電子測量儀器-概述

電子測量儀器 第 1章 概 述 電子測量的內(nèi)容及特點 電子測量的內(nèi)容 電子測量的特點 電子測量的一般方法 電子測量儀器概述 電子測量儀器的主要性能指標 電子測量儀器的分類 第 1章 概述 測量誤差和測量數(shù)據(jù)處理 測量誤差的概念及測量術語 測量誤差的來源 測量誤差的分類及特性 測量誤差的消除辦法 誤差的表示方法 測量數(shù)據(jù)處理 第 1章 概述 本章要點 掌握誤差的分類方法及誤差的消除辦法 掌握誤差的表示方法及計算 掌握數(shù)據(jù)處理 本章難點 各種誤差的計算方法 有效數(shù)字的修約與計算 第 1章 概述 電子測量的內(nèi)容及特點 電子測量的內(nèi)容 電能量測量包括各種頻率和波形下的電壓、電流、功率等的測量。 電信號特性測量包括波形、頻率、周期、相位、失真度、調(diào)幅度、信噪比及數(shù)字信號的邏輯狀態(tài)等的測量。 電路元件參數(shù)的測量包括電阻、電感、電容、阻抗、品質(zhì)因數(shù)及電子器件的參數(shù)等的測量。 電子設備的性能測量包括通頻帶、增益、衰減、靈敏度、頻率特性、信噪比等性能的測量。 第 1章 概述 電子測量的特點 電子測量技術與電子測量儀器的應用非常廣泛，與其他測 量方法和測量儀器相比有著無法比擬的眾多優(yōu)點，其特點如下 : 在電子測量中對電信號的測量，其頻率覆蓋范圍極寬，從 101012是不可能是同一臺儀器能在這樣寬的頻率范圍內(nèi)工作。通常是根據(jù)測量對象的工作頻段不同，選用不同的測量原理和使用不同的測量儀器。 所謂量程是指測量范圍的上下限值之差。電子測量的另一個特點是被測量的量值大小相差懸殊。 對于不同參數(shù)的測量，測量結果的準確度是不一樣的，有些參數(shù)的測量準確度可以很高，而有些參數(shù)的測量準確度卻又相當?shù)汀?第 1章 概述 由于電子測量是利用電子測量儀器完成的，因此其工作速度幾乎等同于電子運動和電磁波的傳播速度，使得電子測量無論在測量速度，還是在測量結果的處理上，是其他測量方法不可比擬的。 人們可以把電子儀器或與它連接的傳感器放到人類自身無法達到或不便長期停留的地方進行測量。通過測量儀器把現(xiàn)場所需測量的量轉(zhuǎn)換成易于傳輸?shù)碾娦盘枺糜芯€或無線的方式傳送到測試控制中心，從而實現(xiàn)遙測和遙控。 電子測量本身和它所測量的信號都是電信號，特別是計算機技術的發(fā)展和廣泛應用，給電子測量技術和設備帶來了新的生機。 第 1章 概述 電子測量的一般方法 測量過程實際上是一個比較的過程。測量的任務就是通過實驗的方法，將被測量（未知量）與已知量進行比較，以求得被測量的值。按照測量結果即所需要的被測量數(shù)值如何取得形成了不同的測量方式；又根據(jù)測量數(shù)據(jù)如何讀取形成了不同的測量方法。 一個電參數(shù)的測量，可通過不同的方式來實現(xiàn)。測量方式的選擇正確與否，直接關系到測量結果的準確程度，也關系到測量工作的經(jīng)濟性和可行性。 第 1章 概述 （ 1）直接測量 直接測量是指直接從測量儀器的讀數(shù)獲取被測量量值的方法。 直接測量的優(yōu)點是不需要對被測量與其他實測的量進行函數(shù)關系的輔助運算，測出的數(shù)據(jù)就是被測量本身的值。是工程測量中廣泛應用的測量方法。缺點是測量準確度受儀器基本誤差的限制，準確度較低。 （ 2）間接測量 根據(jù)被測量和其他量的函數(shù)關系 (可以是公式、曲線或表格等 )，先得到其他量，然后按函數(shù)式把被測量計算出來的一種方法。