电子测量仪器的现状与前景

中国地质大学(武汉)(2013秋)

电子测量技术课程报告 ——电子测量仪器的现状与前景综述

指导教师：宋俊磊

院系：机械与电子信息学院 班级：076111 学号：2011100 姓名：

电子测量仪器的现状与前景

中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院 湖北 武汉 430000

摘要

科学技术及工业的发展，促进了电子测量技术的迅速发展，使得电子测量仪器范围和经度都有了很大的提升，同时，也对测量技术和测量仪器等提出更好的要求。电子测量仪器广泛应用在国民经济各个领域，是国民生产发展、技术进步必需的条件。然而，电子测量仪器的现状并不能满足要求，它的发展道路仍然很漫长、市场需求量也很大、发展前景十分广阔

关键词 电子测量仪器 现状发展

Status and prospects of electronic measuring instruments

School of Mechanical and Electronic Information, China University of Geosciences Hubei Wuhan 430000

Development of science and technology and industry, and promote the rapid development of electronic measurement technology makes electronic measuring instruments and longitude range has been greatly improved, but also on measurement techniques and measuring instruments made better requirements. Electronic measuring instrument widely used in various fields of national economy, the national product development, technological advances necessary conditions. However, the status of electronic measuring instrument does not meet the requirements, it is still a very long road of development, market demand is also great, very broad prospects for development.

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1. 引言

电子测量是泛指以电子技术为基础手段的一种测量技术。它是测量学和电子学相互结合 的产物。电子测量除具体运用电子科学的原理、方法和设备对各种电量、电信号及电路元器件的特性和参数进行测量外，还可以通过各种敏感器件和传感装置对非电量进行测量，这种测量方法往往更加方便、快捷、准确，有时是用用其他测量方法不可替代的。因此，电子测量不仅用于电学这专业，也广泛用于物理学，化学，机械学，材料学，生物学，医学等科学领域及生产、国防、交通、通信、商业贸易、生态环境保护乃至日常生活的各个方面。近几十年来计算机技术和微电子技术的迅猛发展为电

子测量和测量仪器增添了巨大活力。电子计算机尤其是尤其是微型计算机与电子测量仪器相结合，构成了一代崭新的仪器和测试系统，即人们通常所说的“智能仪器”和“自动测试系统”，它们能够对若干电参数进行自动测量，自动量程选择，数据记录和处理，数据传输，误差修正，自检自校，故障诊断及在线测试等，不仅改变了若干传统测量的概念，更对整个电子技术和其他科学技术产生了巨大的推动作用。现在，电子测量技术（包括测量理论、测量方法、测量仪器装置等）已成为电子科学领域重要且发展迅速的分支学科。

2. 电子测量仪器的发展史

随着电子测量技术的产生与发展，电子测量仪器应运而生，其发展可追溯到20世纪20年代，科学技术的发展推进了电子技术的进步，同时促使了电子管的出现。进入20世纪50年代，半导体技术开始迅速发展，晶体管比电子管功耗更低、体积更小、频谱范围更宽、稳定性更高，使得电子管很快被晶体管所代替，出现了更为优良的频谱测量仪、示波器等。20世纪60年代，中小规模集成电路的出现再次将电

子测量仪器的发展推向更高阶段，集成电路将电阻、电容、二极管、三极管等大量的元器件集成到同一块很小的硅片上，从而实现元件、材料、电路的三位一体。这样的集成电路的在电子测量中的应用，使得电子测量仪器体积更小，而且同时又拓展了测量范围，提高了测量经度。现在很多测量仪器基本都是由集成电路组成，而且具备一些智能化和网络化的特点。

量某一个或某一些基本电参量而设计的，适用于多种电子测量。

3. 电子测量仪器现状

3.1 概念

广义的电子测量仪器是指利用电子技术进行的测量分析的仪器，是测量仪器的一大类别。按照测量仪器的功能，电子测量仪器可分为专用和通用两大类。专用电子测量仪器是为特定的目的而专门设计制作的，适用于特定对象的测量，例如，光纤测试仪器专用于测试光纤的特性，通信测试仪器专用于测试通信线路及通信过程中的参数。通用电子测量仪器是为了测

