电子测量与仪器

电子测量与仪器主讲：章洁课程简介1、绪论：电子测量的意义，内容，特点和方法。2、误差与不确定度：误差的概念，合成和分配，测量不确定度的概念和评定方法，数据处理的方法。3、信号发生器：重点介绍信号源的功能。4、时频测量：重点介绍计数器。5、电压测量：数字电压表6、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。7、频域测量：重点讨论频域中的信号频谱和网络性能.8、数据域测量：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。9、现代电子测量技术在当今信息时代测量技术——获取信息通信技术——传递信息计算机技术——处理信息被称为信息社会三大支柱测量是信息的源头技术

（测控技术，先要测，才能控）测量水平的高低可以反映出一个国家科学技术发展的状况。提高测量水平，实现测量手段的现代化，是实现科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。本章阐述了测量学科的丰富内涵。介绍测量、计量的基本概念，即它们的意义、内容、特点及应用。讨论测量原理、测量方法和测量系统中的共性问题。分别从信息获取的广义概念和量值比较的狭义概念上，阐述测量的基本原理；从实现测量原理的变换、比较、处理和显示等环节中，阐述电子测量的基本技术。第1章绪论1.1电子测量概述测量

是人类认识和改造世界的一种重要手段。

对客观事物的认识过程中，需要进行第一章绪论

定性分析定量研究，定量就需要进行测量。测量

是通过实验方法对客观事物取得定量数据的过程。生活中的例子重量，长度，温度，湿度，三表（电，水，气）……汽车监测点：50——100飞机监测点：3000航天飞行器监测点：50001.1.1测量的重要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

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。没有测量就没有科学——门捷列夫诺贝尔物理奖，化学奖中1/4属于测试方法和测试仪器的创新。“两弹一星”的成功，没有测试仪器是不可能的。生产中“没有测试，就没有新产品”。大规模集成电路的生产成本中，测量成本已超过50%

电子测量

电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。电子测量是测量领域的主要组成部分。包括在宽广频率范围内对所有电量、磁量及其它非电量的测量。(二次表)

电子测量仪器传感器电量非电量(一次表)

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：测量的基本概念测量的内涵

①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；②测量过程:通过实验去认识对象的过程③测量方法：比较；A.直接比较B.间接比较；C.需要测量仪器；④测量标准：同类已知单位。⑤测量结果：最终能表示给测量主体（人）测量的定义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。测量的定义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。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。

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

测量的基本要素（续）测量的基本要素2.测量过程——基本要素之间的互动关系论证阶段:

测量的主体（测量人员）根据测试任务的要求、被测对象的特点、属性，及现有仪器设备状况，拟定合理的测试方案。设计阶段*选择测试仪器，组建测试系统。*制定出测试策略（测量算法）和操作步骤（测试程序）实施阶段*对仪器和系统实施测试操作（发控制命令），按照逻辑和时序完成测量过程，取得测量数据;*分析测量误差并显示测量出结果。

测量的基本要素（续）3.被测对象——信息广义的测量是信息的获取，信息反映了事物的运动的状态及其变化方式。信息又可分为自然信息和社会信息两大类。4.测量仪器系统——量具和仪器测量仪器系统包括量具、测试仪器、测试系统及附件等5.测量的主体——测量人员手动：由测量主体（测量人员）直接参与完成自动：测量主体交给智能设备（计算机等）完成，但测量策略、软件算法、程序编写需由测量人员事先设计好。6.测试技术测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测试技术。7.测量环境测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和。测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。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。

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、机载等仪器电子测量的内容

·电能量的测量（各种频率和波形的电压、电流、电功率等）；

·电信号特性的测量（信号波形、频率、相位、噪声及逻辑状态等）；

·电路参数的测量（阻抗、品质因数、电子器件的参数等）；

·导出量的测量（增益、失真度、调幅度等）；

·特性曲线的显示（幅频特性、相频特性及器件特性等）。电子测量的特点频率范围宽量程范围广测量准确度高测量速度快易于实现遥测和测量过程的自动化易于实现仪器小型化电子测量仪器的分类信号发生器信号分析仪频率、时间及相位测量仪器网络特性测量仪电子元器件测试仪电波特性测试仪辅助仪器电子测量方法1.电子测量方法的分类按测量方法分类：直接测量、间接测量、组合测量直读测量法与比较测量法按测量性质分类：时域测量、频域测量、数据域测量、随机量测量

电子测量方法分类测量方法直接测量间接测量组合测量直读测量比较测量如电压测量如电阻测量如放大倍数测量如温度计测温如电桥测电阻

电子测量发展电子测量仪器的发展模拟仪器数字仪器智能仪器虚拟仪器选择测量方法的原则

恒流式差动放大电路1.2

电子测量仪器利用电子技术实现测量的仪表设备，统称为电子测量仪器。电子测量仪器的功能：2.信号处理与传输功能：信号调理、模/数、抗干扰、压缩、有线或无线传输3.显示功能：指针在仪表度盘；数码管、液晶或阴极射线管显示测量结果。1.转换功能：电量(功率、电流、电阻)→电压；非电量→电量（电压）此外，一些先进的仪器，如智能仪器等，还具有数据记录、处理及自检、自校、报警提示等功能。1.2.2电子测量仪器的分类