當被測量不便于直接讀出，或者間接測量比直接測量更準確，或缺少直接測量儀器等，那么，就可以采用間接測量法。間接測量廣泛用于科研、實驗室和工程測量。 第 1章 概述 （ 3）組合測量 如果被測的未知參數(shù)與某個中間量的函數(shù)關系式中還有其他未知量時，那么對中間量的一次測量無法求得被測量的值，可通過改變測量條件進行多次測量，根據(jù)被測量與未知參數(shù)間的函數(shù)關系列出方程組并求解，進而得到被測量，這種測量方法稱為組合測量。例如測量電阻器電阻溫度系數(shù)，必須在不同溫度條件下，分別測出 20 、 20、 后通過解聯(lián)立方程，求得 、 ： 第 1章 概述 直接測量需要從測量中讀取被測量，間接測量需要從測量中讀取中間量。無論是被測量還是中間量，讀取它們數(shù)據(jù)的方法可分為直讀法和比較法兩種。 （ 1）直讀法 在測量過程中，從儀表刻度上直接讀取被測量，包括大小和單位，因此這種方法叫直讀法。用儀器儀表指針的位移 (偏差 )表示被測量大小的測量方法，也稱為偏差式測量法。例如使用萬用表測量電壓、電流等。用這種方法測量時，作為計量標準的實物并不裝在儀表內(nèi)直接參與測量，而是事先用標準量具對儀表讀數(shù)、刻度進行校準，實際測量時根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)大小確定被測量量值。 第 1章 概述 （ 2）比較法 比較法是將被測量與標準量置于比較儀器上進行比較，從而求得被測量數(shù)據(jù)的一種方法。根據(jù)比較時的特點，比較法又可分為以下 3種。 零值法 零值法又稱作零示法或平衡法。測量時用被測量與標準量相比較，兩種量對儀器的作用相消為零。即當指零儀表 (零示器 )指示零時，表明被測量與標準量相等 (平衡 )，從而獲得被測量?？梢娏阒捣y量的準確度取決于標準量的準確度和指零儀表的靈敏度。例如利用惠斯登電橋測量電阻 (或電容、電感 )是這種方法的一個典型例子，如圖 第 1章 概述 當電橋平衡時，可以得到 通常是先大致調(diào)整比率 2，再調(diào)整標準電阻 第 1章 概述 微差法 微差法通過測量被測量與標準量之差 (通常該差值很小 )來求得被測量量值的方法。微差法實際上是一種不徹底的零值法。標準電池的相互比較就采用這種方法，如圖 準量）， ，那么被測量 X=S+ 第 1章 概述 替代法 替代法是將被測量與已知量（標準量）先后接入同一測量裝置，如果兩次測量中測量裝置的工作狀態(tài)能保持相同，則認為替代前接在裝置上的被測量與替代后的已知標準量其數(shù)值完全相等。替代法的準確度取決于標準量的準確度和測量裝置的靈敏度。 比較法的優(yōu)點是準確度和靈敏度都很高，多用于高準確度的場合。缺點是操作麻煩、設備復雜。 第 1章 概述 電子測量儀器概述 測量儀器是將被測量轉(zhuǎn)換成可供直接觀察的指示值的器具， 包括各類指示儀器、比較儀器、記錄儀器、傳感器和變送器等。本節(jié)將對電子測量儀器的主要性能指標和分類做一概括。 電子測量儀器的主要性能指標 電子測量儀器的主要性能指標包括頻率范圍、準確度、穩(wěn)定性、靈敏度、輸入阻抗等。 頻率范圍是指保證測量儀器其他指標正常工作的有效頻率范圍。 測量準確度又稱測量精度，它是指測量儀器的讀數(shù)或測量結果與被測量真值相一致的程度。對精度目前還沒有一個公認的、定量的數(shù)學表達式，因此常作為一個籠統(tǒng)的概念來使用，其含義是：精 度高，表明誤差?。痪鹊?，表明誤差大。 