周寧

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

0 引言

計(jì)量與測(cè)量?jī)煞N技術(shù)的密切關(guān)聯(lián)是與生俱來的。沒有計(jì)量，測(cè)量數(shù)據(jù)就失去了意義，而計(jì)量的核心內(nèi)容——溯源所依賴的正是精密測(cè)量技術(shù)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種測(cè)量技術(shù)得到迅速拓展和提升，相應(yīng)地，計(jì)量技術(shù)也在對(duì)測(cè)量精準(zhǔn)度要求日益提高的背景下，突破傳統(tǒng)的、以靜態(tài)測(cè)量誤差為特征的基本模式，向著包括動(dòng)態(tài)特性、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響以及系統(tǒng)性評(píng)價(jià)等諸多要素的復(fù)雜要求方向多維度發(fā)展［1-2］。許多場(chǎng)景下，計(jì)量與測(cè)量（或測(cè)試）技術(shù)呈現(xiàn)出高度相似性，以至于無論是計(jì)量專家還是測(cè)量專家，都幾乎“忘記”了彼此的專業(yè)區(qū)別。特別是計(jì)量科研人員，由于研究?jī)?nèi)容中較多內(nèi)容與測(cè)量有關(guān)，以至于產(chǎn)生了“計(jì)量就是測(cè)量”的“幻覺”，在分析問題和立項(xiàng)論證時(shí)往往容易混淆兩者的概念特征，甚至出現(xiàn)“誤用”測(cè)量學(xué)的理論和方法去分析計(jì)量學(xué)問題的現(xiàn)象，這對(duì)我國(guó)計(jì)量科學(xué)與技術(shù)的定位與發(fā)展十分不利，對(duì)于未來我國(guó)高新科技產(chǎn)業(yè)賦予計(jì)量的使命可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此十分必要就計(jì)量與測(cè)量的本質(zhì)區(qū)別以及計(jì)量技術(shù)在傳感器評(píng)價(jià)和系統(tǒng)評(píng)價(jià)方面的作用進(jìn)行具體的梳理和分析。

1 計(jì)量與測(cè)量（試）的定義以及在技術(shù)層面上的關(guān)聯(lián)與區(qū)別

計(jì)量與測(cè)量是在生產(chǎn)過程和試驗(yàn)過程中經(jīng)常使用的工作術(shù)語。其中，試驗(yàn)過程中的測(cè)量活動(dòng)通常被稱為測(cè)試，其本質(zhì)仍然是測(cè)量，只不過測(cè)量的環(huán)境和背景更為復(fù)雜多樣。計(jì)量的基本手段是測(cè)量，是在特定標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行的精確測(cè)量，且測(cè)量結(jié)果要與可溯源的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比對(duì)，以確定被計(jì)量器具的準(zhǔn)確程度。文獻(xiàn)［3］中規(guī)定計(jì)量（Metrology）是實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確可靠的活動(dòng)；計(jì)量學(xué)（Metrology）是測(cè)量及其應(yīng)用的科學(xué)。

計(jì)量學(xué)也是研究測(cè)量、保證測(cè)量統(tǒng)一和準(zhǔn)確的科學(xué)，主要研究量與單位（制），測(cè)量原理與方法，測(cè)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的建立、保存及量值傳遞與溯源，測(cè)量器具及其特性，以及與測(cè)量有關(guān)的法制、技術(shù)和行政管理。計(jì)量學(xué)也研究物理常量（常數(shù)）、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和材料特性的測(cè)量［4］?？蓪⒂?jì)量和計(jì)量學(xué)理解為實(shí)踐和理論的關(guān)系［5］。

上述由權(quán)威文獻(xiàn)發(fā)布的關(guān)于計(jì)量的定義十分抽象，可以將其看作是現(xiàn)代計(jì)量學(xué)發(fā)展一百多年來的階段性認(rèn)識(shí)。隨著社會(huì)工業(yè)水平的不斷提升以及計(jì)量科學(xué)技術(shù)的相應(yīng)發(fā)展，有必要在計(jì)量實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)計(jì)量的本質(zhì)進(jìn)行更加深入具體的分析和理解，突出其特點(diǎn)，以適應(yīng)日益擴(kuò)大的計(jì)量科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的要求。當(dāng)人們對(duì)計(jì)量的認(rèn)識(shí)隨著實(shí)踐從靜態(tài)領(lǐng)域擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)領(lǐng)域時(shí)，傳統(tǒng)概念將發(fā)生很大的改變（擴(kuò)展），對(duì)計(jì)量工作本質(zhì)上的深入理解將產(chǎn)生創(chuàng)新性的概念，這對(duì)于計(jì)量科學(xué)自身的發(fā)展，無疑將具有重大的推動(dòng)作用［6］。當(dāng)然，新的計(jì)量概念應(yīng)是向上兼容的，而不應(yīng)是絕對(duì)意義上的“推陳出新”。通過對(duì)計(jì)量實(shí)踐（特別是考慮動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的問題）的分析思考，可以得出如下結(jié)論：

