最新电子测量技术现状及发展趋势分析

分析：测试测量仪器行业技术发展趋势

测试测量仪器市场最近发生的一些事情似乎暗示着该行业已经进入一个新的阶段。

首先要提到的是安捷伦科技,尽管该公司一度认为PXI并非测试测量技术的未来趋势,但却在去年底发起了针对该项技术方案供应商的两起收购(Acqiris和PXIT),并于2007年3月底宣布加入PXI联盟。值得注意的还有泰克公司,在NI公司的协助下,这家示波器领导厂商在其TDS1000B、TDS2000B和DPO4000系列数字存储示波器中采用了由NI提供的交互式测量软件,帮助工程师可以轻松地在PC上连接并控制泰克仪器。此外,测试仪器供应商吉时力也顺应潮流,在2006年12月推出了符合PXI标准的产品线。

上述案例表明,以软件为中心并配合模块化I/O硬件的方式已经渐渐成为测试测量仪器行业的一个趋势,而这正是NI一直以来就在大力推广的虚拟仪器技术(VI)。"这彰显了30年来NI所坚持的道路的正确性。"NI中国市场经理朱君女士不久前在上海与业界媒体见面时表示,"在NI提出‘虚拟仪器技术’这一概念的时候,许多人都认为它不可能成为主流技术。而今天我们看到的却是,VI不但成为了测试测量行业的发展方向,而且很显然,测试测量行业已经进入仪器技术

2.0(Instrumentation2.0)的时代。"Instrumenation2.0借用了最近非常红火的web2.0的概念,都突出了用户对数据的掌控和对自定义的强烈需求。

以软件为中心,模块化硬件相结合

在最短时间内为产品增加尽可能多的新功能,这似乎已经成为电子系统设计工程师们目前所面临的最大挑战。测试系统必须紧跟待测产品技术的发展,但是待测系统复杂度的提高和对测试时间的要求使得传统测试技术在满足"过分的"测

试需求方面越来越显得力不从心。在传统测量仪器技术下,工程师们只有两个选择:要么为该产品开发专用的测试解决方案,要么使用通用的测试仪器。但是,专用系统的价格昂贵,而通用仪器却很难达到测试要求。

"兼容以上两种方案的优势,以软件为中心的系统开启了一个新的时代。这种方式能为设计和测试工程师提供效率最快、性价比最高的途径来创建他们自定义的仪器系统。"朱君表示,"它就是仪器技术2.0。"

简单来说,仪器技术2.0是相对于完全依靠硬件来实现测试测量的1.0时代而言的:在后一种方式下,硬件本身和其具备的分析功能都是由仪器供应商来定义,用户要实现自定义只能是天方夜谭即使将仪器连接到PC,传输的信息也是厂商定义后的测试结果,用户无法获得测量的原始数据来进行自定义分析。而2.0方式却完全不同,在获得实时的原始数据后,工程师可以利用软件来设计自己的用户界面并自定义测量任务,获得所需的分析结果。

以软件为核心并不代表硬件已经无足轻重,只有对数据进行高质量的数字化和快速传输才能在软件平台上真正实现精确分析的能力。模块化的I/O硬件技术的飞速发展为数据采集提供了可靠保证,工程师们可以采用通用的模块化硬件来构建测试系统。"相比传统仪器技术,仪器技术2.0赋予了他们更大的自主权和灵活性---在一个强大的应用软件平台上,选择符合需求的硬件,即可实现更多可扩展的测试功能。"朱君说。

朱君表示,仪器技术2.0的包括以下几项必备要素:自定义测试、实时数据传输、自定义界面、模块化硬件以及仪器同PC之间的连接性。"这些要素已经非常普遍。"她指出,这也是本文开头中所述的其他厂商之所以开始涉足软件和PXI等技术的原因。

F1:仪器技术1.0与仪器技术2.0比较

组成部分与必备要素

虚拟仪器技术的概念已经在市场上获得了广泛认同和采用,同时驱动其进步的因素仍在不断发展中。因此,理所当然的,虚拟仪器技术仍将不断获得新的飞跃:硬件方面,数据转换器(ADC)、数据总线/总线架构以及处理器技术功不可没;软件方面,LabVIEW图形化编程环境已经日益成为最普遍的应用工具。

首先来看ADC。过去工程师需要自己设计专用ASIC或者现成的高性能ADC。但是很显然,对于出货量相对较少的测试测量行业而言,ASIC方案的成本较高。随着ADC不断进入更多的应用领域,半导体供应商们在该项技术获得了极大的发展。今天,ADC不仅能够提供足够的性能,还由于大规模量产获得了低成本优势。

其次是总线技术。事实上,许多总线技术都存在着"双高问题"---在提供高带宽的同时,延迟时间也居高不下。但不幸的是,大多数情况下常常被忽略的延迟会对某些测试应用产生直接作用,影响指令在总线节点之间的传输速度。另外,各种各样的总线还存在着五花八门的要求。例如,千兆级以太网传输速度很高,但是每次改变都需要重新编写软件;GPIB没有这种麻烦,但却需要购买控制器……诸如此类不一而足。"这使得在带宽和延迟两方面性能都出色的PCI/PXI总线能够轻松胜出??被PC行业的广泛采用已经说明了该项技术的优越性。"朱君说。

多核处理器技术也是仪器技术发展的助推剂。作为应用软件的运算载体,处理器已经成为下一代仪器技术的核心器件。AMD和Intel两大处理器供应商的竞争使得处理器性能依然沿着摩尔定律的步伐稳步前进。Intel公司更宣布将在2011

年推出80核处理器的计划,届时将能够提供万亿8进制的计算性能。很显然,处理器的未来就是多核。

朱君指出,与1.0方式相比,仪器技术2.0方式对于软件具有非常高的要求。为了充分融合以上硬件技术,一个强大的应用软件必须要满足以下要求:提供强大的分析能力---包括内置分析库核与第三方软件工具之间的开发连接性;让用户可以自由选择最适合需求的总线支持各种总线技术;为了能够充分利用多核处理器的优势??支持工程师对多核处理器进行高

效编程,需要开发全新的编译器来解决并行架构的开发挑战。

LabVIEW已经具有上述能力。与PLC组态软件、C文本语言的特性不同,这是一款图形化的编程软件平台。自1986年推出以来,LabVIEW不断增加即拖即用的分析函数,现已包含500多个内置的数学、信号处理和分析函数,并为阶次分析、调制、频谱分析、高级信号处理等要求提供附加的工具包。此外,通过MathScript提供的m-file文本语法功能,工程师们可以选择更高效的句法。该软件不仅支持所有总线技术和各种操作系统,还已经在今年4月推出的8.2.1版本中支持Vista 操作系统(LabVIEW可在底层进行系统配置)。此外,在去年的NIDays上,NI还就将并行的两个程序自动配置到双核处理器中进行了相关演示。朱君指出,几乎所有的编程软件都是串行架构,而LabVIEW一开始就是一款并行架构的编程软件。"如果程序里有多个并行循环,LabVIEW会自动在多核间分配任务。"她说,"从单核升级到多核,用户无需改变代码即可享受到多核技术带来的好处。"

"尽管不同的行业有不同的发展道路,但共同的一点却是用户对自定义的要求愈加普遍。"朱君总结道,"仪器技术2.0已经成为测试测量行业势在必行的趋势,以软件为核心、结合模块化硬件的解决方案将为工程师实现他们所需的自定义和最优化结果。"

电子计量测试的发展动向和趋势（一）

《中经BP社》( 日期：2003-01-29 10:16)

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1 概述

整个电磁频谱包括从直流到可见光的宽广的频率范围。通常，电磁计量涉及的是直流和低频的电磁参量计量，其频率上限一般不超过几十kHz。而电子计量具有极为宽广的频率覆盖，其低端往往与直流和交流电磁计量交叉，高端则可达亚毫米波段(300~3000GHz)，并与光学计量交叉。电子计量现今国际通行的频率覆盖范围为lOkHz~3000GHz。通常，lMHz~300MHz称为高频，300MHz~30GHz称为微波，30GHz~300GHz称为毫米波，300~3000GHz称为亚毫米波。因此，电子计量从覆盖的电磁频谱范围看，包括高频计量、微波计量、毫米波和亚毫米波计量三部分。电子计量是以元线电电子学中经常遇到并需要测量的高频与微波电磁参量为研究对象的，电子计量的研究重点是某些较为基本的便于独立测量的参量(或参数)。这些基本参量的量值标准可以从基本单位m，s，kg，A，K等的量值基准导出，但是，导出链是冗长而复杂的。

电子计量测试所包含的内容是不断发展和变化的。例如，电子管电压表问世之前，热偶式电流表是最通用的无线电测量仪器之一，鉴于电子管电压表寄生参量影响小、频率和量程宽、输入阻抗离、过载能力强等优点，很快取代了高频电流表。所以，许多国家1960年代以前研制的高频电流标准已基本搁置不用，而电压则成为电子计量最基本的参量之一。

