2023年, 第44卷, 第8期　
刊出日期：2023-08-28

  

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光学计量
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  电感型光学超导转变边沿探测器件光学谐振腔设计

  王振宇,钟青,曾九孙,李劲劲,徐骁龙,王雪深

  计量学报. 2023, 44(8): 1159-1162. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.01

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  为提高电感型光学超导转变边沿探测器件的探测效率,针对波长633nm的光子,厚度15nm的铌(Nb)膜光子吸收层,设计了一种基于Al全反射层、SiO2和SiNx减反层的谐振腔结构。通过仿真,选取低反射率参数分布区间,利用终点探测曲线作为谐振腔性能的判断依据,通过磁控溅射工艺和化学气相沉积工艺制备了谐振腔,并使用分光光度计测试了反射率,结果表明:制备的谐振腔可将633nm光波反射率降低至0.9%,并对506~690nm宽波段光也有良好的减反效果(反射率＜1%)。
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  激光标线仪在构建光学镜面测试光路中的应用

  季波,徐晨,汤瑾

  计量学报. 2023, 44(8): 1163-1168. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.02

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  基于激光标线仪能够非接触式输出连续参考基准的特性,提出将激光标线仪应用于辅助构建光学镜面测试光路,分别研究了激光标线仪在平面镜测试、球面镜测试、Ritchey-Common法测试、非球面镜测试等测试光路构建中的作用以及在光路调整中的操作事项,总结了激光标线仪在空间定位、光轴校正中的特殊优势,讨论了激光标线仪误差对于测试的影响以及相应的修正措施,并通过实验比对验证了激光标线仪相比传统辅助测试设备的优势。研究表明用激光标线仪能替代传统的辅助对准调试设备和方法,对于不同类型的光学镜面测试均有很好的适应性。
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  高品质因子氟化镁晶体微腔制备与测试

  瞿志二,潘奕捷,刘贤文,张诚,王瑾,屈继峰

  计量学报. 2023, 44(8): 1169-1175. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.03

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  研制了基于直线电机、高精度光栅尺、力学反馈单元的精密自动磨抛系统。在制备晶体微腔时,该系统可准确控制晶体微腔的尺寸、厚度及外形。采用预成型、粗磨、粗抛以及精抛等步骤制备了具有高品质因子的氟化镁晶体梯形微盘腔。利用白光干涉仪表征精抛后的氟化镁晶体表面粗糙度为2.84nm。通过搭建锥形光纤与晶体微腔耦合测试系统,采用光腔衰荡方法测得所制备的晶体微腔在1550nm处的本征品质因子为4.55×10⁸。
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  高稳定度红外平面黑体辐射源的研制

  冯国进,吴志峰,郑春弟

  计量学报. 2023, 44(8): 1176-1181. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.04

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  为了满足现场复杂环境红外辐射测量设备定标的要求,研制了2套便携式高稳定度、有效辐射面为400mm×400mm的红外热辐射源。其中1套采用基于密闭流体控温的原理,主要工作在比环境温度低10℃的相对低温工作区,用于作为环境辐射的参考低温点;另1套采用大面积半导体制冷器(TEC)控温的原理,主要工作在比环境温度高10℃的相对高温工作区。2套红外辐射源的表面发射率均高于0.97,控温稳定性可达0.01℃/h,红外辐射源面温度面均匀性优于0.2℃。
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  几何特征约束的SIFT特征匹配改进算法

  张喜民,詹海生,余奇颖

  计量学报. 2023, 44(8): 1182-1187. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.05

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  图像配准精度直接影响机器视觉尺度检测的精度,针对尺寸不变特征变换(SIFT)特征匹配未考虑特征点之间的几何关系,对于小插件等灰度变化较平滑的图像易产生误匹配点的问题,提出了几何特征约束的SIFT特征匹配改进算法。首先,用基于边界拓扑分析的图像跟踪算法提取目标轮廓;然后,用轮廓特征对SIFT算法进行约束并利用随机抽样一致(RANSAC)算法去除“离群点对”;最后,估计变换矩阵并完成图像精确配准。基于高分辨率工业相机和高性能计算机构建精密尺度检测系统,以手机USB接口插件为对象进行实验,实验结果表明:该算法图像配准精准度可达95.31%,与SIFT算法、SIFT+RANSAC算法相比较,配准精准度得到了较大提高,该算法已应用于某检测设备研制中。
几何量计量
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  激光跟踪多边异步测量系统标定点布局研究

