2023年, 第44卷, 第6期　
刊出日期：2023-06-28

  

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几何量计量
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  航空制孔垂直度快速检测方法

  余厚云,程雅妮,孙艺洪,付攀,曲正航

  计量学报. 2023, 44(6): 837-843. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.01

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  针对现场环境下的航空制孔垂直度检测问题,提出了一种基于激光测距的快速高精度测量方法。首先,利用膨胀芯轴在被测孔内稳定支撑并模拟孔的轴线,通过安装在芯轴上的激光测距传感器和角度编码器获取孔的端面点云数据,并拟合出端面法向量;最后,计算该法向量与被测孔轴线之间的夹角作为垂直度误差。为了提高装置测量精度,提出了基于RANSAC的三维点云重建算法,并通过向量合成法补偿由膨胀芯轴体现基准时所产生的系统误差。利用不同垂直度标准环规对所述装置进行了标定,并完成了平面样件及曲面样件的制孔垂直度测量实验。实验结果表明:该装置的测量重复性<0.01°,最大示值误差<±0.1°,单个孔的测量时间<1min,能够满足航空制孔垂直度的现场检测精度与速度要求。
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  基于机器视觉的摆线轮精度综合测量

  尹婉婉,赵文辉,张静

  计量学报. 2023, 44(6): 844-851. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.02

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  针对目前摆线轮检测过程中存在的采集信息量少、测量速度慢等问题,提出了基于机器视觉的综合测量方法。根据摆线轮的测量精度要求,搭建了视觉检测硬件系统;沿粗边缘切向窗口拟合Facet灰度曲面,利用边缘的连续曲面特征,确定亚像素坐标点,利用量块检测定位精度为0.2pixel;经像素当量标定、光强补偿和坐标变换,得到物理坐标系下摆线轮的亚像素齿廓;将其和三坐标测量法测得的摆线轮廓形对比,得到的摆线轮廓形之差为10μm;根据摆线轮的齿廓方程,采用直角坐标和极坐标相结合方法,建立摆线轮误差计算模型,计算出摆线轮齿廓偏差和齿距偏差;同时评价摆线轮中心孔和2个曲柄轴孔的直径,得出齿廓偏差与极角的关系,为摆线轮的加工工艺改进和RV减速器传动性能分析提供依据。以上整个测量过程时间约为16s。
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  基于法向量权重改进的ICP算法

  朱玉梅,邢明义,蔡静

  计量学报. 2023, 44(6): 852-857. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.03

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  针对三维重建过程中点云配准的精度和速度不理想的问题,提出一种基于法向量权重改进的迭代最近点(ICP)算法。通过将点云的法向量投射到高斯球上,统计不同方向法向量的分布情况,结合物体的几何结构信息赋予相应的权重,利用法向量权重结合点到平面的误差度量方法计算最优刚体变换矩阵。实验结果证明:以球面点云数据为例,与改进前的迭代最近点(ICP)算法相比,在配准速度没有降低的情况下,配准误差减小为原来的30%左右,而且该算法适用于各种点云模型,效果显著。
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  基于圆/柱度仪的回转体两点尺寸测量方法研究

  赵则祥,王帅飞,赵新宇

  计量学报. 2023, 44(6): 858-864. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.04

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  提出了一种基于圆/柱度仪的回转体两点尺寸测量的方法。建立了基于标准圆柱直径的圆/柱度仪径向尺寸测量系统误差模型;以最小二乘圆圆心为坐标原点和最小二乘圆圆心与第一个采样点的连线为x轴向,建立新的坐标系。通过坐标平移和旋转,将原坐标系中各采样点的坐标转换到新的坐标系中的坐标,并将其转换成相应的极坐标值;基于这些极坐标值,建立其三次样条插值方程,并由其确定圆柱体的两点尺寸。给出了回转体两点尺寸测量与评定的流程,用所编制的程序对在圆柱度仪上提取的圆柱体要素的轮廓进行了两点尺寸评定与统计分析。该研究将为符合GB/T 24637.3定义的回转体两点尺寸提供一种可行的测量方法。
光学计量
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  用KI/KIO3化学曝光剂直接测量UV-LED紫外线输出量的方法

