電子感測技術的基礎知識

第1章電子感測技術的基礎知識

Chapter1BasicKnowledge§1.1電子測量任務及方法§1.2測量誤差與處理§1.3測量基礎實務——能力目標——能準確的表達測量結果。能針對不同的測量對象正確選用合適的測量方法?！?-1電子測量任務和方法TasksandMethodsofElectronicMeasurement電子測量泛指以電子技術為基本手段的一種測量技術。測量學+電子學電子測量電量間接電量1.電子測量的任務（TasksofElectronicMeasurement）1、主要三參數(shù)：電壓阻抗頻率（數(shù)字量）2、表達四要素：大小正負單位誤差沒有單位的測量數(shù)據(jù)無價值的?。ㄉ贁?shù)相對值和規(guī)定量除外）不帶誤差的測量結果不可信的！例:在一個電阻R1上多次測得直流電壓范圍U=4.75~5.25mV.ER1IUR2R0+-（1）大?。海?）正負：（3）單位：（4）誤差：5+（正）mV絕對誤差±0.25mV或相對誤差±5％測量值三種表達形式：U=4.75~5.25mVU=5±0.25mVU=5mV±5％[訓練任務]能準確的表達測量結果改正下列測量結果的寫法：（1）3.35MHz±5.8kHz（2）7.8500V±0.253V（3）320014Ω±528Ω（4）2.5A±1.683x10－6A參考答案:（1）3350±5.8kHz（2）7.850±0.253V（3）320.014±0.528KΩ（4）2.500x106±1.683uA

被測量y=x的測定值或儀表示值。直接從儀表上讀出被測量，是最基本的測量方法，應用最廣。1)直接測量電子卡尺2.電子測量的方法（MethodsofElectronicMeasurement）2)間接測量y=f(xi)指通過直接測量與被測量有函數(shù)關系的量，通過函數(shù)關系求得被測量值的測量方法。常用于：（1）y不能直接測量（2）直接測量較困難（3）要求測量結果精度更高例：測量功率PP=UI=I2R=U2/Ry=P，x1=U，x2=I，x3=R，均為直接測量所得。（阿基米德測量皇冠的比重）E=I0R0+UE=I1R0+U1E=I2R0+U2R2=∞時，由于電壓表內阻Rv≠∞,產(chǎn)生的誤差與R0值成正比I1=U1/R1I2=U2/R2ER1IUR2R0+-則R0=（U2/U1-1)R13)組合(聯(lián)立)測量yi=f(xi)被測量與多個未知測定值有組成聯(lián)立方程的函數(shù)關系§1.2測量誤差和處理

Measurementerrorandprocession

——能力目標——能看懂相關說明書中常見的誤差表達形式。能根據(jù)要求處理測量結果（含求得誤差），并以多種形式準確表達測量結果。能對三種不同性質的誤差進行適當處理。1.誤差理論Theoryoferror1)電子測量誤差主要來源①儀表誤差②環(huán)境變化③人為誤差特點:絕對誤差是一個具有確定的大小、符號及量綱的量。意義:絕對誤差表示偏離真值的程度。定義:2)誤差表示（重點、難點）（1）絕對誤差absoluteerror[訓練任務1]掌握絕對、相對誤差的表達形式測量值偏離實際值(大小、方向(正負)）測量值真值a0

實際測量的情況下,a0是不存在的,常用實際值a來代替。絕對誤差絕對誤差實際值a有三種情況：相對真值近真值修正后值精度高一級儀表測量值x0=a算術平均值x=ax+c=ac=-Δ修正值(correction)（2）相對誤差relativeerror定義：被測量的真值，常用實際值代替

相對誤差特點：相對誤差只有大小和符號，而無量綱，一般用百分數(shù)來表示。相對誤差常用來衡量測量的準確程度、不確定度。絕對誤差意義:實際相對誤差示值相對誤差引用(滿度)相對誤差相對誤差三種表示形式[訓練任務2]學會相對誤差的應用