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3.2 现有技术

现在人们通过实践已越来越认识到测试技术的重要性，国内测试技术也已有了很大的发展，现在已基本上采用了标准化、模块化设计体制。已从CAMAC、PC总线、STD总线向VXI、PXI总线发展，从堆叠式测试系统向标准化、模块化测试系统发展，并先后研制出国产化VXI模件、VXI测试系统及PXI系统，使我国测试系统技术水平逐步进入国际先进行列。

3.3 PXI──测量技术的生力军

图1 基于PXI总线的宽带频率计原理图

PXI是PCIeXtensionsfor Instrumentation 的缩写。直观地说，CompactPCI + Extensions for Instrumentation = PXI。对于PXI的发展，首先要提到制订并推广PXI规格的组织——PXISA (PXI System Alliance)。PXISA于1997年成立，同年推出了1.0版的PXI规格。随着PXISA的接受度提高，以及PXI标准的不断完善，PXI的规格和相关产品也逐渐走向了标准化的道路。1998年，PXI被定为工业标准，PXI开始快速而稳健地发展。2000年时，PXISA又推出了PXI 2.0版，并于2013年2月将规格更新至2.1版。为更适于工业应用，PXI总线方式为PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求，增加了多板同步触发总线的技术规范，以便使用于相邻模块的高速通讯局总线。PXI还具有高度的可扩展性：PXI具有8个扩展槽，通过使用PCI-PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，而台式PCI系统只有3~4个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，便形成了出色的虚拟仪器平台。 PXI的规格区分为硬件与软件两个部分。其中硬件部分是基于CompactPCI的规格，也就是PICMG2.0，建构于CompactPCI的机构规格与PCI的电气规格之上，加上仪器上所需要的电气

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信号延伸，即是所谓PXI的规格。所以，PXI的数据传输速率的峰值在33MHz、32 bit的总线上，可达132MB/s；在66 MHz、64 bit的总线上更可高达528MB/s，远远高于GPIB与VXI接口的传输速率。PXI总线仪器具有体积小、性能高、成本低、适用测量和自动化系统平台等特点[1]。

与其他的总线规格相比，PXI于软件上对系统控制模块与周边模块作了规范。例如：PXI周边模块的厂商，必须提供可使用于

MicrosoftWindows上的驱动程序，而PXI控制模块则必须基于80x86架构，并可支持MicrosoftWindows。随着各式操作系统的接受度提高，未来将可能加入PXI软件的规格制订。除了对软件架构上的规范外，PXI也制订了硬件描述档案的规格，系统操作人员可以利用这些档案，透过软件管理PXI系统上的模块。 PXI的仪器延伸信号，提供了各PXI模块之间的一个硬件的管道，不需经过软件的监督，PXI的模块可实时地在此管道上利用硬件的信号互相沟通。如此可以减低CPU的负担，并加速软件程序的执行。并且基于x86架构与广泛

采用的Windows，可以有效降低PXI产品的学习曲线与购入成本。

多重的PXI模块选择，搭配不同机箱，使得PXI可以符合各种应用需求，并且易于维护。如此丰富的产品使得PXI目前已在汽车测试、半导体测试、功能性测试、航空设备测试以及军事等诸多领域得到了广泛的应用。

随着PXISA的接受度提高，以及全球众多厂商的加入，PXI已不会让客户有被单一厂商绑住规格的忧虑，且市场上有超过600种不同的PXI模块问世。根据FrostandSullivan的估计，在国际上，PXI市场于2003~2005年的成长率分别为37%、28%、23%，成长率远超过PC或工业计算机测量应用的数字。而在国内，相关厂商也开始利用PXI这个契机迅速扩大市场占有

率，其中较为突出的是研祥智能科技股份有限公司。为了适应测量科技的发展需要，为了满足仪器、仪表开发商对开发板卡的需求，研祥近年来不断的加大在PXI上的研发投资力度，现在已有多个型号几十个产品可供用户选择。 可以看到，随着测量技术的进步和更多厂商的参与，PXI将迎来一个更加开放也更具效率的测量科技新时代。

