2024年, 第45卷, 第4期　
刊出日期：2024-04-28

  

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几何量计量
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  量子自旋调控的微位移检测系统设计与测量

  李中豪,刘雨奇,张浩,刘鑫,张家璇

  计量学报. 2024, 45(4): 465-470. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.01

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  以氮空位(NV)色心磁强计为基础,量子自旋调控为技术手段,结合空间梯度磁场的均匀变化,实现基于固态量子自旋的高精度微位移检测。首先,通过永磁体构建均匀变化的梯度磁场,并获得梯度磁场与位移的关联关系;其次,搭建量子自旋调控系统,并通过光探测磁共振(ODMR)确定自旋共振频点,利用拉比振荡(Rabi)确定量子调控翻转周期,完成拉姆齐(Ramsey)序列参数的测定;最后,基于Ramsey磁场测量原理,完成Ramsey所对应的荧光强度与磁场梯度变化的测试,进而实现微位移的高分辨测量,位移的最小可分辨力约为104nm。
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  一种基于立体靶标定位的三维重建方法

  陈媛,罗哉,杨力,江文松

  计量学报. 2024, 45(4): 471-479. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.02

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  针对线激光传感器在特征信息匮乏引起的数据拼接误差较大的问题,提出了一种基于立体靶标定位的线激光数据拼接方法。通过双目立体视觉的空间几何约束构建靶标点库,实现立体靶标坐标系与线激光坐标系的位置标定;通过Canny边缘检测、亚像素边缘提取、椭圆拟合等算法对圆形特征点进行识别定位;将采集的局部标志点与靶标点库进行同源点匹配,解算线激光传感器的实时位姿;采用坐标系转换将线激光初始坐标与全局坐标系进行统一,实现点云的三维重建。实验结果表明:靶标标定的平均绝对误差为0.078mm,测量的标准件拟合平均偏差为0.127mm,与三坐标测量机)CMM)对比,该方法的测量平均偏差为0.165mm,与机器人定位拼接和深度相机测量结果对比,搭建的测量系统的平均测量误差和标准偏差较小,可以满足对复杂曲面的多角度实时扫描需求。
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  基于LM方法的麻花钻刃带宽度测量研究

  周正,台立钢,陈志远,张禹

  计量学报. 2024, 45(4): 480-488. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.03

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  提出一种基于二值化的麻花钻刃带宽度检测方法。首先对目标边缘进行锐化,然后用巴特沃斯高通滤波提取边缘信息;其次通过改进的大津二值化算法对疑似边缘点进行阈值分割,获取边缘点坐标;再次使用列文伯格-马夸尔特(LM)方法对边缘附近的点进行拟合,得到刃带宽度曲线并求其拐点,求取麻花钻刃带宽度的数据。最后进行对比实验,用LM方法对未处理的M35直径2.5cm的刃带图像进行处理得到刃带宽度1.467mm,测量误差 0.467mm。改进后的测量结果为0.853mm,测量误差为0.147mm。
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  多通道抗串扰式光谱共焦位移测量方法

  孙振国,李加福,罗明哲,李轶凡,胡佳成

  计量学报. 2024, 45(4): 489-495. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.04

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  提出一种位移测量方法,解决扫描光谱共焦测量系统存在不同共焦点之间的相互干扰问题。通过光纤束保持多个测量通道之间的独立性,并利用光开关切换测量通道来防止干扰。该系统的7个共焦点构成一个等边六边形,其中6个点分别位于六边形的各顶点处,1个共焦点位于六边形的中心,六边形的边长为43.27μm。通过位移测量实验得出,位移测量系统各测量通道的绝对误差小于0.15μm,范围为0~90μm。在测量台阶高度的实验中,2个高度差为30μm的台阶面,误差最大者为0.16μm;在球径测量实验中,无需移动测量系统或被测物体便可完成7路通道的测量;通过对数据进行拟合得到半径为5mm的球体近似值,最大误差为80.92μm。对比传统方法,该方法展现了较高的精度和分辨率。
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  标准核燃料组件几何轮廓校准装置的研制