随着频率增高，出现了分布参数系统。在微波频率上，功率参量又取代了电压参量的重要地位。1970年代因微电子技术的发展，以及数字系统的崛起，出现了半导体参量计量测试与数据域测量。1980年代随着光纤通信、移动通信和数字通信技术的发展，促进了光纤电参量特别是它的传输特性参量(如光纤带宽、衰耗、色散、场分布等)，以及数据域参量(如误码率、相位抖动、数据幅度、脉宽、群延迟等)计量测试的发展。“信息高速公路”(Information Super Highway)掀起了1990年代新的元线电电子学发展热潮。它是集光波、亚毫米波、毫米波、微波、RF、近代通信网、近代广播电视网、计算机网络等高科技于一体的高速大容量交互式综合信息网络系统。在信息传输和交换中，频率调制方式大多取代了过去的幅度调制或单边带调和(SSB)。现代移动通网越来越多地使用相移键控(PSK)或频移键控(FSK)调制方式z此外，为易于实现数字传输，调制前，比特流经过一高斯滤波器进行频率调制，称之为高斯最小频移键控(GFSK)的调制方式，它能在频谱效率(bit/Hz)和信噪比之间提供良好的折衷，提高信息传输质量和抗干扰度。因而出现了所谓调制域计量测试。随着全球电子设备的日益增多，近20年来，对电磁干扰和电磁兼容的计量测试的需求日益增多。

近代高新技术的发展.使频谱资源得到越来越多的开发利用，无线电电子学的分支越来越多，越来越细。众多的电磁参量(或参数)、宽广的频率范围和量程、多种多样的传输线和接头形式，对电子计量测试领域提出了严重的挑战。

2 电子计量的特点

（1）待计量参量种类繁多

电磁波可以沿传输线传输，也可以在自由空间传播。前者涉及的基本参量包括电压、

功率、衰减、阻抗、噪声、介电常数、损耗角等；后者涉及的参量包括电场强度、磁场强度、功率通量密度以及与天线有关的各种参量，如增益、方向性、极化等。因而在电子计量测试领域，需要测量的电磁参量(或参数)为数众多，它们大致可分为两大类：(a)表征信号特征的参量。诸如电压、电流、功率、场强(电场强度、磁场强度、功率通量密度)、频率、波长、波形参数(包括失真)、脉冲参数、调制参数、频谱参数(频率成份、频谱纯度、边带噪声等)、噪声(等效噪声温度、超噪比、功率谱密度、相位噪声)等。(b)表征网络特征的参量。诸如集总参数电路参量(电阻、电导、电抗、电纳、电感、电容)、反射参量(输入输出阻抗、电压驻波比、反射系数、回波损失)、传输参量(衰减、相位移、增益、时延等)、表征电子无黯件及设备特性的参量(如灵敏度、效率、噪声系数、信噪比、跨导、晶体管的各种参数等)、电子元器件谐振特性参量(谐振频率、带宽、品质因素Q等)、材料特性参量(介电常数、损耗角正切、导磁率等)等等。

对于日益增多的电子计量测试项目，按量值或参量(或参数)来分类.可以分为基本参量、二次导出参量、专用测量参量。基本参量包括频率、电压、功率、噪、衰减、阻抗和相位移(它们描述电磁波在传输线中传输的特性)；场强或功率通量密度以及与天线有关的参量(它们描述电磁波在空间传播的特性)。

由上述基本参量导出但需要由专门仪器测量的二次导出参量。主要有脉冲波形参量(幅度、时间间隔、上升下降时间等)、频谱参量、失真度、调制度、材料的电磁特性等。除上述电子计量测试的通用、常规参量外，还有大量专用参量。它们分别对应电子仪器中的专门类别，诸如电子器件参数测量仪器、广播电视测量仪器、通信测量仪器等等。这些专门类别的电子测量仪器所涉及的参量既有上述通用参量，亦有针对性很强的专用参量，如广播音响测量仪器中的抖晃率、数字通信测量仪器中的误码率、抖动、群延迟等。中国计量科学研究院无线电处负责建立、保存、和改进电子计量国家基准或标准，研究精密测量理论与技术，进行国际比对，开展量值传递与提供量值溯源，以保证全国电子计量单位的统一及量值的准确可靠。国家基准或标准主要是研制上述基本参量和部分二次导出参量的国家基准或标准；同时亦研制对国民经济有重大影响的专用参量，以及近代科技前沿的专用参量的国家标准。

如前所述，电子计量是以无线电电子学中经常遇到并需要测量的高频与微波电磁参量为研究对象的，电子计量涉及的参量众多，其主要参量及其单位见表1。

表1 电子计量主要参量及其单位

（2）量程和频段极为宽广

在电子计量中，待计量的参量所覆盖的量程通常都是很宽的。例如常规功率计量，其量程从纳瓦到兆瓦。量程覆盖达1:1015量级。至于实际需要的功率计量量程就更为宽广。从射电星或宇宙飞船发回到地面的噪声及信号功率大多低于10(13W，而远程雷达向空间发射的脉冲功率却高达1010W以上。如前所述，电子计量的频率覆盖通常达109量级。对于如此宽广的量程和频段，显然很难用一个标准装置来覆盖。实际上，对于同一参量的不同频段，需要采用不同的计量方法和计量设备，并为此而分别建立相应的计量标准和器具。

（3）传输线和接头形式多种多样

随着频率由低到高，电子系统中的传输线有双线、电缆、同轴线、带状线、微带线、矩形或圆形金属披导、介质波导、光纤等多种形式。每种传输线又有不同的型号、尺寸、规格。例如，一些常用的传输TEM波的50(阻抗空气同轴传输线有如表2所示的尺寸。对于不同尺寸的50(阻抗空气同轴传输线，有不同的接头形式。与常用的14mm，7mm，3.5mm 和2.9mm同轴线相对应的接头分别是APC-14型、N型APC-7型、SMA型/APC3.5型和K 型等。除了50(阻抗系统和接头，还有75(阻抗系统和接头，例如广播电视系统和部分通信系统，采用75(阻抗传输线和F接型头。对于传输非TEM波的金属波导系统，又细分为许多截面尺寸不同的波导波段。目前应用最广泛的是矩形截面金属波导系统，常用波段有lmm，3mm，8mm，1.25cm，2cm，3cm，5cm和lOcm矩形截面。针对不同的传输线、接头型式和阻抗，均需要建立相应的计量标准。由于传输线和接头形式多种多样，除了造成机械连接的复杂性之外，还引起电磁波传输的电气性能的的变化。电气性能的变化对计量的影响，主要表现为电磁泄漏、阻抗失配引起的测量不确定度。目前，只有少数电子工业发达国家的国家计量研究机构，在上述各传输线、接头型式和阻抗系统部分建立了国家计量标准。

表2 常用50(阻抗空气同轴线标准尺寸和有关电气性能

（4）量值传递链较短

电子计量标准的不确定度大都在0.1%~1.0%量级，所以在电子计量各参量的检定系统表中，传递等级比其他专业计量的传递等级较少，一般都只有3级，少数参量只有两级，即工作计量器具和国家计量标准。

3 毫米波计量

1980~90年代毫米波技术获得了突飞猛进的发展。随着毫米波单片集成电路的研制、开发和批量生产，毫米波在通信、射电天文、生物医学、地面和空中交通管制、汽车防撞雷达、焦平面成像等领域得到广泛应用。

毫米波单片集成电路和计算机芯片的线宽已小于0.1(m，半导体基片材料和集成工艺更加多样化，对半导体计量测试提出了巨大挑战。

随着传输线和固态器件向高频段发展，开发毫米波同轴接头的呼声日高。以前常采用的同轴接头，如SMA及其衍生系列，缺乏所需的耐用性和重复性，而且不能提供对国家标准的溯源性，APC-7和N型的耐用性和重复性均属上乘，但频率上限仅达18~20GHz，APC-3.5可工作在34GHz。近年来许多公司推出了各自的毫米波同轴接头，如2.4，2.92，1.9mm同轴接头等。在设计中追求的目标是：单模工作，高性能界面，坚固耐用，重复性好，制造容差不比APC-3.5更苛刻，成本要能与现有接头相竞争，在正常使用中不易损坏阴性接触，拥有各种装配结构组合，全金属化，具有可溯源的途径。毫米波同轴接头的出现，给计量测试提出了如何评价其性能的课题，如特性阻抗、反射系数、插入损耗、屏蔽效能(RF泄漏)、接触电阻以及这些特性的重复性，此外，还有机械和物理特性的评价问题。

