综述：超高压和极端压力计量学：测量技术与溯源性综述

《Metrology》：Ultra-High-Pressure and Extreme-Pressure Metrology: A Review of Measurement Technologies and Traceability

　　

超高压和极端压力计量学在先进制造、地球科学、高压物理和前沿材料研究中发挥着关键作用。随着压力范围从数百MPa扩展到几GPa及以上，压力生成和测量日益受到材料强度、结构变形、传压介质状态、密封可靠性、传感器漂移和不完整的溯源性链条的制约，对压力计量学提出了更高要求。本综述系统地考察了超高压和极端压力范围内的测量技术和溯源性路线。总结了受控间隙活塞式压力计（controlled-clearance piston gauge, CCPG）的发展，重点强调了不确定度降低、量程扩展和校准自动化。同时，综述了基于落锤的动态压力初级标准，作为高幅度、毫秒级液压压力脉冲可溯源校准的成熟路线。回顾了超高压次级标准（包括超高压压力表和压阻式、谐振式、光纤式和摩擦电式传感器）的进展，关注量程扩展、高精度测量、环境适应性和新兴压力敏感机制。比较了极端压力测量方法（包括红宝石荧光、拉曼光谱、X射线衍射、相变点和状态方程）的适用性和局限性。进一步讨论了超高压和极端压力计量学当前的挑战，以及基于纳金刚石中氮空位（nitrogen-vacancy, NV）中心的量子压力传感前景，为未来研究和计量基础设施发展提供了参考。

根据论文主体部分，总结如下：

**1. 引言**
压力是工业生产、精密制造、能源开发、地球科学和前沿材料研究中最重要的物理量之一，其精确测量和可靠溯源直接关系到过程控制、设备安全、实验可重复性和科学数据可比性。随着高压技术向更高压力范围扩展，压力计量学已从工业测量中的仪表指示，逐步演变为一个涉及压力生成、压力复现、标准传递、传感器校准、压力标尺一致性及不确定度评估的综合计量体系。在工程应用中，压力超过100 MPa通常称为超高压（ultra-high pressure）；当压力超过几GPa（1 GPa=1000 MPa）时，材料的力学响应、压力生成方法、传压介质状态及压力测量方式均发生显著变化。因此，本综述将数百MPa至几GPa的压力归类为超高压，而几GPa以上则称为极端压力（extreme pressure）。超高压和极端压力条件广泛存在于高压水射流、高压食品加工和地球科学研究等场景。当压力进一步升高至几GPa以上时，材料强度、结构变形、传压介质状态、密封性能、相变行为及压力标尺稳定性等因素显著影响压力生成和测量结果。特别是极端压力条件下，传统机械式压力标准受材料强度、活塞- cylinder变形、有效面积修正及传压介质限制，难以直接覆盖几GPa以上的全部压力范围。因此，在超高压和极端压力条件下获得准确、稳定、可比且可溯源的压力值，已成为压力计量学和极端条件科学共同面临的挑战。从计量体系角度看，超高压初级标准主要依赖受控间隙活塞式压力计（controlled-clearance piston gauge, CCPG）进行压力复现，并结合压力倍增器等装置向更高压力范围传递。CCPG通过施加的质量负荷、本地重力加速度、活塞-缸体组件（piston-cylinder assembly, PCA）的有效面积及相关修正项，建立压力与国际单位制（SI）的联系，是超高压校准和压力传递的核心仪器。然而，随着压力升高，PCA的弹性变形、有效面积的压力依赖修正、围压控制、传压介质的高压粘度及密封结构可靠性等因素显著影响CCPG的不确定度，并限制了其向更高压力范围的扩展。作为次级测量仪器，超高压压力表和压力传感器经初级标准校准后可满足大多数场景的压力测量需求，但其计量可靠性仍受校准条件、长期漂移、迟滞、温度灵敏度、封装应力及极端环境适应性影响。对于动态压力计量，已发展了基于落锤的初级标准，用于生成可溯源的高幅度瞬态压力脉冲，以校准动态压力传感器。