測量與計量

測量是通過實驗取得定量信息的過程。在此過程中，把被測之量直接或間接地與一個公認其數值為 1的同類量相比較，把後者作為單位，求得二者的比值。這個比值與單位的乘積，就是被測之量的量值。

基本介紹

• 中文名：測量與計量
• 含義：比值與單位的乘積
• 測量計量：電子測量
• 單位制：國際單位制

測量計量

電子測量是指利用電子學手段在零頻率（即直流）至光頻的電磁頻譜中對常用電磁量（如電壓、功率、頻率和阻抗等）的測量。為實行測量而採用的原理、方法、手段和技術措施，稱為測量技術。為測量目的而用的技術裝備稱為測量器具。測量器具包括儀器和量具。儀器可將被測之量轉換成示值或其等效信息，如阻抗電橋就是儀器的一例。量具以固定形式復現某個量的一個或多個已知量值，標準電容器或電容箱是量具的一例。計量標準是用於確定定義，並保存和復現單位（或其倍數或分數）的測量器具。

計量學是研究測量理論和實際問題的科學。帶有強制性的技術上和法學上的要求，以保證單位和量值的統一和一致的計量學稱為法制計量學。中國習慣上把法制計量學方面的實踐活動簡稱為計量。

由於實際上不可能對各種量都一一規定單位並建立相應的標準，通常在一個單位制中，選定若干個彼此獨立的量作為基本量，逐一規定它們的單位，即基本單位。通過函式關係從這組基本單位導出其他量的單位，即導出單位。目前國際上通用的單位制是國際單位制（簡稱SI）。它採用下列七個基本單位:長度單位──米（m）；質量單位──千克(kg)；時間單位──秒(s);電流單位──安培(A)；熱力學溫度單位──開爾文(K)；物質的量的單位──摩爾(mol);發光強度單位──坎德拉(cd)。

單位的真值可以通過理論來確定定義，但往往很難具體復現,只存在於純理論之中。因此,實際是由國家設立儘可能維持恆定不變的實物標準或自然基準，以法令的形式指定以它所體現的量值作為單位的約定真值。各國之間，通過互相比對在一定程度上保持量值一致。

無數日常工作儀器或量具不可能都直接同國家標準相比對,所以國家還設立一系列的各級實物標準,構成一個各種參量單位的傳遞網，通過逐級比較把國家標準所體現的單位量值傳遞到全國的日常工作測量器具去，這稱為量值傳遞。為了保證全國所測量值的統一和一致，必須採取帶有法制性的技術措施來處理單位、標準、測量方法和測量器具等問題。因此，計量是測量的特殊形式，又是測量的基礎和依據。

在人們的科技實踐中，對一些事物或複雜的被測對象往往需要一個反覆試驗和測量的過程，其中涉及眾多的測量項目。每項測量的個別對象又常受環境及其他測量項目的影響而有所變化，或本身就處在動態工作條件之中。因此，簡單的測量往往難以奏效，需要進行多次測量，甚至根據測量結果不斷尋找有效的測量方法。這種具有試驗性質的測量稱為測試，有時也稱為分析。

電子測量與其他測量的關係電子測量和計量的單位,除安培外,全部屬於導出單位。一切導出單位都是從長度、質量、時間、溫度、電流等基本單位導出的。電子測量中也常常把被測之量轉換成其他較易測量的量來測量。因此，電子測最依賴於其他測量並受其制約。例如，微波衰減標準和反射標準依賴於長度測量，而噪聲標準則依賴於溫度測量。

另一方面,電子測量廣泛套用於非電磁量的測量,稱為非電測量，並已成為另一個龐大的測量分支。如何使非電磁量按已知規律變換成電磁量，這是非電測量的關鍵。只要變換成功,餘下的就是電子測量問題。此外,由於基本單位自然基準的建立和發展，1967和1983年已分別對秒和米改用原子躍遷頻率來確定定義，其他基本單位也有此趨勢。

電子測量起源於電磁測量,並一直與它密切相關,互有交叉。雖然電子測量的頻譜範圍覆蓋了電磁測量的頻譜範圍（直流和工業頻率），但電磁測量至今仍保持著與電子測量並列的測量分支的地位。許多電子測量的單位都由電學和磁學單位導出，實際上也來源於電學和磁學單位。為了提高測量精密度，許多高頻電子測量都把高頻電磁量變換成為直流或低頻電磁量，再用電磁測量的手段來實現。隨著數字式電子儀器的發展，一些傳統的電磁測量項目，如直流和工頻電壓、電流、功率、頻率等，也成了電子測量的日常測量項目。