  闫阳,夏文杰,林虎

  计量学报. 2023, 44(8): 1188-1195. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.06

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  为了提高激光跟踪多边异步测量系统基站的标定精度,对标定点的布局进行研究。首先,基于激光跟踪多边法原理在不同标定点布局下开展仿真实验,结果表明:不同标定点布局下,位置精度因子(PDOP)值不同,基站的标定精度不同; 然后,基于PDOP值,对标定点在不同维度上的布局进行研究,结果表明:标定点布局在一条直线上时,基站标定精度比较差,当标定点布局在平面内或空间范围内时,随着布局范围的扩大以及标定点数量的增加,基站的标定精度提高;最后,通过被测点测量实验,进一步验证了PDOP值可量化表征标定点布局的优劣性,当标定点布局在三维空间区域时,基站对应的PDOP值<3,被测点坐标与参考坐标空间距离≤4.4μm,基站的标定精度和被测点的测量精度更高。
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  基于激光干涉与电容传感复合校准技术的纳米微动台分辨力评价方法研究

  阎晗,张树,皮磊,马英瀚,胡佳成,施玉书

  计量学报. 2023, 44(8): 1196-1201. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.07

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  激光干涉仪测量纳米级分辨力时,因环境等因素的干扰测量具有局限性,电容传感器可较好地对抗这种干扰,但存在无溯源性、非线性误差的缺点。为实现纳米级分辨力的量值溯源,保障量值准确性,采用激光干涉仪对电容传感器进行校准,从而形成纳米微动台-电容传感器-激光干涉仪的完成溯源链。通过量值溯源实验可知,在10nm步进下电容传感器与激光干涉仪测量量值最大偏差为0.8nm;电容传感器分辨力校准实验中,纳米位移台分辨力为2nm。上述结果说明此校准方法具有一定的可行性和实用性。
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  双臂非共程点光源非定域干涉小角度测量方法

  张宝武,崔建军,欧阳烨锋,陈恺,方振远

  计量学报. 2023, 44(8): 1202-1207. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.08

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  为了提高小角度测量的精度,提出了一种双臂非共程点光源非定域干涉小角度测量方法。通过建立小角度测量的理论模型,搭建测角系统,并采用大靶面无镜头小像素的CCD记录干涉同心圆环。其原理为利用暗环和亮环兼顾的多圆环回归拟合系列圆环圆心定位方法实现圆心侧移量的高精度测量,完成与激光干涉小角度测量仪进行比较测量实验。结果显示,所提方法在3h之内,x方向上的稳定性波动幅度最大为-2.46″,y方向上的稳定性波动幅度最大值为-1.92″;测角重复性在±0.50″内最大偏差为-0.45″,与激光干涉小角度测量仪具有较好的一致性。
热学计量
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  集成电路用NTC热敏电阻温度计校准方法研究

  李嘉豪,孙建平,李婷,汪洪军,王光耀,陈泽川,高传吉

  计量学报. 2023, 44(8): 1208-1213. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2022.08.09

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  针对集成电路在21～23℃范围内近mK量级测温精度的需求,研究了负温度系数(negtive temperature coefficient,NTC)热敏电阻温度计的校准方法对集成电路测温系统精度的影响。利用比较法对24支3种不同型号的NTC热敏电阻温度计进行校准,使用最小二乘法进行基本方程、Hoge-1方程、Steinhart-Hart方程的系数计算,分析校准方程的内插残差,评价低阶精准校准方程的可行性,为集成电路制作工艺的高质量中的温度测控提供技术支撑。结果表明:基本方程、Steinhart-Hart方程、Hoge-1方程残差的标准偏差分别为2.29、0.63、0.65mK;使用2个校准点的基本方程的性能最差,使用3个校准点的校准方程的Hoge-1方程表现出最好的内插性能,在集成电路窄温区温度精确测量方面具有较高的应用价值。
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  基于机器视觉的多表位数字温湿度计自动校准系统研究

  周逸,潘永杲,闵琪涛,姚建,李峻,陈璐,缪文娇

  计量学报. 2023, 44(8): 1214-1221. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.10

