第1章 電子測量基本概念

1、2014年2月電子測量技術(shù)基礎(chǔ) 辦公室：辦公室：42134213 電話：電話：1890574825718905748257 e-mail e-mail：aijuan-考核要求：考核要求： 考試時間考試時間：第：第10周周,不允許帶不允許帶復(fù)印復(fù)印件及件及打印打印件件 總評成績總評成績=期末考試期末考試50%(開卷開卷)+平時成績平時成績50% 評定項目項目細(xì)化所占比例依 據(jù)自主學(xué)習(xí)研究評價60%課外合作研討40%研討報告、研討表現(xiàn)等實(shí)驗(yàn)完成+報告60%現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)完成情況、質(zhì)量；各次實(shí)驗(yàn)報告書寫質(zhì)量。過程性學(xué)習(xí)評價40%課堂表現(xiàn)40%出勤、課堂記錄；提問和問題回答作業(yè)60%作業(yè)完成及質(zhì)量平時成績的

2、組成課程內(nèi)容： 測量基礎(chǔ)理論 誤差理論 測量儀器 信號發(fā)生器 示波器 主要電參數(shù)測量 電壓測量課程特點(diǎn)： 信息量大、概念多、實(shí)踐性強(qiáng)先修課程： 電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)參考書目： 中國計量出版社，蔣煥文，電子測量 中國計量出版社，陶時澍，電氣測量技術(shù) 東南大學(xué)出版社，楊吉祥，電子測量技術(shù)基礎(chǔ) 國外電子測量技術(shù)雜志 中國儀器與測量網(wǎng) 電子測量的基本概念 電子測量的內(nèi)容和特點(diǎn) 電子測量的方法 電子測量儀器的發(fā)展 電子測量儀器概述第1章 電子測量的基本概念一、電子測量的基本概念一、電子測量的基本概念3、電子測量的應(yīng)用、電子測量的應(yīng)用 教學(xué)實(shí)驗(yàn)、氣象預(yù)報、大地測繪、災(zāi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)、氣象預(yù)報、大

3、地測繪、災(zāi)情預(yù)報、交通指揮、情預(yù)報、交通指揮、 涵蓋涵蓋 吃穿用、農(nóng)輕重、海陸空吃穿用、農(nóng)輕重、海陸空例如例如:在汽車中的應(yīng)用在汽車中的應(yīng)用發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)：向發(fā)動機(jī)的電子控制單元（向發(fā)動機(jī)的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動機(jī)的工作狀況信息，）提供發(fā)動機(jī)的工作狀況信息， 對發(fā)動機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制對發(fā)動機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制 溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度和爆震傳感器溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等等 汽車傳感器汽車傳感器：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容 普通轎車：約安裝普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器

4、幾十到近百只傳感器， 豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達(dá)豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達(dá)二百只以上二百只以上。 底底 盤盤：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)等控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)等 車速、踏板、加速度、節(jié)氣門、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫車速、踏板、加速度、節(jié)氣門、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫 車車 身身：提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等 溫度、濕度、風(fēng)量、日照、加速度、車速、測距、圖象溫度、濕度、風(fēng)量、日照、加速度、車速、測距、圖象等等 在日常生活中的應(yīng)用在日常生活中的應(yīng)用 家用電器家用電器：數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動對焦數(shù)碼

5、相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動對焦-紅外測距傳感器紅外測距傳感器自動感應(yīng)燈：亮度檢測自動感應(yīng)燈：亮度檢測-光敏電阻光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測-熱敏電阻、熱電偶熱敏電阻、熱電偶電話、麥克風(fēng)：話音轉(zhuǎn)換電話、麥克風(fēng)：話音轉(zhuǎn)換-駐極電容傳感器駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測遙控接收：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管光敏二極管、光敏三極管辦公商務(wù)辦公商務(wù)：可視對講、可視電話：圖像獲取可視對講、可視電話：圖像獲取-面陣面陣CCDCCD（Charge-coupled Device，電荷耦合元件，圖像傳感器，電荷耦合元件，圖像傳感器 ）掃描儀：文檔掃描掃描儀：文檔掃描-線陣線陣C

6、CDCCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生醫(yī)療衛(wèi)生：電子血壓計：血壓檢測電子血壓計：血壓檢測 - - 壓力傳感器壓力傳感器血糖測試儀、膽固醇檢測儀血糖測試儀、膽固醇檢測儀 - - 離子傳感器離子傳感器4、測量方法選擇原則、測量方法選擇原則（1 1）被測量本身的特性）被測量本身的特性（2 2）所要求的測量準(zhǔn)確度）所要求的測量準(zhǔn)確度（3 3）測量環(huán)境）測量環(huán)境（4 4）現(xiàn)有測量儀器）現(xiàn)有測量儀器環(huán)境對測量的影響：環(huán)境對測量的影響：A. A. 環(huán)境對被測對象的影響：環(huán)境對被測對象的影響：B. B. 環(huán)境對儀器系統(tǒng)的影響：環(huán)境對儀器系統(tǒng)

