胡暢

摘要：計(jì)量測試儀器的應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，其發(fā)展水平直接影響著工業(yè)制造的發(fā)展，乃至國家質(zhì)量發(fā)展整體水平。文章首先介紹了計(jì)量測試儀器的概念和現(xiàn)代計(jì)量測試儀器的范疇和特點(diǎn)，并通過與傳統(tǒng)計(jì)量測試儀器的對比，得出了現(xiàn)代計(jì)量測試儀器更加準(zhǔn)確、高效、智能、靈活、快捷的特點(diǎn)。其次，通過對比得出傳統(tǒng)計(jì)量測試儀器已不適應(yīng)時代發(fā)展，終將被現(xiàn)代計(jì)量測試儀器取代的結(jié)論，最后，通過對現(xiàn)代計(jì)量測試儀器發(fā)展趨勢的分析，闡明在未來，現(xiàn)代計(jì)量測試儀器將更加準(zhǔn)確、智能、高效、快捷、靈活。更符合社會發(fā)展需求的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：計(jì)量測試儀器;智能化;發(fā)展趨勢

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

計(jì)量測試是人們?yōu)榱烁玫亓私馐挛锉举|(zhì)，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，其主要目的在于掌握事物的客觀規(guī)律。計(jì)量測試需要相應(yīng)的計(jì)量技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，而計(jì)量技術(shù)屬于應(yīng)用科學(xué)，需要相應(yīng)的計(jì)量測試儀器來達(dá)到計(jì)量測試的目的。近幾年來，隨著信息技術(shù)飛速發(fā)展，計(jì)量測試儀器也再不斷推陳出新以適應(yīng)時代發(fā)展的需要。雖然現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展為計(jì)量測試儀器的研發(fā)提出了更高、更嚴(yán)的要求。也形成一些新的技術(shù)難關(guān)和瓶頸。但總體而言，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為計(jì)量測試儀器的發(fā)展注入了新的動力。在某些領(lǐng)域，更是取得重大突破和質(zhì)的飛躍。大量新理論、新技術(shù)、新工藝孕育而生，特別是信息技術(shù)和計(jì)量測試技術(shù)的融合和發(fā)展，使得計(jì)量測試更加準(zhǔn)確、高效、智能、靈活、快捷。很多以往較為復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)的計(jì)量測試過程現(xiàn)在已變得輕而易舉。相比與國外，國內(nèi)的計(jì)量測試技術(shù)和儀器起步較晚，在基礎(chǔ)理論、技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備研發(fā)、新技術(shù)應(yīng)用等方面仍有待提高。某些領(lǐng)域，仍無法緊跟科技技術(shù)發(fā)展的步伐。因此，未來的計(jì)量測試儀器必須緊貼時代發(fā)展，克服困難，將挑戰(zhàn)變成機(jī)遇。隨著全球化進(jìn)程的推進(jìn)，加之我國在裝備制造業(yè)優(yōu)勢的凸顯。未來，我國現(xiàn)代計(jì)量測試儀器的研發(fā)和應(yīng)用將迎來一個全新的時代。

1計(jì)量測試儀器

1.1計(jì)量測試儀器的概念

計(jì)量測試儀器單從字義上理解就是用于計(jì)量測試的儀器，計(jì)量測試與儀器之間既有聯(lián)系又有區(qū)別。其聯(lián)系在于，計(jì)量測試需要依賴計(jì)量測試儀器來得到相關(guān)數(shù)據(jù)，即儀器是計(jì)量測試的基礎(chǔ);其區(qū)別在于計(jì)量測試儀器所測的結(jié)果。其準(zhǔn)確與否必須依靠正確的測量原理和方法。即計(jì)量測試不僅要得到測量結(jié)果，而且要對測量結(jié)果進(jìn)行分析，最終得到事物的內(nèi)在規(guī)律。所以，計(jì)量測試儀器就是通過儀器的使用獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)，然后將這些信息數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理分析，得出相關(guān)內(nèi)在規(guī)律。

1.2現(xiàn)代計(jì)量測試儀器的范疇

近年來，計(jì)量測試技術(shù)和儀器的發(fā)展越來越智能化，隨著傳感器技術(shù)的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代計(jì)量測試儀器越來越多的呈現(xiàn)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(xiàn)代計(jì)量測試儀器的內(nèi)涵和外延，已超越了儀器、測試傳統(tǒng)概念?，F(xiàn)代計(jì)量測試儀器的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，通常由傳感器采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和存儲，PC對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并輸出檢測結(jié)果。這種集成化、一體化的計(jì)量檢測流程賦予了現(xiàn)代計(jì)量測試儀器一種新的生命力。

