電子測量儀器現狀與發(fā)展

1、電子測量儀器現狀與發(fā)展近年來，以信息技術為代表的新技術促進了電子行業(yè)的飛速增長，也極大地推動了測試測量儀器和設備的快速發(fā)展。鑒于中國在全球制造鏈和設計鏈的重要地 位，使得這里成為全球各大儀器廠商 逐鹿的大戰(zhàn)場，同時，也帶動了中國本土測 試測量儀器研發(fā)與測試技術應用的迅速發(fā)展。專家爭鳴：中國應用測試技術方面面臨的主要挑戰(zhàn)如今，電子技術發(fā)展的速度幾乎是讓人 目不暇給。從SoC到SIP，從DSL到 WiMAX，人們幾乎每天都在不停地接受 新概念；3G的問題還未完全解決，人們 已經開始討論B3G的部署，圍繞4G的各種技術已成為研究的新熱點。那么， 技術發(fā)展如此之快，測試技術能否跟得上應用的發(fā)展？中國的

2、研發(fā)人員和 測試工 程師又面臨著什么樣的技術挑戰(zhàn)？來自Agile nt和NI的專家們幾乎都一致地認為：中國工程師與美國乃至 世界各地 的工程師面臨著相同的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)一方面是待測產品的功能越來越多， 測試 的要求也越來越高，另一方面，留給測試的時間卻越來越少，因為產品要以最快 的速度上市，從而形成了前所未有的測試效率方面的壓力。 工程師面對著各種選 擇，他們既需要一個具有很好的靈活性和兼容性、 擴展性強，同時又很可靠穩(wěn)定 的自動測試測量平臺，這個平臺不但可以滿足現有的需求， 而且能很方便地進行 系統(tǒng)升級，以符合今后越來越具有挑戰(zhàn)性的需求， 此外，還要求這種自動測試平 臺具有較長的使用壽命和較

3、低的建構成本。然而，國內的專家并非都認可上述觀點。來自賽寶計量檢測中心 的技術專家王勇， 就不認同上述觀點的絕對性（憑借著他本人的豐富經驗，以及對南中國地區(qū)眾多 用戶的了解，其觀點具有一定的代表性）。他認為，雖然上述的自動測試平臺具 有效率高等不少優(yōu)點，但至少這種測試平臺相對于中國的國情來說，還存在著一系列的問題，包括可靠性、可維性和可操作性差以及成本過高等問題。實際上理解這一點并不難，因為在這種復雜的自動測試平臺中，可靠性模型全部 是串聯架構，還要加上配套軟件的可靠性損失問題。在中國，分離設備基于易操作和低成本的優(yōu)勢，在相當時間內還將承擔主要角色，”他表示。另外，他認為，技術的發(fā)展和測試技術

4、的發(fā)展基本上是同步的，存在測試問題的標準是無法發(fā)布的。一旦標準發(fā)布，就不會存在測試方面的問題。而中國的工程師真正面臨的問題在于如何選擇與應用相適應的儀器設備以及如何使用儀器以及如何有 效利用儀器的延伸性能，從而使設備的效能得到真正發(fā)揮，”他指出，而目前的情況是，許多單位購買了大量的高檔儀器，而對儀器的應用開發(fā)卻處于非常低級 的階段。造成這種現象的原因，當然與國內的管理水平低有關， 但工程師的盲目追高，也是其中的一個主要因素 關于相同的問題，泰克公司中國區(qū)市場 總經理張權則認為：工程師真正面臨的挑 戰(zhàn)體現在采用多種技術和混合信號的 嵌入式設計方面。因為在這類設計中，隨著 低成本的微處理器和微控制