7、的影響：C. C. 環(huán)境對測量人員的影響：環(huán)境對測量人員的影響： 環(huán)境對測量的影響 A. 環(huán)境對被測對象的影響：某些被測對象客體（如器件、電路或系統(tǒng)）的性能特性對環(huán)境變化較為敏感或非常敏感，因此，原則上測量應(yīng)在被測對象的正?；蝾~定工作條件下進(jìn)行。 B. 環(huán)境對儀器系統(tǒng)的影響：環(huán)境可能直接或間接地影響到儀器系統(tǒng)本身的某個工作特性，進(jìn)而影響測量結(jié)果，造成測量誤差。特別是某些測量器具的量程廣、頻段寬，而內(nèi)部的元器件數(shù)目甚多，且對外界影響相當(dāng)敏感，錯綜復(fù)雜的影響量所產(chǎn)生的不良效應(yīng)有時會成為測量的嚴(yán)重問題。 C. 環(huán)境對測量人員的影響：高溫、嚴(yán)寒、潮濕、悶氣、嘈雜、照明不適當(dāng)?shù)炔涣脊ぷ鳝h(huán)境，會對測量人員

8、的身心產(chǎn)生不良影響，從而引起不同程度的人身誤差乃至差錯。五、電子測量儀器概述五、電子測量儀器概述1.測量儀器的組成測量儀器的組成力力位移位移 速度速度 加速度加速度 壓力壓力流量流量溫度等溫度等電阻式電阻式電容式電容式電感式電感式 壓電式壓電式熱電式熱電式 光電式光電式磁電式磁電式電橋電橋 放大器放大器濾波器濾波器調(diào)制器調(diào)制器解調(diào)器解調(diào)器運(yùn)算器運(yùn)算器 阻抗變換器阻抗變換器 筆式記錄儀筆式記錄儀光線示波器光線示波器 磁帶記錄儀磁帶記錄儀 電子示波器電子示波器 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器 顯示器顯示器 磁卡磁卡 數(shù)據(jù)處理器數(shù)據(jù)處理器 頻譜分析儀頻譜分析儀 FFT 實(shí)時信號分析儀實(shí)時信號分析儀 電子計

9、算機(jī)電子計算機(jī) 被測對象被測對象 傳感器傳感器 中間變換中間變換測量裝置測量裝置 顯示及顯示及 記錄裝置記錄裝置 結(jié)果結(jié)果處理裝置處理裝置 激發(fā)裝置激發(fā)裝置 2.測量儀器的功能測量儀器的功能變換、傳輸和顯示功能變換、傳輸和顯示功能量值變換量值變換：信號放大與衰減：信號放大與衰減阻抗變換阻抗變換：阻抗匹配、最大功率匹配：阻抗匹配、最大功率匹配頻率變換頻率變換：檢波、斬波、混頻、分頻：檢波、斬波、混頻、分頻倍頻、頻率合成、取樣等倍頻、頻率合成、取樣等波形變換波形變換：整形、限幅、微分、合成：整形、限幅、微分、合成變換等變換等參量變換參量變換：AV、V/F、V/T能量變換能量變換：非電量：非電量 -

10、電量電量（1 1）變換功能）變換功能1.量值變換 量值是指電壓、電流、功率、阻抗、時間等電參量的幅值大小。 量值變換即指把它們的幅值按比例地增大或縮小。 把量值處于難以測量的邊緣狀態(tài)（太小或太大）的被測量，按某一已知比值變換為量值適中的同樣參量進(jìn)行測量。 通過量值變換，可增加測量范圍，提高測量分辨力和精度。 （1）信號放大與衰減 信號放大是為了將微弱的被測信號，放大到足以進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換處理，或能驅(qū)動指示器、記錄器。 測量放大器是指在測量系統(tǒng)中用來放大微弱電壓、電流或電荷信號的放大器。要求低漂移 結(jié)構(gòu)原理：差動直接耦合式、調(diào)制式（斬波穩(wěn)零）和自動穩(wěn)定式三大類。還有高輸入阻抗放大電路、高共模抑制比放