按照被测量的特性，电子测量仪器可分为以下几类：1.电信号的“三域”：调制域（调制域分析仪）ff0tf频域（频谱仪）f0utu时域（示波器）频率频域电压时域时间调制域频率频域电压时域时间调制域2数据域----二进制数据流逻辑分析仪逻辑定时分析仪逻辑状态分析仪

10110010

3随机域-----噪声、干扰4元器件、网络元件（无源）---R、L、C、Y、Q器件（有源）---半导体器件网络（有/无源）---传输特性、频率特性等1.2.2

电子测量仪器的分类1.3

计量的基本概念1术语：测量（Measurement）---确定量值（数据/单位）的实验过程测试（Test）—“测评”性测量,界定较模糊。定性—体能、智商定量—0/1、≥A含计量---权威性的基准测量统一性---单位，方法准确性---建立基准、比对法制性---政府、计量局检测---监控性的测量（只要不超出允许的误差范围则认为合格）计量与测量的关系测量发展的客观需要才出现了计量。测量是计量应用的重要途径。没有测量，计量将失去价值为了保证测量结果的准确性，必须定期对仪器进行检定和校准，这个过程就是计量。计量的任务是确定测量结果的可靠性。计量是测量的基础和依据。没有计量，也谈不上测量。计量和测量相互配合，才能在国民经济各个领域发挥重要作用。计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作，它在工农业生产、科学技术、国防建设以及人民生活等各个方面起着技术保证和技术监督的作用。单位和单位制

根据定义而令系数为1的量称为单位。单位是表征测量结果的重要组成部分，又是对两个同类量值进行比较的基础。英呎——feet1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI。

1984年2月国务院颁布了《中华人民共和国法定计量单位》，决定我国法定计量单位以国际单位制为基础。SI（InternationalSystemofUnits)

有7个基本单位1.国际单位制（SI）的组成国际单位制基本单位

国际单位制是由国际单位制单位、国际单位制词头和国际单位制的十进倍数单位三部分组成。国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。例：5.4X10-9s=5.4ns

国际单位制的组成国际单位制是由国际单位制单位、国际单位制词头和国际单位制的十进制数单位三部分组成。单位包括：基本单位（7个）、导出单位和辅助单位（2个：平面角的单位弧度（rad)和立体角的单位球面度（sr））三类。国际单位制的使用基本规定：词头代号与单位代号之间不留间隔。例如：Km(千米）如果词头代号上有指数，则表明倍数单位按指数相乘。

如：1cm3=(10-2m)3=10-6m3两个以上单位的乘积最好圆点作为乘号，只有当乘积结果与其他代号不相混淆时，圆点才可省略，但次序不能变动。如：K·m或Km，但不可写为mK。不允许用两个以上国际单位制词头并列构成组合词头。如：可用1pF（皮法），但不允许用1mnF（毫纳法）。当导出单位由一个单位被另一个单位除而得到时，可能用斜线、水平线或负幂数表示。如：m/s、m·s-1。除了加括弧外，一个组合单位在同一行内只能用一次斜线，在复杂情况下应该用负幂或括弧。如：m/s2或m·s-2，但不能写成m/s/s。选用国际单位的倍数单位时，应使数值处于0.1～1000之间。如：3.4×104N可以写成34KN；0.00687m写成6.87mm；5.4×10-9s写成5.4ns。计量基准和标准

1.基准基准用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。(1)一级基准，又称主基准和国家基准具有最高水平的基准。一个国家只有一个。(2)二级基准，又称副基准副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对(3)三级基准，又称工作基准工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递，用以检定下属计量标准量具的精确度。2.标准根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准量具或仪器，简称标准。计量标准的准确度等级在工作基准之下，工作计量器具之上。按精度高低又分为一级标准、二级标准和三级标准。通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检定，确定其量值的精确度大小。除标准器具外，还有标准物质。3.几个术语（1）计量器具：凡是能用以直接或间接测出被测对象量值的量具、计量仪器和计量装置都统称为计量器具。计量器具按作用可分为计量基准、计量标准和工作计量器具三类。（2）计量标准器具：准确度低于计量基准，用于检定计量标准或工作计量器具的计量器具。（3）工作计量器具：工作岗位上使用，不用于进行量值传递，而是直接用来测量被测对象量值的计量器具。（4）比对：在规定条件下，对相同准确度等级的同类基准、标准或工作计量器之间的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性。（5）检定：是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较，以达到全面评定被检计量器具的计量性能是否合格的目的。一般要求计量标准的准确度为被检者的1/3到1/10。（6）校准：校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较，以确定被校计量器具的示值误差（有时也包括确定被校器具的其他计量性能）的全部工作。（7）量值的传递：指一个物理量单位通过各级基准、标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量仪器、量具，以保证量值统一的全过程。测量基准的权威性和相对性1.基准的权威性基准的理论定义最严格的、制作工艺技术最先进。仪器基准自身也会随时间、地点、环境条件而变化，甚至会损坏，会失传。从现代科学的观点来看，最好的基准是原子基准。2.基准的相对性一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科学水平例：以太阳为基准，时间测量的精确度1天内可达到1秒钟。而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过1秒。基准与传递一级：主基准（国家级：中国计量研究院）二级：副基准（省、市级计量局）三级：工作基准（县、市级计量局）实际应用仪表量值溯源量值传递国际计量局比对--同级仪表比较一致性。校准----高级仪表校准低级仪表。检定----法定计量部门评定低一等级仪表是否合格。1.4电子测量仪器的发展

1传统仪器模拟仪器数字化仪器