現(xiàn)需要購買一個萬用表，用于電壓的測量，被測電壓的范圍大概在1~8V間，要求測量的最大絕對誤差不可超過50mV，暫無其它要求的情況下，問該挑選哪個等級的萬用表呢？應用1：

最大實際相對誤差最大示值相對誤差反映儀表的最大誤差范圍或不確定度三種相對誤差的應用引用(滿度)相對誤差又稱滿度誤差，用于評價儀表精確度

電工儀表共分七級：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0儀表量程（滿度值）最大絕對誤差滿度相對誤差：±0.1%儀表等級=引用相對誤差應用2

用0.5級5A表，分別測量2A和3A電流（理論值），問同樣的量程哪次測量結果更精確呢？=±0.5%ym=5Ax1=2A，x2=3A

先求出△實際相對誤差=△/x1=±2.5×10-2/2=±1.25%=△/x2=±2.5×10-2/3=±0.8%=5A×(±0.5%)=±2.5×10-2A△=結論：同一個儀表同一量程，絕對誤差和引用（滿度）相對誤差是相同的；實際相對誤差、測量相對誤差是不同的。被測值越接近所選擇的量程誤差越小。為了提高測量精度，測量時調整儀表量程使其示值

假如你是一名檢測工程師，抽檢工廠生產(chǎn)的0.5級電流表，量程選擇為30mA。挑選其中一只經(jīng)檢測，絕對誤差在-0.12~0.1mA之間，問該表合格否？解：

=±0.5%，ym=30mA，△=-0.12~0.1mA該表的最大絕對誤差為=30mA×±0.5%=±0.15mA=-0.15~+0.15mA檢測結果△在△m范圍內，因此該表合格。應用3

測量一個約8V的電壓?，F(xiàn)有兩臺電壓表，一臺量程為30V，0.5級，另一臺量程為10V，1.0級。問選那一臺好？解：

應用4

用30V，0.5級電壓表時，最大測量相對誤差用10V，1.0級電壓表時，最大測量相對誤差10V，1.0級電壓表測量該電壓時，精度比較高，選用該表較好。隨機誤差randomerror系統(tǒng)誤差systematicerror粗大誤差grosserror按性質分類3)誤差性質[訓練任務3]了解三種誤差性質及常用處理方法（1）隨機誤差（randomerror）

相同測量條件下，多次測量同一量值時，絕對值和符號以不可預知的方式變化的誤差，稱為隨機誤差或偶然誤差，簡稱隨差。定義：產(chǎn)生原因：

實驗條件的偶然性微小變化，如噪聲干擾、電源波動、元件老化等。誤差不可預知、不重復特征:多次測量時服從正態(tài)（高斯）分布(a)隨機誤差(b)測量數(shù)據(jù)0)(p

xp(x)0隨機誤差和測量數(shù)據(jù)的正態(tài)分布曲線隨差正態(tài)分布圖誤差出現(xiàn)概率P（iD）-3s3siD零界零界0隨機誤差的統(tǒng)計規(guī)律：A)正負誤差對稱性B)中間差小單峰性C)兩邊差大有界性D)多次測量抵償性降低隨差的處理方法:增加測量次數(shù)，進行統(tǒng)計處理，求出誤差范圍（2）系統(tǒng)誤差（systematicerror）

相同測量條件下，多次測量同一量值時，絕對值和符號保持不變，或在條件改變時，按某一確定規(guī)律變化的誤差，稱為系統(tǒng)誤差，簡稱系差。定義：產(chǎn)生原因：