除去有關(guān)法制和行政管理的內(nèi)容，在技術(shù)層面上，計(jì)量工作的本質(zhì)可以具體化地理解為“在溯源基礎(chǔ)上，定量確定被計(jì)量設(shè)備特定功能行為特征參數(shù)量值的活動(dòng)。”這些量值往往被作為評(píng)價(jià)的依據(jù)和基礎(chǔ)。在這里，“特定功能”的概念不僅限于測(cè)量，也可以擴(kuò)展至其它功能，例如控制性能、仿真試驗(yàn)系統(tǒng)功能等。這就意味著，計(jì)量服務(wù)的對(duì)象將不再局限于測(cè)量設(shè)備，突破了傳統(tǒng)的固有概念。

對(duì)于現(xiàn)在廣泛開展的靜態(tài)計(jì)量校準(zhǔn)，靜態(tài)測(cè)量誤差是其基本特征。對(duì)于動(dòng)態(tài)計(jì)量校準(zhǔn)，反映被校系統(tǒng)對(duì)于動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量行為特性的主要參數(shù)是其基本特征。在動(dòng)態(tài)計(jì)量校準(zhǔn)過程中，首先必須對(duì)被校系統(tǒng)的響應(yīng)特性進(jìn)行分析（相對(duì)于靜態(tài)校準(zhǔn)，這是動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)首要的研究?jī)?nèi)容［7］），其次才是如何在溯源的基礎(chǔ)上，確定其基本特征參數(shù)的量值。而對(duì)于仿真試驗(yàn)系統(tǒng)等大型復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)量工作首先要確定其特定功能行為特征參數(shù)都有哪些，然后再在溯源的基礎(chǔ)上，定量確定這些特征參數(shù)的量值。

至于測(cè)量與測(cè)試的定義，文獻(xiàn)［3］中規(guī)定測(cè)量是通過實(shí)驗(yàn)獲得并可合理賦予某量一個(gè)或多個(gè)量值的過程。

相應(yīng)地，測(cè)試工作的本質(zhì)可以理解為：在試驗(yàn)過程中，獲取客觀存在的、對(duì)應(yīng)于某一時(shí)間及某一空間位置的物理量真值。測(cè)試是測(cè)量的一種特殊應(yīng)用場(chǎng)景。

在測(cè)量領(lǐng)域里，計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用對(duì)象是測(cè)量器具，計(jì)量結(jié)果往往成為評(píng)價(jià)測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量的依據(jù)和基礎(chǔ)，而測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用對(duì)象則寬泛得多。計(jì)量與測(cè)試的定義與本質(zhì)明顯不同，不能混為一談。實(shí)際情況是，兩者的基本手段都是測(cè)量，在工作實(shí)踐中緊密相聯(lián)、相互依賴，較易混淆。一旦發(fā)生概念混淆，可能導(dǎo)致計(jì)量科研工作迷失方向，與預(yù)設(shè)的目的失之交臂。

一般來講，計(jì)量是測(cè)試的基準(zhǔn)，是對(duì)測(cè)量賦值能力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，其目的是對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)給出規(guī)范性的質(zhì)量評(píng)價(jià)依據(jù)。沒有計(jì)量，測(cè)量就蛻變?yōu)闊o基準(zhǔn)的測(cè)度，各個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)之間無法比較，無法表達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)的確切含義，以至于無法準(zhǔn)確辨識(shí)相關(guān)物理過程的狀態(tài)，也就失去了測(cè)量的意義。在現(xiàn)實(shí)中也的確存在較長(zhǎng)時(shí)間不進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)卻仍在使用測(cè)量器具的情形，主要原因有兩方面：一是不具備計(jì)量校準(zhǔn)的條件，如測(cè)量器具無法拆卸也無法進(jìn)行在線校準(zhǔn)；二是設(shè)計(jì)者和使用者均認(rèn)可測(cè)量器具的性能漂移變化不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的主要功能。這種情況是有風(fēng)險(xiǎn)的，極端情況下風(fēng)險(xiǎn)巨大。最典型的例子就是兩起波音737-MAX客機(jī)空難事故，起關(guān)鍵作用的攻角傳感器偏差過大，未能得到及時(shí)校正，從而導(dǎo)致了空難的發(fā)生，也使世界航空巨頭波音公司陷入了困境。所以說，計(jì)量是測(cè)量/測(cè)試數(shù)據(jù)的質(zhì)量保障基礎(chǔ)。

由于計(jì)量采用的是精密測(cè)量方法，并且計(jì)量科研人員對(duì)測(cè)量系統(tǒng)行為特性認(rèn)識(shí)和掌握得比較透徹，所以計(jì)量人員從事測(cè)量工作往往具有先天性的職業(yè)優(yōu)勢(shì)，經(jīng)常承擔(dān)高精度測(cè)量、測(cè)試類的科研工作。但計(jì)量與測(cè)量工作之間容易出現(xiàn)概念模糊、科研方向定位不清的現(xiàn)象，需要引起科研人員的重視。計(jì)量專業(yè)研究機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)在紛繁的科研工作中，自覺堅(jiān)持和維護(hù)計(jì)量科研業(yè)務(wù)的核心與優(yōu)先地位，處理好計(jì)量類與測(cè)試類科研項(xiàng)目的比例平衡，確保事關(guān)全局的計(jì)量科研工作能夠按規(guī)劃有序持續(xù)發(fā)展，以高水平計(jì)量服務(wù)技術(shù)作為科研的主攻方向，避免陷入單純的測(cè)試設(shè)備研發(fā)占用大量資源的被動(dòng)局面。

