现代测试技术及信号处理发展现状及趋势

现代测试技术及信号处理发展现状及趋势

曹修全

摘要：随着IT产业和通讯技术、电子技术、计算机技术的高速发展，生产设备和产品的电子化、数字化、自动化、智能化的程度越来越高，对与之配套的测试技术与信号处理技术提出了更好的要求。因此，笔者查阅了有关现代测试技术和信号处理技术的国内外文献，就现代测试技术和信号处理技术的发展现状进行概略介绍，并分析其存在的问题，进而提出了该类技术的发展趋势。

关键词：测试技术，信号处理，现状，趋势

引言

进入21世纪以来，测控技术和自动测试系统已经广泛的渗入到了生产、科研、试验活动等领域。自动测控技术已经在通信、汽车、机电、冶金、石化、建筑、纺织、电力、高等教育等众多领域[1-10]得到了广泛的应用，并与相关技术紧密集合，促进了生产力的发展。随着IT产业和通讯技术、电子技术、计算机技术的高速发展，生产设备和产品的电子化、数字化、自动化、智能化的程度越来越高，对与之配套的测试技术与信号处理技术提出了更好的要求。综合了通信技术、测量技术、电子技术、自动化技术和计算机技术于一体的广域的自动测试系统的研发，已经成了国内外知名厂家的重大课题。

现代测试技术和信号处理技术作为自动测试系统的发展基础，为了更好的发展自动测试系统，解决诸多企业当前面临的自动测试问题，有必要对现代测试技术和信号处理技术进行一个全面的了解，通过分析其发展现状，找出制约其发展的关键因素，从而为该技术的发展提出解决方案。

因此，笔者基于抛砖引玉的想法，在查阅了现代测试技术和信号处理技术相关文献[11-18]的基础上，对该技术的国内外现状进行了总结，并基于此指出了该技术在过去的发展过程中存在的问题与不足，进而提出了该技术的发展趋势。国内外发展现状

测试技术是综合了测量与试验的一门综合性技术，具体来讲它是通过技术手段获取研究对象的状态信息，以一定的精度描述和分析其运动状态，是科学研究

的基本方法。现代测试技术是结合了计算机技术、通信技术、测量技术、自动化技术、电子技术等多领域多学科现代科学理论的综合性测试技术，是对被测对象的参量进行测量，将测量信息进行采集、变换、村粗、传输、显示和控制的技术，是传统测试技术与现代科技手段想结合后的一个提升，是一门随着科学技术的进步不断发展的综合性技术。

随着科学技术的不断发展和进步，诸如通信、冶金等诸多领域，尤其是现代制造领域的发展，对现代测试技术提出了越来越高的要求，促进了现代测试技术中的新原理、新技术、新装置系统的不断出现，进一步的促进了现代测试技术的发展进步。国内外许多著名测量仪器制造厂商在近年来的CIMT（China International Machine Tool show）展览会上展示了诸多他们在现代测试技术上所取得的科研成果。从他们的研究成果不难发现，现代测试技术被广泛的应用于各行各业中，而不同行业对测试技术的要求又略有不同。因此，笔者在此以面向先进制造的现代测试技术为例，主要从以下几个方面对现代测试技术的当前状况加以阐述。

1）制造现场在线检测与数字化测试技术。

数字化测试技术是数字化制造技术的一个不可或缺的组成部分。将先进测试技术和仪器集成于高档数控机床或先进的制造生产线中，可实现复杂精密数控切削加工机床的在线测试，从而实现对复杂、高精度型面轮廓工件加工质量的实时检测与监控。目前在线监测与数字化测试技术的研究主要体现在以下方面：（1）三维形貌测试技术。对零部件的三维形貌进行测试所采用的三维形貌测试技术是一类重要的几何量测试技术方法，被广泛的应用于模具制造、逆向工程质量控制等方面。经过多年的发展，三维形貌测试技术形成了诸多不同的应用测试技术和系统。

