2024年, 第45卷, 第5期　
刊出日期：2024-05-28

  

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电磁学计量
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  100V输入宽频带电压比例校验系统研究

  姜春阳,聂高宁,夏胜国,周峰,殷小东

  计量学报. 2024, 45(5): 609-618. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.01

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  提出一种基于数字采集装置的50Hz~10kHz电压比例校验系统,由电压比例变换和数字采集装置构成。数字采集装置采用了通道切换技术,极大提高数字采集装置测量比例误差的准确度。电压比例变换部分由级联型感应分压器、隔离互感器及高、低压精密电压跟随器构成。为了降低分布参数引起的附加误差,设计了采用双绞线结构的双级隔离互感器;该双级互感器在10kHz范围内幅值误差不大于5×10^-6,相位误差不超过10μrad。利用双封装运算放大器特性匹配特征,补偿电压跟随器电路的相位响应,显著提升了低压和高压复合型电压跟随器的相位特性,10kHz范围内,跟随器的幅值误差不大于10×10^-6,相位误差不大于20μrad。测量结果表明,校验系统具有较好的测量准确度, 50Hz时的测量偏差不大于1×10^-6和1μrad,10kHz范围内,比值误差偏差不大于80×10^-6,相位误差偏差不大于60μrad,可满足不同频率场景下的电压比例误差测量需求。
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  基于量子电压的模数转换器性能评估

  梁起铭,韩琪娜,施杨,周琨荔,杨雁,徐睿,金尚忠,赵建亭,屈继峰

  计量学报. 2024, 45(5): 619-625. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.02

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  近年来,随着模数转换器分辨率的提高,对用于验证其性能的模拟信号源提出了更高的要求。相比于用传统半导体器件研制的信号源,约瑟夫森任意波形发生器合成信号的幅值可溯源至自然常数,其输出波形具有超低噪声、超低失真的优点。使用约瑟夫森任意波形发生器评估了National Instruments公司24位数字采集卡PXI 5922的性能。其中,采用零补偿波形合成方法简化系统硬件结构,并且使用高精度、多比例的感应分压器提升评估效率。首先,在10kHz的带宽内标定了PXI 5922单通道的增益及其稳定性、信噪比、无杂散动态范围、总谐波失真、信纳比和有效位数;其次,标定了PXI 5922两通道不同相位下的相位差;最后,结合电网的谐波情况,以60Hz的基波频率为例,标定了PXI 5922在12阶谐波以内各谐波的幅度与相位响应。约瑟夫森任意波形发生器的超高精度和宽带输出能力在评估高精度模数转换器的性能方面具有广阔的应用前景。
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  电气设备剩余电压测试仪校准方法

  冯建,胡俊杰,许峰,周碧红

  计量学报. 2024, 45(5): 626-630. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.03

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  分析了电气设备剩余电压测试仪基本原理,提出一种基于标准阻容网络法对剩余电压测试仪剩余电压幅值和延迟时间参数进行校准的方法。结合交流标准电阻器和电容器等效模型,分析了标准电阻时间常数和标准电容损耗因数对校准结果的影响,推导了校准时剩余电压和延迟时间标准值的计算方法。采用1MΩ交流标准电阻和1μF标准电容器组成的电路网络对剩余电压测试仪进行了校准,结果表明标准阻容网络法可满足该仪器的校准。对测量结果进行了不确定度分析,剩余电压幅值测量不确定度为1.1%,延迟时间测量不确定度为1.2%,主要不确定度分量为标准电容器损耗因数的影响。
几何量计量
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  基于3D毫米波雷达与相机的改进联合标定方法

  邵剑浩,张远辉,陈科峰,刘康

  计量学报. 2024, 45(5): 631-638. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.04

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  针对传统的相机和毫米波雷达联合标定方法只能在某一固定平面标定存在数据采集繁琐的问题,基于传统方法提出一种适用于三维空间内的快速标定改进方法。首先进行雷达与图像预处理;其次通过时间同步策略在短时间内完成大量数据的采集与匹配;然后在空间标定上使用随机采样一致性算法（RANSAC）减少离群点的干扰,完成初步的粗标定;最后使用列文伯格-马夸尔特（LM）算法对粗标定结果进一步迭代完成精标定。实验表明:改进的标定方法使整体均方根误差收敛约10pixels,与使用传统联合标定算法相比,标定精度显著提升;整体标定过程时间约12min完成。
光学计量
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  基于网格的多目标模板匹配晶粒位置检测方法

