电子测量仪器发展现状及趋势

1、电子测量仪器电子测量仪器 现状及发展趋势现状及发展趋势 电子测量仪器在国家战略中的地位电子测量仪器在国家战略中的地位: : 催化剂；倍增器；战斗力催化剂；倍增器；战斗力 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法 量子基准；误差理论；远程校准量子基准；误差理论；远程校准 电子测量仪器的分类与应用范围电子测量仪器的分类与应用范围 功能相互渗透；功能相互渗透； 类别界限混淆；面向应用类别界限混淆；面向应用- -市场驱动创市场驱动创 新新 主要内容主要内容: : 党的十六大提出党的十六大提出: : “ “优先发展信息产业，优先发展信息产业， 在经济和社会领域广泛应用信息在经济和社会领域

2、广泛应用信息 技术技术”，“坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息 化化” ” 。 “ “装备制造业基础性强，关联度高，在很大程度上影响装备制造业基础性强，关联度高，在很大程度上影响 着国民经济的发展。着国民经济的发展。” 电子测量仪器在国家战略中的地位电子测量仪器在国家战略中的地位: : 从现在起到从现在起到20202020年年, , 我国科学和技术发展要以提升国我国科学和技术发展要以提升国 家竞争力为核心，实现以下重要目标：家竞争力为核心，实现以下重要目标： 一是掌握一批事关国家竞争力的装备制造业和信息产业一是掌握一批事关国家竞争力的装备制造业和信

3、息产业 核心技术，使制造业和信息产业术水平进入世界先进行列。核心技术，使制造业和信息产业术水平进入世界先进行列。 -2006-2006年年1 1月月2626日日 “ “中共中央国务院关于实施科技规划中共中央国务院关于实施科技规划 纲要增强自主创新能力的决定纲要增强自主创新能力的决定” 未来未来1515年年8 8个目标之首个目标之首 电子测量仪器的分类与应用范围电子测量仪器的分类与应用范围: : 中华人民共和国国务院中华人民共和国国务院20062006年年2 2月月9 9日公布日公布 确定了核心电子器件确定了核心电子器件, , 高端通用芯片高端通用芯片 及基础软件及基础软件; ; 极大规模集成电

4、路制造技术及成套工艺；新一极大规模集成电路制造技术及成套工艺；新一 代宽带无线移动通信代宽带无线移动通信; ;高档数控机床与基础制造技术高档数控机床与基础制造技术; ; 大型油大型油 田及煤层气开发田及煤层气开发; ; 大型先进压水堆及高温气冷堆核电站大型先进压水堆及高温气冷堆核电站; ; 水水 体污染控制与治理体污染控制与治理; ; 转基因生物新品种培育转基因生物新品种培育; ; 重大新药创制重大新药创制; ; 艾滋病和病毒性肝炎等重大传染病防治艾滋病和病毒性肝炎等重大传染病防治; ; 大型飞机大型飞机; ; 高分辨高分辨 率对地观测系统率对地观测系统; ; 载人航天与探月工程等载人航天与探

5、月工程等1616个重大专项。个重大专项。 电子测量仪器的分类与应用范围电子测量仪器的分类与应用范围: : 科学技术是第一生产力，而现代仪器设备则科学技术是第一生产力，而现代仪器设备则 是第一生产力的三大要素之一是第一生产力的三大要素之一 我国科学仪器和现代计量技术的开拓者和组织者王大珩：我国科学仪器和现代计量技术的开拓者和组织者王大珩： 仪器不是机器，仪器是认识世界的工具，而仪器不是机器，仪器是认识世界的工具，而 机器是改造世界的工具。仪器是认识未知世界的机器是改造世界的工具。仪器是认识未知世界的 科学工具，也是控制生产过程的工具。科学工具，也是控制生产过程的工具。 测量技术是信息技术的重要组

6、成部分，是信测量技术是信息技术的重要组成部分，是信 息技术的源头息技术的源头 中国科学技术要像蛟龙一样腾飞，这条蛟龙的头是信息中国科学技术要像蛟龙一样腾飞，这条蛟龙的头是信息 技术，仪器仪表则是蛟龙的眼睛，要画龙点睛。技术，仪器仪表则是蛟龙的眼睛，要画龙点睛。 电子测量仪器在国家战略中的地位电子测量仪器在国家战略中的地位: : 电子专用设备电子专用设备电子测量仪器电子测量仪器 电子信息材料电子信息材料 电子基础产品电子基础产品 集成电路、显示器件、电子元器件、机电组件、软件集成电路、显示器件、电子元器件、机电组件、软件 电子整机产品电子整机产品 计算机、电视机、手机、雷达、交换机、传输设备、音

7、响设备计算机、电视机、手机、雷达、交换机、传输设备、音响设备 仪器仪表是工业生产的仪器仪表是工业生产的“倍增器倍增器”， 科学研究的科学研究的“先先 行官行官”，军事上的，军事上的“战斗力战斗力”，以及现代社会活动的，以及现代社会活动的“物物 化法官化法官”。 电子测量仪器在国家战略中的地位电子测量仪器在国家战略中的地位: : 科学技术的发展促进了人类社会的进步，而正是测量奠科学技术的发展促进了人类社会的进步，而正是测量奠 定了科学发展的基础。人类用科学实验验证理论定了科学发展的基础。人类用科学实验验证理论, , 科学理论科学理论 又产生巨大的社会效益，在世界科学发展的万里长征中，又产生巨大的

