电气测量技术发展史

电气测量技术发展史

摘要：电气测量技术是电气设备生产、制造以及安全运行的必要技术，是科学发展的标尺。本文简述了电气测试技术方式、方法，比较了国内外电气测试技术发展情况，得出了虽然我国电气测试技术快速发展，但与欧美发达国家相比还有很大差距的结论。另外，本文还就电气测试技术发展趋势做了简单分析和叙述。

关键词:电气，测量，现状，发展

0 引言

测量是人们认识客观事物，并用数量概念描述客观事物，进而达到逐步掌握事物的本质和揭示自然规律的一种手段。其中，电气测量是当代工业发展的一种必不可少的手段。

电气测量是对物质世界的信息进行测量与控制的基本手段。它融合了微电子技术、计算机技术、通信技术、网络技术、新元件新材料的现代测量技术等，是现代工业中新技术应用做多、最快的方向之一。电气测量的对象主要反映电和磁特征的物理量，如电流（I）、电压（U）、电功率（P）、磁感应强度（B）等。在生产技术和生产模式等方面，许多新的思想和概念不断涌现，而且，不同学科之间相互渗透、交叉融合，衍生新的研究领域，迅速改变着传统电气设备制造业的面貌，产品更新换代极为频繁。

由于现代工业电气控制技术的快速发展，使电气测量技术的内容更加体现现代化和自动化的要求。电气测量与综合国力的提升越来越密切，因此，电气测量技术的现状和发展方向也是我们关心的话题。

1 电气测量技术的现状

1.1 电气测量仪表与方式

目前，电气测量仪表多种多样，测试技术也层出不穷。电气测量仪表(electrical measuring instruments)用于测量、记录和计量各种电学量的表计和仪器。电气测量仪表按被测电流的种类分为交流仪表和直流仪表两大系列;按结构特征分为模拟指示仪表、数字仪表、记录仪表、积算仪表和比较仪表，此类仪表可为安装式固定在屏、柜、箱上，也可为携带式；按测量功能分，常用的有电流表、电压表、欧姆表、功率表、功率因数表、频率表、相位表、同步指示器、电能表和多种用途的万用电表等.此外.还有电量变送器和变换器式仪表;试验用的仪表和仪器有:电桥、绝缘电阻表、接地电阻测量仪、测量用互感器、谐波分析仪、电压闪变仪、示波器等。

电气测量方法也非常多，例如：

（1）按测量过程分：直接测量，间接测量，组合测量等；

（2）按测量方式分：偏差式测量法，零位式测量法，微差式测量法；

（3）按被测量的性质分：时域测量，频域测量，数据测量，随即测量。

但是，现代电气测量仪表和技术已经不再局限于传统电气测量，而更加丰富。例如，应用高频电流传感器测量电缆PD信号。高频电流传感器测量电缆PD信号示意图见图1.

图1. 高频电流传感器测量电缆局部放电监测

1.2 我国电气测量技术现状

目前，我国电气测量技术与国际领先水平相差甚远。首先，仪器仪表与测量控制现状同国际先进水平相比，同我国经济和社会发展的实际需要相比，还存在着很大的差距。差距是全方位的，最要害的有如下三点：

第一，我国仪器仪表产业规模小，产值低，企业同样是规模小，产值低。2007年我国仪器仪表产业总产值3000亿元人民币，只占工业总产值2.5%。10年前，美国仪器仪表产业总产值已达到4千亿美元，占工业总产值4%。目前，美国仪器仪表企业年产值超过20亿美元不少于50家，我国最大的仪器仪表企业，京仪集团年产值80亿元人民币，川仪集团60亿元人民币。两相比较，差距实在太大第二，我国仪器仪表产品质量上、品种上还存在不少问题。产品的可靠性和稳定性，长期以来没有得到根本解决，严重影响到市场销售和正常使用。许多大型精密仪器我们还生产不出来，国内需求几乎全部依赖进口。许多仪器还需要依靠进口弥补国内缺口。MEGGER公司生产的绝缘电阻测量仪和介质损耗测量仪，见图2。

