2024年, 第45卷, 第9期　
刊出日期：2024-09-28

  

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热学计量
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  微波谐振法应用于高温气体声学温度计的研究

  朱章睿,邢力,冯晓娟,张金涛,孙坚

  计量学报. 2024, 45(9): 1249-1256. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.01

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  高于335K的热力学温度T与国际温标ITS-90温度(T90)之间的差异T-T90,是当前国际温度计量前沿研究的重点与难点。基于气体声速获得热力学温度的方法是该温区具有测量不确定度优势的方法,气体声速可通过声学共鸣法测得的声学共振频率和腔体尺寸获得。微波谐振法是高温区实时、原位获得腔体尺寸和热膨胀性的技术路线。通过优化高温气体声学热力学温度测量装置,提升温度和压力稳定性;采用自研的耐高温微波传感器,测量了335K至493K圆柱腔内的微波谐振频率,相对标准偏差为(2~13)×10^-8;通过微波谐振频率获得了腔体尺寸随温度的变化关系,验证了几何尺寸的稳定性;同时实时获得圆柱腔内气体的折射率和压力,用于分析流动气路产生的压差。研究结果可为精密测定335K以上T-T90提供重要基础。
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  温度传感器动态响应校准恒温恒速水槽研究

  郑伟,刘波,王志远

  计量学报. 2024, 45(9): 1257-1261. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.02

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  动态响应是安全重要场合温度传感器的关键性能,恒温恒速水槽是温度传感器水流环境动态响应校准的核心设备。针对典型环形旋转水槽升温慢的问题,研制了基于精密滑环的电加热环形旋转水槽,开展了温场性能和流场性能测试,并与现有射流旋转水槽温度传感器动态响应校准装置的结果进行了比较。结果表明,新研制的基于精密滑环的电加热环形旋转水槽升温时间缩短,温度波动度显著小于温度阶跃量的±1.0%,竖直方向流速均匀度显著优于10%的要求。对铠装热电阻和热电偶时间常数进行了测量,与现有装置测量结果的偏差分别为4.1%和7.5%,满足工程应用要求,为温度传感器动态响应校准提供了良好的恒温恒速环境条件。
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  芯片研制用微纳米尺度温度测量方法及其展望

  吴飞翔,邢力,冯晓娟,张金涛,孙坚

  计量学报. 2024, 45(9): 1262-1272. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.03

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  微纳米尺度温度测量在芯片的设计、制造和封装过程中至关重要,旨在提供微小尺度区域的高精度温度信息,反映出芯片的发热情况。然而现有的测温技术无法满足芯片性能日益提升的需求,例如以热电偶等为代表的接触式测温具有较高的测量精度,但其响应速率慢难以实现宽场热成像;以红外辐射等为代表的非接触式测温可实现芯片表面的快速热场测量,但测温精度较低、空间分辨率受到波长的限制。因此传统测温方法难以同时满足高精度、微纳米尺度的快速温度测量,亟需寻求新的测温技术。随着量子精密测温技术的发展,基于固态量子自旋效应的金刚石带负电的氮-空位(negatively charged nitrogen-vacancy,NV-)色心测温技术有望解决上述问题,突破现有微纳米尺度测温在芯片研制方面的应用瓶颈。鉴于此,首先综述对比了现有芯片用测温技术的特点和发展现状,而后调研分析了金刚石NV色心测温计量特性及小型化、集成化技术发展趋势,并展望了金刚石NV色心测温在芯片研制领域的技术优势和应用前景,提出其发展面临的挑战。
几何量计量
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  基于MCMC算法的粗集料粒径分布推断研究

  童欣,陆艺,李静伟,范伟军

  计量学报. 2024, 45(9): 1273-1280. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.04

