測試、計量是人們從客觀事物中提取所需信息，借以認(rèn)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(shí)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(jìn)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(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(diǎn)。

1. 測量精確度不斷提高

測量范圍不斷擴(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(jìn)一步持續(xù)。隨著MEMS、微/ 納米技術(shù)的興起與發(fā)展，以及人們對微觀世界探索的不斷深入，測量對象尺度越來越小，達(dá)到了納米量級；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，以及人們對于空間研究范圍的擴(kuò)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(kuò)大，目前已達(dá)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(shí)現(xiàn)了人類認(rèn)識的一次飛躍。現(xiàn)在乃至今后，各種運(yùn)動狀態(tài)下、制造過程中、物理化學(xué)反應(yīng)進(jìn)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(jìn)入制造現(xiàn)場，參與到制造過程，實(shí)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(dá)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(biāo)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(jī)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(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(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(jī)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(jìn)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(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(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)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(jī)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(qiáng)，充分享用計算機(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(jìn)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(dá)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(rèn)的是，對計量測試技術(shù)的作用和地位認(rèn)識不充分、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(jìn)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(yán)重制約著我國測試計量技術(shù)及儀器設(shè)備的進(jìn)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(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(yán)重，也嚴(yán)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(jī)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(jī)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(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)制造的現(xiàn)場、非接觸及數(shù)字化測量，機(jī)械測試類儀器“有界無限”統(tǒng)一模型的建立及實(shí)現(xiàn)，超大尺寸精密測量，微/ 納米級超精密測量，基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)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(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(jìn)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(jìn)入制造現(xiàn)場，參與到制造過程，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場在線測量?，F(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(jìn)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(biāo)測量、機(jī)器人測量機(jī)、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(jī)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”?；谶@一模型理論，對測試功能虛擬控件進(jìn)行多次、深度集成制造便可由上述模型演變成為一個“有界無限”、包含大量測試儀器并可實(shí)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(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”。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(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(biāo)測量機(jī)（分子測量機(jī)）、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(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(biāo)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(biāo)測量系統(tǒng)；車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、容積測量；飛機(jī)制造中形狀尺寸測量；超大型電站裝備和重機(jī)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(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)

基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)先進(jìn)加工和測量技術(shù)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)?；鶞?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)到原子級尺度，并可由像原子力顯微鏡等這樣復(fù)雜的顯微鏡來進(jìn)行測量。但是相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行標(biāo)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(diǎn)。現(xiàn)代復(fù)雜機(jī)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(jìn)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。

在未來的測試計量及儀器技術(shù)的發(fā)展中，針對上述問題和發(fā)展趨勢，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，相信在不久的將來我國測試計量技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域定可獲得快速的發(fā)展，為我國科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮更大的作用。

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