伴隨著現(xiàn)代計(jì)量測試儀器的智能化、自動化程度越高，傳統(tǒng)的人工測量、人工計(jì)算、人工分析方式逐漸被先進(jìn)的測試方法所替代。隨著量子理論、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、新一代無線通信（5G）技術(shù)的加速應(yīng)用。計(jì)量測試領(lǐng)域?qū)⒂瓉硪粓龇旄驳氐母锩，F(xiàn)代計(jì)量測試儀器將實(shí)現(xiàn)跨界融合，首先，是實(shí)現(xiàn)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(tǒng)模式，實(shí)現(xiàn)了邊加工邊測量，真正實(shí)現(xiàn)了將計(jì)量測試嵌入生產(chǎn)工藝之中，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代計(jì)量測試儀與生產(chǎn)、制造裝備的完美融合，大幅提高了生產(chǎn)、加工的精度和效率。其次，是隨著量子計(jì)量領(lǐng)域研究取得重大突破。實(shí)現(xiàn)了從實(shí)物基準(zhǔn)向自然基準(zhǔn)的過渡。計(jì)量傳遞將越來越扁平化，也越來越容易獲得。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代計(jì)量測試儀器在測量原理、測量準(zhǔn)確度、測量范圍等方面的創(chuàng)新和突破。新一代計(jì)量測試儀器將擁有極高的準(zhǔn)確度，同時可實(shí)現(xiàn)自我校準(zhǔn)。從而為生產(chǎn)加工提供了高水平、高質(zhì)量的測試保障。

1.3現(xiàn)代計(jì)量測試儀器的特點(diǎn)分析

第四次工業(yè)革命的爆發(fā)，使得現(xiàn)代信息技術(shù)廣泛運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)、制造各領(lǐng)域之中。因此，現(xiàn)代計(jì)量測試儀器最大的特點(diǎn)在于智能化，現(xiàn)代信息化手段與計(jì)量測試技術(shù)的相互融合，成就了更加智能也更加完備的計(jì)量測試儀器。同時也大幅提高了計(jì)量測試的質(zhì)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(tǒng)已完全取代了傳統(tǒng)人工檢測，該系統(tǒng)也稱之為“四線一庫”系統(tǒng)，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(shí)現(xiàn)了電能表從采購到貨、樣品接收、樣品識別、計(jì)量檢測、加貼標(biāo)示、不合格品自動剔除、自動復(fù)檢、倉儲配送、設(shè)備安裝、設(shè)備運(yùn)行、設(shè)備拆除和資產(chǎn)報廢全生命周期的自動化、敏捷化、智能化管理。該系統(tǒng)融合了物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、可視化監(jiān)控、高精度圖像識別、信息識別、智能機(jī)器人、模塑互聯(lián)設(shè)備技術(shù)（簡稱MID）、射頻技術(shù)、自動化的輸送線等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。不僅極大地節(jié)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(yù)，大幅提高了計(jì)量檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。總的來說，現(xiàn)代計(jì)量測試儀器的一個顯著特點(diǎn)在于，可以自動獲取數(shù)據(jù)、自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測、自動輸出測試結(jié)果。其具體特點(diǎn)有以下3個方面。

1.3.1智能化程度高

現(xiàn)代計(jì)量測試儀器的智能化程度高主要體現(xiàn)在以下3個方面：

1）體現(xiàn)在自我診斷、自動糾偏功能的實(shí)現(xiàn)。計(jì)量測試儀器通常屬于高準(zhǔn)確度、高精密設(shè)備，在使用過程中容易產(chǎn)生故障和失準(zhǔn)。傳統(tǒng)計(jì)量測試儀器無法有效識別并及時修正。往往導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。從而加大生產(chǎn)、制造風(fēng)險。并且該風(fēng)險具有較強(qiáng)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(xiàn)代計(jì)量測試儀器通常采用模塊化設(shè)計(jì)、并帶有自校準(zhǔn)功能。自校準(zhǔn)可以通過核查標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，也可以通過儀器自身實(shí)現(xiàn)。后者通過系統(tǒng)定期對儀器各單元、模塊進(jìn)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(bǔ)償。這樣極大的提高了儀器性能、降低了測試風(fēng)險、節(jié)省了維修成本和時間。

