第1章儀器設(shè)計(jì)導(dǎo)論

1、儀器儀表創(chuàng)新設(shè)計(jì)2n參考書目：趙茂泰.電子測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì).華中科技大學(xué)出版社,2010版。張春林.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社,2011版。n總成績(jī)平時(shí)成績(jī) 30期末考試成績(jī) 70n平時(shí)成績(jī)出勤課堂發(fā)言3第1章 測(cè)量的基本原理n本章闡述測(cè)量學(xué)科的豐富內(nèi)涵。n介紹測(cè)量、計(jì)量的基本概念，即它們的意義、內(nèi)容、特點(diǎn)及應(yīng)用。n討論測(cè)量原理、測(cè)量方法和測(cè)量系統(tǒng)中的共性問題。n從實(shí)現(xiàn)測(cè)量原理的變換、比較、處理和顯示等環(huán)節(jié)中，闡述電子測(cè)量的基本技術(shù)。41.1 測(cè)量的基本概念n1.1.1 測(cè)量的意義 日常生活中處處離不開測(cè)量科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展離不開測(cè)量， 離開測(cè)量就不會(huì)有真正的科學(xué)。 n 沒有望遠(yuǎn)鏡就沒有沒有望遠(yuǎn)鏡

2、就沒有天文學(xué)，沒有顯微天文學(xué)，沒有顯微鏡就沒有細(xì)胞學(xué)，鏡就沒有細(xì)胞學(xué)，沒有指南針就沒有沒有指南針就沒有航海事業(yè)航海事業(yè) 51.1.1 測(cè)量的意義（續(xù)）生產(chǎn)發(fā)展離不開測(cè)量 農(nóng)業(yè)社會(huì)中，需要丈量土地、衡量谷物，就產(chǎn)生了長(zhǎng)度、面積、容積和重量的測(cè)量；掌握季節(jié)和節(jié)候，出現(xiàn)了原始的時(shí)間測(cè)量器具，并有了天文測(cè)量?，F(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，處處離不開測(cè)量. 例如，一個(gè)大型鋼鐵廠需要約2萬個(gè)測(cè)量點(diǎn)在高新技術(shù)和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)中則更是離不開測(cè)量例如，每種新設(shè)計(jì)的飛機(jī)，需要測(cè)試飛機(jī)高速飛行中受氣流沖擊作用下的性能，通過風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)定機(jī)身、機(jī)翼的受力和振動(dòng)分布情況，以驗(yàn)證和改進(jìn)設(shè)計(jì)。61.1.2 測(cè)量的定義 n1.狹義測(cè)量的

3、定義測(cè)量是為了確定被測(cè)對(duì)象的量值而進(jìn)行的一組操作。在測(cè)量過程中，人們借助專門的設(shè)備，把被測(cè)對(duì)象直接或間接地與同類已知單位進(jìn)行比較，取得用數(shù)值和單位共 同 表 示 的 測(cè) 量 結(jié) 果 。 測(cè)量結(jié)果測(cè)量數(shù)值測(cè)量結(jié)果測(cè)量數(shù)值測(cè)量單位，測(cè)量單位，即：即：0 xxx71.1.2 測(cè)量的定義（續(xù)）n測(cè)量的內(nèi)涵 測(cè)量對(duì)象：被測(cè)客體中的相應(yīng)的量值信息；測(cè)量目的：從被測(cè)對(duì)象取得一個(gè)定量的認(rèn)識(shí)；測(cè)量過程: 通過實(shí)驗(yàn)去認(rèn)識(shí)對(duì)象的過程測(cè)量方法：比較；A.直接比較 B.間接比較；C.需要測(cè)量?jī)x器；測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：同類已知單位。測(cè)量結(jié)果：最終能表示給測(cè)量主體（人）81.1.2 測(cè)量的定義（續(xù)）被測(cè)物體的重量等于標(biāo)被測(cè)物體的重量

