电磁测量结课论文

电磁测量结课论文关于电磁测量技术的未来展望——量子测量与虚拟仪器测控1202陆新月201202030216摘要：在现如今的电磁测量技术的发展过程中，一方面电磁测量的量子基准在迅速发展的整个量子计量基准体系中正在起着越来越举足轻重的作用，另一方面，数字计算技术的飞速发展也给电磁测量技术的发展注入了极大的活力，数字仪表、虚拟仪表、网络化仪表等等代表了不同的发展阶段的成果，准确性、广泛性、易用性在各阶段都有明显的提高。关键词：电磁测量；量子测量；量子力学；虚拟仪器；计算机技术电磁测量是测量技术中极为重要的组成部分。而所谓的电磁测量技术，即，研究电学量、磁学量以及可转化为电学量的各种非电量的测量原理、方法和所用仪器、仪表的技术科学。在自然界众多的现象和规律中，电磁规律与其他物理现象具有广泛的联系，例如电或磁的力学效应、热效应、光效应、化学效应等。这不仅为电学量和磁学量本身的测量，而且为几乎所有非电量的测量提供了多种多样的方法和手段。由于电信号比其他种类信号更便于转换、放大、传送，而电子计算机也要求输入电信号，因此，电磁测量在技术科学领域中具有十分重要的地位。测量是将未知量与标准量进行比较以达到定量认识的过程。在电磁测量中，标准器件所提供的标准量，不一定与未知量属同一性质；即使同一性质，它们的量值可能相差很大。为此，在比较前需将未知量与标准量变换为同一性质和数量上可比较的量。例如测量仪器中，多是将未知量和标准量在测量线路中转换为电压（或电流）以进行比较。电磁测量对电磁学以及电工科学技术的发展起着重要的作用。在电学与磁学早期分别发展阶段，科学家为深入观察和定量认识客观规律，通过测量做了很多探索工作，如1785年，C.-A.库仑用静电扭秤测静磁相互作用和静电相互作用的力，得到了平方反比定律（即库仑定律）；A.-M.安培、G.S.欧姆等人所做的实验等，在电磁学的发展中具有重要意义。当电磁科学的研究成果转向生产实际形成电工技术时，新兴的电力工业、电工设备制造业更需要大量各种类型的监测仪器和测量方法。电磁测量这一技术科学在促进其他学科与技术发展的过程中，自身也在不断地吸取各有关学科的新成就，从而完善了自己的学科体系。而电磁测量仪器仪表的发展可分为三个阶段。第一阶段为传统电工测量仪表。在这一阶段，库伦定理、安培定律、法拉第电磁感应定律、毕奥-沙伐-拉普拉斯定律和麦克斯韦磁场理论也都相继建立，为传统电工测量仪表的发展奠定了理论基础。第二阶段为数字仪表。数字仪表在准确度、信号储存、信号传输等很多方面的优越性都是传统仪表无法比拟的。第三阶段为微机化仪表。即由软件控制测量过程的仪表。在现如今的电磁测量技术的发展过程中，一方面电磁测量的量子基准在迅速发展的整个量子计量基准体系中正在起着越来越举足轻重的作用，另一方面，数字计算技术的飞速发展也给电磁测量技术的发展注入了极大的活力，数字仪表、虚拟仪表、网络化仪表等等代表了不同的发展阶段的成果，准确性、广泛性、易用性在各阶段都有明显的提高。1.关于量子测量对于电学测量来说，最主要的是电压实物基准和电阻实物基准两种，但是正因为这些测量基准为某种实物，一旦制成后，总会有一些不易控制的物理、化学过程使它所保存的量值有所改变，如此的问题已经使传统的实物基准日益不能适应需要。20世纪下半叶，与传统的实物基准完全不同的量子测量基准的出现，未解决这个问题提供了全新的途径。量子力学的建立是20世纪科学发展的一个伟大的里程碑。它的应用导致了原子能、激光和半导体等重大技术发明，大大促进了人类的物质文明的进步。在人类思想发展方面，量子理论使得人们对微观世界运动规律有了基本正确的、革命性的理解。量子力学的主要预言在实验的层面得到精确的检验，但对于它的思想基础和观念诠释，包括量子力学创立者在内的许多物理学家并没有统一的认识。以量子测量问题为核心，关于量子力学的思想基础和基本问题诠释的争论，从来就没有停止过。近年来，伴随着技术的进步，过去仅限哲学思辨式探讨的量子论基本问题的讨论，已经能够在实验室里加以精确的检验.最近由于量子信息的发展，量子测量等基本问题的研究进一步得到了广泛的重视。这些新的发展赋予量子物理基本问题研究新的含义，例如，为了实现实用化的量子信息处理方案，要有效地避免和控制量子退相干，从而深入理解人类控制微观系统的量子态的基本极限。在量子力学之中，所谓的“测量”需要有较严谨的定义，而特别称之为量子测量。量子测量不同于一般经典力学中的测量，量子测量会对被测量子系统产生影响，比如改变被测量子系统的状态；处于相同状态的量子系统被测量后可能得到完全不同的结果，这些结果符合一定的概率分布。量子测量是量子力学解释体系的核心问题，而量子力学的解释还没有统一的结论。