1電子測量概論

1、電子測量技術授課教師：張海輝 TelQQ:4214012 Email:考核辦法平時：40 作業(yè)、課堂交互（20%） 考勤（20%） 考試：60 第1章 電子測量概論1.1 電子測量的基本概念1.2 電子測量的內容與特點1.3 電子測量方法 1.4 電子測量儀器概述本章小結 1.1.1 測量的意義 日常生活中處處離不開測量科學的進步和發(fā)展離不開測量，離開測量就不會有真正的科學。 沒有望遠鏡就沒有天文學，沒有顯微鏡就沒有細胞學，沒有指南針就沒有航海事業(yè) 1.1 電子測量的基本概念 1.1.1 測量的意義（續(xù)）生產發(fā)展離不開測量 農業(yè)社會中，需要丈量土地、衡量谷物，就產生了

2、長度、面積、容積和重量的測量；掌握季節(jié)和節(jié)候，出現了原始的時間測量器具，并有了天文測量?，F代化的工業(yè)生產中，處處離不開測量 例如，一個大型鋼鐵廠需要約2萬個測量點在高新技術和國防現代化建設中則更是離不開測量例如，每種新設計的飛機，需要測試飛機高速飛行中受氣流沖擊作用下的性能，通過風洞試驗測定機身、機翼的受力和振動分布情況，以驗證和改進設計。1.1.2 測量的定義 1.狹義測量的定義測量是為了確定被測對象的量值而進行的實驗過程。在測量過程中，人們借助專門的設備，把被測對象直接或間接地與同類已知單位進行比較，取得用數值和單位共同表示的測量結果。 測量結果測量數值.測量單位1.1.2 測量的定義（續(xù)

3、）測量對象：被測客體中的相應的量值信息；測量目的：從被測對象取得一個定量的認識；測量過程: 通過實驗去認識對象的過程測量方法：比較；A.直接比較 B.間接比較；C.需要測量儀器；測量標準：同類已知單位。測量結果：最終能表示給測量主體（人）1.1.2 測量的定義（續(xù)）被測物體的重量等于標準砝碼的重量被測物體的重量從度盤上讀數，因為，彈簧秤度盤上的刻度是事先與標準量進行比較的結果。1.1.2 測量的定義（續(xù)）2.廣義測量的定義廣義地講，測量不僅對被測的物理量進行定量的測量，而且還包括對更廣泛的被測對象進行定性、定位的測量。例如故障診斷、無損探傷、遙感遙測、礦藏勘探、地震源測定、衛(wèi)星定位等。而測量結

4、果也不僅僅是由量值和單位來表征的一維信息，還可以用二維或多維的圖形、圖像來顯示被測對象的屬性特征、空間分布、拓樸結構等。 廣義測量原理可以從信息獲取過程來說明，包括信息的感知和信息識別兩個環(huán)節(jié)。 1.1.3 測量的基本要素1.測量的基本要素被測對象、測量儀器、測量技術、測量人員和測量環(huán)境 1.1.3 測量的基本要素（續(xù)）1.1.3 測量的基本要素（續(xù)）1.2 電子測量的內容與特點 1.2.1 電子測量的內容(1) 電能量的測量（電流、電壓、功率等）(2) 電信號特性的測量（信號波形、頻率、周期、相位、失真度、調幅度、調頻指數及數字信號的邏輯狀態(tài)等）(3) 電路參數的測量（阻抗、品質因數、電子器

5、件的參數等）(4) 電子設備的性能測量（增益、衰減、靈敏度、頻率特性、噪聲指數等）(5) 特性曲線的測量（幅頻特性、相頻特性及器件特性等） (6) 非電量的測量 圖1.2-1 非電量測量在過程控制中的作用 計算機檢測控制系統(tǒng)原理框圖微機傳感器伺服機構模擬信號處理功率放大模數轉換數模轉換數字接口數字接口 被 測 控 對 象干擾、噪聲、漂移、非線性電子測量的實際應用模擬電子技術數字電子技術電機1.2.2 電子測量的特點 與其他測量相比，電子測量具有以下特點。(1) 測量頻率范圍寬 電子測量中所遇到的測量對象，其頻率覆蓋范圍極寬，低至10-6Hz以下，高至1012Hz以上。當然，不能要求同一臺儀器能