5、器的速度不斷加快，設計變得越來越復雜。體現這些 挑戰(zhàn)的行業(yè)也越來越多，從遍布混合信號的 數字視頻轉換，到必須處理日益復雜 的各種瞬變RF信號的無處不在的無線技術，還有數據傳輸率不斷持續(xù)增長的高 速數據處理方面的需求，雖然現在的主流為 3Gb，他預測，不久的將來6Gb甚 至12Gb就會成為主流。羅德與施瓦茨中國有限公司產品支持經理 安毅博士則更注重從技術層面上來說 明工程師面臨的挑戰(zhàn)。他認為：這些挑戰(zhàn)主要是如何順應新的標準和新的應用來 制定最完整和最恰當的測試方案，還有自定義產品和系統(tǒng)的測試等。這就要求工 程師緊密跟蹤最新技術發(fā)展，了解新的技術帶來的新變化和需求， 并挖掘現有測 試設備的潛力。而

6、來自安立公司的觀點更直接，那就是在測試領域里，中國面臨的最大挑戰(zhàn)就是 缺乏具有微波背景和相關經驗的工程人才，以及優(yōu)秀的測試與計量人才。中國本土測量儀器設備行業(yè)的發(fā)展現狀近年來中國測量儀器的可靠性和穩(wěn)定性問題得到了很多方面的重視，狀況有了很大改觀。測試儀器行業(yè)目前已經越過低谷階段，重新回到了快速發(fā)展的軌道，尤 其最近幾年，中國本土儀器取得了長足的進步，特別是通用電子測量設備和汽車 電子設備的研發(fā)方面，與國外先進產品的差距正在快速縮小， 對國外電子儀器巨 頭的壟斷造成了一定的沖擊。隨著模塊化和虛擬技術的發(fā)展，為中國的測試測量 儀器行業(yè)帶來了新的契機，加上各級政府日益重視，以及中國自主應用標準研究

7、的快速進展，都在為該產業(yè)提供前所未有的動力和機遇。 從中國電子信息產業(yè)統(tǒng) 計年鑒中可以看出，中國的測試測量儀器每年都以超過 30%以上的速度在快速 增長。在此快速增長的過程中，無疑催生出了許多測試行業(yè)新創(chuàng)企業(yè)， 也催生出 了一批批可靠性和穩(wěn)定性較高的產品。擁有中國該領域唯一重點實驗室的中國電子集團公司第41研究所，憑借著本土 測試領域的龍頭地位，通過屬下的青島興儀 電子設備有限責任 公司，成功地實現 了由技術到產品的轉化，開發(fā)出了多款具有很高技術水平的產品。該所研制出的 高純微波合成信號發(fā)生器、微波噪聲系數分析儀、便攜式射頻頻譜分析儀、 2.5Gb/sSDH/PDH數字傳輸分析儀、高性能的光通

8、訊設備，包括光譜分析儀和 高性能微型光時域反射計，還有高速數字示波器等，目前都已經形成比較完整的 產品系列。其中AV1489型高純微波合成信號發(fā)生器 采用全正向設計方法，突破 了高純度微波頻率合成等多項關鍵技術；AV3984型微波噪聲分析儀突破了智能 微波噪聲源等多項關鍵技術；AV4022型便捷式射頻頻譜分析儀突破了小型化設 計與制造等關鍵技術，還有高性能的 AV3600系列的寬帶矢量網絡分析儀，DT 系列數字電視碼流實時檢測儀等。另外，該所還與海信集團一道，研制出了數字 電視全部四個層次上的 測試儀器。無疑這對中國的 數字電視產業(yè)的發(fā)展將起到很 大的推動作用。這些儀器除了能解決所有通用 協議

9、分析外以及物理層的各種指標 的測試外，還有一個很重要的特點，就是結合中國數字電視標準和特點， 保留了 很好的可升級性。在這方面，天津德力公司做得也是 有聲有色。如該公司推出的DS8821Q數字電 視頻譜分析儀、DS1191數字電視綜合分析儀、DS1883Q數字電視場強儀、 DS9000碼流分析儀等產品，還有DS768這類的機頂盒專用測試設備。憑借著 中國自建標準的優(yōu)勢，湖北眾友公司和北京 星河亮點通信公司還分別成功開發(fā)出 了 ZY800系列和SP6010 TD-SCDMA終端綜合測試儀。該行業(yè)中另一可圈可點的就是北京普源精電科技有限公司。目前，該公司的產品 已經成功銷往42個國家與地區(qū)。并規(guī)劃