  周书辰,陈晓荣,王子旋

  计量学报. 2024, 45(5): 639-645. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.05

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  针对传统方法中晶粒位置检测的耗时长、精度低等局限性,提出一种基于网格的多目标模板匹配晶粒位置检测方法。通过改进传统的模板匹配方法,结合非极大值抑制算法,将芯片晶粒的检测速度和精度提高。实验结果表明:该算法在单一同种晶粒的算法识别率能够达到97%以上,单张图像耗时＜200ms,能够克服明暗不同造成的检测困难,达到技术指标要求。
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  基于最大图像熵Gamma校正估计的图像特征点检测和匹配方法

  苑朝,赵亚冬,张耀,徐大伟,苑晶,翟永杰

  计量学报. 2024, 45(5): 646-653. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.06

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  为了解决当拍摄图像的环境光照较低或较高时,导致的图像对比度较低,给特征点的检测和匹配带来极大的困难这一问题,提出一种基于最大图像熵Gamma校正估计的图像特征点检测和匹配方法。通过预处理算法来增强图像的对比度,将其应用于图像特征点的检测和匹配。在预处理阶段,首先采用对数函数对图像进行归一化,根据设定的阈值将图像分为明亮和黑暗分量;然后分别对两个分量自适应地选择不同的参数进行Gamma校正,并且确定使其熵最大化的校正参数为每个分量的最佳参数;最后将上述参数应用于Gamma校正生成对应原始图像明亮和黑暗区域的矫正图,并进行融合生成增强的图像。对预处理完的图像进行特征点检测和匹配实验。研究结果表明:所提出的算法相较于未处理算法、HE和自适应Gamma算法,特征点检测后的匹配数量在欠曝光图像上分别提升85.7%、26.4%和15.2%,在过曝光图像上分别提升59.4%、12.2%和103.8%。匹配效果也有较明显提升。
热学计量
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  基于瞬态热桥法的固体材料导热系数测量及其不确定度的评定

  周逸,潘永杲,闵琪涛,邱萍,姚建,李峻

  计量学报. 2024, 45(5): 654-665. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.07

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  在Hammerschmidt建立瞬态热桥(THB)法理论的基础上,改进了恒定输入电流模式下导热系数解析模型和修正模型,对THB测量传感器进行了结构设计和仿真验证。搭建了测量范围为0.01~150W/(m·K)的实验装置,并对修正模型进行了测量验证。对聚苯乙烯、有机玻璃和45号钢等7种固体材料进行了实验测量,对测量结果进行了不确定度的评定,并与不同仪器的测量结果进行了比较。结果表明,实验装置的测量重复性优于1.7%,与参考值的相对偏差在±5%以内,经评定测量结果的相对扩展不确定度为Urel=2.94%(k=2)。
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  小惯性热电偶动态校准及频域分析

  赵俭

  计量学报. 2024, 45(5): 666-670. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.08

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  发动机进气温度畸变影响发动机的稳定性,通常使用小惯性热电偶来测量其快速变化的气流温度。为准确全面获取小惯性热电偶的动态特性,提出了一种小惯性热电偶的动态特性校准及评价方法,并阐述了小惯性热电偶动态校准装置的构建、校准试验以及频域分析。采用脉冲激光器与校准风洞相结合的小惯性热电偶动态校准方法,通过幅频特性和相频特性分析,拓展了小惯性热电偶的动态特性评价方法。用该校准方法对小惯性热电偶进行动态校准,结果A类相对不确定度最大值由7.2%减小到2.4%,可应用于30ms以下量级快响应温度传感器的动态校准,为发动机进气温度畸变等高频动态温度测量提供技术参考。
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  基于压缩感知的AT温度场重建算法

  魏元焜,颜华,周英钢

  计量学报. 2024, 45(5): 671-677. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.09