  孙安斌,高廷,曹铁泽,乔磊

  计量学报. 2024, 45(4): 496-502. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.05

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  针对标准核燃料组件竖直状态下几何参数溯源需求,研制了一种标准核燃料组件几何轮廓校准装置。该装置以空间坐标测量为理念,利用多路接触式传感器作为轮廓测量采集单元,结合测量工作台高度位置获得轮廓坐标。通过直线度及扭转度测量与误差补偿,进一步提高了几何轮廓测量精度;并使用集成运动控制和专用测量软件,实现了标准核燃料组件几何轮廓参数(直线度、扭转度、垂直度、平行度)的自动检测。通过分析及实验验证,几何轮廓参数中直线度和平行度测量标准不确定度为0.01 mm,扭转度测量标准不确定度为0.007 mm,垂直度测量标准不确定度为0.017 mm,说明该装置能够满足标准核燃料组件的溯源需求。
光学计量
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  检偏器对轴角度误差对光纤环偏振耦合测量的影响研究

  王学勤,曹志峰,梁兰菊

  计量学报. 2024, 45(4): 503-507. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.06

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  为了分析检偏器偏振轴与光纤偏振主轴间的对轴角度误差对光纤环偏振耦合强度测量结果的影响,从理论上分析了采用光相干域偏振检测(OCDP)技术测试光纤环偏振耦合强度的基本原理,建立了光纤环中偏振耦合点耦合强度与检偏器对轴角度间的关系模型。根据模型仿真分析了耦合点偏振耦合强度测量值随检偏器对轴角度的变化规律。仿真结果表明:当检偏器偏振轴与光纤环偏振轴夹角为45°时测量误差最小,夹角偏离45°越大,产生的强度测量误差越大。当检偏器偏振轴与光纤环偏振轴的对轴误差为0.6°时,对轴误差引起的偏振耦合强度测量误差为0.18dB。将对轴误差控制在3°以内,可使得偏振轴对轴误差引起的偏振耦合强度测量误差＜1dB。
热学计量
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  基于红外激光积分球的硅探测器响应非线性研究

  王炳凯,宦克为,安保林,赵云龙,董伟,李益文

  计量学报. 2024, 45(4): 508-513. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.07

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  0.9μm是我国高温标准光电和辐射法热力学温度测量的主要工作波段之一,因此对该波段下滤光片辐射计的非线性的研究十分重要。基于单相干光源双光路的光通量倍增法设计并搭建了硅探测器光谱响应非线性测量系统,利用双紫外熔融石英分光镜实现光通量的调控,通过积分球使探测器视场被完全充满,提高入射光在探测器光敏面作用区域的重复性,采用高吸收光阱避免光通量调控过程中的多次反射。实验通过切换中性密度滤波片来实现对光电流范围扩展,表征了0.9μm滤光片辐射计在1.6×10^-8～8×10^-6A光电流范围内的非线性,单次测量的非线性值为-8.7×10^-5～4.8×10^-5,单次测量结果标准不确定度优于3.7×10^-4,累积测量的非线性值为-2.7×10^-4,标准不确定度优于7.6×10^-4。
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  基于主动式激光辐射测温技术的黑体腔底真实温度测量研究

  王鑫宇,安保林,章欣达,董伟,闫全英,赵云龙,翟慧星

  计量学报. 2024, 45(4): 514-519. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.08

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  黑体腔底真实温度及均匀性是影响空腔发射率评价的关键因素,然而,现有研究对于温度均匀性的表征多基于亮度温度。应用一种能够免发射率进行温度测量的主动式激光辐射测温技术,开展针对973K的黑体辐射源腔底的表面真实温度及均匀性测量研究;同时基于实测温场数据,采用蒙特卡洛法对空腔有效发射率分布进行数值模拟,获取典型位置的模拟结果,结合亮度温度数据得到腔底真实温场。与主动式激光辐射测温法的表面真实温度直接测量结果进行对比,结果表明:对于所选的9个测量点,两者的相对偏差在0.04%～0.77%之间,良好的一致性验证了主动式激光辐射测温技术在黑体辐射源腔底的真实温度测量中的可行性。
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  空腔效应对集成黑体高温发射率测量影响规律研究