另一方面，測(cè)量（試）是計(jì)量結(jié)果的應(yīng)用場(chǎng)景。離開應(yīng)用，計(jì)量工作將變得毫無意義。常規(guī)計(jì)量都是在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下完成的，其結(jié)果可以作為典型值進(jìn)行評(píng)價(jià)和相互比較。但隨著社會(huì)工業(yè)和科技水平的不斷提升，測(cè)量行為往往在復(fù)雜的工業(yè)過程和試驗(yàn)過程中實(shí)施，測(cè)量器具的使用環(huán)境與常規(guī)計(jì)量校準(zhǔn)環(huán)境相比有著明顯的差異，這就必然產(chǎn)生一個(gè)普遍的問題：在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，測(cè)試設(shè)備的測(cè)量行為特征是什么樣的？由此引出了諸如現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、原位校準(zhǔn)、在線校準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)、環(huán)境特性校準(zhǔn)、飄移特性校準(zhǔn)等現(xiàn)代測(cè)試工程界普遍關(guān)注的問題。這些新的計(jì)量問題引導(dǎo)并要求計(jì)量科研人員走出常規(guī)的、標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量工作室，深入測(cè)試一線，與試驗(yàn)工程師合作，共同探索、分析和解決面向應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的計(jì)量校準(zhǔn)問題。由此看來，計(jì)量科研工作可以分為兩大類：第一類是在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下開展的、以理論探索為特點(diǎn)的計(jì)量科研工作，例如新的計(jì)量校準(zhǔn)原理及方法、新的標(biāo)準(zhǔn)源研制等，這類項(xiàng)目原理性、基礎(chǔ)性較強(qiáng)；第二類是在使用環(huán)境下開展的、以應(yīng)用場(chǎng)景為特點(diǎn)的計(jì)量科研工作，例如傳感器在線校準(zhǔn)、大型試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)方法研究等，這類項(xiàng)目個(gè)性化色彩較重，實(shí)踐性、應(yīng)用性較強(qiáng)。這兩大類科研工作的結(jié)果之間必須建立合理的理論聯(lián)系，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)比較和溯源。

值得注意的是，人們對(duì)于常規(guī)的計(jì)量檢定工作和第一類計(jì)量科研工作比較認(rèn)同，這些都是計(jì)量專業(yè)人員從事的工作；而對(duì)于第二類計(jì)量科研工作的認(rèn)識(shí)比較模糊，這類工作往往是設(shè)計(jì)人員或試驗(yàn)測(cè)試人員與計(jì)量人員合作才能完成的，例如產(chǎn)品的可計(jì)量性設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)問題等。第二類計(jì)量科研工作是實(shí)現(xiàn)提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和復(fù)雜試驗(yàn)測(cè)試水平的關(guān)鍵，與計(jì)量工作密切相關(guān)，而在人們的認(rèn)識(shí)里卻經(jīng)常不包括在計(jì)量工作的范疇之內(nèi)?，F(xiàn)在的測(cè)試人員越來越關(guān)心在使用環(huán)境下測(cè)試設(shè)備的計(jì)量校準(zhǔn)問題，面向?qū)嶋H工作條件的測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)是工程計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域的普遍性難題，這對(duì)于測(cè)試人員和計(jì)量人員都提出了新的挑戰(zhàn)，雙方的關(guān)注領(lǐng)域在逐漸接近，但由于基礎(chǔ)條件限制和專業(yè)分工的要求，永遠(yuǎn)不會(huì)重合，不會(huì)相互替代。計(jì)量科研人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，除了從事常規(guī)計(jì)量的人員之外，試驗(yàn)人員、設(shè)計(jì)人員同樣也是計(jì)量科研的服務(wù)對(duì)象與合作伙伴，加強(qiáng)計(jì)量人員與測(cè)試人員的技術(shù)合作，才能應(yīng)對(duì)計(jì)量與測(cè)試領(lǐng)域未來的挑戰(zhàn)。

此外，從社會(huì)意義的角度來講，計(jì)量與測(cè)量（試）最大的區(qū)別在于：計(jì)量工作是一種公益性行為，代表著社會(huì)利益和國(guó)家意志，具有較高的技術(shù)門檻，其社會(huì)影響力和職責(zé)專屬性高度融合，不可須臾放松與懈怠。計(jì)量科技專業(yè)研究單位在計(jì)量科學(xué)進(jìn)步的引領(lǐng)方面，負(fù)有無可替代的責(zé)任。計(jì)量溯源系統(tǒng)對(duì)于國(guó)家、企業(yè)來說屬于核心機(jī)密，決不允許外人接近。與此形成鮮明對(duì)比的是，測(cè)試工作的社會(huì)屬性本質(zhì)上是一種商業(yè)行為，沒有行政性的門檻，原則上也是可以通過貿(mào)易實(shí)現(xiàn)全球流通的。

總之，計(jì)量工作可以分為計(jì)量行業(yè)管理、計(jì)量檢定服務(wù)和計(jì)量科學(xué)研究三大部分，其中計(jì)量科學(xué)研究，又可以根據(jù)環(huán)境條件分為第一類（標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下）常規(guī)計(jì)量科研和第二類（現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下）現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量科研，前者探索的是普遍性的問題，后者解決的是個(gè)性化的問題，需要相關(guān)工程技術(shù)人員與計(jì)量科研人員密切合作才能完成。這樣的劃分，揭示了不同類型計(jì)量科研工作的特點(diǎn)，有利于今后在計(jì)量科研項(xiàng)目的規(guī)劃、策劃、組織和申報(bào)方面做出更合理的安排。