4、等于標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重量準(zhǔn)砝碼的重量被測(cè)物體的重量從度盤上讀數(shù)，因?yàn)?，彈簧秤度盤被測(cè)物體的重量從度盤上讀數(shù)，因?yàn)椋瑥椈沙佣缺P上的刻度是事先與標(biāo)準(zhǔn)量比較的結(jié)果。上的刻度是事先與標(biāo)準(zhǔn)量比較的結(jié)果。91.1.2 測(cè)量的定義（續(xù)）n2.廣義測(cè)量的定義廣義地講，測(cè)量是為了獲取被測(cè)對(duì)象的信息而進(jìn)行的實(shí)踐過程。例如故障診斷、無損探傷、遙感遙測(cè)、礦藏勘探、地震源測(cè)定、衛(wèi)星定位等。而測(cè)量結(jié)果也不僅僅是由量值和單位來表征的一維信息，還可以用二維或多維的圖形、圖像來顯示被測(cè)對(duì)象的屬性特征、空間分布、拓樸結(jié)構(gòu)等。 廣義測(cè)量原理可以從信息獲取過程來說明，包括信息的感知和信息識(shí)別兩個(gè)環(huán)節(jié)。 101.1.3 測(cè)量的組成n1.測(cè)量

5、的基本要素 被測(cè)對(duì)象、測(cè)量?jī)x器、測(cè)量技術(shù)、測(cè)量人員和測(cè)量環(huán)境 對(duì)對(duì)象象屬屬性性影影響響影影響響影影響響測(cè)測(cè)量量策策略略、算算法法數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)狀狀態(tài)態(tài)參參數(shù)數(shù)命命令令被被測(cè)測(cè)信信息息原原理理方方法法被被測(cè)測(cè)對(duì)對(duì)象象儀儀器器系系統(tǒng)統(tǒng)測(cè)測(cè)量量人人員員測(cè)測(cè)量量環(huán)環(huán)境境激激勵(lì)勵(lì)信信號(hào)號(hào)選選擇擇儀儀器器決決定定方方法法圖圖1 1- -3 3 測(cè)測(cè)量量的的基基本本要要素素111.1.3 測(cè)量的組成（續(xù)）n2.測(cè)量過程基本要素之間的互動(dòng)關(guān)系論證階段論證階段 測(cè)量的主體（測(cè)量人員）根據(jù)測(cè)試任務(wù)的要求、被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)、屬性，及現(xiàn)有儀器設(shè)備狀況，擬定合理的測(cè)試方案。設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)階段* 選擇測(cè)試儀器，組建測(cè)試系統(tǒng)。* 制

6、定出測(cè)試策略（測(cè)量算法）和操作步驟（測(cè)試程序）實(shí)施階段實(shí)施階段* 對(duì)儀器和系統(tǒng)實(shí)施測(cè)試操作（發(fā)控制命令），按照邏輯和時(shí)序完成測(cè)量過程，取得測(cè)量數(shù)據(jù);* 分析測(cè)量誤差并顯示測(cè)量出結(jié)果。 121.1.3 測(cè)量的組成（續(xù)）n3.3.被測(cè)對(duì)象被測(cè)對(duì)象信息信息廣義的測(cè)量是信息的獲取，信息反映了事物的運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)及其變化方式。信息又可分為自然信息和社會(huì)信息兩大類。n4.4.測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)量具和儀器量具和儀器測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)包括量具、測(cè)試儀器、測(cè)試系統(tǒng)及附件等n5.5.測(cè)量的主體測(cè)量的主體測(cè)量人員測(cè)量人員手動(dòng)：由測(cè)量主體（測(cè)量人員）直接參與完成自動(dòng)：測(cè)量主體交給智能設(shè)備（計(jì)算機(jī)等）完成，但測(cè)量策略、軟件