  孙路歌,安保林,赵云龙,王炳凯,翟慧星,董伟,王瑞祥

  计量学报. 2024, 45(4): 520-526. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.09

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  提出集成黑体法中的非等温边界空腔效应修正因子的理论模型。基于有限元思想,开展不同发射率样品、特定温场下的非等温边界空腔效应修正因子理论计算,与基于蒙特卡洛光线追迹法获得的修正因子比对,两者具有良好的一致性,最大偏差不超过2.5%,结果均表明波长越长、样品发射率越低,空腔效应对发射率测量结果影响越大。在1000℃温度下、12~14μm波长范围对铂金材料样品发射率进行实验,并与基于分立黑体法的发射率测量结果比对,经修正后的集成黑体法与分立黑体法的一致性从0.09提升至0.03,该结果验证了引入非等温边界空腔效应修正因子的理论模型的可行性,同时提高了该方法测量发射率的准确性。
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  诱导方式对锌凝固温坪的影响

  胡子亮,闫小克,熊亚选,张明宇

  计量学报. 2024, 45(4): 527-532. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.10

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  锌凝固点是ITS-90国际温标的定义固定点,也是标准铂电阻温度计分度的重要参考点。为了提高锌凝固点的复现水平,利用金属外壳锌固定点容器,研究了不同诱导方式对锌凝固温坪及过冷度的影响。采用总体最大估计法确定杂质浓度,通过杂质浓度变化及熔凝温坪差异判断金属外壳锌点容器的可靠性。实验结果表明:金属外壳锌点容器具有良好的可靠性;不同诱导次数下分别采用石英、不锈钢及镍材料的诱导棒获得的锌凝固温坪值在0.15mK范围内一致,即不同诱导方式均可得到高质量的锌凝固温坪;诱导方式对高纯锌的过冷度没有影响。
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  航空煤油热物理特性实验研究

  荣友战,汪飞,金浩,侯林彤,杨猛,许晶禹

  计量学报. 2024, 45(4): 533-539. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.11

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  针对广泛应用于飞机发动机的碳氢燃料,开展了-10℃～40℃温度区间内的热物理特性参数实验研究。以某检定中心提供的航空煤油作为样品,测试了其在不同温度下的密度、黏度、压缩系数和膨胀系数。研究结果显示,航空煤油黏度和压缩系数与温度呈正相关,而密度与温度呈负相关,并且随着温度的增大,航空煤油膨胀系数表现为先减小后增大的趋势。在此基础上,结合标准温度下各参数的测量结果提出了密度、黏度、压缩系数和膨胀系数随温度变化的数学预测模型。研究对于航空煤油密度、黏温关系的预测误差在10%以内,而膨胀系数预测模型有待进一步完善。
流量计量
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  基于泊肃叶定律的未知气体粘滞系数测量

  汤博文,彭月祥,张宇,左爱斌

  计量学报. 2024, 45(4): 540-545. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.12

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  为了研究测量未知气体粘滞系数,搭建了一套基于毛细管的简易测量装置。依据泊肃叶定律建立了气体体积流量与粘滞系数的关系。用N2作为标定标准气,通过测量体积流量的方式计算了H2、CO2、合成空气在温度280~320K,压强169~376kPa区间的粘滞系数。对方法的可靠性进行了理论分析,并将结果与NIST数据库中的粘滞系数进行了对比。在差压103~206kPa时相对误差率为［-1.109%, 1.779%］。
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  基于两步正则化Gauss-Newton迭代算法的ECT图像重建

  张立峰,陈达,刘卫亮

  计量学报. 2024, 45(4): 546-551. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.13