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  运用机器视觉对振动盘掉落的粗集料进行数据采集，得到了动态集料的‘伪三维’图像。针对图像信息不能准确表达集料真实三维情况，引入贝叶斯统计推断的思想对集料进行粒径分布的推断，选取等效Feret短径作为图像特征，由于集料在大粒径情况下其Feret短径与实际粒径误差较大，故增加了等效椭圆短径作为第二特征。为获得准确的后验分布和高效的工程计算能力，采用了MCMC算法，解决了传统贝叶斯统计推断在高维计算不足的问题，从而得到了集料粒径分布的后验分布。实验结果表明：该方法的针对合格集料的粒径分布测量误差保持在±2.5%以内，不合格集料误差保持在±3.5%以内。
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  海面溢油激光探测系统接收装置的研究

  吴培良,王智伟,孔德明,马勤勇,崔永强

  计量学报. 2024, 45(9): 1281-1290. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.05

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  提出一款适用于海面溢油激光探测系统的接收装置,通过对该装置中的平行光管、光学天线以及积分球等光学部件进行研究,分析了激光在装置中的能量传输变换等系列问题。然后,以不同油膜厚度对应的激光反射信号强度作为仿真参数,在不同海况下验证了接收装置的有效性。结果表明,同一油膜厚度下,经过接收装置的激光强度远小于未经过接收装置的激光强度,此外,在平静海面或风速为0.3、0.5和0.8m/s的微浪海面下,使用经过接收装置后的激光强度可以有效反演海面油膜厚度。
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  基于芯棒校准探头定位误差的齿轮精度在线测量

  汪发,汪中厚,陈铭治,杨勇明,吴云龙,宋美琪

  计量学报. 2024, 45(9): 1291-1299. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.06

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  主流的齿轮测量设备大都通过参考球进行探头位置校准,相较于参考球,芯棒不仅安装与操作方便,同时还可以检测机床的静态精度。因此对开发的新型齿轮磨床进行齿轮在线测量时,采用芯棒进行探头校准来实现齿轮测量。为了提高探头定位精度,初步利用最小二乘法(least square method,LSM)拟合芯棒中心来进行探头定位,并在此基础上使用基于Aitken Δ2迭代的算法来补偿LSM的定位误差,进而实现探头位置校准。该方法将非线性拟合迭代过程用线性收敛的数值序列代替,不仅具有较快的收敛速度,同时数值趋于稳定。通过齿廓偏差评估实验证明了该方法的有效性,可对其他齿轮测量时的探头位置校准提供参考。
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  基于多传感器信号的主轴回转误差在线回归预测方法研究

  迟玉伦,宋卓阳,王国强,姚磊

  计量学报. 2024, 45(9): 1300-1313. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.07

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  通过对主轴回转误差形成机理分析,基于多传感器信号构建了主轴回转误差回归预测模型。首先,使用LMD分解方法和皮尔逊相关系数算法对主轴回转误差密切相关的主轴前轴承振动信号、主轴电流信号和前轴承声发射信号进行特征量提取和寻优降维,克服了以往机床主轴回转误差预测中原始信号类型过于单一的问题。其次,针对各监测信号与机床主轴回转误差之间的非线性问题,利用支持向量机模型特有的RBF核函数实现多输入量下的非线性预测、找到数据之间的复杂关系,但模型中宽度系数σ、惩罚因子C和不敏感损失系数ε的有效确定是建立其RBF核函数的难题,为此建立了基于粒子群算法的支持向量机模型对主轴回转误差进行回归预测。再次,为评价该模型的有效性,提出了基于均方误差、平均绝对误差和决定系数的主轴回转误差回归预测模型评价方法。最后,使用i5m4数控加工中心对上述预测模型进行了实验研究,结果表明:该PSO-SVM回归预测模型的均方误差为0.19%,平均绝对误差为4.58%,决定系数为0.9237,相对于优化前模型,该PSO-SVM回归预测模型可准确有效实现主轴回转误差的预测。
光学计量
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  一种改进YOLOv5s的森林火灾烟雾检测算法

  张立国,张琦,金梅,袁煜淋,王泓沣

  计量学报. 2024, 45(9): 1314-1323. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.08