第 1章 概述 穩(wěn)定性是指在規(guī)定的時間區(qū)間，其他外界條件恒定不變的情況下，保證儀器示值不變的能力。 測量儀表的輸入阻抗對測量結果會產(chǎn)生一定的影響。像電壓表、示波器等類儀表，測量時并接于待測電路兩端，如圖 第 1章 概述 靈敏度表示測量儀表對被測量變化的敏感程度，一般定義為測量儀表指示值 (指針的偏轉(zhuǎn)角度、數(shù)碼的變化、位移的大小等 )增量敏度的另一種表述方式叫作分辨力或分辨率，是指測量儀表所能區(qū)分的被測量變化的最小值，在數(shù)字式儀表中經(jīng)常使用，同一儀器不同量程的分辨率不同。 線性度是測量儀表輸入 /輸出特性之一，表示儀表的輸出量 (示值 )隨輸入量 (被測量 )變化的規(guī)律。若儀表的輸出為 y，輸入為 x，兩者關系用函數(shù) y f(x)表示，如果 y f(x)為 稱之為線性刻度特性，否則稱為非線性刻度特性。如常用的萬用表的電阻擋，具有上凸的非線性刻度特性，如圖 1.4(a)所示。而數(shù)字電壓表，具有線性刻度特性，如圖 1.4(b)所示。 第 1章 概述 測量儀表的動態(tài)特性表示儀表的輸出響應隨輸入變化的能力。例如模擬電壓表由于動圈式表頭指針慣性、軸承摩擦、空氣阻尼等因素的作用，使得儀表的指針不能瞬間穩(wěn)定在固定值上。 第 1章 概述 電子測量儀器的分類 電壓測量儀器指用于測量信號電壓的儀器。包括各種模擬式電壓表、毫伏表、數(shù)字式電壓表等。 間、相位測量儀器 頻率、時間、相位測量儀器指用于測量信號頻率、周期、相位的儀器。包括電子計數(shù)式頻率計、石英鐘、數(shù)字式相位計等。 電路參數(shù)測量儀器指用于測量電阻、電感、電容等電路參數(shù)的儀器。包括各類電橋， R、 L、 體管或集成電路參數(shù)測試儀、圖示儀等。 測試用信號源指用于提供符合一定技術要求的電信號產(chǎn)生儀器。包括各類低頻和高頻信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器 。 第 1章 概述 信號分析儀器指用于測量信號非線形失真度、信號頻譜特性等的儀器。包括失真度儀、頻譜分析儀等。 波形測量儀器指用于顯示信號波形的儀器。主要指各類示波器，如通用示波器、多蹤示波器、多掃描示波器、取樣示波器等。 模擬電路特性測試儀器指用于分析模擬電路幅頻特性、噪聲特性等特性的儀器。包括掃頻儀、噪聲系數(shù)測試儀等。 數(shù)字電路特性測試儀器指用于分析數(shù)字電路邏輯等特性的儀器。主要指邏輯分析儀。這類儀器內(nèi)部多帶有微處理器或通過接口總線與外部計算機相連，是數(shù)據(jù)域測量中不可缺少的設備。 第 1章 概述 測量誤差和測量數(shù)據(jù)處理 測量誤差的概念及測量術語 0 一個量值在一定條件下所呈現(xiàn)的客觀大小或真實數(shù)值稱作真值。要想得到真值，必須利用理想的量具或測量儀器進行無誤差測量。由此可知，真值實際上是無法測得的。 實際測量中，不可能都直接與國家基準相比對，所以國家通過一系列的各級實物計量標準構成量值傳遞網(wǎng)，把國家基準所體現(xiàn)的計量單位逐級比較傳遞到日常工作儀器或量具上去。在每一級的比較中，都以上一級標準所體現(xiàn)的值當作準確無誤的值，通常稱為實際值，也叫作相對真值。 第 1章 概述 測量器具上標定的數(shù)值稱為標稱值。由于制造和測量精度不夠以及環(huán)境等因素的影響，標稱值并不一定等于它的真值或?qū)嶋H值。 由測量儀器讀數(shù)裝置所顯示出的被測量的量值稱為測量儀器的示值，也稱測量儀器的測量值，它包括數(shù)值和單位。