儀表刻度不準，未校零點，預熱不夠和元器件理想化，方法誤差等。處理:特征:1）定值重復性，側后可修正1）從產(chǎn)生根源采取措施，減小誤差2）用修正法加以修正實際值＝測量值＋修正值3）采用特殊測量方法如替代法、交換法、對稱測量法等2）變值規(guī)律性，測前可控制總之：測前電路控制，測后數(shù)據(jù)修正次數(shù)統(tǒng)計隨差小,精密度高精密度：重復測量時，測量結果的分散性準確度：精(確)度：測量平均值與真值的接近程度系差和隨差綜合影響程度系差小,準確度高兩差小,精度高例:打靶中的隨機誤差和系統(tǒng)誤差（3）粗大誤差（grosserror）

明顯偏離真值的誤差，稱為粗大誤差或疏忽誤差、過失誤差，簡稱粗差。定義：產(chǎn)生原因：1）人為差錯2）外界條件突變處理：逐個剔除壞值xj,直到|Δi|≤3σ=△m誤差性質特點產(chǎn)生原因處理方法隨機誤差（隨差）只能處理，不能改善單峰性有界性對稱性抵償性元器件老化外界干擾電源波動量化誤差增加測量次數(shù)算出誤差范圍定出儀表等級和適用范圍系統(tǒng)誤差(系差)可以改善重復性規(guī)律性未校零，刻度不準，預熱不夠，元器件理想化（1）算出修正值，進行修正a=x+C（2）用電路或元器件進行控制粗大誤差(粗差)可以避免和剔除出現(xiàn)壞值人為大錯外界條件突變通過計算識別后予以剔除，多個壞值先剔除最大的一個2.數(shù)據(jù)處理dataprocessing

1)數(shù)據(jù)整理（1）誤差位對齊法：（2）有效數(shù)字取舍法：有效數(shù)字：從左邊非零數(shù)字開始，到右邊末個數(shù)字(含零)的全部數(shù)字。舍入規(guī)則：“四舍五入，偶不入，有尾入”誤差小數(shù)位=數(shù)據(jù)小數(shù)位[例]

對下列數(shù)字取三位有效數(shù)字12.3412.3612.3512.4512.45112.3≤4舍12.4≥6進位12.45前面是奇數(shù)則進位（五入）12.45前面偶數(shù)則不進位（偶不入）12.55后面有尾數(shù)則進位（有尾入）逢五三思

25.3312.4344→ 63.73501→0.69499→25.3251→ 17.6955→123.115→12.4363.740.69

17.70123.12例：將下列數(shù)據(jù)舍入到小數(shù)第二位。N次數(shù)據(jù)xi按序列表NO

YESa△m2)直接測量的數(shù)據(jù)處理說明：系統(tǒng)誤差由電路抵消或修正，其值已很?、賹次測量數(shù)據(jù)，按序列表。n=N-jN……321i。②求出算術平均值③列出剩余誤差，并驗證④計算均方根誤差（標準偏差）⑤按準則，檢查和剔除粗大誤差；重復從②算起，直到所有⑥計算算術平均值的標準偏差⑦寫出最后結果的表達式:

（單位）可認為無系統(tǒng)誤差的測量結果測量結果的表達式：正態(tài)分布算術平均值的最大誤差范圍（極限誤差），超過零界的誤差出現(xiàn)概率只有0.3％測量結果的圖形描述(a)等積平滑法(b)分組折中法(c)對數(shù)壓縮法0yxi0f(Hz)10102101010345U0Ui進一步壓縮0yxi體現(xiàn)了平均方法體現(xiàn)了平均和修正方法1）已知某傳感器的轉換特性為U=8x（mV），當位移量x（mm）=0，1，2，3，4和5時，測得輸出電壓U（mV）=0.18.016.324.131.6和39.7。求出其最大絕對誤差和儀表量程為50mV時的儀表精度等級。2）1.5級電壓表在3V的量程上測量一個實際值為2V的電壓時，求儀表測量值的不確定度和測量值的最大范圍。下列幾種誤差中，屬于隨機誤差的有（），屬于系統(tǒng)誤差的有（），屬于粗大誤差的有（）。（1）儀表未校零；（2）測評時的量化誤差；（3）讀數(shù)錯誤；（4）運放理想化引起的誤差；（5）環(huán)境條件突變；（6）噪聲干擾。2、61、43、5——能力目標——能熟練轉換交流電壓的三值。能熟練換算電壓與電平、功率與電平。能熟練檢測電容、電感，同時測出電流電壓間的相位差,并得出阻抗。能熟練使用萬用表判斷晶體管的好壞，極性和管腳?！?.3測量基礎實務BasicOperationofMeasurement[訓練任務1]掌握交流電壓量值及轉換關系P790U(t)UP+U0UP-UmUPPt(1)峰值(peakvalue)UP正峰值Up＋負峰值Up－幅值(amplitudevalue)Um：峰峰值(peaktopeakvalue)UPP:Um=UPP/2UPP=(UP＋)-(UP-)說明：不同電表均以正弦波有效值U0來標定刻度的，實現(xiàn)了應用的統(tǒng)一性。