极端压力计量通常依赖金刚石对顶砧（diamond anvil cell, DAC）等装置建立高压实验环境，并通过红宝石荧光、拉曼光谱、X射线衍射、相变点和状态方程等方法测量压力。这些方法极大扩展了可测压力范围，但大多依赖参考材料或经验/半经验标定关系，对SI压力单位的溯源性链条仍不完整，因此其相关不确定度评估及不同方法间的一致性仍是挑战。材料在低GPa范围内的压力诱导相变点（如铋）可作为离散参考点，在一定条件下与初级压力标准建立计量联系，但此类参考点本质上是离散的，无法独自形成覆盖超高压至极端压力的连续压力溯源性系统。因此，建立极端压力测量结果与机械式初级压力标准之间的计量联系，协调多种压力测量方法间的标尺一致性，并完善覆盖超高压至极端压力范围的压力溯源性链条，是当前压力计量系统发展的核心问题。现有综述已对压力计量学历史发展、压力测量方法分类及SI修订对压力计量的影响进行了全面总结，但主要关注从大气压至几GPa的压力计量系统，对基于DAC的极端压力计量方法论述较少。近年来，在CCPG、超高压传感器及各种基于DAC的极端压力测量方法方面取得了显著进展，但大多围绕单个仪器、特定测量方法或特定压力范围展开，缺乏对超高压至极端压力范围内压力复现、压力传递、压力标尺连接及不确定度评估关系的综合讨论。因此，有必要对100 MPa以上超高压和极端压力计量学的最新技术进展进行系统综述。本综述聚焦超高压和极端压力计量技术及其溯源性系统。首先，总结了包括CCPG和压力倍增器在内的初级压力标准的当前发展，重点强调有效面积确定、结构变形修正、密封系统及传压介质等关键技术。其次，从数字化、传感材料、结构设计和极端环境适应性等方面回顾了超高压压力表和压力传感器的最新进展。随后，比较了极端压力测量方法（包括红宝石荧光、拉曼光谱、X射线衍射、相变点和状态方程）的适用性和溯源性限制。最后，结合量子压力传感和频率溯源的新兴趋势，讨论了构建覆盖超高压至极端压力范围的统一压力计量系统的机遇与挑战。本综述为改进从100 MPa以上超高压到极端压力的压力溯源性系统提供了参考。

**2. 压力范围、测量原理与溯源性框架**
**2.1 超高压和极端压力的压力范围**
目前，不同学科和应用场景对压力范围没有完全统一的分类标准。在工程应用中，当压力达到或超过100 MPa时，常规压力容器、液压元件、管件和密封结构承受的应力显著增加，材料弹性变形、密封面接触状态、传压介质粘度变化及系统泄漏风险等因素不可忽略。因此，工业实践中通常将100 MPa以上定义为超高压，本综述也采用100 MPa作为讨论超高压的起点。在100 MPa至几GPa范围内，使用活塞式压力计和超高压传感器等仪器测量压力，压力值在一定程度上仍可溯源至SI，但这些仪器已受到多种因素的制约。高压条件下，PCA发生不可忽略的弹性变形，有效面积随压力变化而非简单常数；同时，传压介质粘度在高压下显著增加，影响压力计灵敏度；此外，密封结构需在高压下保持可靠密封以防止泄漏。当压力超过几GPa并扩展至更高范围时，压力环境和测量机制均发生更显著的变化。此时，PCA结构面临更严重的应力集中、变形和有效面积稳定性问题，其设计常接近材料强度和结构稳定性极限。一些常用传压介质在几GPa以上粘度急剧增加，甚至发生玻璃化或固化，导致静水压性降低并形成压力梯度。因此，机械式压力标准难以直接扩展至更高压力范围。在几GPa以上的压力环境中，材料可能表现出压力诱导相变、晶格压缩、电子结构重构和力学性能突变等高压物理响应。在此条件下，常规压力测量方法失效，必须依赖红宝石荧光、拉曼光谱、X射线衍射、相变点和状态方程等方法进行压力标定或间接测量。基于这些差异，本综述将100 MPa至几GPa范围归类为超高压，将几GPa以上压力范围归类为极端压力。