（2）机器人测试技术。机器人是利用人工智能技术开发的一类具备全部自由度、运动形式灵活、高度柔性的自动化设备。近些年来，机器人技术发展迅速，其控制性能、重复定位精度和可靠性都有很大程度的提高。目前，工业机器人已经能够实现0.04mm的重复定位精度，为机器人用于测量提供了精度保证。已经有厂家以机器人为运动平台，结合基于精密测量原理的在线精密测量设备，开发出具有高度柔性和灵活性的机器人测试技术。

（3）数控机床在线检测技术。数控加工是现代制造加工技术的重要手段，在进行零件加工时，需要进行大量的检测，如夹具和零件的装夹、零件编程原点的测定、首件零件的检测、工序间检测及加工完毕检测等。在线检测技术的发展为数控加工过程的质量检测提供了一套行之有效的方法，逐渐取代了传统的手工测试和离线测试，促进加工测试一体化的发展。

2）无损检测技术及其在线检测系统

无损检测是利用缺陷引起的材料的某些物理量的变化测量其变化量，从而判断材料内部是否存在缺陷。目前，常用的无损检测方法主要包括磁粉检测、渗透检测、涡流检测、超声检测、射线检测等方法。无损检测是工业生产制造中实现质量控制、节约材料、改进工艺和提高劳动生产率的重要手段，也是设备安全运行的重要检测手段。

在2009年3月发布的“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项第一批课题申报指南中，也涉及到面向汽车精密零件、大型铸锻件等产品的自动检测与无损检测技术的研究问题，旨在开发批量生产配套使用的高效率高精度智能化的自动检测技术系统平台设备和生产线，提供重大装备配套的大型铸锻焊件超声波与高能射线无损检测、热态在线测试等技术与设备，配套相应的缺陷检测与数据处理软件或彩色图像分析软件。

3）网络化测试技术

网络制造是当前比较热门的研究重点之一，其实质是通过计算机网络进行生产经营业务活动各个环节的合作、监管等，以实现企业间的资源共享、优化组合和异地制造。网络制造是基于信息的处理、交换、传送和通讯。网络化测试技术与具备网络功能的新型仪器是进行网络制造的基础，因此，在网络制造技术的推动下，网络测试与仪器技术得到了前所未有的发展。

当前，无线传感器网络是学术界和产业界关注的一个重要技术领域。该网络是由部署在工作区域内具有数据处理和无线通信能力的微小传感器节点，以自组织方式构成的分布式智能化网络系统，通过各类微型传感器协同工作，监测感知采集和处理各种监测对象的信息，通过无线通信网络传送到用户终端。基于先进的智能化检测技术、传输技术、处理评判技术及网络技术的计算机集成网络化测试技术突破了传统质量管理在空间、时间、信息获取等方面的限制。

4）机器视觉测试技术

机器视觉测试技术是一种将机器视觉、图像处理和测试技术相结合而形成的一门新型测试技术，具有非接触、可实时在线、精度高、信息量丰富等优点。机器视觉测试技术重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量，是实现在线精密测试的一种最有效手段，可以理想地解决多尺寸在线测试问题。

机器视觉测试技术在国外发展很快，早在20世纪80年代，美国国家标准局就预计检测任务将由机器视觉测试系统来完成。目前，国内外利用机器视觉检测技术研制的仪器与系统已较为普遍，如高速高精度数字化扫描系统非接触式光学三坐标测量机等先进仪器。

5）三坐标测量技术

三坐标测量机是基于三坐标测量技术原理设计，为适应现代制造系统发展趋势而产生的，是一种在机械制造领域得到广泛使用的几何尺寸数字化检测设备，几乎可以对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相互位置进行高准确度测量。

当前，三坐标测量技术主要集中于系统集成应用技术、误差自动补偿技术、数据处理技术与软件、数码柔性坐标测量、非接触式测试探头等方面的研究，并已经开发出了相应的产品。

存在的问题与不足

由于我国现代测试技术的研究起步较国外晚，同国外先进测试技术相比，还有较大的差距。我国现代测试技术主要存在以下问题与不足：

1）技术缺乏创新。

由于我国现代测量技术和设备的研究起步晚，造成先天落后于发达国家，加之我国对测量技术和设备研究不够重视，在研究领域没有足够的人力和物资投入，造成研究能力不足，研究范围有限，研究深度不够，导致我国测量工具虽然数量庞大但是没有技术含量，缺乏技术创新。