一般來說，示值與測量儀器的讀數(shù)有區(qū)別，讀數(shù)是儀器刻度盤上直接讀到的數(shù)字。 測量儀器、儀表的測量指示值與被測量真值之間的差異，稱為測量誤差。測量誤差的存在具有必然性和普遍性，人們只能根據(jù)需要和可能，將其限制在一定范圍內(nèi)而不可能完全加以消除。 第 1章 概述 精度是指測量儀器的讀數(shù)或測量結果與被測量真值相一致的 程度，即反映測量結果與真值接近程度的量稱精度。 精度又可用精密度、準確度（正確度 )和精確度 3個指標加以表征。 (1) 精密度（ ） 精密度說明儀表指示值的分散性，表示在同一測量條件下對同 一被測量進行多次測量時，得到的測量結果的分散程度。 精密度反映了隨機誤差的影響。 (2) 準確度（正確度）（ ） 準確度說明儀表指示值與真值的接近程度。準確度反映了系統(tǒng)誤差的影響。我國電工儀表的分級，就是按準確度來確定的。 (3)精確度 () 精確度是精密度和準確度的綜合反映。表明測量結果與真值的一致程度。 第 1章 概述 舉例： 圖 靶中心作為被測量真值，以靶上的落彈點表示測量結果。其中圖 1.5(a)落彈點即散又偏，對應測量中既不精密，也不正確，即精確度很低。圖 1.5(b)落彈點雖仍較分散，但大致都圍繞靶心，屬于準確而欠精密。圖 1.5(c)落彈點密集但明顯偏向一側，屬于精密度高、準確度差。圖 1.5(d)落彈點密集且都圍繞靶心，屬于既精密又準確，因而精確度高的情況。 第 1章 概述 測量誤差的來源 儀器誤差包括基本誤差和附加誤差。 （ 1）基本誤差：測量儀器本身設計、制作、裝配上的不完善以及儀器使用過程中元器件老化、機械部件磨損、疲勞等因素而引起的固有誤差。 （ 2）附加誤差 :指儀器使用時偏離規(guī)定的工作條件而造成的誤差。 使用誤差是由于對測量設備操作使用不當而造成的誤差。有些設備要求正式測量前進行預熱而未預熱；有些設備要求水平放置而傾斜或垂直放置；有的測量設備要求實際測量前須進行校準等。 人員誤差主要指由于測量者感官的分辨能力、視覺疲勞、固有習慣等而對測量實驗中的現(xiàn)象與結果判斷不準確而造成的誤差。 第 1章 概述 方法誤差 方法誤差（又稱理論誤差）是指所使用的測量方法不當，或測量所依據(jù)的理論不嚴密，或采用了近似公式，或?qū)y量計算公式不適當簡化等原因而造成的誤差。 環(huán)境誤差是指各種環(huán)境因素與要求條件不一致而造成的誤差。對電子測量而言，最主要的影響因素是環(huán)境溫度、電源電壓和電磁干擾等。當環(huán)境條件符合要求時，環(huán)境誤差通?？刹挥杩紤]。但在精密測量及計量中，需根據(jù)測量現(xiàn)場的溫度、濕度、電源電壓等影響數(shù)值求出各項環(huán)境誤差，以便根據(jù)需要做進一步的數(shù)據(jù)處理。 第 1章 概述 誤差的分類及特點 根據(jù)誤差性質(zhì)和來源不同，一般測量誤差分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差三類。 在相同條件下多次測量同一量值時，誤差的絕對值和符號保持不變，或當條件改變時按某種規(guī)律變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差，簡稱系差。 歸納起來，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的主要原因有： 儀表誤差； 理論誤差； 人員誤差。 