電子測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)及其應(yīng)用

李佳奇

【摘 要】測(cè)量是指用數(shù)據(jù)依法描述現(xiàn)象，即對(duì)事物進(jìn)行定量描述。電子測(cè)量是一種以電子技術(shù)為手段的測(cè)量方法。進(jìn)入21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)行業(yè)水平和通信水平不斷提高，越來(lái)越多的產(chǎn)品趨于智能化，對(duì)測(cè)量過(guò)程和結(jié)果提出了更高的要求，例如測(cè)量速度快、誤差小、精度準(zhǔn)確等，電子測(cè)量在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到舉足輕重的地位，在國(guó)際社會(huì)中，它的發(fā)展也能衡量一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平。

【關(guān)鍵詞】電子測(cè)量;智能;單片機(jī)

【中圖分類號(hào)】TM930 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）10-0052-03

近年來(lái)，我國(guó)在電子測(cè)量的研究和應(yīng)用方面投入了大量的人力、物力，電子測(cè)量技術(shù)在各領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，它涉及國(guó)防建設(shè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人文、軍事及民眾的學(xué)習(xí)與生活等諸多方面，電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展在無(wú)形中使我們的生活變得更加智能化。

1 電子測(cè)量的特點(diǎn)

通過(guò)測(cè)量得出科學(xué)的結(jié)論，測(cè)量實(shí)踐的歷史可與人類歷史緊密相連，例如元素周期表的發(fā)現(xiàn)，從宇宙探索到人文地理，再到科學(xué)發(fā)展，都與測(cè)量有著密不可分的關(guān)系，電子測(cè)量可應(yīng)用于與電子技術(shù)有關(guān)的所有測(cè)量。廣義上，電子測(cè)量是指使用電子技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。狹義上，電子測(cè)量是指電子技術(shù)的應(yīng)用，包括電路參數(shù)、能量、信號(hào)特性、電子設(shè)備性能、特性曲線測(cè)量等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。電子測(cè)量的快速發(fā)展與它快速響應(yīng)特點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)密不可分，它還具有高精度和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，例如相位計(jì)、動(dòng)態(tài)分析器、光學(xué)測(cè)量?jī)x等電子測(cè)量?jī)x器。

1.1 測(cè)量范圍廣

隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多新的電子元件橫空出世。這些測(cè)量對(duì)象在數(shù)量級(jí)上具有不同的數(shù)值，老的測(cè)量?jī)x器有時(shí)無(wú)法滿足其測(cè)量要求?，F(xiàn)代電子技術(shù)的應(yīng)用使測(cè)量范圍比以前更寬，以電子電壓表舉例，它能測(cè)量100μV～300 V的電壓，可分為12個(gè)擋位。

1.2 響應(yīng)速度快

機(jī)器的測(cè)量速度最能體現(xiàn)電子測(cè)量的重要性，測(cè)量色環(huán)電阻時(shí)，如果人為取值需要計(jì)算，往往很慢，而如果通過(guò)電子歐姆表，就能瞬間得出結(jié)果。由于電子測(cè)量是利用電磁波與一些電子運(yùn)動(dòng)用于測(cè)量，所以測(cè)量速度非?？?，提高了測(cè)量效率。

1.3 與計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合

計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬技術(shù)是近幾年得到飛快發(fā)展的技術(shù)，而這兩項(xiàng)技術(shù)均可與電子測(cè)量結(jié)合，電子測(cè)量能夠?qū)⒎请娏孔優(yōu)殡娏?，這就使得電子測(cè)量信號(hào)能通過(guò)計(jì)算機(jī)所提供的虛擬環(huán)境進(jìn)行AD與DA轉(zhuǎn)換，單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一些電參數(shù)的測(cè)量，并把數(shù)據(jù)保存下來(lái)。大規(guī)模集成電路技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，使過(guò)去必須由硬件實(shí)現(xiàn)的功能現(xiàn)如今可以通過(guò)軟件完成，近些年出現(xiàn)的有關(guān)測(cè)量物體長(zhǎng)度、高度的手機(jī)App就是很好的說(shuō)明。電子測(cè)量可以通過(guò)計(jì)算機(jī)、通信、數(shù)字媒體、軟件等集成功能完整的測(cè)量?jī)x器，它將成為國(guó)家核心技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。

