电子测量技术基础-第1章-2

1、E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础1E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 测量的基本概念 测量的意义、定义、基本要素 计量的基本概念 计量的定义和意义、单位和单位制、基准和标准、测量基准的权威性和相对性、测量标准的传递 测量信息的获取原理 信息的概念、信息的感知、信息的识别2E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 电子测量的内容 电能量、电信号特性、电路元件参数和电子设备性能的测量 电子测量的特点 测量频率范围宽、量程宽、准确度高低相差悬殊、测量速度快、可遥测、易于实现测试智能化、影响因素多、误差处理复杂 电子测量的一般方法 按测量手续分类；按测量方式分类；按被测量的性

2、质分类；测量方法 电子测量仪器概述 电子测量仪器的功能；测量仪器的主要性能指标；测量仪器的分类3E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.4.1 电子测量的意义电子测量的意义 20世纪30年代，便开始了测量科学与电子科学的结合，产生了电子测量技术 具有极快的速度 具有极精细的分辨能力，很宽的作用范围。 极有利于信息传递 极为灵活的变换技术。 巨大的信息处理能力 4E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础5 1.4.2 电子测量的内容电子测量的内容 (1) 电子测量的定义是指以电子科技理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量。 从狭义上讲，电子测量则是利用电子

3、技术对电子学中有关的电量所进行的测量。 (2) 电量测量 电路元件参数测量电路元件参数测量 包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等的测量。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3大类基础元件的参数：电阻器、电容器、电 感器的有关参数。 1.电阻器参数 标称阻值：电阻器设计所确定的，通常在电阻器上标出的电阻值。 额定电压：用标称阻值与额定功耗乘积的平方根计算出的直流或交流有效值电压。 临界阻值：额定电压等于元件极限电压时的阻值。 元件极限电压：可以连续地施加在电阻器两个引出端上的最大直流或交流有效值电压。 额定功耗：在70环境温度下，进行70耐久试验，并且不超过该试验的允许

4、阻值变化的最大允许功耗。 电阻器的温度特性：可表示为电阻温度特性或电阻温度系数。6E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 2.电容器参数 标称电容量：电容器设计所确定的、通常在电容器上所标出的电容量值。 类别温度范围：电容器设计所确定的能连续工作的环境温度范围，该范围取决于电容器相应类别的温度极值。 额定温度：可以连续施加额定电压的最高环境温度。 时间常数：绝缘电阻和电容量的乘积，通常以秒表示。 损耗角正切：在规定频率的正弦电压下，电容器的损耗功率除以电容器的无功功率。 电容器的温度特性：是在类别温度范围内给定一个温度范围所出现的电容量的最大可逆变化，通常是以20为基准温度的电容量与有关

5、温度的电容量的百分比表示。7E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 3.电感器参数 标称电感值：电感器设计所规定的，通常标志在电感器上的电感值。 Q值：在正弦波作用下，电感器在一周期内贮存能量与损耗能量之比。 直流电阻：应使用低直流电压，在尽量短的时间内通电测量，以符合下式：R=U/I 类别温度范围：电感器设计所规定的能连续工作的环境温度范围，该范围取决于电感器的相应类别的温度极限值。 电感器的温度特性：电感器在给定的类别温度范围内出现的电感值最大可逆变化。通常以参考温度（20 ）的电感值与有关温度的电感值的百分比来表示。8E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础9 1.4.2 电子

6、测量的内容电子测量的内容 (1) 电子测量的定义是指以电子科技理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量。 从狭义上讲，电子测量则是利用电子技术对电子学中有关的电量所进行的测量。 (2) 电量测量 电路元件参数测量电路元件参数测量 包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等的测量。 电能量测量电能量测量 包括各种频率及波形下的电压、电流、功率、电场强度等的测量。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础10 1.4.2 电子测量的内容电子测量的内容(续续) 电信号特征的测量电信号特征的测量 包括信号、频率、周期、时间、相位、调幅度、调频指数、失真度、噪音以及数

7、字信号的逻辑状态等的测量。 电子设备性能的测量电子设备性能的测量 包括增益、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声系数的测量。频率、时间、电压、相位、阻抗 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础11 1.4.2 电子测量的内容电子测量的内容(续续) (3) 非电量测量水污染核工业东风系列导弹地震E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.4.2 电子测量的内容电子测量的内容(续续) (3) 非电量测量 各种敏感元件和传感装置将非电量如位移、速度、温度、压力、流量、物面高度、物质成分等变换成电信号，再利用电子测量设备进行测量。12非电量测量在过程控制中的作用E-mail: 西南科技大学