Wiltron的K接头可工作在46GHz，已用于装配该公司的360系列ANA，561 SANA，6669A扫频发生器，SWR自动测试仪，以及用于装配检波器、衰减器、定向藕合器、PIN 开关等多种产品。K接头可以在电气上和机械上与SMA和APC-3.5相兼容；据厂方声称，可以通过现有的标量网络分析仪，将其反射和传输特性溯源到NIST。Hewlett-Packard，Amphenol和M/A COM Omd Spectra联合研制出一种可工作到5OGHz的2.4mm同轴接头。它分为三个级别；“产品级”有OS-50系列。由Omni Spectro生产，适合于元器件、电缆和微带线装配；“仪器级”有APC-2.4，由Amphenol生产，用于装配测试仪器和设备；“计量级” 由Hewlett-Packard生产，装配在精密测量或标准仪器上，其性能可溯源到NIST(美国标准与技术研究院)。例如HP8487D功率传感器配备2.4mm(阳性)同轴接头。

时域测量技术取得了重大进展，最有代表性的是Hypers公司生产的PSP-1000型的ps 信号处理装置，它与低温控制和超导电子学相结合，利用约瑟夫逊超导结获得高速脉冲，得到了70GHz带宽和5ps上升时间。在40~110GHz测量TE01圆波导插入损耗和延迟的时域技术，测量幅度的准确度在0.ldB(rms)以内，测量延迟的准确度为0.lns(rms)。

Tektrmix，Hewlett-Packard和安立等厂家生产的频谱分析仪，上限额率可达325GHz，机内频率计数器的准确度为10-9，动态范围达144dB。

迄今，30~100GHz的毫米波波导技术已达到厘米波技术的水平，给当代电子计量提出了新的课题。各国都先后研制了毫米波频段功率、衰减、阻抗、噪声标准。

NIST波导功率标准覆盖了26.5~110GHz的4个波导频段；采用中频替代法在26.5~65GHz两个披导频段建立衰减标准；在26.5~110GHz的4个波导频段建立噪声标准等等。NIST还在l00kHz~100GHz频段内，采用六端口技术建立阻抗、衰减和相位的国家标准，并进行功率量值传递和测量线性互易二端口的S参数。S12的幅值(衰减)量程为0~60dB，分辨力为10-4~0.ldB，相移分辨力为0.001(~l(。中国计量院在26.5~40GHz频段用六端口技术建立阻抗、衰减和相位的国家标准，以及小功率国家标准;其技术指标和测量不确定度与NIST相当。1980年代已有若干六端口装置的商品问世，Micro-Now的商品六端口矢量反射计的频率覆盖为26.5~40、33~50GHz，Flam微波公司已将26~114GHz的单六端口接头投放市场，Hughes、Norsal和Microwave Develop Labs等则可为用户订做毫米波六端口网络.80年代以来，采用扩频技术已将网络分析仪的频率扩展到170GHz。俄、德、英、法、日、加拿大、荷兰等国和我国计量研究机构亦在部分毫米波段建立了相应的国家标准，并在向更高的频率拓展.各国为了验证已建立的国家计量标准的不确定度及其评定的可靠性，由国际计量局(BIPM)安排了一系列毫米段的国际比对，包揽33.35.45，65，75，94GHz的功率比对340，70，94GHz波导噪声温度比对；R320(WR28)波导的27，35和40GHz的复反射系数(阻抗)和衰减比对375~110GHz的反射系数比对毫米披喇叭天线增益以及100GHz以上的毫米波和亚毫米波参量的国际比对等。由此可见，国际上对毫米波计量测试是极为关注的。

在计量测试领域，18GHz以上频率的同轴技术近30年来取得了不小进步，但没有重大突破。主要原因是受同轴传输线和同轴接头制造技术的限制，难以减小电磁泄漏、阻抗失配引起的测量不确定度。HP公司与NIST联合研制一种正温度系数热敏电阻功率传感器已有多年，设计的频率范围从直流到50GHL装配2.4mm同轴接头。其工艺技术是在砷化镓微波微电路基片上制造精密50(电阻。这种正温度系数热敏电阻功率传感器可以配用诸如HP 432A功率计、NET-4型功率计，具有优良的输入VSWR。这种新型功率传感器，可用于建立~50GHz同轴功率国家标准及其传递标准。

4 电磁兼容性能的计量测试

电子技术的发展促进了社会的进步，但是，大量使用的电子和电气设备均会产生有意或非故意的干扰辐射，与此同时，它们本身亦面临着在电磁环境下工作被干扰的问题。如何使电子产品减小非故意的辐射，并能在一定的电磁环境下正常工作，这就是电磁兼容(EMC)。

生产满足电磁兼容标准的电子设备和系统，将增加电子工业和其他工业的商业竞争能力。因此，电磁兼容性已成为电子、电气设备和系统的一个重要技术特性，它引起世界各国的普遍关注。各国均制订有本国的电磁兼容标准，国际组织(如IEC)均制订有国际标准。美国制订有三组EMC标准：商业标准、军用标准和国际标准.我国则是全面推行IEC标准。

NIST的计量专家指出，需要在三个应用方面改进测量能力：①抗扰度(EMS)测试，②辐射(EMI)测试以及③电磁环境的表征和相关标准的制订。测量的频率范围要求覆盖0~30OGHz。这种新的测量能力的一个重要用途将是，对电磁环境的表征以支持制订合适的抗干扰度标准。必须研制开发适应较大物体(如商用飞机)的测试设备；为了模拟越来越不利的电磁环境，必须研制对更大场强(场强>200V/m)和更高能量传导干扰的抗干扰度测量设备；EMC测量的不确定度和可重复性必须改善，特别是在不同类型的测试设备之间；必须研究适用于现代数字电子系统的脉冲电磁辐射测量方法，具体地说，要求研究采用具有更宽的带宽的短脉冲(持续时间小于lns)测量方法。

开展EMC测量首先要解决的是场强(功率密度)量值的准确和统一问题，建立从低频到微波频率的场强标准。在此基础上开展有关的测试。NIST利用开阔场、TEM小室、波导小室及微波暗室等建立了3OkHz~18GHz的场强标准，不确定度为0.5~1.0dB。划分两步扩展暗室的频率，第一步扩频到26GHz，然后再扩展到40GHz。PTB建立了10kHz~21GHz 的场强标准.不确定度为0.5~LOdB.近年来.为适应新的电磁兼容标准的需要，各国加大了EMC研究的力度。欧洲共同体制订的新的EMC标准规定了辐射和抗扰测试两方面的要求。显然，这种新的欧洲共同体EMC标准将影响各国电子、电气设备和系统在欧洲及其他国家市场的竞争力。

在解决EMC问题时，测量处于重要的地位。计量部门应提供可溯源到国家标准的测量。NIST着重开展5个方面的研究工作：①建立电磁场标准以支持EMC/EMI测量；②电磁能量传感器技术研究；③设备和系统的发射；④设备和系统的抗扰度；⑤静电放电辐射电磁场测量、电磁环境的评价等。

计量院在EMC计量测试方面进行了大量研究，并与NISA、NPL(英国物理研究所)、PTB(德国物理技术研究所)等国外计量研究院保持长期协作。已建立三项场强国家基(标)准：4.8GHz场强基准，量程为(10~200)(W(cm2，测量不确定度为0.25dB(包含因子k=2)；2.45GHz 功率密度标准，量程为(0.05~0.8)mW(cm2，测量不确定度0.21dB(包含因子k=2)；30~1000MHz高频场强基准，量程为(100~120)dB(m，测量不确定度为ldB(包含因子k=2)。1980年代研制成横电磁波传输小室(TEM小室)，1990年代又研制成NIM-GTEM小室(因其可工作在lGHz以上频率，故称GTEM小室)。NIM-GTEM小室的外形尺寸为6m(长)×3m(宽)×25m(高)，其均匀场区(((ldB)分布空间为0.5~lm(长)×0.5~lm(宽)×0.3~0.5m(高)。工作频段理论上可从直流到20GHz；目前已达3GHz 以上频段。

2000年计量院与北方交通大学联合成立了中北电磁兼容联合实验室，并作为一个独立的实体，通过了中国实验室国家认可委员会的认可，对外开展电工、电子产品电磁兼容检测和认证。目前开展电工、电子产品电磁兼容检测的类型包括：电子测量仪器、工业过程测量与控制设备、医疗电子设备、安全设备、金融电子设备、照明器具、电工产品、家用电器、信息技术设备等，此外还开展电波暗室、开阔场和各种横电磁波小室等电磁兼容基础环境设施的性能测试。

5 材料特性的射频与微波测量

在低频及微波频段对材料进行的大量测量，主要集中于介电特性，有关材料磁特性的测量只占少数。在低频和微波频段，通过相移和衰减，可以测量复数相对介电常数的介电常数和介质损耗两个分量。而在光频段，人们通常测量复数折射率。实际上，两者是等价的，即使在媒质导电并具有磁性的情况下，仍然可以通过麦克斯韦关系式将两者联系起来。