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  为提高声学层析成像(AT)的温度场重建能力,提出了基于压缩感知(CS)的AT温度场重建算法(CS-AT算法)。算法利用信号稀疏性,减少待求数据量,降低逆问题求解难度。首先选择适当字典,构建基于CS的AT温度场重建正逆问题框架;然后以正交匹配追踪(OMP)算法进行CS重构,得到温度场重建待求量在稀疏域的解;最后将其变换回原始域,通过三次样条插值得到37×37像素的细致温度分布。通过数值仿真,分别以经典的最小二乘法(LSM)和CS-AT算法在有噪声和无噪声条件下重建了均温、单峰、双峰和四峰模型温度场;在自主研发的实验系统上重建了均温、单峰和双峰实际温度场。仿真和实验表明:CS-AT算法可有效降低温度场重建误差;四峰温度场下,CS-AT算法的最高重建误差最低,仅为LSM的25.5%。
流量计量
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  基于多尺度密集连接网络的电容层析成像图像重建

  张立峰,常恩健

  计量学报. 2024, 45(5): 678-684. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.10

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  为求解电容层析成像中的非线性病态反问题,提出了一种多尺度密集连接网络(MD-Net)模型。该模型由多尺度特征融合模块和密集连接块组成,以通过融合多尺度特征进一步提高图像的重建精度。通过MATLAB仿真实验平台构建了流型数据集,利用密集连接网络的非线性映射能力,完成训练集的学习与训练,并利用测试集进行训练效果评价。在此基础上进行了静态实验。仿真与静态实验结果均表明:与LBP、Landweber迭代算法和其他深度学习方法相比,该方法的重建精度最高、抗噪能力强,并具有良好的泛化能力。
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  基于深度学习的墙式氧气吸入器检定方法

  黄康,孙斌,吴燕娟,裘凯军,赵玉晓

  计量学报. 2024, 45(5): 685-691. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.11

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  针对墙式氧气吸入器检定时人工读数影响大、检定效率低等问题,提出一种基于深度学习的墙式氧气吸入器检定方法。通过工业相机拍摄墙式氧气吸入器图像,输入到改进后的残差块ResNet-18网络中,实现对浮子流量计的自动读数。残差块结构改进策略有:在直联通路中增加Dropout网络层;删除残差块中的1×1卷积层;使用LeakyReLU激活函数代替ReLU激活函数。将数据集按照51的比例划分为训练集和测试集,经过100批次的训练,网络模型在测试集上的准确率为98.37%。将中国计量科学研究院检定合格的墙式氧气吸入器连接至检定装置中检定,计算得到浮子流量计的最大示值误差为±0.2L/min,误差在允许范围内,检定结果相同。结果表明,该方法可以代替人工读数,有效提高检定效率。
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  间隙密封被动活塞式气体流量标准装置量值溯源方法

  陈超,宋进,朱碧玉

  计量学报. 2024, 45(5): 692-697. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.12

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  间隙密封被动活塞式气体流量标准装置具有操作简单、测量效率高、无水银密封、易于携带和具有自动温压补偿功能等优点,在气体微小流量测量中广泛使用。但目前国内尚无间隙密封被动活塞式气体流量标准装置的技术规范。被动活塞的上下往复运动对测量管路内的压力会产生波动,直接用流量测量法对间隙密封被动活塞式气体流量标准装置进行量值溯源还存在一些困难。针对这一情况,提出了一种利用几何测量法对间隙密封被动活塞式气体流量标准装置进行量值溯源的新方法,对几何测量溯源法进行了不确定度评估,并与国外相关机构进行了比对验证。结果表明,利用几何测量法对间隙密封被动活塞式气体流量标准装置进行溯源的方法是可行的。
几何量计量
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  基于时域多参数信息融合与机器学习算法的井架钢结构损伤识别

  黄岩,韩东颖,朱国庆,李岳峰,李可欣

  计量学报. 2024, 45(5): 698-705. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.13

