电子测量技术的发展

1、电子测量技术的发展王欣【摘要】近年来，以信息技术为代表的新技术促进了电子行业的飞速增长，也 极大地推动了测量技术的快速发展。本文将简单的介绍电子测量技术的发展，特 点以及应用【关键词】测量电子测量的特点电子测量的应用电子测量是泛指以电子技术为基础手段的一种测量技术。它是测量学和电子 学相互结合的产物。英国科学家A - H -库克（cook）说：“测量是技术生命的 神经系统。我们通过测量认识周围的物质世界，通过测量把这些知识变成数字语 言，然后用数学方法把它整理成合乎逻辑的系统；通过测量，可使这种系统性知 识借助于工程技术用来改造物质；世界精密的测量是精确的知识和经济的设计所 必需，方便的测量是

2、敏捷的通讯和有效的组织所必需。”这一段话深刻地揭示出 了测量对于我们人类社会的重要性。人类社会从远古时代发展到物质文明和梢神 文明都高度发达的今天，没有测量技术的作用是不可想象的。电子测量除具体运 用电子科学的原理、方法和设备对各种电量、电信号及电路元器件的特性和参数 进行测量外，还可以通过各种敏感器件和传感装置对非电量进行测量，这种测量 方法往往更加方便、快捷、准确，有时是用用其他测量方法不可替代的。因此， 电子测量不仅用于电学这专业，也广泛用于物理学，化学，机械学，材料学，生 物学，医学等科学领域及生产、国防、交通、通信、商业贸易、生态环境保护乃 至日常生活的各个方面。近几十年来计算机技术

3、和微电子技术的迅猛发展为电子 测量和测量仪器增添了巨大活力。电子计算机尤其是尤其是微型计算机与电子测 量仪器相结合，构成了一代崭新的仪器和测试系统，即人们通常所说的“智能仪 器”和“自动测试系统”，它们能够对若干电参数进行自动测量，自动量程选择，数 据记录和处理，数据传输，误差修正，自检自校，故障诊断及在线测试等，不仅 改变了若干传统测量的概念，更对整个电子技术和其他科学技术产生了巨大的推 动作用。现在，电子测量技术（包括测量理论、测量方法、测量仪器装置等）已 成为电子科学领域重要且发展迅速的分支学科。一、测量的意义所谓测量就是借助于专用的技术工具通过实验和（或）计算，对被测对象收 集信息的过

4、程。在自然界中，对于任何被研究的对象，若要定量地进行评价，必 须通过测量来实现。在电子技术领域中，中肯的分析只能来自正确的测量。通过 测量，我们对大自然认识才由感性世界跨入了理性世界，才逐步对大自然有了理 性的分析，通过分析和归纳，我们才能得到规律性的知识来改造世界，科学技术 才能得以高速发展。牛顿开创的早期自然科学的工作方法可归纳为观察、实验、 理论”，可见，人们是通过观测试验的结果和已经掌握的规律，进行概括、推理， 再对所研究的事物取得定量的概念和发现它的规律性，然后上升到理论。因此， 测量技术的水平在相当程度上影响着科学技术的发展速度和深度，科学技术上有 一些突破是以测试技术的突破为基础

5、的。这种例子在科学发展史上是不胜枚举的。在没有显微镜时，人眼只能看清大小为0.10.2毫米的东西，这大大限制 了人类对自然界中微观世界的认识，在这种情况下，绝对不会有微生物学等技术 的产生。16世纪出现了光学显微镜，它的分辨率可达2000埃，相应的放大率 约为1500倍，大大扩展了人的眼力。在显微镜的帮助下，人类发现了构成生物 基础的细胞（大小约为10-100微米），使人类对生物界的认识有了一个极大的 飞跃，这一发现对推动生物学各方面的研究作出了重要贡献，被恩格斯誉为19 世纪三大发现之一。20世纪30年代出现了电子显微镜，它的分辨本42领高达 2 一 3埃，又比光学显微镜提高了约三个数量级。

6、由此可见电子技术引入测量 领域的巨大的推动作用。在电子显微镜下，可以洞察小小细胞内的超微机构，连 细胞膜也可清晰地辨出是由三个薄层组成的，并发现了致病的病毒、形成了生物 科学的又一次飞跃。现代科学技术、生产和国防的重要特点之一，就是要进行大 量的观测和统计。现代工业大生产，用到测量上的工时和费用约占整个生产所用 的20% 30%。提高测量水平，降低测量成本，减少测量误差，提高测量效率， 对国民经济各个领域都是至关重要的。二、电子测量技术的发展电子测量技术的发展是建立在测量技术的发展最新电子技术的发展基础之 上的。广义地说，凡是利用电子技术进行的测量都称为电子测量。从现存的史料 上我们得知古人用

