浅谈现代计量测试仪器及其发展趋势
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摘要：计量测试仪器的应用领域较为广泛，其发展水平直接影响着工业制造的发展，乃至国家质量发展整体水平。文章首先介绍了计量测试仪器的概念和现代计量测试仪器的范畴和特点，并通过与传统计量测试仪器的对比，得出了现代计量测试仪器更加准确、高效、智能、灵活、快捷的特点。其次，通过对比得出传统计量测试仪器已不适应时代发展，终将被现代计量测试仪器取代的结论，最后，通过对现代计量测试仪器发展趋势的分析，阐明在未来，现代计量测试仪器将更加准确、智能、高效、快捷、灵活。更符合社会发展需求的观点。
关键词：计量测试仪器;智能化;发展趋势
中图分类号：TQ016.5文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0105-04
计量测试是人们为了更好地了解事物本质，从客观事物中提取所需信息，借以认识客观事物并掌握其客观规律的一种科学方法，其主要目的在于掌握事物的客观规律。计量测试需要相应的计量技术得以实现，而计量技术属于应用科学，需要相应的计量测试仪器来达到计量测试的目的。近几年来，随着信息技术飞速发展，计量测试仪器也再不断推陈出新以适应时代发展的需要。虽然现代科技的迅猛发展为计量测试仪器的研发提出了更高、更严的要求。也形成一些新的技术难关和瓶颈。但总体而言，现代科学技术为计量测试仪器的发展注入了新的动力。在某些领域，更是取得重大突破和质的飞跃。大量新理论、新技术、新工艺孕育而生，特别是信息技术和计量测试技术的融合和发展，使得计量测试更加准确、高效、智能、灵活、快捷。很多以往较为复杂，难以实现的计量测试过程现在已变得轻而易举。相比与国外，国内的计量测试技术和仪器起步较晚，在基础理论、技术创新、设备研发、新技术应用等方面仍有待提高。某些领域，仍无法紧跟科技技术发展的步伐。因此，未来的计量测试仪器必须紧贴时代发展，克服困难，将挑战变成机遇。随着全球化进程的推进，加之我国在装备制造业优势的凸显。未來，我国现代计量测试仪器的研发和应用将迎来一个全新的时代。
1计量测试仪器
1.1计量测试仪器的概念
计量测试仪器单从字义上理解就是用于计量测试的仪器，计量测试与仪器之间既有联系又有区别。其联系在于，计量测试需要依赖计量测试仪器来得到相关数据，即仪器是计量测试的基础;其区别在于计量测试仪器所测的结果。其准确与否必须依靠正确的测量原理和方法。即计量测试不仅要得到测量结果，而且要对测量结果进行分析，最终得到事物的内在规律。所以，计量测试仪器就是通过仪器的使用获取相关信息数据，然后将这些信息数据进行加工处理分析，得出相关内在规律。
1.2现代计量测试仪器的范畴
近年来，计量测试技术和仪器的发展越来越智能化，随着传感器技术的广泛应用。现代计量测试仪器越来越多的呈现出扁平化、智能化、自动化、多样化、人性化的特色。从宏观角度看，现代计量测试仪器的内涵和外延，已超越了仪器、测试传统概念。现代计量测试仪器的结构相对复杂，通常由传感器采集数据，单片机对数据进行加工和存储，PC对数据进行处理并输出检测结果。这种集成化、一体化的计量检测流程赋予了现代计量测试仪器一种新的生命力。
伴随着现代计量测试仪器的智能化、自动化程度越高，传统的人工测量、人工计算、人工分析方式逐渐被先进的测试方法所替代。随着量子理论、人工智能、大数据、云计算、新一代无线通信（5G）技术的加速应用。计量测试领域将迎来一场翻天覆地的革命。现代计量测试仪器将实现跨界融合，首先，是实现加工和测量的一体化，摒弃了以往先加工、再测量、再加工、再测量的传统模式，实现了边加工边测量，真正实现了将计量测试嵌入生产工艺之中，实现了现代计量测试仪与生产、制造装备的完美融合，大幅提高了生产、加工的精度和效率。其次，是随着量子计量领域研究取得重大突破。实现了从实物基准向自然基准的过渡。计量传递将越来越扁平化，也越来越容易获得。进而实现了现代计量测试仪器在测量原理、测量准确度、测量范围等方面的创新和突破。新一代计量测试仪器将拥有极高的准确度，同时可实现自我校准。从而为生产加工提供了高水平、高质量的测试保障。
1.3现代计量测试仪器的特点分析