7、算法、程序編寫需由測(cè)量人員事先設(shè)計(jì)好。n6.6.測(cè)試技術(shù)測(cè)試技術(shù)測(cè)量中所采用的原理、方法和技術(shù)措施，總稱為測(cè)試技術(shù)。131.1.3 測(cè)量的組成（續(xù)）n7.7.測(cè)量環(huán)境測(cè)量環(huán)境n測(cè)量環(huán)境是指測(cè)量過程中人員、對(duì)象和儀器系統(tǒng)所處空間的一切物理和化學(xué)條件的總和。n測(cè)量環(huán)境包括溫度、濕度、力場(chǎng)、電磁場(chǎng)、輻射、化學(xué)氣霧和粉塵，霉菌以及有關(guān)電磁量（工作電壓、源阻抗、負(fù)載阻抗、地磁場(chǎng)、雷電等）的數(shù)值、范圍及其變化。 141.1.3 測(cè)量的組成（續(xù)）n環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響nA. 環(huán)境對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響：某些被測(cè)對(duì)象客體（如器件、電路或系統(tǒng)）的性能特性對(duì)環(huán)境變化較為敏感。nB. 環(huán)境對(duì)儀器系統(tǒng)的影響：環(huán)

8、境可能直接或間接地影響到儀器系統(tǒng)本身的某個(gè)工作特性。nC. 環(huán)境對(duì)測(cè)量人員的影響：高溫、嚴(yán)寒、潮濕、悶氣、嘈雜、照明不適當(dāng)?shù)炔涣脊ぷ鳝h(huán)境，會(huì)對(duì)測(cè)量人員的身心產(chǎn)生不良影響，從而引起不同程度的人身誤差乃至差錯(cuò)。151.1.3 測(cè)量的組成（續(xù)）n應(yīng)采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?，盡量減少由于環(huán)境影響而產(chǎn)生的誤差。n恒溫、恒濕、穩(wěn)壓和防震。n抗干擾、防噪聲的措施，如接地、屏蔽、隔離、濾波等。n儀器應(yīng)能盡量適應(yīng)惡劣環(huán)境和大范圍變化環(huán)境。 161.1.3 測(cè)量的組成（續(xù)）n儀器以工作環(huán)境條件的不同要求分為三組：儀器以工作環(huán)境條件的不同要求分為三組：I組：良好的環(huán)境條件，溫度+10+35oC，相對(duì)濕度80%（在35oC

9、上），只允許有輕微的振動(dòng)。II組：一般的環(huán)境條件，溫度10+40oC，相對(duì)濕度80%（在40oC上），允許一般的振動(dòng)和沖擊。III組：惡劣的環(huán)境條件，溫度40+55oC，相對(duì)濕度90%（在35oC上），允許頻繁的搬動(dòng)和運(yùn)輸中受到較大的沖擊和振動(dòng)。nI組高精度計(jì)量用儀器nII組通用儀器nIII組野外、機(jī)載等儀器THE END17 1.2 計(jì)量的基本概念n1.2.1 1.2.1 計(jì)量的定義和意義計(jì)量的定義和意義為使在不同的地方，用不同的手段測(cè)量同一量時(shí)，所得的結(jié)果一致，就要求統(tǒng)一的單位、基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量器具。 n1.1.計(jì)量的定義計(jì)量的定義計(jì)量是一種特殊形式的測(cè)量，它把被測(cè)量與國(guó)家計(jì)量部門作為基準(zhǔn)

