測量技術簡述

測量技術 measuring technique 　　測量中所采用的原理、方法和技術措施。電子測量的對象是材料、元件、器件、整機和系統的特征電磁量。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,如網絡參量、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可供選擇，而某一種測量技術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。 　　直接和間接測量技術 　按照測量的實測對象，測量技術可分為以下兩種。 　　①　直接測量技術：在測量中，無需通過與被測量成函數關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：在測量中, 通過對與被測量成函數關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和流經電阻R的電流I，然后利用R＝υ/I 的關系求得電阻值。其測量不確定度分量的數目要多一些，一般在被測量不便于直接測量時采用。 　　直接和非直接比較測量技術 　按照測量的進行方式，測量技術可分為以下兩種。 　　①　直接比較測量技術：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準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范圍不夠和頻率響應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：不是將被測量的全值與標準量值相比較的比較測量。微差法、符合法、補償法、諧振法、衡消法等屬于這一類。 　　在建立計量標準的測量中，經常采用基本測量技術，即絕對測量技術。這是通過對有關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驗、分析和計算得出，精度高，但所需裝置復雜。 　　無源參量和有源參量測量技術 　按照測量對象的性質，測量技術可分為以下兩種。 　　①　無源參量測量技術：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。它只在適當信號激勵下才能顯露其固有特性時進行測量。這類測量技術常稱為激勵與響應測量技術。由于測量時必需使用激勵源，它又稱為有源測量技術。 　　②　有源參量測量技術：有源參量表征電信號的電磁特性，如電壓、功率、頻率和場強等。它的測量可以采用無源測量技術，即讓被測的有源參量以適當方式激勵一個特性已知的無源網絡，通過后者的響應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，即把作為標準的同類有源參量與它相比較，從而求得其量值。 　　此外，電子測量技術還可有許多分法，如模擬和數字測量技術;動態和靜態測量技術;接觸和非接觸測量技術；內插和外推測量技術;實時和非實時測量技術;電橋法、Q表法、示波器法和反射計法等測量技術;時域、頻域和數據域測量技術；點頻、掃頻和廣頻等測量技術等。 　　變換測量技術 　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。 　　①　參量變換測量技術：把被測參量變換為與它具有確定關系但測量起來更為有利的另一參量進行測量，以求得原來參量的量值。例如，功率測量中的量熱計是把被測功率變換為熱電勢進行測量，而測熱電阻功率計是把被測功率變換為電阻值進行測量；相移測量中可把被測相位差變換為時間間隔進行測量；截止衰減器是把衰減量變換為長度量進行測量；有些數字電壓表是把被測電壓變換為頻率量進行測量。 　　②　頻率變換測量技術：利用外差變頻把某一頻率（一般是較高頻率或較寬頻段內頻率）的被測參量變換為另一頻率（一般是較低頻率或單一頻率）的同樣參量進行測量。這樣做的一個重要原因是計量標準和測量器具在較低頻率（尤其是直流）或單一頻率上的準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上的比較測量技術；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。 　　③　量值變換測量技術：把量值處于難以測量的邊緣狀態（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: 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行測量。例如，在頻率穩定度測量中，為了更好地分析導致頻率不穩的噪聲模型，可以從時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字域測量。 　　減小測量的不確定度 　測量的目標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。 　　①　雙通道相關測量技術：在比較測量中，為了減小電路和環境條件的變化所引入的誤差，可采用雙通道相關測量技術，也就是為被測的量和標準量建立兩個相同的通道，從而使電路和環境條件的變化對它們的影響基本相同并相互抵消。衛星時間頻率同步測量中，為抵消通道時延而采用的雙向法就是一例。 　　②　自校準技術：為了消除某些測量器具在檢定了一段時間之后所產生的誤差，如溫漂和時漂等誤差，可以為它們配備自校準（包括自調零）裝置，以保證繼續準確。例如高精度數字電壓表一般都具備自校準能力。 　　③　實時誤差修正技術:在測量被測參量的同時,也測出它的影響量，并對它所引入的誤差進行實時修正。例如，衛星時間頻率同步測量中對多普勒效應誤差的實時修正。 　　④　墊整和誤差倍增技術：在測量中，可以采用墊整和誤差倍增技術以增大誤差與信息的比值，從而提高對誤差的分辨力。例如，測量電壓時所采用的標準電壓墊整技術和測量頻率穩定度時所采用的頻差倍增技術。 　　⑤　測量數據處理技術：過去對于測量數據的處理總是在測量之后在紙面上進行。隨著計算機在測量中的應用，一些根據數理統計原理對測量數據的處理，如粗差的剔除、加權平均、阿侖方差的計算等已能在測量時進行。 　　測量中的技術措施 　在電子測量中，還有一些基本技術措施對于低電平、高頻率、高精度的測量十分重要。 　　①　接地：接地不良會導致地回路電流，這將改變測量狀態和影響測量結果。因此，對于測量系統的低電平部分要采用單點接地或浮地等技術措施。 　　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措施以減弱或去除市電和無用信號等干擾。此外，增強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、駐波的產生。為此還可以采用阻抗變換和緩沖隔離等技術措施。 　　④　在集總參數的高頻測量中，須采取防止和消除寄生分布參量影響的技術措施。 　　電子測量技術對電子技術和其他科學技術的新原理、新方法、新器件和新工藝十分敏感并且反應很快。例如，電子技術中的采樣、鎖相、頻率合成、數字化、信號處理乃至微處理機應用等技術，已廣泛地用于電子測量技術中。此外，全景和分段的頻譜分析技術可用于信號特性的測量；時域反射和快速傅里葉變換技術可用于脈沖特性的測量；網絡分析和六端口技術可用于網絡特性的測量；程序控制和實時處理采用計算機技術等。至于激光、超導、遙測、自動控制、光導傳輸和圖像顯示等新成就，也都在電子測量技術中得到了應用。