系統(tǒng)誤差體現(xiàn)了測量的正確度（即對真值的偏離），系統(tǒng)誤差小，表明測量的正確度高。 第 1章 概述 隨機誤差又稱偶然誤差，是指對同一量值進行多次測量時，其絕對值和符號均以不可預定的方式無規(guī)律變化的誤差。 就單次測量而言，隨機誤差沒有規(guī)律，其大小和方向完全不可預定，但當測量次數(shù)足夠多時，其總體服從統(tǒng)計學規(guī)律，多數(shù)情況下接近正態(tài)分布，如圖 第 1章 概述 隨機誤差的特點是： （ 1）在多次測量中誤差絕對值的波動有一定的界限，即具有有界性。 （ 2）絕對值小的誤差出現(xiàn)機會多于大誤差，即單峰性。 （ 3）當測量次數(shù)足夠多時正負誤差出現(xiàn)的機會幾乎相同，即具有對稱性。 （ 4）隨機誤差的算術平均值趨于零，即具有抵償性。 由于隨機誤差的上述特點，可以通過對其多次測量取平均值的辦法，來減小隨機誤差對測量結果的影響。 第 1章 概述 在一定的測量條件下，由于測量人員的疏忽造成測得值明顯地偏離實際值所形成的誤差稱為粗大誤差，也稱為疏失誤差，簡稱粗差。 粗大誤差的特點是明顯偏離實際值。確認含有粗大誤差的測得值稱為壞值，應當剔除不用，因為壞值不能反映被測量的真實數(shù)值。 產(chǎn)生粗大誤差的主要原因包括： （ 1）測量方法不當或錯誤。例如用普通萬用表電壓擋直接測量高內(nèi)阻電源的開路電壓；用普通萬用表交流電壓擋測量高頻交流信號的幅值等。 （ 2）測量操作疏忽和失誤。例如未按規(guī)程操作，讀錯讀數(shù)或單位，或記錄及計算錯誤等。 （ 3）測量儀器特別差。 第 1章 概述 測量誤差的消除辦法 測量過程中不可避免地存在系統(tǒng)誤差，應根據(jù)誤差的來源和性質(zhì)采取一定的措施，盡量減小誤差，完全消除是不可能的。 （ 1）比較法消除系統(tǒng)誤差 零示法 零示法原理，如圖 中 示儀可為光電檢流計、電流表、電壓表、示波器、調(diào)諧指示器、耳機等，只要零示儀的靈敏度足夠高，測量的準確度基本上等于標準量的準確度，而與零示儀的準確度無關，從而可消除由于零示儀不準所帶來的系統(tǒng)誤差。 第 1章 概述 調(diào)節(jié) 0，則被測電壓 由式 (1可以看到，被測量 2、 第 1章 概述 替代法 替代法是在測量條件不變的情況下，用一標準已知量去替代待測量，通過調(diào)整標準量而使儀器的示值不變，于是標準量的值即等于被測量值。由于替代前后整個測量系統(tǒng)及儀器示值均未改變，因此測量中的系統(tǒng)誤差對測量結果不產(chǎn)生影響，測量準確度主要取決于標準已知量的準確度及指示器的靈敏度。 如圖 第 1章 概述 交換法 交換法適于在對稱的測量裝置中用來檢查其對稱性是否良好，或從兩次測量結果的處理中，削弱或消除系統(tǒng)誤差?，F(xiàn)以圖 第 1章 概述 如前所述，多次等精度測量時產(chǎn)生的隨機誤差及測量值服從統(tǒng)計學規(guī)律。我們從工程應用角度出發(fā)，利用概率統(tǒng)計的一些基本理論，研究隨機誤差的特征及對含有隨機誤差的測量數(shù)據(jù)的處理方法。 隨機誤差不可能在一次測量結果中消除，必須采用重復測量的方法，并取算術平均值。測量次數(shù)越多，其平均值越接近實際值。 第 1章 概述 誤差的表示方法 絕對誤差定義為 式中， 面已提到，真值 以用實際值 0，因而絕對誤差更有實際意義的定義是 對于絕對誤差，應注意下面幾個特點。 絕對誤差是有單位的量，其單位與測得值和實際值相同。 絕對誤差是有符號的量，其符號表示出測量值與實際值的大小關系，若測得值較實際值大，則絕對誤差為正值，反之為負值。 