电子感测技术的基础知识

第1章电子感测技术的基础知识

Chapter1BasicKnowledge§1.1电子测量任务及方法§1.2测量误差与处理§1.3测量基础实务——能力目标——能准确的表达测量结果。能针对不同的测量对象正确选用合适的测量方法。§1-1电子测量任务和方法TasksandMethodsofElectronicMeasurement电子测量泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。测量学+电子学电子测量电量间接电量1.电子测量的任务（TasksofElectronicMeasurement）1、主要三参数：电压阻抗频率（数字量）2、表达四要素：大小正负单位误差没有单位的测量数据无价值的！（少数相对值和规定量除外）不带误差的测量结果不可信的！例:在一个电阻R1上多次测得直流电压范围U=4.75~5.25mV.ER1IUR2R0+-（1）大小：（2）正负：（3）单位：（4）误差：5+（正）mV绝对误差±0.25mV或相对误差±5％测量值三种表达形式：U=4.75~5.25mVU=5±0.25mVU=5mV±5％[训练任务]能准确的表达测量结果改正下列测量结果的写法：（1）3.35MHz±5.8kHz（2）7.8500V±0.253V（3）320014Ω±528Ω（4）2.5A±1.683x10－6A参考答案:（1）3350±5.8kHz（2）7.850±0.253V（3）320.014±0.528KΩ（4）2.500x106±1.683uA

被测量y=x的测定值或仪表示值。直接从仪表上读出被测量，是最基本的测量方法，应用最广。1)直接测量电子卡尺2.电子测量的方法（MethodsofElectronicMeasurement）2)间接测量y=f(xi)指通过直接测量与被测量有函数关系的量，通过函数关系求得被测量值的测量方法。常用于：（1）y不能直接测量（2）直接测量较困难（3）要求测量结果精度更高例：测量功率PP=UI=I2R=U2/Ry=P，x1=U，x2=I，x3=R，均为直接测量所得。（阿基米德测量皇冠的比重）E=I0R0+UE=I1R0+U1E=I2R0+U2R2=∞时，由于电压表内阻Rv≠∞,产生的误差与R0值成正比I1=U1/R1I2=U2/R2ER1IUR2R0+-则R0=（U2/U1-1)R13)组合(联立)测量yi=f(xi)被测量与多个未知测定值有组成联立方程的函数关系§1.2测量误差和处理

Measurementerrorandprocession

——能力目标——能看懂相关说明书中常见的误差表达形式。能根据要求处理测量结果（含求得误差），并以多种形式准确表达测量结果。能对三种不同性质的误差进行适当处理。1.误差理论Theoryoferror1)电子测量误差主要来源①仪表误差②环境变化③人为误差特点:绝对误差是一个具有确定的大小、符号及量纲的量。意义:绝对误差表示偏离真值的程度。定义:2)误差表示（重点、难点）（1）绝对误差absoluteerror[训练任务1]掌握绝对、相对误差的表达形式测量值偏离实际值(大小、方向(正负)）测量值真值a0

实际测量的情况下,a0是不存在的,常用实际值a来代替。绝对误差绝对误差实际值a有三种情况：相对真值近真值修正后值精度高一级仪表测量值x0=a算术平均值x=ax+c=ac=-Δ修正值(correction)（2）相对误差relativeerror定义：被测量的真值，常用实际值代替

相对误差特点：相对误差只有大小和符号，而无量纲，一般用百分数来表示。相对误差常用来衡量测量的准确程度、不确定度。绝对误差意义:实际相对误差示值相对误差引用(满度)相对误差相对误差三种表示形式[训练任务2]学会相对误差的应用

现需要购买一个万用表，用于电压的测量，被测电压的范围大概在1~8V间，要求测量的最大绝对误差不可超过50mV，暂无其它要求的情况下，问该挑选哪个等级的万用表呢？应用1：

最大实际相对误差最大示值相对误差反映仪表的最大误差范围或不确定度三种相对误差的应用引用(满度)相对误差又称满度误差，用于评价仪表精确度

电工仪表共分七级：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0仪表量程（满度值）最大绝对误差满度相对误差：±0.1%仪表等级=引用相对误差应用2