1.3.1 電壓測(cè)量

ADC0832作為前端傳感器，芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μs，應(yīng)用于智能傳感器領(lǐng)域，擁有12位ADC與12位DAC是該芯片的一個(gè)特點(diǎn)，使用ADC0832電壓傳感器與單片機(jī)硬件電路相連接，搭配液晶顯示屏1602即可完成對(duì)低電壓的測(cè)量，使用雙數(shù)據(jù)輸出模式可以進(jìn)一步減少錯(cuò)誤并增強(qiáng)穩(wěn)定性。

1.3.2 溫度測(cè)量

科技鑄造人生，為我們的生活帶來(lái)了無(wú)限的可能，人體溫度測(cè)量?jī)x器的發(fā)展更是從水銀溫度計(jì)走向了溫度槍，水銀溫度計(jì)是利用液體熱膨脹和冷收縮的原理，液面升溫后，通過(guò)讀取量表的值確定溫度。溫度槍被稱作紅外線測(cè)溫儀，它通過(guò)測(cè)量物體輻射的紅外能量精確地測(cè)量物體的表面溫度，紅外測(cè)溫具有省時(shí)、使用安全等特點(diǎn)，尤其在醫(yī)療檢測(cè)方面發(fā)揮著核心優(yōu)勢(shì)。環(huán)境溫度測(cè)量中，單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)外接數(shù)字溫度傳感器，也可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)于環(huán)境溫度的測(cè)量，例如DS18B20芯片是一種常見(jiàn)的數(shù)字型溫度傳感器，型號(hào)多種多樣，有LTM 8877、LTM 8874，具有體積小、準(zhǔn)確度高、抗干擾信號(hào)能力強(qiáng)，易于使用等優(yōu)點(diǎn)，在公共場(chǎng)合可與液晶屏相連作為廣告牌使用，更可應(yīng)用于復(fù)雜狹小空間中的設(shè)備數(shù)字測(cè)溫與自動(dòng)控制相關(guān)領(lǐng)域（如圖1所示）。

1.3.3 頻率測(cè)量

生活中可供測(cè)量的參量有很多，下面著重強(qiáng)調(diào)基于單片機(jī)的頻率測(cè)量的硬件電路部分。頻率測(cè)量硬件電路，頻率與周期呈倒數(shù)關(guān)系，測(cè)量它的方法有很多，可通過(guò)比較法、示波器法、電橋法，在數(shù)字領(lǐng)域同樣可以采用STC89C52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器件，該系統(tǒng)采用直流供電，由信號(hào)輸入模塊、信號(hào)相加模塊、濾波模塊、信號(hào)比較器模塊及電平轉(zhuǎn)換模塊組成，具有信號(hào)輸入、測(cè)信號(hào)頻率、測(cè)量矩形方波占空比的功能，并且具有測(cè)量精度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

（1）控制樞紐單片機(jī)。選用STC89C52RC單片機(jī)作為CPU，STC89C52RC單片機(jī)的內(nèi)部具有低功耗模式與低掉電模式，配有5個(gè)中斷源，分別為2個(gè)外部中斷源、2個(gè)內(nèi)部中斷、1串口中斷。頻率測(cè)量的原理是通過(guò)比較器和電平轉(zhuǎn)換器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可利用的矩形脈沖信號(hào)，觀察1 s內(nèi)矩形脈沖的個(gè)數(shù)，進(jìn)行數(shù)數(shù)與記錄，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量輸入信號(hào)頻率的功能;它雖為老一代單片機(jī)系統(tǒng)，但是其擁有系統(tǒng)可編程Flash功能，相比于其他嵌入式系統(tǒng)更靈活（如圖2所示）。

（2）比較器模塊。比較器用的半導(dǎo)體芯片是LM311，它是一款可與TTL器件引腳兼容的高速CMOS管器件，邏輯功能為六路斯密特觸發(fā)反相器，具有耗電量低、速度快等特點(diǎn)，可將緩慢變化的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成清晰、無(wú)抖動(dòng)的輸出信號(hào)（如圖3所示）。

（3）高通濾波電路模塊。使用有源二階巴特沃斯高通濾波器。巴特沃思濾波器電路的幅度-頻率響應(yīng)在通頻帶中具有穩(wěn)定的幅度特性，沒(méi)有太大的波動(dòng)，在阻帶中逐漸減小至零。由于巴特沃斯濾波器電路的幅頻響應(yīng)曲線是平滑的，沒(méi)有些許的波動(dòng)，可以有效地避免施密特比較器中的誤觸發(fā)，因此選用巴特沃斯濾波器作為濾波電路模塊。