  张连峰,周钰,常保延,熊东,闫建昌,申聪敏,王春勇

  计量学报. 2023, 44(6): 865-870. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.05

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  紫外线发光二极管(UV-LED)是新一代紫外线光源,紫外线输出量是最关键的特性参数。为了测量UV-LED的紫外线输出量,提出了用化学曝光剂捕捉UV-LED发射出的紫外线所有光子的测量方法。单位时间内捕捉到的所有光子的能量总和就是紫外线输出量。由于KI/KIO3化学曝光剂是液体,通过旋转可形成漩涡, 将UV-LED置于漩涡中,既不接触液体,又能捕捉所有从UV-LED发出的光子,从而准确测量UV-LED的紫外线输出量。测量过程中,UV-LED的热量被引到一个水箱,保持UV-LED的结温稳定。结果表明,通过仔细的操作,KI/KIO3化学曝光剂的测量是可控的,实验数据显示,测量数据的离散系数在0.02~0.079范围内。
热学计量
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  护热板法测量高温下材料导热系数的研究

  刘晔,张金涛,王金库,王明凯,孙坚,徐红伟

  计量学报. 2023, 44(6): 871-877. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.06

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  中国计量科学研究院(NIM)新研制了单样品高温防护热板法装置,设计工作温度范围从室温至500 ℃、导热系数测量范围0.02～0.5W/(m·K)。通过新的温度控制技术,有效抑制了系统热惯性引起的热振荡,在长达2h的热平衡期内,各部件的温度波动可控制在0.005℃以内;采取上防护板温度补偿,抑制了上防护板的漏热。新装置测量导热系数的不确定度为1.2%(k=2)。在平均温度30～70℃范围,与美国国家标准技术研究院的导热系数标准参考物质NIST SRM 1450d标准值相对偏差为0.2%～1.9%。测量了有机玻璃的导热系数,与PTB测量值的相对偏差为-0.8%～-1.5%。在40～400℃温度范围,测量了高温岩棉的导热系数,测量不确定度为4.7%(k=2)。
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  辐照碳化硅测温晶体温度标定试验感温过程分析研究

  雷键,李杨,崔汉骁

  计量学报. 2023, 44(6): 878-885. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.07

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  辐照碳化硅测温晶体是航空发动机研制过程中热端旋转部件温度测量的重要方法,其测量精度依赖于对其温度-缺陷浓度响应关系的精准标定,标定过程可分为温度标定试验、晶体缺陷表征测量、标定曲线建立3个阶段。温度标定试验中,温度场的波动、测温晶体与测温热电偶感温偏差以及非理想因素导致的传热是辐照晶体技术测量误差的重要来源。利用实验和数值方法,研究了辐照测温晶体在温度标定试验过程中不同阶段下主导的传热传质过程,分析了支杆材料的热物理参数、温度过冲以及准热平衡状态下的温度扰动对于测温晶体感温的影响,结果发现测量误差主要由辐射场在轴向方向的不均匀分布所导致,最后对支杆的材料和结构设计提出了相应的改进方案。
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  基于最小二乘法的海洋温度传感器动态响应特性测量不确定度研究

  王朋朋,赵士伟,孟文蓉,叶松

  计量学报. 2023, 44(6): 886-892. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.08