介电测量最初纯粹是为了科学研究，例如弛豫现象的研究；1980年代以来，在通信、雷达、电路元件设计、准光学元件中变得日益重要。后两者包括绝缘体、支撑、束分配器、透镜、谐振腔、基板、介质波导、窗、天线罩、辐射吸收材料等。所有这些应用均要求极高的测量精度.在某些运用中，比如微波炉、高频电热疗器、工业介质高频加热器中，介电损耗是一个很重要的参量。而在环行器、隔离器、滤波器的设计中，材料磁特性则是关键参数。在低频和微波波段，人们可以采用单频及宽带两种方法。自从连续波激光源广泛应用之后，在光频段亦可采用这两种方法。在毫米波段，大多数测量是采用色散傅里叶变换波谱仪(DFTS)进行的。在广阔的电磁频谱(1MHz~1500GHz)上，对种类繁多的材料进行测量，有时还涉及宽温度范围和湿度范围。

在由低频到微波的宽广频域内，使用腔体、开腔谐振器及传输线的单频测量方法。1980年代以来，开始出现扫频测量系统、时域谱仪(TDS)及DFTS等宽带测量系统，宽带技术已进入几十GHz频段.现在TDS可覆盖5个十倍频程，上限达20 GHz，而TFDS可从高频端向下延伸到60GHz。某些技术要求促使人们进行频率连续覆盖的测量。例如从前经常争论，是否在低于10OGHz的频段内材料的介电特性均由一种缓变弛豫所左右，因而只需用十倍频程量级的几个单频特性就可以足够精确地描述材料特性。现在知道，对于损耗介质、复合材料、有机生物材料及磁性材料，上述推断是不正确的。而这类材料在微波工程中占有很重要的地位。

当今，计算机在计量仪器及系统中应用已十分普通，电介质测量亦不例外。然而在材料特性测量中，计算机的应用还促使我们以全新的机理来实现材料特性的绝对测量。例如，使用计算机计算非均匀介质(即存在两种或多种介质)中的电磁场，并在实时数据处理中直接使用数值计算的经果。实例之一是终端开路同轴线及介质谐振器，这类技术以计算机为主体，形成了一种全新的材料计量学方法。

下面分别介绍各种材料特性的高频与微波测量方法。

（1）二端口测量

在兆赫频段的低端，经典的处理方法是在桥路测量中，或在与电感并联的谐振测量中，将介质材料作为具有损耗的电容器来处理。由于采用高精度的Q值测量，使该方法可以确定固体中极低的介电损耗(〈10μrad)。并进行理论修正和精确计算。对于损耗性材料，最好使用非谐振射频桥路法。二端口技术可以用于100MHz。

（2）时域法

随着快速取样示波器及隧道二级管阶跃脉冲发生器的应用，使行波时域谱仪(TDS)得到发展和广泛应用，使用频率达18GHz，随着频率的增高，其灵敏度随频率升高而下降。仪器方面的改进主要在于时基参考基准(即取样的同步及相位漂移和抖动)以及自动技术。现代ANA克分利用了时域同步技术。在低于1MHz的频段，采用CMOS开关，在10KHz频率上利用自动阶跃响应系统，使对正切损耗的分辨率达10μrad，远比高频段TDS的分辨率高。

（3）频域传输线技术

时域测量技术以分降低辨率为代价，在微波频段实现了宽带测量。但最精确的介电常数和损能测量仍然采用频域法，对低损耗的测量尤其如此。业已证实，在确定低损耗液体的损耗时，波导桥路或单通道结构可以获得与腔体法相比拟的不确定度(在100μrad时大约为10μrad)。并可在8~40GHz频段采用液体浸润技术测量固体介质样品。在波导结构中，反射测量法比传输测量法更为普遍。众所周知的Roberts-Von Hippel方法仍然是微波频段用得最广泛的材料测量技术。ANA和六端口技术更增加了它的应用潜力。而计算机的应用增加了它的使用方便性。此技术亦适用于宽温度范围的测量，例如在20~600℃条件下测量陶瓷样品。

对于液体的导波反射测量，由于可随意调节样品厚度，因而减小了测量误差。采用曲线复合的导波技术，该方法可用于5~15GHz频段。采用反射一传输复合技术，可以克分利用样品散射系数与复介电常数两者的相互依赖关系，使测量达到最佳化。这样，可使用ANA 和六端口装置，将样品放在传输与反射端口之间的传输线内进行测量。

(4)在导波结构中运用场强的鼓值计算法

通常的导波技术假定，在传播媒质中的任意点，仅存在一个行波主模及其反射波。为使这一假定成立，结构上存在一系列限制。目前在材料测量中已普遍使用计算机对波的传输进行数值分析，生物材料的介电特性测量就是一个极好的例证，生物材料的复介电常数范围很宽，大多是损耗牲的，适合于使用反射计技术进行测量。自1980年以来，同轴开路

探头已广泛用于无损生物材料测量。其优点在于不必将测试样品装入测试座中，从而有可能进行真正的活体测试。

（5）微波闭腔法

尽管近来年传输技术有了很大发展，但谐振腔法由于具有更高灵敏度而仍然十分流行。即使只使用微量样品亦能保持其灵敏度。对于介电常数为2，损耗为lOOμrad的样品，95%置信度时的测量不确定度3%。

常用两种不同的谐振法，其中微扰法适用于一切介电常数的测量，包括各向异性材料，磁性材料以及中高损耗性材料。另一种谐振法是针对低损耗介质测量的，此时必须使用较大量样品填满一定数量的腔体空间，并应采用尽可能简单的几何结构，以避免在场的计算上遇到数学困难。

毫无疑问，最流行的微扰结构为TM010腔体，将棒状固态样品或管装液体，沿轴线插入腔体，通过谐振频率及Q值的变化推算出材料特性。这类技术亦适合于高温测量，曾报导过在35GHz用于高达1600℃的介质测量的微扰法。

事实上，精确的理论多用于极低损耗材料(低于300μrad)的微波腔体测量。TE010模圆柱腔体理论在8~40GHz频段已被证明是非常成功的。在10和35GHz使用高Q(~50000)腔体及锁相信号源，可获得高达lμrad的灵敏度。

（6）开式谐振腔法

开式谐振腔是Fabry-Perot谐振器的准光学微波模拟。80年代以来，已发展成为专用于30~200GHz的毫米波均匀低损耗材料的测量设备。但亦可用于更低的频率，如果允许使用大尺寸样品，则其低频灵敏度可与闭腔相比，而且使用更为方便。最灵敏的开式谐振腔是双凹型或平凹型，工作于TEM谐振模式，其电磁场具有驻波高斯波束的形式。可实现的Q 值非常高，在35GHz的典型值为150000。因而允许人们以极高精度测量低损耗。在100μrad 时，灵敏度可达μrad。

（7）微波自由空间法

自由空间法采用通过介质样品的电磁辐射波束。与导波测量相比，样品的插入较为容易，只要样品具有平坦、平行的表面，其截面形状并不重要，但需要使用相对来说较大口径的样品。该方法既适用于高损耗材料(如微波吸收材料)，亦适合于天线罩之类在空间使用的损耗较低的材料测量。当频率升高，准光学传播倾向增强时，使用将更加方便。报导过一个主要装在波导里的系统，可以同时给出复数相对介电常数和导磁率。系统工作在56和94GHz，采用超外差接收来确定置于发射与接收喇叭天线之间中点位置的样品的散系数(传输及反射)。在94GHz对耐热有机玻璃，纤维玻璃和聚四氟乙烯的测量表明，介电常数与导磁率的实部的随机不确定度为5%左右，损耗角正切的不确定度为10%左右。

此外尚有Stochastic搅模非调谐腔法、微带及其他导波结构方法。在毫米波频段，可采用自由空间光学方法进行材料特性的测量。

上述众多的测量方法通过对足够大量数据取平均值的方法，总是可以将偶然误差减至最小。但无法确定系统误差，后者只能通过对广泛的、按不同原理工作的测量进行比对来减小。因此，测量的相互比对，特别是原理不同的测量的相互比对，是改进测量质量的极有价值的方法。

NIST的科学家们一直呼吁要重视l~lOOOGHz频段的材料特性的测试。他们多次指出，材料特性的绝大多数现有数据，都是基于多年以前在频率10GHz以下频段的传统材料的测量所给出的。10GHz以上频频的数据很少，而新型材料实际上没有数据。他们指出，材料特性测量和数据的内容，除包括电容率(介电常数)、导磁串以外，还应包括均匀性(确定整个材料各处特性的均匀性或一致性)和非均匀性(确定作为角向函数的材料特性的均匀性程

度)。此外还指出，材料特性的测量必须考虑温度和湿度的影响，以模拟实际使用条件；为了支持设计和制造工艺，它们必须作为温度和湿度的合成函数进行测量；为支持宽带应用还必须作为频率的函数进行测量。

6 时域和脉冲波形的计量测试

在今天的时域测量领域中，脉冲测量是非常重要的项目。电信、电视、雷达中一直使用脉冲。自由空间雷达可用遥感来确定目标位置和速度。闭路雷达或时域反射计(TDR)用于遥测波导信号传输系统。另一主要用途是在快速处理信息计算机中。计算机技术的发展是时钟速率越来越高的大规模集成电路发展的主要动力。这种高速时钟速率对集成电路的测试者的脉冲波形测量能力提出了严格要求。

