淺談現代計量測試儀器及其發展趨勢

胡暢

摘要：計量測試儀器的應用領域較為廣泛，其發展水平直接影響著工業制造的發展，乃至國家質量發展整體水平。文章首先介紹了計量測試儀器的概念和現代計量測試儀器的范疇和特點，并通過與傳統計量測試儀器的對比，得出了現代計量測試儀器更加準確、高效、智能、靈活、快捷的特點。其次，通過對比得出傳統計量測試儀器已不適應時代發展，終將被現代計量測試儀器取代的結論，最后，通過對現代計量測試儀器發展趨勢的分析，闡明在未來，現代計量測試儀器將更加準確、智能、高效、快捷、靈活。更符合社會發展需求的觀點。

關鍵詞：計量測試儀器;智能化;發展趨勢

中圖分類號：TQ016.5文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）07-0105-04

計量測試是人們為了更好地了解事物本質，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律的一種科學方法，其主要目的在于掌握事物的客觀規律。計量測試需要相應的計量技術得以實現，而計量技術屬于應用科學，需要相應的計量測試儀器來達到計量測試的目的。近幾年來，隨著信息技術飛速發展，計量測試儀器也再不斷推陳出新以適應時代發展的需要。雖然現代科技的迅猛發展為計量測試儀器的研發提出了更高、更嚴的要求。也形成一些新的技術難關和瓶頸。但總體而言，現代科學技術為計量測試儀器的發展注入了新的動力。在某些領域，更是取得重大突破和質的飛躍。大量新理論、新技術、新工藝孕育而生，特別是信息技術和計量測試技術的融合和發展，使得計量測試更加準確、高效、智能、靈活、快捷。很多以往較為復雜，難以實現的計量測試過程現在已變得輕而易舉。相比與國外，國內的計量測試技術和儀器起步較晚，在基礎理論、技術創新、設備研發、新技術應用等方面仍有待提高。某些領域，仍無法緊跟科技技術發展的步伐。因此，未來的計量測試儀器必須緊貼時代發展，克服困難，將挑戰變成機遇。隨著全球化進程的推進，加之我國在裝備制造業優勢的凸顯。未來，我國現代計量測試儀器的研發和應用將迎來一個全新的時代。

1計量測試儀器

1.1計量測試儀器的概念

計量測試儀器單從字義上理解就是用于計量測試的儀器，計量測試與儀器之間既有聯系又有區別。其聯系在于，計量測試需要依賴計量測試儀器來得到相關數據，即儀器是計量測試的基礎;其區別在于計量測試儀器所測的結果。其準確與否必須依靠正確的測量原理和方法。即計量測試不僅要得到測量結果，而且要對測量結果進行分析，最終得到事物的內在規律。所以，計量測試儀器就是通過儀器的使用獲取相關信息數據，然后將這些信息數據進行加工處理分析，得出相關內在規律。

1.2現代計量測試儀器的范疇

近年來，計量測試技術和儀器的發展越來越智能化，隨著傳感器技術的廣泛應用。現代計量測試儀器越來越多的呈現出扁平化、智能化、自動化、多樣化、人性化的特色。從宏觀角度看，現代計量測試儀器的內涵和外延，已超越了儀器、測試傳統概念。現代計量測試儀器的結構相對復雜，通常由傳感器采集數據，單片機對數據進行加工和存儲，PC對數據進行處理并輸出檢測結果。這種集成化、一體化的計量檢測流程賦予了現代計量測試儀器一種新的生命力。

伴隨著現代計量測試儀器的智能化、自動化程度越高，傳統的人工測量、人工計算、人工分析方式逐漸被先進的測試方法所替代。隨著量子理論、人工智能、大數據、云計算、新一代無線通信（5G）技術的加速應用。計量測試領域將迎來一場翻天覆地的革命。現代計量測試儀器將實現跨界融合，首先，是實現加工和測量的一體化，摒棄了以往先加工、再測量、再加工、再測量的傳統模式，實現了邊加工邊測量，真正實現了將計量測試嵌入生產工藝之中，實現了現代計量測試儀與生產、制造裝備的完美融合，大幅提高了生產、加工的精度和效率。其次，是隨著量子計量領域研究取得重大突破。實現了從實物基準向自然基準的過渡。計量傳遞將越來越扁平化，也越來越容易獲得。進而實現了現代計量測試儀器在測量原理、測量準確度、測量范圍等方面的創新和突破。新一代計量測試儀器將擁有極高的準確度，同時可實現自我校準。從而為生產加工提供了高水平、高質量的測試保障。

