电子学在测量技术中的应用

测量技术的应用极广。任何技术领域和工农业生产部门都不能缺少它。在保证产品质量、消灭废品、勘探矿藏、观测气象等等方面都需要进行测量。而在科学研究、进行实验以及确定某些科学上的定律时，测量的作用就更加重要。目前，在测量技术中广泛地运用了电子学来代替普通的方法。运用电子学进行测量的优点很多：它的灵敏度和准确度很高；由于惯性小，可以测量变化很快的过程（如冲击、振动等）；可以实现有线或无线遥测，并能把测得的结果送入控制系统，达到自动控制的目的。在今天，电子测量技术已经发展成为一个独立的部门，它既能测量各种电量，也能测量各式各样的非电量。

在测量电气参数时，用电子仪器代替普遍电气仪表，一般可以提高精确度。例如，用内阻很高的电子管伏特计测量电子管的屏压，要比用普通的万用表测量时精确得多。而另一些参数，如电子管的特性、失真度等，就非用电子仪器进行测量不可。在测量一些非电数量时（如时间、速度、温度等），电子仪器得到了更加广泛和有趣的应用，本文想就这方面作一些简单的介绍。

要测量某一非电量（时间、速度或温度等等），首先需要把它变换成某一电量（如电压、电流或频率等等）。用来完成这一任务的器件叫做传感器。如图1所示，传感器把待测量x变换成电量y\(_{1}\)，而y1和x之间保持着一定的比例关系。通过测量电路把传感器输出信号y\(_{1}\)变成足够强的、能用电气仪表量出的电量y2，然后在指示仪表上指出读数。仪表上的刻度可以直接按照被测量的单位来划分。这样就能直接读出测量的结果。任何待测的量，只要能用传感器把它们转换成电量，都可以采用这样的系统进行测量。

由于要测的量各有不同，所以传感器的种类也很多。常用的有电阻传感器和电感、电容传感器。它们能把被测数量的变化转换成某些电参数（电阻、电感、电容等）的变化，称为参数式传感器。还有光电、热电、压电传感器等，它们能根据被测数量的大小，产生一定的电动势，称为发电式传感器。采用各种不同的传感器，配合适当的测量电路，几乎可以测量任何非电的量。下面谈谈电子测量技术在各方面应用的几个例子。

在测量零件尺寸、检查内部缺陷时，经常采用超声波和x光测量仪器。根据与雷达相同的原理，利用超声波在物体中的传播和反射，可以测量出物体的长度、厚度等尺寸或测定而个物体之间的距离。因为声速较小，并且能在水中传播，所以最适合用超声波来测量较短的距离（如零件的尺寸），以及在水中测量距离（鱼群探测器，声纳等）。

为了测量不能直接接触的物体（如红热的钢板等）的厚度，可以采用图2所示的x光厚度计。这种仪器有两个x光光源和一个光电管传感器。上面一个x光管发出的x光穿过标准厚度样品，受到一定的衰减，然后射到上面的荧光幕上，使幕发光；下面x光管的x光经过待测材料的衰减之后，射到下面一块荧光幕上。用电子开关控制两个x光管轮流发光，于是光电管依次“看到”上下而块荧光幕所发的光，并把它们变为电压脉冲，送入比较电路进行比较。若材料的厚度与标准样品不同，则而个信号的强度就不相等，指示器就会指出偏差的大小。用类似的仪器还可以测量照像底片所能通过的光量，这种仪器叫作密度测量仪。

近代的科学技术，常常要求极精确地测定时间。采用频率很稳定的振荡器和计数装置，可以完成这个任务。一种这样的测时装置如图3a所示。振荡器发出频率很稳定的振荡信号，经过脉冲形成器变成脉冲信号。输入装置在某一事件的开始瞬间，输出一个“启动”信号，启动电子转换开关，使脉冲进入计数器中开始计数；而在终了的瞬间，又输出一个“关闭”信号，关掉转换开关，使计数器停止工作。我们只要知道脉冲的频率，数出这段时间内的脉冲数目，就可以求出时间：时间=脉冲数目／脉冲频率。脉冲频率愈高，计数装置的分辨能力愈大，所测的时间也就愈准确。这种方法的准确度可达0.5～0.1微秒。