在電子測量中，對某些特殊對象的一系列具體測量逐漸形成為一些專門的測量分支，如無線電測量、雷達測量、電視測量、電聲測量和大規模積體電路測量等。

內容和對象電子測量與計量的對象是電子學中常見的電磁量。此外，還包括一些無量綱的量，如衰減量、反射係數和電壓駐波比等。

電子測量與計量有不同的任務和要求，但總的測量目的、涉及的學科知識領域、基礎理論和專業基礎是一致的。兩者都屬於計量學的知識領域，都以電子學為專業理論基礎。從計量學包括的三項主要內容──計量單位及其基準和標準、測量技術和測量器具來看，有關電磁計量單位及其標準的建立、復現、保存和傳遞等應屬電子計量的範圍，其任務是為電子測量提供可信賴的科學依據，以保證單位量值的準確一致。而電子測量與計量都包含測量技術的研究和套用及測量器具的設計和製造兩方面的內容，但都有各自的目的。根據不同的測量要求、測量對象和測量環境等採用不同的測量技術和設計不同的測量器具。

兩者區別

從不同的觀點出發，電子測量和計量的內容和對象有不同的分類。

①按頻率劃分：通常以30千赫左右為界線。30千赫以下為低頻測量，以上為高頻測量，然而這種界線並無確切的定義。還可以按頻率再細分為音頻、視頻、射頻和微波測量，其間的分界也不甚明確，常有交叉重疊，微波頻譜高端（300 太赫以上）已與紅外和可見光頻率相銜接。在音頻段內又可再細分為亞音頻(甚低頻)、音頻和超音頻測量。微波測量則又可細分為米波、分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波測量。電子測量方法和器具日益向寬頻段發展，已能包括從直流到微波頻段，因此電子測量按頻段分類已日漸失去意義。只有亞音頻和亞毫米波測量，作為強調向兩個極端發展的特殊情況，還有其特殊意義。

②按具體對象分類：電子測量和計量常按具體的對象(不同的參量)來分類，一般包括四類參量：有關電磁能的量（電流、電壓、功率和電場強度等）；有關電信號特徵的量（頻率、相位、波形參數和脈衝參數等）；有關電路元件和材料的參數的量（阻抗或導納、電阻或電導、電感和電容等）；有關無源和有源網路性能特性的量（反射係數、電壓駐波比、衰減、增益、相位移和頻頻寬度等）。這種分類並不嚴格,從不同觀點來看,同一個量往往可以歸入其中的某一類，也可以歸入另一類。例如，頻率既是交變電磁能的一個屬性，又是信號的一個重要特徵，也可能是電路元件、材料或網路的特徵量。此外,這幾類參量也有不可分割的聯繫。例如,信號特徵參量往往離不開電能量的測量，而元件參量也可以通過網路參量而求得。就連集總參數元件的基本參量如R、L和C等,也常通過測量反射係數來求得。在按參量分類時，也常再按頻段或所用的技術再行細分。

③按其他原則分類：電子測量和計量有時也從其他一些觀點出發按不同的原則來分類。從電路、信號和系統的理論分析方法考慮，可分為時域測量與頻域測量和後出現的數據域測量；從測量技術來考慮，則可分為經典的正弦測量或靜態測量、掃頻測量或動態測量，脈衝測量或瞬態測量等；若按測量方法，則可分為諧振法測量、電橋法測量和比較（替代）法測量等。

特點電子測量和計量除類別繁多、對象複雜而多變外還有一些其他特點。

①量程和頻程極寬：例如，電子測量中待測的功率可能小到10瓦（來自深空宇宙飛行器的信號），大到10瓦以上（遠程雷達發射機功率）,量程達到1:10範圍。一般不可能用一種測量方法和一種測量儀器來覆蓋整個量程，也不應只建立單一的W（瓦）標準,而應有μW、mW、W、kW、MW 等一系列功率標準。不過，電子測量儀器中也有能覆蓋很寬量程的情況，如一台完善的頻率計數器能測量10～10赫的頻率，量程為1:10。一般說來，同類的量在不同頻段的測量和計量所用的方法和器具往往不同。但也存在不少頻程很寬的測量器具，如從音頻直到40吉赫的頻譜分析儀和 0～18吉赫的標準衰減器等。

②精確度參差懸殊：測量和計量技術的水平、測量結果的可信賴性以及測量和計量工作的意義和價值，全在於測量或計量的精確度，或者說，全在於測量或計量結果的不確定度或誤差的大小。電學計量中直流電壓的計量,最好的可達10量級。然而，電子計量中精確度最高者為頻率計量,最好的可達10量級；日常工作的頻率計數器也可達10～10量級。

電磁量易用電子學方法加以變換。例如，數字式電壓表就是利用υ/T或υ/F變換技術，把電壓變換為時間或頻率來測量的。日常工作用的數字式電壓表，不確定度達到10的量級並不罕見。而在電磁測量中,0.1級(不確定度為±0.1%)電壓表則是珍貴的標準儀器。利用參量變換技術來獲得十分方便而且高度精確的測量手段，是電子測量的一重大特色，這也是電子測量技術迅速滲透到幾乎一切計量和測量領域的主要原因。然而，電子計量單位既然都是導出單位，其不確定度就不可能優於它所賴以導出的原始單位的不確定度。

