1电子测量概论

1、电子测量技术授课教师：张海辉 TelQQ:4214012 Email:考核办法平时：40 作业、课堂交互（20%） 考勤（20%） 考试：60 第1章 电子测量概论1.1 电子测量的基本概念1.2 电子测量的内容与特点1.3 电子测量方法 1.4 电子测量仪器概述本章小结 1.1.1 测量的意义 日常生活中处处离不开测量科学的进步和发展离不开测量，离开测量就不会有真正的科学。 没有望远镜就没有天文学，没有显微镜就没有细胞学，没有指南针就没有航海事业 1.1 电子测量的基本概念 1.1.1 测量的意义（续）生产发展离不开测量 农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了

2、长度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，出现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。现代化的工业生产中，处处离不开测量 例如，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。1.1.2 测量的定义 1.狭义测量的定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。 测量结果测量数值.测量单位1.1.2 测量的定义（续

3、）测量对象：被测客体中的相应的量值信息；测量目的：从被测对象取得一个定量的认识；测量过程: 通过实验去认识对象的过程测量方法：比较；A.直接比较 B.间接比较；C.需要测量仪器；测量标准：同类已知单位。测量结果：最终能表示给测量主体（人）1.1.2 测量的定义（续）被测物体的重量等于标准砝码的重量被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。1.1.2 测量的定义（续）2.广义测量的定义广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位等。而测量结

4、果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。 广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息的感知和信息识别两个环节。 1.1.3 测量的基本要素1.测量的基本要素被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境 1.1.3 测量的基本要素（续）1.1.3 测量的基本要素（续）1.2 电子测量的内容与特点 1.2.1 电子测量的内容(1) 电能量的测量（电流、电压、功率等）(2) 电信号特性的测量（信号波形、频率、周期、相位、失真度、调幅度、调频指数及数字信号的逻辑状态等）(3) 电路参数的测量（阻抗、品质因数、电子器

5、件的参数等）(4) 电子设备的性能测量（增益、衰减、灵敏度、频率特性、噪声指数等）(5) 特性曲线的测量（幅频特性、相频特性及器件特性等） (6) 非电量的测量 图1.2-1 非电量测量在过程控制中的作用 计算机检测控制系统原理框图微机传感器伺服机构模拟信号处理功率放大模数转换数模转换数字接口数字接口 被 测 控 对 象干扰、噪声、漂移、非线性电子测量的实际应用模拟电子技术数字电子技术电机1.2.2 电子测量的特点 与其他测量相比，电子测量具有以下特点。(1) 测量频率范围宽 电子测量中所遇到的测量对象，其频率覆盖范围极宽，低至10-6Hz以下，高至1012Hz以上。当然，不能要求同一台仪器能

6、在这样宽的频率范围内工作。通常是根据不同的工作频段，采用不同的测量原理和使用不同的测量仪器。 (2) 测量量程宽 量程是测量范围的上下限值之差或上下限值之比。电子测量的另一个特点是被测对象的量值大小相差悬殊。 例如，地面上接收到的宇宙飞船自外空发来的信号功率，低到10-14 W数量级，而远程雷达发射的脉冲功率，可高达108W以上，两者之比为1:1022。(3) 测量准确度高相对其它测量方法，电子测量的准确度要高得多。例如，长度测量的最高准确度为10-8量级，而对频率和时间的测量，由于采用原子频标和原子秒作为基准，使得测量准确度可以达到10-15的量级，这是目前人类在测量准确度方面达到的最高指标

7、。 (4) 测量速度快 由于电子测量是基于电子运动和电磁波的传播，加之现代测试系统中高速电子计算机的应用，使得电子测量无论在测量速度，还是在测量结果的处理和传输，都可以以极高的速度进行，这也是电子测量技术广泛用于现代科技各个领域的重要原因。 (5) 可以进行遥测电子测量依据的是电子的运动和电磁波的传播，因此可以： 现场各待测量转换成易于传输的电信号，用有线或无线的方式传送到测试控制台(中心)，从而实现遥测和遥控。这使得对那些远距离的，高速运动的，或其他人们难以接近地方的信号测量成为可能。 (6) 易于实现测试智能化和测试自动化随着电子计算机尤其是功耗低、体积小、处理速度快、可靠性高的微型计算机