第四次工业革命的爆发，使得現代信息技术广泛运用到工业生产、制造各领域之中。因此，现代计量测试仪器最大的特点在于智能化，现代信息化手段与计量测试技术的相互融合，成就了更加智能也更加完备的计量测试仪器。同时也大幅提高了计量测试的质量和效率。例如，在电能表检定方面，电能表自动化检定流水线系统已完全取代了传统人工检测，该系统也称之为“四线一库”系统，即单相电能表智能自动化检定流水线、三相智能电能表自动化检定流水线、低压电流自动化检测流水线、用电采集终端自动化检测流水线和智能化仓储库房。实现了电能表从采购到货、样品接收、样品识别、计量检测、加贴标示、不合格品自动剔除、自动复检、仓储配送、设备安装、设备运行、设备拆除和资产报废全生命周期的自动化、敏捷化、智能化管理。该系统融合了物联网、智能传感器、可视化监控、高精度图像识别、信息识别、智能机器人、模塑互联设备技术（简称MID）、射频技术、自动化的输送线等多项先进技术。不仅极大地节省了人力成本，提高了测试效率和速度。而且最大程度的减少了人为干预，大幅提高了计量检测的准确性和可靠性。总的來说，现代计量测试仪器的一个显著特点在于，可以自动获取数据、自动对数据进行处理、统计、监测、自动输出测试结果。其具体特点有以下3个方面。
1.3.1智能化程度高
现代计量测试仪器的智能化程度高主要体现在以下3个方面：
1）体现在自我诊断、自动纠偏功能的实现。计量测试仪器通常属于高准确度、高精密设备，在使用过程中容易产生故障和失准。传统计量测试仪器无法有效识别并及时修正。往往导致测量结果不准确。从而加大生产、制造风险。并且该风险具有较强的隐蔽性，通常不易察觉。同时也增加了问题排查的时间成本和人力成本。现代计量测试仪器通常采用模块化设计、并带有自校准功能。自校准可以通过核查标准实现，也可以通过仪器自身实现。后者通过系统定期对仪器各单元、模块进行检查，自动识别故障类型、自动分析故障原因、自动给出解决方案、自动给予修正补偿。这样极大的提高了仪器性能、降低了测试风险、节省了维修成本和时间。 2）体现在多功能、多参数、多量程仪器的不断推陈出新。传统计量测试仪器功能较为单一，可扩展性较差，价格也比较昂贵。而现代计量测试仪器大多采用虚拟仪器技术，该技术利用南性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各種测试、测量和自动化的应用。实现了“软件既是仪器”的突破。虚拟仪器技术可以根据用户需求构建出满足特定需求的复杂的测试系统，这也造就了现代计量测试仪器将多个测量设备集成为一体，实现集约化测试的特点。并且随着虚拟仪器和人工智能技术的发展，越来越多的仪器实现了对被测对象自动识别和自动选择。即可根据测试信号的振动幅度自动调节量程，大大提高了测量精度。
3）体现在测试过程的自动化、无人化方面。随着多种现代技术的应用，现代计量测试逐渐拜托了传统人工操作的束缚。逐步走向自动化流水线生产。所有的测试过程都将被数字化、标准化，并通过人工智能技术转化为标准流程和操作。实现了从样品处理、样品流转、样品识别、计量测试、数据处理、数据存储、自动预警、结果输出、样品处理、分流装箱的全部自动化。近期，全国首台智能机器人砝码检测装置已通过验收并投入使用就是计量测试迈向自动化、无人化的一个典型案例。
1.3.2测试效率高
相比传统仪器而言，现代计量测试仪器的测试效率大幅提升，由于采用先进的测试技术和智能化的测试系统，现代计量测试仪器测试手段更丰富、测量方案更合理、测试自动化程度更高，A/D转换和PC机的频率都有大幅度提升，前者频率高于1GHz，后者频率高于500MHz。并且现代计量测试仪器所需要用到的打印、绘图、显示等部件的性能也有所提高，最终现代计量测试仪器的检测效率得以大幅提升。
1.3.3具有很好的灵活性
虚拟仪器技术和人工智能技术的应用可以让现代计量测试仪器实现自定义测量，仪器操作者可以通过可视化界面实现人机交流，根据测试需求灵活设计测试方案。完成各种测试。这种通过软件就可以现实对测量过程的及时调整的测量方式。是传统仪器根本无法匹敌的。另外，随着嵌入式量子芯片测量技术的逐步应用，复杂多参数测试将变得异常简单。
1.3.4测量精度大幅提高
未来计量测试仪器的发展趋势是量子计量测试仪器，这种仪器摆脱了以往依靠高等级计量基准、标准传递來保障仪器准确度的束缚，其自身就具有最高的准确度。可以直接为被测对象提供最高等级的测试服务。另外由于其自身具有超强的稳定性。因此无需检定或校准，只要通过自校准就可以保持其长期的高准确度。
2 现代计量测试仪器的发展趋势
随着现代制造业的迅猛发展，计量测试仪器在制造业中的地位越来越高，在制造过程中，计量测试仪器扮演着必不可少的角色，直接关乎着制造业的发展进程。但随着现代科学技术发展的日新月异，当前的计量测试仪器已经不能紧跟科技发展步伐。问题主要集中在测量理论和基准标准、传感原理、超精密测量、数字化测量等领域。这些问题将是下一步计量测试仪器亟待解决的问题。具体可以在以下几个方面寻求突破。
2.1实现计量测试与智能制造的融合