2）體現(xiàn)在多功能、多參數(shù)、多量程儀器的不斷推陳出新。傳統(tǒng)計(jì)量測試儀器功能較為單一，可擴(kuò)展性較差，價格也比較昂貴。而現(xiàn)代計(jì)量測試儀器大多采用虛擬儀器技術(shù)，該技術(shù)利用南性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了“軟件既是儀器”的突破。虛擬儀器技術(shù)可以根據(jù)用戶需求構(gòu)建出滿足特定需求的復(fù)雜的測試系統(tǒng)，這也造就了現(xiàn)代計(jì)量測試儀器將多個測量設(shè)備集成為一體，實(shí)現(xiàn)集約化測試的特點(diǎn)。并且隨著虛擬儀器和人工智能技術(shù)的發(fā)展，越來越多的儀器實(shí)現(xiàn)了對被測對象自動識別和自動選擇。即可根據(jù)測試信號的振動幅度自動調(diào)節(jié)量程，大大提高了測量精度。

3）體現(xiàn)在測試過程的自動化、無人化方面。隨著多種現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代計(jì)量測試逐漸拜托了傳統(tǒng)人工操作的束縛。逐步走向自動化流水線生產(chǎn)。所有的測試過程都將被數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化，并通過人工智能技術(shù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)流程和操作。實(shí)現(xiàn)了從樣品處理、樣品流轉(zhuǎn)、樣品識別、計(jì)量測試、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、自動預(yù)警、結(jié)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(jī)器人砝碼檢測裝置已通過驗(yàn)收并投入使用就是計(jì)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(tǒng)儀器而言，現(xiàn)代計(jì)量測試儀器的測試效率大幅提升，由于采用先進(jìn)的測試技術(shù)和智能化的測試系統(tǒng)，現(xiàn)代計(jì)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(zhuǎn)換和PC機(jī)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(xiàn)代計(jì)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(xiàn)代計(jì)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(shù)和人工智能技術(shù)的應(yīng)用可以讓現(xiàn)代計(jì)量測試儀器實(shí)現(xiàn)自定義測量，儀器操作者可以通過可視化界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流，根據(jù)測試需求靈活設(shè)計(jì)測試方案。完成各種測試。這種通過軟件就可以現(xiàn)實(shí)對測量過程的及時調(diào)整的測量方式。是傳統(tǒng)儀器根本無法匹敵的。另外，隨著嵌入式量子芯片測量技術(shù)的逐步應(yīng)用，復(fù)雜多參數(shù)測試將變得異常簡單。

1.3.4測量精度大幅提高

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

2 現(xiàn)代計(jì)量測試儀器的發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅猛發(fā)展，計(jì)量測試儀器在制造業(yè)中的地位越來越高，在制造過程中，計(jì)量測試儀器扮演著必不可少的角色，直接關(guān)乎著制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。但隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，當(dāng)前的計(jì)量測試儀器已經(jīng)不能緊跟科技發(fā)展步伐。問題主要集中在測量理論和基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)、傳感原理、超精密測量、數(shù)字化測量等領(lǐng)域。這些問題將是下一步計(jì)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(shí)現(xiàn)計(jì)量測試與智能制造的融合

傳統(tǒng)制造業(yè)中，由于計(jì)量手段不夠完善，往往生產(chǎn)制造和計(jì)量測試是分開進(jìn)行的。計(jì)量測試無法完全融入到生產(chǎn)工藝中去。而計(jì)量測試是控制產(chǎn)品質(zhì)量最基本、最主要的技術(shù)手段。我國在80年代就提出了測量能力指數(shù)（MCP值）這一概念。希望借此將計(jì)量溶于生產(chǎn)工藝之中。隨著傳統(tǒng)制造業(yè)邁向智能制造，而智能制造的第一步就是設(shè)備數(shù)字化，因此，計(jì)量測試儀器將直接參與制造，即通過計(jì)量測試儀器實(shí)時監(jiān)測生產(chǎn)制造過程，并將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及時反饋給人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時進(jìn)行調(diào)整。例如，在發(fā)動機(jī)葉片加工過程中，已逐步實(shí)現(xiàn)了智能磨削加工檢測一體化。這種一體化體系的出現(xiàn)將計(jì)量測試與生產(chǎn)制造緊密的聯(lián)系在一起，最終形成一個整體。

2.2在同領(lǐng)域測試中建立統(tǒng)一計(jì)量儀器模型

現(xiàn)代計(jì)量測試儀器在同一個測量領(lǐng)域內(nèi)會有不同的模型，這樣不利于計(jì)量測試儀器的發(fā)展。建立統(tǒng)一計(jì)量儀器模型將實(shí)現(xiàn)同一領(lǐng)域內(nèi)計(jì)量檢測的快捷化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動化。以幾何量測試領(lǐng)域?yàn)槔ㄟ^建立統(tǒng)一的幾何量計(jì)量儀器庫，可以實(shí)現(xiàn)對該領(lǐng)域大部分測試對象實(shí)施測試。若出現(xiàn)模型中未包含的新測試對象，可迅速搭建新的測試系統(tǒng)，并將其加入儀器模型中。未來統(tǒng)一儀器模型將有可能替代計(jì)量測試儀器。因?yàn)?，?jì)量測試儀器只是單機(jī)操作，單機(jī)功能相對有限。而計(jì)量儀器模型將是一個完備的系統(tǒng)。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(shù)的發(fā)展