（4）信號(hào)倍加電路模塊。兩個(gè)信號(hào)的疊加通常使用加法器電路使其成為單向信號(hào)。同相加法器是可以添加信號(hào)的數(shù)字電路。根據(jù)輸入信號(hào)的區(qū)別使其分為全加法器和半加法器，加數(shù)和被加數(shù)作為輸入，和與進(jìn)位是半加法器的輸出設(shè)備。如果輸入了加數(shù)，被加數(shù)和低階進(jìn)位，如果輸出了數(shù)字和進(jìn)位，那么它就是一個(gè)全加法器。同相加法器通常具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特性。

（5）整形放大電路模塊。以輸入信號(hào)帶寬為100 MHz，最大頻率可達(dá)100 Mz的信號(hào)為例，必須使用高速運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，LM339是常見(jiàn)的比較器芯片，但其響應(yīng)時(shí)間為1 300 ns，無(wú)法到達(dá)100 MHz的要求，此外選擇的芯片為T(mén)I公司生產(chǎn)的芯片TLV3501，TLV3501是4.5 ns軌至軌高速比較器，可以滿足高速處理的要求。可在單門(mén)限比較器中加入一個(gè)小的遲滯電壓，以提高其抗噪聲能力，從而使它在實(shí)際應(yīng)用中具有更強(qiáng)的抗噪聲能力強(qiáng);如果用于計(jì)數(shù)，也會(huì)更加準(zhǔn)確。

2 電子測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)

如今，國(guó)家大力發(fā)展人工智能產(chǎn)業(yè)，開(kāi)創(chuàng)人工智能新領(lǐng)域研究課題，21世紀(jì)也被稱作科技與創(chuàng)新的世紀(jì)。

與其說(shuō)“人工智能”，不如稱為“機(jī)器智能”，顧名思義是將機(jī)器賦予活力完成復(fù)雜或人類無(wú)法完成的工作。那么，何為智能測(cè)量？即，無(wú)人為干預(yù)，由機(jī)器自主識(shí)別，完成測(cè)量的過(guò)程?！盁o(wú)人汽車”作為人工智能的產(chǎn)物，它能精準(zhǔn)地完成各種參數(shù)的測(cè)量，不管從行駛距離還是停車時(shí)間都可以精確無(wú)誤。所以說(shuō)，測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于人工智能便開(kāi)拓了測(cè)量科學(xué)與技術(shù)的全新領(lǐng)域，促進(jìn)了電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。

智能測(cè)量通常是由智能儀器實(shí)現(xiàn)的，儀器的功能在于用科學(xué)的方法，即不管是物理、化學(xué)、生物，獲取被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或者變化信息，通過(guò)信息轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗冮喿x和識(shí)別表達(dá)的量化形式或直接進(jìn)入智能化控制系統(tǒng)。智能儀器不同于普通儀器，它可以根據(jù)被測(cè)物體的值自動(dòng)識(shí)別轉(zhuǎn)換范圍，范圍轉(zhuǎn)換通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，非常靈活方便，并且速度快，還能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制。除此之外，它可通過(guò)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的分析計(jì)算能力，用軟件去除噪聲干擾。在人工智能的發(fā)展下，高新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，測(cè)量技術(shù)的發(fā)展勢(shì)必更加迅速。

如今的電子測(cè)量技術(shù)是每一個(gè)科技產(chǎn)物的地基，最近的“華為”P(pán)40手機(jī)風(fēng)光無(wú)限，在其強(qiáng)大功能的背后運(yùn)用了很多高新技術(shù)，測(cè)量技術(shù)是其根基。隨著5G即將進(jìn)入歷史舞臺(tái)，電子測(cè)量將更加自動(dòng)化，并越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在半導(dǎo)體能力不足的情況下，小型集成電路是最有利的選擇，它可以彌補(bǔ)原始半導(dǎo)體的不足，并降低研發(fā)成本。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前電子測(cè)量技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域正飛速發(fā)展，它正在用自己獨(dú)特的魅力充分與人工智能接軌，接下來(lái)，電子測(cè)量技術(shù)將與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及虛擬技術(shù)充分結(jié)合，以解決人工智能遇到的問(wèn)題，從而推動(dòng)人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊龍麟.電子測(cè)量技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[2]張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]劉琨.解讀自動(dòng)化控制的電子測(cè)量技術(shù)發(fā)展[J].探索與觀察，2019（13）：76-77.

[4]宋寶林.基于單片機(jī)的水箱水位及溫度控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2017（2）：35-36.