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  提出一种基于改进YOLOv5s的森林火灾烟雾检测算法。构建包含16573幅图片的火焰烟雾数据集,解决训练数据不足的问题,提高训练模型的泛化能力。设计一种轻量化的GC-C3模块替换原有的C3模块,减少模型参数量和计算量;将加权双向特征金字塔网络结构融合到Neck结构中,增强网络对于中小目标的检测能力;修改网络空间金字塔池化结构,使用SimSPPF结构替换SPPF,提高了网络的计算效率和检测准确度;将边界框回归损失函数CIOU替换为Focal-EIOU,加快模型的收敛速度,解决正负样本不匹配的问题。实验结果表明:改进之后的网络平均检测准确度提高2.3%,模型参数数量下降46.7%,模型计算量下降47.5%。
流量计量
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  面向粒子图像测速仪的分参数校准方法

  单杰,黄震威,崔骊水,谢代梁,王毅,张淑婷,高山,张育闻,钱振宇

  计量学报. 2024, 45(9): 1324-1330. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.09

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  研究了粒子图像测速(particle image velocimetry, PIV)测量过程中粒子位移和跨帧时间2个关键分参数的校准方法。设计了用于相机标定的标定圆盘,确定了相机获得图像与实物的比例关系。与标尺相比较,设计的标定圆盘可实现粒子位移的校准。采用可溯源的高准确度计时器校准了PIV同步器在不同速度点下脉冲信号的时间间隔,得到PIV实际跨帧时间。评估了PIV分参数方法校准结果的不确定度水平。结果表明:速度100m/s内的PIV校准相对误差最大为0.08%,其相对误差的不确定度为0.01%。
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  相关式油井液相计量系统研究与设计

  张河毅,刘翠玲,魏澳,王进旗,孙晓荣

  计量学报. 2024, 45(9): 1331-1338. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.10

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  针对现有油井计量方式自动化程度低,误差较大等问题,利用同轴线相位法含水率计设计了一种相关式油井液相计量系统,该系统以同轴线相位法含水率计为传感器构建了相关流量计,基于互相关法建立了计量模型,实现了流量与含水率的同步测量。通过对不同情况下上、下游含水率计信号的分析可知,两路信号之间具有相关性,满足相关流量计的使用条件。该系统在现场试验的测量结果与涡轮流量计相比,平均误差为11.36%。试验结果证明了相关式油井液相计量系统在实际应用中的可行性。
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  一种在线评估超声波气体流量计性能的新方法

  梁爽,张丽稳,张鹏飞,苗芊,王瑞兵,周君洋,朱阁红,张凯

  计量学报. 2024, 45(9): 1339-1347. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.11

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  提出一种在线评估超声波气体流量计性能的新方法。原理是基于贝叶斯信息融合方法建立变动点检测模型,获得测量数据的变动趋势,实现对超声波流量计的实时性能评估。具体实施过程是将先验信息与实时样本信息相结合,迭代更新得到后验分布,其中后验分布中的后验标准差即为仪表实时不确定度。该方法相对于传统不确定度评定方法,其融入了实时测量信息,可以实时连续的评价仪表的不确定度,监测超声波流量计整个测量系统的运行情况,并及时发现异常工作情况,实现了对流量计性能的在线评估,为超声波流量计的在线监测提供了一种新的方法和途径,在小流量点Q=10m³/h时,相对扩展不确定度为1.52%,满足计量准确度等级要求。
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  基于数据拟合法的三角形薄壁堰明渠流量测量不确定度优化

  高明,郭辉,贾志卓

  计量学报. 2024, 45(9): 1348-1352. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.12

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  针对三角形薄壁堰明渠流量计非定点使用时测量准确度水平较低的问题, 基于不确定度预评估结果,提出了以曲线拟合替代线性插值计算流量系数,采用了数字输出磁致伸缩水位传感器测量水头,显著降低了原方法中贡献较大的不确定度分项。基于弗劳德相似准则改进了频率采样方法,提升了测量结果的准确度水平。测量方法改进后不确定度由1.6%提高到0.56%。通过标准表法明渠流量流速标准装置对三角形薄壁堰明渠流量计进行了标定实验,实验结果表明:测量方法改进后标定误差(偏差)由2%降低到1%。
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  基于深层小波网络的电容层析成像图像重建