**2.2 超高压和极端压力计量系统与溯源性链条**
从计量系统角度看，压力计量可分为初级压力标准和次级压力标准。初级压力标准直接溯源至SI基本单位，活塞式压力计可在宽测量范围内将压力直接溯源至SI。次级压力标准通常通过标定压力依赖的物理量变化来确定压力，如各种传感器和光学压力测量方法。在可直接校准的压力范围内，初级压力标准的值复现能力和不确定度水平为次级仪器校准、压力传递和测量结果可比性提供了基础。对于静态和准静态超高压计量系统，初级压力标准通常使用CCPG实现，其基于施加的质量负荷、本地重力加速度、PCA有效面积及相关修正项生成压力值。受材料强度、密封结构和传压介质性能限制，公开文献中CCPG的最高测量范围目前为2.6 GPa。然而，该值是否能被视为当前SI可溯源超高压能力的上限，需通过仪器特定的溯源性链条、压力复现模型和完整不确定度评估来确认。对于动态超高压计量，基于落锤的初级标准通过机械冲击在液压介质中生成短时高幅度压力脉冲，并提供了在约10–400 MPa范围内校准动态压力传感器的可溯源途径。次级压力标准主要通过超高压压力表和超高压传感器实现。这些仪器通常不直接复现压力值，而是通过CCPG校准建立SI溯源性。在目前可用的次级测量仪器中，WIKA开发的HP-2压力传感器测量范围高达1500 MPa，最大测量误差为0.5% FS。对于极端压力计量系统，常规活塞式压力计受材料强度、结构变形、密封和传压介质限制，难以直接覆盖几GPa以上压力范围。因此，极端压力值直接溯源至SI仍极具挑战。次级压力标准包括光学和声学方法，其中光学方法因其相对较高的稳定性而被广泛使用。这些方法根据不同压力条件下的光谱变化来标定压力，适用于DAC等透明腔体中的压力测量。然而，这些方法获得的次级值目前难以溯源至初级标准，且不确定度评估仍具挑战性。超高压计量系统的溯源性链条在其可验证的工作范围内相对完善。压力传感器可通过CCPG校准，CCPG从SI可溯源量（包括质量、本地重力加速度和有效活塞-缸体面积）以及相关变形、温度和围压修正中复现压力。这提供了从初级压力复现到校准仪表和传感器的记录路径，并可为完整测量链条评估不确定度预算。因此，该范围的主要发展方向包括扩展CCPG的工作范围、提高其稳定性和不确定度，以及提升超高压传感器的压力容量、长期稳定性和校准性能。相比之下，极端压力测量的溯源性框架仍不完整，原因有二：尽管DAC可产生极高压力，但样品位置的压力通常无法像活塞式压力计那样直接从施加力和已知有效面积复现，而是通过压力标尺或压力依赖的材料响应（包括红宝石荧光、电阻率、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、状态方程（EOS）方法和穆斯堡尔谱）推断。这种差异不仅是测量范围的延伸，更是压力复现机制的变化。在CCPG中，压力通过直接的力-面积关系复现；而在DAC中，压力通过压力依赖的材料响应经标定标尺或EOS模型推断。因此，CCPG建立的SI关联的力-面积关系无法在不经过中间标尺连接程序的情况下连续传递到DAC中的局部样品位置。复现机制的变化因此引入了压力溯源性路径中的不连续性，需要额外的参考材料、标定函数和基于模型的修正。离散的材料相变可为特定DAC压力标尺提供校准锚点，例如Bi I-II相变已用于校准红宝石压力计的低压R1线移位。Bi I-II平衡压力在25 °C下报道为约2.5 GPa。该值在单个低GPa压力点提供了定量参考，但本身不能验证用于分配离散参考点之间或远超出离散参考点的压力的标定函数或EOS。与Bi I-II相变相关的不确定度应通过相关测量模型和测量不确定度表示指南（GUM）中规定的传播不确定度定律传播到下游DAC压力标尺，包括标定函数参数、参考材料响应和任何涉及EOS参数的贡献和相关项。在100 GPa和环境温度下，基于Holmes Pt标尺的压力比某些常用Au标尺至少高7%，而一些较新的红宝石标尺预测的压力比广泛使用的Mao红宝石标尺至少高4%。Fei等人进一步报道了基于仅约化冲击波EOS的标尺在室温百万巴（megabar）范围内压力变化高达7%。