8、社会效益，在世界科学发展的万里长征中， 超过超过1/31/3的诺贝尔物理和化学奖授予了那些在测试仪器方面的诺贝尔物理和化学奖授予了那些在测试仪器方面 有创新的科学家。有创新的科学家。 电子测量技术与仪器按被测物理量性质电子测量技术与仪器按被测物理量性质 不同，已形成电子、电工、机械、热工、光学、声学等诸多不同，已形成电子、电工、机械、热工、光学、声学等诸多 测量科学，测量科学， 并强力推动着些行业的发展，堪称现代科学技并强力推动着些行业的发展，堪称现代科学技 术和现代工业的催化剂。术和现代工业的催化剂。 科学理论 实验测量 技术进步 电子测量仪器在国家战略中的地位电子测量仪器在国家战略中的地位

9、: : 电子测量技术与仪器作为一种基础技术和基础产品，其电子测量技术与仪器作为一种基础技术和基础产品，其 经济效益主要体现在所支撑的相关产业上。美国商务部的分经济效益主要体现在所支撑的相关产业上。美国商务部的分 析报告指出：测量仪器仪表总产值仅占工业总产值的析报告指出：测量仪器仪表总产值仅占工业总产值的4%4%，但，但 其对国民经济生产总产值的拉动作用达到其对国民经济生产总产值的拉动作用达到66%66%， 对于关连产对于关连产 业和关连经济是不折不扣的倍增器。业和关连经济是不折不扣的倍增器。 测量仪器仪表国民经济社会生活 电子测量仪器在国家战略中的地位电子测量仪器在国家战略中的地位: : 电子

10、测量仪器是一个国家的战略性产业和装备。电子测量仪器是一个国家的战略性产业和装备。 这是因为一个国家的生产、科学研究、国防装备现代这是因为一个国家的生产、科学研究、国防装备现代 化的标志就体现在是否具有国际先进水平的电子测量仪器。化的标志就体现在是否具有国际先进水平的电子测量仪器。 作为一种战略性储备物资，战时的生产、科研、装备能力作为一种战略性储备物资，战时的生产、科研、装备能力 将在很大程度上取决于电子测量仪器的有无和水平，因此将在很大程度上取决于电子测量仪器的有无和水平，因此 可以说其是一种战斗力。可以说其是一种战斗力。 电子测量仪器在国家战略中的地位电子测量仪器在国家战略中的地位: :

11、电子信息产业所需要的电子专用设备仪器是电子信息电子信息产业所需要的电子专用设备仪器是电子信息 产业的基础和重要组成部分，是装备制造业的重要分支产业的基础和重要组成部分，是装备制造业的重要分支, , 是电子信息产品生产工艺的高度物化，是知识、技术、资是电子信息产品生产工艺的高度物化，是知识、技术、资 金密集型产业，也是西方国家对我国实行技术封锁的重要金密集型产业，也是西方国家对我国实行技术封锁的重要 领域，其中的半导体和集成电路专用设备仪器更被国际上领域，其中的半导体和集成电路专用设备仪器更被国际上 称之为战略工业。同时，电子专用设备仪器的价格越来越称之为战略工业。同时，电子专用设备仪器的价格越

12、来越 贵，巨额投资已成为我国电子信息产业发展的制约因素。贵，巨额投资已成为我国电子信息产业发展的制约因素。 电子测量仪器在国家战略中的地位电子测量仪器在国家战略中的地位: : 我国电子信息产业已成为国民经济增长的先导和支柱。我国电子信息产业已成为国民经济增长的先导和支柱。 但是作为核心技术和技术支撑的电子专用设备仪器没有掌握但是作为核心技术和技术支撑的电子专用设备仪器没有掌握 在自己手里，电子信息产业所需要的设备仪器主要依靠进口，在自己手里，电子信息产业所需要的设备仪器主要依靠进口， 影响了电子信息产业的自主发展和产业链建设。因此，振兴影响了电子信息产业的自主发展和产业链建设。因此，振兴 我国

13、电子信息产业所需要的电子专用设备仪器制造业是实现我国电子信息产业所需要的电子专用设备仪器制造业是实现 我国由电子信息产业大国向电子信息产业强国转变的重大战我国由电子信息产业大国向电子信息产业强国转变的重大战 略举措。略举措。 当前，高指标的电子测量仪器当前，高指标的电子测量仪器 和电子应用仪器依然是我国电和电子应用仪器依然是我国电 子仪器的薄弱环节，但最近子仪器的薄弱环节，但最近1010 年，经过市场和技术推动，已年，经过市场和技术推动，已 经有了长足进步，并在少数方经有了长足进步，并在少数方 面接近国际先进水平。面接近国际先进水平。 电子测量仪器在国家战略中的地位电子测量仪器在国家战略中的地

14、位: : 2010 2010年，我国规模以上电子信息产业销售收入规模年，我国规模以上电子信息产业销售收入规模 7.87.8万亿元，同比增长万亿元，同比增长29.5%29.5%。规模以上电子信息制造业工。规模以上电子信息制造业工 业增加值增长业增加值增长16.9%16.9%，比上年加快，比上年加快11.6%11.6%，高出工业平均水，高出工业平均水 平平1.2%1.2%；实现销售产值；实现销售产值6339563395亿元，同比增长亿元，同比增长25.5%25.5%。 数据来源：2010年电子信息产业经济运行公报 电子测量仪器在国家战略中的地位电子测量仪器在国家战略中的地位: : 全行业对外贸易额

