测量的基本原理

测量的基本原理第1页，课件共55页，创作于2023年2月对同学的要求课堂认真听讲。课下认真复习，并及时做课后习题。第2页，课件共55页，创作于2023年2月课程简介第一部分测量总论及误差理论，介绍测量的基本概念、技术方法、系统组成等，误差理论和数据处理等。第二部分基本电参量测量，包括频率、电压、阻抗等第三部分时域测量，以示波器为背景介绍时域信号波形的采集、显示及应用技术。第四部分频域测量，重点讨论频域中的信号频谱和网络性能的测量，介绍测量激励信号源的基本工作原理。第五部分数域测量，介绍数字系统的基本测量原理和方法，包括数字信号的产生、逻辑分析、可测性设计及数字系统测试的典型实例。第六部分测量系统集成，阐述组建测量系统的硬件平台、软件平台、总线标准、通信技术等。第3页，课件共55页，创作于2023年2月1.1测量的基本概念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。

没有显微镜就没有细胞学，没有指南针就没有航海事业第4页，课件共55页，创作于2023年2月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。第5页，课件共55页，创作于2023年2月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，即：第6页，课件共55页，创作于2023年2月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。第7页，课件共55页，创作于2023年2月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

第8页，课件共55页，创作于2023年2月1.1.3测量的基本要素（续）第9页，课件共55页，创作于2023年2月1.1.3测量的基本要素（续）环境对测量的影响A.环境对被测对象的影响B.环境对仪器系统的影响C.环境对测量人员的影响第10页，课件共55页，创作于2023年2月1.1.3测量的基本要素（续）应采取适当的控制措施，尽量减少由于环境影响而产生的误差。恒温、恒湿、稳压和防震。抗干扰、防噪声的措施，如接地、屏蔽、隔离、滤波等。仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变化环境。第11页，课件共55页，创作于2023年2月1.1.3测量的基本要素（续）仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：I组：良好的环境条件，温度+10～+35oC，相对湿度80%（在35oC上），只允许有轻微的振动。II组：一般的环境条件，温度－10～+40oC，相对湿度80%（在40oC上），允许一般的振动和冲击。III组：恶劣的环境条件，温度－40～+55oC，相对湿度90%（在35oC上），允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动。I组——高精度计量用仪器II组——通用仪器III组——野外、机载等仪器第12页，课件共55页，创作于2023年2月1.2电子测量系统中的干扰及其抑制干扰：在电子测量技术中，可把一切来自设备或系统外部的无关信号称作干扰。噪声：由系统内部产生的无关信号称作噪声，对技术指标合格并在规定条件下使用的电子测量仪器可以不考虑其噪声影响。第13页，课件共55页，创作于2023年2月1.2.1干扰的主要来源电子测量系统干扰主要来源有三个：1、空间干扰空间干扰主要是指电磁场在线路、导线、壳体上的辐射、吸收和调制。干扰来自测量系统的内部或外部，任一线路、导线、壳体等在空间均同时存在辐射、吸收与调制（1）天电干扰（2）工频干扰（3）气体电离干扰第14页，课件共55页，创作于2023年2月2、测量过程通道干扰长线传输是这种干扰的主要因素3、供电系统的干扰第15页，课件共55页，创作于2023年2月1.2.2干扰的一般传输途径两大类：寄生耦合、电磁辐射1、寄生耦合（1）公共阻抗耦合（2）分布电容耦合（3）分布电感耦合2、电磁辐射当测量系统的频率较高时，较长的信号传输线、控制线、输入及输出线等，均会呈现出一定的天线效应。它们不仅会将测试信号辐射出去，构成非正常通道，而且也会吸收其他非正常通道辐射来的测试信号及干扰信号第16页，课件共55页，创作于2023年2月1.2.3干扰的抑制方法由于干扰的来源和传输途径都很复杂，在测试过程中，应根据具体情况采取相应措施加以抑制，下面介绍几种常见的方法：1、避免或减小干扰源的影响2、合理设计地线3、减少公共耦合电源内阻的影响4、减少传输通道长线的影响5、减少分布参数的影响第17页，课件共55页，创作于2023年2月计量的基本概念自学第18页，课件共55页，创作于2023年2月1．3测量误差的基本概念