11、大器、電橋放大器、電荷放大器、程控增益放大器、隔離放大器等。 衰減器用來降低測量系統(tǒng)中的信號電平 用途：使大的信號進(jìn)入儀器的測量范圍，或者通過降低信號電平來控制失真，或改進(jìn)阻抗匹配，或?qū)π盘栐慈ヱ畹?分類：電阻式、感應(yīng)式、吸收式、回轉(zhuǎn)式、截止式、電調(diào)式等。 （2）阻抗變換 電子測量中，特別是在微波測量中，當(dāng)將不匹配的負(fù)載與傳輸線連接時，或?qū)⑻卣髯杩共煌膫鬏斁€進(jìn)行連接時，信號傳輸中將產(chǎn)生強(qiáng)烈反射。 為了保證良好的傳輸，必須在傳輸線與負(fù)載之間或不同特征阻抗的傳輸線之間接入一種阻抗變換的雙口網(wǎng)絡(luò)，改變阻抗的大小，實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配。 在信號源的功率放大器輸出電路中，也要求負(fù)載阻抗匹配，常用變壓器等進(jìn)行

12、阻抗變換，以保證最佳功率傳輸。 電子測量儀器輸入端具有很高輸入阻抗，輸入跟隨器則是實(shí)現(xiàn)了輸入通道從高阻到低阻的阻抗變換。 2.頻率變換（1）檢波：交流電壓變成直流電壓 常用磁電式電表，它只能測量直流，交流信號必須檢波成直流信號來測量 （2）斬波：把一個直流電壓調(diào)制成交流電壓，經(jīng)過交流放大，然后再把交流電壓通過反調(diào)制（解調(diào)）還原為直流電壓的過程。 斬波的作用是對微弱的直流電壓進(jìn)行放大 （3）變頻（混頻） 進(jìn)行頻率的加減運(yùn)算。 獲得很寬的頻率覆蓋范圍。 獲得高增益，提高測量儀器的靈敏度。 實(shí)現(xiàn)中頻或低頻替代，以提高測量精度。 實(shí)現(xiàn)頻率的精密測量。 例：例：f=200.020kHzf=200.020

13、kHz220kHz220kHz f f0 0=200kHz=200kHz則則 F=f-fF=f-f0 0=20Hz=20Hz20kHz20kHz覆蓋系數(shù)從覆蓋系數(shù)從1.11.1擴(kuò)展到擴(kuò)展到10001000LC振LC振蕩器蕩器fF=f-f0f0（4）倍頻 倍頻器是頻率綜合技術(shù)中的乘法器。 差頻倍增法 用倍頻法減小測量誤差。 利用電子計數(shù)進(jìn)行頻率測量時，1誤差將決定測量誤差。若KHz，1的相對誤差為10-3，如果先對進(jìn)行103倍的鎖相倍頻后測量，則該項誤差可降為10-6。()xsxsmfmfm ffm f （5）分頻 分頻是于對信號頻率進(jìn)行除法運(yùn)算 （6）頻率合成 頻率合成是把一個（或少量幾個）高

14、穩(wěn)晶振頻率源經(jīng)過一系列綜合的加、減、乘、除四則運(yùn)算，可作為隨意調(diào)節(jié)頻率的高精度信號源。 （7）取樣技術(shù) 取樣門電路將高頻信號進(jìn)行取樣變換，使之以低頻形式復(fù)現(xiàn)出來。 它可以把頻率上限擴(kuò)展到幾GHz甚至幾十GHz。 3.波形變換 （1）整形 將任意形狀的波形變成規(guī)則的脈沖波形， 例如，用于電子計數(shù)器的輸入通道中。 （2）限幅 把信號波形幅度限制在一定范圍內(nèi) （3）微分 由矩形脈沖形成一個窄脈沖。 在電子計數(shù)器、取樣示波器、廣譜信號源中廣泛使用。 （4）合成 多種波形疊加成復(fù)雜波形。 例如合成CRT顯示的視頻信號波形。 （5）變換 方波變成三角波或正弦波，三角波變成正弦波或方波，正弦波變成方波或三角

15、波等。 波形變換技術(shù)廣泛用于多波形函數(shù)發(fā)生器中。 4）參量變換 （1）AV變換電流、電壓、電阻之間的變換 多用表中采用的AV變換，包括交流/直流（AC/DC）、電流/電壓（I/V）和電阻/電壓（/V）的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了交、直流電壓、電流、電阻等多種測量功能。 （2）V/F變換模擬直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率 （3）V/T變換模擬直流電壓轉(zhuǎn)換成時間 （4）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變換 5.能量變換能量變換是泛指其他多種形式的物理量與電學(xué)量之間的變換。傳感器就是能量變換器，即從非電量變換成電量 一般分為參量變換器及電勢變換器兩大類： 參量變換器是將各種物理量變換成電阻、電感、電容或磁導(dǎo)率等。例如，常用的電阻絲應(yīng)變片、電感式變