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  电容层析成像)ECT)技术求解图像重建问题属于非线性问题,并且存在严重的不适定性。为提高图像重建精度,提出了一种基于两步正则化Gauss-Newton迭代算法的ECT图像重建方法。针对标准正则化Gauss-Newton迭代算法在图像重建中存在的不收敛问题,引入了两步迭代方法;改进了正则化矩阵,提高了解估计的精确度;考虑到Gauss-Newton算法对迭代初值的依赖性,加入了同伦算法。最后,进行仿真和静态实验,并与线性反投影(LBP)算法、Landweber算法、Tikhonov正则化算法进行对比。结果表明,该方法可有效提高图像重建精度。
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  超声流量计实时使用中检验系统的建立及验证

  李文礼,李春辉,李梦娜,金宇强,谢代梁

  计量学报. 2024, 45(4): 552-558. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.14

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  为实现对使用中超声流量计准确度的实时监测,基于高压环道式气体流量标准装置,采用随机森林算法,建立了信号参数(含声速偏差)与示值误差间关系的超声流量计预测模型,同时结合LabVIEW软件开发平台研制出一套超声流量计实时使用中检验系统。基于该系统,可实现超声流量计信号质量参数、流态指标参数、声速指标参数3类信号参数的实时采集,并利用预测模型开展流量计示值误差的同步预测。在160~800m³/h范围内的实验测试表明,流量计示值误差与系统预测误差间的偏差为±0.42%。
力学计量
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  基于XGBoost模型的多缺陷点阵结构性能参数预测方法

  张芝威,张玉燕,温银堂,任亚雪

  计量学报. 2024, 45(4): 559-564. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.15

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  针对增材制造金属点阵结构缺陷多样性和随机性导致其力学性能难以准确预测问题,提出一种基于参数优化XGBoost模型的点阵结构屈服应力预测模型。基于CT测试数据,提出一种阈值判断准则,用于多种缺陷快速检测和分类。重点研究了支柱直径尺寸和角度偏差缺陷问题,分别以支柱过大、支柱过细、支柱弯曲为主的缺陷数量作为模型输入特征;考虑到缺陷位置具有随机性,将点阵结构层数作为另一种输入特征。根据实测数据建立含缺陷的点阵结构仿真模型,对其屈服应力进行仿真。利用参数优化方法优化预测模型超参数并结合屈服应力仿真结果,实现对结构件屈服应力的预测,其决定系数R2为0.81,均方根误差为18.87。模型预测结果与实际样件实验测试结果对比,其偏差度为7.6%,表明了所建预测模型的有效性。
声学计量
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  振动液柱管中不同尺度水听器灵敏度补偿方法

  解建宇,王月兵,赵鹏,张凯,王明威

  计量学报. 2024, 45(4): 565-572. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.16

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  针对不同尺度的球型和圆管型测量水听器,通过仿真软件COMSOL建立管中声场模型,分析不同尺度水听器对声场的干扰,进而对不同尺度水听器声压灵敏度补偿修正。通过振动液柱校准装置,在校准频段100~1000Hz对不同尺度水听器灵敏度标定,与补偿后的水听器灵敏度值比对结果表明:水听器的尺寸会扰乱周围声场分布,导致管中声场分布不均匀;当敏感元件尺寸接近声管内径时,圆管型测量水听器甚低频段干扰接近2.28dB,而高频段干扰最高达5dB。同尺寸的圆管水听器相较于球型水听器对声场的干扰较大。补偿后的水听器灵敏度不确定度在0.52dB以内,满足振动液柱法校准的指标要求。
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  消声室传声路径校准中传声路径位置偏差的影响因素研究

  阮张锋,顾诚诚,陈海咏,丁继杰,孟紫薇

  计量学报. 2024, 45(4): 573-579. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.17

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  消声室声学测量作为衡量产品声学特性的重要手段,其性能直接影响相关声学试验准确度。测量过程的准确性不仅受理论计算限制,还受实际测量过程影响。由于传声装置和钢丝绳的自重,传声路径从理想直线变形为曲线,进而影响声学性能测量的精确性。因此,对于消声室传声路径的校准工作尤为重要。利用有限元仿真重点研究绳长、松紧度和倾角对传声路径的影响,通过相应实验验证仿真模型的准确性,并通过横向对比参数,研究不同参数对于传声路径的具体影响。针对参数对传声路径偏差的研究,从多角度为传声路径误差校准提供了思路,有助于提高消声室测量装置的精度,在一定程度上促进消声室高精度全自动校准系统的发展。
电磁学计量
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  基于核磁共振技术测量研究锂电池正极导电浆料的分散性