8、电子测量技术基础 1.4.2 电子测量的内容电子测量的内容(续续) (3) 非电量测量 各种敏感元件和传感装置将非电量如位移、速度、温度、压力、流量、物面高度、物质成分等变换成电信号，再利用电子测量设备进行测量。13非电量测量在过程控制中的作用E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.4.2 电子测量的内容电子测量的内容(续续) (3) 非电量测量 各种敏感元件和传感装置将非电量如位移、速度、温度、压力、流量、物面高度、物质成分等变换成电信号，再利用电子测量设备进行测量。14非电量测量在过程控制中的作用E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.4.2 电子测量的内容电子测量的内

9、容(续续) (3) 非电量测量 各种敏感元件和传感装置将非电量如位移、速度、温度、压力、流量、物面高度、物质成分等变换成电信号，再利用电子测量设备进行测量。15非电量测量在过程控制中的作用E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.4.2 电子测量的内容电子测量的内容(续续) (3) 非电量测量 各种敏感元件和传感装置将非电量如位移、速度、温度、压力、流量、物面高度、物质成分等变换成电信号，再利用电子测量设备进行测量。16非电量测量在过程控制中的作用E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.4.3 电子测量的特点电子测量的特点 (1) 测量频率范围宽测量频率范围宽 被测信号的频率

10、范围除测量直流外，测量交流信号的频率范围低至10-6Hz以下，高至THz(1THz=1012Hz) (2) 测量量程宽测量量程宽 地面上接收到的宇宙飞船自外空发来的信号功率，低到10-14W数量级，而远程雷达发射的脉冲功率，可高达土108W以上，两者之比为1：1022 (3) 测量准确度高低相差悬殊测量准确度高低相差悬殊 用电子测量方法对频率和时间进行测量时，由于采用原子频标和原子秒作为基准，可以使测量准确度达到10-1310-14的数量级。 可惜除了频率和时间的测量准确度很高之外，其他参数的测量准确度相对都比较低。17E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础18E-mail: 西南科技大

11、学电子测量技术基础19E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础20日本神冈中微子探测器日本神冈中微子探测器E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础21法国瑞士边界的超大粒子加速器E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础22法国瑞士边界的超大粒子加速器E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.4.3 电子测量的特点电子测量的特点(续续) (4) 测量速度快测量速度快 因为电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作 (5) 可以进行遥测可以进行遥测 (6) 易于实现测试智能化和测试自动化易于实现测试智能化和测试自动化 电子测试技术与计算机技术的紧密结合与相互促进，为测量领域带来

12、了极为美好的前景 (7) 影响因素众多，误差处理复杂影响因素众多，误差处理复杂 外部：环境温度、湿度、电源电压，外界电磁干扰等 内部：各元器件之间、测量与被测量装置之间无处无时不在的寄生电容、电感、电导等23E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.5.1 按测量手续分类按测量手续分类 (1)直接测量用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值。 (2)间接测量对与未知待测量y有确切函数关系的其他变量x(或n个变量)进行直接测量，然后再通过函数 ，计算出待测量y。 例如：P = UI2412( )( ,)nyf xyf x xx或E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.5

13、.1 按测量手续分类按测量手续分类(续续) (3)组合测量当某项测量结果需用多个未知参数表达时，可通过改变测量条件进行多次测量，根据测量量与未知参数间的函数关系列出方程组并求解，进而得到未知量。 一个典型的例子是电阻器电阻温度系数的测量。已知电阻器阻值Rt与温度t间 满足关系 如果 、R20未知，显然可在三个不同的温度下，分别测得 ，列出由三个方程构成的方程组并求解，进而得到只R20 、 。25220)20()20(ttRRt、321tttRRR、E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.5.2 按测量方式分类按测量方式分类 (1)偏差式测量法 在测量过程中，用仪器仪表指针的位移(偏差

14、)表示被测量大小的测量方法，称为偏差式测量法26E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.5.2 按测量方式分类按测量方式分类(续续) (2)零位式测量法 零位式测量法又称作零示法或平衡式测量法。测量时用被测量与标准量相比较，用指零仪表(零示器)指示被测量与标准量相等(平衡)， 从而获得被测量。典型例子惠斯登电桥测量电阻(或电容、电感) 当PA的指针为0时，A、B两点点位相等，则有： I1 = Ix , I2 = I4; I1R1 = IxRx , I2R2 = I4R4 则：27421RRRRxE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.5.2 按测量方式分类按测量方式分类(续