应用最广泛的通用脉冲波形测量仪器称为实时示波器。近代通用示波器都具有双线和双时基能力。为了在高能物理实验室中将高电平信号直接加到阴极射线管中，甚至使用2~7GHz带宽的专用示波器。

由于通用实时示波器的带宽受到电子电路及示波管的限制，为了测量射频信号而发展了取样技术。它将射频重复信号经过取样，变换成低频重复信号而形成一种取样示波器。

除示波器外，出现了一种不用阴极射线管(CRT)亦可测量实时波形的新型商品仪器。通常称此种仪器为波形记录仪(分析仪)或数字示波器，它由后接数字存储器的A/D变换器组成。存储器的内容显示在CRT上或用一台计算机进一步处理。波形记录仪胜过普通示波器的一个优点是，在触发脉冲到来之前能记录和观察数据，这是通过应用自激型记录器连续取样和存储数据，以及在发生触发时或触发后停止其记录来实现的。波形记录技术已发展到这种程度，人们可以用一台个人计算机插人件而将波形记录仪改装成波形数字转换仪，快速数字转换器伴随电荷藕合器(CCD)、砷化镓器件、SQUID、光A/D变换器的研究而迅速发展。目前世界上最快的时域测量仪器就是波形记录仪，这是美国Hypers、Inc生产的PSP-1000型皮秒信号处理装置。该仪器与低温控制和超导电子学相结合，获得70GHz带宽和5ps上升时间。如前所述，传统的室温电子学获得的带宽为18GHz和上升时间为2Ops。

波形标准的研究亦取得了进展。参考波形的概念同其他标准的概念是一样的，就波形而言，标准是一台信号发生器的输出，其波形根据基本原理来确定，与任何给定的脉冲测量系统无关。NIST研制了一组转换时间50，100和2OOps的参考波形标准。它们是由超低通滤波器作用的损耗液体介质同轴线组成，并用20ps的隧道二极管阶跃发生器激励。NIST后来还研制了标准波形发生器，这种发生器是在一个微带传输线中配置一个麦氏华根电容器(双层介质)取代具有损耗液体介质同轴线。

众所周知，将频域数据变换为时域数据的测量比直接的频域测量有更多的优点。因为是窄带测量，从而有更高的信噪比；其次是有可能通过测量已知标准来修正误差；再则没有时间颤动和零电平漂移。所以将频域数据变换为时域数据的方法得到广泛应用。

7 现代通信中的电子计量测试

近代通信网与有线电视网和计算机网通过通用接人网(UAN)构成国家信息基础结构(NII)。NII对一个国家的经济发展、科技进步、国防实力、人民椿神文化生活和综合国力有重大影响。各种通信网，诸如交换公用数据网(PSPDN)、数字数据网(DDN)、综合业务数字网(ISDM)、智能网(IN)和个人通信网等有力地支持了通信业务的发展。21世纪的通信网将向宽带综合业务数字网(B-ISDM)方向发展。

微波、光纤、卫星和移动通信被称为现代通信的四大支柱。以通信数字化、宽带化、通

信业务多媒体化、通信个人化、网络智能化、国际网络标准化为特征的现代通信发展，已成为世界新技术革命的主要内容之一。现代通信主要包括4个方面：(1)微波通信；(2)光纤通信；(3)卫星通信和(4)移动通信。

随着传统的模拟通信技术的发展，特别是数字通信技术的发展，对电子计量测试提出了新的需求。现以数字通信为例说明有关测量技术和测量仪器的概况。

数字通信系统的技术标准和测试方法同模拟系统差别很大。模拟载波通信系统采用频分复用多路技术(FDM)，而数字通信系统则采用时分复用多路技术(TDM)、在各种时分复用多路技术中，脉码调制系统(PCM)是目前应用最广的一种。因为PCM不仅能传输话音，而且能以综合的方式传输数据信号、图象信号，故适用于将来的综合业务数字网和信息网。

根据国际电报电话咨询委员会(CCITT)有关建议，PCM数字通信测量仪器主要有三类：(1)PCM终端分析仪，用于测量PCM编码器和解码器的性能；(2)误码性能分析仪，用于测量数字系统误码性能；(3)抖动分析仪，用于测量数字设备相位抖动的仪器。

终端分析仪通常包括模拟信号发生器和分析器，数字信号发生器和分析器。测试功能包括增益、增益随频率和输入电平的变化、量化失真和互调、回波损耗、串音等。

误码率是数字传输系统的重要技术指标；它定义为在特定的一段时间内所接收到的比特误差数与同一时间内所接收到的比特总数之比。定时抖动是数字传输设备的一项主技术指标，定义为数字信号的各个有效瞬间在时间上对其理想位置之短期的非积累性的偏离。

由此可见，数字通信测量仪器的性能指标既有模拟部分，又有数字部分。因此，其技术标准和测试方法与模拟系统有很大差异。例如，在评价移动通信中收信机性能时，人们采用数据误差率代替用于模拟通信设备中的信噪比和失真比(SINAD)指标。为测量接收机灵敏度，研究人员既要采用具有良好的频率、输出电平及调制特性的数字调制信号发生器，同时还需要测试误差率的测量仪器。

随着数字通信技术的发展，研制开发了各种数字调制及矢量调制的信号发生器。此外，为易于实现数字传输，并提高信号传输质量和抗扰度，涌现出许多调制方式。常用的调制方式有：相移键控(PSK)、频移键控(FSK)、最小频移键控(MSK)、正交相移键控(QPSK)、正交调幅(QAN)、高斯最小频移键控(GMSK)等等.为测量数字调制参数的性能，出现了所谓调制域测量。

数字通信计量测试的内容亦更加丰富。例如，数字无线电发射机是利用TDMA格式和数字调制以脉冲串信号波进行发射。因此，测量仪器既必须配置数字信号处理技术(DSP)及相应的测试方法，同时还应装备有宽带(频率到8.5GHz或更高)测量所需的测试程序。测量特性包括频率、天线功率、调制特性、占用频率带宽，相邻信道功率泄漏以及寄生信号等。又如数字通信的数字格式可简化电路控制和交换控制。移动通信的控制功能都是在移动终端和基站间使用控制信道实现的。该信道为呼叫处理发送控制信号，与发送用户信息的信道分开，可处理呼叫等待、收费通知、三方会话这样的服务。由于信道的这种变化，要求测量仪器必须提供各种各样的功能。

我国目前发展最为迅速的是数字移动通信。数字蜂窝移动通信制式主要有：GSM900(DCS1800欧洲制式；CDMA码分多址美国制式；PDC日本制式。由于GSM制式标准的技术成熟，并已实用化，我国已大量采用，是我国目前移动通信的主流制式。CDMA 技术系统容量大、抗干扰能力强、保密性好等优点而具有潜在应用前景，但目前标准不够完善、正在试验中。中国计量院已研制GSM制式数字移动通信综合测试仪校准系统：频率范围为10Hz~2.65GHz，测量不确定度为(2~5）(10-8(k=2)；电平范围为((130~13)dBm，测量不确定度为(0.2~0.5)dB(k=2)；高斯最小频移键控调制精度(0.3GMSK调制)均方相位误差≤0.5°(rms)，峰值相位误差≤1°，调制幅度误差≤0.ldB。该标准可用于校准HP 8960，HP 8922P，HP 6392E，R/S CMD系列，R/S CMU200，Wavetek 4400，IFR 2935，Wavetek 4201，

Recal 6113等通信测试仪器。中国计量院还开展CDMA制式综合测试仪器的校准。GSM制式数字移动通信综合测试仪校准系统和CDNA校准装置的量值，分别溯源到国家频率基准、国家RF和微波功率基准、国家RF电压标准、国家RF衰减基准、国家失真度标准和标准数字调制信号发生器等。

信息产业部通信计量中心建立了误码率和光纤通信有关参量的标准。

现代通信所需的主要电子计量标准和装置主要有：误码率测试仪检定装置；数字通信信号抖动计量标准；通信协议分析仪校验装置；信令测试仪校验装置；移动通信电台综合测试仪校验装置；PCM终端分析仪与编码解码器校验装置；星座分析仪校准装置；微波线路分析仪校准装置；传输损耗测试仪校准装置；通信信号干扰计量标准；帧信号分析仪校准装置；卫星通信地球站设备校准系统；卫星通信地球站天线校准系统；图象信号测试仪校准系统等。所需测量频率达50GHz以上，功率电平达10OW。