7、漏斗滴水来测量时间，用草绳打结来计数，这可以说是原始的 测量方法，以后人们逐渐发明了称、算盘等较为先进的测量和运算工具，到了本 世纪20年代，科学技术的发展导致了电子管的出现，即电子技术的出现。由于 电子技术独特的优点：频率范围宽，测量快速，易于实现遥控等，使得电子技术 迅速被应用并普及到国民经济各个领域，包括测量技术中，开创了测量技术的新 天地。但是由于电子管的体积较大，从而造成了电子管做成的测量仪器体积较大， 耗电量多，价格贵，工作效率也不是很高，到了本世纪50年代，半导体技术有 了飞速的发展，晶体管相对于电子管而言，体积大为减小，功耗降低，稳定性大 为提高，同时其应用频率范围更宽，除测直

8、流量外，还可以测高至100GHZ左 右的信号，从而使晶体管迅速取代了电子管的位置，如各种示波器、晶体管测试 仪，频谱测试仪等。这些测量仪器仍在国民生产各个领域中发挥着极大的作用。 到了本世纪60年代中期，中小规模集成电路问世。所谓集成电路，就是将电阻、 电容、二极管、三极管等各种元器件经过半导体工艺或薄膜工艺制作在同一块硅 片上，并按某种电路互联起来，制成的具有一定功能的电路，从而打破了半导体 元器件组成的传统电路的概念，实现了材料、元件、电路三位一体。由于集成电 路的问世，使得原来的电路变得更小，因此，由集成电路做成的电子测量仪器体 积更为减小，同时其测量范围更为宽广，测量精度大为提高。现在

9、一些比较先进 的电子测量仪器均用集成电路做成，并且有了智能功能，特别是在尖端技术和现 代化的工农业生产中，集成电路测量仪器的优势更为明显。例如，一个射程为八 千公里的洲际导弹，如果航向误差有0.03度，也会造成导弹偏离目标5 一 8公 里，那样，导弹的威力将大为降低，甚至起不到作用。制造炸药的甲苯，在生产 中测量温度如有一定的误差，也可能造成严重的事故。现代化科学技术和现代化 大生产中那些要求精密和准确测量的内容通常都是运用了电子测量的方法来实 现的。三、电子测量的特点及应用随着电子技术的不断发展，测量的内容愈来愈多，通常包括以下几个方面：电能量的测量，包括对于电流、电压、电功率的测量；信号的

10、特性及 所受干扰的测量，例如信号的失真度、频率相位、脉冲参数、调制度、信号频谱、 信噪比等； 元件和电路参数的测量，例如电限、电感、电容、电子器件（电 子管、晶体管、扬效应管等）的测量，集成电路的测量，电路频率响应、通频带 宽度、品质因数、相位移、延时、衰减和增益等的测量。随看电子技术的发展，由于电子测量技术的许多无可比拟的优点，许多非电 量的测量也可以通过传感器转换成电信号，再利用电子技术进行测量。例如，高 温炉中的温度、深海的压力等许多人们不能亲身到的地方或无法直接测量的量， 都可以通过这种方式进行测量.电子测量除了对电参数进行稳态测量以外，还可 以对自动控制系统的过渡过程及频率特性进行动

11、态测量。例如，对一个轧钢的电 气传动系统通过模拟计算机可以自动描绘出动态过程曲线；对于化工系统的生产 过程进行自动检测与分析等。与其它的测量相比，电子测量具有以下几个明显的 特点：测量频率范围极宽，电子测量能工作在这样宽的频率范围，这就使它的 应用范围很广。量程很广，由于所测量的大小相差极大，要求测量仪器的量程也极宽.同 一台电子仪器，经常能做到量程宽达很多数量级。例如一台普通的欧姆表，可以 测出几欧姆至几十兆欧姆的电阻，量程宽达六、七个数量级。电子计数器的量程 更宽，可达17个数量级。量程宽正是电子仪器的突出优点。测量准确度高。电子仪器的准确度通常可比其它测量仪器高很多。特别 是对频率和时间

12、的测量，由于采用了原子频标和原子秒作为基准，使误差减小到 极小量级，这是目前人类在测量准确度方面达到的最高标准。电子测量准确度高， 正是它在现代科技领域得到广泛应用的重要原因。例如发射人造卫星的控制和遥 测系统，如果不够准确，最后一级火箭的速度有千分之二的相对误差，卫星就会 偏离预定轨道一百公里.测量速度快.电子测量由于是通过电子运动和电磁波的传播来进行工作 的，因此具有其它测量方法通常无法类比的高速度。易于实现遥测和长期不间断的测量，显示方式又可以做到清晰、直观。 由于可以把电子仪器或与它连接的传感器放到人类不便长期停留或无法到达的 区域去进行遥测，而且可在被测对象正常工作的情况下进行测量。