3.4 测量技术优势

与其它的测量相比，电子测量具有以下几个明显的特点：

（1）测量频率范围宽，电子测量能工作在这样宽的频率范围，这就使它的应用范围很广。 （2）测量的准确度高。电子仪器的准确度通常可比其它测量仪器高很多。特别是对频率和时间的测量，由于采用了原子频标和原子秒作为基准，使误差减小到极小量级，这是目前人类在测量准确度方面达到的最高标准。 （3）测量速度快。电子测量由于是通过电子运动和电磁波的传播来进行工作的，因此具有其它测量方法通常无法类比的高速度。

（4）易于实现遥测和长期不间断的测量，显示方式又可以做到清晰、直观。由于可以把电子仪器或与其它连接的传感器放到人类不便长期停留或无法到达的区域去进行遥测，而且可在被测对象正常工作的情况下进行测量。

4．电子测量仪器应用前景

如今，电子技术发展的速度几乎是让人目不暇接。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技术还未完全解决，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。那么测试技术能否跟得上应用的发展？未来的测量技术又会有怎样的发展？

进入21世纪以来，科学技术的发展已难以用日新月异来描述。新工艺、新材料、新的制造技术催生了新的一代电子元器件，同时也促

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使电子测量技术和电子测量仪器产生了新的概念和新的发展趋势[2]。

。面向21世纪的我国电子测量技术的发展趋势和方向是：测量数据采集和处理的自动化、实时化、数字化；测量数据管理的科学化、标准化、规格化；测量数据传播与应用的网络化、多样化、社会化。GPS技术、RS技术、GIS技术、数字化测绘技术以及先进地面测量仪器等将广泛应用于工程测量中，并发挥其主导作用。

4.1 3S技术

3S技术是遥感技术(Remote sensing，RS)、地理信息系统(Geography information systems，GIS)和全球定位系统(Global positioningsystems，GPS)的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。3S技术构成了地球空间信息科学的核心，它是快速获取和更新大区域地球动态和定位信息的重要手段，通过信息处理快速再现和客观反映地球表层的状况、现象、过程及其空间分布，并深层次地探索现象、事物的形成机理及其之间的内在联系[3]。

3s技术主要应用于与空间数据相关的行业

领域，随着数字地球数字城市的概念提出，日益受到重视。GPS主要获得单点3维或4维数据，RS主要获得区域大面积的图像数据，他们作为GIS的数据源，为GIS提供必要的空间决策分析数据，GIS作为一个处理这些空间数据的平台，对这些数据进行转换，分析，查询，显示等操作，辅助决策者进行决策。目前，3s技术应用在军事，交通，公共安全，城市规划，能源调查，灾害监测与预报等一系列领域。

4.2 基于虚拟仪器的虚拟测试技术

现在国内绝大部分文献资料上所说的“虚拟测试技术”是指利用虚拟仪器技术来进行测试工作[4, 5]。而国外文献中此类测试一般称为“虚拟仪器”（Virtual Instrument 或Virtual Instrumentation ，简称VI）[6,7]。

VI的基本构成包括计算机、VI软件、硬件接口模块等。其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（DAQ）、串/并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其它接口卡。目前较为常用的VI系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。

在确定的硬件基础条件下，构造和使用VI的关键就是应用不同的软件实现不同的功能。美国国家仪器公司（NI）提出的“软件即仪器”

（The Software is the Instrument）形象地描述了软件在VI中的重要作用。VI的应用软件主要包括：集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口和VI的用户界面。VI的应用软件由用户编制，可以采用各种编程软件。在VI图形软件开发平台研究方面，近年来国际上许多公司都做客大量的工作，其中最具有代表性的是NI公司的LabVIEW和惠普公司的VEE虚拟仪器软件开发平台。

VI技术的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易，转换灵活，因此在科研开发、计检、测控等领域得到了广泛的应用，国内外都有大量的VI应用于各种场合的成功例子。但总的来说，我国在VI的理论研究、产品开发和实际应用方面，与国外先进水平还有一定的差距。