1.3現代計量測試儀器的特點分析

第四次工業革命的爆發，使得現代信息技術廣泛運用到工業生產、制造各領域之中。因此，現代計量測試儀器最大的特點在于智能化，現代信息化手段與計量測試技術的相互融合，成就了更加智能也更加完備的計量測試儀器。同時也大幅提高了計量測試的質量和效率。例如，在電能表檢定方面，電能表自動化檢定流水線系統已完全取代了傳統人工檢測，該系統也稱之為“四線一庫”系統，即單相電能表智能自動化檢定流水線、三相智能電能表自動化檢定流水線、低壓電流自動化檢測流水線、用電采集終端自動化檢測流水線和智能化倉儲庫房。實現了電能表從采購到貨、樣品接收、樣品識別、計量檢測、加貼標示、不合格品自動剔除、自動復檢、倉儲配送、設備安裝、設備運行、設備拆除和資產報廢全生命周期的自動化、敏捷化、智能化管理。該系統融合了物聯網、智能傳感器、可視化監控、高精度圖像識別、信息識別、智能機器人、模塑互聯設備技術（簡稱MID）、射頻技術、自動化的輸送線等多項先進技術。不僅極大地節省了人力成本，提高了測試效率和速度。而且最大程度的減少了人為干預，大幅提高了計量檢測的準確性和可靠性。總的來說，現代計量測試儀器的一個顯著特點在于，可以自動獲取數據、自動對數據進行處理、統計、監測、自動輸出測試結果。其具體特點有以下3個方面。

1.3.1智能化程度高

現代計量測試儀器的智能化程度高主要體現在以下3個方面：

1）體現在自我診斷、自動糾偏功能的實現。計量測試儀器通常屬于高準確度、高精密設備，在使用過程中容易產生故障和失準。傳統計量測試儀器無法有效識別并及時修正。往往導致測量結果不準確。從而加大生產、制造風險。并且該風險具有較強的隱蔽性，通常不易察覺。同時也增加了問題排查的時間成本和人力成本。現代計量測試儀器通常采用模塊化設計、并帶有自校準功能。自校準可以通過核查標準實現，也可以通過儀器自身實現。后者通過系統定期對儀器各單元、模塊進行檢查，自動識別故障類型、自動分析故障原因、自動給出解決方案、自動給予修正補償。這樣極大的提高了儀器性能、降低了測試風險、節省了維修成本和時間。

2）體現在多功能、多參數、多量程儀器的不斷推陳出新。傳統計量測試儀器功能較為單一，可擴展性較差，價格也比較昂貴。而現代計量測試儀器大多采用虛擬儀器技術，該技術利用南性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。實現了“軟件既是儀器”的突破。虛擬儀器技術可以根據用戶需求構建出滿足特定需求的復雜的測試系統，這也造就了現代計量測試儀器將多個測量設備集成為一體，實現集約化測試的特點。并且隨著虛擬儀器和人工智能技術的發展，越來越多的儀器實現了對被測對象自動識別和自動選擇。即可根據測試信號的振動幅度自動調節量程，大大提高了測量精度。

3）體現在測試過程的自動化、無人化方面。隨著多種現代技術的應用，現代計量測試逐漸拜托了傳統人工操作的束縛。逐步走向自動化流水線生產。所有的測試過程都將被數字化、標準化，并通過人工智能技術轉化為標準流程和操作。實現了從樣品處理、樣品流轉、樣品識別、計量測試、數據處理、數據存儲、自動預警、結果輸出、樣品處理、分流裝箱的全部自動化。近期，全國首臺智能機器人砝碼檢測裝置已通過驗收并投入使用就是計量測試邁向自動化、無人化的一個典型案例。

1.3.2測試效率高

相比傳統儀器而言，現代計量測試儀器的測試效率大幅提升，由于采用先進的測試技術和智能化的測試系統，現代計量測試儀器測試手段更豐富、測量方案更合理、測試自動化程度更高，A/D轉換和PC機的頻率都有大幅度提升，前者頻率高于1GHz，后者頻率高于500MHz。并且現代計量測試儀器所需要用到的打印、繪圖、顯示等部件的性能也有所提高，最終現代計量測試儀器的檢測效率得以大幅提升。

1.3.3具有很好的靈活性

虛擬儀器技術和人工智能技術的應用可以讓現代計量測試儀器實現自定義測量，儀器操作者可以通過可視化界面實現人機交流，根據測試需求靈活設計測試方案。完成各種測試。這種通過軟件就可以現實對測量過程的及時調整的測量方式。是傳統儀器根本無法匹敵的。另外，隨著嵌入式量子芯片測量技術的逐步應用，復雜多參數測試將變得異常簡單。

1.3.4測量精度大幅提高

未來計量測試儀器的發展趨勢是量子計量測試儀器，這種儀器擺脫了以往依靠高等級計量基準、標準傳遞來保障儀器準確度的束縛，其自身就具有最高的準確度。可以直接為被測對象提供最高等級的測試服務。另外由于其自身具有超強的穩定性。因此無需檢定或校準，只要通過自校準就可以保持其長期的高準確度。

2 現代計量測試儀器的發展趨勢

隨著現代制造業的迅猛發展，計量測試儀器在制造業中的地位越來越高，在制造過程中，計量測試儀器扮演著必不可少的角色，直接關乎著制造業的發展進程。但隨著現代科學技術發展的日新月異，當前的計量測試儀器已經不能緊跟科技發展步伐。問題主要集中在測量理論和基準標準、傳感原理、超精密測量、數字化測量等領域。這些問題將是下一步計量測試儀器亟待解決的問題。具體可以在以下幾個方面尋求突破。

