课件-电子测量与仪器(电子工业出版社第2版)-第1章-电子测量与仪器的基本知识

宋悦孝主编张伟主审

电子测量与仪器（第2版）电子教案高等职业教育电子信息类贯通制教材（电子技术专业）第1章电子测量与仪器的基本知识知识要点：电子测量的方法测量误差的表示方法与分类有效数字的处理等1.1电子测量概述1.电子测量的意义测量目的：取得用数值和单位共同表示的被测量的结果。测量过程：依据一定的理论，通过实验的方法将被测量与已知同类标准量进行比较而取得测量结果。测量结果表示：带有单位的有理数。测量的分类：广义电子测量，狭义电子测量。1.1.1电子测量的意义及内容2.电子测量的内容电子测量特点：频率范围宽、量程广、精确度高、测量速度快、易于实现遥测摇控等。狭义电子测量内容：（1）能量：电流、电压、功率、电场强度等。（2）电路参数：电阻、电感、电容、品质因数等。（3）信号特性：频率、周期、相位、调制系数等。（4）电子设备性能：通频带、放大倍数等。（5）特性曲线：幅频特性、相频特性等。基本参量：频率、时间、电压、相位、阻抗等。非电量测量属于广义电子测量内容.1.按照测量性质分类（1）时域测量：测量与时间有函数关系的量。（2）频域测量：测量与频率有函数关系的量。（3）数字域测量：对数字逻辑量进行的测量。（4）随机量测量：对噪声、干扰信号等的测量。2.按照测量手段分类（1）直接测量：借助测量仪器可直接获得测量结果。（2）间接测量：先直接测量几个与被测量有函数关系的物理量，然后通过公式计算或查表等求出被测量。（3）组合测量：以直接测量和间接测量为基础。测量过程：1）需要改变测量条件多次测量。2）按照函数关系组成联立方程组并求解得出有关未知量。3）将未知量代入函数式而得出测量结果。1.1.2电子测量方法其他电测方法：人工测量和自动测量；动态测量和静态测量；精密测量和工程测量；低频测量、高频测量和超高频测量等。测量方法选择规则：

测量时应对被测量的物理特性、测量允许时间、测量精度要求以及经费情况等方面进行综合考虑，结合现有的仪器、设备条件，择优选取合适的测量方法。测量误差表示方法：绝对误差、相对误差和容许误差。1.绝对误差（1）定义式：Δx＝测量值x–真值A0计算式：Δx=x–实际值AA0：用高级标准器具的测量值A（实际值）代替。注意：示值和读数值有区别。Δx正负号表示：x偏离A的方向，即偏大或偏小；Δx大小表示：x偏离A的程度。

1.2测量误差的基本概念1.2.1测量误差的表示方法（2）修正值：C

=–Δx=A–x→A=C+ΔxC常在用高级标准仪器对测量仪器校准时给出，给出的方式为数值、一条曲线、一张表格。绝对误差的缺点：虽然绝对误差可以说明测量结果偏离实际值的情况，但不能确切反映测量结果偏离实际值的程度。2.相对误差相对误差：实际相对误差、示值相对误差和满度相对误差。（1）实际相对误差：（2）示值相对误差：（3）满度相对误差：xm：仪器满度值。满度相对误差别称：满度误差或引用误差用途：描述电工仪表的准确度等级指针式电工仪表准确度等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0共七级。电工仪表准确度等级意义：仪表满度相对误差所不超过的百分比。注意：在无标准仪表比对的情况下，不可能确定测量值偏离方向，所以应带有“±”号。结论：Δxm＝xmγm；实测绝对误差Δx满足：；一般情况下，应尽量使指针处在仪表满度值的2/3以上区域。[例1–1]

用电压表校准万用表时测得的两个电压值是100V、50V，而用万用表测得的值分别是90V、40V，求两次测量的绝对误差、修正值、实际相对误差分别是多少？解：根据题意知，UA1=100V，UA2=50V，