这些报道的差异表明，仅靠离散参考点不足以在极端压力范围内建立连续且相互一致的压力标尺连接。在实践中，离散参考点之间的压力确定依赖于压力标尺标定函数和参考材料，并可能涉及基于EOS的内插或外推。对于极端压力测量，DAC中的压力传递受传压介质静水压性控制。液体压力介质的静水条件在介质固化时丧失；超过其静水压极限后，介质必须被视为非静水压。由此产生的非静水应力可能伴随样品腔内的压力梯度。因此，由局部压力标记或探针确定的压力可能取决于其位置和局部应力状态，而非代表整个样品腔内的空间均匀压力。温度变化和加载路径依赖效应可进一步影响压力响应的可重复性和压力标尺的解释。在实践中，传压介质固化、非静水应力、空间压力梯度、温度变化和加载路径迟滞使得压力被测量难以定义和复现，导致测量响应依赖于局部样品环境、所选压力标尺及其标定模型。因此，不同压力标尺在其重叠压力范围内可能出现系统性差异。未来工作应建立系统性的压力标尺交叉比较，在受控的传压介质、温度和加载条件下进行；开发能够区分静水压力分量和偏应力的测量模型；并提供包括标定、光谱或结构拟合、温度效应、应力梯度、迟滞、重复性和残余模型误差在内的完整不确定度评估。同时，新兴的局部压力传感方法（如NV-center ODMR）应通过可溯源标定（针对参考压力）和验证的不确定度预算进行开发，之后才能成为可靠的SI关联极端压力测量路径。超高压和极端压力区域中压力复现、值传递和压力确定之间的关系总结于图2（示意图，此处省略）。

**3. 超高压计量学**
**3.1 静态和准静态超高压测量的初级标准**
活塞式压力计是在静态和准静态超高压范围内实现压力SI溯源性重要初级标准。根据活塞结构差异，可分为简单活塞式压力计、内凹式活塞式压力计和CCPG，其基本结构和操作原理如图3所示（示意图，此处省略）。其中，CCPG具有测量范围高、可靠性强和测量不确定度低等优点，因此广泛用于超高压计量学。多个国家的国家计量院已将CCPG作为超高压溯源的核心参考标准之一。在常规活塞式压力计基础上，CCPG对活塞缸体外壁施加独立围压以控制活塞与缸体之间的间隙，从而增加压力计的工作范围并减小因有效面积变化引起的测量不确定度。以最大测量范围为1500 MPa的CCPG为例，其操作原理如图4所示（示意图，此处省略），PCA结构如图5所示（示意图，此处省略）。由于围压的引入以及超高压条件下材料变形的不可忽略影响，CCPG的压力计算不同于常规活塞式压力计，必须包括活塞变形、面积膨胀和有效面积非线性变化的修正项。CCPG的压力计算公式如下（公式1，此处省略）：P_m = (m g_L (1 - ρ_a/ρ_m) / (A₀ (1 + b P₀)(1 + (α_p+α_c)(T-20)))(1 + d(P_j)(P_j-P_z))，其中P_m为待测压力，m为砝码总质量，g_L为重力加速度，ρ_a为空气密度，ρ_m为砝码材料密度，A₀为活塞有效面积，b为A₀相对待测压力的相对变化，P₀为不考虑活塞变形时的待测压力，α_p和α_c分别为活塞和缸体的热膨胀系数，T为压力计工作温度，P_j为实际围压，P_z为对应于待测压力下活塞下降速率为零的零间隙围压，d(P_j)为围压变化引起的A₀相对变化。上述溯源性路径是在静态或准静态平衡条件下建立的，此时压力可维持足够长时间以使活塞-负荷系统达到稳定运行状态。动态压力测量中压力随时间快速变化，需要不同的初级测量原理，将在下一节讨论。