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  针对海洋温度传感器动态响应特性测试需求,通过水文传感器时间常数测量装置对典型海洋温度传感器进行了时间常数测试,分析了时间常数特性,并根据测量原理对基于最小二乘法的时间常数测量结果进行了综合全面的不确定度研究。结果表明:时间常数与温度阶跃大小无关,不同类型传感器的时间常数与运动速度满足不同的函数关系,可用该函数关系式表征该传感器的时间常数特性;在0.5～3.0m/s范围内,时间常数测量结果的相对扩展不确定度优于10.2%,与其最大允许误差±10%相当,满足水文传感器时间常数测量装置的性能要求。水槽的温度波动度和均匀性是不确定度的主要来源,营造理想的阶跃环境,保持测试环境工况稳定,能有效减小初始电压和初始时刻引入的不确定度分量,提高动态响应特性的测量精度。研究结果可为海洋温度传感器的研发测试和动态标定技术等提供技术参考。
流量计量
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  基于深度森林及电阻层析成像的气液两相流流型辨识

  张立峰,佟彤,肖凯

  计量学报. 2023, 44(6): 893-898. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.09

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  提出了一种基于深度森林(DF)算法与电阻层析成像技术(ERT)的气液两相流流型辨识方法。首先利用ERT实验装置对4种典型流型进行数据采集,以多帧数据求均值的方式对采集的数据进行预处理;然后选择合适的基本分类器构建深度森林模型,并调整模型的最大层数以保障分类的准确率;最后对多帧数据求均值的有效性和深度森林模型的流型辨识能力进行验证,并与深度神经网络(DNN)及卷积神经网络(CNN)2种传统深度学习算法进行比较。结果表明深度森林的流型辨识准确性优于其他2种算法,平均辨识精度可达98.75%,多帧数据求均值的预处理方法更有利于流型辨识。
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  多气源天然气管网发热量动态赋值方法研究

  王雁冰

  计量学报. 2023, 44(6): 899-906. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.10

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  在天然气管网动态模拟水力计算方法的基础上,耦合了混输节点流量分配求解方法和发热量动态赋值方法,采用隐式差分法进行数值求解。基于上述方法,编写了多气源天然气管网发热量赋值软件,并进行了发热量赋值计算。经验证,发热量的模拟数值与实测结果的误差在0.36% 之内,满足GB/T 18603《天然气计量系统技术要求》最大允差要求。该方法实现了多气源天然气管网气质跟踪和发热量动态赋值的功能。
力学计量
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  汽车电动助力转向系统负载阻力矩特性多自由度建模仿真分析

  周琪,范伟军,郭斌,罗哉,潘银斌

  计量学报. 2023, 44(6): 907-916. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.11

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  为了研究由道路、轮胎以及车辆等多元素组成的非线性复杂系统中电动助力转向系统(EPS)受力状态,从EPS系统齿轮齿条转向机构入手,结合统一轮胎模型、车辆七自由度动力学模型以及前轮定位参数,建立基于七自由度整车转向模型的EPS系统负载阻力矩模型,并通过MATLAB/Simulink软件进行多自由度建模仿真,最后进行双移线仿真实验和转向瞬态响应仿真实验。实验结果表明:与三自由度整车转向模型相比,该模型能更好地反映在不同车速下,汽车EPS系统负载阻力矩随转向盘转角的变化特性。
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  基于离散元法的颗粒压实特性研究

  陈超云,文慧卿,梁艳争

  计量学报. 2023, 44(6): 917-922. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.12

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  颗粒压实致密化过程中,对颗粒物理特性和动态响应的关系,缺乏数学模型对力学行为进行表征。在解决颗粒压实致密化过程中,颗粒物理特性和动态响应间关系及缺乏数学模型对其力学行为进行表征的问题。基于离散元法(DEM)建立了振动、旋转2个模型,对颗粒压实致密机制进行描述。为便于观察分析颗粒运动过程以及填充效果的变化,将颗粒的实际尺寸进行放大,设计骰子在圆柱形容器内的振动和变速旋转实验,探究颗粒压实的动力学特性。研究结果表明:在振幅为15mm,振动频率为1~5Hz激励下,颗粒会长时间停留在半有序排列状态,只有随时间推移,缓慢降低振幅至10mm,振动频率至3Hz时,才能达到完全有序排列状态。变速旋转的加速度大于0.5g时,无需加以干预,颗粒就能达到有序排列状态。
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  基于元生成内在奖励的机器人操作技能学习方法

