第1章 电子测量基本概念

1、2014年2月电子测量技术基础 办公室：办公室：42134213 电话：电话：1890574825718905748257 e-mail e-mail：aijuan-考核要求：考核要求： 考试时间考试时间：第：第10周周,不允许带不允许带复印复印件及件及打印打印件件 总评成绩总评成绩=期末考试期末考试50%(开卷开卷)+平时成绩平时成绩50% 评定项目项目细化所占比例依 据自主学习研究评价60%课外合作研讨40%研讨报告、研讨表现等实验完成+报告60%现场实验完成情况、质量；各次实验报告书写质量。过程性学习评价40%课堂表现40%出勤、课堂记录；提问和问题回答作业60%作业完成及质量平时成绩的

2、组成课程内容： 测量基础理论 误差理论 测量仪器 信号发生器 示波器 主要电参数测量 电压测量课程特点： 信息量大、概念多、实践性强先修课程： 电路分析、模拟电子技术、数字电子技术参考书目： 中国计量出版社，蒋焕文，电子测量 中国计量出版社，陶时澍，电气测量技术 东南大学出版社，杨吉祥，电子测量技术基础 国外电子测量技术杂志 中国仪器与测量网 电子测量的基本概念 电子测量的内容和特点 电子测量的方法 电子测量仪器的发展 电子测量仪器概述第1章 电子测量的基本概念一、电子测量的基本概念一、电子测量的基本概念3、电子测量的应用、电子测量的应用 教学实验、气象预报、大地测绘、灾教学实验、气象预报、大

3、地测绘、灾情预报、交通指挥、情预报、交通指挥、 涵盖涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空吃穿用、农轻重、海陆空例如例如:在汽车中的应用在汽车中的应用发动机发动机：向发动机的电子控制单元（向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等等 汽车传感器汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装普通轿车：约安装几十到近百只传感器

4、几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达豪华轿车：传感器数量可多达二百只以上二百只以上。 底底 盘盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车车 身身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等等 在日常生活中的应用在日常生活中的应用 家用电器家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码

5、相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器红外测距传感器自动感应灯：亮度检测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器驻极电容传感器遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管办公商务办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取可视对讲、可视电话：图像获取-面阵面阵CCDCCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件，图像传感器，电荷耦合元件，图像传感器 ）扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵C

6、CDCCD红外传输数据：红外检测红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管医疗卫生医疗卫生：电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测 - - 压力传感器压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪 - - 离子传感器离子传感器4、测量方法选择原则、测量方法选择原则（1 1）被测量本身的特性）被测量本身的特性（2 2）所要求的测量准确度）所要求的测量准确度（3 3）测量环境）测量环境（4 4）现有测量仪器）现有测量仪器环境对测量的影响：环境对测量的影响：A. A. 环境对被测对象的影响：环境对被测对象的影响：B. B. 环境对仪器系统的影响：环境对仪器系统

7、的影响：C. C. 环境对测量人员的影响：环境对测量人员的影响： 环境对测量的影响 A. 环境对被测对象的影响：某些被测对象客体（如器件、电路或系统）的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感，因此，原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行。 B. 环境对仪器系统的影响：环境可能直接或间接地影响到仪器系统本身的某个工作特性，进而影响测量结果，造成测量误差。特别是某些测量器具的量程广、频段宽，而内部的元器件数目甚多，且对外界影响相当敏感，错综复杂的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题。 C. 环境对测量人员的影响：高温、严寒、潮湿、闷气、嘈杂、照明不适当等不良工作环境，会对测量人员

8、的身心产生不良影响，从而引起不同程度的人身误差乃至差错。五、电子测量仪器概述五、电子测量仪器概述1.测量仪器的组成测量仪器的组成力力位移位移 速度速度 加速度加速度 压力压力流量流量温度等温度等电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式 压电式压电式热电式热电式 光电式光电式磁电式磁电式电桥电桥 放大器放大器滤波器滤波器调制器调制器解调器解调器运算器运算器 阻抗变换器阻抗变换器 笔式记录仪笔式记录仪光线示波器光线示波器 磁带记录仪磁带记录仪 电子示波器电子示波器 半导体存储器半导体存储器 显示器显示器 磁卡磁卡 数据处理器数据处理器 频谱分析仪频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪实时信号分析仪 电子计

