cè)量；面向大型尖端裝備制造的超精密測(cè)量等。

6、大力發(fā)展基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)

基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)是測(cè)試計(jì)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(jìn)先進(jìn)加工和測(cè)量技術(shù)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)滯后將嚴(yán)重制約精密制造和裝備制造業(yè)的發(fā)展。尤其是，在過(guò)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(dá)到原子級(jí)尺度，并可由像原子力顯微鏡等這樣復(fù)雜的顯微鏡來(lái)進(jìn)行測(cè)量。但是相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有制定，需要制定新的納米尺度上表面粗糙度和公差測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)作為新的納米測(cè)量基礎(chǔ)。與此對(duì)應(yīng)，研究對(duì)應(yīng)芯片、掩模板測(cè)量中的線條寬度、間距、臺(tái)階高度、表面粗糙度、膜厚等被測(cè)量的校對(duì)樣板，并對(duì)這些樣板進(jìn)行標(biāo)定和比對(duì)，對(duì)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(cè)量及測(cè)量信息融合技術(shù)是現(xiàn)代測(cè)量計(jì)量技術(shù)出現(xiàn)的新特點(diǎn)?，F(xiàn)代復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)涉及信息多，測(cè)量信息量大，傳感器數(shù)量較多，多源巨量信息分析評(píng)估困難，需借助數(shù)據(jù)融合理論進(jìn)行處理。多傳感器測(cè)量應(yīng)用中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)正逐漸成為提升測(cè)量系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在未來(lái)的測(cè)試計(jì)量及儀器技術(shù)的發(fā)展中，針對(duì)上述問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)，著力加大科研投入，重視基礎(chǔ)研究，緊密聯(lián)系工程應(yīng)用，相信在不久的將來(lái)我國(guó)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域定可獲得快速的發(fā)展，為我國(guó)科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮更大的作用。

審核編輯 黃昊宇