[科普中国]-直接测量系统

在信号传输通道中，直接测量系统是指能得到最直观的测量结果，得到输入输出的部分。在工程测试实践中，直接测量系统的目的是从测量对象中获取有用信息。

背景介绍机床加工误差补偿是提高加工准确度的重要途径。正确测量机床主轴回转误差是实现加工误差补偿的前提, 但长期以来这一问题一直未能很好解决。补偿控制信号的获取成为误差补偿控制技术研究中的一个难点。

现行的误差补偿系统中, 主轴回转误差的测量方法是: 利用传感器相对被加工表面( 或标准件表面) 测量, 再用误差分离的办法获得主轴误差运动值。这类测量方法都是间接测量, 其缺点是大量的数据处理工作会带来运算误差, 影响测量准确度; 同时, 由此造成控制信号的时延。这样在对加工误差补偿时, 误差信号的测量点与控制切削点不一致, 即存在相位差, 使补偿控制方法难以奏效。1

改良测量误差措施利用带弧形极板的差动传感器相对主轴表面直接测量, 可以获得正确的主轴径向误差运动值, 为机床加工误差实时补偿提供控制信号。整个测试系统较简单, 操作中对传感器安装位置无特别的准确度要求。经在实际误差补偿系统中应用、验证, 效果良好。

电子工程领域的直接测量系统在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系统总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。

背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。

系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在光电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增，如光电倍增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。在特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益过程中使噪声增加。

在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力较高，采用有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。对于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声），光电导器件极限信噪比低，NEP较大。2

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李斌 - 副教授 - 西南大学