8 法制计量

法制计量又称法制计量学，是计量的一部分，即与法定计量机构所执行的工作有关的部分，涉及到对计量单位、测量方法、测量设备和测量实验室的法定要求。

计量工作的根本目的是保障计量单位制度的统一和量值的准确可靠。计量工作具有广泛的社会性和统一性，从而决定了计量工作必须具有法制性。计量工作的重要特征是受国家计量法律的控制和政府行为的介入。中国的计量法律体系是以《中华人民共和国计量法》为基本法，以及与其配套的计量行政法规、规范、规章所组成的法规体系。依据计量法，我国制定了一整套计量技术法规。计量技术法规包括国家计量检定系统表、计量检定规程和计量技术规范。它们是正确进行量值传递、确保测量数据可靠，以及实施计量法制管理的重要依据。计量栓定系统表过去曾称为国家量值传递系统，是用图文的形式，将实际用于测量工作的计量器具的量值与国家基标准所复现单位量值联系起来，用以保证工作计量器具的测量准确度和溯源性。其中涉及各级计量标准和测量器具的测量范围、误差或不确定度和检定方法等。目前，电子计量的栓定系统表有9项，其中时间频率1项。电子计量国家基准(标准)的不确定度大都在0.1%~1.0%量级，所以在电子计量检定系统表中，传递等级比其他专业计量的传递等级少，一般只有三级，少数参量只有两级，即工作计量器具直接溯源到国家标准。计量检定规程是从事计量检定的法律依据，是对计量器具的计量性能、检定项目、检定条件、检定方法、检定数据处理、检定周期等所作的技术规定。目前，电子计量的检定规程有123项，其中时间频率26项。计量技术规范是为实施计量法进行计量技术管理的依据和行为准则，是综合性、基础性的技术法规。与电子计量有关的计量技术规范主要有：《JJF 1001-1998通用计量术语及定义》；《JJG1015-90计量器具定型通用规范》；《JJG 1021-90产品质量检验机构计量认证技术考核规范》；《JJG 1022-91计量标准的命名技术规范》；《JJG 1027-91测量误差及数据处理(试行)》；《JJG l033-92计量标准考核规范(试行)》；《JJG 1039-93同轴功率计量保证方案术规范(试行)》；《JJG 1040-93射频衰减计量保证方案技术规范(试行)》；《JJF l059-1999测量不确定度评定与表示》；《JJF 1069-2000法定计量检定机构考核规范》等；此外还制定了14项电子计量的国家计量基准操作技术规范。

法定计量机构包括计量行政机构和计量技术机构。计量行政机构是代表国家贯彻实施计量法律、法规，并对实施情况依法进行监督的计量行政执法的机构。中华人民共和国成立后，中国政府始终重视法制计量建设。1950年设立度量衡处。1955年成立国家计量局，统一管理全国的计量工作。1988年成立国家技术监督局，1998年改名为国家质量技术监督局，2001年又改名为国家质量监督检验检疫总局(属于国务院直属的部级局)，负责统一监督管理全国计量工作。根据《中华人民共和国计量法》的规定，中国计量行政机构分为四级：国务院计量行政部门；省、自治州、直辖市计量行政部门；市(地、盟、州)计量行政部门和县(区、旗)

计量行政部门。县级以上地方计量行政部门对本行政区域内的计量工作实施监督管理。

计量技术机构是从事计量检定、校准、测试(检测)及计量科学研究工作的机构。计量技术机构分为法定计量技术机构和一般计量技术机构。前者是指各级计量主管部门依法设置的计量检定机构；后者是部门和企业事业单位为进行量值传递或量值溯源所设立的计量技术机构。法定计量技术机构的任务主要是：负责建立计量基准、标准；进行量值传递，执行强制栓定和其他栓定测试任务；起草计量技术法规，并承办有关计量监督的技术性工作等。中国计量科学研究院(NIM)和国家标准物质研究中心(NRCCRM)是国家法制计量技术机构，此外还建立了华北、华南、西南、西北、东北、华东和中南国家计量测试中心和18个国家专业计量站。各省、自治州、直辖市、市(地、盟、州)和县(区、旗)都建立了相应的法制计量技术机构。中央各部委、国防科工委系统、总装备部系统，以及其所属部门亦相应设立了(一般)计量技术机构。电子计量的国家法定计量技术机构是中国计量科学研究院，省、自治州、直辖市，以及一些市(地、盟、州)的计量技术机构都设立有电子计量专业。国防计量管理条例规定，国防系统计量机构分为三级管理。国防科工委系统第二计量研究中心是国防系统电子计量的一级计量站，二级站有60余个。原电子工业部在全国各大区设立的5个区域计量站和一些电子专业计量站，属于国防系统二级电子计量站。信息产业部通信计量中心是我国通信部门一级计量站，下设7个大区二级站，各省市设有三级站，国家广电总局也设立了广播电视计量检测中心。目前我国已形成比较完整的电子计量技术机构体系。

国务院1959年发布的《关于统一计量制度的命令》，确定国际公(米)制为我国的基本计量单位制，逐步废除了旧杂制，使我国的计量单位制基本统一。国务院1984年发布的《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》规定，我国的计量单位一律采用《中华人民共和国法定计量单位》，亦即采用国际单位制(SI)和国家选定的有关单位。

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chw( 公正诚信准确及时)发表于2007-8-19 11:14 | 只看该作者

续[原发表zhangjinlu]

国务院1959年发布的《关于统一计量制度的命令》，确定国际公(米)制为我国的基本计量单位制，逐步废除了旧杂制，使我国的计量单位制基本统一。国务院1984年发布的《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》规定，我国的计量单位一律采用《中华人民共和国法定计量单位》，亦即采用国际单位制(SI)和国家选定的有关单位。SI以7个物理量为单位基础，用这7个基本物理量单位和两个辅助单位组成的导出单位，几乎包括了所有领域的计量单位。迄今，除质量单位千克(公斤，kg)外，长度单位米(m)、时间单位秒(s)、电流单位安[培](A)、热力学温度单位开[耳文](K)物质的量单位摩[尔](mol)和发光强度单位坎[德拉](cd)都实现了自然基准。因此我国采用的单位制是比较科学、完善和准确的单位制。

用于计量检定/校准和检测的测量方法除了计量检定规程外，必须是国际标准、我国国家标准、地方、部门和行业标准，以及相应的技术规范、规程、规章中规定的测量方法。

测量设备在计量工作中是指计量器具，包括国家基准、副基准、工作基准；计量标准(含标准物质)和工作计量器具。国家基准在我国计量法中又称计量基准，是指用于复现和保存计量单位量值，经国务院计量行政部门批准，作为统一全国量值最高依据的计量器具；国家副基准是通过直接或间接与国家基准比较定值，经国务院计量行政部门批准的计量器具；工作基准是通过直接或间接与国家基准或副基准比较定值，经国务院计量行政部门批准，实际用于栓定计量标准的计量器具。我国电子计量现有时间频率、射频电压、射频和微波功率、衰减、阻抗、相移、噪声、场强等近30项国家基准和4项国家工作基准。计量基准具有最高的计量学特性(准确度、复现性、稳定性等)，是一个国家计量科学技术水平的体现，有完善的管理制度，包括保存、维护、使用制度和操作规范。1987年7月我国发布了《计量基准管理办法》。计量标准是将计量基准量值逐级传递到工作计量器具的一类计量器具。计量标准可以根据需要按不同准确度分为若干等级，用于检定较低准确度的计量标准和检定工作计量器具。我国电子计量现有140多项各种计量标准器具，其中时间频率近30项。计量标准是量值传递的中心环节，具有完善的管理制度，1987年7月我国发布了《计量标准考核办法》，1992年制定了《JJG 1033-92计量标准考核规范(试行)》。工作计量器具是指不用于检定工作的计器具。其含义是，凡能用以直接或间接测出被测对象量值的器具、测量仪器和测量装置。从法制计量管理角度可将其分为强制栓定工作计量器具和非强制检定计量工作器具两类。1987年7月我国发布了《中华人民共和国依法管理的计量器具目录》(包括计量标准和工作计量器具)。根据计量法，对用于贸易结算、安全防护、医疗卫生和环境监测方面的列入强制检定目录的工作计量器具，实行强制检定，1987年4月我国发布了《中华人民

共和国强制检定的工作计量器具检定管理办法》。我国电子计量依法管理的计量器具有100多种。

我国对计量技术机构(测量实验室)有明确的法定要求。计量检定/校准机构的考核制度就是依据《计量基准管理办法》、《计量标准考核办法》、《计量授权管理办法》、《专业计量站管理办法》和JJF 1069-2000的要求和程序，对从事计量检定/校准的实验室基准、标准、设施、人员、环境及管理制度等40项内容进行考核并授权，旨在保证我国单位量值的准确一致。产品质检机构的计量认证制度是依据JJG 1021分两级对从事产品质量检验的实验室进行计量认证并授权。计量认证的认可准则JJG 1021是等效采用《ISO/IEC导则25：1990校准和检验实验室能力的通用要求》，并充分结合我国国情制定的。考核评审内容为组织机构、仪器设备、检测工作、人员、环境和工作制度六个方面，计50项。其突出的特点是，从计量溯源性的角度，保证测量结果能够与计量溯源体系衔接。产品质检机构的审查认可制度是根据我国标准化法和质量法，按照《国家产品质量监督检验中心审查认可细则》、《产品质检所验收细则》或《产品质量监督检验站审查认可细则》对国家质检中心或产品质检所进行评审，并明确授权监督检验范围。《国家产品质量监督检验中心审查认可细则》的主要内容涉及组织机构、人员素质、仪器设备、环境条件、管理手册和检验工作等六个方面，计39项。这些认可细则也是等效采用ISO/IEC导则25，结合我国国情制定的。