10、或標(biāo)準(zhǔn)的同類單位量進(jìn)行比較，以確定合格與否，并給出具有法律效力的檢定證書。計(jì)量是利用技術(shù)和法制手段實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠的測(cè)量。n計(jì)量的三個(gè)主要特征是計(jì)量的三個(gè)主要特征是統(tǒng)一性統(tǒng)一性、準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性和和法制性法制性。計(jì)量包含了為達(dá)到統(tǒng)一和準(zhǔn)確一致所進(jìn)行的全部活動(dòng)，如單位的統(tǒng)一、基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的建立、進(jìn)行量值傳遞、計(jì)量監(jiān)督管理、測(cè)量方法及其手段的研究等。181.2.2 單位和單位制n根據(jù)定義而令系數(shù)為1的量稱為單位。例：克、米、秒等n單位是表征測(cè)量結(jié)果的重要組成部分，又是對(duì)兩個(gè)同類量值進(jìn)行比較的基礎(chǔ)。191.2.2 單位和單位制（續(xù)）n1960年第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上正式通過國(guó)際單位制SI (In

11、ternational System of Units)。 n1984年2月國(guó)務(wù)院頒布了中華人民共和國(guó)法定計(jì)量單位，決定我國(guó)法定計(jì)量單位以國(guó)際單位制為基礎(chǔ)。nSI有7個(gè)基本單位201.2.2 單位和單位制（續(xù)）n1.國(guó)際單位制（SI）的組成國(guó)際單位制基本單位 211.2.2 單位和單位制（續(xù)）n國(guó)際單位制是由國(guó)際單位制單位國(guó)際單位制單位、國(guó)際單位制詞頭國(guó)際單位制詞頭兩部分組成。n國(guó)際單位制詞頭表示使單位增大或縮小的十進(jìn)倍數(shù)。 例：5.4X10-9s=5.4ns 單位詞頭221.2.3 基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)n1.基準(zhǔn)基準(zhǔn)用來復(fù)現(xiàn)某一基本測(cè)量單位的量值，只用于鑒定各種量具的精度，不直接參加測(cè)量。n(1)一級(jí)

12、基準(zhǔn)，又稱主基準(zhǔn)和國(guó)家基準(zhǔn)具有最高水平的基準(zhǔn)。一個(gè)國(guó)家只有一個(gè)。n(2)二級(jí)基準(zhǔn)，又稱副基準(zhǔn)副基準(zhǔn)的量值精度由主基準(zhǔn)確定，用以代替主基準(zhǔn)向下傳遞或代替主基準(zhǔn)參加國(guó)際比對(duì) n(3)三級(jí)基準(zhǔn)，又稱工作基準(zhǔn)工作基準(zhǔn)用來直接向下屬標(biāo)準(zhǔn)量具進(jìn)行量值傳遞，用以檢定下屬計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量具的精確度。231.2.3 基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)（續(xù)）2.2.標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)n根據(jù)工作基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)出不同等級(jí)的便于經(jīng)常使用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量具或儀器，簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)。n計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度等級(jí)在工作基準(zhǔn)之下，工作計(jì)量器具之上。n按精度高低又分為一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。n通過這些標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常性地對(duì)日常工作儀器進(jìn)行檢定，確定其量值的精確度大小。n除標(biāo)準(zhǔn)器具外，還有標(biāo)準(zhǔn)物

13、質(zhì)。 241.2.3 基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)（續(xù)）n3.3.幾個(gè)術(shù)語(yǔ)幾個(gè)術(shù)語(yǔ)n（1）計(jì)量器具：凡是能用以直接或間接測(cè)出被測(cè)對(duì)象量值的量具、計(jì)量?jī)x器和計(jì)量裝置都統(tǒng)稱為計(jì)量器具。計(jì)量器具按作用可分為計(jì)量基準(zhǔn)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和工作計(jì)量器具三類。n（2）計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具：準(zhǔn)確度低于計(jì)量基準(zhǔn)，用于檢定計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或工作計(jì)量器具的計(jì)量器具。n（3）工作計(jì)量器具：工作崗位上使用，不用于進(jìn)行量值傳遞，而是直接用來測(cè)量被測(cè)對(duì)象量值的計(jì)量器具。251.2.3 基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)（續(xù)）基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)（續(xù)）n（4）比對(duì)：在規(guī)定條件下，對(duì)相同準(zhǔn)確度等級(jí)的同類基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)或工作計(jì)量器之間的量值進(jìn)行比較，其目的是考核量值的一致性。n（5）檢定：是用高一等級(jí)準(zhǔn)確度

