电子测量仪器现状与发展

1、电子测量仪器现状与发展近年来，以信息技术为代表的新技术促进了电子行业的飞速增长，也极大地推动了测试测量仪器和设备的快速发展。鉴于中国在全球制造链和设计链的重要地 位，使得这里成为全球各大仪器厂商 逐鹿的大战场，同时，也带动了中国本土测 试测量仪器研发与测试技术应用的迅速发展。专家争鸣：中国应用测试技术方面面临的主要挑战如今，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

2、研发人员和 测试工 程师又面临着什么样的技术挑战？来自Agile nt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

3、低的建构成本。然而，国内的专家并非都认可上述观点。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

4、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，许多单位购买了大量的高档仪器，而对仪器的应用开发却处于非常低级 的阶段。造成这种现象的原因，当然与国内的管理水平低有关， 但工程师的盲目追高，也是其中的一个主要因素 关于相同的问题，泰克公司中国区市场 总经理张权则认为：工程师真正面临的挑 战体现在采用多种技术和混合信号的 嵌入式设计方面。因为在这类设计中，随着 低成本的微处理器和微控制

5、器的速度不断加快，设计变得越来越复杂。体现这些 挑战的行业也越来越多，从遍布混合信号的 数字视频转换，到必须处理日益复杂 的各种瞬变RF信号的无处不在的无线技术，还有数据传输率不断持续增长的高 速数据处理方面的需求，虽然现在的主流为 3Gb，他预测，不久的将来6Gb甚 至12Gb就会成为主流。罗德与施瓦茨中国有限公司产品支持经理 安毅博士则更注重从技术层面上来说 明工程师面临的挑战。他认为：这些挑战主要是如何顺应新的标准和新的应用来 制定最完整和最恰当的测试方案，还有自定义产品和系统的测试等。这就要求工 程师紧密跟踪最新技术发展，了解新的技术带来的新变化和需求， 并挖掘现有测 试设备的潜力。而

6、来自安立公司的观点更直接，那就是在测试领域里，中国面临的最大挑战就是 缺乏具有微波背景和相关经验的工程人才，以及优秀的测试与计量人才。中国本土测量仪器设备行业的发展现状近年来中国测量仪器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大改观。测试仪器行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤 其最近几年，中国本土仪器取得了长足的进步，特别是通用电子测量设备和汽车 电子设备的研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小， 对国外电子仪器巨 头的垄断造成了一定的冲击。随着模块化和虚拟技术的发展，为中国的测试测量 仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视，以及中国自主应用标准研究

7、的快速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。 从中国电子信息产业统 计年鉴中可以看出，中国的测试测量仪器每年都以超过 30%以上的速度在快速 增长。在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业， 也催生出 了一批批可靠性和稳定性较高的产品。拥有中国该领域唯一重点实验室的中国电子集团公司第41研究所，凭借着本土 测试领域的龙头地位，通过属下的青岛兴仪 电子设备有限责任 公司，成功地实现 了由技术到产品的转化，开发出了多款具有很高技术水平的产品。该所研制出的 高纯微波合成信号发生器、微波噪声系数分析仪、便携式射频频谱分析仪、 2.5Gb/sSDH/PDH数字传输分析仪、高性能的光通

8、讯设备，包括光谱分析仪和 高性能微型光时域反射计，还有高速数字示波器等，目前都已经形成比较完整的 产品系列。其中AV1489型高纯微波合成信号发生器 采用全正向设计方法，突破 了高纯度微波频率合成等多项关键技术；AV3984型微波噪声分析仪突破了智能 微波噪声源等多项关键技术；AV4022型便捷式射频频谱分析仪突破了小型化设 计与制造等关键技术，还有高性能的 AV3600系列的宽带矢量网络分析仪，DT 系列数字电视码流实时检测仪等。另外，该所还与海信集团一道，研制出了数字 电视全部四个层次上的 测试仪器。无疑这对中国的 数字电视产业的发展将起到很 大的推动作用。这些仪器除了能解决所有通用 协议

9、分析外以及物理层的各种指标 的测试外，还有一个很重要的特点，就是结合中国数字电视标准和特点， 保留了 很好的可升级性。在这方面，天津德力公司做得也是 有声有色。如该公司推出的DS8821Q数字电 视频谱分析仪、DS1191数字电视综合分析仪、DS1883Q数字电视场强仪、 DS9000码流分析仪等产品，还有DS768这类的机顶盒专用测试设备。凭借着 中国自建标准的优势，湖北众友公司和北京 星河亮点通信公司还分别成功开发出 了 ZY800系列和SP6010 TD-SCDMA终端综合测试仪。该行业中另一可圈可点的就是北京普源精电科技有限公司。目前，该公司的产品 已经成功销往42个国家与地区。并规划