2 建立基于測(cè)量行為綜合模型的傳感器計(jì)量檢測(cè)能力

眾所周知，傳感器廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)過程、試驗(yàn)過程以及工業(yè)裝備，是人類社會(huì)后工業(yè)化的基礎(chǔ)。盡管現(xiàn)代工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入追求自動(dòng)化、信息化和智能化的時(shí)代，但依然擺脫不了對(duì)系統(tǒng)底層信息獲取的絕對(duì)依賴，相對(duì)“古老”的傳感器的研究，似乎成了工業(yè)界永恒的主題。從家用電器到航空航天裝備，傳感器無處不在，并且經(jīng)常成為決定系統(tǒng)性能與可靠性的關(guān)鍵因素。遺憾的是，我國(guó)本土研發(fā)的大部分傳感器相比進(jìn)口傳感器（含合資生產(chǎn)），在性能、可靠性、信譽(yù)度方面均存在著明顯差距。除了設(shè)計(jì)、材料和工藝相對(duì)落后，對(duì)傳感器外在性能的認(rèn)知和評(píng)價(jià)不全面也是產(chǎn)生差距的重要因素。通常，傳感器廠家只給出一般使用條件下的基本性能數(shù)據(jù)，對(duì)于傳感器在極限使用條件下的行為特征，大多數(shù)生產(chǎn)廠家和用戶都未給予足夠的關(guān)注。這就形成了對(duì)傳感器本征特性認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)的缺陷，導(dǎo)致用戶對(duì)于傳感器在現(xiàn)場(chǎng)極端條件下的行為特征一無所知，對(duì)于出乎意料的測(cè)試（或使用）結(jié)果不知所措；廠商對(duì)傳感器的“不良”表現(xiàn)雖急于改善，但卻一籌莫展，無從下手。伴隨著上百年的發(fā)展歷史，傳感器性能測(cè)試方法日益豐富和完善，其使用現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量行為特征逐漸成為各相關(guān)方關(guān)注的重點(diǎn)。隨著試驗(yàn)測(cè)試的種類快速增加，解決傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)問題的呼聲越來越高。實(shí)現(xiàn)傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的難點(diǎn)在于傳感器的應(yīng)用條件多種多樣，影響因素紛繁復(fù)雜，與常規(guī)計(jì)量所要求的標(biāo)準(zhǔn)條件、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境差異極大。真正在使用現(xiàn)場(chǎng)對(duì)傳感器進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，目前在絕大多數(shù)情況下難以實(shí)現(xiàn)，必須建立一種把傳感器在使用環(huán)境下的測(cè)量行為特征與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)環(huán)境下的測(cè)量行為特征相互聯(lián)結(jié)起來的技術(shù)途徑和手段，才有可能推進(jìn)傳感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)的進(jìn)步。

考慮到上述需求，有必要提出一種能夠全面表述傳感器測(cè)量行為特征以供開展全方位評(píng)價(jià)的認(rèn)知理論模型。假如把傳感器的靜態(tài)誤差特性視為一個(gè)一維參數(shù)，即

式中：Se為傳感器測(cè)量功能行為特征參數(shù)，即誤差特性；e0為傳感器的靜態(tài)誤差值。

在靜態(tài)輸入條件下，Se可以視為常數(shù)，如圖1所示，e為傳感器靜態(tài)誤差。

圖1 傳感器靜態(tài)誤差特性示意圖Fig.1 Schematic diagramof sensor static error characteristics

如果再考慮動(dòng)態(tài)情況，傳感器的誤差特性可以表現(xiàn)為一個(gè)曲線，即e

式中：f為傳感器輸入信號(hào)頻率。在動(dòng)態(tài)輸入條件下，傳感器誤差特性是輸入頻率的函數(shù)，如圖2所示，表示了常見的具有低通特性的傳感器誤差特性曲線。

圖2 傳感器動(dòng)態(tài)誤差特性示意圖Fig.2 Schematicdiagramofsensordynamicerror characteristics

若再增加環(huán)境因素，則傳感器的誤差特性可以表現(xiàn)為一個(gè)曲面，即

式中：Cn抽象性地代表各種相關(guān)環(huán)境因素（如溫度、濕度、壓力、重力、振動(dòng)、沖擊力、電磁干擾、空間輻射等）的環(huán)境因子。

在同時(shí)考慮動(dòng)態(tài)輸入和使用環(huán)境影響因素的條件下，傳感器誤差特性是輸入信號(hào)頻率及環(huán)境因子的二元函數(shù)，如圖3所示。需要說明的是，圖3中的環(huán)境因子Cn除了溫度、力等少數(shù)傳感器外，大部分因子只在正向區(qū)間有效。對(duì)于負(fù)向區(qū)間有效的環(huán)境因子，研究方法類似。

圖3 同時(shí)考慮動(dòng)態(tài)特性和環(huán)境特性的傳感器誤差特性示意圖Fig.3 Schematic diagram of sensor error characteristics when considering both dynamic behavior and environment

如果在上述模型的基礎(chǔ)上再添加上時(shí)間要素t，則傳感器誤差特性就是上述三維空間中的曲面隨時(shí)間變化的情景，它反映了傳感器在特定時(shí)間區(qū)間內(nèi)、不同工作環(huán)境條件下對(duì)于輸入信號(hào)標(biāo)稱全頻域范圍信號(hào)測(cè)量的誤差特性的變化規(guī)律。