除了实验物理上的考量之外，量子测量涉及的层面也包括了哲学观点。与经典物理中的测量不同，量子测量不是独立于所观测的物理系统而单独存在的，相反，测量本身即是物理系统的一部分，所作的测量会对系统的状态产生干扰。一般形式量子公设的第三条是对测量下的定义。量子测量可以通过一个测量算符的集合{M_m}来表示，它作用在系统的状态空间上。测量算符M的序列号m表示测量所得出的不同结果。如果系统在测量前处于状态|psi，那么测量后得到结果m的概率是：p(m)=psi|M*_mM_m|psi测量后系统的状态变为：M_m|psi/sqrt(psi|M*_mM_m|psi)测量算符必须满足以下的完备性条件：sum_m(M*_mM_m)=I上述完备性条件与下式等价，即完备性条件决定了测量得到各个结果的概率和为1：1=sum_m(p_m)=sum_m(psi|M*_mM_m|psi)示例一个量子比特|psi=a|0+b|1被{M_m}={M_0,M_1}测量，所谓量子比特可以认为是一个二维量子系统的状态，比如一个光子的极化状态（英语：Photonpolarization）。M_0=|00|;M*_0M_0=M_0M_1=|11|;M*_1M_1=M_1I=|00|+|11|p(0)=psi|M*_0M_0|psi=psi|M_0|psi=psi|00|psi=|a|^2p(1)=|b|^2测量得到0和1的概率分别是|a|^2和|b|^2，而1=psi|psi=|a|^2+|b|^2即概率和为1M_0|psi/|a|=a/|a|*|0M_1|psi/|b|=b/|b|*|1可以发现测量后，系统的状态要么变成a/|a|*|0要么变成b/|b|*|1，而对于量子力学来说，量子状态的相位是没有意义的，因而系统的状态在测量之后不是|0就是|1，即投影到了基矢量|0或|1构成的状态空间中去，显然|0或|1只能构成一个一维状态空间。一般来讲测量不是幺正算符，而是从系统里获取信息的一个过程。从量子测量问题的角度看，量子力学所展示的微观世界图景，完全不同与经典物理“精确描述”的物质世界。通过测量从微观世界提取经典观察者可以感知的信息，具有令人捉摸不定的随机性。2.关于虚拟仪器虚拟仪器的概念是美国NI公司(NationalInstrument)在20世纪80年代中期提出来的。所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优点：对测试量的处理和计算可更复杂且处理速度更快，测试结果的表达方式更加丰富多样，可以方便地存储和交换测试数据，价格低，技术更新快。它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了软件就是仪器的设计思想。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物。虚拟仪器充分利用了计算机的运算、存储、运算、回放显示及文件管理等智能化功能,同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化,使之与计算机结合构成一台功能完全与传统硬件仪器相同,同时又充分享用了计算机软硬件资源的全新的虚拟仪器系统。虚拟仪器的“虚拟”二字主要体现在如下两个方面。(1)虚拟仪器的面板是虚拟的虚拟仪器的各种面板和面板上的各种“控件”,是由软件来实现的。用户通过对键盘或鼠标来对“控件”操作,从而完成对仪器的操作控制。(2)虚拟仪器的测试功能是由软件来控制硬件实现的与传统仪器相比,虚拟仪器的最大特点是其功能由软件定义,可以由用户根据应用需要进行软件的编写,选择不同的应用软件就可以形成不同的虚拟仪器。虚拟仪器由通用仪器硬件平台和软件两大部分组成。硬件平台包括计算机和总线与I/O接口设备两大部分。(1)计算机一般为PC机或计算机工作站,是硬件平台的核心。(2)总线与I/O接口设备总线是连接PC机与各种程控仪器与设备的通道,完成命令、数据的传输与交换。I/O接口设备主要完成被测信号的采集、放大、A/D转换,当然也包括机械接插件、插槽、电缆等。虚拟仪器是电子技术和计算机技术相结合的产物，随着计算机技术的不断发展，虚拟仪器技术必将会在电磁测量领域发挥越来越重要的作用。综上所述，进入21世纪中叶，电磁测量技术迅猛发展的势头并未停止，希望在以后的科学进程中电磁测量技术的准确度能进一步提高，并沿着遥控化、网络化、多功能信息采集等方面继续前进。【参考文献】1.张钟华，21世纪电磁测量技术的展望，《电力系统装备》2005年第5期2.唐统一，张钟华，电磁测量技术展望3.常太华，苏杰，《过程参数检测及仪表》4.李宝树，《电磁测量技术》