第 1章 概述 測得值與被測量實際值間的偏離程度和方向通過絕對誤差 來體現(xiàn)。 與絕對誤差絕對值相等但符號相反的值稱為修正值，一般用符號 測量儀器的修正值，可通過檢定，由上一級標準給出，它可以是表格、曲線或函數(shù)表達式等形式。利用修正值和儀器示值，可得到被測量的實際值。 第 1章 概述 對于相同的被測量， 對不同的被測量，絕對誤差就不能反映測量的準確度。這時可用相對誤差來判斷。相對誤差用來說明測量精度的高低。 定義： 絕對誤差 相對誤差。 沒有單位，用 %表示。 由于在工程中不能確定真值 用儀表示值 第 1章 概述 相對誤差可表示某次測量結果的準確度，但不足以說明儀表本身的準確度，同一塊儀表相對誤差隨著被測量減小而逐漸增大，所以用最大引用誤差來表示儀表的準確度。 最大引用誤差定義為儀器量程內(nèi)最大絕對誤差 量程上限值 )式中， K%代表儀表的準確度。如 %。 第 1章 概述 例 某電流表準確度為 量程為 10最大可能的相對誤差是多少？ 解： 該表最大絕對誤差由式 (1到 m K% 00 10= 4結論 1:測量結果的準確度不等于儀器儀表的準確度。因此在選擇儀器儀表時，不僅要考慮儀器儀表的準確度，還應根據(jù)被測量的大小選擇合適的儀表量程，才能保證測量結果的準確度。即 m,準確度就越高。 第 1章 概述 例 2 某 度值 150V，求測量值分別為 50V，100V， 150 解： 由式 (1絕對誤差 K% 150= 已敘述，絕對誤差是不隨測量值改變的。 而測得值分別為 50V、 100V、 150式 (1 24)分別得到 結論 2:為了減小測量中的示值誤差，在儀表選擇時不僅要考慮儀表的準確度，還應根據(jù)被測量的大小選擇合適的儀表量程。即盡可能使指示值接近滿度值，一般以指示值不小于滿度值的 2/3為宜。 第 1章 概述 測量數(shù)據(jù)處理 通過實際測量取得測量數(shù)據(jù)后，通常還要對這些數(shù)據(jù)進行計算、分析、整理，有時還要把這些數(shù)據(jù)歸納成一定的表達式或畫出曲線，也即進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理是建立在誤差分析的基礎上，在數(shù)據(jù)處理過程中，要進行去粗取精，去偽存真的工作，并通過分析、整理引出正確的結論。 第 1章 概述 （ 1）有效數(shù)字 由于受測量儀器分辨能力的限制，測量數(shù)據(jù)不可能完全準確，含有誤差，測量數(shù)據(jù)及由測量數(shù)據(jù)計算出來的算術平均值等都是近似值。另外在計算中還會遇到像 、 、 2都要取近似值。所以在測量結果會遇到有效數(shù)字的問題。 有效數(shù)字 :實際上能測量到的數(shù)字 ,通常包括全部準確數(shù)字和一 位不確定的可疑數(shù)字。 有效數(shù)字的位數(shù)應與測量用儀器及測量方法的精確度相一致。 如電流表測得電流為 明儀表刻度精確到小數(shù)點后的第一位，第二位是估計的。 第 1章 概述 （ 2）有效數(shù)字中“ 0”的意義 用于數(shù)字定位 ,在非零數(shù)字左邊的零不是有效數(shù)字。 代表有效數(shù)字 ,在數(shù)字中間和右邊的零。 即從它左邊第一個不為零的數(shù)字起，到右面最后一個數(shù)字(包括零 )止，都叫做有效數(shù)字。 第 1章 概述 （ 3）多余數(shù)字的舍入規(guī)則 在數(shù)據(jù)處理中，當有效數(shù)字的位數(shù)確定后，