  张立峰,钱立凤,华回春,刘帅

  计量学报. 2024, 45(9): 1353-1359. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.13

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  提出了一种基于深层小波网络的电容层析成像(ECT)图像重建算法,采用Landweber算法生成初始重建图像作为网络输入;以U-Net深度卷积神经网络模型为骨干模型,通过在上、下采样层引入小波变换提取不同层次的特征,以及采用跳跃连接方式搭建高频特征传递通道,保留更多的细节信息,充分利用特征图中的全局和局部信息特征。仿真及静态实验结果均表明,基于该算法的图像重建精度更高,仿真及静态实验重建图像的平均相对图像误差分别为0.1918及0.6570,平均相关系数分别为0.9685及0.8169。
力学计量
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  自监督学习结合对抗迁移的跨工况轴承故障诊断

  温江涛,刘仲雨,孙洁娣,时培明

  计量学报. 2024, 45(9): 1360-1369. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.14

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  轴承智能故障诊断应用中,由于实际工况复杂多变,极难获得足够的真实故障数据,且目标域和源域信号存在较大差异,导致深度模型的跨工况迁移识别也出现特征提取及分类困难、模型泛化性弱。考虑到目标域存在大量无标签数据,引入无监督思想,提出基于自监督学习结合对抗迁移的改进方法。首先根据信号本身特点创建辅助任务,对大量无标签数据学习,建立源域与目标域故障类别之间的内在联系;再通过对抗域适应和联合最大平均差异将源域知识迁移到目标域中,结合辅助任务优化两域差异,最终实现目标域准确的故障分类。用2个公开的轴承数据集上验证了所提方法的性能,实验结果表明,所提方法的故障诊断识别准确率在多数情况下均高于98%。
电磁学计量
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  基于DK-SVD的深度学习电阻抗块稀疏成像方法研究

  王琦,杨雨晗,李秀艳,段晓杰,汪剑鸣,孙玉宽,冯慧

  计量学报. 2024, 45(9): 1370-1377. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.15

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  针对电阻抗层析成像逆问题的病态性和非线性,提出一种基于DK-SVD的电阻抗块稀疏图像重建方法。该算法通过多层感知器为每组测量数据提供最优的模型参数,以适应数据集的多样性,进一步提高成像质量,并在稀疏编码阶段采用迭代收缩阈值算法加快收敛速度。仿真实验结果表明DK-SVD算法重建图像的结构相似性可达到0.95以上,误差可控制在0.1左右,平均重建速度为0.034s,有效地提高了电阻抗层析成像的质量和效率,且经进一步实验证明了该算法具有良好的噪声鲁棒性和实际应用价值。
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  基于等效电流密度模型的多层有限长螺线管轴线磁场分析

  李泽松,黄腓力,王一民,余善成,金波

  计量学报. 2024, 45(9): 1378-1383. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.16

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  为了解决短杆轴向霍尔磁场探头现场校准的难题,提出了采用便携式有限长螺线管作为标准磁场发生器的方法。建立圆柱坐标系下螺线管线圈模型,并提出等效电流密度(ECD)法,结合Biot-Savrt定理及磁场叠加原理,计算其轴线磁场强度,获得多层有限长螺线管轴线磁场的分布规律。同时,建立了多层有限长螺线管静磁场有限元模型,仿真计算获得给定激励电流条件下的空间磁场分布情况。根据理论分析结果,设计了中心磁场100mT的螺线管试验样机,对ECD模型理论计算结果、仿真分析结果和样机测试数据进行对比。结果显示,在螺线管中心处,理论计算与仿真结果偏差在0.1%以内,试验测试结果与理论计算偏差在0.8%以内。分析结果验证了ECD法分析螺线管轴线磁场的有效性。该方法对于提高螺线管结构设计效率、优化设计参数等具有重要意义。
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  基于QM-DBSCAN与BiLSTM的风电机组异常工况预警研究

  马良玉,梁书源,程东炎,耿妍竹,段新会

  计量学报. 2024, 45(9): 1384-1393. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.17