6、在這樣寬的頻率范圍內工作。通常是根據不同的工作頻段，采用不同的測量原理和使用不同的測量儀器。 (2) 測量量程寬 量程是測量范圍的上下限值之差或上下限值之比。電子測量的另一個特點是被測對象的量值大小相差懸殊。 例如，地面上接收到的宇宙飛船自外空發(fā)來的信號功率，低到10-14 W數量級，而遠程雷達發(fā)射的脈沖功率，可高達108W以上，兩者之比為1:1022。(3) 測量準確度高相對其它測量方法，電子測量的準確度要高得多。例如，長度測量的最高準確度為10-8量級，而對頻率和時間的測量，由于采用原子頻標和原子秒作為基準，使得測量準確度可以達到10-15的量級，這是目前人類在測量準確度方面達到的最高指標

7、。 (4) 測量速度快 由于電子測量是基于電子運動和電磁波的傳播，加之現代測試系統(tǒng)中高速電子計算機的應用，使得電子測量無論在測量速度，還是在測量結果的處理和傳輸，都可以以極高的速度進行，這也是電子測量技術廣泛用于現代科技各個領域的重要原因。 (5) 可以進行遙測電子測量依據的是電子的運動和電磁波的傳播，因此可以： 現場各待測量轉換成易于傳輸的電信號，用有線或無線的方式傳送到測試控制臺(中心)，從而實現遙測和遙控。這使得對那些遠距離的，高速運動的，或其他人們難以接近地方的信號測量成為可能。 (6) 易于實現測試智能化和測試自動化隨著電子計算機尤其是功耗低、體積小、處理速度快、可靠性高的微型計算機

8、的出現，給電子測量理論、技術和設備帶來了新的革命。 (7) 易于實現儀器小型化隨著微電子器件集成度的不斷提高，可編程器件和微處理器及ASIC電路的采用，使電子儀器正向著小型化發(fā)展。1.3 電子測量方法1.3.1 電子測量方法的分類1. 按測量方法分類 (1) 直接測量：指直接從測量儀表的讀數獲取被測量量值的方法，例如用電壓表測量晶體管的工作電壓，用歐姆表測量電阻阻值，用計數式頻率計測量頻率等。(2) 間接測量：利用直接測量的量與被測量之間的函數關系(可以是公式、曲線或表格等)，間接得到被測量量值的測量方法。例如，測量電阻消耗的功率P=UI=I2R=U2/R。 (3) 組合測量：當某項測量結果需

9、用多個未知參數表達時，可通過改變測量條件進行多次測量，根據測量量與未知參數間的函數關系列出方程組并求解。 例如：電阻器電阻溫度系數的測量。已知電阻器阻值Rt與溫度t間滿足關系：2. 按測量方式分類(l) 偏差式測量法（直讀法） 在測量過程中，用儀器儀表指針的位移(偏差)表示被測量大小的測量方法，稱為偏差式測量法。例如使用萬用表測量電壓、電流等。由于是從儀表刻度上直接讀取被測量，包括大小和單位，因此這種方法也叫直讀法。事先需要用標準量具對儀表讀數、刻度進行校準，實際測量時根據指針偏轉大小確定被測量量值。 (2) 零位式測量法（比較法） 零位式測量法又稱作零示法或平衡式測量法。測量時用被測量與標準

10、量相比較(因此也叫作比較測量法)，用指零儀表(零示器)指示被測量與標準量相等(平衡)，從而獲得被測量。例如：用惠斯登電橋測量電阻(或電容、電感)，當電橋平衡時，可以得到:(3) 微差式測量法 偏差式測量法和零位式測量法相結合，構成微差式測量法。它通過測量待測量與標準量之差(通常該差值很小)來得到待測量量值，如圖1.3-2所示。3. 按被測量的性質分類(1) 時域測量 時域測量也叫作瞬態(tài)測量，主要測量被測量隨時間的變化規(guī)律。例如用示波器觀察脈沖信號的上升沿、下降沿、平頂降落等脈沖參數以及動態(tài)電路的暫態(tài)過程等。(2) 頻域測量 頻域測量也稱為穩(wěn)態(tài)測量，主要目的是獲取待測量與頻率之間的關系。如用頻譜