  吴培良,渠有源,李瑶,陈雯柏,高国伟

  计量学报. 2023, 44(6): 923-930. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.13

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  针对稀疏奖励下,复杂任务学习效率低的问题,在离线策略(off-policy)强化学习思想基础上,提出了元生成内在奖励算法(meta generative intrinsic reward, MGIR),并将其应用在机器人操作技能学习问题求解方面。具体步骤为先使用一个可将复杂任务分解为多个子任务的元生成内在奖励框架,对子任务进行能力评价;再引入生成内在奖励模块,将智能体探索得到状态的新颖性作为内在奖励,并联合环境奖励共同指导智能体完成对环境的探索和特定任务的学习;最后,在MuJoCo仿真环境Fetch中对离线策略强化学习进行对比实验。实验结果表明,无论是在训练效率还是在成功率方面,提出的元生成内在奖励算法均表现较好。
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  导叶式离心泵瞬态空化流动及压力脉动分析

  王浩,李林伟,牟成琪,周佩剑,吴登昊

  计量学报. 2023, 44(6): 931-938. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.14

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  采用RNG k-ε湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对导叶式离心泵进行数值模拟,得到内部压力脉动频谱曲线。结果表明:叶轮监测点压力脉动峰峰值沿流动方向逐渐降低,主频为8倍转频及其倍频;随着空化加剧,叶轮压力脉动峰峰值逐渐降低;正反导叶压力脉动主频均为叶频及其倍频,且幅值随空化发展而增加;空化在轴向上表现为自叶轮前盖板向后盖板空泡体积分数逐渐增加;叶轮与正导叶之间动静干涉使叶轮内流场产生周期性变化,造成压力脉动呈现周期性波动。
电磁学计量
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  基于PF-LSTM的锂电池剩余使用寿命预测

  吴忠强,胡晓宇,马博岩,侯林成,曹碧莲

  计量学报. 2023, 44(6): 939-947. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.15

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  针对锂电池剩余使用寿命(RUL)难以准确预测的问题,提出一种考虑多种寿命衰退特征与数据时序性的基于粒子滤波改进长短期记忆网络(PF-LSTM)的预测模型,并应用于锂电池的RUL预测。从电池历史充放电老化数据中提取与容量衰退密切相关的健康因子作为LSTM网络的输入,利用PF算法全局优化的能力寻优超参数,包括神经元个数、学习率、节点丢弃率、批尺寸大小、训练步数等6个参数,提高网络的预测能力;引入Dropout层,避免网络过拟合,提高模型的泛化能力。基于NASA PCoE电池数据集进行实验验证,对4块电池在不同预测起始点下的容量估计和寿命情况进行预测,并与经网格搜索的LSTM,SVR等算法进行比较。实验结果表明,PF-LSTM容量估计的RMSE与MAE均在2%以内,且寿命预测误差在3个循环以内,相比于其他算法精度最高。
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  残周期正弦曲线拟合的比较研究

  梁志国

  计量学报. 2023, 44(6): 948-955. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.16

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  针对频率搜索法和组合法2种残周期正弦曲线拟合方法在实际拟合中所能达到的最短周期个数极限,分别在单精度浮点数和双精度浮点数2种采样序列条件下进行了仿真实验研究,通过分别搜索变化序列周波长度、波形初始相位、序列包含的采样点数,考查残周期正弦参数拟合误差及其变化规律。获得的结论为:1)对于单精度浮点数序列,任意相位条件下,频率搜索法在10%的波形周期曲线下可以获得可用的结果,组合法可以在7%的波形周期曲线下获得可用的结果;过零点附近的最佳条件下,组合法可以进行1%周期曲线的残周期拟合。2)对双精度浮点数序列,任意相位条件下,频率搜索法在7%的波形周期曲线下可获得可用结果,组合法可以在4%的波形周期曲线下获得可用结果;过零点附近的最佳条件下,组合法可以进行0.03%周期曲线的残周期拟合。
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  电磁兼容试验不确定度的对数评定法安全系数估计