8、的出现，给电子测量理论、技术和设备带来了新的革命。 (7) 易于实现仪器小型化随着微电子器件集成度的不断提高，可编程器件和微处理器及ASIC电路的采用，使电子仪器正向着小型化发展。1.3 电子测量方法1.3.1 电子测量方法的分类1. 按测量方法分类 (1) 直接测量：指直接从测量仪表的读数获取被测量量值的方法，例如用电压表测量晶体管的工作电压，用欧姆表测量电阻阻值，用计数式频率计测量频率等。(2) 间接测量：利用直接测量的量与被测量之间的函数关系(可以是公式、曲线或表格等)，间接得到被测量量值的测量方法。例如，测量电阻消耗的功率P=UI=I2R=U2/R。 (3) 组合测量：当某项测量结果需

9、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。 例如：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：2. 按测量方式分类(l) 偏差式测量法（直读法） 在测量过程中，用仪器仪表指针的位移(偏差)表示被测量大小的测量方法，称为偏差式测量法。例如使用万用表测量电压、电流等。由于是从仪表刻度上直接读取被测量，包括大小和单位，因此这种方法也叫直读法。事先需要用标准量具对仪表读数、刻度进行校准，实际测量时根据指针偏转大小确定被测量量值。 (2) 零位式测量法（比较法） 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

10、量相比较(因此也叫作比较测量法)，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。例如：用惠斯登电桥测量电阻(或电容、电感)，当电桥平衡时，可以得到:(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标准量之差(通常该差值很小)来得到待测量量值，如图1.3-2所示。3. 按被测量的性质分类(1) 时域测量 时域测量也叫作瞬态测量，主要测量被测量随时间的变化规律。例如用示波器观察脉冲信号的上升沿、下降沿、平顶降落等脉冲参数以及动态电路的暂态过程等。(2) 频域测量 频域测量也称为稳态测量，主要目的是获取待测量与频率之间的关系。如用频谱

11、分析仪分析信号的频谱、测量放大器的幅频特性、相频特性等。(3) 数据域测量数据域测量也称为逻辑量测量，主要是用逻辑分析仪等设备对数字量或电路的逻辑状态进行测量。例如，微处理器地址线、数据线上的信号，可以显示其时序波形，也可以用“1”、“0”、显示其逻辑状态。(4) 随机量测量 随机测量又叫作统计测量，主要是对各类噪声、干扰信号进行动态测量和统计分析。除了上述几种常见的分类方法外：按照对测量精度的要求，可以分为精密测量和工程测量；按照测量时测量者对测量过程的干预程度分为自动测量和非自动测量；按照被测量与测量结果获取地点的关系分为本地(原位)测量和远地测量(遥测)，接触测量和非接触测量；按照被测量

12、的属性分为电量测量和非电量测量等等。1.3.2 选择测量方法的原则在选择正确的测量方法和合适的测量仪器时，要首先确定： 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1 直接用万用表只R1 正电阻档测量晶体管发射结结电阻，由于限流电阻过小而使基极注入电流很大，将晶体管损坏。 例2 用电压表测量高内阻电路端电压，如图1.3-4所示。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。 图1.3-4 电压表内阻的影响假设Rv=10M，且不考虑其它因素，则电压为相对误差:若Rv120k，则电压为电压:相对误差:电压:1. 4 电子测量仪器概述测量仪器是将被测量转换成