15、达到全行业对外贸易额达到80478047亿美元，占全国外贸总额亿美元，占全国外贸总额 的的37%37%。 出口出口45954595亿美元，占全国出口总额的比重为亿美元，占全国出口总额的比重为37.7%37.7%。 进口进口34523452亿美元，占全国进口总额的比重为亿美元，占全国进口总额的比重为36 1% 36 1% 。 全行业规模以上企业共有全行业规模以上企业共有2756927569家，从业人数家，从业人数777777万人。万人。 其中：制造业其中：制造业1460114601家，从业人数家，从业人数675675万人。万人。 软件业软件业1296812968家，从业人数家，从业人数10210

16、2万。万。 电 子 信 息 服 装 家 具 电子测量仪器在国家战略中的地位电子测量仪器在国家战略中的地位: : 20102010年中国电子信息产业数据（续）：年中国电子信息产业数据（续）： 20102010年我国电话用户超过年我国电话用户超过9 9亿户居世界第一亿户居世界第一 其中固定电话用户：其中固定电话用户：3.63.6亿亿 全国移动电话用户：全国移动电话用户：6.16.1亿亿 固定电话普及率：固定电话普及率：27.027.0部部/ /百人百人 住宅电话普及率：住宅电话普及率：20.220.2部部/ /百人百人 移动电话普及率：移动电话普及率：45.645.6部部/ /百人百人 互联网用户

17、互联网用户 2.12.1亿人，居世界第二亿人，居世界第二 电子测量仪器在国家战略中的地位电子测量仪器在国家战略中的地位: : 强化引进消化吸收再创新的能力强化引进消化吸收再创新的能力 显著增强集成创新的能力显著增强集成创新的能力 逐步提高原始创新能力逐步提高原始创新能力 建立一批重点领域共性技术的开发平建立一批重点领域共性技术的开发平 台台 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 量值的概念量值的概念: : 自自18751875年订立米制公约以来，国际单位制年订立米制公约以来，国际单位制(SI)(SI)在世在世 界范围内得到了广泛应用。界范围内得到了广泛应用。SISI中

18、定义了米、千克、秒、安中定义了米、千克、秒、安 培、开尔文、坎德拉和摩尔培、开尔文、坎德拉和摩尔7 7个基本单位。个基本单位。 基本单位的量值由计量基准所保存及复现。基本单位的量值由计量基准所保存及复现。 19 19世纪下半叶到世纪下半叶到2020世纪上半叶，各国建立起了经典的世纪上半叶，各国建立起了经典的 计量基准。这些计量基准一般是根据经典物理学的原理，计量基准。这些计量基准一般是根据经典物理学的原理， 用某种特别稳定的实物来实现，故称为实物基准。用某种特别稳定的实物来实现，故称为实物基准。 秦始皇统一度量衡，规定了容积体积和秦始皇统一度量衡，规定了容积体积和 长度的标准，甚至还规定了误差

19、范围。长度的标准，甚至还规定了误差范围。 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 保存在巴黎国际计量局保存在巴黎国际计量局 （BIPMBIPM）的根）的根X X型铂铱合金米尺型铂铱合金米尺 原器：两条刻线间距离就定义为原器：两条刻线间距离就定义为 长度单位米。长度单位米。 保存在巴黎国际计量局保存在巴黎国际计量局 （BIPMBIPM）的铂铱合金圆柱）的铂铱合金圆柱千千 克原器砝码的质量就定义为质量克原器砝码的质量就定义为质量 单位克。单位克。 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 基本量和基本单位基本量和基本单位 量量 符号符号 基本单位基本单

20、位 符号符号 目前定义目前定义 时间时间 长度长度 质量质量 电流电流 T T Second Second 秒秒 s s 秒是与秒是与CsCs原子基态的两个超精细能级间跃迁原子基态的两个超精细能级间跃迁 相对应的辐射的相对应的辐射的9 192 631 770 9 192 631 770 个周期的持个周期的持 续时间续时间。 x Metre x Metre 米米 m m米是光在真空中于（米是光在真空中于（1/299 792 4581/299 792 458）秒时）秒时 间间隔内所经路径的长度。间间隔内所经路径的长度。 m Kilogram m Kilogram 千克千克 kgkg千克是质量的单位

21、，国际千克原器的质量精千克是质量的单位，国际千克原器的质量精 确地等于确地等于1 1千克。千克。 I Ampere I Ampere 安培安培 A A 安培是电流单位，在真空中，截面积可忽略安培是电流单位，在真空中，截面积可忽略 的两根相距的两根相距1 1米的无限长平行圆直导线内通以米的无限长平行圆直导线内通以 等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每 米长度上为米长度上为2 21010-7 -7牛顿，则每根导线中的电 牛顿，则每根导线中的电 流为流为1 1安培。安培。 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 热力学温度热力学温度 T

22、 TKelvin Kelvin 开尔文开尔文 K K 开尔文是热力学温度单位，水的三相点的热开尔文是热力学温度单位，水的三相点的热 力学温度精确地等于力学温度精确地等于273.16273.16开尔文。开尔文。 物质的量物质的量m Mole m Mole 摩尔摩尔 molmol摩尔是一特定基本单元的物质的量的单位，摩尔是一特定基本单元的物质的量的单位， 该基本单元可以是原子、分子、离子、电该基本单元可以是原子、分子、离子、电 子、其他粒子，或这些粒子的特定组合，子、其他粒子，或这些粒子的特定组合， 碳碳-12-12的克分子质量精确地等于的克分子质量精确地等于0.0120.012千克千克 每摩尔。

