電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展

1、電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展王欣【摘要】近年來(lái)，以信息技術(shù)為代表的新技術(shù)促進(jìn)了電子行業(yè)的飛速增長(zhǎng)，也 極大地推動(dòng)了測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展。本文將簡(jiǎn)單的介紹電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，特 點(diǎn)以及應(yīng)用【關(guān)鍵詞】測(cè)量電子測(cè)量的特點(diǎn)電子測(cè)量的應(yīng)用電子測(cè)量是泛指以電子技術(shù)為基礎(chǔ)手段的一種測(cè)量技術(shù)。它是測(cè)量學(xué)和電子 學(xué)相互結(jié)合的產(chǎn)物。英國(guó)科學(xué)家A - H -庫(kù)克（cook）說(shuō)：“測(cè)量是技術(shù)生命的 神經(jīng)系統(tǒng)。我們通過測(cè)量認(rèn)識(shí)周圍的物質(zhì)世界，通過測(cè)量把這些知識(shí)變成數(shù)字語(yǔ) 言，然后用數(shù)學(xué)方法把它整理成合乎邏輯的系統(tǒng)；通過測(cè)量，可使這種系統(tǒng)性知 識(shí)借助于工程技術(shù)用來(lái)改造物質(zhì)；世界精密的測(cè)量是精確的知識(shí)和經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)所 必需，方便的測(cè)量是

2、敏捷的通訊和有效的組織所必需?！边@一段話深刻地揭示出 了測(cè)量對(duì)于我們?nèi)祟惿鐣?huì)的重要性。人類社會(huì)從遠(yuǎn)古時(shí)代發(fā)展到物質(zhì)文明和梢神 文明都高度發(fā)達(dá)的今天，沒有測(cè)量技術(shù)的作用是不可想象的。電子測(cè)量除具體運(yùn) 用電子科學(xué)的原理、方法和設(shè)備對(duì)各種電量、電信號(hào)及電路元器件的特性和參數(shù) 進(jìn)行測(cè)量外，還可以通過各種敏感器件和傳感裝置對(duì)非電量進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)量 方法往往更加方便、快捷、準(zhǔn)確，有時(shí)是用用其他測(cè)量方法不可替代的。因此， 電子測(cè)量不僅用于電學(xué)這專業(yè)，也廣泛用于物理學(xué)，化學(xué)，機(jī)械學(xué)，材料學(xué)，生 物學(xué)，醫(yī)學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域及生產(chǎn)、國(guó)防、交通、通信、商業(yè)貿(mào)易、生態(tài)環(huán)境保護(hù)乃 至日常生活的各個(gè)方面。近幾十年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)

3、和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展為電子 測(cè)量和測(cè)量?jī)x器增添了巨大活力。電子計(jì)算機(jī)尤其是尤其是微型計(jì)算機(jī)與電子測(cè) 量?jī)x器相結(jié)合，構(gòu)成了一代嶄新的儀器和測(cè)試系統(tǒng)，即人們通常所說(shuō)的“智能儀 器”和“自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)”，它們能夠?qū)θ舾呻妳?shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)量程選擇，數(shù) 據(jù)記錄和處理，數(shù)據(jù)傳輸，誤差修正，自檢自校，故障診斷及在線測(cè)試等，不僅 改變了若干傳統(tǒng)測(cè)量的概念，更對(duì)整個(gè)電子技術(shù)和其他科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了巨大的推 動(dòng)作用?，F(xiàn)在，電子測(cè)量技術(shù)（包括測(cè)量理論、測(cè)量方法、測(cè)量?jī)x器裝置等）已 成為電子科學(xué)領(lǐng)域重要且發(fā)展迅速的分支學(xué)科。一、測(cè)量的意義所謂測(cè)量就是借助于專用的技術(shù)工具通過實(shí)驗(yàn)和（或）計(jì)算，對(duì)被測(cè)對(duì)象收 集信息的過

