测量与计量

电子测量与计量

测量是通过实验取得定量信息的过程。在此过程中，把被测之量直接或间接地与一个公认其数值为 1的同类量相比较，把后者作为单位，求得二者的比值。这个比值与单位的乘积，就是被测之量的量值。

电子测量计量

电子测量是指利用电子学手段在零频率（即直流）至光频的电磁频谱中对常用电磁量（如电压、功率、频率和阻抗等）的测量。为实行测量而采用的原理、方法、手段和技术措施，称为测量技术。为测量目的而用的技术装备称为测量器具。测量器具包括仪器和量具。仪器可将被测之量转换成示值或其等效信息，如阻抗电桥就是仪器的一例。量具以固定形式复现某个量的一个或多个已知量值，标准电容器或电容箱是量具的一例。计量标准是用于确定定义，并保存和复现单位（或其倍数或分数）的测量器具。

计量学是研究测量理论和实际问题的科学。带有强制性的技术上和法学上的要求，以保证单位和量值的统一和一致的计量学称为法制计量学。中国习惯上把法制计量学方面的实践活动简称为计量。

由于实际上不可能对各种量都一一规定单位并建立相应的标准，通常在一个单位制中，选定若干个彼此独立的量作为基本量，逐一规定它们的单位，即基本单位。通过函数关系从这组基本单位导出其他量的单位，即导出单位。国际上通用的单位制是国际单位制（简称SI）。它采用下列七个基本单位:长度单位──米（m）；质量单位──千克(kg)；时间单位──秒(s);电流单位──安培(A)；热力学温度单位──开尔文(K)；物质的量的单位──摩尔(mol);发光强度单位──坎德拉(cd)。

单位的真值可以通过理论来确定定义，但往往很难具体复现,只存在于纯理论之中。因此,实际是由国家设立尽可能维持恒定不变的实物标准或自然基准，以法令的形式指定以它所体现的量值作为单位的约定真值。各国之间，通过互相比对在一定程度上保持量值一致。

无数日常工作仪器或量具不可能都直接同国家标准相比对,所以国家还设立一系列的各级实物标准,构成一个各种参量单位的传递网，通过逐级比较把国家标准所体现的单位量值传递到全国的日常工作测量器具去，这称为量值传递。为了保证全国所测量值的统一和一致，必须采取带有法制性的技术措施来处理单位、标准、测量方法和测量器具等问题。因此，计量是测量的特殊形式，又是测量的基础和依据。

在人们的科技实践中，对一些事物或复杂的被测对象往往需要一个反复试验和测量的过程，其中涉及众多的测量项目。每项测量的个别对象又常受环境及其他测量项目的影响而有所变化，或本身就处在动态工作条件之中。因此，简单的测量往往难以奏效，需要进行多次测量，甚至根据测量结果不断寻找有效的测量方法。这种具有试验性质的测量称为测试，有时也称为分析。

电子测量与其他测量的关系电子测量和计量的单位,除安培外,全部属于导出单位。一切导出单位都是从长度、质量、时间、温度、电流等基本单位导出的。电子测量中也常常把被测之量转换成其他较易测量的量来测量。因此，电子测最依赖于其他测量并受其制约。例如，微波衰减标准和反射标准依赖于长度测量，而噪声标准则依赖于温度测量。

另一方面,电子测量广泛应用于非电磁量的测量,称为非电测量，并已成为另一个庞大的测量分支。如何使非电磁量按已知规律变换成电磁量，这是非电测量的关键。只要变换成功,余下的就是电子测量问题。此外,由于基本单位自然基准的建立和发展，1967和1983年已分别对秒和米改用原子跃迁频率来确定定义，其他基本单位也有此趋势。

电子测量起源于电磁测量,并一直与它密切相关,互有交叉。虽然电子测量的频谱范围覆盖了电磁测量的频谱范围（直流和工业频率），但电磁测量至今仍保持着与电子测量并列的测量分支的地位。许多电子测量的单位都由电学和磁学单位导出，实际上也来源于电学和磁学单位。为了提高测量精密度，许多高频电子测量都把高频电磁量变换成为直流或低频电磁量，再用电磁测量的手段来实现。随着数字式电子仪器的发展，一些传统的电磁测量项目，如直流和工频电压、电流、功率、频率等，也成了电子测量的日常测量项目。