23、每摩尔。 发光强度发光强度 L LCandela Candela 坎德拉坎德拉 cdcd 坎德拉是给定方向上的发光强度的单位，频坎德拉是给定方向上的发光强度的单位，频 率为率为5405401012 1012 赫兹的单色辐射的光谱光视赫兹的单色辐射的光谱光视 效能精确地等于效能精确地等于683683流明每瓦特。流明每瓦特。 基本量和基本单位基本量和基本单位 量量 符号符号 基本单位基本单位 符号符号 目前定义目前定义 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 由实物基准定义的量值：由实物基准定义的量值： 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 除了除

24、了7 7个基本量外还定义了个基本量外还定义了2 2个辅助量和个辅助量和1919个导出量：个导出量： 2 2个辅助量：个辅助量： 平面角平面角弧度（弧度（radrad） 立体角立体角球面度（球面度（srsr） 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 1919个导出量个导出量: : 参数名称参数名称 参量单位参量单位缩写符号缩写符号量值量值 频率频率赫兹赫兹Hz Hz 1/s1/s 力力牛顿牛顿N Nkg.mkg.m/s/s2 2 压力压力帕斯卡帕斯卡Pa Pa N/mN/m2 2 功或能量功或能量 焦耳焦耳J JN.mN.m 功率功率瓦特瓦特W WJ/sJ/s 电位电位伏

25、特伏特V VW/AW/A 电阻电阻欧姆欧姆V/AV/A 电荷量电荷量库仑库仑C CA.sA.s 电容电容法拉法拉F FC/ VC/ V 电导电导西门子西门子S SA/ VA/ V 磁通量磁通量 韦伯韦伯WbWb V.sV.s 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 参数名称参数名称 参量单位参量单位缩写符号缩写符号量值量值 磁通量密度磁通量密度特斯拉特斯拉T TWbWb/m/m2 2 电感电感亨利亨利H HWbWb/ A/ A 摄氏温度摄氏温度摄氏度摄氏度KKKK 光通量光通量流明流明lmlmcd.srcd.sr 光照度光照度勒克斯勒克斯Lx Lx lm/mlm/m2

26、2 放射性活度放射性活度贝可勒尔贝可勒尔BqBq 1/s1/s 吸收剂量吸收剂量戈瑞戈瑞GyGyJ/kgJ/kg 剂量当量剂量当量 希沃特希沃特SvSv M M2 2s s-2 -2 1919个导出量个导出量: : 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 单位制的倍率因子单位制的倍率因子 倍率因子倍率因子名称名称符号符号 101024 24 尧尧 它它 Y Y 101021 21 泽泽 它它 Z Z 101018 18 艾艾 可萨可萨 E E 101015 15 拍拍 它它 P P 101012 12 太太 拉拉 T T 10109 9吉吉 咖咖 G G 10106 6

27、兆兆M M 10103 3千千k k 10102 2百百h h 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 倍率因子倍率因子名称名称符号符号 10101 1十十dada 10-1分分d d 10-2厘厘c c 10-3毫毫m m 10-6微微 10-9纳纳 诺诺 n n 10-12皮皮 可可 p p 10-15飞飞 母托母托 f f 10-18阿阿 托托 a a 10-21仄仄 普托普托 z z 10-24幺幺 科托科托 y y 单位制的倍率因子单位制的倍率因子 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 为了弥补实物基准的缺陷为了弥补实物基准的缺陷,

28、, 人类正在逐步以量子基准来人类正在逐步以量子基准来 定义定义SISI量值。量值。 量子计量基准量子计量基准: : 量子物理学研究发现，宏观物体中的微观粒子如果处于量子物理学研究发现，宏观物体中的微观粒子如果处于 相同的微观态，其能量有相同的确定值，也就是处于同一能相同的微观态，其能量有相同的确定值，也就是处于同一能 级上。当粒子在不同能级之间发生量子跃迁时，将伴随着吸级上。当粒子在不同能级之间发生量子跃迁时，将伴随着吸 收或发射能量等于能级差收或发射能量等于能级差EE的电磁波能量子，也就是光子。的电磁波能量子，也就是光子。 而且电磁波频率而且电磁波频率v v与与EE之间满足普朗克公式：之间满

29、足普朗克公式： E=hv E=hv 根据此量子现象复现量值的计量基准统称为量子计量基根据此量子现象复现量值的计量基准统称为量子计量基 准准 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 基本物理常数：基本物理常数： 真空中光速真空中光速: c= 299 792 458 m/s : c= 299 792 458 m/s 电子电荷电子电荷: e = 1.602 176 53 : e = 1.602 176 53 10 10-19 -19 As As 普朗克常数普朗克常数: h = 6.626 0693 : h = 6.626 0693 10 10-34 -34 m m2 2kg

30、skg s1 1 约瑟夫逊常数约瑟夫逊常数:KJ = 2e/h = 483 597.9 GHz/V :KJ = 2e/h = 483 597.9 GHz/V 冯克里青常数冯克里青常数: RK = h/e2 = 25 812.807 : RK = h/e2 = 25 812.807 波尔兹曼常数波尔兹曼常数: kB = 1 380 6505 : kB = 1 380 6505 10 10-23 -23 J/K J/K 阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数:NA = 6.022 1415 :NA = 6.022 1415 10 1023 23 mol-1 mol-1 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技