10、在2008年前发展成为亚洲最大的测量 仪器厂商。该公司走的是从低到高的发展路线图。从最常规的数字万用表，任意 波形发生器，到高性能的数字示波器。该公司的DS3000系列任意波形发生器， 是一款带有数字逻辑输出功能(16路数据通道和2路时钟通道)的混合信号发生 器(MSG)。该设备采样率达到300MSa/s，垂直分辨率为14bits，还有1M采样 点存储深度。可以提供十种标准波形，还可以提供用户自定义的任意 波形，其中 包括各种丰富的调制波形，满足了很多领域的应用；还有 DS1000系列混合数 字示波器，目前示波器的带宽已经达到500MHz，并具有很丰富的高级触发方式， 特别是码形触发和持续时间

11、触发，解决了各种异常波形的触发问题。示波器中还 集成了逻辑分析功能，保证了使用上的方便。其产品的另外一个特点就是具有业界较全的接口，从GPIB到RS232，从LAN到USB，丰富的接口保证了仪器的适应性，方便了互联测试平台的建立。据了 解，公司如今还正在加速 虚拟仪器的研究并很快推出这方面的产品，准备向平台 建设逐步完善化的方向快速过渡。中国本土测量仪器设备发展的主要瓶颈尽管本土测试测量产业得到了快速发展，但客观地说中国开发测试测量仪器还普 遍比较落后。每当提起中国测试仪器落后的原因，就会有许多不同的说法，诸如 精度不高，外观不好，可靠性差等。实际上，这些都还是表面现象，真正影响中国测量仪器发

12、展的瓶颈为:1. 测试在整个产品流程中的地位偏低 由于人们的传统观念的影响，在产品的制造流程中，研发始终处于核心位置，而 测试则处于从属和辅助位置。关于这一点，在几乎所有的研究机构部门配置上即 可窥其一斑。这种错误观念上的原因，造成整个社会对测试的重视度不够， 从而 造成测试仪器方面人才的严重匮乏， 造成相关的基础科学研究比较薄弱，这是中 国测量仪器发展的一个主要瓶颈。 实际上，即便是研发队伍本身，对测试的重视 度以及对仪器本身的研究也明显不够。2. 面向应用和现代市场营销 模式还没有真正建立起来本土仪器设备厂商只是重研发，重视生产，重视狭义的市场，还没有建立起一套 完整的现代营销体系和面向应

13、用的研发模式。传统的营销模式在计划经济年代里 发挥过很大作用，但无法满足目前整体解方案流行年代的需求。所以，为了快速缩小与国外先进公司之间的差距，国内仪器研发企业应加速实现从面向仿制的研 发向面向应用的研发的过渡。特别是随着国内应用需求的快速增长， 为这一过渡 提供了根本动力，应该利用这些动力，跟踪应用技术的快速发展。缺乏标准件的材料配套体系 由于历史的原因，中国仪器配套行业的企业多为 良莠不齐的小型企业，标准化的 研究也没有跟上需求的快速发展，从而导致仪器的材料配套行业的技术水平较 低。虽然目前已有较大的改观，但距离整个产业的要求还有一定距离。所以，还 应把标准化和模块化的研究放到重要的位置

14、。还有，在技术水平没有达到的条件 下，一味地追求精度或追求高指标，而没有处理好与稳定性之间的关系。 上述这 些都是制约本土仪器发展的因素。收起(3)压力的检测方法弹性力平衡方法：基于弹性元件的弹性变形特性。 弹性元件受到被测压力作用而产生变形，而因弹性 变形产生的弹性力与被测压力相平衡。测出弹性元 件变形的位移就可测出弹性力。此类压力计有弹簧 管压力计、波纹管压力计、膜式压力计等。重力平衡方法：主要有活塞式和液柱式。活塞式压力计将被测压力转换成活塞上所加平衡硅 码的质量来进行测量的，测量精度高，测量范围宽, 性能稳定可靠，一般作为标准型压力检测仪表来校 验其他类型的测压仪表。液柱式压力计是根据

15、流体静力学原理，将被测压力 转换成液柱高度进行测量的，最典型的是U型管压 力计，结构简单且读数直观。机械力平衡方法：其原理是将被测压力变换成一 个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的 外力来得到被测压力。机械力平衡方法较多用于压力或差压变送器中， 精度较高，但结构复杂。物性平衡方法：基于在压力作用下测压元件的某些 物性发生变化的原理。如电气式压力计、振频式压力计、光纤压力计、集 成式压力计等。压力传感器是能够检测压力并提供远传信号的装置。能够满 足自动化系统集中检测显示和控制的要求。当压力传 感器输出的电信号进一步变换成标瘵统一信号时，又 将它称为压力变送器。应变片式：压电式：压阻式：电容