14、的計(jì)量器具對(duì)低一等級(jí)的計(jì)量器具進(jìn)行比較，以達(dá)到全面評(píng)定被檢計(jì)量器具的計(jì)量性能是否合格的目的。一般要求計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度為被檢者的1/3到1/10。n（6）校準(zhǔn)：校準(zhǔn)是指被校的計(jì)量器具與高一等級(jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)相比較，以確定被校計(jì)量器具的示值誤差（有時(shí)也包括確定被校器具的其他計(jì)量性能）的全部工作。261.2.4 測(cè)量基準(zhǔn)的權(quán)威性和相對(duì)性測(cè)量基準(zhǔn)的權(quán)威性和相對(duì)性1.基準(zhǔn)的權(quán)威性基準(zhǔn)的理論定義最嚴(yán)格的、制作工藝技術(shù)最先進(jìn)。 原器基準(zhǔn)自身也會(huì)隨時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境條件而變化，甚至?xí)p壞，會(huì)失傳。從現(xiàn)代科學(xué)的觀點(diǎn)來看，最好的基準(zhǔn)是原子基準(zhǔn)。2.基準(zhǔn)的相對(duì)性一個(gè)時(shí)期的測(cè)量基準(zhǔn)反映當(dāng)時(shí)的人類認(rèn)識(shí)水平和科學(xué)水平 271.

15、2.4 測(cè)量基準(zhǔn)的權(quán)威性和相對(duì)性（續(xù)）測(cè)量基準(zhǔn)的權(quán)威性和相對(duì)性（續(xù)）281.2.5 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的傳遞測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的傳遞中中國(guó)國(guó)計(jì)計(jì)量量院院中中國(guó)國(guó)測(cè)測(cè)試試院院國(guó)國(guó)家家標(biāo)標(biāo)物物中中心心授授權(quán)權(quán)基基準(zhǔn)準(zhǔn)實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室室大大區(qū)區(qū)國(guó)國(guó)家家計(jì)計(jì)量量中中心心省省級(jí)級(jí)計(jì)計(jì)量量所所市市（地地）計(jì)計(jì)量量所所分分站站縣縣（區(qū)區(qū)）計(jì)計(jì)量量所所工工礦礦企企業(yè)業(yè)、商商店店、研研究究院院所所、醫(yī)醫(yī)院院、學(xué)學(xué)校校等等國(guó)國(guó)防防計(jì)計(jì)量量中中心心行行業(yè)業(yè)計(jì)計(jì)量量中中心心國(guó)國(guó)家家專專業(yè)業(yè)計(jì)計(jì)量量站站國(guó)國(guó)家家標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)級(jí)級(jí)級(jí)級(jí)級(jí)級(jí)工工作作標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)自上而下逐級(jí)傳遞自上而下逐級(jí)傳遞 THE END291.3 電子測(cè)量中的基本實(shí)現(xiàn)技術(shù)1.量值變換n量

16、值是指電壓、電流、功率、阻抗、時(shí)間等電參量的幅值大小。n量值變換即指把它們的幅值按比例地增大或縮小。n把量值處于難以測(cè)量的邊緣狀態(tài)（太小或太大）的被測(cè)量，按某一已知比值變換為量值適中的同樣參量進(jìn)行測(cè)量。n通過量值變換，可增加測(cè)量范圍，提高測(cè)量分辨力和精度。1.3.1 電子測(cè)量中的變換技術(shù)301.3.1 電子測(cè)量中的變換技術(shù)(續(xù)）n2.2.頻率變換頻率變換（1）檢波：交流電壓變成直流電壓 常用磁電式電表，它只能測(cè)量直流，交流信號(hào)必須檢波成直流信號(hào)來測(cè)量 （2）斬波：把一個(gè)直流電壓調(diào)制成交流電壓，經(jīng)過交流放大，然后再把交流電壓通過反調(diào)制（解調(diào)）還原為直流電壓的過程。 斬波的作用是對(duì)微弱的直流電壓進(jìn)