根据同一原理，我们也可以测量其他与时间有关系的量。利用图3b的传感器就可以测出炮弹的飞行速度。当炮弹飞过第一个感应线圈时，在其中感应出一个电压信号（“启动”），而当炮弹飞过第二个线圈时，又产生一个“关闭”信号。我们只要按上述方法求出这段时间，再用它去除两个线圈间的距离l，就可算出炮弹的平均速度了。

在研究基本粒子的蜕变，验证相对论等科学研究中，需要更加精确地测定时间。为了这些目的，近来科学家们根据某些物质（如氨）的分子受到激励后能发射无线电波的原理，制成了频率极稳定的分子振荡器。用分子振荡器作成的测时仪器，非常准确，据说在三百年中的误差还不到一秒钟。

在设计机器和零件时，常常难以准确地计算出它们的变形和受力情况，必须在实验中具体地测定它们。采用电阻应变仪业测量变形和受力，是既方便又精确的方法。它所用的是电阻传感器，这是把电阻丝绕成栅状，贴在薄纸片上而成的，也叫应变片（图4a）。在测量时，把应变片牢固地贴在零件表面上。当零件受力变形时，电阻丝也变形，其电阻值也随着改变。电桥线路可以把应变片电阻的变化转换为电压的变化（图4b）。由于这个信号很微弱（几百微伏），所以必须用放大器放大之后，才能在仪表上读数或记录。一般采用电子管交流放大器来放大载频，就是利用传感器的电阻变化来调制一个高频率电流（一般约5000赫），再用放大器放大这个调制过的载频。然后，用检波器将被测信号与载频分离开来。为了保证很高的稳定性和精确度，在放大器中具有深度负反馈电路，并采用稳压电源。

电阻应变仪既能测量不变或缓变的数量（静态测量），也能测量振动、冲击等变化很快的数量（动态测量）。由于应变片的尺寸很小，非常灵便，所以在用其他方法很难达到的地方也可用它来测量。此外，电阻应变仪还可以测量高速运动机件的受力情况。例如，把应变片贴在飞机的螺旋桨上，通过水银触点集电器和电缆，把信号传到驾驶舱内，就可以在飞机飞行时测出螺旋桨上究竟承受多大的力量。

我们知道，在测量原子能发电站的工作情况，测量高速飞行的飞机、导弹以及人造卫星、宇宙飞船的飞行数据时，必须采用远距离测量技术（遥测）。如果说一般的现场测量还可以用普通方法进行的话，那么在遥测时，就只能采用无线电电子学的方法。

遥测系统也是用传感器将被测的量转交为电信号，经过必要的处理（放大、调制、编码等）之后，用电缆输送出去（有线遥测）；或用无线电发射机发射出去（无线遥测）。有线遥测时，一般采用电流或电压系统，就是把被测数据的变化转换为电流或电压的变化。这种系统容易受到电源电压不稳定、漏电以及其他干扰的影响，产生比较大的误差，所以只能在几十公里以内进行遥测（如发电厂、动力站的遥测等）。

如果在很长的距离上进行测量（几百公里或更远），特别是在测量飞机、导弹、宇宙飞船等运动物体中的各种参数时，就必须采用无线遥测。通常需要把许多数据（例如宇宙飞船中的温度、湿度、气压、宇宙航行员的体温、呼吸脉搏情况等等）同时传送到距离很远的接收站去。这时需要利用无线电多路通信的方法。用许许多多不同的传感器把各个待测的量变为相应的电信号，每一个电信号作为一路，同时发送出去。接收站把各个电信号检出并分离开来，每一路电信号再通过相应的仪表指示出来。

利用电子学方法测量非电量，近年来已有了极大发展。除以上所举的几个例子外，在温度、湿度的测量、溶液浓度的分析、地球物理勘探以及天文观测等各个方面，也都广泛地采用了电子学的测量方法。现在，这门科学正朝着进一步提高测量精确度，工作的稳定性，应用半导体及印刷电路以便使测量装置小型化等方向飞速发展。(安培)