一般來講，隨著時(shí)間t的增加，e0增大，通頻帶變窄，傳感器對(duì)環(huán)境的非敏感區(qū)間變小。

上述提出的傳感器誤差特性綜合模型，只是對(duì)于傳感器典型特性的初步總結(jié)，如果未來發(fā)現(xiàn)還有其它影響傳感器測(cè)量行為特征的基本特征因素，同樣可以在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上繼續(xù)添加和修改，形成傳感器的“全息”模型。應(yīng)當(dāng)指出，上述綜合模型是有條件的，即傳感器本征參數(shù)在安裝前后保持不變。對(duì)于有變化的傳感器（如部分測(cè)力傳感器），由于情況特殊，待今后專題討論。

上述綜合模型全面覆蓋了傳感器的典型測(cè)量行為特征，能夠表征或揭示傳感器在各種使用條件下的外在表現(xiàn)，可以作為全面認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)傳感器主要性能的基礎(chǔ)和依據(jù)。該模型不能直接解決傳感器本身的固有技術(shù)問題，但能夠?yàn)樘綄ず脱芯窟@些技術(shù)問題的原因及解決辦法提供一條基本路徑，使得傳感器廠家和用戶在研發(fā)和選擇傳感器時(shí)，有基本的研發(fā)路徑或選擇依據(jù)。

圍繞上述綜合模型，建立健全基于溯源的傳感器性能檢測(cè)校準(zhǔn)體系（包括技術(shù)與裝備、標(biāo)準(zhǔn)等），應(yīng)成為計(jì)量專業(yè)研究機(jī)構(gòu)現(xiàn)在就予以足夠重視并列入中長(zhǎng)期規(guī)劃的基礎(chǔ)性、公益性科技戰(zhàn)略發(fā)展方向之一。并且，這個(gè)概念還應(yīng)從狹義的傳感器擴(kuò)展至各種具有獨(dú)立測(cè)量功能的儀器和設(shè)備，以滿足種類繁多的測(cè)試設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)需求。目前，只有靜態(tài)（一維）計(jì)量校準(zhǔn)體系相對(duì)比較完善，其它維度的計(jì)量校準(zhǔn)體系研究有些剛啟動(dòng)（比如動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)方法），有些尚未開始（比如基于溯源的多物理場(chǎng)耦合環(huán)境構(gòu)建技術(shù)及其相關(guān)靜、動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法）。所以多維度的計(jì)量校準(zhǔn)體系研究是一項(xiàng)十分艱巨而重要的歷史使命，建立多維度的計(jì)量校準(zhǔn)體系對(duì)現(xiàn)有的各相關(guān)物理量的計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)提出了新的、更高的要求；它的建立有望顯著提升人們對(duì)于傳感器等測(cè)試設(shè)備特性的認(rèn)識(shí)和運(yùn)用水平，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)于客觀物理世界狀態(tài)及變化的感知能力。因此建立多維度的計(jì)量校準(zhǔn)體系也是我國(guó)計(jì)量科學(xué)技術(shù)推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力在未來10至30年間轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要支撐點(diǎn)。

對(duì)于用戶來說，大部分情形下并不一定需要對(duì)傳感器作全方位的計(jì)量校準(zhǔn)，只要重點(diǎn)研究某些關(guān)鍵指標(biāo)即可，但是對(duì)于計(jì)量部門來說，應(yīng)逐步具備全維計(jì)量校準(zhǔn)能力，以應(yīng)對(duì)各種各樣的用戶需求。培養(yǎng)這樣一種基于測(cè)量行為綜合模型的傳感器計(jì)量檢測(cè)能力，需要大量的科學(xué)研究、技術(shù)準(zhǔn)備和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，總體投資大、耗時(shí)長(zhǎng)，需要做長(zhǎng)期規(guī)劃、分階段推進(jìn)。在制定規(guī)劃時(shí)，應(yīng)優(yōu)先滿足重點(diǎn)客戶的關(guān)鍵需求，并在此基礎(chǔ)上逐步完善。

3 系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的一般性表述

本世紀(jì)以來，我國(guó)高新科技產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的標(biāo)志之一就是各類各型試驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)取得了豐碩成果，這為相關(guān)工程科學(xué)技術(shù)研究以及型號(hào)裝備研制創(chuàng)造了不可或缺的基礎(chǔ)性科研條件和試驗(yàn)手段。由此產(chǎn)生了對(duì)于這些大型試驗(yàn)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)原理和方法的需求，并且這些需求日益顯示出復(fù)雜性與迫切性。對(duì)于大型試驗(yàn)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)建立在相關(guān)計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)基礎(chǔ)之上，并且以可溯源的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，但制定綜合評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則、標(biāo)準(zhǔn)文件、給出評(píng)價(jià)結(jié)果，應(yīng)當(dāng)由行業(yè)專家、用戶與管理者共同完成。綜合評(píng)價(jià)與計(jì)量校準(zhǔn)是兩件既密切聯(lián)系又不相同的工作。綜合評(píng)價(jià)的基本組成要素是“計(jì)量測(cè)試數(shù)據(jù)”和“分析判讀標(biāo)準(zhǔn)”。