17、行高穩(wěn)定放大。31n（3）變頻（混頻）進(jìn)行頻率的加減運(yùn)算。獲得很寬的頻率覆蓋范圍。獲得高增益，提高測(cè)量?jī)x器的靈敏度。實(shí)現(xiàn)中頻或低頻替代，以提高測(cè)量精度。實(shí)現(xiàn)頻率的精密測(cè)量。 1.3.1 電子測(cè)量中的變換技術(shù)(續(xù)）32n倍頻器是頻率綜合技術(shù)中的乘法器。n差頻倍增法 n用倍頻法減小測(cè)量誤差。 利用電子計(jì)數(shù)進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)，1誤差將決定測(cè)量誤差。若KHz，1的相對(duì)誤差為10-3，如果先對(duì)進(jìn)行103倍的鎖相倍頻后測(cè)量，則該項(xiàng)誤差可降為10-6。()xsxsmfmfm ffm f 1.3.1 電子測(cè)量中的變換技術(shù)(續(xù)）33n（5 5）分頻）分頻分頻是于對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行除法運(yùn)算n（6 6）頻率合成）頻率合成頻

18、率合成是把一個(gè)（或少量幾個(gè)）高穩(wěn)晶振頻率源經(jīng)過一系列綜合的加、減、乘、除四則運(yùn)算，可作為隨意調(diào)節(jié)頻率的高精度信號(hào)源。n（7 7）取樣技術(shù)）取樣技術(shù)取樣門電路將高頻信號(hào)進(jìn)行取樣變換，使之以低頻形式復(fù)現(xiàn)出來。它可以把頻率上限擴(kuò)展到幾GHz甚至幾十GHz。1.3.1 電子測(cè)量中的變換技術(shù)(續(xù)）34n3.波形變換n（1）整形 將任意形狀的波形變成規(guī)則的脈沖波形。例如，用于電子計(jì)數(shù)器的輸入通道中。n（2）限幅 把信號(hào)波形幅度限制在一定范圍內(nèi)n（3）微分 由矩形脈沖形成一個(gè)窄脈沖。在電子計(jì)數(shù)器、取樣示波器、廣譜信號(hào)源中廣泛使用。n（4）合成 多種波形疊加成復(fù)雜波形。例如合成CRT顯示的視頻信號(hào)波形。n（5

19、）變換 方波變成三角波或正弦波，三角波變成正弦波或方波，正弦波變成方波或三角波等。波形變換技術(shù)廣泛用于多波形函數(shù)發(fā)生器中。 1.3.1 電子測(cè)量中的變換技術(shù)(續(xù)）354. 4. 參量變換參量變換 為了便于測(cè)量將被測(cè)參量作必要的變換。n（1）AV變換電流、電壓、電阻之間的變換多用表中采用的AV變換，包括交流/直流（AC/DC）、電流/電壓（I/V）和電阻/電壓（/V）的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了交、直流電壓、電流、電阻等多種測(cè)量功能。n（2）V/F變換模擬直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率n（3）V/T變換模擬直流電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間 n（4）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變換1.3.1 電子測(cè)量中的變換技術(shù)(續(xù)）36n5.能量變換 能量變換是泛指其