用0.5级5A表，分别测量2A和3A电流（理论值），问同样的量程哪次测量结果更精确呢？=±0.5%ym=5Ax1=2A，x2=3A

先求出△实际相对误差=△/x1=±2.5×10-2/2=±1.25%=△/x2=±2.5×10-2/3=±0.8%=5A×(±0.5%)=±2.5×10-2A△=结论：同一个仪表同一量程，绝对误差和引用（满度）相对误差是相同的；实际相对误差、测量相对误差是不同的。被测值越接近所选择的量程误差越小。为了提高测量精度，测量时调整仪表量程使其示值

假如你是一名检测工程师，抽检工厂生产的0.5级电流表，量程选择为30mA。挑选其中一只经检测，绝对误差在-0.12~0.1mA之间，问该表合格否？解：

=±0.5%，ym=30mA，△=-0.12~0.1mA该表的最大绝对误差为=30mA×±0.5%=±0.15mA=-0.15~+0.15mA检测结果△在△m范围内，因此该表合格。应用3

测量一个约8V的电压。现有两台电压表，一台量程为30V，0.5级，另一台量程为10V，1.0级。问选那一台好？解：

应用4

用30V，0.5级电压表时，最大测量相对误差用10V，1.0级电压表时，最大测量相对误差10V，1.0级电压表测量该电压时，精度比较高，选用该表较好。随机误差randomerror系统误差systematicerror粗大误差grosserror按性质分类3)误差性质[训练任务3]了解三种误差性质及常用处理方法（1）随机误差（randomerror）

相同测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差或偶然误差，简称随差。定义：产生原因：

实验条件的偶然性微小变化，如噪声干扰、电源波动、元件老化等。误差不可预知、不重复特征:多次测量时服从正态（高斯）分布(a)随机误差(b)测量数据0)(p

xp(x)0随机误差和测量数据的正态分布曲线随差正态分布图误差出现概率P（iD）-3s3siD零界零界0随机误差的统计规律：A)正负误差对称性B)中间差小单峰性C)两边差大有界性D)多次测量抵偿性降低随差的处理方法:增加测量次数，进行统计处理，求出误差范围（2）系统误差（systematicerror）

相同测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按某一确定规律变化的误差，称为系统误差，简称系差。定义：产生原因：

仪表刻度不准，未校零点，预热不够和元器件理想化，方法误差等。处理:特征:1）定值重复性，侧后可修正1）从产生根源采取措施，减小误差2）用修正法加以修正实际值＝测量值＋修正值3）采用特殊测量方法如替代法、交换法、对称测量法等2）变值规律性，测前可控制总之：测前电路控制，测后数据修正次数统计随差小,精密度高精密度：重复测量时，测量结果的分散性准确度：精(确)度：测量平均值与真值的接近程度系差和随差综合影响程度系差小,准确度高两差小,精度高例:打靶中的随机误差和系统误差（3）粗大误差（grosserror）

明显偏离真值的误差，称为粗大误差或疏忽误差、过失误差，简称粗差。定义：产生原因：1）人为差错2）外界条件突变处理：逐个剔除坏值xj,直到|Δi|≤3σ=△m误差性质特点产生原因处理方法随机误差（随差）只能处理，不能改善单峰性有界性对称性抵偿性元器件老化外界干扰电源波动量化误差增加测量次数算出误差范围定出仪表等级和适用范围系统误差(系差)可以改善重复性规律性未校零，刻度不准，预热不够，元器件理想化（1）算出修正值，进行修正a=x+C（2）用电路或元器件进行控制粗大误差(粗差)可以避免和剔除出现坏值人为大错外界条件突变通过计算识别后予以剔除，多个坏值先剔除最大的一个2.数据处理dataprocessing

1)数据整理（1）误差位对齐法：（2）有效数字取舍法：有效数字：从左边非零数字开始，到右边末个数字(含零)的全部数字。舍入规则：“四舍五入，偶不入，有尾入”误差小数位=数据小数位[例]

对下列数字取三位有效数字12.3412.3612.3512.4512.45112.3≤4舍12.4≥6进位12.45前面是奇数则进位（五入）12.45前面偶数则不进位（偶不入）12.55后面有尾数则进位（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：将下列数据舍入到小数第二位。N次数据xi按序列表NO