綜合評(píng)價(jià)方法應(yīng)當(dāng)能夠以最簡(jiǎn)捷的方式使試驗(yàn)實(shí)施單位（含設(shè)計(jì)建造、維護(hù)使用、測(cè)試與數(shù)據(jù)分析等職能）、用戶和行業(yè)管理者就試驗(yàn)設(shè)施最主要性能參數(shù)的定義、構(gòu)成與評(píng)價(jià)達(dá)成共識(shí)，形成標(biāo)準(zhǔn)，以便同類試驗(yàn)設(shè)施之間相互比較，并使用戶對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度和適用性做出客觀與快捷的評(píng)估。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的使用者（用戶）所關(guān)心的是試驗(yàn)過程中試驗(yàn)對(duì)象所表現(xiàn)的主要行為特征，以及其與真實(shí)應(yīng)用環(huán)境中的主要行為特征的相符程度。其核心應(yīng)由兩大部分組成：試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量（以下簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)質(zhì)量）和試驗(yàn)環(huán)境仿真質(zhì)量（以下簡(jiǎn)稱仿真質(zhì)量）。

為了研究裝備（或產(chǎn)品）在典型環(huán)境下的特定功能行為特征，往往需要人工搭建一個(gè)重現(xiàn)真實(shí)使用環(huán)境特點(diǎn)的仿真試驗(yàn)環(huán)境，并在其中開展試驗(yàn)測(cè)試活動(dòng)。大型試驗(yàn)設(shè)施大部分是基于物理仿真原理的地面試驗(yàn)設(shè)備群，對(duì)它們的綜合性試驗(yàn)參數(shù)的評(píng)價(jià)除了試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量之外，還必須考慮環(huán)境仿真的質(zhì)量，比如風(fēng)洞中的流場(chǎng)品質(zhì)、全機(jī)氣候環(huán)境試驗(yàn)中的溫度場(chǎng)/濕度場(chǎng)/雨參數(shù)質(zhì)量等；有時(shí)還應(yīng)考慮試驗(yàn)環(huán)境質(zhì)量補(bǔ)償，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)試車臺(tái)周邊的流場(chǎng)擾動(dòng)效應(yīng)等。

數(shù)據(jù)質(zhì)量是一個(gè)重要參數(shù)，表征了在特定環(huán)境仿真條件下，試驗(yàn)對(duì)象所表現(xiàn)出的行為特征值的測(cè)量誤差，但不全面，因?yàn)榫C合評(píng)價(jià)還可能涉及到對(duì)真實(shí)使用環(huán)境仿真程度的評(píng)價(jià)。仿真質(zhì)量表征了該試驗(yàn)設(shè)施的人工環(huán)境與真實(shí)使用環(huán)境之間的特性差異。很顯然，這兩個(gè)環(huán)節(jié)缺一不可，且只有緊密結(jié)合，才能滿足用戶所關(guān)心的試驗(yàn)設(shè)施綜合評(píng)價(jià)要求。

所以，一般試驗(yàn)設(shè)施的性能應(yīng)主要從試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量和試驗(yàn)環(huán)境仿真質(zhì)量?jī)煞矫鎭肀碚?。試?yàn)設(shè)施的綜合評(píng)價(jià)，不僅應(yīng)包括試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)，同時(shí)也必須包括試驗(yàn)環(huán)境仿真質(zhì)量評(píng)價(jià)，如公式（5）所示。

式中：A為試驗(yàn)設(shè)施綜合評(píng)價(jià)結(jié)果；B為試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果；C為試驗(yàn)環(huán)境仿真質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果；⊕為某種形式的融合，不一定是簡(jiǎn)單相加。

公式（5）表達(dá)了試驗(yàn)設(shè)施綜合評(píng)價(jià)一般性的構(gòu)成，也體現(xiàn)了構(gòu)建試驗(yàn)設(shè)施綜合評(píng)價(jià)理論和技術(shù)體系的通用性原則。

只要試驗(yàn)環(huán)境不是真實(shí)的使用環(huán)境，就會(huì)有試驗(yàn)環(huán)境仿真質(zhì)量的評(píng)價(jià)問題，這個(gè)問題對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果及其價(jià)值通常具有較明顯的影響，應(yīng)當(dāng)做出客觀的仿真質(zhì)量評(píng)價(jià)。如果只有數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)，對(duì)于整個(gè)試驗(yàn)設(shè)施的綜合評(píng)價(jià)是不全面的，這方面計(jì)量專業(yè)人員應(yīng)當(dāng)突破單純計(jì)量型的概念，把握好自己的站位。

需要指出的是，公式（5）體現(xiàn)了廣義的、普適性的試驗(yàn)設(shè)施綜合評(píng)價(jià)構(gòu)成原則。對(duì)于類似風(fēng)洞等復(fù)雜的試驗(yàn)設(shè)施，必須同時(shí)考慮B和C的影響；對(duì)于無仿真的實(shí)裝試驗(yàn)，比如野戰(zhàn)環(huán)境下的裝備試驗(yàn)、大多數(shù)飛行試驗(yàn)等，沒有仿真質(zhì)量評(píng)價(jià)問題，此時(shí)C=0；相反地，對(duì)于純數(shù)字仿真試驗(yàn)設(shè)施來說，沒有測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)問題，B=0；后兩種情況均是第一種情況的特例。