计量认证是我国政府计量行政主管部门对向社会提供公证数据的技术机构的计量检定与测试能力、可靠性和公正性所进行的考核和证明。经计量认证考核合格的技术机构，证明其具有为社会提供公证数据的资格，由该机构提供的数据具有法律效力。计量法实施细则规定，为社会提供公证数据的产品质量检验机构，必须经省级以上政府计量行政部门计量认证。计量认证分强制认证和非强制认证，我国的计量认证是强制性的。随着计量认证的开展，在其他测量领域中，提高测量结果的可靠性和权威性，我国许多计量测试机构自愿要求计量认证。随着自愿认证工作的开展，计量认证己扩展到国防科研计量技术机构、能源监测、环境监测、地质分析、电子和通信等领域的计量技术机构。

我国l994年10月成立中国实验室国家认可委员会(CNACL)，并由国家质量技术监督局授权实施实验室自愿认可计划。认可委员会遵循开放性、自愿性、非歧视性的工作方针。其工作目标是：按国际实验室认可通用准则(即ISO/IEC导则58），建立适合社会主义市场经济需要的完善的中国实验室国家认可体系。通过认可委员会的有效活动，提高中国实验室的管理水平和技术能力，建立良好信誉并不断提高在国际、国内检测市场上的竞争能力；参与国际间的实验室认可的交流和合作活动，逐步实现实验室认可机构国际间双边和多边的相互认可；逐步实现我国实验室测量数据、测量结果和校准/检测证书/报告的国际互认。中国计量科学研究院1999年10签署了由BIPM(国际计量局)组织的由四十多个国家签发的《国家计量基(标)准互认和国家计量院签发校准与测试证书互认协议(MRA)》，根据该互认协议，在双边或多边贸易中，计量院出具的产品校准或测试证书，不必在出口国和进口国分别进行重复校准或测试.中国实验室国家认可委员会制定的《CNACL 201-99实验室认可准则》等同采用ISO/IEC导则25。同时，ISO/IEC导则25也被等同转化为我国标准《GB/T 15481-1995校准和检测实验室能力的通用要求》。ISO/IEC 17025是不断发展的，随着IS09000质量体系和质量保证迅速发展，也促进了ISO/IEC导则25的改进。1999年由ISO合格评定委员会(CASCO)制订的国际标准《ISO/IEC 170252：1999检测和校准实验室能力的通用要求》取代了ISO/IEC导则25。随着国际标准ISO/IEC l7025的实施，中国实验室国家认可委员会正在制定新的实验室认可准则。在技术要求方面，ISO/IEC l7025与ISO/IEC 17025相比，更加强调测量溯源性和对测量结果的不确定度评定。

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续2[原发表zhangjinlu]

9 量值传递、溯源和比对

计量工作的任务和核心工作是保障计量单位制和单位量值的准确一致。量值传递(及其逆过程量值溯源)和比对是实现这一任务的途径和手段。量值传递是通过对计量器具的检定或校准，将国家基准所复现的计量单位量值通过各等级计量标准传递到工作计量器具，以保证对被测对象量值的准确和一致。溯源亦称溯源性，是通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准，通常是与国家计量标准或国际计量标准联系起来的特性。计量法及有关法规、计量检定系统表、计量检定规程、计量技术规范等为量值传递和量值溯源提供了法制保障和技术文件支持。

量值传递的方式有：(1)用实物标准(基准、标准)按计量检定系统表逐级周期检定；(2)发放标准物质和发播标准信号；(3)计量保证方案(Measurement Assurance Programs，简称MAP)。

逐级周期检定通常是按计量检定系统表的要求，将计量器具从使用单位送到国家授权的计量实验室去检定或校准，由计量实验室给出检定或校准数据，作出被检或被校计量器具是否合格等结论，并出具检定/校准证书或报告。对于不便搬运的大型和笨重的被检或被校计量器具，计量实验室可以将巡回标准(Travelling Standard)运到申请检定或校准的单位进行现场栓定或校准。

在理化分析和电离辐射计量中，广泛应用标准物质(包括标准方法和标准数据)进行量值传递或溯源。在电子计量中，发放具有己知数据的介质样品、半导体电阻率标准样片等，广义地说，也属于发放标准物质的量值传递方式.在时间频率计量中，可以利用发播标准时间频率信号进行量值传递或溯源。这种量值传递方式层次较少、不必运送被检或被校计量器具。

MAP大致包括如下三个程序：①量值传递程序。首先由主持实验室对性能稳定和便于搬运的传递标准进行校准，然后送到参加MAP的实验室作为未知样品用被检或被校计量器具进行测量。再后将传递标准送回到主持实验室再次校准，并报告测量数据。②测量过程控制。参加MAP的实验室选用一个或一组性能稳定的核查标准，用被检或被校计量器具按规定的测量程序重复进行测量，对测量数据进行统计分析。并将核查标准的测量数据报告主持

实验室。③主持实验室对各参加实验室的传递标准和核查标准的测量数据进行统计分析，并提交检定或校准证书/报告。

计量保证方案的主要优点是①不仅栓定或校准了被检或被校计量器具，而且考核了送检或送校实验室的测量能力，包括其测量设备和系统、测量方法、测量环境、检测人员等，使量值传递真正传递到现场。②参加实验室在两次量值传递的较长间隔内定期反复采用核查标准核查，通过统计方法对实验室的测量过程进

行连续闭环的质量控制，保证了测量的可靠性。

测量过程控制大致包括如下程序：①根据测量过程控制量值的量程、重复性和分辨力等技术要求选择合适的核查标准。核查标准必须具有良好的稳定性。②选择核查方案。核查方案必须对测量过程所得数据进行全面监测和分析。根据测量过程的物理模型建立数学模型，并确定统计分析方法，建立核查数据库。核查方案应包括测量原理方框图；测量不确定度评定；检定规程、规范或标准等。③确定控制图。控制图又称管理图，可以根据控制图中所用统计变量的不同，来确定不同的控制图类型。ISO 100012-2推荐了对测量过程控制的休哈特(Shewhart）控制图，包括平均值控制图、极差控制图和标准偏差控制图。各种控制图的绘制，首先必须确定每次核查时对核查标准的测量次数n，通常取n=3~5。其次必须确定核查标准的测量频次。核查标准的测量频次取决于：控制的量值；求保证的程度和测量不确定度的严格程度，目的是充分暴露测量过程中各种影响量的变化。由核查标准测量频次，可以确定两次检定/校准周期(例如1年）的核查组(次）数m，通常m=6~24(半个月到2个月测量一次）。④建立过程参数。控制图中的统计变量，诸如平均值、极差、组内、组间、合成和合并标准差等称为过程参数。⑤异常值剔除。通常采用格拉布斯准则判断异常值。异常值必须剔除，不得包括在测量列中。⑥过程控制的统计检验。用t检验判断平均值是否受控：用F检验判断组间标准差是否受控。⑦确定控制限。根据国际标准ISO8258中的休哈特控制图和相关的表格，可确定平均值控制图、极差控制图和标准差控制图的上下限。控制图的主要作用是：监测测量数据是否受控；发现失控原因和修正过程参数。

比对是在规定条件下，对相同准确度等级的同类计量基准、计量标准或工作计量器具之间的量值进行比较。比对的目的是①统一国际量值。为了达到国际上量值统一的目的，组织国际比对是有效的途径。国际比对主要是国际计量委员会（CIPM)所属的各咨询委员会进行组织。电子计量的国际比对是由CIPM电学咨询委员会射频工作组(GT-RF）进行组织。例如GT-RF安排了一系列毫米段的国际比对，包括33，35，45，65，75，94GHz的功率比对；40，70，94GHz波导噪声温度比对；R320(WR28）波导的27，35和40GHz的复反射系数(阻抗)和衰减比对；75~110GHz的反射系数比对；毫米波喇叭天线增益以及100GHz以上的毫米波和亚毫米波参量的国际比对等。②旁证不确定度。例如2000年中国计量科学研究院研制成0.01~18GHz同轴(7mm）微量热计小功率国家基准时，为验证其测量不确定度评定的可靠性。分别与1970年代和1980年代研制的同轴(14mm）量热计和2cm波导微量热计小功率国家基准进行了比对。比对结果的一致性证明，我国在该频段上的微波小功率量值是准确可靠的，其测量不确定度评定是可信的。③临时统一量值。例如一些科技前沿领域所需的电子测量，在既无国际标准也无国家标准的情况下。比对是使测量结果量值一致的重要手段。