31、术研究的对象和方法: : 基本物理常数在电量测量中的应用：基本物理常数在电量测量中的应用： 量量 符号符号 数值（数值（11不确定度）不确定度）应用应用 真空中的光速真空中的光速c c299 792 458 /(299 792 458 /(准确值准确值) )时间时间 频率频率 长度长度 基本电荷基本电荷e e1.602 176 531019As(0.3ppm)1.602 176 531019As(0.3ppm) 电压和电流电压和电流 约瑟夫逊常数约瑟夫逊常数K Kj-90 j-90 483 579 9GHz/V(0. 4ppm)483 579 9GHz/V(0. 4ppm)电压电压 冯冯克里青

32、常数克里青常数R Rk-90 k-90 25 812.807k 25 812.807k (0.2ppmppm) )电阻电阻 真空中的导磁率真空中的导磁率0 04 10-7N/AN/A2 2( (准确值准确值) )电容电容 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 时间时间/ /频率标准的定义：频率标准的定义： 1 1 秒秒= Cs= Cs原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的 9 192 631 770 9 192 631 770 个周期的持续时间。个周期的持续时间。 长度的定义：长度的定义： 1 1米米= =光波在真空中

33、光波在真空中1/299 792 4581/299 792 458秒时间内走过的距离。秒时间内走过的距离。 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 约瑟夫逊效应约瑟夫逊效应: : Brian Josephson Brian Josephson于于19621962年发现年发现 了约瑟夫逊效应。约瑟夫逊效应发了约瑟夫逊效应。约瑟夫逊效应发 生于一薄层金属氧化物阻挡层隔生于一薄层金属氧化物阻挡层隔 开的两个超导体之间。开的两个超导体之间。 用一个微波源照射约瑟夫逊阵用一个微波源照射约瑟夫逊阵 列中由直流电流偏置的约瑟夫逊结列中由直流电流偏置的约瑟夫逊结 在约瑟夫逊阵列中的每一个

34、约瑟在约瑟夫逊阵列中的每一个约瑟 夫逊结都产生一个正比于微波的频率夫逊结都产生一个正比于微波的频率 的直流电压：的直流电压： 2 fnh V e 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 约瑟夫逊结的输出定义为：约瑟夫逊结的输出定义为： 90 j j nf V K 式中：式中： V Vj j 结电压结电压 f f 以以GHzGHz为单位的频率为单位的频率 K Kj-90 j-90483597.9GHz/ V 483597.9GHz/ V n n 正或负的整数正或负的整数 K Kj-90 j-90是国际度量衡 是国际度量衡(CIPM)(CIPM)建议所有国家实验室使用的建议

35、所有国家实验室使用的 约瑟夫逊常数，其不必等于通常的物理常数约瑟夫逊常数，其不必等于通常的物理常数K Kj j=2e/h=2e/h 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 霍尔效应霍尔效应 1980 1980年克劳斯年克劳斯冯冯克里青克里青(Klaus von Klitzing)(Klaus von Klitzing)发现发现 了量子霍尔效应（了量子霍尔效应（QHEQHE）。霍尔效应即在一个平面型的）。霍尔效应即在一个平面型的MOSFETMOSFET 或异质结晶体管的垂或异质结晶体管的垂 （QHEQHE）。直方向施加磁场，在纵方向）。直方向施加磁场，在纵方向 上通以直流

36、电流，则在低于上通以直流电流，则在低于4.2K4.2K的低温环境下与电流和磁场的低温环境下与电流和磁场 相垂直的方向，产生霍尔电压：相垂直的方向，产生霍尔电压： 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 90 / hk VRI i 90 / hhk RVIRi 式中：式中： V Vh h霍尔电压霍尔电压 R Rk-90 k-90=25812.807 =25812.807 为为19901990年年1 1月月1 1日开始生效的日开始生效的 （CIPMCIPM）建议值，其与冯）建议值，其与冯克里青常数克里青常数R Rk k=h/e2=h/e2不必相等。不必相等。 II流过流过M

37、OSFETMOSFET或异质结霍尔棒的电流或异质结霍尔棒的电流 ii代表测量代表测量R Rh h的数值时霍尔台阶数目的整数的数值时霍尔台阶数目的整数 R Rh h量子霍尔电阻。量子霍尔电阻。 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 由量子基准定义的：由量子基准定义的： 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 电量测量可分为以下几个方面：电量测量可分为以下几个方面： 1 1、电能量测量、电能量测量 电能量测量包括各种频率、波形下的电压、电流、功电能量测量包括各种频率、波形下的电压、电流、功 率等的测量。率等的测量。 2 2、电信号特性测量、电信号特

38、性测量 电信号特性测量包括波形、频率、周期、相位、失真电信号特性测量包括波形、频率、周期、相位、失真 度、度、 调幅度、调频指数及数字信号的逻辑状态等的测量。调幅度、调频指数及数字信号的逻辑状态等的测量。 3 3、电路元件参数测量、电路元件参数测量 电路元件参数测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品电路元件参数测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品 质因数及电子器件的参数等的测量。质因数及电子器件的参数等的测量。 4 4、电子设备的性能测量、电子设备的性能测量 电子设备的性能测测量包括增益、衰减、灵敏度、频率电子设备的性能测测量包括增益、衰减、灵敏度、频率 特性、特性、 噪声指数等的测量。噪声指数等的

