測量技術(shù)簡述

測量技術(shù) measuring technique 　　測量中所采用的原理、方法和技術(shù)措施。電子測量的對象是材料、元件、器件、整機(jī)和系統(tǒng)的特征電磁量。這些電磁量大致包括：①基本參量，如電壓、功率、頻率、阻抗、衰減和相移等;②綜合參量,如網(wǎng)絡(luò)參量、信號參量、波形參量和晶體管參量等；③特殊頻段的參量，如激光頻率、光纖電特性、亞毫米波參量和甚低頻參量等。 　　對于某一測量對象，一般有多種測量技術(shù)可供選擇，而某一種測量技術(shù)又往往可用于不同的測量對象。用于同一測量對象，不同測量技術(shù)的效果可能大致相同，也可能大不相同。在電子測量中，對于不同參量、不同量程、不同頻段以至不同傳輸線形式，往往要采用不同的測量技術(shù)。 　　直接和間接測量技術(shù) 　按照測量的實(shí)測對象，測量技術(shù)可分為以下兩種。 　　①　直接測量技術(shù)：在測量中，無需通過與被測量成函數(shù)關(guān)系的其他量的測量而直接取得被測量值。如用電壓表直接測量電壓。其測量不確定度主要取決于測量器具的不確定度，在一般測量中普遍采用。 　　②　間接測量技術(shù)：在測量中, 通過對與被測量成函數(shù)關(guān)系的其他量的測量而取得被測量值。如通過測量電阻R 兩端的電壓υ和流經(jīng)電阻R的電流I，然后利用R＝υ/I 的關(guān)系求得電阻值。其測量不確定度分量的數(shù)目要多一些，一般在被測量不便于直接測量時(shí)采用。 　　直接和非直接比較測量技術(shù) 　按照測量的進(jìn)行方式，測量技術(shù)可分為以下兩種。 　　①　直接比較測量技術(shù)：在測量中，將被測量與已和其值的同一種量相比較。其測量不確定度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)量值的不確定度和比較器的靈敏度和分辨力，它可克服由于測量裝置的動態(tài)范圍不夠和頻率響應(yīng)不好所引入的非線性誤差。替代法、換位法等屬于這一類。 　　②　非直接比較測量技術(shù)：不是將被測量的全值與標(biāo)準(zhǔn)量值相比較的比較測量。微差法、符合法、補(bǔ)償法、諧振法、衡消法等屬于這一類。 　　在建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的測量中，經(jīng)常采用基本測量技術(shù)，即絕對測量技術(shù)。這是通過對有關(guān)的基本量的測量來確定被測量值。其測量不確定度一般是通過實(shí)驗(yàn)、分析和計(jì)算得出，精度高，但所需裝置復(fù)雜。 　　無源參量和有源參量測量技術(shù) 　按照測量對象的性質(zhì)，測量技術(shù)可分為以下兩種。 　　①　無源參量測量技術(shù)：無源參量表征材料、元件、無源器件和無源電路的電磁特性，如阻抗、傳輸特性和反射特性等。它只在適當(dāng)信號激勵(lì)下才能顯露其固有特性時(shí)進(jìn)行測量。這類測量技術(shù)常稱為激勵(lì)與響應(yīng)測量技術(shù)。由于測量時(shí)必需使用激勵(lì)源，它又稱為有源測量技術(shù)。 　　②　有源參量測量技術(shù)：有源參量表征電信號的電磁特性，如電壓、功率、頻率和場強(qiáng)等。它的測量可以采用無源測量技術(shù)，即讓被測的有源參量以適當(dāng)方式激勵(lì)一個(gè)特性已知的無源網(wǎng)絡(luò)，通過后者的響應(yīng)求得被測參量的量值，如通過回路的諧振測量信號頻率。有源參量的測量也可采用有源測量技術(shù)，即把作為標(biāo)準(zhǔn)的同類有源參量與它相比較，從而求得其量值。 　　此外，電子測量技術(shù)還可有許多分法，如模擬和數(shù)字測量技術(shù);動態(tài)和靜態(tài)測量技術(shù);接觸和非接觸測量技術(shù)；內(nèi)插和外推測量技術(shù);實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)測量技術(shù);電橋法、Q表法、示波器法和反射計(jì)法等測量技術(shù);時(shí)域、頻域和數(shù)據(jù)域測量技術(shù)；點(diǎn)頻、掃頻和廣頻等測量技術(shù)等。 　　變換測量技術(shù) 　在電子測量中，為了繞過在某些量程、頻段和測量域上對某些參量的測量困難和減小測量的不確定度，廣泛采用下列各種變換測量技術(shù)。 　　①　參量變換測量技術(shù)：把被測參量變換為與它具有確定關(guān)系但測量起來更為有利的另一參量進(jìn)行測量，以求得原來參量的量值。例如，功率測量中的量熱計(jì)是把被測功率變換為熱電勢進(jìn)行測量，而測熱電阻功率計(jì)是把被測功率變換為電阻值進(jìn)行測量；相移測量中可把被測相位差變換為時(shí)間間隔進(jìn)行測量；截止衰減器是把衰減量變換為長度量進(jìn)行測量；有些數(shù)字電壓表是把被測電壓變換為頻率量進(jìn)行測量。 　　②　頻率變換測量技術(shù)：利用外差變頻把某一頻率（一般是較高頻率或較寬頻段內(nèi)頻率）的被測參量變換為另一頻率（一般是較低頻率或單一頻率）的同樣參量進(jìn)行測量。