隨著當(dāng)前國內(nèi)外對微納米技術(shù)的深入研究，其發(fā)展迅速，研究較為廣泛，被國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為是當(dāng)前科技發(fā)展的重要前沿。如何將微納米技術(shù)應(yīng)用到計(jì)量測試領(lǐng)域，以解決極小尺寸測試問題。一直是計(jì)量領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。該領(lǐng)域目前主要有2個研究方向，①在傳統(tǒng)測試方法基礎(chǔ)上，利用高等級計(jì)量測試儀器解決納米測量問題。②創(chuàng)建新的理論體系和技術(shù)。利用微觀物理、量子物理中研究成果，將其應(yīng)用到測試領(lǐng)域。這將成為未來發(fā)展的趨勢。目前在微納米計(jì)量測試方面的主要問題有納米測量環(huán)境問題、測量擾動大問題、材料結(jié)構(gòu)不明等問題。這些都是納米測量技術(shù)亟待解決的問題和瓶頸。

2.4超大尺寸測量的發(fā)展

現(xiàn)代計(jì)量測試研究重點(diǎn)在極大、極小尺寸測量兩個方向上發(fā)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(shù)領(lǐng)域，基于空間坐標(biāo)體系的大尺寸測量應(yīng)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(shù)據(jù)處理相對復(fù)雜、人為因素較大、容易受到環(huán)境條件影響等問題。但隨著激光跟蹤技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、全景圖像拼接技術(shù)的應(yīng)用，有效解決了外形不規(guī)則的大尺寸物體測量等一系列難題。未來，隨著量子計(jì)量和人工智能領(lǐng)域的發(fā)展。在超大尺寸測量方面將會有新的突破。

2.5計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展

計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)代表著計(jì)量測試的最高水平，雖然目前計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)建立的速度和水平在某些領(lǐng)域不能完全滿足現(xiàn)代測量的需要。例如，在超精加工領(lǐng)域，由于智能制造和3D打印技術(shù)的引入，制造出形狀異常復(fù)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(chǎn)加工水平進(jìn)一步提高的瓶頸。經(jīng)常出現(xiàn)能夠制造，但不能測試的問題。這就要求計(jì)量測試必須緊跟科技發(fā)展動態(tài)，及時了解測試需求，及時做出調(diào)整。建立滿足客戶需求的計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)。

2.6測量不確定度的應(yīng)用

測量不確定度是與測量結(jié)果關(guān)聯(lián)的一個參數(shù)，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(jì)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(jié)果而不給出測量不確定度。由于測量不確定度計(jì)算過程相對復(fù)雜，單靠人工計(jì)算很難完成。未來隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展。計(jì)量測試儀器將自帶測量不確定度評定系統(tǒng)，自動對測試結(jié)果的不確定度進(jìn)行計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)在給出測試結(jié)果的同時給出測試結(jié)果的不確定度信息的效果。

綜上所述，現(xiàn)代計(jì)量測試儀器為了適應(yīng)社會的快速發(fā)展，應(yīng)對新的計(jì)量測試需求，不斷完善不斷改進(jìn)的一個綜合性系統(tǒng)，它結(jié)合最新的科技發(fā)展成果。發(fā)展出功能強(qiáng)大的計(jì)量測試網(wǎng)絡(luò)。未來，計(jì)量測試儀器將在社會生活的各個領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。

3 結(jié)論

在很多領(lǐng)域中都會運(yùn)用到計(jì)量測試儀器，可以說計(jì)量測試儀器是運(yùn)用較為廣泛的儀器之一。與傳統(tǒng)的計(jì)量測試儀器相比，現(xiàn)代計(jì)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(xiàn)代信息技術(shù)完美融合，可以完成更加準(zhǔn)確、復(fù)雜、困難的測試過程。并且隨著科技的不斷進(jìn)步，未來的計(jì)量測試儀器將向著統(tǒng)一化、系統(tǒng)化、集成化、量子化、智能化、無人化方向發(fā)展。只有計(jì)量測試儀器的率先發(fā)展才能帶動整個現(xiàn)代工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。為此，我國應(yīng)加大對現(xiàn)代計(jì)量測試技術(shù)及儀器的重視和投入。研制出更為先進(jìn)的計(jì)量測試儀器。提高我國整體質(zhì)量水平。