YESa△m2)直接测量的数据处理说明：系统误差由电路抵消或修正，其值已很小①将N次测量数据，按序列表。n=N-jN……321i。②求出算术平均值③列出剩余误差，并验证④计算均方根误差（标准偏差）⑤按准则，检查和剔除粗大误差；重复从②算起，直到所有⑥计算算术平均值的标准偏差⑦写出最后结果的表达式:

（单位）可认为无系统误差的测量结果测量结果的表达式：正态分布算术平均值的最大误差范围（极限误差），超过零界的误差出现概率只有0.3％测量结果的图形描述(a)等积平滑法(b)分组折中法(c)对数压缩法0yxi0f(Hz)10102101010345U0Ui进一步压缩0yxi体现了平均方法体现了平均和修正方法1）已知某传感器的转换特性为U=8x（mV），当位移量x（mm）=0，1，2，3，4和5时，测得输出电压U（mV）=0.18.016.324.131.6和39.7。求出其最大绝对误差和仪表量程为50mV时的仪表精度等级。2）1.5级电压表在3V的量程上测量一个实际值为2V的电压时，求仪表测量值的不确定度和测量值的最大范围。下列几种误差中，属于随机误差的有（），属于系统误差的有（），属于粗大误差的有（）。（1）仪表未校零；（2）测评时的量化误差；（3）读数错误；（4）运放理想化引起的误差；（5）环境条件突变；（6）噪声干扰。2、61、43、5——能力目标——能熟练转换交流电压的三值。能熟练换算电压与电平、功率与电平。能熟练检测电容、电感，同时测出电流电压间的相位差,并得出阻抗。能熟练使用万用表判断晶体管的好坏，极性和管脚。§1.3测量基础实务BasicOperationofMeasurement[训练任务1]掌握交流电压量值及转换关系P790U(t)UP+U0UP-UmUPPt(1)峰值(peakvalue)UP正峰值Up＋负峰值Up－幅值(amplitudevalue)Um：峰峰值(peaktopeakvalue)UPP:Um=UPP/2UPP=(UP＋)-(UP-)说明：不同电表均以正弦波有效值U0来标定刻度的，实现了应用的统一性。

(2)有效值(virtualvalue)U有效值又称均方根值(3)平均值（MeanValue

）:

(4)波峰因数Kp和波形因数KF:又称全波整流后的平均值意义：避免对称波形平均值为零的情况，反映一个电波的实际平均效果。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:图示为一正弦波，其峰峰值为6V，U0=2.5V,求其负峰值、正峰值、幅值、有效值和平均值各为多少？U00Ut读写、计算方便如：多级放大器的总放大倍数为各级放大倍数相乘，用分贝则可改用相加。能如实地反映人对声音的感觉实践证明，声音的分贝数增加或减少一倍，人耳听觉响度也提高或降低一倍。即人耳听觉与声音功率分贝数成正比。如：蚊子叫声与大炮响声相差100万倍，但人的感觉仅有60倍的差异，而100万倍恰是60dB。[训练任务2]熟练换算U/dB、P/dB

在电参数中，常取两功率或两电压之比的对数，来表示电平（增益、衰减或灵敏度等）。

功率之比的对数：对两个功率之比取对数：若Px=10P0，则，称作1贝尔（Bel）电平的定义电压之比的对数：若R1=R2，则两边取对数，可得：通常Po=1W或1mW是0dB的参考值。功率、电压和电平间的转换:在实际应用中，贝尔太大，常用分贝（dB）来度量1贝尔=10dB相对电平：11.25-10.8321010如果1V为0dB，则2V为

dB，20mV为

dB？如果1mW为0dB，则15mW为

dBm，0.3W为

dBm？[解]解题方法可分三步：（1）35dB=10dB+10dB+10dB+3dB+3dB－1dB→10×10×10×2×2×1/1.25=3200（电压增益为）（2）－35dB→1/3200=3.1×10－4（电压衰减量为