  黄杰伊,罗哉,程银宝,吴军,袁科锋

  计量学报. 2023, 44(6): 956-961. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.17

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  随着电磁兼容认证的普及,关于电磁兼容领域测量不确定度的讨论日益增多。目前就电磁兼容试验关于对数单位、线性单位的使用上仍存在着争议,GUM中也没有涉及到对数单位评定的参考标准。针对这一现状,通过对数正态与线性正态的讨论,得出一个与对数单位标准差、测量次数取值相关的安全系数估计t。以对数单位评定的均值为最终基准,安全系数可将对数正态分布评定区间扩展,令评定结果在尽可能小地扩大的基础上,能完整囊括线性单位的评定结果,达到消除评定结果中线性单位与对数单位争议的效果,使得不确定度结果更安全、可靠。
无线电、时间频率计量
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  PCM设备电容参数整体校准方法研究

  乔玉娥,刘霞美,丁晨,朱超,吴爱华

  计量学报. 2023, 44(6): 962-967. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.18

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  半导体行业中普遍使用的工艺过程监控设备(PCM设备),是芯片产品中测环节必不可少的测量设备。PCM设备电容参数的准确测量,是保证与电容制作相关工艺参数的重要手段。针对国内PCM设备电容参数暂无溯源途径现状,根据其测试原理,研究了基于在片电容标准件的整体无损校准方法。采用增加绝缘层的半导体工艺,研制了高稳定性、频响至1MHz、电容低至0.5pF的在片电容标准件,满足了国内PCM设备电容参数自动校准需求,测量不确定度优于1%。研究了PCM设备电容参数溯源方法,从而保证了芯片产品PCM图形电容量值测量结果的准确一致,提高了计量效率。
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  基于鱼类活动生物电信号高精度计测的水质监测系统设计

  杨凌升,李伟,尤嘉琪,朱晓磊

  计量学报. 2023, 44(6): 968-974. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.19

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  鱼类水质监测法是目前水质生物监测法的一个重要方向。针对鱼类活动生物电信号强度弱、易受噪声干扰、以及鱼类水质监测传感器缺乏有效判定依据等难题,通过对观测电极采集到的鱼类活动电信号进行滤波增幅处理,再通过MSP430进行采集、转换,并在基于Labview程序设计的上位机中分别计算鱼类各种活动电位信号(呼吸运动和游泳运动)的功率谱密度,实现鱼类活动电信号的频域分析。然后,结合各类运动功率占比变化超过阈值与否这一全新判据,完成预警判断。最后,通过实验证明所开发系统的有效性。
电离辐射、标准物质与生物计量
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  基于显微图像法和数值仿真的宽分布颗粒粒度测量的不确定度分析

  姜友新,吴立敏,周骛,徐日辛,蔡小舒

  计量学报. 2023, 44(6): 975-980. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.20

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  随着宽粒度分布标准物质概念的提出,其定值方法也需加以明确。针对宽粒度分布标准物质电子显微图像的处理和不确定度等问题,首先采用了基于霍夫变换圆检测的球形颗粒图像边界识别方法,以实现对粘连颗粒图像的正确分割;其次通过数值仿真的方法确定了由取样数量引入的Dv50测量值的不确定度,并与相关标准进行对比分析, 验证了该方法的可行性;最后提出了由单个颗粒粒径不确定度获取颗粒系平均粒径不确定度的方法,并对粒度分布范围在1~18μm的玻璃微珠颗粒进行了不确定度评估,得到其相对扩展不确定度为1.613%(k=2)。
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  基于支持向量机的激光甲烷浓度量化研究