  周萍,栾振超

  计量学报. 2024, 45(4): 580-585. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.18

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  采用核磁共振)NMR)技术研究了不同类型导电颗粒制备的锂电池正极导电浆料。通过测量导电浆料的弛豫时间和弛豫谱,发现了在同等研磨分散条件下炭黑浆料的弛豫时间与比表面积)BET)值呈负相关性,且炭黑浆料弛豫谱为单峰结构,说明炭黑更容易得到分散;而碳纳米管)CNT)浆料的弛豫谱全部为多峰结构,说明CNT的分散性较差。研究结果表明,CNT浆料的固含量越大,颗粒的比表面积越大,那么弛豫谱主峰的弛豫时间就越大,主峰信号占比就越低,说明CNT在溶剂中就越容易发生纠缠和团聚。
无线电、时间频率计量
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  四参数正弦曲线拟合的快速算法

  梁志国

  计量学报. 2024, 45(4): 586-593. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.19

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  对四参数正弦拟合软件运行时间进行了研究,提出一种软件拟合时间的定量评价方法,对序列长度、序列所含信号周波数、正弦波形幅度、相位、直流分量,以及A/D位数等不同因素条件,给四参数正弦曲线拟合所用时间的影响进行了定量评价,获得了拟合时间随各个因素而变化的规律。针对影响软件运行时间的主要因素,提出了以减少拟合序列长度为手段,进而降低拟合所用时间的快速拟合方法。它们是直接序列截取法和二次抽样法。并在一组实验上验证了所述方法的有效性与可行性,获得了二次抽样法优于直接截取法的明确结论。所述方法可用于四参数正弦拟合的快速运算。
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  人体组织液特性对SAR值的影响及修正模型

  周鑫,李安香,庞新华,豆丽兰,唐维,沈庆飞,武彤

  计量学报. 2024, 45(4): 594-599. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.20

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  比吸收率)specific absorption ratio,SAR)值测量所使用的组织液特性与规范标准中给出的组织液目标值会有一定偏差。此时,需要对SAR值的测量结果进行修正。针对此问题,提出了一种修正模型,修正模型基于电磁仿真的方法建立。通过在835MHz频点与IEC 62209＼IEEE 1528标准中的数据进行比较,对建模方法进行了验证。基于此建模方法,给出了3.5GHz及28GHz这2个下一代移动通信备选频段下的SAR值修正模型。使用此修正模型将减小SAR值测量的不确定度,进而提升各测量实验室间SAR符合性评定结果的一致性。使用此修正模型的另一个好处在于,该修正模型允许更大的组织液特性偏差,这将有助于降低SAR值测量的成本。
电离辐射、化学计量与生物计量
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  基于蜣螂优化-集成加权融合的NOx浓度动态预测

  金秀章,畅晗,赵大勇,赵术善

  计量学报. 2024, 45(4): 600-608. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.04.21

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  针对SCR入口NOx浓度单一预测模型无法满足在不同工况下保持预测精度的问题,提出了一种基于蜣螂优化(dung beetle optimizer,DBO)集成模型加权融合的预测SCR入口NOx浓度的动态模型。首先使用CatBoost与LightGBM的混合模型在筛选辅助变量的同时,求取辅助变量的迟延时间和阶次信息,并根据以上信息确定预测模型的输入变量;然后建立由LightGBM,XGBoost与CatBoost组成的集成模型,并使用蜣螂优化算法对预测结果进行加权融合;最后将DBO-集成加权融合动态预测模型与3种单模型和蜣螂算法优化2种模型加权融合的预测模型进行对比。结果证明DBO综合加权融合动态预测模型的评价指标优于其他模型,具有更高的预测精度、实时性和适应性,能够更好地满足不同工况下的NOx浓度预测要求。