16、式：集成式：应变片式压力传感器应变效应(b)箔式应变片引线压电式压力传感器当某些材料受到某一方向的压力作用而发生变形时，内部就产 生极化现象，同时在它的两个表面上就产生符号相反的电荷； 当压力去掉后，又重新恢复不带电状态.这种现象称为压电效 应。具有压电效应的材料称为压电材料.压电材料种类较多， 有石英晶体、人工制造的压电陶瓷，还有高分子压电薄膜等。1 绝缘体 2 压电元件3 壳体4 膜片1低压腔）2-髙压腔' 3-硅杯）4引线）5硅膜片1低压腔）2-髙压腔' 3-硅杯）4引线）5硅膜片压阻式压力传感器压阻元件是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成 的扩散电阻。它是基于压阻

17、效应工作的，即当它受压时，其电 阻值随电阻率的改变而变化。常用的压阻元件有单晶硅膜片以 及在N型单晶硅膜片上扩散P型杂质的扩散硅等，也是依附于弹 性元件而工作。（b）川膿片示惫罔1低压腔）2-髙压腔' 3-硅杯）4引线）5硅膜片电容式压力传感器其测量原理是将弹性元件的位移转换为电容量的变化。将测压 膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。 当被测压力变化时，由于测压膜片的弹性变形产生位移改变了1, 4一隔离膜片；2. 3不锈钢 基座；5玻璃绝缘层；6固 定电极；7 禅性膜片；8引线1 压力名词与定义1）压力垂直而均匀地作用在单位面积上的力称为乐力。 压力可表示为p = F

18、/S（8-1）式中，p-压力；F-垂直作用力；S-受力面积。2）绝对压力以完全真空（绝对压力零位）作参考点的 压力称为绝对压力，用符号口表示。3）大气压力由地球表面大气层空气柱重力所产生的压 力，称为大气压力，用符号p（）表示。4) 表圧力以大气压力为参考点，大于或小于大气压力的压 力称为表压力。T业上所用的压力仪表指示值多数为表压力。5) 差圧(力)任怠两个相关压力Z差称为差压(Ap)o正压绝对压力耳 _负压E压力”压力B-大代压力仏 (衣压力孚位)绝对斥力3绝对压力零位图8舁压力定义2.压力的计量单位在国际单位制中，压力的单位为牛顿/米S用符号N/m2表 示；压力单位又称为帕斯卡或简称帕，

19、符号为Pao lPa= IN/m2o因帕单位太小，T程上常用千帕(kPa)或兆帕(MPa) 表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定计量单位。由于历史发展的原因、单位制的不同以及使用场合的羞异， 压力还有多种不同的单位。各种压力单位间的换算关系列 于表81中。弹性元件在用力作川下会因发生弹性变形而形成弹性力, 当弹性力与被测压力相平衡时，其弹性变形的大小反映 了被测压力的人小，因此可以通过测量弹性元件位移变 形的大小测出被测压力。3物性测量法这种方法根据压力作用于物体示所产生的各种物理效应 来实现压力测量。根据测压原理的不同，压力检测方法主要有以下几类：1 重力平衡法这种方法是按照压力的定义，通过直

20、接测帚单位面积上 所受力的大小来检测压力。如液柱式压力计和活塞式压 力计。2.弹性力平衡法弹性力平衡法利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而 产生的弹性力与被测压力相平衡的原理来检测压力。21弹性压力计弹性压力计根据所用弹性元件的不同构成了多种型式的弹性 压力计，其基木组成如图弘2所示。p38-2弹性压力计组成枢图821弹性压力计1.弹性元件弹性压力计的测压性能主要取决于弹性元件的弹性特性，它 与弹性元件的材料、加工和热处理质量有关，同时还与环境 温度有关。工业上常用的弹性元件结构和测压范围如表&2所示。表&2弹性尤件的结构和压力测戢范围弹窝符式波纹骨式劳性膜式单Ittl弹皺管波

21、纹特平薄除波纹腹挠性炭7TfQV£0lOGkPn01O5kPn0103kPa0-105 kPa0103kPnO-lO2kPa821弹性压力计弹簧管又称波登管（法国人波登发明），是一根弯成闘弧状、 管截血为扁圆形的空心金属管，H端封闭并处于自由状态, 另一端开口为固圧端,被测压力由固沱端引入弹簧管内腔。 特点：测最范围大,可用于高、中、低压或真空度的测最。波纹管是一端封闭的薄壁圆管，壁面是环状波纹。被测压力 从开口端引入，封闭端将产生位移。特点：位移柑对较大,乂敏度高,用于低压或差压测最。821弹性压力计弹性膜片是外缘固定的片状弹性元件，冇平膜片、波纹膜片和 挠性膜片儿种形式，其弹性特