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  针对现有数字温湿度计校准装置工作效率低无法满足日益增长的校准需求,人工读数无法进行复核和追溯等问题,利用图像分割、处理、字符识别等机器视觉技术对现有的校准装置进行自动化改造,基于LabVIEW设计了一套适用于多表位数字温湿度计的自动校准系统。使用了超过10种型号总计30个数字温湿度计进行自动校准实验,结果表明:自动校准系统的识别准确率大于99.3%,通过人工复核可保证校准结果无误,验证了该套自动校准装置及系统的可靠性。
流量计量
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  基于压缩感知算法的平面电容成像图像重建

  张立峰,张博雄,华回春

  计量学报. 2023, 44(8): 1222-1228. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.11

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  提出了一种用于平面电容成像的压缩感知图像重建算法。根据平面阵列电极电容值与电极间距离的关系,对独立测量值数量进行了删减。针对图像重建的病态性及缺陷模型介电常数分布稀疏性,将基于压缩感知理论的梯度投影(GPSR-BB)算法应用于平面电容成像图像重建,进行了复合材料缺陷检测的仿真及实测实验,并与LBP、Tikhonov正则化及Landweber迭代算法进行比较,结果表明,提出的GPSR-BB算法重建图像质量得到明显提高。
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  往复式双柱塞气体流量标准装置实验研究

  徐春伟,张高明,徐志鹏

  计量学报. 2023, 44(8): 1229-1234. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.12

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  针对活塞式气体流量标准装置活塞缸筒尺寸受限、流量范围较小的问题,设计了一种往复式双柱塞气体流量标准装置,基于该装置探索了单缸、双缸并联以及双缸串联等不同模式的运行规律。采用0.06m3/h名义流量喷嘴进行了检定实验,结果表明,装置在不同运行模式时的重复率均小于0.02%,其中单缸和双缸并联模式下检测误差不超过0.02%,双缸串联模式下不超过0.05%。
力学计量
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  光纤压力传感器测量的最小偏差腔长解调算法

  申雅峰,江毅,隋广慧

  计量学报. 2023, 44(8): 1235-1239. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.13

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  在光纤传感技术领域应用基于法珀腔(外腔式法布里-珀罗干涉腔)结构的光纤压力传感器进行气体压力测量时,由于传感器结构决定了腔长动态范围相对较小,需要高分辨率的腔长测量方法。因此针对基于法珀腔结构的光纤压力传感器进行绝对腔长解调算法研究,提出一种高精度最小偏差腔长解调算法,通过将法珀腔光纤压力传感器密封在压力标准源中,对等间隔压力变化产生的不同腔长进行实时解调,实现了气体压力的实时测量。实验结果表明,法珀腔光纤压力传感器腔长值随压差变化呈现出良好的线性关系和重复性,腔长测量的重复性为±1nm,精度为0.1496%,压力测量的重复性为0.12%,压力测量的精度优于0.5%。
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  基于N-BEATS神经网络的滚动轴承剩余寿命预测

  时培明,苏世敏,马慧中,许学方,韩东颖

  计量学报. 2023, 44(8): 1240-1247. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.14

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  针对轴承剩余使用寿命预测时采集到的信号序列复杂且不平稳,导致预测精度和性能较低的问题,采用经验模式分解对信号序列进行自适应分解,利用动态时间规整算法筛选主要退化特征,提取信号序列趋势特征,使用具有残差原理的深层神经网络N-BEATS进行预测。对于预测历史数据较少的问题,采用递归与直接相结合的预测结构对剩余寿命进行多步预测。将N-BEATS与长短时记忆神经网络、灰色预测模型进行比较,结果表明在不同工况下,所提出的方法预测结果的平均绝对误差相较于LSTM、灰色预测模型分别提升了3.2%以及3.3%,相对均方根误差分别提升了3.5%以及3.1%。
电磁学计量
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  基于INSGA-Ⅱ的电能计量器具自动化检定系统期间核查方案研究

  李亮波,解金芳,耿睿,田天

  计量学报. 2023, 44(8): 1248-1255. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.15

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  为实现电能计量器具自动化检定系统期间核查高质量、高效率及低成本的多目标要求,建立了以最小化综合核查成本、最大化检定效率为目标的数学模型。针对该模型的求解,提出一种改进快速非支配多目标优化算法(INSGA-Ⅱ),通过设计多点交叉变异策略提高种群的搜索能力,并采用扰动种群提高种群的多样性,防止种群陷入局部最优。通过算例仿真以及算法对比,验证了该模型和算法的有效性和可行性。结果表明,所提INSGA-Ⅱ算法可有效求得问题的非支配解,对提高核查质量、核查效率和降低核查成本具有指导意义。最后,将模型最优解应用于国网湖北省电力计量中心低压电流互感器自动化检定系统期间核查,绘制控制图监测检定系统运行状态,确保测量过程可控。
无线电、时间频率计量
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  基于ECT与深度学习的高含水率违禁品快速筛查方法