39、测量。 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 电量电量: : 直流电压：直流电压： 1010-12 -12 V V 直流电流：直流电流： 1010-17 -17 A A 交流电压：交流电压： 1010-6 -6 V V 交流电流：交流电流： 1010-10 -10 A A 电阻：电阻： 1010-10 -10 -10 -1020 20 电容：电容： 1010-17 -17 - 10F - 10F 时间：时间： 1010-15 -15（三千万年误差小于一秒） （三千万年误差小于一秒） 频率测量：频率测量： 0.01Hz0.01Hz 80GHz 80GHz 频率测量频率测

40、量 相位：相位： 0.0010.001o o 温度：温度： 1010-6 -6 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 非电量：非电量： 非电量是指各种非电物理量，如压力、流量、非电量是指各种非电物理量，如压力、流量、 位移、温度、湿度、亮度、颜色、物质成分等。位移、温度、湿度、亮度、颜色、物质成分等。 非电量可以通过各种对应的敏感元件（通常称非电量可以通过各种对应的敏感元件（通常称 为传感器），将被测物理量转换成与之相关的电压、为传感器），将被测物理量转换成与之相关的电压、 电流等，而后再通过对电压、电流的测量，得到被测电流等，而后再通过对电压、电流的测量，得到被测

41、物理量的大小。物理量的大小。 传感技术的发展为这类测量提供了新的方法和传感技术的发展为这类测量提供了新的方法和 途径。途径。 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 基于统计论的误差理论基于统计论的误差理论- - 基于信息论的信息熵基于信息论的信息熵 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 真值：为真值：为“表征某量在所处的条件下完善地确定的量值表征某量在所处的条件下完善地确定的量值”。 真值是一个理想的概念。真值客观存在，却难以获得。真值是一个理想的概念。真值客观存在，却难以获得。 实际值：实际测量中常把高一等级的计量标准测得的实际值实际值：实

42、际测量中常把高一等级的计量标准测得的实际值 作为真值使用。作为真值使用。 “实际值实际值”“”“约定真值约定真值”。 误差误差= =测量值测量值- -真值真值 。 绝对误差：直接测量得到的误差。绝对误差：直接测量得到的误差。 相对误差：绝对误差相对误差：绝对误差/ /真值真值 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 在传统误差理论中，总想确定在传统误差理论中，总想确定“真值真值”，而真值却又难以，而真值却又难以 确定，导致测量结果带有不确定性确定，导致测量结果带有不确定性 导致测量结果带有不确定性。导致测量

43、结果带有不确定性。 引入不确定度的概念：不确定度愈小，测量结果的质量愈引入不确定度的概念：不确定度愈小，测量结果的质量愈 高，高， 愈接近真值，可信程度愈高。愈接近真值，可信程度愈高。 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 在统计学中，期望与均值是同一概念在统计学中，期望与均值是同一概念 算术平均值与被测量的真值最为接近，由概率论的大算术平均值与被测量的真值最为接近，由概率论的大 数定律可知，若测量次数无限增加，则算术平均值必然趋数定律可知，若测量次数无限增加，则算术平均值必然趋 于实际值。于实际值。 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 熵

44、的定义熵的定义: :在一个热力体系中，热能的利用是与环境温在一个热力体系中，热能的利用是与环境温 度有关的。蒸汽虽然有热能，但如果周围的环境温度与蒸汽度有关的。蒸汽虽然有热能，但如果周围的环境温度与蒸汽 一样，则蒸汽的热能就无法利用。如果周围温度略为降低，一样，则蒸汽的热能就无法利用。如果周围温度略为降低， 则一部分蒸汽的热能就可变为功，而仍有一部分不能利用。则一部分蒸汽的热能就可变为功，而仍有一部分不能利用。 不论在任何热力体系中，这种不能利用的热能可以用热能除不论在任何热力体系中，这种不能利用的热能可以用热能除 以温度所得的商来量度它，这个商就定义为熵。以温度所得的商来量度它，这个商就定义

45、为熵。 式中：式中：S S为不能利用的热能，为不能利用的热能，k k是玻耳兹曼常数，是玻耳兹曼常数，为混为混 乱度，即无序能量的混合程度。乱度，即无序能量的混合程度。 熵是热系统的一个状态函数，反映状态的多样性和不熵是热系统的一个状态函数，反映状态的多样性和不 可期望性的程度。可期望性的程度。 lnSk 电子测量技术研究的对象和方法电子测量技术研究的对象和方法: : 在测量信息论中引入信息熵的概念，测量结果的数在测量信息论中引入信息熵的概念，测量结果的数 学期望可表示为：学期望可表示为： ( ) b a xx p x dx 测量结果数学期望的标准不确定度为：测量结果数学期望的标准不确定度为：

46、2 ()( ) b a ux xp x dx 设包含因子为设包含因子为k k，则扩展不确定度为：，则扩展不确定度为： U ku 电子测量仪器的分类与应用范围电子测量仪器的分类与应用范围: : 电子仪器的定义和分类电子仪器的定义和分类: : 电子仪器以电子电路技术为基础，融合测量技术、计电子仪器以电子电路技术为基础，融合测量技术、计 算机技术、通信技术、数字技术、软件技术、总线技术等算机技术、通信技术、数字技术、软件技术、总线技术等 组成单机或自动测试系统。组成单机或自动测试系统。 它以电量、非电量、光电子量为被测信息，通过数据它以电量、非电量、光电子量为被测信息，通过数据 采集、存储和处理，对