在公式（5）中，若要實(shí)現(xiàn)仿真質(zhì)量評(píng)價(jià)，需要對(duì)人工環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的相似原理以及人工環(huán)境的實(shí)現(xiàn)方法開展深入的分析研究，探尋若干具有關(guān)鍵作用的、獨(dú)立的特定仿真質(zhì)量特征參數(shù)（C的主要構(gòu)成元素）及其確定方法，在充分驗(yàn)證的基礎(chǔ)上形成行業(yè)評(píng)價(jià)規(guī)范。各種試驗(yàn)仿真環(huán)境的構(gòu)成與原理千差萬別，個(gè)性化特點(diǎn)明顯，需要專業(yè)人員開展專題研究，這方面的研究工作目前尚未系統(tǒng)性地開展，也是未來仿真科學(xué)領(lǐng)域必須面對(duì)的重要研究課題。

相比較而言，公式（5）中的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果（B）是以計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)為基礎(chǔ)獲得的，比較成熟，但仍存在不少關(guān)鍵問題有待解決。這種系統(tǒng)綜合校準(zhǔn)技術(shù)的準(zhǔn)確表述應(yīng)是“面向試驗(yàn)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)”，該技術(shù)與“現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)”有兩個(gè)主要區(qū)別：一是關(guān)注的是大型試驗(yàn)系統(tǒng)的綜合性試驗(yàn)參數(shù)，而不僅僅是單臺(tái)測(cè)試設(shè)備的指標(biāo)；二是目標(biāo)為大型試驗(yàn)系統(tǒng)綜合性試驗(yàn)參數(shù)評(píng)價(jià)服務(wù)，而不僅僅是單臺(tái)測(cè)試設(shè)備的檢定校準(zhǔn)。

系統(tǒng)綜合校準(zhǔn)技術(shù)的基本原則依然是試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可溯源。問題在于，綜合性試驗(yàn)參數(shù)很可能來自于一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)鏈上各級(jí)測(cè)量結(jié)果的融合，而這個(gè)數(shù)據(jù)鏈上的數(shù)據(jù)演化（遞進(jìn)）關(guān)系是否是剛性（不變）的？如果是不變的，就可以采用常規(guī)的方法為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立溯源關(guān)系，按各部分的誤差合成總的試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差。然而，許多大型試驗(yàn)系統(tǒng)具有系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、多狀態(tài)運(yùn)行的特點(diǎn)，其測(cè)量數(shù)據(jù)鏈上的本征參數(shù)可能會(huì)隨著環(huán)境、時(shí)間、試驗(yàn)對(duì)象或其它隨機(jī)因素變化（比如風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、天平安裝過程中的可變參數(shù)），這種變化甚至是不可知的，形成了一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，就好比被校準(zhǔn)的電子儀器內(nèi)部的電阻、電容在變化，這給計(jì)量校準(zhǔn)帶來了很大的困難。因此，如何對(duì)具有時(shí)變特性的測(cè)試系統(tǒng)開展計(jì)量校準(zhǔn)并給出合理的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，成為了大型試驗(yàn)設(shè)施綜合評(píng)價(jià)中數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)工作首先要解決的基礎(chǔ)性技術(shù)問題。為解決這個(gè)問題，必須在系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的大原則指導(dǎo)下，找出包含時(shí)變參數(shù)的最小子單元及其時(shí)變規(guī)律，再結(jié)合實(shí)際需求，尋找可行的補(bǔ)償或表征方法。當(dāng)然，最理想的情況是在試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就考慮測(cè)量數(shù)據(jù)鏈剛性結(jié)構(gòu)的問題，使之具備本質(zhì)的時(shí)不變特性。例如，現(xiàn)在某些先進(jìn)風(fēng)洞具備了自動(dòng)校準(zhǔn)功能，能夠大大提高測(cè)量數(shù)據(jù)鏈的剛性水平。系統(tǒng)綜合校準(zhǔn)技術(shù)是一項(xiàng)新的專業(yè)技術(shù)，需要試驗(yàn)、測(cè)試和計(jì)量人員共同努力，協(xié)同創(chuàng)新，才有可能實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。公式（5）中的⊕表示某種形式的融合，如何操作，需要根據(jù)具體的需求決定，但同一類評(píng)價(jià)對(duì)象的⊕定義和操作必須是統(tǒng)一的，才能使得綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可以相互比較。