2）没有高端测量仪器。

我国目前的高端测量仪器市场基本被国外占领，国内使用的高端仪器全是外国品牌。高端仪器售价昂贵，而国内的设备却相当廉价，这导致我国对高端仪器的研究上陷入了一个恶性循环。国内的设备开发没有利润，就没有资金能力投入高端设备研究，只能徘徊不前。

3）理论基础薄弱。

测试理论基础是技术开发和研究的根本基础，而目前我国的测试理论只是在传统测试理论上的延伸，在现代测试技术基础理论方面比较薄弱，制约了我国测试技术的研究和发展。

4）电子电器检测起步晚。

我国电子电器检测特别是其能效检测起步晚，很多电子电器检测实验室不够规范，设备不健全。一些检测试验室是在传统的安全检测室上建立起来的，然而安全检测与电子电器检测是不同的概念，电子电器检测要求更高，使实验室内部设备、环境等不能达到检测要求。

发展趋势

随着现代制造技术等科学技术的不断应用发展，现代测试技术面临着新的挑战，将促使其向新的方向发展[12, 15-18]。下面，笔者将从传感器技术的发展、测试手段的发展、测量信号处理技术的发展和多技术集成化发展四个方面加以阐述。

1）传感器技术的发展。

传感器是测试技术中信息的源头。现代社会中，所有以计算机为核心的测控系统都需要传感器，而系统中的信息处理，转换，存储都与计算机技术直接相关，属于共性技术，唯独传感器是千变万化，多种多样的，故系统的功能更多的体现在传感器方面。随着科学技术的不断进步，先进测试技术的不断发展，传感器将从传统的结构设计和生产转向以微机械加工技术为基础的智能化、多维化、多功能化以及高精度化方向发展。

2）测试手段的发展。

进入21世纪以来，科学技术飞速发展，以个人计算机为代表的电子产品价格大幅降低，促使用户可以根据实际生产环境变化的需要，通过更换应用软件来拓展仪器功能，以虚拟仪器代替传统的硬件设备。另外，现代测试仪器能与计算机的文件存储，数据库等功能相结合，具有很大的灵活性和拓展空问。现代测试技术所采用的手段必将随着科技的发展朝着硬件功能软件化、集成化、模块化、硬件平台通用化方向发展。

3）测量信号处理技术的发展。

信号处理芯片是近年来出现的一种用与快速处理信号的器件，它的出现对简化现代测试信号处理系统的结构、提高运算速度、加快信号处理的实时能力都有很大影响。目前，基于现代测试技术的测量信号处理技术朝着：进一步提高在线实时信号分析处理能力；提高信号处理运算精度；扩大和发展新的专用信号处理功能；测量信号处理系统专业结构小型化、性能标准化、价格最低化方向发展。

4）多技术的集成化发展。

先进测试技术是一门结合了计算机技术、通信技术、测量技术、自动化技术、电子技术等多领域多学科现代科学理论的综合性测试技术。它不断的集成随着科技进步而出现的新型的科学技术。为了完善先进测试技术，其必将朝着多技术的集成化方向发展。

结束语

先进测试技术是进行各种科学技术、实验研究和生产过程参数检测中必不可少的手段。通过测试可以揭示事物的内在联系和发展规律，从而可以利用它，推动科学技术的发展，反过来科学技术的发展也能够更迅速的带动测试技术的发展。然而我国在先进测试技术方面发展起步较晚，还存在这诸多的问题和不足需要解决，急需高度重视我国先进测试技术的发展，国家给予更多的政策支持，我国的科研工作者投入更多的精力在先进测试技术的研究方面。我相信，在政府的支持下，我国科研工作者必将在先进测试技术方面取得突破性的研究，克服我国面临在先进测试技术方面面临的问题，缩小与国外发达国家的差距。

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