（a）绝缘电阻测量仪，（b）介质损耗测量仪

图2. MEGGER公司生产电气测量仪器

2007年我国仪器仪表产品出口创下了88亿美元，可是进口却达到了172亿美元，逆差84亿美元，成为装备制造业之最。这个问题不解决，我国仪器仪表与测量控制学科和产业的发展将无法摆脱落后被动的局面。

第三，我国仪器仪表产业创新能力不强，还无法承担起科技创新主体的责任。国际上仪器仪表科技创新发展极快，产品更新换代的周期大约只需2至4年，多数企业销售额一半以上几乎都来自5年内上市的新产品。而我国仪器仪表产品不少还沿自于20世纪80年代技术引进的产物，相当多企业产品是10年一贯制，靠吃老本为生。自主创新能力不强原因是多方面的，影响最大的不外乎两条：一是科技创新开发投入资金太少。国外企业用于科技创新资金投入一般为销售收入8至10%，而我国企业投入资金很少超过3至5%，何况销售收入本来就不多，极大地限制了科技创新的有效开展；二是人的因素，有的领导不重视自主创新，更多的是创新人才匮乏。党的十七大提出，提高自主创新能力，建

设创新型国家是国家发展战略的核心，是提高综合

国力的关键。企业提升科技创新能力，已经成为刻不容缓的历史使命。

目前，我国现有各类仪器仪表企业6000多家，已经具有一定技术基础和生产规模的产业系。在6000多家企业中，年销售收入超过1000万元的不足1000家。主要是由于我国测试仪器的普遍水平还停留在20世纪80年代初国际水平上；大型和高档仪器设备几乎全部依赖进口；许多急需的专用仪器还是空白；中低档产品保证质量上还有许多难关需要攻克，科技创新及其产业化进展滞缓，是制约我国测试仪器企业发展的一个"瓶颈"。

中国电子科技集团公司第四十一研究所，2003年与美国Sydigital公司合作开发了DT-100/200数字电视码流实时监测分析仪，并与Sydigital公司合资成立了迪吉泰数码科技有限公司，专业从事数字电视测试仪器的开发、生产和销售，并于海信集团签定了全面合作框架协议，全面开展高清数字电视测量仪器关键技术及其检测标准和生产制造的研究。

展望未来几年，由于我国经济发展形成的巨大需求，电子测量仪器的国内市场仍将呈高速发展的趋势，特别是数字电视和通信市场的高速发展，使我国电子测量仪器行业面临着巨大的挑战和机遇。今后，我国将在信息技术、生物技术、新材料技术、先进制造技术、航空航天技术等关键领域取得更大突破，这些领域的研究、开发、技术升级的基本手段就是利用电子仪器。因此，随着各行各业对电子仪器产品需求量的增加将不断推动电子仪器行业向前发展。

2 电气测量技术的发展

我国仪器仪表与测量控制还存在不小差距，面临着落后被动的局面。但是，由于国家的重视和支持，仪器仪表界和广大科技术工作者的努力奋斗，近年来我国仪器仪表与测量控制依然取得了可喜的成绩，获得了很大的发展。认真总结我国仪器仪表与测量控制的发展，有助于我们明确方向和增强信心。下面我们简要的回顾一下我国仪器仪表与测量控制近年来的重大进展。

（1）工业自动化仪表与控制系统

在工业自动化仪表方面，近年来温度仪表的重要进展主要体现在红外热像仪的应用迅速扩大。流量仪表内锥流量计创新成果显著，我国已经拥有各种与V锥相关或相近的流量计产品专利超过20项，其中至少6项目是发明专利，超过了美国，成为V 锥流量计专利高产国。国产低端压力变送器和带HART功能的压力变送器近年来也发展很快，品种多、规格全、价格低，在市场上已经很具竞争力。控制阀行业近年来的进展是显著的，产品“跑冒滴漏”现象得到很大改进，不少产品质量达到国外主流产品水平。