10、在2008年前發(fā)展成為亞洲最大的測量 儀器廠商。該公司走的是從低到高的發(fā)展路線圖。從最常規(guī)的數字萬用表，任意 波形發(fā)生器，到高性能的數字示波器。該公司的DS3000系列任意波形發(fā)生器， 是一款帶有數字邏輯輸出功能(16路數據通道和2路時鐘通道)的混合信號發(fā)生 器(MSG)。該設備采樣率達到300MSa/s，垂直分辨率為14bits，還有1M采樣 點存儲深度。可以提供十種標準波形，還可以提供用戶自定義的任意 波形，其中 包括各種豐富的調制波形，滿足了很多領域的應用；還有 DS1000系列混合數 字示波器，目前示波器的帶寬已經達到500MHz，并具有很豐富的高級觸發(fā)方式， 特別是碼形觸發(fā)和持續(xù)時間

11、觸發(fā)，解決了各種異常波形的觸發(fā)問題。示波器中還 集成了邏輯分析功能，保證了使用上的方便。其產品的另外一個特點就是具有業(yè)界較全的接口，從GPIB到RS232，從LAN到USB，豐富的接口保證了儀器的適應性，方便了互聯測試平臺的建立。據了 解，公司如今還正在加速 虛擬儀器的研究并很快推出這方面的產品，準備向平臺 建設逐步完善化的方向快速過渡。中國本土測量儀器設備發(fā)展的主要瓶頸盡管本土測試測量產業(yè)得到了快速發(fā)展，但客觀地說中國開發(fā)測試測量儀器還普 遍比較落后。每當提起中國測試儀器落后的原因，就會有許多不同的說法，諸如 精度不高，外觀不好，可靠性差等。實際上，這些都還是表面現象，真正影響中國測量儀器發(fā)

12、展的瓶頸為:1. 測試在整個產品流程中的地位偏低 由于人們的傳統(tǒng)觀念的影響，在產品的制造流程中，研發(fā)始終處于核心位置，而 測試則處于從屬和輔助位置。關于這一點，在幾乎所有的研究機構部門配置上即 可窺其一斑。這種錯誤觀念上的原因，造成整個社會對測試的重視度不夠， 從而 造成測試儀器方面人才的嚴重匱乏， 造成相關的基礎科學研究比較薄弱，這是中 國測量儀器發(fā)展的一個主要瓶頸。 實際上，即便是研發(fā)隊伍本身，對測試的重視 度以及對儀器本身的研究也明顯不夠。2. 面向應用和現代市場營銷 模式還沒有真正建立起來本土儀器設備廠商只是重研發(fā)，重視生產，重視狹義的市場，還沒有建立起一套 完整的現代營銷體系和面向應

13、用的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的營銷模式在計劃經濟年代里 發(fā)揮過很大作用，但無法滿足目前整體解方案流行年代的需求。所以，為了快速縮小與國外先進公司之間的差距，國內儀器研發(fā)企業(yè)應加速實現從面向仿制的研 發(fā)向面向應用的研發(fā)的過渡。特別是隨著國內應用需求的快速增長， 為這一過渡 提供了根本動力，應該利用這些動力，跟蹤應用技術的快速發(fā)展。缺乏標準件的材料配套體系 由于歷史的原因，中國儀器配套行業(yè)的企業(yè)多為 良莠不齊的小型企業(yè)，標準化的 研究也沒有跟上需求的快速發(fā)展，從而導致儀器的材料配套行業(yè)的技術水平較 低。雖然目前已有較大的改觀，但距離整個產業(yè)的要求還有一定距離。所以，還 應把標準化和模塊化的研究放到重要的位置