15、续) (3)微差式测量法 偏差式测量法和零位式测量法相结合，构成微差式测量法。它通过测量待测量与际准量之差(通常该差值很小)来得到待测量量值。28E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.5.3 按被测量的性质分类按被测量的性质分类 (1) 频域测量 幅值和相位随频率的变化 正弦波点频法 正弦波扫频法 (2)时域测量技术 幅值随时间的变化 测试信号是脉冲、方波及阶跃信号 注：频域测量和时域测量比较 频域测量和时域测量是测量线性系统性能的两种方法，是从两个不同的角度去观测同一个被测对象，其结果应该是一致的。 从理论上讲，时域函数的傅立叶变换就是频域函数，而频域函数的傅立叶逆变换也就是时域

16、函数。 29E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.5.3 按被测量的性质分类按被测量的性质分类(续续) (3)随机测量技术 测量噪声信号和使用随机信号源。主要包括下述三个内容： 噪声信号统计特性的测量，如时域中的均值、均方根性，频域中的频谱密度函数、功率谱密度函数等； 将已知特性的噪声作激励源对被测系统进行统计性测量，研究被测系统的特性； 在背景噪声信号不可忽略时对信号、特别是微弱信号的精确测量。30E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.5.3 按被测量的性质分类按被测量的性质分类(续续) (4)数字测量技术 测量数字系统的功能和故障诊断。 对数字系统进行测量的基本方法

17、是： 在输入端加激励信号，观察由此产生的输出响应，并与预期的正确结果进行比较，一致则表示系统正常；不一致则表示系统有故障。 31LSILSI测试系统的简化框图测试系统的简化框图 E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.5.4 测量方法的选择原则测量方法的选择原则 在选择测量方法时，要综合考虑下列主要因素： 被测量本身的特性； 所要求的测量准确度； 测量环境； 现有测量设备等 例 图示用电压表测量高内阻电路端电压的例子。图中虚线框内表示放大器输出端等效电路，Rv表示测量用电压表内阻。分别计算Rv=10M 和Rv=120k 时的相对误差？32E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础

18、1.5.4 测量方法的选择原则测量方法的选择原则(续续)当用电压表内阻Rv=10M 时，电压为：相对误差：当用电压表内阻Rv=120k 时，电压为：相对误差33VU96. 41010801010533%8 . 0%1005596. 4%40%1005533120801205VUE-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.6.1 测量仪器的功能测量仪器的功能 电子测量仪器：利用电子技术对各种待测量进行测量的设备 功能 物理量的变换 信号的传输 测量结果的显示34E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.6.1 测量仪器的功能测量仪器的功能(续续) (1)变换功能 动圈式检流计：模拟

19、式仪表最基本构成单元35E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础36 1.6.1 测量仪器的功能测量仪器的功能(续续) (1)变换功能 动圈式检流计：模拟式仪表最基本构成单元 传感器：非电物理量转换成电压、电流：如压力、位移、温度、湿度、亮度、颜色、物质成份等36E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础37 1.6.1 测量仪器的功能测量仪器的功能(续续) (1)变换功能 动圈式检流计：模拟式仪表最基本构成单元 传感器：非电物理量转换成电压、电流：如压力、位移、温度、湿度、亮度、颜色、物质成份等37E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础38 1.6.1 测量仪器的功能测量仪器的功

20、能(续续) (1)变换功能 动圈式检流计：模拟式仪表最基本构成单元 传感器：非电物理量转换成电压、电流：如压力、位移、温度、湿度、亮度、颜色、物质成份等 变送器：随着测量技术的发展和需要，现在往往将传感器、放大电路及其他有关部分构成独立的单元电路，将被测量转换成模拟的或数字的标准电信号，送往测量和处理装置，这样的单元电路常称为变送器，它是现代测量系统中极为重要的组成部分。38E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础39 1.6.1 测量仪器的功能测量仪器的功能(续续) (2)传输功能 在遥测遥控等系统中，现场测量结果经变送器处理后，需经较长距离的传输才能送到测试终端和控制台。不管采用有线的

21、还是无线的方式，传输过程中造成的信号失真和外界干扰等问题都会存在。39E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础40煤矿井下监控E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础41RTU远程终端控制系统E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础42 1.6.1 测量仪器的功能测量仪器的功能(续续) (3)显示功能 测量结果必须以某种方式显示出采才有意义。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础43 1.6.1 测量仪器的功能测量仪器的功能(续续) (3)显示功能 测量结果必须以某种方式显示出采才有意义。E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.6.2 测量仪表的主要性能指标测量仪表

22、的主要性能指标 从获得的测量结果角度评价测量仪表的性能，主要包括以下几个方面。 (1)精度 指测量仪器的读数或测量结果与被测量真值相一致的程度。其含义是：精度高，表明误差小；精度低，表明误差大。精度又可用精密度、正确度和准确度三个指标加以表征。 精密度 精密度说明仪表指示值的分散性，表示在同一测量条件下对同一被测量进行多次测量时，得到的测量结果的分散程度。精密度高意味着随机误差小，测量结果的重复性好。44)(E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.6.2 测量仪表的主要性能指标测量仪表的主要性能指标(续续) 正确度 正确度说明仪表指示值与真值的接近程度。所谓真值是指待测量在特定状态下

