第1章电子测量概论

电子丈量技术授课教师：张海辉:72501098:4214012:zhanghh@考核方法平常：40％作业、课堂交互〔20%〕考勤〔20%〕考试：60％第1章电子丈量概论1.1电子丈量的根本概念1.2电子丈量的内容与特点1.3电子丈量方法1.4电子丈量仪器概述本章小结1.1.1丈量的意义日常生活中处处离不开丈量科学的提高和开展离不开丈量，分开丈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电子丈量的根本概念1.1.1丈量的意义〔续〕消费开展离不开丈量农业社会中，需求丈量土地、衡量谷物，就产生了长度、面积、容积和分量的丈量；掌握季节和节候，出现了原始的时间丈量器具，并有了天文丈量。现代化的工业消费中，处处离不开丈量例如，一个大型钢铁厂需求约2万个丈量点在高新技术和国防现代化建立中那么更是离不开丈量例如，每种新设计的飞机，需求测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能，经过风洞实验测定机身、机翼的受力和振动分布情况，以验证和改良设计。1.1.2丈量的定义1.狭义丈量的定义丈量是为了确定被测对象的量值而进展的实验过程。在丈量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类知单位进展比较，获得用数值和单位共同表示的丈量结果。 丈量结果＝丈量数值.丈量单位1.1.2丈量的定义〔续〕①丈量对象：被测客体中的相应的量值信息；丈量目的：从被测对象获得一个定量的认识；②丈量过程:经过实验去认识对象的过程③丈量方法：比较；A.直接比较B.间接比较；C.需求丈量仪器；④丈量规范：同类知单位。⑤丈量结果：最终能表示给丈量主体〔人〕1.1.2丈量的定义〔续〕被测物体的分量等于规范砝码的分量被测物体的分量从度盘上读数，由于，弹簧秤度盘上的刻度是事先与规范量进展比较的结果。1.1.2丈量的定义〔续〕2.广义丈量的定义广义地讲，丈量不仅对被测的物理量进展定量的丈量，而且还包括对更广泛的被测对象进展定性、定位的丈量。例如缺点诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位等。而丈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、拓朴构造等。广义丈量原理可以从信息获取过程来阐明，包括信息的感知和信息识别两个环节。1.1.3丈量的根本要素1.丈量的根本要素 被测对象、丈量仪器、丈量技术、丈量人员和丈量环境1.1.3丈量的根本要素〔续〕1.1.3丈量的根本要素〔续〕1.2电子丈量的内容与特点 1.2.1电子丈量的内容 (1)电能量的丈量〔电流、电压、功率等〕 (2)电信号特性的丈量〔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形状等〕 (3)电路参数的丈量〔阻抗、质量因数、电子器件的参数等〕 (4)电子设备的性能丈量〔增益、衰减、灵敏度、频率特性、噪声指数等〕 (5)特性曲线的丈量〔幅频特性、相频特性及器件特性等〕 (6)非电量的丈量图1.2-1非电量丈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置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、非线性电子丈量的实践运用模拟电子技术数字电子技术电机 1.2.2电子丈量的特点与其他丈量相比，电子丈量具有以下特点。 (1)丈量频率范围宽电子丈量中所遇到的丈量对象，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在这样宽的频率范围内任务。通常是根据不同的任务频段，采用不同的丈量原理和运用不同的丈量仪器。(2)丈量量程宽量程是丈量范围的上下限值之差或上下限值之比。电子丈量的另一个特点是被测对象的量值大小相差悬殊。例如，地面上接纳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108W以上，两者之比为1:1022。 (3)丈量准确度高 相对其它丈量方法，电子丈量的准确度要高得多。例如，长度丈量的最高准确度为10-8量级，而对频率和时间的丈量，由于采用原子频标和原子秒作为基准，使得丈量准确度可以到达10-15的量级，这是目前人类在丈量准确度方面到达的最高目的。(4)丈量速度快由于电子丈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运用，使得电子丈量无论在丈量速度，还是在丈量结果的处置和传输，都可以以极高的速度进展，这也是电子丈量技术广泛用于现代科技各个领域的重要缘由。(5)可以进展遥测 电子丈量根据的是电子的运动和电磁波的传播，因此可以：现场各待丈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。这使得对那些远间隔的，高速运动的，或其他人们难以接近地方的信号丈量成为能够。(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、处置速度快、可靠性高的微型计算机的出现，给电子丈量实际、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，可编程器件和微处置器及ASIC电路的采用，使电子仪器正向着小型化开展。1.3电子丈量方法 1.3.1电子丈量方法的分类 1.按丈量方法分类 (1)直接丈量：指直接从丈量仪表的读数获取被丈量量值的方法，例如用电压表丈量晶体管的任务电压，用欧姆表丈量电阻阻值，用计数式频率计丈量频率等。 (2)间接丈量：利用直接丈量的量与被丈量之间的函数关系(可以是公式、曲线或表格等)，间接得到被丈量量值的丈量方法。例如，丈量电阻耗费的功率P=UI=I2R=U2/R。(3)组合丈量： 当某项丈量结果需用多个未知参数表达时，可经过改动丈量条件进展多次丈量，根据丈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丈量。 知电阻器阻值Rt与温度t间满足关系： 2.按丈量方式分类 (l)偏向式丈量法〔直读法〕在丈量过程中，用仪器仪表指针的位移(偏向)表示被丈量大小的丈量方法，称为偏向式丈量法。例如运用万用表丈量电压、电流等。由于是从仪表刻度上直接读取被丈量，包括大小和单位，因此这种方法也叫直读法。 事先需求用规范量具对仪表读数、刻度进展校准，实践丈量时根据指针偏转大小确定被丈量量值。 (2)零位式丈量法〔比较法〕零位式丈量法又称作零示法或平衡式丈量法。丈量时用被丈量与规范量相比较(因此也叫作比较丈量法)，用指零仪表(零示器)指示被丈量与规范量相等(平衡)，从而获得被丈量。例如：用惠斯登电桥丈量电阻(或电容、电感)，当电桥平衡时，可以得到: (3)微差式丈量法偏向式丈量法和零位式丈量法相结合，构成微差式丈量法。它经过丈量待丈量与规范量之差(通常该差值很小)来得到待丈量量值，如图1.3-2所示。3.按被丈量的性质分类 (1)时域丈量时域丈量也叫作瞬态丈量，主要丈量被丈量随时间的变化规律。例如用示波器察看脉冲信号的上升沿、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)频域丈量 频域丈量也称为稳态丈量，主要目的是获取待丈量与频率之间的关系。如用频谱分析仪分析信号的频谱、丈量放大器的幅频特性、相频特性等。 (3)数据域丈量 数据域丈量也称为逻辑量丈量，主要是用逻辑分析仪等设备对数字量或电路的逻辑形状进展丈量。例如，微处置器地址线、数据线上的信号，可以显示其时序波形，也可以用“1〞、“0〞、显示其逻辑形状。 (4)随机量丈量 随机丈量又叫作统计丈量，主要是对各类噪声、干扰信号进展动态丈量和统计分析。 除了上述几种常见的分类方法外：按照对丈量精度的要求，可以分为精细丈量和工程丈量；按照丈量时丈量者对丈量过程的干涉程度分为自动丈量和非自动丈量；按照被丈量与丈量结果获取地点的关系分为本地(原位)丈量和远地丈量(遥测)，接触丈量和非接触丈量；按照被丈量的属性分为电量丈量和非电量丈量等等。1.3.2选择丈量方法的原那么 在选择正确的丈量方法和适宜的丈量仪器时，要首先确定：①被丈量本身的特性；②所要求的丈量准确度；③丈量环境；④现有丈量设备等。