Ux1=90V，Ux2=40V。第一次测量：ΔU1=90V–100V=–10V

C1=–ΔU1=10V

第二次测量：ΔU2=40V–50V=–10V

C2=–ΔU2=10V

结论：第一次测量要比第二次测量准确。[例1–2]

要测量40V左右的电压，有两块电压表：量程为50V、1.5级，量程为100V、1.0级，问应选用哪一块表测量比较合适？解：第一块表：ΔU1≤50V×(±1.5%)=±0.75V

第二块表：ΔU2≤100V×(±1.0%)=±1.0V

答：选用第一块表。3.容许误差（极限误差或仪器误差）定义：人为规定的某类仪器测量时不能超过的测量误差的极限值。表示：绝对误差、相对误差或二者的结合。1.2.2测量误差的来源（1）仪器误差：仪器本身及其附件的电气和机械性能不完善而引起。（2）使用误差（操作误差）：由于安装、调节、使用不当等原因引起的误差。（3）人身误差：人为原因引起的误差。（4）环境误差（影响误差）：由于受到外界的温度、湿度、气压、震动等影响产生的误差。（5）方法误差（理论误差）：由于测量时使用方法不完善、所依据理论不严格等原因引起的误差。1.2.3测量误差的分类1.系统误差（系差）（1）定义：对同一量进行多次测量，测量误差能够保持恒定或按照某种规律变化的误差。（2）分类与判断分类：恒定系差、变值系差恒定系差：大小及符号始终保持恒定不变。变值系差：大小及符号会按累进性规律、周期性规律或某复杂规律变化。系统误差的发现和判断方法：用理论分析法、校准和比对法、改变测量条件法、公式判断法，比较简单的是剩余误差观察法。（3）系差与测量的关系系差表明测量结果偏离真值或实际值的程度。系统误差越小，测量准确度越高。系差通常能够出现在最终的测量结果中。（4）减小系统误差的方法产生因素：对测量影响显著的因素。减小措施：测量之前；测量中采用零示法、替代法、交换法、微差法；测量后引入修正值加以抵消或削弱。零示法定义：使被测量对指示仪表的作用与某已知的标准量对它的作用相互平衡以使指示仪表示零，这时被测量等于已知的标准量。优点：可以消除指示仪表不准而造成的误差。替代法（置换法）定义：在测量条件不变情况下，用一已知标准量去代替被测量，并调整标准量使仪器的示值不变，此种情况下，被测量等于调整后的标准量。优点：消除仪器误差和其他造成系统误差的因素对测量结果的影响。交换法（对照法）定义：交换被测量在测量系统中的位置或测量方向，取两次测量值的平均值作为测量结果。优点：交换法将大大削弱系统误差的影响。微差法（虚零法或差值比较法）定义：实质上是一种不彻底的零示法。微差法允许标准量s与被测量x的效应不完全抵消，而是相差一微小量δ，测得δ＝x–s，即可得x=s+δ

优点：可以忽略仪表产生的偏差。2.随机误差（偶然误差、残差、随差）定义：在一系列重复测量中，每次测量结果出现无规律随机变化的误差。与测量关系：反映测量结果离散性，即随机误差越小，测量精密度越高。精密度与准确度无关。产生因素：影响微弱、变化复杂而又互不相关的多种因素共同造成。规律：服从统计规律，即单峰性、对称性、低偿性、有界性。减小措施：多次测量求平均特点：随机误差可以出现在单次测量结果中，一般不会出现在最终结果中。3.粗大误差（过失误差、疏失误差、粗差）定义：是由于操作不当、测量失误等原因造成测量结果明显偏离实际值的误差。减小措施：测量时应耐心细致以免出现粗大误差，如果发现数据中有粗大误差，应予剔除。1.3电子测量仪器的基本知识1.模拟仪器2.数字化仪器3.智能化仪器4.虚拟仪器（VI，VirtualInstrument）（1）概念：“软件即仪器”。（2）组成：计算机、仪器模块和软件。仪器模块功能主要靠软件实现。常用的开发软件有LabVIEW、LabWindows/CVI等。简单易学、灵活好用。（3）特点：智能化程度高；复用性强，费用低；可操作性强，易用灵活。1.3.1电子测量仪器的发展1.3.2电子测量仪器的分类按照仪器功能，通用电测仪器分类：（1）信号发生器（信号源）（2）电压测量仪器（3）波形测试仪器（4）频率测量仪器（5）电路参数测量仪器（6）信号分析仪器（7）模拟电路特性测试仪器（8）数字电路特性测试仪器测量时应根据测量要求，参考被测量与测量仪器的有关指标，结合现有测量条件及经济状况，尽量选用功能相符、使用方便的仪器。1.3.3电子测量仪器的主要性能指标（1）频率范围（有效频率范围）（2）准确度分类：测量准确度、测量仪器准确度。测量准确度：测量结果与被测量真值之间的一致程度。测量仪器准确度：测量仪器给出值接近于真值的能力。表示：以容许误差或不确定度的形式给出。