在电子测量中，对某些特殊对象的一系列具体测量逐渐形成为一些专门的测量分支，如无线电测量、雷达测量、电视测量、电声测量和大规模集成电路测量等。

内容和对象电子测量与计量的对象是电子学中常见的电磁量。此外，还包括一些无量纲的量，如衰减量、反射系数和电压驻波比等。

电子测量与计量有不同的任务和要求，但总的测量目的、涉及的学科知识领域、基础理论和专业基础是一致的。两者都属于计量学的知识领域，都以电子学为专业理论基础。从计量学包括的三项主要内容──计量单位及其基准和标准、测量技术和测量器具来看，有关电磁计量单位及其标准的建立、复现、保存和传递等应属电子计量的范围，其任务是为电子测量提供可信赖的科学依据，以保证单位量值的准确一致。而电子测量与计量都包含测量技术的研究和应用及测量器具的设计和制造两方面的内容，但都有各自的目的。根据不同的测量要求、测量对象和测量环境等采用不同的测量技术和设计不同的测量器具。

两者区别

从不同的观点出发，电子测量和计量的内容和对象有不同的分类。

①按频率划分：通常以30千赫左右为界线。30千赫以下为低频测量，以上为高频测量，然而这种界线并无确切的定义。还可以按频率再细分为音频、视频、射频和微波测量，其间的分界也不甚明确，常有交叉重叠，微波频谱高端（300 太赫以上）已与红外和可见光频率相衔接。在音频段内又可再细分为亚音频(甚低频)、音频和超音频测量。微波测量则又可细分为米波、分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波测量。电子测量方法和器具日益向宽频段发展，已能包括从直流到微波频段，因此电子测量按频段分类已日渐失去意义。只有亚音频和亚毫米波测量，作为强调向两个极端发展的特殊情况，还有其特殊意义。

②按具体对象分类：电子测量和计量常按具体的对象(不同的参量)来分类，一般包括四类参量：有关电磁能的量（电流、电压、功率和电场强度等）；有关电信号特征的量（频率、相位、波形参数和脉冲参数等）；有关电路元件和材料的参数的量（阻抗或导纳、电阻或电导、电感和电容等）；有关无源和有源网络性能特性的量（反射系数、电压驻波比、衰减、增益、相位移和频带宽度等）。这种分类并不严格,从不同观点来看,同一个量往往可以归入其中的某一类，也可以归入另一类。例如，频率既是交变电磁能的一个属性，又是信号的一个重要特征，也可能是电路元件、材料或网络的特征量。此外,这几类参量也有不可分割的联系。例如,信号特征参量往往离不开电能量的测量，而元件参量也可以通过网络参量而求得。就连集总参数元件的基本参量如R、L和C等,也常通过测量反射系数来求得。在按参量分类时，也常再按频段或所用的技术再行细分。

③按其他原则分类：电子测量和计量有时也从其他一些观点出发按不同的原则来分类。从电路、信号和系统的理论分析方法考虑，可分为时域测量与频域测量和后出现的数据域测量；从测量技术来考虑，则可分为经典的正弦测量或静态测量、扫频测量或动态测量，脉冲测量或瞬态测量等；若按测量方法，则可分为谐振法测量、电桥法测量和比较（替代）法测量等。

特点电子测量和计量除类别繁多、对象复杂而多变外还有一些其他特点。

①量程和频程极宽：例如，电子测量中待测的功率可能小到10瓦（来自深空宇宙飞行器的信号），大到10瓦以上（远程雷达发射机功率）,量程达到1:10范围。一般不可能用一种测量方法和一种测量仪器来覆盖整个量程，也不应只建立单一的W（瓦）标准,而应有μW、mW、W、kW、MW 等一系列功率标准。不过，电子测量仪器中也有能覆盖很宽量程的情况，如一台完善的频率计数器能测量10～10赫的频率，量程为1:10。一般说来，同类的量在不同频段的测量和计量所用的方法和器具往往不同。但也存在不少频程很宽的测量器具，如从音频直到40吉赫的频谱分析仪和 0～18吉赫的标准衰减器等。

②精确度参差悬殊：测量和计量技术的水平、测量结果的可信赖性以及测量和计量工作的意义和价值，全在于测量或计量的精确度，或者说，全在于测量或计量结果的不确定度或误差的大小。电学计量中直流电压的计量,最好的可达10量级。然而，电子计量中精确度最高者为频率计量,最好的可达10量级；日常工作的频率计数器也可达10～10量级。

电磁量易用电子学方法加以变换。例如，数字式电压表就是利用υ/T或υ/F变换技术，把电压变换为时间或频率来测量的。日常工作用的数字式电压表，不确定度达到10的量级并不罕见。而在电磁测量中,0.1级(不确定度为±0.1%)电压表则是珍贵的标准仪器。利用参量变换技术来获得十分方便而且高度精确的测量手段，是电子测量的一重大特色，这也是电子测量技术迅速渗透到几乎一切计量和测量领域的主要原因。然而，电子计量单位既然都是导出单位，其不确定度就不可能优于它所赖以导出的原始单位的不确定度。