11、分析儀分析信號的頻譜、測量放大器的幅頻特性、相頻特性等。(3) 數據域測量數據域測量也稱為邏輯量測量，主要是用邏輯分析儀等設備對數字量或電路的邏輯狀態(tài)進行測量。例如，微處理器地址線、數據線上的信號，可以顯示其時序波形，也可以用“1”、“0”、顯示其邏輯狀態(tài)。(4) 隨機量測量 隨機測量又叫作統(tǒng)計測量，主要是對各類噪聲、干擾信號進行動態(tài)測量和統(tǒng)計分析。除了上述幾種常見的分類方法外：按照對測量精度的要求，可以分為精密測量和工程測量；按照測量時測量者對測量過程的干預程度分為自動測量和非自動測量；按照被測量與測量結果獲取地點的關系分為本地(原位)測量和遠地測量(遙測)，接觸測量和非接觸測量；按照被測量

12、的屬性分為電量測量和非電量測量等等。1.3.2 選擇測量方法的原則在選擇正確的測量方法和合適的測量儀器時，要首先確定： 被測量本身的特性； 所要求的測量準確度； 測量環(huán)境； 現有測量設備等。例1 直接用萬用表只R1 正電阻檔測量晶體管發(fā)射結結電阻，由于限流電阻過小而使基極注入電流很大，將晶體管損壞。 例2 用電壓表測量高內阻電路端電壓，如圖1.3-4所示。虛線框內表示放大器輸出端等效電路，Rv表示測量用電壓表內阻。 圖1.3-4 電壓表內阻的影響假設Rv=10M，且不考慮其它因素，則電壓為相對誤差:若Rv120k，則電壓為電壓:相對誤差:電壓:1. 4 電子測量儀器概述測量儀器是將被測量轉換成

13、可供直接觀察的指示值或等效信息的器具，包括指示儀器、比較儀器、記錄儀器、傳感器和變送器等。利用電子技術對各種待測量進行測量的設備，統(tǒng)稱為電子測量儀器。1.4.1 電子測量儀器的分類一般分為專用儀器和通用儀器。專用儀器為某一個或幾個專門目的而設計的，如電視彩色信號發(fā)生器。通用儀器是為了測量某一個或幾個電參數而設計的，它能用于多種電子測量，如電子示波器等。1. 通用電子儀器按功能分：(1) 信號發(fā)生器：提供測量的各種波形信號，例如高頻、低頻、脈沖、函數及噪聲等信號發(fā)生器。圖1.4-1 信號發(fā)生器(2) 信號分析儀：用于觀測、分析和記錄各種電量的變化，例如示波器、頻譜分析儀和邏輯分析儀。示波器GSP

14、-827頻譜分析儀邏輯分析儀(3) 頻率、時間及相位測量儀，包括各種頻率計(常用電子計數儀)、相位計，以及各種時間、頻率標準等；FC2130頻率計(4) 網絡特性測量儀，例如掃頻儀、阻抗測量儀及網絡分析儀；(5) 電子元器件測試儀，例如，RLC測試儀、晶體管參數測試儀、晶體管特性圖示儀、集成電路測試儀等；(6) 電波特性測試儀，例如測試接收機、場強儀、干擾測試儀等。 (7) 輔助儀器，例如，各種放大器、衰減器、檢波器、記錄儀等。2. 按顯示方式分，電子測量儀器有模擬式和數字式兩大類。模擬式電子測量儀器主要是用指針方式直接將被測量的電參數轉換為機械位移，在標度尺上指示出測量數值，如各種模擬電子電