4.3 软件平台技术

软件是组建系统核心技术之一，对于测试软件、TPS可兼容、可移植和重用一直是测试系统的关键技术。拟建立测试软件通用平台，重点研究CORBA、DCOM、COM等中间件语言。 这些软件充分利用了现今软件技术发展的最新成果，在基于网络的分布式应用环境下实现应用软件的集成，使得面向对象的软件在分布、异构环境下实现可重用、可移植和互操作。主

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要原理是引入中间件（Middle ware）作为事务代理，完成客户机（Client）向服务对象（Server）提出的业务请求，实现客户与服务对象的完全分开，客户不需要了解服务对象的实现过程以及具体位置。

同时提供软总线机制，使得在任何环境下，采用任何语言开发的软件只要符合接口规范的定义，均能集成到分布式系统中,同时对现有的

IVI、Vpp、SQL、ODBC、VRML语言等进行应用研究。

殊部件构成了全站仪在结构方面独树一帜的特点。全站仪按其外观结构可分为积木型、整体

型；按测量功能可分为经典型、机动型、无合作目标型、智能型；按测距仪测距可分为短距离测距、中测程、长测程。以徕卡TS02power全站仪为例，以下列出了其各项参数。 2″ 绝对编码，连续，对径测量 0.1″/ 0.1mgon / 0.01mil 电子双轴补偿（设置开，关） 0.5″，1.5″，2″ 3500m 250m 标准：1.5mm + 2 ×10-6D / 2.4s ，快速：3mm + 2 ×10-6D / 0.8s ，跟踪：3mm + 2 ×10-6D / ＜0.15s 30m ＞400m 2mm + 2 ×10 D -6 / 3s 30m处：约7mm ×10mm，50m处：约8mm ×20mm，250m处：约30mm ×55mm 6

5．全站仪

5.1简介：全站仪，即全站型电子测距仪

（Electronic Total Station），是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。因其一次安置仪器就可完成该测站上全部测量工作，所以称之为全站仪。广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。

5.2 性能参数：

全站仪几乎可以用在所有的测量领域。电子全站仪由电源部分、测角系统、测距系统、数据处理部分、通讯接口、键盘等组成。同电子经纬仪、光学经纬仪相比，全站仪增加了许多特殊部件，因此而使得全站仪具有比其他测角、测距仪器更多的功能，使用也更方便。这些特

角度测量（ Hz ，V ） 精度（标准偏差ISO-17123-3） 测量方法 最小读数 补偿方式 设置精度 距离测量 圆棱镜测程（GPR1） 反射片（60mm ×60mm） 精度/测量时间（标准偏差ISO-17123-4） 无棱镜距离测量 测程（90%反射率） FlexPoint PinPoint - Power 精度/测量时间（标准偏差ISO-17123-4） 激光点大小 数据存储通讯 可扩展内存 接口 数据格式 导向光（选配） 工作范围（一般气象条件） 定向精度 望远镜 放大倍数 分辨率 视场 调焦范围 十字丝 键盘和显示屏 显示屏 键盘 操作系统 Windows CE 激光对点器 类型 对中精度 电池 类型 操作时间 重量 全站仪（包括GEB211和基座） 环境指标 工作温度范围 -20℃到+50℃（-4 F到+122 F） 极地耐低温型-35℃到+50℃（-31 F到+122 F）（可定制） IP55 95%，无冷凝 测量放样自由设站高程传递建筑轴线法面积（平面&表面）体积计算对边测量悬高测量隐蔽点测量偏心测量参考线参考弧 COGO 道路放样多测回测角导线平差 隧道测量油罐测量（选配） 表1 徕卡TS02power全站仪技术参数

5.1kg 激光点，5级亮度可调节 1.5m处：1.5mm 锂电池 一般为20小时 5.0 Core 图形化显示，160 ×280像素，5级亮度可调节 标准键盘 30 × 3″ 1 30′，100m处：2.7m 1.7m至无穷远 可照明，5级亮度可调节 5m - 150m 100m处：5cm 最大：24000固定点，最大：13500测量点 串口（波特率从1200到115200） GSI / DXF / LandXML / 用户自定义ASCII格式 防尘/防水（IEC60529） 湿度 FlexField机载软件 应用程序 7