1.3.1测量误差的定义测量的目的:获得被测量的真值。真值:

在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。测量误差

:所有测量结果都带有误差。第19页，课件共55页，创作于2023年2月1.3.2测量误差的来源（1）仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。（2）影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。（3）理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。（4）人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。（5）测量对象变化误差：测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准确，如引起动态误差等。第20页，课件共55页，创作于2023年2月1.3.3测量误差的表示方法

测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。1.绝对误差（1）定义：由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差

实际应用中常用实际值A（高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值）来代替真值。绝对误差：

有大小，又有符号和量纲第21页，课件共55页，创作于2023年2月1.3.3测量误差的表示方法（续）（2）修正值与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。被测量的实际值第22页，课件共55页，创作于2023年2月1.3.3测量误差的表示方法（续）2.相对误差测量一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。（1）相对真误差、实际相对误差、示值相对误差相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。第23页，课件共55页，创作于2023年2月1.3.3测量误差的表示方法（续）实际相对误差：用实际值A代替真值A0

示值相对误差：用测量值X代替实际值A第24页，课件共55页，创作于2023年2月1.3.3测量误差的表示方法（续）（2）满度相对误差（引用相对误差）用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值－下限值）之比来表示的相对误差，称为满度相对误差（或称引用相对误差）仪表各量程内绝对误差的最大值第25页，课件共55页，创作于2023年2月1.3.3测量误差的表示方法（续）电工仪表就是按引用误差之值进行分级的。是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S%测量点的最大相对误差在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。

第26页，课件共55页，创作于2023年2月1.3.3测量误差的表示方法（续）[例1-3]某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为0～400mA和1.5级量程为0～100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？用1.5级量程为0～100mA电流表测量100mA时的最大相对误差为解：用0.5级量程为0～400mA电流表测100mA时，最大相对误差为第27页，课件共55页，创作于2023年2月1.3.3测量误差的表示方法（续）（3）分贝误差——相对误差的对数表示分贝误差是用对数形式（分贝数）表示的一种相对误差，单位为分贝（dB）。电压增益的测得值为误差为用对数表示为增益测得值的分贝值分贝误差第28页，课件共55页，创作于2023年2月1.4电子测量中的基本实现技术

1.4.1电子测量中的变换技术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。量值变换即把它们的幅值按比例地增大或缩小。原因：⑴某些被测量不便于直接比较，或者无法直接测量⑵为了获取更高分辨力和精度，或更宽的量程种类：⑴信号衰减或放大：使信号变换到测量系统的范围内⑵阻抗变换：在负载和传输线路中加入双口网络第29页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.1电子测量中的变换技术(续）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第30页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.1电子测量中的变换技术(续）（3）变频（混频）（4）倍频（5）分频（6）频率合成（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第31页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.1电子测量中的变换技术(续）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波等。波形变换技术广泛用于多波形函数发生器中。第32页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.1电子测量中的变换技术(续）4）参量变换（1）AVΩ变换——电流、电压、电阻之间的变换多用表中采用的AVΩ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）网络参数的变换第33页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.1电子测量中的变换技术(续）5.能量变换能量变换是泛指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。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/模变换第34页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.2电子测量中的比较技术1.比较的基本概念被测量为x、标准量为s、比较电路输出为y。当x<s时，y=YL；当x>s时，y=YH当x=s时，y出现一个跃变信号第35页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.2电子测量中的比较技术(续)（1）比较的基本类型（按功能分）：①标量比较②矢量比较③差值比较④比值比较⑤量化比较第36页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.2电子测量中的比较技术(续)2.电压比较电平比较、差值型比较、比例型比较举例：电平比较两个模拟电压的大小的比较可以用电压比较器来实现的第37页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.2电子测量中的比较技术(续)3.阻抗比较检测微小量，或对阻抗类电参量进行直接比较电桥电路具有灵敏度高、测量范围宽，温度补偿容易实现，测量电路的零点调节方便。（a）比例臂电桥（b）有源电桥（c）电压电桥（d）电流电桥第38页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.2电子测量中的比较技术(续)4.频率（时间）比较典型举例：时间差值比较用R-S触发器可实现时差的比较第39页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.3电子测量中的处理技术电子测量中的处理技术主要分为模拟运算电路和数字运算电路两大类，以模拟电子技术和数字电子技术为基础第40页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.3电子测量中的处理技术(续)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（1）四则运算电路