13、可供直接观察的指示值或等效信息的器具，包括指示仪器、比较仪器、记录仪器、传感器和变送器等。利用电子技术对各种待测量进行测量的设备，统称为电子测量仪器。1.4.1 电子测量仪器的分类一般分为专用仪器和通用仪器。专用仪器为某一个或几个专门目的而设计的，如电视彩色信号发生器。通用仪器是为了测量某一个或几个电参数而设计的，它能用于多种电子测量，如电子示波器等。1. 通用电子仪器按功能分：(1) 信号发生器：提供测量的各种波形信号，例如高频、低频、脉冲、函数及噪声等信号发生器。图1.4-1 信号发生器(2) 信号分析仪：用于观测、分析和记录各种电量的变化，例如示波器、频谱分析仪和逻辑分析仪。示波器GSP

14、-827频谱分析仪逻辑分析仪(3) 频率、时间及相位测量仪，包括各种频率计(常用电子计数仪)、相位计，以及各种时间、频率标准等；FC2130频率计(4) 网络特性测量仪，例如扫频仪、阻抗测量仪及网络分析仪；(5) 电子元器件测试仪，例如，RLC测试仪、晶体管参数测试仪、晶体管特性图示仪、集成电路测试仪等；(6) 电波特性测试仪，例如测试接收机、场强仪、干扰测试仪等。 (7) 辅助仪器，例如，各种放大器、衰减器、检波器、记录仪等。2. 按显示方式分，电子测量仪器有模拟式和数字式两大类。模拟式电子测量仪器主要是用指针方式直接将被测量的电参数转换为机械位移，在标度尺上指示出测量数值，如各种模拟电子电

15、压表、指针式万用表。指针式万用表DA-16晶体管毫伏表数字式电子测量仪器是将被测的连续变化的模拟量转换为数字量，并以数字方式显示其测量数据，达到直观、准确快速的效果，如各种数字电压表、数字频率计等。数字万用表智能数字万用表1.4.2 电子测量仪器的发展电子仪器的发展大体经历了如下四个阶段：(1) 模拟仪器阶段(2) 数字仪器阶段(3) 智能仪器阶段(4) 虚拟仪器阶段1.4.3 测量仪表的主要性能指标 从测量结果角度评价测量仪表的性能，主要包括： 1. 精度 精度是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。精度高，误差小，精度低，则误差大。因此，精度不仅用来评价测量仪器的性能，也是评

16、定测量结果最主要、最基本的指标。精度又可用精密度、准确度和精确度三个指标加以表征。 精密度 () 精密度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，反映了随机误差的影响。精密度高，测量结果的重复性好。例如，某电压表的精密度为0.1V，即表示用它对同一电压进行测量时，得到的各次测量值的分散程度不大于0.1V。 准确度 ()准确度说明仪表指示值与真值的接近程度，反映了系统误差(例如仪器中放大器的零点漂移、接触电位差等等)的影响。准确度高，系统误差小。例如，某电压表的正确度是0.1V，则该电压表测量电压时的指示值与真值之差不大于0.1V。我国电工仪表的分级，就是按准确度

17、来确定的。 精确度 ()精确度是精密度和准确度的综合反映。精确度高，即精密度和准确度都高，则系统误差和随机误差都小，最终测量结果的可信赖度高。 例：用射击比喻测量，以靶心比作被测量真值，以靶上的弹着点表示测量结果。2. 稳定性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。稳定度可以用示值绝对变化量与时间一起表示。 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。为了降低负载效应以提高测量精度，通常对这类测量仪表的输入阻抗都有一定要求。测量仪表的负

18、载效应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(指针的偏转角度、数码的变化、位移的大小等)增量 y与被测量增量x之比。 如SR37A型双踪示波器的最高偏转灵敏度是2mV/cm5. 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。若仪表的输出为y，输入为x，两者关系用函数zf(x)表示，如果yf(x)为y一x平面上过原点的直线，则称之为线性刻度特性，否则称为非线性刻度特性。 由于各类测量仪器的原理各异，不向的测量仪器可能呈现不同的刻度特性。如常用的万用表的电阻档，具有上凸的非线性刻度特性，而数字电压表，具有线性刻度特性，分别如图1.4.3中(a)、(b)所示。 图1.4.3 欧姆表和数字电压表的刻度特性曲线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。本章小结