9、算机电子计算机 被测对象被测对象 传感器传感器 中间变换中间变换测量装置测量装置 显示及显示及 记录装置记录装置 结果结果处理装置处理装置 激发装置激发装置 2.测量仪器的功能测量仪器的功能变换、传输和显示功能变换、传输和显示功能量值变换量值变换：信号放大与衰减：信号放大与衰减阻抗变换阻抗变换：阻抗匹配、最大功率匹配：阻抗匹配、最大功率匹配频率变换频率变换：检波、斩波、混频、分频：检波、斩波、混频、分频倍频、频率合成、取样等倍频、频率合成、取样等波形变换波形变换：整形、限幅、微分、合成：整形、限幅、微分、合成变换等变换等参量变换参量变换：AV、V/F、V/T能量变换能量变换：非电量：非电量 -

10、电量电量（1 1）变换功能）变换功能1.量值变换 量值是指电压、电流、功率、阻抗、时间等电参量的幅值大小。 量值变换即指把它们的幅值按比例地增大或缩小。 把量值处于难以测量的边缘状态（太小或太大）的被测量，按某一已知比值变换为量值适中的同样参量进行测量。 通过量值变换，可增加测量范围，提高测量分辨力和精度。 （1）信号放大与衰减 信号放大是为了将微弱的被测信号，放大到足以进行各种转换处理，或能驱动指示器、记录器。 测量放大器是指在测量系统中用来放大微弱电压、电流或电荷信号的放大器。要求低漂移 结构原理：差动直接耦合式、调制式（斩波稳零）和自动稳定式三大类。还有高输入阻抗放大电路、高共模抑制比放

11、大器、电桥放大器、电荷放大器、程控增益放大器、隔离放大器等。 衰减器用来降低测量系统中的信号电平 用途：使大的信号进入仪器的测量范围，或者通过降低信号电平来控制失真，或改进阻抗匹配，或对信号源去耦等 分类：电阻式、感应式、吸收式、回转式、截止式、电调式等。 （2）阻抗变换 电子测量中，特别是在微波测量中，当将不匹配的负载与传输线连接时，或将特征阻抗不同的传输线进行连接时，信号传输中将产生强烈反射。 为了保证良好的传输，必须在传输线与负载之间或不同特征阻抗的传输线之间接入一种阻抗变换的双口网络，改变阻抗的大小，实现阻抗的匹配。 在信号源的功率放大器输出电路中，也要求负载阻抗匹配，常用变压器等进行

12、阻抗变换，以保证最佳功率传输。 电子测量仪器输入端具有很高输入阻抗，输入跟随器则是实现了输入通道从高阻到低阻的阻抗变换。 2.频率变换（1）检波：交流电压变成直流电压 常用磁电式电表，它只能测量直流，交流信号必须检波成直流信号来测量 （2）斩波：把一个直流电压调制成交流电压，经过交流放大，然后再把交流电压通过反调制（解调）还原为直流电压的过程。 斩波的作用是对微弱的直流电压进行放大 （3）变频（混频） 进行频率的加减运算。 获得很宽的频率覆盖范围。 获得高增益，提高测量仪器的灵敏度。 实现中频或低频替代，以提高测量精度。 实现频率的精密测量。 例：例：f=200.020kHzf=200.020

13、kHz220kHz220kHz f f0 0=200kHz=200kHz则则 F=f-fF=f-f0 0=20Hz=20Hz20kHz20kHz覆盖系数从覆盖系数从1.11.1扩展到扩展到10001000LC振LC振荡器荡器fF=f-f0f0（4）倍频 倍频器是频率综合技术中的乘法器。 差频倍增法 用倍频法减小测量误差。 利用电子计数进行频率测量时，1误差将决定测量误差。若KHz，1的相对误差为10-3，如果先对进行103倍的锁相倍频后测量，则该项误差可降为10-6。()xsxsmfmfm ffm f （5）分频 分频是于对信号频率进行除法运算 （6）频率合成 频率合成是把一个（或少量几个）高

14、稳晶振频率源经过一系列综合的加、减、乘、除四则运算，可作为随意调节频率的高精度信号源。 （7）取样技术 取样门电路将高频信号进行取样变换，使之以低频形式复现出来。 它可以把频率上限扩展到几GHz甚至几十GHz。 3.波形变换 （1）整形 将任意形状的波形变成规则的脉冲波形， 例如，用于电子计数器的输入通道中。 （2）限幅 把信号波形幅度限制在一定范围内 （3）微分 由矩形脉冲形成一个窄脉冲。 在电子计数器、取样示波器、广谱信号源中广泛使用。 （4）合成 多种波形叠加成复杂波形。 例如合成CRT显示的视频信号波形。 （5）变换 方波变成三角波或正弦波，三角波变成正弦波或方波，正弦波变成方波或三角