在控制系统方面，进展令人鼓舞。国产DCS系统已经进入大型超临界火电机组控制系统。2007年1月，上海自动化仪表股份有限公司的DCS系统在襄樊电厂首台600MW超临界机组上投运成功移交生产。国电智深公司于2007年11月成功签定江苏谏壁1000MW超临界机组自动化控制系统项目，并于2008年3季度成功中标两项大型超临界火电机组自动化控制系统项目。和利时公司和浙江中控公司的DCS系统，近年来在大型交通和石化工程项目上都得到了成功应用。特别应该提到的是，国产DCS 系统在核电工程上的应用已经进入核岛控制系统。

（2）科学仪器

科学仪器最能体现仪器仪表既是知识创新和技术创新的重要工具，也是科技创新研究的主题内容之一和创新成就的重要体现。

近年来，在国家的大力支持下，科学仪器获得了很快发展，以质谱仪为代表的高端科学仪器取得了重大进展，出现了可以与国外产品竞争的国产色——质联用仪器。特别是，我国“嫦娥”环月空间卫星上天，就携带了我国自主研发的多光谱遥测、信

号传送仪器。四川汶川大地震，全国各地很快送去了大量环境、水文测量便携式分析仪器，表明了我国科学仪器产业的实力。

此外，科学仪器领域我国还取得了多项很有价值的进展。比如，自主研制出领先国际的分子束科学仪器——氢原子里德伯态飞渡时间谱交叉分子束装置；国际第一台真空紫外激光角分辨光电子能谱仪;离子迁移谱探测技术痕量爆炸物快速检测仪;新型生命探测仪器“SJ—3000搜救雷达”；便携式高分辨浅水多波束测深仪;光学捕获理论研究取得进展;光学相干层析成像技术及相关仪器开发取得多方面进展等等。

（3）医疗仪器

国家“十一五”规划和建设创新型国家都把医疗仪器产业列为重点发展产业，国家在研发、技术平台建设、研究中心、重点实验室、产业基地各方面都加大了支持的力度，近年来医疗仪器也取得了长足的进展。在医学影像仪器方面，X射线机、计算机断层扫描机(CT)、超声扫描成像仪以及影像后处理与分析系统，无论技术水平和产品质量都有显著提高。在医用电子技术和仪器方面，值得提出的是清华大学研制出可作为个人电脑外设的脑控键盘和鼠标，还研制完成基于嵌入系统的脑控家居环境控制器，用于帮助丧失运动能力长期卧床的残疾人，2007年世界技术评估中心对这一成果给予了高度的评价。

（4）电子与电工测量仪器

这里，我们只列举两项突出的进展。一是微波毫米波矢量网络分析仪器跨入了世界先进行列，二是电能表综合技术达到国际先进水平。矢量网络分析仪是现代电子装备必备的关键的测试设备。我国在前几年研制成功矢量网络分析仪基础上，将其应用领域从线性网络向非线性、大功率网络的测试和分析发展，掌握了多种以矢量网络分析仪为核心的自动测试技术和自动测试系统构成及应用，使我国矢量网络分析仪的设计、制造和应用水平跨入了国际先进行列。我国是电能表生产大国，近年来非常注意在准确度、可靠性、功能、能耗、产品兼容性、环境适应性及可维护性等多方面提高技术水平，在国际市场上占有重要地位。

3 电气测量技术的发展趋势

3.1发展方向与学科前沿

(1)配合数控设备的技术创新

数控设备的主要误差来源可分为几何误差（共有21项）和热误差。对于重复出现的系统误差，可采用软件修正；对于随机误差较大的情况，要采用实时修正方法。对于热误差，一般要通过温度测量进行修正。我国机床行业市场萎缩同时又大量进口国外设备的原因之一就是因为这方面的技术没有得到推广应用。为此，需要高速多通道激光干涉仪：其测量速度达60m/min以上，采样速度达5000次/sec 以上，以适应热误差和几何误差测量的需要。空气折射率实时测量应达到2×10的-7次方水平，其测量结果和长度测量结果可同步输入计算机。

(2)