5.3 工作原理

全站仪是全站型电子测速仪的简称，又被称为“电子全站仪”，是指由电子经纬仪、光电测距仪和电子记录器组成的，可实现自动测角，自动测距、自动计算和自动记录的一种多功能高效率的地面测量仪器。电子全站仪进行空间数据采集与更新，实现测绘的数字化。它的优势存在于数据处理的快速与准确性。

全站仪自身带有数据处理系统，可以快速而准确的对空间数据进行处理，计算出放样点的方位角与该点到测距点的距离，全站型电子速测仪简称全站仪。它是一种可以同时进行角度（水平角、竖直角）测量、距离（斜距、平距、高差）测量和数据处理，由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。由于只需一次安置，仪器便可以完成测站上所有的测量工作，故被称为“全站仪”。 全站仪上半部分包含有测量的四大光电系统，即水平角测量系统、竖直角测量系统，水平补偿系统和测距系统。通过键盘可以输入操作指令、数据和设置参数。以上各系统通过I/O接口接入总线与微处理机联系起来。

微处理机（CPU）是全站仪的核心部件，主要有寄存器系列（缓冲寄存器、数据寄存器、指令寄存器）、运算器和控制器组成。微处理机的主要功能是根据键盘指令启动仪器进行测量工作，执行测量过程中的检核和数据传输、处理、显示、储存等工作，保证整个光电测量工作有条不紊地进行。输入输出设备是与外部设备连接的装置（接口），输入输出设备使全站仪能与磁卡和微机等设备交互通讯、传输数据。

形监测领域。可以说，基本上所有工程施工中均会用到全站仪。

6. 结束语

综上所述，目前电子测量技术的应用已经得到了社会的普遍认可，其本身具有的优点提高了整个测量工作的经度和效率。在电子测量技术今后的发展中，要结合计算机技术、通信技术和网络技术的特点来实现人工智能化的改进和完善，从而推动整个电子测量技术的进步。

7. 致谢

通过这段时间的研究设计学习，我学到了很多以前不知道的知识，并且在学习中培养了一种做事情一丝不苟的态度和耐心，为以后的工作打下了坚实的基础。

在此我要向我们论文的指导老师表示衷心的感谢，可以让我通过这次机会系统学习了电子测量技术的有关知识，他幽默，风趣，严谨的教学作风将是我学习的榜样。

参考文献

[1]李杰,何玉珠,李健宏.基于PXI总线的主动雷达制导导弹自动检测设备[J].电子测量技术,2009,32(1):

[2] 汪晓东. 21世纪电子测量仪器及自动测试系统的新概念和新趋势[J]. 电子测量学报, 2005, 19(1):

[3] 李德仁, 李清泉, 杨必胜, 余建伟. 3S技术与智能交通[J].武汉大学学报·信息科学版, 2008, 33(4):

[4] 洪迈生, 梁学军, 魏元雷. 虚拟基准、虚拟量仪、虚拟仪器和误差分离技术[J].振动测试与诊断, 2000, 20(2): 77-8.

[5] 王雪, 左巍, 赵国华. 基于多传感器集成融合技术的敏捷虚拟测试诊断系统研究[J]. 中国机械工程, 2001, 12(8): 914-918.

[6] II. J. W. Spoelder. Virtual instrumentation and virtual environments[J]. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 1999, 2(3): 14-19. - [7] II. Goldberg. What is virtual instrument[J].

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5.4 应用领域

全站仪具有角度测量、距离（斜距、平距、高差）测量、三维坐标测量、导线测量、交会定点测量和放样测量等多种用途。内置转用软件后，功能还可进一步拓展。

根据全站仪水平角测量、距离测量、坐标测量这三大主要功能，全站仪被广泛应用在地籍测量、公路施工放样、生产矿井测量等地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变

IEEE Instrumentation & Measure Magazine, 2000, 3(4): 10-13.

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