  曹全伟,凃程旭,许好好,包福兵,李想,沈佳园

  计量学报. 2023, 44(6): 981-985. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.21

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  可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术对甲烷气体探测及甲烷浓度的准确量化具有重要意义。由于激光甲烷信号较为微弱,传统甲烷浓度量化模型在复杂工况下存在量化误差大的问题。针对此问题,基于径向基核nu-支持向量回归机(RBF-nu-SVR)构建了激光甲烷遥测浓度量化回归模型,并与传统模型、多项式核及线性核的nu-支持向量回归机、BP神经网络等模型进行了对比研究。结果表明:所构建的RBF-nu-SVR模型在测试集上展现了较强的泛化性能,平均绝对百分比误差(MAPE)和皮尔逊相关系数(R2)分别为9.155和0.99947,提升了TDLAS对甲烷气体的探测精度。且由于采用的是原始数据,不需要进行二次谐波提取,简化了结构。
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  种子粉基体黄瓜绿斑驳花叶病毒标准样品研制及应用

  尹新颖,徐艺玲,刘弈銮,张一,陆忠婷,闫爽,曹际娟

  计量学报. 2023, 44(6): 986-991. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.22

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  基于国内黄瓜绿斑驳花叶病毒(cucumber green mottle mosaic virus,CGMMV)标准样品缺失的问题,以自然感染CGMMV的西葫芦种子批为原料,经特异性鉴定确认后,制备了西葫芦种子粉基体CGMMV标准样品,采用双抗体夹心酶联免疫吸附法和实时荧光定量RT-PCR法对其进行确证。结果表明所制备的标准样品性能稳定,经国内8家实验室对样品进行协同定值后,再经Shapiro-Wilk检验均符合正态分布。此外,采用Grubbs法检验进一步证实该种子粉基体标准样品中含有CGMMV。以上结果表明,该基体标准样品达到了国家标准样品的技术要求,或可用于实验室质量控制及能力验证、检测方法验证等活动。
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  肿瘤细胞外泌体的生物学功能及其检测方法研究进展

  宋雨蒙,翟睿,雷喜梅,楚占营,朱曼曼,樊小雪,叶子弘,戴新华,方向

  计量学报. 2023, 44(6): 992-999. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.23

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  外泌体是一类细胞分泌的微小囊泡,其中包含蛋白质、脂质和核酸等重要的生物活性物质。外泌体作为细胞间通讯的重要载体,直接参与机体内肿瘤的发生、发展进程,通过影响肿瘤微环境,进而介导肿瘤细胞的生长和迁移。由于外泌体具有特殊的生理功能,近年来,将其作为重大疾病治疗载体和生物标志物的研究日益增加,针对外泌体的检测方法也得到不断发展。对肿瘤细胞外泌体的生物学功能和检测的近期相关研究进行系统综述,并对检测方法的发展趋势加以展望。
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  肉类掺假检测方法及研究进展

  路宇轩,翟睿,吴帆,楚占营,朱曼曼,武利庆,江游,戴新华,方向,叶子弘

  计量学报. 2023, 44(6): 1000-1008. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.06.24

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  肉类及其制品的质量检测是食品安全的重要保障。过去几十年间,对肉类掺假造假检测已经发展了核酸检测技术、生物传感器、光谱学检测技术、免疫学检测技术和质谱技术等,能准确、快速地定性与定量检测市场上主要肉类及其制品的成分和含量。相关标准物质的研制与应用将进一步提升这些检测方法的准确性和可靠性。综合分析和回顾了肉类掺假分析的主要方法,归纳和总结了这些技术在肉类掺假检测的优点和不足。同时,讨论和展望了肉类及其制品掺假检测的发展趋势,以期对完善和规范我国肉类市场提供一定的参考价值。