[例1]直接用万用表只R×1正电阻档丈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]用电压表丈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表示丈量用电压表内阻。图1.3-4电压表内阻的影响假设Rv=10MΩ，且不思索其它要素，那么电压为相对误差:假设Rv＝120kΩ，那么电压为电压:相对误差:电压:1.4电子丈量仪器概述 丈量仪器是将被丈量转换成可供直接察看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丈量进展丈量的设备，统称为电子丈量仪器。1.4.1电子丈量仪器的分类 普通分为公用仪器和通用仪器。 公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。 通用仪器是为了丈量某一个或几个电参数而设计的，它能用于多种电子丈量，如电子示波器等。 1.通用电子仪器按功能分： (1)信号发生器：提供丈量的各种波形信号，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-827频谱分析仪逻辑分析仪 (3)频率、时间及相位丈量仪，包括各种频率计(常用电子计数仪)、相位计，以及各种时间、频率规范等；

FC2130频率计 (4)网络特性丈量仪，例如扫频仪、阻抗丈量仪及网络分析仪； (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，例如测试接纳机、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，电子丈量仪器有模拟式和数字式两大类。 模拟式电子丈量仪器主要是用指针方式直接将被丈量的电参数转换为机械位移，在标度尺上指示出丈量数值，如各种模拟电子电压表、指针式万用表。

指针式万用表DA-16晶体管毫伏表 数字式电子丈量仪器是将被测的延续变化的模拟量转换为数字量，并以数字方式显示其丈量数据，到达直观、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电子丈量仪器的开展 电子仪器的开展大体阅历了如下四个阶段： (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丈量仪表的主要性能目的从丈量结果角度评价丈量仪表的性能，主要包括：1.精度精度是指丈量仪器的读数或丈量结果与被丈量真值相一致的程度。精度高，误差小，精度低，那么误差大。因此，精度不仅用来评价丈量仪器的性能，也是评定丈量结果最主要、最根本的目的。精度又可用精细度、准确度和准确度三个目的加以表征。 ①精细度(δ)精细度表示在同一丈量条件下对同一被丈量进展多次丈量时，得到的丈量结果的分散程度，反映了随机误差的影响。精细度高，丈量结果的反复性好。例如，某电压表的精细度为0.1V，即表示用它对同一电压进展丈量时，得到的各次丈量值的分散程度不大于0.1V。

②准确度(ε)准确度阐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，那么该电压表丈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，就是按准确度来确定的。③准确度(τ)准确度是精细度和准确度的综合反映。准确度高，即精细度和准确度都高，那么系统误差和随机误差都小，最终丈量结果的可信任度高。

例：用射击比喻丈量，以靶心比作被丈量真值，以靶上的弹着点表示丈量结果。 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。呵斥这种示值变化的缘由主要是仪器内部各元器件的特性、参数不稳定和老化等要素。稳定度可以用示值绝对变化量与时间一同表示。 3.输入阻抗 丈量仪表的接入改动了被测电路的阻抗特性，这种景象称为负载效应。为了降低负载效应以提高丈量精度，通常对这类丈量仪表的输入阻抗都有一定要求。丈量仪表的负载效应 4.灵敏度灵敏度表示丈量仪表对被丈量变化的敏感程度，普通定义为丈量仪表指示值(指针的偏转角度、数码的变化、位移的大小等)增量△y与被丈量增量△x之比。如SR37A型双踪示波器的最高偏转灵敏度是2mV/cm 5.线性度线性度是丈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(被丈量)变化的规律。假设仪表的输出为y，输入为x，两者关系用函数z＝f(x)表示，假设y＝f(x)为y一x平面上过原点的直线，那么称之为线性刻度特性，否那么称为非线性刻度特性。