4 結(jié)論

現(xiàn)代計(jì)量學(xué)的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，其背景是建立在相對(duì)論和量子物理理論基礎(chǔ)上的物理學(xué)研究取得突破性的進(jìn)展［5］。而將這些理論性的突破廣泛應(yīng)用于計(jì)量實(shí)踐的進(jìn)程，在我國(guó)才剛剛開始。自主創(chuàng)新與“領(lǐng)跑世界”的需求，大大激發(fā)了從傳感器到各種大型試驗(yàn)設(shè)施的研發(fā)與建設(shè)使用，同時(shí)也產(chǎn)生了大量不同使用環(huán)境下的計(jì)量校準(zhǔn)要求，從靜態(tài)校準(zhǔn)到動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，從實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)到現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，從單一傳感器校準(zhǔn)到試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)，從地面條件下的校準(zhǔn)到空間環(huán)境下的校準(zhǔn)，這一系列突出的需求變化，明顯沖擊著幾十年來以“實(shí)驗(yàn)室條件下的靜態(tài)校準(zhǔn)”為基本特征的傳統(tǒng)計(jì)量體系。這些都激勵(lì)和推動(dòng)著我國(guó)計(jì)量科學(xué)技術(shù)行業(yè)突破傳統(tǒng)的思維定式，用創(chuàng)新的理論和實(shí)踐賦予計(jì)量科學(xué)新的概念和認(rèn)知，以更高的高度、更廣的視角去看待計(jì)量科學(xué)技術(shù)的發(fā)展路徑，充分認(rèn)識(shí)計(jì)量與測(cè)量的辯證關(guān)系，牢記和堅(jiān)持計(jì)量科學(xué)技術(shù)的社會(huì)作用和使命，依靠技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)計(jì)量行業(yè)社會(huì)公益性與經(jīng)濟(jì)盈利性的統(tǒng)一，在實(shí)現(xiàn)自身跨越式發(fā)展的同時(shí)，助力全社會(huì)，完成本世紀(jì)前半葉民族復(fù)興“兩步走”的宏偉發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。

綜合各方面信息，建議計(jì)量科學(xué)技術(shù)戰(zhàn)略規(guī)劃編制部門著力關(guān)注以下四個(gè)重點(diǎn)：

第一個(gè)重點(diǎn)是量子計(jì)量技術(shù)。量子技術(shù)在計(jì)量領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)際上包含了兩個(gè)重要方面：一是量子型標(biāo)準(zhǔn)器的小型化、芯片化及其實(shí)用化；二是量子測(cè)量技術(shù)（通常用于精密、超精密測(cè)量，建立高標(biāo)準(zhǔn)溯源鏈）。由于量子計(jì)量技術(shù)研究涉及專業(yè)內(nèi)容很多，本文不再贅述。

第二個(gè)重點(diǎn)是培養(yǎng)基于測(cè)量行為綜合模型的傳感器計(jì)量檢測(cè)能力。培養(yǎng)這種能力的主要目的是為研究傳感器使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量行為特征而建設(shè)實(shí)驗(yàn)室條件下的使用環(huán)境仿真校準(zhǔn)的試驗(yàn)平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)于傳感器性能的全面評(píng)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)提供技術(shù)支撐。它需要，也同時(shí)會(huì)促進(jìn)，現(xiàn)有各項(xiàng)常規(guī)計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)（比如靜/動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)及環(huán)境仿真）的進(jìn)一步發(fā)展。另外，在理論研究方面，研究范圍也可以擴(kuò)展到多參數(shù)綜合測(cè)試設(shè)備的應(yīng)用計(jì)量特性。

第三個(gè)重點(diǎn)是面向試驗(yàn)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)作為試驗(yàn)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)技術(shù)支撐的一部分，為試驗(yàn)系統(tǒng)的最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立溯源鏈，給出綜合誤差。其難點(diǎn)是如何處理具有時(shí)變特點(diǎn)的溯源鏈的綜合誤差合成問題。

第四個(gè)重點(diǎn)是新型測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)技術(shù)。改革開放40多年來，我國(guó)引進(jìn)了種類繁多的先進(jìn)測(cè)量設(shè)備，自主研制的新型測(cè)量裝備的種類和數(shù)量也在快速增長(zhǎng)。然而相應(yīng)的計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于需求，導(dǎo)致海量的測(cè)量數(shù)據(jù)沒有質(zhì)量保障，造成了社會(huì)資源的極大浪費(fèi)，還深深埋下了隱患。作為計(jì)量管理部門和科研機(jī)構(gòu)，相關(guān)單位應(yīng)從需求的緊迫性、重要性入手，義無反顧地推動(dòng)和承擔(dān)針對(duì)這些新型測(cè)量設(shè)備的計(jì)量校準(zhǔn)科研攻關(guān)與技術(shù)體系構(gòu)建工作，以技術(shù)創(chuàng)新為抓手，以適應(yīng)需求為原則，努力在滿足社會(huì)公益性要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

從上述重點(diǎn)領(lǐng)域不難看出另外一種趨勢(shì)，這就是計(jì)量科學(xué)技術(shù)未來的發(fā)展越來越依賴于多學(xué)科之間的相互交融，而不是以往的各專業(yè)單打獨(dú)斗。各專業(yè)交叉融合形成有機(jī)整體，才能夠形成更高層次上的體系優(yōu)勢(shì)，以應(yīng)對(duì)社會(huì)科技發(fā)展對(duì)計(jì)量行業(yè)提出的新要求。這不僅要求計(jì)量科研人員深入了解用戶需求，緊密結(jié)合用戶共同攻關(guān)，同時(shí)也要求計(jì)量科研領(lǐng)軍人才必須能夠做到跳出計(jì)量看計(jì)量，能夠在更高的系統(tǒng)層次（而不僅僅是計(jì)量專業(yè)）上做到統(tǒng)觀全局、準(zhǔn)確站位、明晰戰(zhàn)略、把握方向，做到不唯書、不唯上、不唯洋、不從眾，只求真理。沒有具備這種能力的領(lǐng)軍人才，計(jì)量科學(xué)技術(shù)將難以適應(yīng)未來向高層次發(fā)展的社會(huì)需求和國(guó)家要求，這一點(diǎn)，同樣應(yīng)當(dāng)引起計(jì)量科學(xué)戰(zhàn)略與規(guī)劃編制者們的注意。