15、波等。 波形变换技术广泛用于多波形函数发生器中。 4）参量变换 （1）AV变换电流、电压、电阻之间的变换 多用表中采用的AV变换，包括交流/直流（AC/DC）、电流/电压（I/V）和电阻/电压（/V）的转换，实现了交、直流电压、电流、电阻等多种测量功能。 （2）V/F变换模拟直流电压转换为频率 （3）V/T变换模拟直流电压转换成时间 （4）网络参数的变换 5.能量变换能量变换是泛指其他多种形式的物理量与电学量之间的变换。传感器就是能量变换器，即从非电量变换成电量 一般分为参量变换器及电势变换器两大类： 参量变换器是将各种物理量变换成电阻、电感、电容或磁导率等。例如，常用的电阻丝应变片、电感式变

16、换器、电容式变换器 电势变换器是将各种物理量变换成电势、电流等电量的变换器，例如，感应变换器、光电变换器、压电变换器、热电偶等。 在显示器中，把电量变换成非电量机械量、光学量等。如指针的偏转、发光的数码、字符和图像等。 6.模/数和数/模变换（2 2）处理技术）处理技术基本技术基本技术：信号运算：信号运算与处理与处理浅层信息技术浅层信息技术：形式上的变换：形式上的变换如基本模拟或数字运算如基本模拟或数字运算深层信息技术深层信息技术：优化、决策等：优化、决策等 信号运算与处理是电子测量中的基本技术 浅层的信息处理基本上属于对信息的形式化关系所作的变换或处理，仅仅利用了语法信息的因素。例如，在测量

17、交流电压的平均值、峰值、有效值时，需要对信号进行加、减、乘、除、平方、开方、平均、取绝对值、峰值等运算与处理。 深层信息处理（特别是直接与优化、决策、认知等相联系的信息处理）的目的是为了要从原始信息中获得相关的“知识” 运算电路分为模拟运算电路和数字运算电路两大类 1. 基本模拟运算 运算放大器辅之以不同的电路元件，可以组成诸如比例、加减、微分、积分、对数、指数和乘除等电路2.数字计算与数字信号处理 基于数字逻辑电路的硬件方式：利用现有的各种数字逻辑门、译码器、触发器、寄存器、计数器、全加器等，以及各种CPLD、FPGA等可编程逻辑，组成各种数字逻辑的运算与控制单元。 基于微处理器和微型计算机

18、的嵌入式系统的软件方式：通过软件编程，可完成各种数字与逻辑的运算。 它不仅能完成常用的数学运算，而且能实现统计运算、FFT运算等。运算功能强、精度高、速度快、灵活性及抗干扰性强。 再加之微机和单片机的逻辑运算与控制功能，实现现代测试仪器系统的智能化、自动化、虚拟化和网络化。 （3 3）显示功能）显示功能指示式仪表指示式仪表用指针的偏转来表示电量的仪表称为指示式电工仪表。按工作原理分类，可分为动圈式、动铁式、电动式、热电式、静电式、整流式和感应式等。按准确度等级分类，可分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0等共7级。按用途分类，可分为电流表、电压表、功率表、电能表、功率因数表

19、、频率表、相位表、兆欧表、电容表等 被测电流I在可动线圈中流过时产生电磁力F，使可动线圈以轴为中心转动，由此产生与电流I成比例的驱动力矩Td，带动指针偏转，从仪表的标尺分度读数测得电流。 指示式仪表的结构原理 电光显示器件电光显示器件发光二极管（LED）液晶显示器（LCD）阴极射线管（CRT）CRT可分为电视用、显示终端用及仪器仪表用几种类型 2.测量仪器的主要性能指标测量仪器的主要性能指标（1 1）精度）精度.:.:.:反映精密度与正确度的综合准确度度指示值与真值的接近程正确度仪表指示值的分散性精密度（2 2）稳定性）稳定性稳定性是指在规定的时间区间，其他外界条件恒定不变的情况下，保证仪器示值不变的能力。例例 如如 某数字电压表的稳定度为某数字电压表的稳定度为: （0.008%Um+0.003%Ux)/8h其含义为：其含义为： 外界条件不变情况下，在外界条件不变情况下，在8小时内，测量同一电小时内，测量同一电压，电压表示值在（压，电压表示值在（0.008%Um+0.003%Ux)范围范围波动。波动。其中：其中：Um为电压