13、对于测量结果， 电子测量的显示方法也比较清晰、直观，例如发光二极管直接数字显示，便于直 接给出结果；荧光屏示波方法，便于形象直观地给出被测量的特征。测量结果还 便于打印、绘图或启动指示灯或替铃显示。易于利用计算机，形成电子测量与计算技术的紧密结合。电子测量的测 量结采和它所需的控制信号都是电信号，这非常有利于它宵接或通过A/D、D/A 变换与计算机连接，现在随着微型计算机功能的提高和成本的降低，就可以在不 增加仪器体积和不明显增加成本的情况下，使测量仪器的性能发生很大的飞跃， 使它具有高性能、多功能的特点。由于以上电子测量技术的一系列特点，使它广 泛应用于自然科学的一切领域.大到天文观测、宇宙

14、航天，小到物质结构、基本 粒子，从复杂深奥的生命、细胞、遗传间题到日常的工农业生产、医学、商业各 部门，都越来越多地采用了电子测量技术和设备。电子测量技术的发展是与自然 科学特别是电子技术的发展互相促进、互相推动的一方面电子测量技术的发展为 自然科学特别是电子学的研究、实验、分析和检验提供了条件，另一方面自然科 学的发展特别是电子科学技术的发展向电子测量技术不断提出新课题。同时，近 代电子学、计算科学、物理学和材料学等的发展又反过来为电子测量提供了新理 论、新技术、新工艺、新材料、新器材，形成了相辅相成不可分割的关系。目前电子测量设备在性能、测试功能、工艺结构等各方面都取得了很大的进 展，其研

15、制和生产正向着自动化、系统化、数字化、高性能、多功能、快速、小 型等方面发展.拥有先进的科学实验手段，这是科学技术现代化的一个重要标志， 而一个国家电子测量水平的高低，往往是反映这个国家科技水平的重要方面。所 以，我们必须努力提高我们的电子测量技术，争取早日达到国际先进水平。四、电子测量技术的现状如今，电子技术发展的速度几乎是让人目不暇给。从SoC到SIP，从DSL 到WiMAX，人们几乎每天都在不停地接受新概念；3G的问题还未完全解决， 人们已经开始讨论B3G的部署，围绕4G的各种技术已成为研究的新热点。那 么，技术发展如此之快，测试技术能否跟得上应用的发展？中国的研发人员和测 试工程师又面

16、临着什么样的技术挑战？来自Agilent和NI的专家们几乎都一致地认为：中国工程师与美国乃至世界 各地的工程师面临着相同的挑战。这些挑战一方面是待测产品的功能越来越多， 测试的要求也越来越高，另一方面，留给测试的时间却越来越少，因为产品要以 最快的速度上市，从而形成了前所未有的测试效率方面的压力。工程师面对着各 种选择，他们既需要一个具有很好的灵活性和兼容性、扩展性强，同时又很可靠 稳定的自动测试测量平台，这个平台不但可以满足现有的需求，而且能很方便地 进行系统升级，以符合今后越来越具有挑战性的需求，此外，还要求这种自动测 试平台具有较长的使用寿命和较低的建构成本。然而，国内的专家并非都认可上

17、述观点。来自赛宝计量检测中心的技术专家 王勇，就不认同上述观点的绝对性（凭借着他本人的丰富经验，以及对南中国地 区众多用户的了解，其观点具有一定的代表性）。他认为，虽然上述的自动测试 平台具有效率高等不少优点，但至少这种测试平台相对于中国的国情来说，还存 在着一系列的问题，包括可靠性、可维性和可操作性差以及成本过高等问题。实际上理解这一点并不难，因为在这种复杂的自动测试平台中，可靠性模型 全部是串联架构，还要加上配套软件的可靠性损失问题。“在中国，分离设备基 于易操作和低成本的优势，在相当时间内还将承担主要角色，”他表示。另外， 他认为，技术的发展和测试技术的发展基本上是同步的，存在测试问题的标准是 无法发布的。一旦标准发布，就不会存在测试方面的问题。“而中国的工程师真 正面临的问题在于如何选择与应用相适应的仪器设备以及如何使用仪器以及如 何有效利用仪器的延伸性能，从而使设备的效能得到真正发挥，”他指出，而目 前的情况是，