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  为避免井架钢结构在作业过程中由结构损伤引发的安全隐患,将时域多参数信息融合与机器学习算法进行结合,基于井架钢结构位移响应信号提出了一种基于主成分分析和随机森林算法的井架钢结构损伤识别方法。利用加速度传感器提取在冲击载荷下井架钢结构的加速度响应信号,由加速度响应信号处理得到位移响应信号,并提取包含脉冲因子、裕度因子和峭度的3个时域特征;运用主成分分析法将3个特征融合成1个新的综合性时域特征,将原始信号中包含的大多数信息保留下来;将处理过的数据输入随机森林算法模型进行井架钢结构损伤识别,整个过程只需要采集损伤后的信号,不需要采集损伤前的信号。利用以上损伤识别模型对井架钢结构有限元模型进行仿真计算,同时结合ZJ70井架钢结构实验室模型的实验结果进行分析。分析结果表明:利用上述损伤识别方法可以准确高效地判断出井架钢结构单一或多处损伤,判断结果的正确率为90%以上。
力学计量
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  基于图像识别的离心泵空化故障诊断

  黄海鸣,刘妍,吴登昊,牟介刚

  计量学报. 2024, 45(5): 706-713. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.14

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  针对利用离心泵一维振动信号进行空化状态识别时,存在信号特征查找不准确和信号受噪音影响较大的问题,提出了一种基于图像识别的离心泵空化故障诊断方法。利用savitzky-golay卷积平滑算法对原始振动信号进行降噪处理,随后将降噪后的信号转换为伪RGB图片,根据图片所显示的特征设计卷积核,并对图片进行卷积处理得到特征图,对特征图进行单通道变换以减少数据,最后将单通道图片作为LeNet-5神经网络的输入进行空化故障诊断。实验测试结果表明:该方法在加速模型训练速度的同时实现了离心泵空化故障的准确识别,准确率能够达到1。该研究为离心泵空化的快速诊断提供了一种新的方法。
声学计量
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  基于超声层析成像的钢坯内部缺陷检测技术研究

  刘慧鹤,郑慧峰,唐佳玄,姚磊

  计量学报. 2024, 45(5): 714-721. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.15

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  为实现对钢坯内部缺陷形态的准确检测,提出一种基于先验知识的超声层析成像方法。首先,阐述了融合先验知识的超声层析成像原理,利用最短路径射线追踪方法实现超声层析成像改进;然后,通过有限元仿真分析验证了该方法的可行性,讨论分析了采集方案,确定了相关检测参数;最后,搭建了实验检测系统,开展相关验证实验。通过对含缺陷分布的成像结果图进行处理分析,结果表明:对于单孔洞缺陷试块的孔洞轮廓面积相对误差为2.84%,位置误差较小;对于双孔洞缺陷试块的相对误差为5.45%,其中远离发射探头的孔洞存在较大的位置误差。该方法为超声层析成像技术的应用提供了一种思路和方法。
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  改进FFT算法在频域全聚焦超声成像中研究

  周英钢,刘振兴,梁晶亮,王善辉,李继冯,武美娜

  计量学报. 2024, 45(5): 722-729. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.16

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  针对钢块中孔洞缺陷的超声成像检测,目前普遍采用时域超声成像算法。该方法中的延时叠加过程需要进行重复、繁琐的迭代运算,无法满足高质量实时成像的需求,频域超声成像算法具有更高的成像分辨率和更快的成像速度。提出了一种针对任意非0值输入的基2-FFT输入分级截断算法,将该算法应用在频域FMC-PSM算法成像中,得到改进的FMC-PSM算法,用于钢块中孔洞缺陷检测超声成像。实验结果证明,相较于标准FMC-PSM算法,改进的频域FMC-PSM算法能够在呈现更高质量图像的同时将成像速度提高了15%,有望解决超声成像中成像质量和成像效率难以兼顾的问题。
无线电、时间频率计量
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  基于改进自适应阈值EIT算法的CFRP损伤检测

  马敏,山雨泽

  计量学报. 2024, 45(5): 730-737. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.17