**3.1.1 CCPG的发展**
1953年，Johnson等人开发了第一台CCPG，最大测量范围约827 MPa，测量不确定度0.7%。随着超高压领域计量需求的增长，Johnson和Nishibata等研究团队在20世纪中后期先后提出多项关键改进，包括使用更高硬度的材料制造活塞以减少高压下活塞变形，以及在各自最佳压力范围内使用两种传压介质，显著扩展了测量范围并降低了测量不确定度。2008年，Gu等人选择高强度材料YG-8碳化钨，在1500 MPa下将测量不确定度降低至0.02%。Hong等人综合考虑重力、热膨胀、活塞/缸体变形和围压的影响，验证了Heydemann-Welch模型在超高压条件下的适用性。Yue等人通过三组交叉浮子比对实验精确确定了活塞的零压有效面积，获得了活塞畸变系数和围压畸变系数，在1000 MPa下实现了0.044%的测量不确定度。随着各领域对超高压计量需求的持续增长，常规CCPG在进一步向更高压力范围扩展时面临材料强度不足、活塞结构复杂和制造难度大等挑战。为此，研究人员提出了压力倍增器的概念。通过机械耦合低压和高压活塞系统，利用面积比原理，在低压端施加相对较低的压力可在高压端产生超高压输出，从而简化系统结构并提高计量稳定性。其操作原理如图6所示（示意图，此处省略）。2014年至2025年，Sabuga等人开发了最大测量范围高达1600 MPa的压力倍增器，以扩展压力标准范围。通过精确确定和计算零压有效面积及压力畸变系数，并优化砝码系统，进一步降低了测量不确定度。CCPG的发展历史总结于表1（此处省略）。更根本地，表1中总结的技术演进是由机械和计量效应在不断增加压力下的逐渐耦合驱动的。随着工作压力增加，活塞-缸体变形、间隙内压力分布和流体流动、传压介质粘度和密封可靠性日益影响PCA的有效面积。因此，有效面积不再能视为稳定的几何量，仅提高材料强度或最大压力容量不足以确保精确的压力复现。最初，CCPG发展聚焦于通过外部围压调节、轴向推力补偿和活塞旋转来建立受控间隙操作并减少摩擦。随后，引入更强材料、预应力结构、改进的密封系统和针对高压操作选择的传压介质，以增加可用压力范围和工作稳定性。最近，利用变形模型、围压修正和压力倍增器系统，将高压生成转化为可溯源的压力复现和传递。关键的是，表1中的最大报告工作范围本身并不是计量能力的充分指标：历史上报告的2.6 GPa工作范围和较新高精度系统的较低范围不应直接比较，而不考虑其修正模型、操作条件和不确定度预算。因此，核心挑战已不再是简单地产生更高压力，而是证明所生成的压力保持可重复、定量表征和可溯源。

**3.1.2 关键技术的近期进展**
CCPG的关键技术进展主要聚焦于三个方面：不确定度降低、量程扩展以及操作系统和校准程序的优化。其中，不确定度降低围绕活塞有效面积的确定；量程扩展主要依赖于高强度PCA、超高压密封结构和传压介质性能的改进；操作系统和校准程序的优化聚焦于围压控制、活塞运行状态评估、自动化校准和减少人为误差。这三个方面共同决定了CCPG在超高压范围内的测量能力、稳定性和压力传递的可靠性。不确定度降低方面：在CCPG中，压力值由施加负荷和活塞有效面积共同决定，因此有效面积确定是影响测量不确定度的关键因素。Sanjid等人提出使用两个线性可变差动变压器和位移激光干涉仪精确测量活塞有效面积，实现了56 nm的不确定度。Stoup等人开发了超精密激光测微计用于测量圆柱和球体直径，在0.02–55 mm范围内测量不确定度小于20 nm。降低零压活塞有效面积测量不确定度奠定了降低压力测量不确定度的基础。然而，在超高压条件下，CCPG必须考虑多个因素，包括PCA弹性变形、活塞-缸体间隙压力分布、围压控制、温度变化、活塞倾斜和几何尺寸测量误差。因此，CCPG的不确定度降低已逐渐从简单的几何尺寸测量演变为结合尺寸计量学、有限元分析和流体动力学建模的综合修正方法。Sabuga等人提出二维流动模型计算PCA有效面积，将组合测量不确定度降低了2%至70%。基于弹性理论和流体动力学，Aslanyan等人建立了活塞-缸体间隙压力分布的数学模型，数值求解了不同压力条件下的参数变化，并提出了分段修正策略，为1600 MPa级超高压活塞设计提供了理论依据。Liu等人提出结合有限元分析和流体动力学的数值模型，计算高压条件下PCA弹性变形和间隙压力分布。该模型揭示了围压对间隙控制的非线性影响，为实际运行条件下选择压力平衡参数提供了基础。