  何永勃,张书豪

  计量学报. 2023, 44(8): 1256-1263. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.16

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  为了实现海关对高含水率违禁品的非侵入快速筛查,提出了一种电容层析成像(ECT)技术与深度学习相结合的检测方法,在仿真环境下进行了可行性研究。首先,设计了适合安装在传送装置上的ECT传感器,并构建了分别含有正常物体和高含水率违禁品的不同包裹模型;然后,利用电容传感器获得不同包裹模型的电容信号数据,并进行二维和三维图像重建;最后,为了弥补人工观察包裹重建图像误判率高的缺陷,构建了自适应提取电容信号特征的一维卷积神经网络(1D-CNN)模型对包裹模型进行预测分类。实验结果表明:该方法的检测准确率可达98%以上,单个模型检测时间仅为10^-3s,能够实现高含水率违禁品的快速筛查。
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  基于微波圆形天线阵列检测管道裂缝的研究

  裘国华,田珊珊,袁勤文

  计量学报. 2023, 44(8): 1264-1271. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.17

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  提出了基于微波圆形天线阵列无损快速检测方法,用于检测管道纵向缝和横向缝。采用内径为5.4cm和8cm管道进行裂缝检测实验。首先使用HFSS软件进行仿真,确定微波可以在TE11模式下进行单模传输;然后搭建实验测试系统,天线阵列将矢量网络分析仪产生的信号发射到管道内传播,并将检测管道的反射波接收并传回矢量网络分析仪。通过不同圆形天线阵列检测2种管径的管道,结果表明,2根天线阵列可以检测到内径为5.4cm管道的裂缝,6根天线阵列能清楚检测到内径为8cm管道的纵向缝和横向缝,天线阵列的检测效果优于单棒状天线,为天线阵列检测管道裂缝进行了有益探索。
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  基于MEMS原子气室的饱和吸收稳频系统研究

  刘亚蕾,贾朔,蒋志远,王瑾,王建波,袁德成,林平卫,马爱文,屈继峰

  计量学报. 2023, 44(8): 1272-1276. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.18

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  利用微机电系统(MEMS)制造工艺制备微型铷(Rb)原子气室,并应用于饱和吸收光谱和激光稳频。通过深反应离子刻蚀和阳极键合工艺,实现玻璃-硅-玻璃“三明治”结构三腔型原子气室。以780nm波长的外腔半导体激光器作为饱和吸收光谱光源,搭建了基于MEMS Rb原子气室的饱和吸收光谱稳频桌面系统,实现了对MEMS气室控温加热,并分析了对不同温度、不同激光功率条件下的饱和吸收谱线。基于锁相放大器实现频率锁定,利用拍频方法对系统频率稳定度进行评估,实验结果表明:积分时间为1s和100s时的频率稳定度分别为2.7×10^-11和6.3×10^-12。
电离辐射、化学计量与生物计量
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  基于正比计数器的低能X射线空气比释动能测量研究

  秦峰,吴金杰,李梦宇,鲁平周,屈冰冰,焦志伟,汤显强,朱伟峰,赵瑞

  计量学报. 2023, 44(8): 1277-1283. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.19

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  为准确测量低能低剂量率X射线,依托10~60kV X射线光机,在低空气比释动能系列辐射质基础上,通过继续添加附加过滤的方式,建立了7个参考辐射质。运用蒙特卡罗模拟程序得到各辐射质的能谱,并计算其半值层和平均能量。采用正比计数器完成能谱的测量,模拟能谱与实测能谱的平均能量相对偏差不超过6%。利用PTW34047电离室通过逐级替代法完成空气比释动能率的测量,对正比计数器进行校准测量,得到能谱-剂量转换函数。最后对能谱-剂量转换函数进行验证,与电离室法得到的结果偏差不超过3.8%;采用AT1123巡测仪验证,其相对偏差在9%以内。
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  光谱数据预处理策略选择及应用

  孙嘉豪,张伟,施鉴芩,李艳坤

  计量学报. 2023, 44(8): 1284-1292. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.20