15、壓表、指針式萬用表。指針式萬用表DA-16晶體管毫伏表數字式電子測量儀器是將被測的連續(xù)變化的模擬量轉換為數字量，并以數字方式顯示其測量數據，達到直觀、準確快速的效果，如各種數字電壓表、數字頻率計等。數字萬用表智能數字萬用表1.4.2 電子測量儀器的發(fā)展電子儀器的發(fā)展大體經歷了如下四個階段：(1) 模擬儀器階段(2) 數字儀器階段(3) 智能儀器階段(4) 虛擬儀器階段1.4.3 測量儀表的主要性能指標 從測量結果角度評價測量儀表的性能，主要包括： 1. 精度 精度是指測量儀器的讀數或測量結果與被測量真值相一致的程度。精度高，誤差小，精度低，則誤差大。因此，精度不僅用來評價測量儀器的性能，也是評

16、定測量結果最主要、最基本的指標。精度又可用精密度、準確度和精確度三個指標加以表征。 精密度 () 精密度表示在同一測量條件下對同一被測量進行多次測量時，得到的測量結果的分散程度，反映了隨機誤差的影響。精密度高，測量結果的重復性好。例如，某電壓表的精密度為0.1V，即表示用它對同一電壓進行測量時，得到的各次測量值的分散程度不大于0.1V。 準確度 ()準確度說明儀表指示值與真值的接近程度，反映了系統(tǒng)誤差(例如儀器中放大器的零點漂移、接觸電位差等等)的影響。準確度高，系統(tǒng)誤差小。例如，某電壓表的正確度是0.1V，則該電壓表測量電壓時的指示值與真值之差不大于0.1V。我國電工儀表的分級，就是按準確度

17、來確定的。 精確度 ()精確度是精密度和準確度的綜合反映。精確度高，即精密度和準確度都高，則系統(tǒng)誤差和隨機誤差都小，最終測量結果的可信賴度高。 例：用射擊比喻測量，以靶心比作被測量真值，以靶上的彈著點表示測量結果。2. 穩(wěn)定性穩(wěn)定度也稱穩(wěn)定誤差，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，儀器示值變化的大小。造成這種示值變化的原因主要是儀器內部各元器件的特性、參數不穩(wěn)定和老化等因素。穩(wěn)定度可以用示值絕對變化量與時間一起表示。 3. 輸入阻抗測量儀表的接入改變了被測電路的阻抗特性，這種現象稱為負載效應。為了降低負載效應以提高測量精度，通常對這類測量儀表的輸入阻抗都有一定要求。測量儀表的負

18、載效應4. 靈敏度 靈敏度表示測量儀表對被測量變化的敏感程度，一般定義為測量儀表指示值(指針的偏轉角度、數碼的變化、位移的大小等)增量 y與被測量增量x之比。 如SR37A型雙蹤示波器的最高偏轉靈敏度是2mV/cm5. 線性度 線性度是測量儀表輸入輸出特性之一，表示儀表的輸出量(示值)隨輸入量(被測量)變化的規(guī)律。若儀表的輸出為y，輸入為x，兩者關系用函數zf(x)表示，如果yf(x)為y一x平面上過原點的直線，則稱之為線性刻度特性，否則稱為非線性刻度特性。 由于各類測量儀器的原理各異，不向的測量儀器可能呈現不同的刻度特性。如常用的萬用表的電阻檔，具有上凸的非線性刻度特性，而數字電壓表，具有線性刻度特性，分別如圖1.4.3中(a)、(b)所示。 圖1.4.3 歐姆表和數字電壓表的刻度特性曲線6. 動態(tài)特性 測量儀表的動態(tài)特性表示儀表的輸出響應隨輸入變化的能力。例如模擬電壓表由于動圈式表頭指針慣性、軸承摩擦、空氣阻尼等因素的作用，使得儀表的指針不能瞬間穩(wěn)定在固定值上。又如示波器的垂直偏轉系統(tǒng)，由于輸入電容等因素的影響，造成輸出波形對輸入信號的滯后與畸變，示波器的瞬態(tài)響應就表示了這種儀器的動態(tài)特性。本章小結