在有限元模型中，不同待测压力下围压与PCA出口间隙宽度减小趋势的关系如图8所示（此处省略）。Liu等人基于最大测量范围1500 MPa的CCPG建立了二维轴对称有限元模型和一维流体动力学模型，通过迭代求解精确获得了PCA变形和间隙压力分布。Wongthep等人使用有限元方法开发了轴对称二维模型，计算了500 MPa自由变形PCA的压力畸变系数λ，从而优化了高压条件下的不确定度评估。这些研究表明，超高压条件下PCA弹性变形和间隙压力分布呈现显著非线性特征，零压有效面积不能直接代表工作压力下的有效面积。耦合有限元和流体动力学模型正成为CCPG有效面积确定、压力畸变修正和不确定度评估的重要工具。特别是在GPa压力范围内，围压不仅用于维持适当的活塞-缸体间隙，也是影响有效面积压力依赖修正的重要变量。此外，固有系统误差也是影响CCPG不确定度的重要因素。Ginanjar等人研究了超高压500 MPa下的活塞倾斜效应，分析了活塞杆倾斜对有效面积的影响，并使用三维非对称有限元模型量化了与活塞倾斜引起的有效面积变化相关的倾斜系数。Ginanjar等人通过交换两台同型压力平衡计的PCA并平均两个校准结果，将测量不确定度降低了约37%，从而消除了与质量、温度和倾斜角度相关的系统误差。量程扩展方面：CCPG的量程扩展受PCA材料强度、密封性能、传压介质性质及高压组件结构稳定性的共同限制。随着压力增加，PCA弹性变形更显著，活塞-缸体间隙稳定控制更困难，传压介质粘度增加导致流体流动阻力增大，活塞下降速率对温度和转速等运行条件更敏感，从而降低压力计灵敏度和测量稳定性。同时，密封结构更易泄漏。这些因素不仅限制了CCPG的量程扩展，也在一定程度上影响了其不确定度。因此，量程扩展不仅仅是提高压力生成能力，而需要结构强度、密封系统、传压介质和压力传递稳定性的协调优化。关于密封系统，随着CCPG向更高压力范围发展，密封失效和泄漏直接限制了仪器的最大测量范围和稳定性。Huang等人提出由三组密封环组成的串联密封结构，每组包括一个O形环和一个内表面带槽的Z形密封环，在100 MPa以上超高压条件下实现了稳定的旋转密封。Han等人开发了用于锥形接触的超声相控阵测量系统，通过测量金属-金属密封面间的接触应力评估密封性能。Yang等人建立了管接头锥形密封结构的泄漏模型，研究了锥角对锥形密封性能的影响。管接头锥形密封结构如图10所示（此处省略）。结果表明，当锥角为50–60°时，接触压力超过密封材料屈服强度的两倍，表明密封可靠。这些研究表明，超高压密封设计已从经验选择逐步转向结合接触应力测量、泄漏模型和结构参数优化的定量设计阶段。对于CCPG，可靠密封不仅对实现更高压力输出至关重要，也直接影响压力保持稳定性和活塞下降速率。关于传压介质，介质的粘度、可压缩性和高压稳定性直接影响活塞下降速率、间隙压力分布和有效面积修正结果。Yadav等人实验测量了不同压力和不同传压介质下的活塞下降速率，分析了各介质对应的活塞特征系数，发现白汽油、J-13和癸二酸酯的混合物在高达1000 MPa的超高压条件下表现出良好的综合性能。Sabuga等人使用高压粘度计在20 °C高压条件下测量了癸二酸二(2-乙基己基)酯（DHS）、聚乙基硅氧烷（PES-1）和50% DHS+50%石油混合物的粘度。在此基础上，他们构建了不确定度为0.05%的1600 MPa压力倍增器，作为跨国超高压标准，为统一欧洲国家间压力值奠定了基础。总体而言，传压介质研究已超越简单筛选可用介质，逐渐转向测量高压介质参数和分析活塞运动稳定性，旨在改善不同介质的压力-粘度关系并确定不同条件下的最优传压介质。操作系统优化方面：美国国家标准与技术研究院开发了全自动活塞式压力计校准系统，使用压力传感器作为传递标准并配合专用软件包。校准不确定度与传统方法相当，而校准时间显著缩短，手动数据输入减少，测量精度和稳定性经实验验证。操作系统优化不仅旨在提高易用性，更在于确保实际CCPG校准中的高重复性、低人为误差和稳定的压力传递。