(2)有效值(virtualvalue)U有效值又稱均方根值(3)平均值（MeanValue

）:

(4)波峰因數(shù)Kp和波形因數(shù)KF:又稱全波整流后的平均值意義：避免對稱波形平均值為零的情況，反映一個電波的實際平均效果。峰值有效值有效值平均值有效值平均值峰值有效值平均值例1:圖示為一正弦波，其峰峰值為6V，U0=2.5V,求其負峰值、正峰值、幅值、有效值和平均值各為多少？U00Ut讀寫、計算方便如：多級放大器的總放大倍數(shù)為各級放大倍數(shù)相乘，用分貝則可改用相加。能如實地反映人對聲音的感覺實踐證明，聲音的分貝數(shù)增加或減少一倍，人耳聽覺響度也提高或降低一倍。即人耳聽覺與聲音功率分貝數(shù)成正比。如：蚊子叫聲與大炮響聲相差100萬倍，但人的感覺僅有60倍的差異，而100萬倍恰是60dB。[訓練任務2]熟練換算U/dB、P/dB

在電參數(shù)中，常取兩功率或兩電壓之比的對數(shù)，來表示電平（增益、衰減或靈敏度等）。

功率之比的對數(shù)：對兩個功率之比取對數(shù)：若Px=10P0，則，稱作1貝爾（Bel）電平的定義電壓之比的對數(shù)：若R1=R2，則兩邊取對數(shù)，可得：通常Po=1W或1mW是0dB的參考值。功率、電壓和電平間的轉換:在實際應用中，貝爾太大，常用分貝（dB）來度量1貝爾=10dB相對電平：11.25-10.8321010如果1V為0dB，則2V為

dB，20mV為

dB？如果1mW為0dB，則15mW為

dBm，0.3W為

dBm？[解]解題方法可分三步：（1）35dB=10dB+10dB+10dB+3dB+3dB－1dB→10×10×10×2×2×1/1.25=3200（電壓增益為）（2）－35dB→1/3200=3.1×10－4（電壓衰減量為

×10－2）（3）－35dBm→Px/1mw=3.1×10－4mw，則最小輸入功率Px=3.1×10－4mw

[例]某放大器的靈敏度為－35dBm，問其最小輸入功率為多少？阻抗（Z）是描述網(wǎng)絡和系統(tǒng)的一個重要參量在集總電路（Lumpedcircuit）中：表明能量損耗的參量是電阻R（Resistance）

表明系統(tǒng)儲存能量及變化的參量是：

電感L（Inductance）和電容C（Capacity）元件內電磁感現(xiàn)象非常復雜理想電阻Z=R考慮引線電感Z=R+jωL0考慮引線電感和分布電容Z=(R+jωL0)//1/jωC0小值電阻RX的測量