4、程。在自然界中，對(duì)于任何被研究的對(duì)象，若要定量地進(jìn)行評(píng)價(jià)，必 須通過測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。在電子技術(shù)領(lǐng)域中，中肯的分析只能來(lái)自正確的測(cè)量。通過 測(cè)量，我們對(duì)大自然認(rèn)識(shí)才由感性世界跨入了理性世界，才逐步對(duì)大自然有了理 性的分析，通過分析和歸納，我們才能得到規(guī)律性的知識(shí)來(lái)改造世界，科學(xué)技術(shù) 才能得以高速發(fā)展。牛頓開創(chuàng)的早期自然科學(xué)的工作方法可歸納為觀察、實(shí)驗(yàn)、 理論”，可見，人們是通過觀測(cè)試驗(yàn)的結(jié)果和已經(jīng)掌握的規(guī)律，進(jìn)行概括、推理， 再對(duì)所研究的事物取得定量的概念和發(fā)現(xiàn)它的規(guī)律性，然后上升到理論。因此， 測(cè)量技術(shù)的水平在相當(dāng)程度上影響著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展速度和深度，科學(xué)技術(shù)上有 一些突破是以測(cè)試技術(shù)的突破為基礎(chǔ)

5、的。這種例子在科學(xué)發(fā)展史上是不勝枚舉的。在沒有顯微鏡時(shí)，人眼只能看清大小為0.10.2毫米的東西，這大大限制 了人類對(duì)自然界中微觀世界的認(rèn)識(shí)，在這種情況下，絕對(duì)不會(huì)有微生物學(xué)等技術(shù) 的產(chǎn)生。16世紀(jì)出現(xiàn)了光學(xué)顯微鏡，它的分辨率可達(dá)2000埃，相應(yīng)的放大率 約為1500倍，大大擴(kuò)展了人的眼力。在顯微鏡的幫助下，人類發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成生物 基礎(chǔ)的細(xì)胞（大小約為10-100微米），使人類對(duì)生物界的認(rèn)識(shí)有了一個(gè)極大的 飛躍，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)推動(dòng)生物學(xué)各方面的研究作出了重要貢獻(xiàn)，被恩格斯譽(yù)為19 世紀(jì)三大發(fā)現(xiàn)之一。20世紀(jì)30年代出現(xiàn)了電子顯微鏡，它的分辨本42領(lǐng)高達(dá) 2 一 3埃，又比光學(xué)顯微鏡提高了約三個(gè)數(shù)量級(jí)。

6、由此可見電子技術(shù)引入測(cè)量 領(lǐng)域的巨大的推動(dòng)作用。在電子顯微鏡下，可以洞察小小細(xì)胞內(nèi)的超微機(jī)構(gòu)，連 細(xì)胞膜也可清晰地辨出是由三個(gè)薄層組成的，并發(fā)現(xiàn)了致病的病毒、形成了生物 科學(xué)的又一次飛躍?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)和國(guó)防的重要特點(diǎn)之一，就是要進(jìn)行大 量的觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)?，F(xiàn)代工業(yè)大生產(chǎn)，用到測(cè)量上的工時(shí)和費(fèi)用約占整個(gè)生產(chǎn)所用 的20% 30%。提高測(cè)量水平，降低測(cè)量成本，減少測(cè)量誤差，提高測(cè)量效率， 對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域都是至關(guān)重要的。二、電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展是建立在測(cè)量技術(shù)的發(fā)展最新電子技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)之 上的。廣義地說(shuō)，凡是利用電子技術(shù)進(jìn)行的測(cè)量都稱為電子測(cè)量。從現(xiàn)存的史料 上我們得知古人用

7、漏斗滴水來(lái)測(cè)量時(shí)間，用草繩打結(jié)來(lái)計(jì)數(shù)，這可以說(shuō)是原始的 測(cè)量方法，以后人們逐漸發(fā)明了稱、算盤等較為先進(jìn)的測(cè)量和運(yùn)算工具，到了本 世紀(jì)20年代，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了電子管的出現(xiàn)，即電子技術(shù)的出現(xiàn)。由于 電子技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：頻率范圍寬，測(cè)量快速，易于實(shí)現(xiàn)遙控等，使得電子技術(shù) 迅速被應(yīng)用并普及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，包括測(cè)量技術(shù)中，開創(chuàng)了測(cè)量技術(shù)的新 天地。但是由于電子管的體積較大，從而造成了電子管做成的測(cè)量?jī)x器體積較大， 耗電量多，價(jià)格貴，工作效率也不是很高，到了本世紀(jì)50年代，半導(dǎo)體技術(shù)有 了飛速的發(fā)展，晶體管相對(duì)于電子管而言，體積大為減小，功耗降低，穩(wěn)定性大 為提高，同時(shí)其應(yīng)用頻率范圍更寬，除測(cè)直