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  提出一种基于四分位(QM)-具有噪声的基于密度聚类法(DBSCAN)与双向长短期记忆网络(BiLSTM)的风电机组故障预警方法。首先,针对风速-功率图中限功率点难以清洗完全的问题,提出利用QM与DBSCAN联合来对建模运行数据进行预处理;其次,通过分析风电机组运行原理,并结合轻量梯度提升机(LightGBM)特征选择法确定风电机组正常工况预测模型的输入输出参数,并基于BiLSTM建立了高精度的风电机组正常性能预测模型;之后,利用滑窗算法构建了风电机组状态性能评价指标,并通过统计学区间估计法确定指标阈值;最后,采用风电机组真实故障数据,开展风电机组异常工况预警实验,验证了方法的有效性。
无线电、时间频率计量
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  数字示波器相频特性的计量评价

  梁志国,王宁,梁家奕,高珊

  计量学报. 2024, 45(9): 1394-1400. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.18

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  针对数字示波器相频特性校准中,响应波形与激励信号之间相位差获取的难点问题,提出一种借助于脉冲沿幅度触发功能特性的方法,通过设定触发参量与激励信号幅度关系,固定与响应信号波形相对应的激励信号的相位点,从而精确获取被测数字示波器的相移特性,并统一了不同频率下相移特性的参考相位点,顺利获得数字示波器相频响应特性曲线。在一组实验中,验证了所述方法的有效性和可行性,可用于数字示波器相频响应特性的测量评价。
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  在片S参数计量比对结果浅析

  刘晨,高岭,栾鹏,陈婷,黄英龙,李艳奎,金诚,邹喜跃,陆景,陈科元

  计量学报. 2024, 45(9): 1401-1406. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.19

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  中国电子科技集团公司第十三研究所作为主导实验室开展了在片S参数计量比对工作,对参比实验室提交的在片S参数测量结果进行了汇总分析,并用En值对各参比实验室测量结果进行了评价。通过在片S参数计量比对,确保了量值传递的准确、可靠,特别是对在片S参数测量不确定度的主要来源统一了认识。同时也为业内提供了在片S参数测量一致性的比较平台。
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  基于CBAMTL-MobileNet V3的车载网络入侵检测

  吴忠强,李孟亭

  计量学报. 2024, 45(9): 1407-1415. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.20

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  提出了一种基于CBAMTL-MobileNet V3的车载网络入侵检测方法。该方法使用轻量级模型MobileNet V3,减少其层数加快模型的训练和检测速度;将模型中的SE模块置换为注意力模块(CBAM)使模型更聚焦于特定特征,提高特征提取能力,进而提高检测攻击的精确度;引入迁移学习对模型权重进行微调,减少参数和内存资源的消耗,缩短了训练时间,使模型表现出更快的运算速度。仿真结果表明:所提模型的各项检测指标都优于MobileNet V3模型。与其他模型相比,所提模型既具备轻量级模型的高效性,同时又高于其他复杂模型的检测精度,识别各类别攻击的性能最优。
电离辐射、化学计量与生物计量
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  电离辐射剂量监测仪表国际标准的进展

  郝光辉,李德红,徐坠,刘川凤,黄建微,张璇,张晓乐

  计量学报. 2024, 45(9): 1416-1424. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.09.21

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  随着辐射防护领域的不断进步,电离辐射剂量仪表相关国际标准也在持续更新迭代,为总结该领域IEC、ISO标准的发展现状,为剂量仪表的生产、选用提供参考,通过调研、比较相关标准的不同版本,梳理了光子、β和中子剂量监测仪表相关IEC、ISO标准的发展概况和最新版本所做的修改与更新,并比较了现行不同标准对于仪表各方面性能要求、规范的差异。可以看出,各监测分类下的国际标准在发展过程中趋于统一,不再按探测器种类等进行划分,且整体应用范围更为广泛,但脉冲辐射剂量仪表相关标准仍有待发展;适用于同一监测分类的不同标准对于仪表的性能要求基本一致,但由于IEC、ISO标准的制定目的、应用场景不同,两者在性能要求、规范上的侧重点会存在差异。