23、所具有的真实值的大小。正确度反映了系统误差的影响。正确度高则说明系统误差小。 准确度 准确度是精密度和正确度的综合反映。准确度高，说明精密度和正确度都高，也就意味着系统误差和随机误差都小，因而最终测量结果的可信赖度也高。45)(E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.6.2 测量仪表的主要性能指标测量仪表的主要性能指标(续续) (a)弹着点仍较分散，但总体而言大致都围绕靶心，属于正确而欠精密 (c)弹着点密集但明显偏 向一方，属于精密度高而正确度差 (d)弹着点相互很接近且都围绕靶心，属于既精密又正确因而准确度很高的情况46E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.6.2 测

24、量仪表的主要性能指标测量仪表的主要性能指标(续续) (2)稳定性 稳定性通常用稳定度和影响量两个参数来表征。 稳定度也称稳定误差，是指在规定的时间区间，其他外界条件恒定不变的情况下，仪器示值变化的大小。造成这种示值变化的原因主要是仪器内部各元器件的特性、参数不稳定和老化等因素。稳定度可用示值绝对变化量与时间一起表示。 如：2.1mV8h， 一年不超过1满量程输出。47E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.6.2 测量仪表的主要性能指标测量仪表的主要性能指标(续续) (3)输入阻抗 测量仪表的接入改变了被测电路的阻抗特性，这种现象称为负载效应。为了减小测量仪表对待测电路的影响，提高测

25、量精度，通常对这类测量仪表的输入阻抗都有一定要求 对信号源等供给量仪器，还要考虑输出阻抗，在高频尤其是微波测量等场合，还必须注意阻抗的匹配。48测量仪表的负载效应E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.6.2 测量仪表的主要性能指标测量仪表的主要性能指标(续续) (4)灵敏度 灵敏度表示测量仪表对被测量变化的敏感程度，一般定义为测量仪表指示值增量y与被测量增量x之比。 灵敏度的另一种表述方式叫作分辨力或分辨率，定义为测量仪表所能区分的被测量的最小变化量，在数字式仪表中经常使用。49E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.6.2 测量仪表的主要性能指标测量仪表的主要性能指标(

26、续续) (5)线性度 线性度是测量仪表输入输出特性之一，表示仪表的输出量(示值)随输入量(被测量)变化的规律。50欧姆表和数字电压表的刻度特性曲线E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.6.2 测量仪表的主要性能指标测量仪表的主要性能指标(续续) (6)动态特性 测量仪表的动态特性表示仪表的输出响应随输入变化的能力。 例如模拟电压表由于动圈式表头指针惯性、轴承摩擦、空气阻尼等因素的作用，使得仪表的指针不能瞬间稳定在固定值上。 又如示波器的垂直偏转系统，由于输入电容等因素的影响，造成输出波形对输入信号的滞后与畸变，示波器的瞬态响应就表示了这种仪器的动态特性。51E-mail: 西南科技

27、大学电子测量技术基础 1.6.3 电子测量仪器的分类电子测量仪器的分类 电子测量仪器的分类方法不一，如果按其功能，大致可分为下面几类。 (1)电平测量仪器 包括各种模拟式电压表，毫伏表，数字式电压表，电压标准等52模拟式电压表毫伏表数字式电压表E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.6.3 电子测量仪器的分类电子测量仪器的分类(续续) (2)电路参数测量仪器 包括各类电桥，Q表，R、L、C测试仪，晶体管或集成电路参数测试仪，图示仪等53直流双臂电桥晶体管参数测试仪集成电路参数测试仪E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.6.3 电子测量仪器的分类电子测量仪器的分类(续续)

28、(3)频率、时间、相位测量仪器 主要有电子计数式频率计，石英钟，数字式相位计，波长计等54频率计数字式相位计波长计E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础 1.6.3 电子测量仪器的分类电子测量仪器的分类(续续) (4)波形测量仪器 主要指各类示波器。如通用示波器，多踪示波器，多扫描示波器，取样示波器，以及记忆和数字存储示波器等。55通用示波器记忆和数字存储示波器E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础56 1.6.3 电子测量仪器的分类电子测量仪器的分类(续续) (5)信号分析仪器 包括失真度仪，谐波分析仪，频谱分析仪等失真度仪谐波分析仪频谱分析仪E-mail: 西南科技大学电子测量技术基础57 1.6.3 电子测量仪器的分类电子测量仪器的分类(续续) (6)模拟电路特性测试仪器 包括扫频仪，噪声