47、被测信息量进行数据显示或图形显采集、存储和处理，对被测信息量进行数据显示或图形显 示。根据测量过程的需要输出被测信息量以进行系统控制。示。根据测量过程的需要输出被测信息量以进行系统控制。 目前国家标准将电子仪器分为目前国家标准将电子仪器分为2525个门类，其中前个门类，其中前2020类类 为电子测量仪器，后为电子测量仪器，后5 5类为电子应用仪器。类为电子应用仪器。 电子测量仪器的分类与应用范围电子测量仪器的分类与应用范围: : 1 1、频率、时间测量仪器和标准、频率、时间测量仪器和标准 2 2、电压测量仪器、电压测量仪器 3 3、示波器、示波器/ /逻辑分析仪逻辑分析仪 4 4、半导体、新型

48、器件和器件参数测量仪器、半导体、新型器件和器件参数测量仪器 5 5、新型元件和材料参数测量仪器、新型元件和材料参数测量仪器 6 6、脉冲参数测量仪器、脉冲参数测量仪器 7 7、频谱、波形测量分析仪器、频谱、波形测量分析仪器 8 8、微波、毫米波测量仪器、微波、毫米波测量仪器/ /网络分析仪和部件网络分析仪和部件 9 9、光电子测量仪器和部件、光电子测量仪器和部件 1010、通信测量仪器、通信测量仪器 1111、广播电视测量仪器、广播电视测量仪器 1212、超低频测量仪器、超低频测量仪器 1313、声学测量仪器、声学测量仪器 电子测量仪器的分类与应用范围电子测量仪器的分类与应用范围: : 141

49、4、干扰场强测量仪器、干扰场强测量仪器 1515、电源、电源 1616、记录显示仪器、记录显示仪器 1717、信号源准、信号源准 器和部件器和部件 1818、功率测量仪器、探头和标准、功率测量仪器、探头和标准 1919、VXIVXI总线测量仪器和总线测量仪器和VXIVXI总线模块总线模块 2020、其他电子测量仪器参数测量仪器、其他电子测量仪器参数测量仪器 2121、医用电子应用仪器、医用电子应用仪器 2222、农业电子应用仪器、农业电子应用仪器 2323、工业、交通、气象电子应用仪器、工业、交通、气象电子应用仪器 2424、文教电子应用仪器、文教电子应用仪器 2525、其他电子应用仪器和仪表

50、、其他电子应用仪器和仪表 电子测量仪器的分类与应用范围电子测量仪器的分类与应用范围: : 国际上通用的电子测量仪器分类：国际上通用的电子测量仪器分类： 通用电子测量仪器：通用电子测量仪器： 电压表和计数器电压表和计数器-模拟电压表、数字多用表、频率计、模拟电压表、数字多用表、频率计、 通用计数器。通用计数器。 信号源信号源-RF/-RF/微波信号发生器、矢量信号发生器、任微波信号发生器、矢量信号发生器、任 意意 波形发生器波形发生器 示波器示波器-模拟示波器、数字示波器、模拟示波器、数字示波器、 模拟模拟/ /数字混合数字混合 示示 波器波器 分析仪分析仪-频谱分析仪、网络分析仪、逻辑分析仪、

51、频谱分析仪、网络分析仪、逻辑分析仪、 音频分析仪、音频分析仪、EMI/EMCEMI/EMC测量接收机测量接收机/ /分析仪分析仪 功率计功率计- RF/- RF/微波功率计、电力功率分析仪微波功率计、电力功率分析仪 实验室电源实验室电源 电子测量仪器的分类与应用范围电子测量仪器的分类与应用范围: : 国际上通用的电子测量仪器分类（续）：国际上通用的电子测量仪器分类（续）： 通信测量仪器：通信测量仪器： 移动通信测量仪器移动通信测量仪器-综合测试仪、误码率测试仪、天综合测试仪、误码率测试仪、天 馈馈 线测试仪线测试仪 光通信测量仪器光通信测量仪器- PDH- PDH、SDHSDH、光功率计、光融

52、接机、光功率计、光融接机 通信协议分析通信协议分析 生物工程测试仪器生物工程测试仪器 工业自动化测试仪器：工业自动化测试仪器： 自动测试系统自动测试系统-GPIB-GPIB、VXIVXI、PXIPXI、LXILXI 其他应用测试仪器其他应用测试仪器 按照被测信号的特性，电子测量仪器可分为以下几类：按照被测信号的特性，电子测量仪器可分为以下几类： 电子测量仪器的分类与应用范围电子测量仪器的分类与应用范围: : 技术与市场发展趋势技术与市场发展趋势: : 半导体集成电路技术的发展改变了仪器设计，使其技术半导体集成电路技术的发展改变了仪器设计，使其技术 指标接近了物理极限指标接近了物理极限 网络通信