另外，視具體的對象和頻程、量程的不同，電子測量和計量所能達到的精確度也可能十分懸殊。有些項目如失真度或Q值的常規測量或計量,其不確定度可能劣到10的量級或更差。

③影響量多和影響特性複雜：對測量結果所得量值能產生影響的量稱為影響量。影響量通常來自測量系統的外部，如電源電壓的起伏、環境溫度的變化、外部噪聲和干擾等。測量系統本身的某個工作特性，也可能對系統的另一工作特性產生影響進而影響測量結果。例如，電壓表的頻率回響特性和檢波特性，都直接影響電壓測量結果的量值。另一方面，電子測量器具以及被測對象內部的元件、器件數目甚多，對外界影響也相當敏感。錯綜複雜的影響量所產生的不良效應有時會成為嚴重問題。此外,由於電子測量和計量的量程和頻程寬,測量器具內部各種影響特性所引起的不良作用有時也可能十分嚴重。

因此，在許多電子測量和計量中，對環境的控制是必要的，而且有時要求十分嚴格（見測量與環境）。為了減弱測量系統內部產生的不良影響，必須儘量避免寄生耦合，對輸入輸出阻抗也要有嚴格的要求（見測量技術）。

④誤差問題較難處理:在電子測量和計量中,由於影響量和影響特性眾多而複雜，因而很難充分掌握測量誤差。系統誤差常帶有一定的隨機性質，而且不少是屬於非常態分配的，不能用經典的機率統計方法處理。此外，由於儀器的生產數量一般不多，難以獲得大量採樣，因而無法知悉這些非正態誤差的確切分布律。

⑤對科學技術新成就敏感:為了獲得高精確度,電子測量和計量對科學技術新成就十分敏感，往往率先採用。如採樣、鎖相、頻率綜合、相關檢波、數位化、自動化等技術，很快就在電子測量和計量中得到套用並日益普遍。在新技術的引用方面，最突出的是電子計算機和微處理器的套用，這不僅大大提高了電子測量和計量的自動化和智慧型化程度,而且提高了勞動生產率,避免了漂移的影響；同時也易於進行大量數據採集和重複測量，通過統計分析來減弱隨機誤差。利用自動化技術，通過誤差模型對測量結果逐個進行誤差修正，從而排除了許多系統誤差。還可以使測量系統自動進行自我檢查、自我校準，乃至自我檢定。此外，也便於利用間接測量的原理，從為數不多的直接測量結果出發，通過計算機換算而求得許多其他有關的參量的量值，從而實現多功能測量。電子測量和計量除對電子學本身的新成就十分敏感外，對於其他學科的成就也吸收得很快，如汲取了原子波譜學的成就，創造、發展了原子頻率標準；從光學獲得啟發而採用了毫米波和亞毫米波測量中的準光學技術；低溫超導技術在超短脈衝測量中的套用；以及半導體量子干涉器件的套用等。

發展電子測量和計量的發展很快，特別是20世紀下半葉以來，電子測量和計量的整個面貌大為改觀。電子測量和計量的發展，有以下幾個方面引人注目。

①電子測量已從使用個別或幾個獨立的儀器對單項或分別對若干項電磁量進行測量，轉向利用多功能複合儀器系統對整個被測器件或系統做出全面表征（網路分析儀是個典型例子），或對信號做出全面表征（如信號分析儀或自動頻譜儀）。此外，利用時域、頻域互相變換的技術，從一域的測量得出另一域的結果；通過信號分析而求得網路（系統）的表征或者相反（時域反射計即其一例）。

②在計量方面,隨著微觀“自然”基準的建立,實物計量基準和各極標準的重要性已日趨下降。1967年秒的定義改用原子鐘來規定；1983年10月第十七屆國際計量大會正式通過了米的新定義。在這之後，將逐步把國際單位制中剩下的五個基本單位同秒（頻率）單位聯繫起來，把一切計量單位統一在頻率單位上。

③電子測量和計量同計算機相結合是一個重要趨勢。測量儀器的智慧型化、積木化和自動化的程度和水平還須提高，寬頻帶、寬量程、高精度和多功能的要求的實現還要較多地依靠計算機的功能。測量儀器和計算機漸趨一體，成為萬能的“黑盒”，通用測量儀器和專用測量儀器的界限將有新的劃分甚至可能消失。而電子測量系統與信息網的綜合發展，使有可能通過測量來分析和綜合所採集的大量數據，對所取得信息的使用效果作出科學評價。

④現代科學技術日益對電子測量和計量技術提出新的要求。現代大型工程和尖端技術的發展，對電子測量和計量提出了許多不同於傳統測量技術的苛刻要求，包括很多精確度很高的測量項目，極大到極小的量程範圍、很寬的頻頻寬度，極端的測量環境和動態的工作條件等。

參考書目

張世箕等：《無線電計量測試概論》,計量出版社,北京，1985。