20、他多種形式的物理量與電學(xué)量之間的變換。傳感器就是能量變換器，即從非電量變換成電量n6.模/數(shù)和數(shù)/模變換1.3.1 電子測(cè)量中的變換技術(shù)(續(xù)）37n例 試以數(shù)字多用表測(cè)量交流電流為例，闡述變換技術(shù)在電子測(cè)量中的應(yīng)用。n交流電流/交流電壓的變換；交流電壓/直流電壓的變換；直流電壓的幅值變換；模擬/數(shù)字的變換；BCD碼/七段碼的碼制變換；顯示器件的電/光轉(zhuǎn)換。I/VAC/DC放放大大或或衰衰減減A/DBCD/七七段段碼碼數(shù)數(shù)碼碼顯顯示示i1.3.1 電子測(cè)量中的變換技術(shù)(續(xù)）38：一個(gè)工件傷痕檢測(cè)系統(tǒng)使用的變換技術(shù)機(jī)械量信息到光信號(hào)；光信號(hào)變換成電信號(hào)；電信號(hào)被放大，進(jìn)行了幅度變換；對(duì)電信號(hào)比較、

21、校正的處理后抽取出了有關(guān)傷痕的有用信息；電信號(hào)到光信號(hào)的變換。 傷傷痕痕比比較較校校正正顯顯示示工工件件光光源源光光信信號(hào)號(hào)電電信信號(hào)號(hào)濾濾光光片片透透鏡鏡固固體體圖圖像像傳傳感感器器放放大大標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)樣樣板板1.3.1 電子測(cè)量中的變換技術(shù)(續(xù)）391.3.2 電子測(cè)量中的比較技術(shù)1.比較的基本概念被測(cè)量為x、標(biāo)準(zhǔn)量為s、比較電路輸出為y。當(dāng)xs時(shí)，y=YH當(dāng)x=s 時(shí)，y出現(xiàn)一個(gè)躍變信號(hào)被測(cè)量被測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)量標(biāo)準(zhǔn)量xs比比較較電電路路yyHyL0ysx40n（1）比較的基本類型（按功能分）：n標(biāo)量比較它只識(shí)別兩個(gè)同類的未知量是否相等，例如兩個(gè)爐子溫度是否相等。n矢量比較它識(shí)別一組同類的未知量的相

22、對(duì)大小，并按照由大到小（或由小到大）的順序排列起來。n差值比較利用具有減法運(yùn)算功能的比較電路，取出兩個(gè)未知量之間的間隔大?。ú钪担?，并對(duì)差值進(jìn)行比較。n比值比較它選擇某個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，將每次測(cè)量值除以參考值，確定它們的相對(duì)大小。例如，在一組測(cè)量值中以最大測(cè)量值作參考，得到測(cè)量值以百分?jǐn)?shù)表示。n量化比較被測(cè)未知量與標(biāo)準(zhǔn)單位量比較，確定它是該單位的若干倍或是若干分之一。A/D轉(zhuǎn)換器是基于量化比較的典型部件。1.3.2 電子測(cè)量中的比較技術(shù)41（2）電子測(cè)量中的典型比較方法n差值運(yùn)算比較差值運(yùn)算比較 A零示法：若測(cè)量過程中調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)量s，使y=0（電路平衡、指示器為零）時(shí)，則x=s；B偏轉(zhuǎn)法：若測(cè)量過

23、程中選擇接近x的s，指示器測(cè)出微小差值y，則x=s+y（微差法）n比例運(yùn)算比較比例運(yùn)算比較 y=x/sy=x/sA零示法：若調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)量S，使y=1（電路平衡，指示器為1），則x=sB. 偏轉(zhuǎn)法：若固定S值，指示器測(cè)出y值，則x=y.s0-v+vxsx xs s1.3.2 電子測(cè)量中的比較技術(shù)422.2.電壓比較電壓比較（1）電平比較兩個(gè)模擬電壓的大小的比較是用電壓比較器來實(shí)現(xiàn)的 （a）差差動(dòng)動(dòng)型型 （b）求求和和型型 （c）比比較較特特性性_+uxusuo_+uxus比比較較器器uousux0 xsuu12xsRuuR 1.3.2 電子測(cè)量中的比較技術(shù)43n（2）差值型比較采用能輸出模擬差值電