8、流量外，還可以測(cè)高至100GHZ左 右的信號(hào)，從而使晶體管迅速取代了電子管的位置，如各種示波器、晶體管測(cè)試 儀，頻譜測(cè)試儀等。這些測(cè)量?jī)x器仍在國(guó)民生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著極大的作用。 到了本世紀(jì)60年代中期，中小規(guī)模集成電路問世。所謂集成電路，就是將電阻、 電容、二極管、三極管等各種元器件經(jīng)過半導(dǎo)體工藝或薄膜工藝制作在同一塊硅 片上，并按某種電路互聯(lián)起來(lái)，制成的具有一定功能的電路，從而打破了半導(dǎo)體 元器件組成的傳統(tǒng)電路的概念，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。由于集成電 路的問世，使得原來(lái)的電路變得更小，因此，由集成電路做成的電子測(cè)量?jī)x器體 積更為減小，同時(shí)其測(cè)量范圍更為寬廣，測(cè)量精度大為提高?，F(xiàn)在

9、一些比較先進(jìn) 的電子測(cè)量?jī)x器均用集成電路做成，并且有了智能功能，特別是在尖端技術(shù)和現(xiàn) 代化的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，集成電路測(cè)量?jī)x器的優(yōu)勢(shì)更為明顯。例如，一個(gè)射程為八 千公里的洲際導(dǎo)彈，如果航向誤差有0.03度，也會(huì)造成導(dǎo)彈偏離目標(biāo)5 一 8公 里，那樣，導(dǎo)彈的威力將大為降低，甚至起不到作用。制造炸藥的甲苯，在生產(chǎn) 中測(cè)量溫度如有一定的誤差，也可能造成嚴(yán)重的事故。現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代化 大生產(chǎn)中那些要求精密和準(zhǔn)確測(cè)量的內(nèi)容通常都是運(yùn)用了電子測(cè)量的方法來(lái)實(shí) 現(xiàn)的。三、電子測(cè)量的特點(diǎn)及應(yīng)用隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)量的內(nèi)容愈來(lái)愈多，通常包括以下幾個(gè)方面：電能量的測(cè)量，包括對(duì)于電流、電壓、電功率的測(cè)量；信號(hào)的

10、特性及 所受干擾的測(cè)量，例如信號(hào)的失真度、頻率相位、脈沖參數(shù)、調(diào)制度、信號(hào)頻譜、 信噪比等； 元件和電路參數(shù)的測(cè)量，例如電限、電感、電容、電子器件（電 子管、晶體管、揚(yáng)效應(yīng)管等）的測(cè)量，集成電路的測(cè)量，電路頻率響應(yīng)、通頻帶 寬度、品質(zhì)因數(shù)、相位移、延時(shí)、衰減和增益等的測(cè)量。隨看電子技術(shù)的發(fā)展，由于電子測(cè)量技術(shù)的許多無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，許多非電 量的測(cè)量也可以通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再利用電子技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。例如，高 溫爐中的溫度、深海的壓力等許多人們不能親身到的地方或無(wú)法直接測(cè)量的量， 都可以通過這種方式進(jìn)行測(cè)量.電子測(cè)量除了對(duì)電參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測(cè)量以外，還可 以對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程及頻率特性進(jìn)行動(dòng)