14、。還有，在技術水平沒有達到的條件 下，一味地追求精度或追求高指標，而沒有處理好與穩(wěn)定性之間的關系。 上述這 些都是制約本土儀器發(fā)展的因素。收起(3)壓力的檢測方法彈性力平衡方法：基于彈性元件的彈性變形特性。 彈性元件受到被測壓力作用而產生變形，而因彈性 變形產生的彈性力與被測壓力相平衡。測出彈性元 件變形的位移就可測出彈性力。此類壓力計有彈簧 管壓力計、波紋管壓力計、膜式壓力計等。重力平衡方法：主要有活塞式和液柱式?；钊綁毫τ媽⒈粶y壓力轉換成活塞上所加平衡硅 碼的質量來進行測量的，測量精度高，測量范圍寬, 性能穩(wěn)定可靠，一般作為標準型壓力檢測儀表來校 驗其他類型的測壓儀表。液柱式壓力計是根據

15、流體靜力學原理，將被測壓力 轉換成液柱高度進行測量的，最典型的是U型管壓 力計，結構簡單且讀數直觀。機械力平衡方法：其原理是將被測壓力變換成一 個集中力，用外力與之平衡，通過測量平衡時的 外力來得到被測壓力。機械力平衡方法較多用于壓力或差壓變送器中， 精度較高，但結構復雜。物性平衡方法：基于在壓力作用下測壓元件的某些 物性發(fā)生變化的原理。如電氣式壓力計、振頻式壓力計、光纖壓力計、集 成式壓力計等。壓力傳感器是能夠檢測壓力并提供遠傳信號的裝置。能夠滿 足自動化系統(tǒng)集中檢測顯示和控制的要求。當壓力傳 感器輸出的電信號進一步變換成標瘵統(tǒng)一信號時，又 將它稱為壓力變送器。應變片式：壓電式：壓阻式：電容

16、式：集成式：應變片式壓力傳感器應變效應(b)箔式應變片引線壓電式壓力傳感器當某些材料受到某一方向的壓力作用而發(fā)生變形時，內部就產 生極化現象，同時在它的兩個表面上就產生符號相反的電荷； 當壓力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài).這種現象稱為壓電效 應。具有壓電效應的材料稱為壓電材料.壓電材料種類較多， 有石英晶體、人工制造的壓電陶瓷，還有高分子壓電薄膜等。1 絕緣體 2 壓電元件3 殼體4 膜片1低壓腔）2-髙壓腔' 3-硅杯）4引線）5硅膜片1低壓腔）2-髙壓腔' 3-硅杯）4引線）5硅膜片壓阻式壓力傳感器壓阻元件是指在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成 的擴散電阻。它是基于壓阻

17、效應工作的，即當它受壓時，其電 阻值隨電阻率的改變而變化。常用的壓阻元件有單晶硅膜片以 及在N型單晶硅膜片上擴散P型雜質的擴散硅等，也是依附于彈 性元件而工作。（b）川膿片示憊罔1低壓腔）2-髙壓腔' 3-硅杯）4引線）5硅膜片電容式壓力傳感器其測量原理是將彈性元件的位移轉換為電容量的變化。將測壓 膜片作為電容器的可動極板，它與固定極板組成可變電容器。 當被測壓力變化時，由于測壓膜片的彈性變形產生位移改變了1, 4一隔離膜片；2. 3不銹鋼 基座；5玻璃絕緣層；6固 定電極；7 禪性膜片；8引線1 壓力名詞與定義1）壓力垂直而均勻地作用在單位面積上的力稱為樂力。 壓力可表示為p = F

18、/S（8-1）式中，p-壓力；F-垂直作用力；S-受力面積。2）絕對壓力以完全真空（絕對壓力零位）作參考點的 壓力稱為絕對壓力，用符號口表示。3）大氣壓力由地球表面大氣層空氣柱重力所產生的壓 力，稱為大氣壓力，用符號p（）表示。4) 表圧力以大氣壓力為參考點，大于或小于大氣壓力的壓 力稱為表壓力。T業(yè)上所用的壓力儀表指示值多數為表壓力。5) 差圧(力)任怠兩個相關壓力Z差稱為差壓(Ap)o正壓絕對壓力耳 _負壓E壓力”壓力B-大代壓力仏 (衣壓力孚位)絕對斥力3絕對壓力零位圖8舁壓力定義2.壓力的計量單位在國際單位制中，壓力的單位為牛頓/米S用符號N/m2表 示；壓力單位又稱為帕斯卡或簡稱帕，