22、性由中心位移与压力的关系表示, 用于低压、微压测量。特点：平膜片位移很小，波纹膜片压冇正弦、钳齿或梯形等环 状同心波纹，挠性膜片仅用作隔离膜片，需与测力弹费配用。2 弹簧管压力计弹簧管式爪力计妊T业生产上应用很广泛的一种测压仪表， 以单圈弹簧管结构应用最多，其结构如图&3所示。821弹性压力计38-3弹貰誉压力汁结构1 弹簧管：2康形齿轮：3拉杆：4底座：5中心齿轮：6游丝:7表盘：&指针：9接头：10弹簧菅橫載匱：11调节开匚植特点：结构简单,使用方便,价格低廉，测压范用宽,精度高。图8/双波纹背差示汁结构图85膜盒式压力计3 波纹管压力计图弘4是一种采用双波纹管测量压差的双

23、波纹管差压计的结构 示意图。I 连接轴；2保护阀；3 阻尼环;4推板;5扭力 管；6心轴；7量程弹簧;&平衡阀；9低压波纹管:10-ffi+T；II 阻尼阀；12-中心基朋;13高压波纹管；14 填充 液4.膜式压力计膜式压力计冇膜片压力计和膜盒压力计两种。前者主要川于测量腐蚀性介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力，麻者 常用于测量气体微压和负压。原理：膜片四周固定，当通 入压力后，两侧血存在压羞 时，膜片将向压力低的一侧 弯|11|,膜片中心产生一定的 位移，通过传动机构带动指 针转动，指示出被测压力。/5.弹性压力计信号远传方式弹性压力计一般为冇读式仪表，也可以将弹性元件的变形转

24、换为电信号输出，图弘6给出了几种弹性压力计信号电远传方 式原理。图86(a)为电位器式。在弹簧管压力计内安装滑线电位器， 滑动触点和电阻的任辽端Z间的电压将取决于滑动触点位 置，即取决于被测压力。特点：比较简单,冇很好的线性输出,可靠性较羌。图8%弹性压力计信号电远传方弍图&6(b)为霍尔式。其转换原理基于半导体材料的霍尔效应。 IK力越大，两面积差越大，则在霍尔元件垂氏于磁场和电流 方向的另两侧产生的霍尔电势也越大。特点：结构简单,乂敏度高,寿命长,对外部磁场敏感, 振性差。图輕弹性压力计信号电远传方式图8-6(0差动变压器式。可移动的铁芯与弹性元件的白由端 相连并处于差动变爪器的线

25、圈中，被测压力越大则铁芯偏离越 多，输出交流电压越高，从而可测出压力值。特点：性好、附加力小、位移范I韦I较大,处于中央位置时输出 不为零。A实物图膜式压力表弹簧管压刀计波纹管；5力表电测式压力传感器8.2.2电测试压力计能够测暈压力并提供远传电信号的装置称为压力传感器，如 果装置内部还设有适当处理电路，能将将压力信号转换成T 业标准信号(如42()mA肓流电流)输岀，则称为压力变送器。应变式 电容式压电式振频式光电式光纤式 超声式压力传感器1应变式压力传感器应变式压力传感器是一种通过测址弹性元件因压力的作用而 产生的M变来间接测帚压力的传感器，它由弹性元件、应变 片及测量电路等组成。特点:具

26、有精度高、体积小、重量轻、测量范伟I宽等优点, 同时抗振动、抗冲击性能良好。但应变片阻值受温度影响较 大,需要考虑温度补偿。1）应变筒式压力传感器应变筒式压力传感器结构如图*7所示.图应变簡式压力传感器应变式压力传感器当应变筒内腔承受压力时，薄壁筒表血的周向应力最大，相 应的周向应变£为：(8-2)"(2-“)E(D2/d2-)式中，p-被测压力；EW变筒材料的弹性模暈：p应变 筒材料的泊松比；D_应变筒外径；d_应变筒内径。优点：应变筒式爪力传感器结构简单,制造方便,能进行静、 动态压力测量，测量范I韦也比较宽。2)平膜式压力传感器应变片实物图平膜片式压力传感器结构如图88 所示。弹性元件上粘贴冇如图& 9(a)所示的箔式组合丿皿变片。四个 应变片组成如图&9(b)所示的电桥, 输岀相应的电FR信号。图&8半膜弍压力传感器结构图&9窄式组合应变片对于边缘固定的平闘膜片，当受压力作用时