未来CCPG操作系统应进一步集成砝码自动加载、围压控制、活塞下降速率在线监测、环境参数自动修正和实时不确定度评估等功能，使CCPG从传统机械式压力标准发展为高度集成和自动化的超高压计量初级压力标准。总之，CCPG的关键技术进展可分为不确定度降低、量程扩展和操作系统优化三个方面。这三个方面并非独立发展，而是通过相互促进而进步。CCPG的进一步发展将需要集成高强度活塞-缸体材料、耦合流体动力学模型、超高压密封结构、传压介质数据库和自动化校准系统，从而形成具有更高测量范围、更低不确定度和改善稳定性的初级超高压标准体系。

**3.2 动态超高压测量的初级标准**
在上述静态和准静态压力测量中，压力通常可维持稳定水平或缓慢变化，测量结果可用单一压力值表示。然而，在燃烧不稳定性、爆炸冲击波、快速压缩和高速流体机械等应用中，压力可能表现出快速阶跃、短时显著升高或周期性波动等瞬态特性。此类压力变化的幅度、上升时间、持续时间和波形必须与传感器和测量链的动态响应兼容，否则可能引入幅度失真、时间误差或其他测量误差。动态压力计量学因此不仅需要确定瞬态压力历史的幅度和时间特性，还需准确表征测量系统的动态响应，以确保测量信号可靠地代表感兴趣的压力过程。现有的动态压力生成和校准方法包括基于落锤的动态压力标准、激波管和无膜片激波管，以及由活塞或压电致动器驱动的周期性压力发生器。在落锤系统中，下落质量撞击连接液压腔的活塞，从而在液体介质中生成毫秒级瞬态压力脉冲。该方法目前是能够覆盖100 MPa以上动态压力的重要初级计量路径之一。激波管，特别是无膜片激波管，可生成上升时间极短的压力阶跃，适用于动态压力传感器校准及其瞬态响应特性评估。目前，已建立初级动态校准方法的无膜片激波管主要工作在MPa至数十MPa范围。近期研究优化了阀门开启速度、驱动气体条件和管径，以改善无膜片激波管中激波的形成和传播、压力波形和重复性。特别是，激波聚焦可直接增强激波并增加端壁压力，表明基于激波管的系统可能成为未来超高压动态压力生成和初级计量的重要路径。周期性活塞驱动压力发生器用于控制频率下的周期性动态压力校准；其可达到的压力幅度由活塞位移和面积、液体体积模量和初始腔室体积决定，而可用频率范围受激励系统机械设计约束。

**3.2.1 超高压动态测量的基于落锤的初级标准**
基于落锤的动态压力标准是一种通过机械冲击在液压介质中实现短时高幅度压力脉冲的初级方法。与通过恒定负荷维持稳定压力的静态活塞式压力计不同，落锤系统通过受控冲击事件生成时变瞬态压力脉冲。因此，它可用于校准动态压力传感器的峰值和瞬态响应，并为评估相关动态测量不确定度提供溯源性基础。典型的落锤动态压力装置主要由落锤、活塞、缸体和相关结构组件组成，如图11a所示（此处省略）。测试时，已知质量的落锤从规定高度释放，撞击连接液压腔的活塞。落锤动量通过活塞传递至封闭液压介质，在测量腔中生成毫秒级压力脉冲。所得压力波形近似半正弦，如图11b所示（此处省略）。其峰值幅度、上升时间和脉冲持续时间取决于落锤质量、撞击速度、活塞尺寸和液压介质弹性模量等因素。与活塞式压力计类似，落锤系统从瞬时力与有效面积之比确定瞬时压力。力可由落锤质量及其运动（撞击期间）确定，而有效面积必须考虑活塞几何形状、压力诱导变形和有效面积压力依赖变化进行评估。不确定度评估还应考虑落锤质量和加速度测量、活塞-缸体有效面积、液压介质可压缩性以及系统弹性变形。测量链中的机械振动、压力脉冲传播过程中的空间压力不均匀性以及传感器安装引起的干扰，也应根据装置设计和测量位置进行评估。因此，基于落锤的动态压力标准不能简单视为静态负荷-压力关系，而必须建立描述冲击和压力传递过程的动态模型，并附有完整不确定度预算。H?gstr?m等人开发了覆盖约10–400 MPa的基于落锤的初级动态压力标准，典型相对扩展不确定度为1.5%。随后，H?gstr?m等人提出了一种新设计，采用空气轴承引导落锤以减少落锤运动期间的侧向摩擦和导向