10 测量不确定度和测量数据处理

通过实际测量获得被测量的测量数据后，通常需要对这些数据进行计算、分析、整理，有时还要将数据归纳成相应的表示式或绘制成表格、曲线等等。亦即要进行数据处理，然后给出测量结果。给出测量结果的同时。必须给出其测量不确定度和单位。测量不确定度表明了测量结果的质量，质量愈高不确定度愈小，测量结果的使用价值愈高；质量愈差不确定度愈大，使用价值愈低。在计量测试工作中，不知道不确定度的测量结果不具备使用价值。从

市场经济价值观点来审视测量运作，提供测量不确定度的测量活动无疑是一个高增值过程。例如，一个微波单片集成电路，其芯片价值为1元，封装之后增值到10元，对其性能和技术指标进行测试之后，将至少增值到100元.又例如Wein-schel Engineering Model 1100系列功率传递标准，如果校准因子由W.E公司提供，其售价大约为$7，000~ $10，000。如果用户希望获得更小测量不确定度的校准因子，W.E.公司声称，可以由NIST校准提供校准因子数值，但每个频率点增加售价$1，000。

过去人们评定测量结果的可信程度或质量是以误差理论为依据。1960年代开始提出用测量不确定度来说明测量结果的质量。随后，不确定度这个术语逐渐在测量领域内被广泛应用，但表述方法各不相同。为了统一表述方法，l970~1990年代一些国际组织和有关国家计量院经过广泛征求计量专家学者的意见和长期反复的讨论，在国际计量委员会(CIPM）INC-1(1980)、CI-1981和CI-1986建议书的基础上，于1993年以ISO(国际标准化组织）、IEC(国际电工委员会)、BIPM(国际计量局)、OIML(国际法制计量组织)、IUPAC(国际理论与应用化学联合会）、IUPAP(国际理论与应用物理联合会）和IFCC(国际临床化学联合会）7个国际组织的名义正式由ISO出版发行了《测量不确定度表示指南》(GUM），1995年又作了修订和重印(Guide to Expression of Uncertainty in Measurement Corrected and Reprinted，1955，ISO).GUM的约定规则使不同国家、不同地区、不同学科和不同领域，在表示测量结果及其不确定度时具有一致的含义.在市场经济全球化的今天，GUM在测量数据和测量结果的国际互比互认、科技交流、国际贸易等各个方面将起到重要的作用.我国计量技术规范《JJF 1059-1999测量不确定度评定与表示》等同采用GUM。

现在，国内外计量测试学界已达成共识，将逐步采用测量不确定度代替测量误差和准确度表达测量结果，但是误差(以及相对误差)的概念并未(而且也不会）废除，仍然在计量测试中广泛使用，只不过不再用以表达测量结果。

测量结果的不确定度是测量过程中来自于测量设备、测量方法、被测对象、环境、人员等所有的不确定度因素的集合，这些因素形成测量结果的若干不确定度分量。不确定度分量分为两大类：用统计方法评定的不确定度称为A类评定不确定度；用非统计方法评定的不确定度称为B类评定不确定度。A类评定不确定度分量由重复观测列计算得到，其方差估计值记作u2，即统计方差(2的估计值s2，u2的正平方根u就是估计标准差s，称为A类评定标准不确定度，用uA表示，其概率分布通常服从正态分布。B类评定不确定度分量的估计方差u2根据被测量的有关信息评定，其估计标准差u称为B类评定标准不确定度，用uB 表示。B类评定信息来源于：以前的观测数据;对有关技术资料和测量仪器特性的了解和经验;制造厂商提供的技术文件；校准证书/报告、检定证书/报告或其他文件提供的数据、准确度的等级或级别，包括目前暂在使用中的极限误差等;手册或资料给出的参考数据及其不确定度；规定实验方法的国家标准或类似技术文件中给出的重复性限r或复现性限R等等。B 类评定标准不确定度的先验概率分布由评定人员的理论和实际经验来确定。所以，A类和B 类不确定度评定只是表示两种不同的评定方法，不存在本质上的区别，它们都是基于概率分布，并都用方差或标准差表征。B类评定不确定度既可能来源于系统误差亦可能来源于随机误差，例如微波高功率测量系统，由于功率耗散引起微波衰减器自身的温升，造成在不同耗散功率电平下衰减量变化引人的不确定度分量，其数值可以直接引用生产厂家给出的温度系数值计算给出；但是在精密测量中，大都采用统计方法，用实验测量来确定该不确定度分量。通常A类评定比B类评定更为客观，并具有统计学的严密性。原则上，所有不确定度分量都可用A类评定，但是，这有时会增加很大的工作量。确定了各个标准不确定度分量之后，可采用方差协方差法、方和根法或线性求和法进行合成，给出合成标准不确定度uC。合成标准不确定度通常只用于置信概率(置信水准）p(68%。为使其更可靠，应加大置信概率，亦即用置信因子(包含因子)k乘以合成标准不确定度uC给出总不确定度(扩展不确定度）UC=k

uC。在电子计量测试领域，通常取k=2(置信水准p(95%）。

常见的概率分布除了正态分布(高斯分布）外，有t分布(学生分布)、均匀分布(矩形分布)、三角分布和反正弦分布(U形分布）等。t分布主要用于合成标准不确定度。微波测量中由传输线、元器件或系统失配引起的不确定度服从反正弦分布。在电子测量中，不确定度服从均匀分布的测量有：数据修约;电子计数器量化;数字示值的分辨力；滞后；仪器度盘回差;平衡指示器调零等。在不能确定概率分布或缺乏其他信息的情况下，通常假设服从均匀分布。

确定了标准不确定度分量的先验概率分布之后，就可以确定测量结果的置信限[(k(((k((。对于不同的分布，包含因子k的数值是不同的。均匀分布，k=(3；三角分布，k=(6；反正弦分布，k=(2。正态分布的k值与置信概率p有关，可以查正态分布表获得;重要的包含因子值kp=1，2和3分别对应于概率值p=68.26%，95.45%和99.73%。t分布的k值与置信概率p和自由度(有关，包含因子值kp=tp(()可以查t分布临界值tp(()表获得。

我国国家计量技术规范《JJF 1059-1999测量不确定度评定与表示》(代替《JJF 1027-1991测量误差及数据处理》中的测量误差部分）规定了测量不确定度评定的通用规则。JJF 1059-1999原则上等同采用GUM的基本内容，在基本概念、术语定义、评定方法和测量报告的表达方式上作了明确的统一规定。它不仅适用于计量领域的检定、校准和检测，而且适用于各种等级的测量。

对于等精度测量，亦即在重复条件下对被测量Y进行n次独立测量，获得测量列队y1，y2…，yn，测量列的算术平均值是期望的最佳估值，所以测量结果用给出，对于非等精度测量，亦即不等权测量，则测量结果要用加权算术平均值代替算术平均值。对于有限次数等精度测量列，单次测量值的标准差((y)称为实验标准差。可以用如下方法求取实验标准差：贝塞尔法、彼得斯法、最大残差法、极差法、最大误差法、分组极差法。对于随机过程和动态测量，测量数据通常采用滑动平均和自回归法找出动态规律。随机过程的实验标准差有时需要采用专门方差分析方法求取。例如频率稳定度的测量，若采用贝塞尔法估计标准差，则不收敛，因此采用阿伦方差的方法。

对于两个以上被测未知量的函数测量，通过所测得的几个函数值求解方程，可以求出被测未知量。任意预期的最佳值或表征曲线拟合参数的标准不确定度，可以用已知的统计程序计算得到。最小二乘法以残差平方和最小为条件求得最佳值或拟合出最佳直线、最佳曲线。当方程数多于未知量时，采用最小二乘法给出的测量结果最准，是目前计量测试中最通用的方法。例如高稳晶振采用最小二乘法求取老化率趋势直线，自动网络分析仪和六端口装置采用最小二乘法确定校准参数和被测网络参数等。

异常值剔除。在测量过程中由于粗心大意、偏离操作程序、环境条件突变、测量仪器设备的突然故障等因素，都会产生异常的测量值。异常值的统计判别方法有狄克逊准则(Dixon criterion)、肖维勒准则(Chauvenet criterion)(测量次数n(15)、格拉布斯准则(Grubbs criterion)、拉依达准则(Pa?Ta criterion)(n(10)等。格拉布斯准则是在未知总体标准差情况下，对正态样本或接近正态样本异常值的一种判别方法。对于测量次数n=3~5的测量，格拉布斯准则理论较严密，概率意义明确，实践证明是一种比较切合测量实际的判别异常值的方法。异常值的出现会歪曲测量结果，所以当测量结果中出现异常值时，应尽可能地查找出技术上和物理上的原因，作为处理异常值的依据。对经判断确为异常值的数据，应予以剔除，不得包括在测量列中。在自动测量系统和测量过程控制中，测量软件必须设计异常值剔除程序。

数据修约。所有测量数据，包括测量结果及其不确定度都只能取有限位，多余位必须修约。国家标准《GB 8170一87数据修约规则》对数据修约作了详细规定。