11、態(tài)測(cè)量。例如，對(duì)一個(gè)軋鋼的電 氣傳動(dòng)系統(tǒng)通過模擬計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)描繪出動(dòng)態(tài)過程曲線；對(duì)于化工系統(tǒng)的生產(chǎn) 過程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)與分析等。與其它的測(cè)量相比，電子測(cè)量具有以下幾個(gè)明顯的 特點(diǎn)：測(cè)量頻率范圍極寬，電子測(cè)量能工作在這樣寬的頻率范圍，這就使它的 應(yīng)用范圍很廣。量程很廣，由于所測(cè)量的大小相差極大，要求測(cè)量?jī)x器的量程也極寬.同 一臺(tái)電子儀器，經(jīng)常能做到量程寬達(dá)很多數(shù)量級(jí)。例如一臺(tái)普通的歐姆表，可以 測(cè)出幾歐姆至幾十兆歐姆的電阻，量程寬達(dá)六、七個(gè)數(shù)量級(jí)。電子計(jì)數(shù)器的量程 更寬，可達(dá)17個(gè)數(shù)量級(jí)。量程寬正是電子儀器的突出優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量準(zhǔn)確度高。電子儀器的準(zhǔn)確度通?？杀绕渌鼫y(cè)量?jī)x器高很多。特別 是對(duì)頻率和時(shí)間

12、的測(cè)量，由于采用了原子頻標(biāo)和原子秒作為基準(zhǔn)，使誤差減小到 極小量級(jí)，這是目前人類在測(cè)量準(zhǔn)確度方面達(dá)到的最高標(biāo)準(zhǔn)。電子測(cè)量準(zhǔn)確度高， 正是它在現(xiàn)代科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的重要原因。例如發(fā)射人造衛(wèi)星的控制和遙 測(cè)系統(tǒng)，如果不夠準(zhǔn)確，最后一級(jí)火箭的速度有千分之二的相對(duì)誤差，衛(wèi)星就會(huì) 偏離預(yù)定軌道一百公里.測(cè)量速度快.電子測(cè)量由于是通過電子運(yùn)動(dòng)和電磁波的傳播來(lái)進(jìn)行工作 的，因此具有其它測(cè)量方法通常無(wú)法類比的高速度。易于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和長(zhǎng)期不間斷的測(cè)量，顯示方式又可以做到清晰、直觀。 由于可以把電子儀器或與它連接的傳感器放到人類不便長(zhǎng)期停留或無(wú)法到達(dá)的 區(qū)域去進(jìn)行遙測(cè)，而且可在被測(cè)對(duì)象正常工作的情況下進(jìn)行測(cè)量。

13、對(duì)于測(cè)量結(jié)果， 電子測(cè)量的顯示方法也比較清晰、直觀，例如發(fā)光二極管直接數(shù)字顯示，便于直 接給出結(jié)果；熒光屏示波方法，便于形象直觀地給出被測(cè)量的特征。測(cè)量結(jié)果還 便于打印、繪圖或啟動(dòng)指示燈或替鈴顯示。易于利用計(jì)算機(jī)，形成電子測(cè)量與計(jì)算技術(shù)的緊密結(jié)合。電子測(cè)量的測(cè) 量結(jié)采和它所需的控制信號(hào)都是電信號(hào)，這非常有利于它宵接或通過A/D、D/A 變換與計(jì)算機(jī)連接，現(xiàn)在隨著微型計(jì)算機(jī)功能的提高和成本的降低，就可以在不 增加儀器體積和不明顯增加成本的情況下，使測(cè)量?jī)x器的性能發(fā)生很大的飛躍， 使它具有高性能、多功能的特點(diǎn)。由于以上電子測(cè)量技術(shù)的一系列特點(diǎn)，使它廣 泛應(yīng)用于自然科學(xué)的一切領(lǐng)域.大到天文觀測(cè)、宇宙

14、航天，小到物質(zhì)結(jié)構(gòu)、基本 粒子，從復(fù)雜深?yuàn)W的生命、細(xì)胞、遺傳間題到日常的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、商業(yè)各 部門，都越來(lái)越多地采用了電子測(cè)量技術(shù)和設(shè)備。電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展是與自然 科學(xué)特別是電子技術(shù)的發(fā)展互相促進(jìn)、互相推動(dòng)的一方面電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展為 自然科學(xué)特別是電子學(xué)的研究、實(shí)驗(yàn)、分析和檢驗(yàn)提供了條件，另一方面自然科 學(xué)的發(fā)展特別是電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展向電子測(cè)量技術(shù)不斷提出新課題。同時(shí)，近 代電子學(xué)、計(jì)算科學(xué)、物理學(xué)和材料學(xué)等的發(fā)展又反過來(lái)為電子測(cè)量提供了新理 論、新技術(shù)、新工藝、新材料、新器材，形成了相輔相成不可分割的關(guān)系。目前電子測(cè)量設(shè)備在性能、測(cè)試功能、工藝結(jié)構(gòu)等各方面都取得了很大的進(jìn) 展，其研