运行和制造过程的监控和在线检测技术综合运用图像、频谱、光谱、光纤以及其它光与物质相互作用原理的传感器具有非接触、高灵敏度、高柔性、应用范围广的优点。在这个领域综合创新的天地十分广阔，如振动、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等。

(3)配合信息产业和生产科学的技术创新

为了在开放环境下求得生存空间，没有自主创新技术是没有出路的。因此应该根据有专利权、有技术含量、有市场等原则选择一些项目予以支持。根据当前发展现状，信息、生命医学、环保、农业等领域需要的产品应给予优先支持。如医学中介入治疗的精密仪器设备、电子工业中的超分辨光刻和清洁方法和机理研究等。

3.2 虚拟测试技术

通过虚拟测试系统，可以使产品历经虚拟设计、虚拟加工、虚拟装配、产品性能虚拟测试和虚拟使用全过程。虚拟测试的结果信息可用于优化、改进虚拟制造技术中有关的设计和过程参数。由于虚拟测试在虚拟制造技术中应用的普遍性，能促进整个虚拟制造技术体系更为完备和工程实用化。因此，开展虚拟制造环境的虚拟测试技术研究和应用具有重要而深远的意义，而计算机技术、虚拟技术和测试技术的发展，以及大量工程实用数据的积累，也使得建立虚拟测试系统具备了现实的可能性。我们开展虚拟测试技术研究，就是用虚拟工程概念解决型号研究中的实际测试问题。通过构造型号虚拟测试环境解决型号研制过程中的测试具体问题，包括参数精度测试，各种物理参数的虚拟产生，过程测试方法的模拟、测试程序的执行检测，对象模拟，以及虚拟模发、模飞等。当前，虚拟测试的研究和应用主要集中在两方面：

一是基于虚拟仪器技术的虚拟测试，基于虚拟仪器技术的虚拟测试的核心思想是“软件就是仪器”。其实现途径是在一定硬件基础上，利用计算机和软件及相应算法来替代传统测量仪表和装置，如：信号调理与传输仪表，信号显示记录仪、存储仪表、信号分析与处理仪表，以及有关控制、监控环节。

另外，就是基于虚拟现实技术的虚拟测试。基于虚拟现实技术的虚拟测量，则是在虚拟现实环境下，借助多种传感器和必要的硬件装备，根据具体需求，完成有关的测量任务。在虚拟环境下可以设计、构建所需要的虚拟测试系统，进行虚拟测试、虚拟测量操作、测量过程仿真及虚拟制造中的虚拟测试等。

在虚拟现实环境下进行虚拟测试，能够将人、测量设备、测量系统模型和测量仿真软件集成于一体，提供良好的人机交互和反馈手段，产生逼真效果。然而目前虚拟现实的硬件设备和工具价格昂贵，VR技术在测量领域的应用应注重技术功能的实现，不必追求高档的、完全的VR环境。

目前基于虚拟仪器技术的虚拟测试和基于虚拟现实技术的虚拟测试日趋走向集成和融合。虚拟测试可以降低实际测试操作的费用，减少在危险环境中实际操作的危险性，虚拟测试所具有的拟实性、灵活性和低成本，使之成为虚拟现实技术的一个主要应用领域。尤其在虚拟制造中具有重要作用，它贯穿于虚拟设计、虚拟加工制造、虚拟装备以及产品性能检测和使用的全过程，实现虚拟制造各个阶段有机衔接，推进虚拟制造技术的发展和工程化。因此，开展虚拟制造环境的虚拟测试技术研究和应用具有重要而深远的意义，而计算机技术，虚拟技术和测试技术的发展，以及大量工程实用数据的积累，也使得建立虚拟测试系统具备了现实的可能性。

近年来，以信息技术为代表的新技术促进了电子行业的飞速增长，也极大地推动了测试测量仪器和设备的快速发展。鉴于中国在全球制造链和设计链的重要地位，使得这里成为全球各大测量仪器厂商的大战场，同时，也带动了中国本土测试测量技术研发与测试技术应用的迅速发展。

参考文献：

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