第41页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.3电子测量中的处理技术(续)指数和对数运算电路则是利用二极管的电流与其端电压在一定条件下存在的指数关系来实现。第42页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.3电子测量中的处理技术(续)乘法运算或除法运算：模拟乘法器：是新型集成器件，是利用晶体管的非线性特性。第43页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.3电子测量中的处理技术(续)（2）积分和微分电路运算放大器外接电感和电容等储能元件，则利用电路在时域中的过渡过程可形成积分电路和微分电路；利用其频域特性则可构成形形色色的滤波电路第44页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.3电子测量中的处理技术(续)（3）有源滤波器

按照频谱分析的观点，任何信号都是一些不同幅度和不同频率的正弦信号的组合。在被测信号中，除了有用的频率成分之外，往往不可避免地含有一些无用噪声的频率成分。滤波器的功能就是利用其频率特性来保留有用的频率成分，削弱或消除无用的频率成分，即具有信号分离的功能。分为低通、高通、带通和带阻等不同滤波器。第45页，课件共55页，创作于2023年2月1.6.3电子测量中的处理技术(续)[例]运算与处理功能在电压测量中的应用。计算公式第一级为模拟乘法器，完成被测电压的平方运算；第二级为积分器，完成平均运算；第三级为开方器，完成开平方根的运算；最后一级为放大器，按一定比例放大的直流输出电压去驱动电表使电表，按被测电压的有效值进行线性刻度。第46页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.3电子测量中的处理技术(续)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。第47页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.3电子测量中的处理技术(续)（1）数字信号处理（DSP）的基本内容广义来说，数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、运算、滤波、检测、估计、增强、压缩、调制、解调以及快速算法的一门技术学科。狭义来说也有人认为：数字信号处理主要是研究有关数字滤波技术：把信号的有效信号提取出来，抑制（削弱或滤除）干扰或噪声的一种处理。离散变换快速算法：FFT频谱分析方法:主要使用频谱分析仪和信号分析仪信号处理包括时域和频域处理。时域处理中最典型的是波形分析，示波器就是最常用的仪器。信号频域处理主要指滤波，主要使用频谱分析仪和信号分析仪第48页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.3电子测量中的处理技术(续)（2）数字信号处理的应用

测试信号处理语音信号处理语音的识别、理解、合成、增强、数据压缩

图像信号处理图像压缩、解压、增强、恢复、分割、识别、编码和重建振动信号处理地球物理信号处理为了探测地下深处所储藏的石油和天然气以及其他矿藏，通常采用地震勘探方法来探测地层结构和岩性。即在一选定的地点施加人为的激震，如用爆炸方法产生一振动波向地下传播，遇到地层分界面即产生反射波，在距离振源一定远的地方放置一列传感器，接收到达地面的反射波。从反射波的延迟时间和强度来判断地层的深度和结构。生物医学信号处理

第49页，课件共55页，创作于2023年2月1.4.4电子测量中的显示技术测量结果必须通过显示器件把各种电信号转换成人们五官可直接感知的机械运动、数字、文字、图形、图像等形式的信号显示出来1.指示式仪表（1）指示式电工仪表的分类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