15、制和生產(chǎn)正向著自動(dòng)化、系統(tǒng)化、數(shù)字化、高性能、多功能、快速、小 型等方面發(fā)展.擁有先進(jìn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，這是科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的一個(gè)重要標(biāo)志， 而一個(gè)國(guó)家電子測(cè)量水平的高低，往往是反映這個(gè)國(guó)家科技水平的重要方面。所 以，我們必須努力提高我們的電子測(cè)量技術(shù)，爭(zhēng)取早日達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。四、電子測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀如今，電子技術(shù)發(fā)展的速度幾乎是讓人目不暇給。從SoC到SIP，從DSL 到WiMAX，人們幾乎每天都在不停地接受新概念；3G的問題還未完全解決， 人們已經(jīng)開始討論B3G的部署，圍繞4G的各種技術(shù)已成為研究的新熱點(diǎn)。那 么，技術(shù)發(fā)展如此之快，測(cè)試技術(shù)能否跟得上應(yīng)用的發(fā)展？中國(guó)的研發(fā)人員和測(cè) 試工程師又面

16、臨著什么樣的技術(shù)挑戰(zhàn)？來(lái)自Agilent和NI的專家們幾乎都一致地認(rèn)為：中國(guó)工程師與美國(guó)乃至世界 各地的工程師面臨著相同的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)一方面是待測(cè)產(chǎn)品的功能越來(lái)越多， 測(cè)試的要求也越來(lái)越高，另一方面，留給測(cè)試的時(shí)間卻越來(lái)越少，因?yàn)楫a(chǎn)品要以 最快的速度上市，從而形成了前所未有的測(cè)試效率方面的壓力。工程師面對(duì)著各 種選擇，他們既需要一個(gè)具有很好的靈活性和兼容性、擴(kuò)展性強(qiáng)，同時(shí)又很可靠 穩(wěn)定的自動(dòng)測(cè)試測(cè)量平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)不但可以滿足現(xiàn)有的需求，而且能很方便地 進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)，以符合今后越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性的需求，此外，還要求這種自動(dòng)測(cè) 試平臺(tái)具有較長(zhǎng)的使用壽命和較低的建構(gòu)成本。然而，國(guó)內(nèi)的專家并非都認(rèn)可上

17、述觀點(diǎn)。來(lái)自賽寶計(jì)量檢測(cè)中心的技術(shù)專家 王勇，就不認(rèn)同上述觀點(diǎn)的絕對(duì)性（憑借著他本人的豐富經(jīng)驗(yàn)，以及對(duì)南中國(guó)地 區(qū)眾多用戶的了解，其觀點(diǎn)具有一定的代表性）。他認(rèn)為，雖然上述的自動(dòng)測(cè)試 平臺(tái)具有效率高等不少優(yōu)點(diǎn)，但至少這種測(cè)試平臺(tái)相對(duì)于中國(guó)的國(guó)情來(lái)說(shuō)，還存 在著一系列的問題，包括可靠性、可維性和可操作性差以及成本過高等問題。實(shí)際上理解這一點(diǎn)并不難，因?yàn)樵谶@種復(fù)雜的自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)中，可靠性模型 全部是串聯(lián)架構(gòu)，還要加上配套軟件的可靠性損失問題?！霸谥袊?guó)，分離設(shè)備基 于易操作和低成本的優(yōu)勢(shì)，在相當(dāng)時(shí)間內(nèi)還將承擔(dān)主要角色，”他表示。另外， 他認(rèn)為，技術(shù)的發(fā)展和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展基本上是同步的，存在測(cè)試問題的標(biāo)準(zhǔn)是 無(wú)法發(fā)布的。一旦標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，就不會(huì)存在測(cè)試方面的問題。“而中國(guó)的工程師真 正面臨的問題在于如何選擇與應(yīng)用相適應(yīng)的儀器設(shè)備以及如何使用儀器以及如 何有效利用儀器的延伸性能，從而使設(shè)備的效能得到真正發(fā)揮，”他指出，而目 前的情況是，