2.1實現計量測試與智能制造的融合

傳統制造業中，由于計量手段不夠完善，往往生產制造和計量測試是分開進行的。計量測試無法完全融入到生產工藝中去。而計量測試是控制產品質量最基本、最主要的技術手段。我國在80年代就提出了測量能力指數（MCP值）這一概念。希望借此將計量溶于生產工藝之中。隨著傳統制造業邁向智能制造，而智能制造的第一步就是設備數字化，因此，計量測試儀器將直接參與制造，即通過計量測試儀器實時監測生產制造過程，并將監控數據及時反饋給人機一體化智能系統，系統根據監測數據實時進行調整。例如，在發動機葉片加工過程中，已逐步實現了智能磨削加工檢測一體化。這種一體化體系的出現將計量測試與生產制造緊密的聯系在一起，最終形成一個整體。

2.2在同領域測試中建立統一計量儀器模型

現代計量測試儀器在同一個測量領域內會有不同的模型，這樣不利于計量測試儀器的發展。建立統一計量儀器模型將實現同一領域內計量檢測的快捷化、標準化、自動化。以幾何量測試領域為例，通過建立統一的幾何量計量儀器庫，可以實現對該領域大部分測試對象實施測試。若出現模型中未包含的新測試對象，可迅速搭建新的測試系統，并將其加入儀器模型中。未來統一儀器模型將有可能替代計量測試儀器。因為，計量測試儀器只是單機操作，單機功能相對有限。而計量儀器模型將是一個完備的系統。其功能更加龐大，適用范圍也更加廣泛。

2.3微納米測量技術的發展

隨著當前國內外對微納米技術的深入研究，其發展迅速，研究較為廣泛，被國內外學者認為是當前科技發展的重要前沿。如何將微納米技術應用到計量測試領域，以解決極小尺寸測試問題。一直是計量領域關注的熱點和重點。該領域目前主要有2個研究方向，①在傳統測試方法基礎上，利用高等級計量測試儀器解決納米測量問題。②創建新的理論體系和技術。利用微觀物理、量子物理中研究成果，將其應用到測試領域。這將成為未來發展的趨勢。目前在微納米計量測試方面的主要問題有納米測量環境問題、測量擾動大問題、材料結構不明等問題。這些都是納米測量技術亟待解決的問題和瓶頸。

2.4超大尺寸測量的發展

現代計量測試研究重點在極大、極小尺寸測量兩個方向上發展。目前在大尺寸測量較為成熟的方法主要有接觸式和非接觸測量兩類。在工程技術領域，基于空間坐標體系的大尺寸測量應用越來越廣。目前超大尺寸測量方面主要存在方法效率及成本較高、數據處理相對復雜、人為因素較大、容易受到環境條件影響等問題。但隨著激光跟蹤技術、計算機視覺技術、全景圖像拼接技術的應用，有效解決了外形不規則的大尺寸物體測量等一系列難題。未來，隨著量子計量和人工智能領域的發展。在超大尺寸測量方面將會有新的突破。

2.5計量基準、標準的不斷發展

計量基準、標準代表著計量測試的最高水平，雖然目前計量基準、標準建立的速度和水平在某些領域不能完全滿足現代測量的需要。例如，在超精加工領域，由于智能制造和3D打印技術的引入，制造出形狀異常復雜、異常微小的工件已非難事。但對這些工件的有效測試卻成為制約生產加工水平進一步提高的瓶頸。經常出現能夠制造，但不能測試的問題。這就要求計量測試必須緊跟科技發展動態，及時了解測試需求，及時做出調整。建立滿足客戶需求的計量基準、標準。

2.6測量不確定度的應用

測量不確定度是與測量結果關聯的一個參數，用于表征合理賦予被測量的值的分散性。任何一次測試都存在測量不確定度。但日常計量測試過程中，人們往往忽視了測量不確定度的存在，只給出測量結果而不給出測量不確定度。由于測量不確定度計算過程相對復雜，單靠人工計算很難完成。未來隨著人工智能技術的發展。計量測試儀器將自帶測量不確定度評定系統，自動對測試結果的不確定度進行計算，以實現在給出測試結果的同時給出測試結果的不確定度信息的效果。

綜上所述，現代計量測試儀器為了適應社會的快速發展，應對新的計量測試需求，不斷完善不斷改進的一個綜合性系統，它結合最新的科技發展成果。發展出功能強大的計量測試網絡。未來，計量測試儀器將在社會生活的各個領域發揮巨大的作用。

3 結論

在很多領域中都會運用到計量測試儀器，可以說計量測試儀器是運用較為廣泛的儀器之一。與傳統的計量測試儀器相比，現代計量測試儀器更加智能化、自動化、測試效果更高、信息處理更靈活，由于其與現代信息技術完美融合，可以完成更加準確、復雜、困難的測試過程。并且隨著科技的不斷進步，未來的計量測試儀器將向著統一化、系統化、集成化、量子化、智能化、無人化方向發展。只有計量測試儀器的率先發展才能帶動整個現代工業的技術進步。為此，我國應加大對現代計量測試技術及儀器的重視和投入。研制出更為先進的計量測試儀器。提高我國整體質量水平。