這樣做的一個(gè)重要原因是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和測量器具在較低頻率（尤其是直流）或單一頻率上的準(zhǔn)確度通常會更高一些。例如，在衰減測量中的低頻替代法和中頻替代法就是在頻率變換基礎(chǔ)上的比較測量技術(shù)；采樣顯示、采樣鎖相在原理上也是利用了采樣變頻的頻率變換測量技術(shù)。 　　③　量值變換測量技術(shù)：把量值處于難以測量的邊緣狀態(tài)（太大或太小）的被測參量，按某一已知比值變換為量值適中的同樣參量進(jìn)行測量。例如，用測量放大器、衰減器、分流器、比例變壓器或定向耦合器，把被測電壓、電流或功率的量值升高或降低后進(jìn)行測量；用功率倍增法測噪聲和用倍頻法測頻率值等。 　　④　測量域變換測量技術(shù): 把在某一測量域中的測量變換到另一更為有利的測量域中進(jìn)行測量。例如，在頻率穩(wěn)定度測量中，為了更好地分析導(dǎo)致頻率不穩(wěn)的噪聲模型，可以從時(shí)域測量變換到頻域測量；在電壓測量中，為了大幅度地提高分辨力，可以從模擬域測量變換到數(shù)字域測量。 　　減小測量的不確定度 　測量的目標(biāo)是以盡量小的不確定度求出被測量值。在電子測量中，為了減小測量的不確定度，還可以采用以下的一些測量技術(shù)。 　　①　雙通道相關(guān)測量技術(shù)：在比較測量中，為了減小電路和環(huán)境條件的變化所引入的誤差，可采用雙通道相關(guān)測量技術(shù)，也就是為被測的量和標(biāo)準(zhǔn)量建立兩個(gè)相同的通道，從而使電路和環(huán)境條件的變化對它們的影響基本相同并相互抵消。衛(wèi)星時(shí)間頻率同步測量中，為抵消通道時(shí)延而采用的雙向法就是一例。 　　②　自校準(zhǔn)技術(shù)：為了消除某些測量器具在檢定了一段時(shí)間之后所產(chǎn)生的誤差，如溫漂和時(shí)漂等誤差，可以為它們配備自校準(zhǔn)（包括自調(diào)零）裝置，以保證繼續(xù)準(zhǔn)確。例如高精度數(shù)字電壓表一般都具備自校準(zhǔn)能力。 　　③　實(shí)時(shí)誤差修正技術(shù):在測量被測參量的同時(shí),也測出它的影響量，并對它所引入的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。例如，衛(wèi)星時(shí)間頻率同步測量中對多普勒效應(yīng)誤差的實(shí)時(shí)修正。 　　④　墊整和誤差倍增技術(shù)：在測量中，可以采用墊整和誤差倍增技術(shù)以增大誤差與信息的比值，從而提高對誤差的分辨力。例如，測量電壓時(shí)所采用的標(biāo)準(zhǔn)電壓墊整技術(shù)和測量頻率穩(wěn)定度時(shí)所采用的頻差倍增技術(shù)。 　　⑤　測量數(shù)據(jù)處理技術(shù)：過去對于測量數(shù)據(jù)的處理總是在測量之后在紙面上進(jìn)行。隨著計(jì)算機(jī)在測量中的應(yīng)用，一些根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理對測量數(shù)據(jù)的處理，如粗差的剔除、加權(quán)平均、阿侖方差的計(jì)算等已能在測量時(shí)進(jìn)行。 　　測量中的技術(shù)措施 　在電子測量中，還有一些基本技術(shù)措施對于低電平、高頻率、高精度的測量十分重要。 　　①　接地：接地不良會導(dǎo)致地回路電流，這將改變測量狀態(tài)和影響測量結(jié)果。因此，對于測量系統(tǒng)的低電平部分要采用單點(diǎn)接地或浮地等技術(shù)措施。 　　②　防干擾：為了減弱電磁干擾，須對敏感的輸入部分采用電磁屏蔽，要在模擬和數(shù)字兩部分之間采用光電隔離，并采取去耦、濾波和同步抑制等技術(shù)措施以減弱或去除市電和無用信號等干擾。此外，增強(qiáng)有用信號以提高信噪比也是防干擾的另一重要措施。 　　③　阻抗匹配：阻抗匹配在電子測量中是一個(gè)重要問題。它牽涉到能否取得最佳功率和防止反射、駐波的產(chǎn)生。為此還可以采用阻抗變換和緩沖隔離等技術(shù)措施。 　　④　在集總參數(shù)的高頻測量中，須采取防止和消除寄生分布參量影響的技術(shù)措施。 　　電子測量技術(shù)對電子技術(shù)和其他科學(xué)技術(shù)的新原理、新方法、新器件和新工藝十分敏感并且反應(yīng)很快。例如，電子技術(shù)中的采樣、鎖相、頻率合成、數(shù)字化、信號處理乃至微處理機(jī)應(yīng)用等技術(shù)，已廣泛地用于電子測量技術(shù)中。此外，全景和分段的頻譜分析技術(shù)可用于信號特性的測量；時(shí)域反射和快速傅里葉變換技術(shù)可用于脈沖特性的測量；網(wǎng)絡(luò)分析和六端口技術(shù)可用于網(wǎng)絡(luò)特性的測量；程序控制和實(shí)時(shí)處理采用計(jì)算機(jī)技術(shù)等。至于激光、超導(dǎo)、遙測、自動控制、光導(dǎo)傳輸和圖像顯示等新成就，也都在電子測量技術(shù)中得到了應(yīng)用。