另外，视具体的对象和频程、量程的不同，电子测量和计量所能达到的精确度也可能十分悬殊。有些项目如失真度或Q值的常规测量或计量,其不确定度可能劣到10的量级或更差。

③影响量多和影响特性复杂：对测量结果所得量值能产生影响的量称为影响量。影响量通常来自测量系统的外部，如电源电压的起伏、环境温度的变化、外部噪声和干扰等。测量系统本身的某个工作特性，也可能对系统的另一工作特性产生影响进而影响测量结果。例如，电压表的频率响应特性和检波特性，都直接影响电压测量结果的量值。另一方面，电子测量器具以及被测对象内部的元件、器件数目甚多，对外界影响也相当敏感。错综复杂的影响量所产生的不良效应有时会成为严重问题。此外,由于电子测量和计量的量程和频程宽,测量器具内部各种影响特性所引起的不良作用有时也可能十分严重。

因此，在许多电子测量和计量中，对环境的控制是必要的，而且有时要求十分严格（见测量与环境）。为了减弱测量系统内部产生的不良影响，必须尽量避免寄生耦合，对输入输出阻抗也要有严格的要求（见测量技术）。

④误差问题较难处理:在电子测量和计量中,由于影响量和影响特性众多而复杂，因而很难充分掌握测量误差。系统误差常带有一定的随机性质，而且不少是属于非正态分布的，不能用经典的概率统计方法处理。此外，由于仪器的生产数量一般不多，难以获得大量采样，因而无法知悉这些非正态误差的确切分布律。

⑤对科学技术新成就敏感:为了获得高精确度,电子测量和计量对科学技术新成就十分敏感，往往率先采用。如采样、锁相、频率综合、相关检波、数字化、自动化等技术，很快就在电子测量和计量中得到应用并日益普遍。在新技术的引用方面，最突出的是电子计算机和微处理器的应用，这不仅大大提高了电子测量和计量的自动化和智能化程度,而且提高了劳动生产率,避免了漂移的影响；同时也易于进行大量数据采集和重复测量，通过统计分析来减弱随机误差。利用自动化技术，通过误差模型对测量结果逐个进行误差修正，从而排除了许多系统误差。还可以使测量系统自动进行自我检查、自我校准，乃至自我检定。此外，也便于利用间接测量的原理，从为数不多的直接测量结果出发，通过计算机换算而求得许多其他有关的参量的量值，从而实现多功能测量。电子测量和计量除对电子学本身的新成就十分敏感外，对于其他学科的成就也吸收得很快，如汲取了原子波谱学的成就，创造、发展了原子频率标准；从光学获得启发而采用了毫米波和亚毫米波测量中的准光学技术；低温超导技术在超短脉冲测量中的应用；以及半导体量子干涉器件的应用等。

发展电子测量和计量的发展很快，特别是20世纪下半叶以来，电子测量和计量的整个面貌大为改观。电子测量和计量的发展，有以下几个方面引人注目。

①电子测量已从使用个别或几个独立的仪器对单项或分别对若干项电磁量进行测量，转向利用多功能复合仪器系统对整个被测器件或系统做出全面表征（网络分析仪是个典型例子），或对信号做出全面表征（如信号分析仪或自动频谱仪）。此外，利用时域、频域互相变换的技术，从一域的测量得出另一域的结果；通过信号分析而求得网络（系统）的表征或者相反（时域反射计即其一例）。

②在计量方面,随着微观“自然”基准的建立,实物计量基准和各极标准的重要性已日趋下降。1967年秒的定义改用原子钟来规定；1983年10月第十七届国际计量大会正式通过了米的新定义。在这之后，将逐步把国际单位制中剩下的五个基本单位同秒（频率）单位联系起来，把一切计量单位统一在频率单位上。

③电子测量和计量同计算机相结合是一个重要趋势。测量仪器的智能化、积木化和自动化的程度和水平还须提高，宽频带、宽量程、高精度和多功能的要求的实现还要较多地依靠计算机的功能。测量仪器和计算机渐趋一体，成为万能的“黑盒”，通用测量仪器和专用测量仪器的界限将有新的划分甚至可能消失。而电子测量系统与信息网的综合发展，使有可能通过测量来分析和综合所采集的大量数据，对所取得信息的使用效果作出科学评价。

④现代科学技术日益对电子测量和计量技术提出新的要求。现代大型工程和尖端技术的发展，对电子测量和计量提出了许多不同于传统测量技术的苛刻要求，包括很多精确度很高的测量项目，极大到极小的量程范围、很宽的频带宽度，极端的测量环境和动态的工作条件等。

参考书目

张世箕等：《无线电计量测试概论》,计量出版社,北京，1985。

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