19、符號為Pao lPa= IN/m2o因帕單位太小，T程上常用千帕(kPa)或兆帕(MPa) 表示。我國已規(guī)定帕斯卡為壓力的法定計量單位。由于歷史發(fā)展的原因、單位制的不同以及使用場合的羞異， 壓力還有多種不同的單位。各種壓力單位間的換算關系列 于表81中。彈性元件在用力作川下會因發(fā)生彈性變形而形成彈性力, 當彈性力與被測壓力相平衡時，其彈性變形的大小反映 了被測壓力的人小，因此可以通過測量彈性元件位移變 形的大小測出被測壓力。3物性測量法這種方法根據壓力作用于物體示所產生的各種物理效應 來實現壓力測量。根據測壓原理的不同，壓力檢測方法主要有以下幾類：1 重力平衡法這種方法是按照壓力的定義，通過直

20、接測帚單位面積上 所受力的大小來檢測壓力。如液柱式壓力計和活塞式壓 力計。2.彈性力平衡法彈性力平衡法利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形而 產生的彈性力與被測壓力相平衡的原理來檢測壓力。21彈性壓力計彈性壓力計根據所用彈性元件的不同構成了多種型式的彈性 壓力計，其基木組成如圖弘2所示。p38-2彈性壓力計組成樞圖821彈性壓力計1.彈性元件彈性壓力計的測壓性能主要取決于彈性元件的彈性特性，它 與彈性元件的材料、加工和熱處理質量有關，同時還與環(huán)境 溫度有關。工業(yè)上常用的彈性元件結構和測壓范圍如表&2所示。表&2彈性尤件的結構和壓力測戢范圍彈窩符式波紋骨式勞性膜式單Ittl彈皺管波

21、紋特平薄除波紋腹撓性炭7TfQV£0lOGkPn01O5kPn0103kPa0-105 kPa0103kPnO-lO2kPa821彈性壓力計彈簧管又稱波登管（法國人波登發(fā)明），是一根彎成闘弧狀、 管截血為扁圓形的空心金屬管，H端封閉并處于自由狀態(tài), 另一端開口為固圧端,被測壓力由固沱端引入彈簧管內腔。 特點：測最范圍大,可用于高、中、低壓或真空度的測最。波紋管是一端封閉的薄壁圓管，壁面是環(huán)狀波紋。被測壓力 從開口端引入，封閉端將產生位移。特點：位移柑對較大,乂敏度高,用于低壓或差壓測最。821彈性壓力計彈性膜片是外緣固定的片狀彈性元件，冇平膜片、波紋膜片和 撓性膜片兒種形式，其彈性特

22、性由中心位移與壓力的關系表示, 用于低壓、微壓測量。特點：平膜片位移很小，波紋膜片壓冇正弦、鉗齒或梯形等環(huán) 狀同心波紋，撓性膜片僅用作隔離膜片，需與測力彈費配用。2 彈簧管壓力計彈簧管式爪力計妊T業(yè)生產上應用很廣泛的一種測壓儀表， 以單圈彈簧管結構應用最多，其結構如圖&3所示。821彈性壓力計38-3彈貰譽壓力汁結構1 彈簧管：2康形齒輪：3拉桿：4底座：5中心齒輪：6游絲:7表盤：&指針：9接頭：10彈簧菅橫載匱：11調節(jié)開匚植特點：結構簡單,使用方便,價格低廉，測壓范用寬,精度高。圖8/雙波紋背差示汁結構圖85膜盒式壓力計3 波紋管壓力計圖弘4是一種采用雙波紋管測量壓差的雙