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  电阻抗层析成像(EIT)具有快速、无辐射等众多优点,但EIT的逆问题严重的病态性导致FISTA等算法的重建图像中存在损伤边缘信息缺失的现象。针对该问题引入了一种与解向量稀疏度相关的自适应阈值算子和一种可变阈值函数,解决了软阈值函数边缘处不可导的问题。仿真实验表明改进算法与传统的算法相比,FIMSTA算法的表现最好,尤其是对于传统算法图像重建效果较差的中心裂纹损伤,FIMSTA算法的相关系数达到0.7038,较表现最好的FISTA算法提升了51.08%。
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  基于四维张量特征分解的风电机组轴承故障缺失数据恢复方法研究

  时培明,孙航璇,许学方,韩东颖

  计量学报. 2024, 45(5): 738-746. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.18

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  针对风电机组轴承故障信息采集过程中数据缺失导致故障类型无法识别问题,提出了一种基于四维张量模型特征分解恢复缺失数据的方法。首先,基于转速、时窗、经验模态分解和时间4个维度构建四维张量;其次,通过加权优化算法实现张量填充,修补故障数据的缺失值;然后,对张量进行Tucker分解得到核心张量及因子矩阵;最后,基于梯度优化算法进行迭代优化得到最终核心张量及因子矩阵,并利用二者对四维张量进行重构得到恢复数据。采用实验数据和实际数据来验证提出方法的有效性和可靠性。结果表明:两组恢复数据的RMSE值分别为0.3169和0.0291,远小于4种对比方法的RMSE值。利用双稳态随机共振对2组恢复数据进行故障特征提取,信噪比显著提高,分别为-13.2647和-15.5212,进一步验证提出方法的准确性。
电离辐射、化学计量与生物计量
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  多种水等效材料的医用电子束修正因子研究

  姚金涛,李毅华,王坤,王志鹏,金孙均,吴晗

  计量学报. 2024, 45(5): 747-754. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.19

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  针对水等效材料在医用电子束剂量测量中修正因子的测量和使用问题,通过扫描医用电子束在水中和水等效材料中的百分深度剂量(percentage depth dose, PDD)曲线,计算获得深度缩放因子cpl、注量缩放因子hpl及总修正因子kpl的实验值。结果表明,通过cpl和hpl组合或仅使用kpl均可将水等效材料测量结果转换为水吸收剂量。比较PDD曲线表明,在10~20MeV电子能量下3种水等效材料通过cpl-hpl修正后的R50,较水中测量最大偏差分别为0.19%、0.28%、0.22%;经kpl修正得到的R50,较水中测量最大偏差分别为0.23%、0.29%、0.18%。结论:研究提供了多种材料cpl-hpl、kpl的实验值,可方便用户快速完成电子束水吸收剂量的测量,相比于cpl-hpl,使用kpl更加简单高效。
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  超声消解ICP-AES测定铝合金中硅元素含量

  孔胜男,许实

  计量学报. 2024, 45(5): 755-760. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.20

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  建立了超声密闭消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定铝合金中硅元素含量的分析方法。通过优化样品前处理条件,对超声强度、密闭条件、超声温度、超声时间及酸的浓度进行筛选,选择合适的分析谱线,测定了铝合金中等含量硅。对不同硅含量的铝合金ZLD105,ZBY5291,ZBY5091进行了精密度及准确度实验,其相对标准偏差(SRSD)在0.3%~0.7%,加标回收率在98.9%~101.0%。该方法分析成本低、快速、准确、方便,完全可应用于实际样品测试。
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  “双碳”目标下国家质量基础设施建设应用现状

  王斌,龙妍,靳东昇,刘涛,华天熠,田逸飞,赵颖娜

  计量学报. 2024, 45(5): 761-768. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.05.21

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  计量、标准、合格评定作为国家质量基础设施服务公共结构,是我国实现碳达峰碳中和宏伟拼图不可缺少的重要力量。通过系统分析现阶段我国碳排放计量体系与国际IPCC温室气体清单编制之间的继承发展关系,主要碳排放计量方法在实际工作中的应用方式,整理了碳排放管理工作推进进程以及标准化工作框架,归纳了MRV体系在碳排放检验检测中重要作用以及绿色节能低碳认证组织发展情况。最后总结分析“双碳”目标下国家质量基础设施发展的趋势与问题,为我国下一步碳达峰碳中和计量体系、标准化方面和合格评定模式发展方向提供建议。