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  光谱预处理是建立光谱计量学模型中的重要环节,目前,已出现诸多光谱预处理方法。根据预处理目的与效果的不同,分类综述了散射校正、尺度缩放、平滑处理、基线校正与滤噪中常用光谱预处理方法的提出、发展、原理、特点和近年来的应用实例;根据目前预处理方法使用时存在的问题,结合应用实例探讨了预处理方法集成策略的原理、发展和特点,并对其研究趋势和发展前景进行了分析,以期为光谱预处理方法策略的选择和使用提供依据和参考。
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  大气中甲烷连续自动监测结果的不确定度评定

  崔虎雄,柴文轩,王颖,伏晴艳

  计量学报. 2023, 44(8): 1293-1297. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.21

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  大气中甲烷浓度的持续增加引起的全球气候变化已成为世界共同面临的热点问题。为了精准研究环境空气中甲烷浓度变化特征和规律,评估甲烷测量结果的不确定度具有重要意义。基于在线气相色谱法测定大气中甲烷,对测量过程中产生不确定度的主要来源进行了分析,量化和评定各不确定度分量。结果表明:甲烷浓度为2000nmol/mol时,其扩展不确定度为 100nmol/mol(取包含因子k=2,置信概率P=95%)。经分析发现,大气中甲烷在线测量的不确定度主要由标准气体稀释配制和标准曲线拟合所引入。
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  去卷积定量核磁共振法测定缩宫素纯度

  黄挺,张伟,李红梅

  计量学报. 2023, 44(8): 1298-1302. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.22

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  缩宫素是重要的肽,被选择为相对分子量5000以下、交联且无修饰的肽类的代表,作为纯度计量国际比对的分析目标物。建立了一种去卷积定量核磁共振法,用于测定含有大量结构类似杂质的缩宫素样品的纯度,选择合适的内标(安赛蜜)、溶剂(重水)、定量峰(化学位移=7.1的苯基氢)以及实验参数,通过去卷积分析,获得与定量峰重叠的3个杂质峰的面积,扣减了杂质峰的面积,准确测定了缩宫素的纯度。使用所述方法参加了国际比对,结果(785.8mg/g,扩展不确定度15.4mg/g)与比对参考值(787.2mg/g,扩展不确定度12.9mg/g)一致;而且,与其它常用方法相比,所述方法的操作简便,分析时间短,成本低。结果表明该方法是一种准确、快速、简便的肽纯度定值方法。
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  ConvOS:一种具有可解释性的新冠肺炎X光影像诊断模型

  简献忠,游国达,张韬,张贞文

  计量学报. 2023, 44(8): 1303-1309. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.23

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  为了提高深度学习模型在新冠肺炎X光影像诊断中的诊断精度,改善模型可解释性不足,设计了一种融合双边扰动综合梯度显著图优化(IGOS++)算法和改进的ConvNeXt网络模型的新冠肺炎可视化诊断(ConvOS)模型。在ConvNeXt网络模型的残差块中引入一种高效通道注意力(ECA)模块,利用IGOS++对改进的ConvNeXt网络模型的输出特征进行扰动分析,得到最优的插入损失超参数,生成高精细度显著图,提高新冠肺炎X光影像可视化解释诊断性能。在COVIDx数据集上实验结果与其它诊断模型相比,分类性能指标更优,显著图的感兴趣区域(ROI)更为精准,模型的诊断置信度更高。实验结果表明:ConvOS模型诊断的准确率、召回率、精确度和F1-score分别达到了93.7%、92.6%、96.2%和94.4%,与其它诊断模型相比,分类性能指标更优,显著图的感兴趣区域更为精准,模型的诊断置信度更高。
计量学总论
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  加强计量学与相关学科交叉融合建设的探索与实践

  黄乐富,宋明顺,包福兵,徐婳

  计量学报. 2023, 44(8): 1310-1316. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2023.08.24

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  计量学是测量及其应用的科学,加强计量学学科建设是国家计量事业发展的重要技术人才支撑。学科交叉融合是推进计量学学科建设发展的有效途径,在国家建设现代先进测量体系背景下,聚焦高校推动计量学与相关学科交叉融合建设,借鉴高校开展学科交叉融合的典型模式,研究分析了学科目录指引下高校布局的模式与路径,探讨分析了“计量+学科”和“学科+计量”两种交叉融合模式和示例,介绍了中国计量大学推动实践探索过程中的一些建设经验,同时期望交叉融合模式的探索与实践,能为相关高校布局计量学相关学科交叉领域提供参考和支撑。