23、波紋管差壓計的結構 示意圖。I 連接軸；2保護閥；3 阻尼環(huán);4推板;5扭力 管；6心軸；7量程彈簧;&平衡閥；9低壓波紋管:10-ffi+T；II 阻尼閥；12-中心基朋;13高壓波紋管；14 填充 液4.膜式壓力計膜式壓力計冇膜片壓力計和膜盒壓力計兩種。前者主要川于測量腐蝕性介質或非凝固、非結晶的粘性介質的壓力，麻者 常用于測量氣體微壓和負壓。原理：膜片四周固定，當通 入壓力后，兩側血存在壓羞 時，膜片將向壓力低的一側 彎|11|,膜片中心產生一定的 位移，通過傳動機構帶動指 針轉動，指示出被測壓力。/5.彈性壓力計信號遠傳方式彈性壓力計一般為冇讀式儀表，也可以將彈性元件的變形轉

24、換為電信號輸出，圖弘6給出了幾種彈性壓力計信號電遠傳方 式原理。圖86(a)為電位器式。在彈簧管壓力計內安裝滑線電位器， 滑動觸點和電阻的任遼端Z間的電壓將取決于滑動觸點位 置，即取決于被測壓力。特點：比較簡單,冇很好的線性輸出,可靠性較羌。圖8%彈性壓力計信號電遠傳方弍圖&6(b)為霍爾式。其轉換原理基于半導體材料的霍爾效應。 IK力越大，兩面積差越大，則在霍爾元件垂氏于磁場和電流 方向的另兩側產生的霍爾電勢也越大。特點：結構簡單,乂敏度高,壽命長,對外部磁場敏感, 振性差。圖輕彈性壓力計信號電遠傳方式圖8-6(0差動變壓器式?？梢苿拥蔫F芯與彈性元件的白由端 相連并處于差動變爪器的線

25、圈中，被測壓力越大則鐵芯偏離越 多，輸出交流電壓越高，從而可測出壓力值。特點：性好、附加力小、位移范I韋I較大,處于中央位置時輸出 不為零。A實物圖膜式壓力表彈簧管壓刀計波紋管；5力表電測式壓力傳感器8.2.2電測試壓力計能夠測暈壓力并提供遠傳電信號的裝置稱為壓力傳感器，如 果裝置內部還設有適當處理電路，能將將壓力信號轉換成T 業(yè)標準信號(如42()mA肓流電流)輸岀，則稱為壓力變送器。應變式 電容式壓電式振頻式光電式光纖式 超聲式壓力傳感器1應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器是一種通過測址彈性元件因壓力的作用而 產生的M變來間接測帚壓力的傳感器，它由彈性元件、應變 片及測量電路等組成。特點:具

26、有精度高、體積小、重量輕、測量范偉I寬等優(yōu)點, 同時抗振動、抗沖擊性能良好。但應變片阻值受溫度影響較 大,需要考慮溫度補償。1）應變筒式壓力傳感器應變筒式壓力傳感器結構如圖*7所示.圖應變簡式壓力傳感器應變式壓力傳感器當應變筒內腔承受壓力時，薄壁筒表血的周向應力最大，相 應的周向應變£為：(8-2)"(2-“)E(D2/d2-)式中，p-被測壓力；EW變筒材料的彈性模暈：p應變 筒材料的泊松比；D_應變筒外徑；d_應變筒內徑。優(yōu)點：應變筒式爪力傳感器結構簡單,制造方便,能進行靜、 動態(tài)壓力測量，測量范I韋也比較寬。2)平膜式壓力傳感器應變片實物圖平膜片式壓力傳感器結構如圖88 所示。彈性元件上粘貼冇如圖& 9(a)所示的箔式組合丿皿變片。四個 應變片組成如圖&9(b)所示的電橋, 輸岀相應的電FR信號。圖&8半膜弍壓力傳感器結構圖&9窄式組合應變片對于邊緣固定的平闘膜片，當受壓力作用時