24、壓的減法運(yùn)算放大器。實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算功能的方法也有差動(dòng)型比較和求和型比較兩種。n（3）比例型比較具有除法或比例運(yùn)算功能的電路或部件，也可完成被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量的比較。例如，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器中，被測(cè)電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓之間具有如下關(guān)系：21xsTUUT1.3.2 電子測(cè)量中的比較技術(shù)443.阻抗比較電橋電路具有對(duì)稱差動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)，是一種電量天平，可以十分方便地實(shí)現(xiàn)差值檢測(cè)和比例比較的功能。電橋電路具有靈敏度高、測(cè)量范圍寬，溫度補(bǔ)償容易實(shí)現(xiàn)，測(cè)量電路的零點(diǎn)調(diào)節(jié)方便。（a a）比例臂電橋）比例臂電橋 （b b）有源電橋）有源電橋 （c c）電壓電橋）電壓電橋 （d d）電流電橋）電流電橋3124ZZZZ112

25、2sxZUNUNZ1.3.2 電子測(cè)量中的比較技術(shù)45n例. 比例運(yùn)算比較（半橋）電路 UsaRsRxbUo+_xossRURUoxssURRU1.3.2 電子測(cè)量中的比較技術(shù)46n4.頻率（時(shí)間）比較時(shí)間差值比較：用R-S觸發(fā)器可實(shí)現(xiàn)時(shí)差的比較 R-S 觸觸發(fā)發(fā)器器tAtBQS RtBtAT 1.3.2 電子測(cè)量中的比較技術(shù)47n差頻比較： 混頻器可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻率的減法運(yùn)算，還可利用差頻比較法測(cè)量頻率。比例比較：測(cè)頻率 fx=Nfs ；測(cè)周期 Tx=NTS混頻器混頻器fAfBF=f -fF=f -fA BA B被測(cè)頻率被測(cè)頻率標(biāo)準(zhǔn)頻率標(biāo)準(zhǔn)頻率混頻混頻器器Ffxfs零差指示零差指示=fx- f

26、s1.3.2 電子測(cè)量中的比較技術(shù)48n5. 相位比較使用鑒相器（1）用乘法器或相敏檢波器鑒相cos2xmsmoKU UuKxyuxusuo=ux us+_1.3.2 電子測(cè)量中的比較技術(shù)49（2）脈沖與數(shù)字式鑒相器 n觸發(fā)器構(gòu)成的脈沖鑒相器:RS觸發(fā)器或D觸發(fā)器n數(shù)字式鑒相器:由相位比較器（9個(gè)與非門）和電荷泵組成6. 數(shù)字比較 二進(jìn)制的數(shù)N1和N2加于異或門的輸入端，即可進(jìn)行比較數(shù)字比較器數(shù)字比較器數(shù)數(shù)字字比比較較器器N1N1N2N2Q Q1.3.2 電子測(cè)量中的比較技術(shù)50n信號(hào)運(yùn)算與處理是電子測(cè)量中的基本技術(shù)n淺層的信息處理基本上屬于對(duì)信息的形式化關(guān)系所作的變換或處理，僅僅利用了語(yǔ)法信息的因素。例如，在測(cè)量交流電壓的平均值、峰值、有效值時(shí)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行加、減、乘、除、平方、開方、平均、取絕對(duì)值、峰值等運(yùn)算與處理。n深層信息處理（特別是直接與優(yōu)化、決策、認(rèn)知等相聯(lián)系的信息處理）的目的是為了要從原始信息中獲得相關(guān)的“知識(shí)” n運(yùn)算電路分為模擬運(yùn)算電路和數(shù)字運(yùn)算電路兩大類 1.3.3 電子測(cè)量中的處理技術(shù)511. 基本模擬運(yùn)算運(yùn)算放大器輔之以不同的電路元件，可以組成諸如比例、加減、微分、積分、對(duì)數(shù)、指數(shù)