×10－2）（3）－35dBm→Px/1mw=3.1×10－4mw，则最小输入功率Px=3.1×10－4mw

[例]某放大器的灵敏度为－35dBm，问其最小输入功率为多少？阻抗（Z）是描述网络和系统的一个重要参量在集总电路（Lumpedcircuit）中：表明能量损耗的参量是电阻R（Resistance）

表明系统储存能量及变化的参量是：

电感L（Inductance）和电容C（Capacity）元件内电磁感现象非常复杂理想电阻Z=R考虑引线电感Z=R+jωL0考虑引线电感和分布电容Z=(R+jωL0)//1/jωC0小值电阻RX的测量

电桥法（惠斯顿电桥法:阻值小<100欧姆，精度高）

复习直流电桥基本原理电桥平衡条件[训练任务3]了解小值电阻测量方法R1R0R2RxU0伏安法（间接测量，带电测量）理论依据：欧姆定律两种测量电路(a)电流表内接(b)电流表外接可求出中界电阻来选用合适的测量电路[训练任务4]掌握中界值选择合适测量方法(a)电流表内接(b)电流表外接电流表内接法的相对误差：△1=X-a=(RA+Rx)-Rx=RA电流表外接法的相对误差：△2=X-a=[RVRx/(RV+Rx)]-Rx当γ1=γ2时，求得中界电阻：结论：当RX<ROX时，采用外接法当RX>ROX时，采用内接法电容的主要作用：储存电能。它由两片金属中间夹绝缘介质构成。电容的测量主要包括电容值与电容器损耗（通常用损耗因素D表示）两部分内容。电感的主要作用：储存磁场能。它一般是用金属导线绕制而成。电感的测量主要包括电感量与损耗（通常用品质因素Q表示）两部分内容。[训练任务5]掌握阻抗的基本测量方法L-R电路阻抗测量电路示意图

LX标称值为100uH，直流时损耗电阻0.3Ω，可以视为理想电感

幅度上的关系为w=2p

、u和uR通过示波器测得，R和w已知利用上式即可测得电感L的大小可以测得从信号源端看进去的阻抗电流i和电压u之间的相位差设L-R电路以i的相位作为参考，i的相位0°

i、u、uR、uL间的相位关系图

电感的基本特性是阻碍电流的变化,所以电流总是滞后电压90度。

C-R电路阻抗测量电路示意图

电容刚通电的时候电流达到最大,所以电流超前电压90度。

半导体管的检测原理：（1）PN结的单向导电性（2）表棒极性原理（模拟表）略1、数字式万用表检测量程档：晶体管检测档[训练任务6]二、三极管和MOS管极性判别PN结的单向导电性1.PN结加正向电压时的导电情况外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。耗尽层变薄，PN结呈现低阻性。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；内4外PN结的单向导电性2.PN结加反向电压时的导电情况外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。耗尽层变厚，PN结呈现高阻性。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。内5外由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结的单向导电性PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。45P113MOSFET是四端器件，G（栅极）、D（漏极）、S（源极）、P（衬底），其中衬底P和S源极一般内部连在一起，因此外面看到的是G、D、S。

制作在P或N型衬底上，本质上SD之间形成二极管。对于N沟MOSFET正极为S，负极为D，P沟相反。MOS管G与其他两极是绝缘的，与衬底形成栅电容。用万用表去探测G与D、S间的电阻因该是开路的。计数法测量fAfB倍频器分频器门控

记数窄脉冲主门t=TA/aT=NtN计数器门控脉冲T=bTB×a

÷b图3.14计数法工作原理门控宽脉冲主门的两个输入分别是周期为t的计数窄脉冲，以及周期为T的门控脉冲。[训练任务7]掌握计数法测量频率和周期的方法t＝TA/a倍频器(×a)：t0UA分频器(÷b)：t0UBt0UBT＝bTBt0UA门控：控制主门开、关时间主门：完成计数的闸门计数器：计数、记录、显示T＝NtTN四块电路三端口，二入一出经主门，宽控开关窄计数，越宽越窄高精度。fAfB倍频器分频器

门控记数窄脉冲主门t=TA/aT=NtN计数器门控脉冲T=bTB

×a

÷b图3.14计数法工作原理门控宽脉冲×a÷b门控

1、测量频率fX

fXfC放大整形