传统制造业中，由于计量手段不够完善，往往生产制造和计量测试是分开进行的。计量测试无法完全融入到生产工艺中去。而计量测试是控制产品质量最基本、最主要的技术手段。我国在80年代就提出了测量能力指数（MCP值）这一概念。希望借此将计量溶于生产工艺之中。随着传统制造业迈向智能制造，而智能制造的第一步就是设备数字化，因此，计量测试仪器将直接参与制造，即通过计量测试仪器实时监测生产制造过程，并将监控数据及时反馈给人机一体化智能系统，系统根据监测数据实时进行调整。例如，在发动机叶片加工过程中，已逐步实现了智能磨削加工检测一体化。这种一体化体系的出现将计量测试与生产制造紧密的联系在一起，最终形成一个整体。
2.2在同领域测试中建立统一计量仪器模型
现代计量测试仪器在同一个测量领域内会有不同的模型，这样不利于计量测试仪器的发展。建立统一计量仪器模型将实现同一领域内计量检测的快捷化、标准化、自动化。以几何量测试领域为例，通过建立统一的几何量计量仪器库，可以实现对该领域大部分测试对象实施测试。若出现模型中未包含的新测试对象，可迅速搭建新的测试系统，并将其加入仪器模型中。未来统一仪器模型将有可能替代计量测试仪器。因为，计量测试仪器只是单机操作，单机功能相对有限。而计量仪器模型将是一个完备的系统。其功能更加庞大，适用范围也更加广泛。
2.3微纳米测量技术的发展
随着当前国内外对微纳米技术的深入研究，其发展迅速，研究较为广泛，被国内外学者认为是当前科技发展的重要前沿。如何将微纳米技术应用到计量测试领域，以解决极小尺寸测试问题。一直是计量领域关注的热点和重点。该领域目前主要有2个研究方向，①在传统测试方法基础上，利用高等级计量测试仪器解决纳米测量问题。②创建新的理论体系和技术。利用微观物理、量子物理中研究成果，将其应用到测试领域。这将成为未来发展的趋势。目前在微纳米计量测试方面的主要问题有纳米测量环境问题、测量扰动大问题、材料结构不明等问题。这些都是纳米测量技术亟待解决的问题和瓶颈。
2.4超大尺寸测量的发展
现代计量测试研究重点在极大、极小尺寸测量两个方向上发展。目前在大尺寸测量较为成熟的方法主要有接触式和非接触测量两类。在工程技术领域，基于空间坐标体系的大尺寸测量应用越来越广。目前超大尺寸测量方面主要存在方法效率及成本较高、数据处理相对复杂、人为因素较大、容易受到环境条件影响等问题。但随着激光跟踪技术、计算机视觉技术、全景图像拼接技术的应用，有效解决了外形不规则的大尺寸物体测量等一系列难题。未来，随着量子计量和人工智能领域的发展。在超大尺寸测量方面将会有新的突破。
2.5计量基准、标准的不断发展
计量基准、标准代表着计量测试的最高水平，虽然目前计量基准、标准建立的速度和水平在某些领域不能完全满足现代测量的需要。例如，在超精加工领域，由于智能制造和3D打印技术的引入，制造出形状异常复杂、异常微小的工件已非难事。但对这些工件的有效测试却成为制约生产加工水平进一步提高的瓶颈。经常出现能够制造，但不能测试的问题。这就要求计量测试必须紧跟科技发展动态，及时了解测试需求，及时做出调整。建立满足客户需求的计量基准、标准。
2.6测量不确定度的应用
测量不确定度是与测量结果关联的一个参数，用于表征合理赋予被测量的值的分散性。任何一次测试都存在测量不确定度。但日常计量测试过程中，人们往往忽视了测量不确定度的存在，只给出测量结果而不给出测量不确定度。由于测量不确定度计算过程相对复杂，单靠人工计算很难完成。未来随着人工智能技术的发展。计量测试仪器将自带测量不确定度评定系统，自动对测试结果的不确定度进行计算，以实现在给出测试结果的同时给出测试结果的不确定度信息的效果。
综上所述，现代计量测试仪器为了适应社会的快速发展，应对新的计量测试需求，不断完善不断改进的一个综合性系统，它结合最新的科技发展成果。发展出功能强大的计量测试网络。未来，计量测试仪器将在社会生活的各个领域发挥巨大的作用。
3 结论
在很多领域中都会运用到计量测试仪器，可以说计量测试仪器是运用较为广泛的仪器之一。与传统的计量测试仪器相比，现代计量测试仪器更加智能化、自动化、测试效果更高、信息处理更灵活，由于其与现代信息技术完美融合，可以完成更加准确、复杂、困难的测试过程。并且随着科技的不断进步，未来的计量测试仪器将向着统一化、系统化、集成化、量子化、智能化、无人化方向发展。只有计量测试仪器的率先发展才能带动整个现代工业的技术进步。为此，我国应加大对现代计量测试技术及仪器的重视和投入。研制出更为先进的计量测试仪器。提高我国整体质量水平。
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