53、技术，软件无线电技术和计算机技术融入仪器，网络通信技术，软件无线电技术和计算机技术融入仪器， 产生了新一代自动测试系统产生了新一代自动测试系统 应用驱动创新，应用驱动创新，“我不是传统仪器我不是传统仪器”成为时尚。新的测成为时尚。新的测 量理论呼之欲出量理论呼之欲出 技术与市场发展趋势技术与市场发展趋势: : 技术与市场发展趋势技术与市场发展趋势: : 技术与市场发展趋势技术与市场发展趋势: : 技术与市场发展趋势技术与市场发展趋势: : 测量仪器的技术指标不可能无限提高 技术与市场发展趋势技术与市场发展趋势: : 正确理解电子测量仪器的技术指标正确理解电子测量仪器的技术指标 灵敏度（灵敏度（

54、SensitivitySensitivity）：仪器所能检测得到的信号最小变化量。）：仪器所能检测得到的信号最小变化量。 分辨率（分辨率（ResolutionResolution）：仪器所能检测到的最小信号所占的比例）：仪器所能检测到的最小信号所占的比例 分量。分量。 重复性（重复性（RepeatabilityRepeatability）：在相同测试条件下相邻的成功测量）：在相同测试条件下相邻的成功测量 结果之间的一致性。结果之间的一致性。 再现性（再现性（ReproducibilityReproducibility）：在给定的变化条件下，相同量值）：在给定的变化条件下，相同量值 测试结果之间

55、的一致性。测试结果之间的一致性。 绝对准确度（绝对准确度（Absolute accuracyAbsolute accuracy）：测量结果与被测量真值或）：测量结果与被测量真值或 其标准认定值之的接近程度。准确度常被分成增益和偏置二项。其标准认定值之的接近程度。准确度常被分成增益和偏置二项。 相对准确度（相对准确度（Relative AccuracyRelative Accuracy）：用被测值与参考值之间的）：用被测值与参考值之间的 相对关系表示出的测量准确度。相对关系表示出的测量准确度。 技术与市场发展趋势技术与市场发展趋势: : 正确理解电子测量仪器的技术指标正确理解电子测量仪器的技术指

56、标 误差（误差（ErrorError）：与被测量值的真值相比测量的偏差（差值）：与被测量值的真值相比测量的偏差（差值 或比值）。请注意真值就其本质而言是不可确定的。或比值）。请注意真值就其本质而言是不可确定的。 随机误差（随机误差（Random ErrorRandom Error）：受随机分布误差影响的大量）：受随机分布误差影响的大量 测量结果的平均值与真值的偏差。测量结果的平均值与真值的偏差。 系统误差：（系统误差：（Systematic ErrorSystematic Error）：受系统自身分布误差）：受系统自身分布误差 影响的大量测量结果的平均值与真值的偏差。影响的大量测量结果的平均值

57、与真值的偏差。 不确定度（不确定度（UncertainlyUncertainly）：对测量中可能产生的误差的评）：对测量中可能产生的误差的评 估，即估计与被测量的实际量值可能产生的偏差范围。不估，即估计与被测量的实际量值可能产生的偏差范围。不 确定度与准确度相反。确定度与准确度相反。 精度（精度（PrecisionPrecision）：是一个与这里定义的许多术语相比更）：是一个与这里定义的许多术语相比更 加定性的指标，指测量中不确定性的程度。适用于可重复加定性的指标，指测量中不确定性的程度。适用于可重复 性或可复现性测试等场合，而不适用在其他应该用准确度性或可复现性测试等场合，而不适用在其他应

58、该用准确度 （AccuracyAccuracy）的场合。）的场合。 技术与市场发展趋势技术与市场发展趋势: : 正确理解电子测量仪器的技术指标正确理解电子测量仪器的技术指标 仪器的准确度通常规定为读数的百分数，加上量程的百分仪器的准确度通常规定为读数的百分数，加上量程的百分 数（或者最低有效位的字数）。数（或者最低有效位的字数）。 例如，典型数字多用表的准确度技术指标可以表达为：例如，典型数字多用表的准确度技术指标可以表达为： （读数的（读数的0.005%+0.005%+量程的量程的0.002%0.002%）。注意，在读数接近满度）。注意，在读数接近满度 时读数的百分数最重要，而当读数为满度的

59、一小部分时读数的百分数最重要，而当读数为满度的一小部分 时，量程的百分数更重要。时，量程的百分数更重要。 准确度也可以用准确度也可以用ppmppm（parts per millionparts per million，即百万分之一），即百万分之一） 来表示。通常，这种准确度技术指标表示为来表示。通常，这种准确度技术指标表示为（读数的（读数的ppm+ppm+量量 程的程的ppmppm）。）。 例如，高分辨率数字多用表的直流电压准确度可表示为例如，高分辨率数字多用表的直流电压准确度可表示为 （读数的（读数的25ppm+25ppm+量程的量程的5ppm5ppm） 为为（读数的（读数的25ppm+25

60、ppm+量程的量程的 5ppm5ppm）。）。 技术与市场发展趋势技术与市场发展趋势: : 正确理解电子测量仪器的技术指标正确理解电子测量仪器的技术指标 分辨率：分辨率： 数字仪器的分辨率由可以显示的数字值决定，而该数数字仪器的分辨率由可以显示的数字值决定，而该数 字值又决定于位数。典型的数字静电计可能有字值又决定于位数。典型的数字静电计可能有5 51 1/ /2 2位，意位，意 思是由思是由5 5个完整的位（每一位的数值可以从个完整的位（每一位的数值可以从0 0到到9 9），加上首），加上首 位的半位（可以取值为位的半位（可以取值为0 0或或1 1）。）。 这样这样5 51 1/ /2 2位