不确定度：为了避免丢失真实数据而人为扩大的测量误差。不确定度的数值越大，丢失真实数据的可能性越小，即可信度越高。（3）量程与分辨力（4）稳定性与可靠性稳定性：在规定时间内，仪器保持指示值或供给值不变的能力。可靠性：在规定条件下，完成规定功能的可能性。（5）环境条件（6）响应特性：输出的某个特征量与其输入的某个特征量之间的响应关系或驱动量与被驱动量之间的关系。（7）输入特性与输出特性：包括测量仪器的输入阻抗、输入形式等。输出特性主要包括测量结果的指示方式、输出电平、输出阻抗、输出形式等。1.3.4电子测量仪器的误差（1）固有误差：基准条件（见表1-1）下，仪器本身产生的容许误差。在说明书中视情况给出。（2）基本误差：正常条件（见表1-2）下，仪器方面产生的容许误差。（3）工作误差：额定工作条件下，在任一点上求得的仪器某项特性的误差。在说明书中必须给出。（4）影响误差：当某一个影响量（即影响因素）在其额定使用范围内（或一个影响特性在其有效范围内）取任一值，而其他影响量和影响特性均处于基准条件时所测得的误差。（5）稳定误差：标准值在其他影响量和影响特性保持恒定情况下，在规定时间内产生的误差极限。1.4测量结果的表示及测量数据的处理（1）测量值+不确定度：不确定度和测量值由对一系列测量数据的处理过程中得到。（2）有效数字：由第一种数字方法改写而成，适合表示中间结果。未标明测量误差或分辨力时，末位一般与不确定度第一个非零数字前一位对齐。（3）有效数字+（1～2）位的安全数字：由前两种方法演变而成，适合表示中间结果或重要数据。增加安全数字可以减小由第一种方法改写成第二种方法时产生误差的影响。在第二种表示方法确定出有效数字位数的基础上，根据需要向后多取1～2位安全数字，多余数字按有效数字的舍入规则进行。上述方法表示出的结果是测量报告值。1.4.1测量结果的表示（数字）1.4.2有效数字的处理

有效数字的处理包括：有效数字位数的取舍、有效数字的舍入。1.有效数字的意义欠准数字：在量程最小刻度的基础上，多估读的一位数字。定义：从第一个非零数字起向右所有的数字。意义：如果未标明测量误差或分辨力，认为有效数字具有不大于欠准数字±0.5单位的误差，称之为0.5误差原则。有的场合认为有效数字具有不大于欠准数字的±1单位的误差。2.有效数字位数的取舍与运算规则（1）有效数字位数的取舍原则1：要保证有效数字位数取舍后末位的±0.5单位不小于绝对误差（或不确定度），即有效数字位数保留至绝对误差（或不确定度）左边第1个非零数字前1位。原则2：若认为有效数字具有不大于欠准数字的±1单位的误差，这种情况下，除非绝对误差（或不确定度）刚好等于某1位的±1单位，用有效数字表示时，有效数字末位位数应与该位对齐。（2）有效数字的运算规则加法：以小数点后位数最少的为准；若各项无小数点，则以有效数字位数最少者为