電橋法（惠斯頓電橋法:阻值小<100歐姆，精度高）

復習直流電橋基本原理電橋平衡條件[訓練任務3]了解小值電阻測量方法R1R0R2RxU0伏安法（間接測量，帶電測量）理論依據(jù)：歐姆定律兩種測量電路(a)電流表內接(b)電流表外接可求出中界電阻來選用合適的測量電路[訓練任務4]掌握中界值選擇合適測量方法(a)電流表內接(b)電流表外接電流表內接法的相對誤差：△1=X-a=(RA+Rx)-Rx=RA電流表外接法的相對誤差：△2=X-a=[RVRx/(RV+Rx)]-Rx當γ1=γ2時，求得中界電阻：結論：當RX<ROX時，采用外接法當RX>ROX時，采用內接法電容的主要作用：儲存電能。它由兩片金屬中間夾絕緣介質構成。電容的測量主要包括電容值與電容器損耗（通常用損耗因素D表示）兩部分內容。電感的主要作用：儲存磁場能。它一般是用金屬導線繞制而成。電感的測量主要包括電感量與損耗（通常用品質因素Q表示）兩部分內容。[訓練任務5]掌握阻抗的基本測量方法L-R電路阻抗測量電路示意圖

LX標稱值為100uH，直流時損耗電阻0.3Ω，可以視為理想電感

幅度上的關系為w=2p

、u和uR通過示波器測得，R和w已知利用上式即可測得電感L的大小可以測得從信號源端看進去的阻抗電流i和電壓u之間的相位差設L-R電路以i的相位作為參考，i的相位0°

i、u、uR、uL間的相位關系圖

電感的基本特性是阻礙電流的變化,所以電流總是滯后電壓90度。

C-R電路阻抗測量電路示意圖

電容剛通電的時候電流達到最大,所以電流超前電壓90度。

半導體管的檢測原理：（1）PN結的單向導電性（2）表棒極性原理（模擬表）略1、數(shù)字式萬用表檢測量程檔：晶體管檢測檔[訓練任務6]二、三極管和MOS管極性判別PN結的單向導電性1.PN結加正向電壓時的導電情況外電場方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。耗盡層變薄，PN結呈現(xiàn)低阻性。于是內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；內4外PN結的單向導電性2.PN結加反向電壓時的導電情況外電場與PN結內電場方向相同，增強內電場。耗盡層變厚，PN結呈現(xiàn)高阻性。內電場對多子擴散運動阻礙增強，擴散電流大大減小。少子在內電場的作用下形成的漂移電流加大。此時PN結區(qū)少子漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流。P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。內5外由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。PN結的單向導電性PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。45P113MOSFET是四端器件，G（柵極）、D（漏極）、S（源極）、P（襯底），其中襯底P和S源極一般內部連在一起，因此外面看到的是G、D、S。

制作在P或N型襯底上，本質上SD之間形成二極管。對于N溝MOSFET正極為S，負極為D，P溝相反。MOS管G與其他兩極是絕緣的，與襯底形成柵電容。用萬用表去探測G與D、S間的電阻因該是開路的。計數(shù)法測量fAfB倍頻器分頻器門控

記數(shù)窄脈沖主門t=TA/aT=NtN計數(shù)器門控脈沖T=bTB×a

÷b圖3.14計數(shù)法工作原理門控寬脈沖主門的兩個輸入分別是周期為t的計數(shù)窄脈沖，以及周期為T的門控脈沖。[訓練任務7]掌握計數(shù)法測量頻率和周期的方法t＝TA/a倍頻器(×a)：t0UA分頻器(÷b)：t0UBt0UBT＝bTBt0UA門控：控制主門開、關時間主門：完成計數(shù)的閘門計數(shù)器：計數(shù)、記錄、顯示T＝NtTN四塊電路三端口，二入一出經(jīng)主門，寬控開關窄計數(shù)，越寬越窄高精度。fAfB倍頻器分頻器

門控記數(shù)窄脈沖主門t=TA/aT=NtN計數(shù)器門控脈沖T=bTB

×a

÷b圖3.14計數(shù)法工作原理門控寬脈沖×a÷b門控

1、測量頻率fX

fXfC放大整形