16、換器、電容式變換器 電勢變換器是將各種物理量變換成電勢、電流等電量的變換器，例如，感應(yīng)變換器、光電變換器、壓電變換器、熱電偶等。 在顯示器中，把電量變換成非電量機(jī)械量、光學(xué)量等。如指針的偏轉(zhuǎn)、發(fā)光的數(shù)碼、字符和圖像等。 6.模/數(shù)和數(shù)/模變換（2 2）處理技術(shù)）處理技術(shù)基本技術(shù)基本技術(shù)：信號運(yùn)算：信號運(yùn)算與處理與處理淺層信息技術(shù)淺層信息技術(shù)：形式上的變換：形式上的變換如基本模擬或數(shù)字運(yùn)算如基本模擬或數(shù)字運(yùn)算深層信息技術(shù)深層信息技術(shù)：優(yōu)化、決策等：優(yōu)化、決策等 信號運(yùn)算與處理是電子測量中的基本技術(shù) 淺層的信息處理基本上屬于對信息的形式化關(guān)系所作的變換或處理，僅僅利用了語法信息的因素。例如，在測量

17、交流電壓的平均值、峰值、有效值時，需要對信號進(jìn)行加、減、乘、除、平方、開方、平均、取絕對值、峰值等運(yùn)算與處理。 深層信息處理（特別是直接與優(yōu)化、決策、認(rèn)知等相聯(lián)系的信息處理）的目的是為了要從原始信息中獲得相關(guān)的“知識” 運(yùn)算電路分為模擬運(yùn)算電路和數(shù)字運(yùn)算電路兩大類 1. 基本模擬運(yùn)算 運(yùn)算放大器輔之以不同的電路元件，可以組成諸如比例、加減、微分、積分、對數(shù)、指數(shù)和乘除等電路2.數(shù)字計算與數(shù)字信號處理 基于數(shù)字邏輯電路的硬件方式：利用現(xiàn)有的各種數(shù)字邏輯門、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器、全加器等，以及各種CPLD、FPGA等可編程邏輯，組成各種數(shù)字邏輯的運(yùn)算與控制單元。 基于微處理器和微型計算機(jī)

18、的嵌入式系統(tǒng)的軟件方式：通過軟件編程，可完成各種數(shù)字與邏輯的運(yùn)算。 它不僅能完成常用的數(shù)學(xué)運(yùn)算，而且能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計運(yùn)算、FFT運(yùn)算等。運(yùn)算功能強(qiáng)、精度高、速度快、靈活性及抗干擾性強(qiáng)。 再加之微機(jī)和單片機(jī)的邏輯運(yùn)算與控制功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代測試儀器系統(tǒng)的智能化、自動化、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化。 （3 3）顯示功能）顯示功能指示式儀表指示式儀表用指針的偏轉(zhuǎn)來表示電量的儀表稱為指示式電工儀表。按工作原理分類，可分為動圈式、動鐵式、電動式、熱電式、靜電式、整流式和感應(yīng)式等。按準(zhǔn)確度等級分類，可分為0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0等共7級。按用途分類，可分為電流表、電壓表、功率表、電能表、功率因數(shù)表

19、、頻率表、相位表、兆歐表、電容表等 被測電流I在可動線圈中流過時產(chǎn)生電磁力F，使可動線圈以軸為中心轉(zhuǎn)動，由此產(chǎn)生與電流I成比例的驅(qū)動力矩Td，帶動指針偏轉(zhuǎn)，從儀表的標(biāo)尺分度讀數(shù)測得電流。 指示式儀表的結(jié)構(gòu)原理 電光顯示器件電光顯示器件發(fā)光二極管（LED）液晶顯示器（LCD）陰極射線管（CRT）CRT可分為電視用、顯示終端用及儀器儀表用幾種類型 2.測量儀器的主要性能指標(biāo)測量儀器的主要性能指標(biāo)（1 1）精度）精度.:.:.:反映精密度與正確度的綜合準(zhǔn)確度度指示值與真值的接近程正確度儀表指示值的分散性精密度（2 2）穩(wěn)定性）穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指在規(guī)定的時間區(qū)間，其他外界條件恒定不變的情況下，保證儀器示值不變的能力。例例 如如 某數(shù)字電壓表的穩(wěn)定度為某數(shù)字電壓表的穩(wěn)定度為: （0.008%Um+0.003%Ux)/8h其含義為：其含義為： 外界條件不變情況下，在外界條件不變情況下，在8小時內(nèi)，測量同一電小時內(nèi)，測量同一電壓，電壓表示值在（壓，電壓表示值在（0.008%Um+0.003%Ux)范圍范圍波動。波動。其中：其中：Um為電壓