電子測量技術第01章

1、第 1 章電子測量的基本概念1.1測量與電子測量1.2電子測量的內容和特點1.3電子測量方法的分類1.4電子測量儀器的功能、 分類和主要性能指標1.5計量的基本概念小結習題11.1測量與電子測量1.1.1測量測量是通過實驗方法對客觀事物取得定量信息即數(shù)量概念的過程。 人們通過對客觀事物的大量觀察和測量形成定性和定量的認識， 歸納、 建立起各種定理和定律， 而后又通過測量來驗證這些認識、 定理和定律是否符合實際情況， 經過如此反復實踐， 逐步認識事物的客觀規(guī)律， 并用以解釋和改造世界。 因此可以說， 測量是人類認識和改造世界的一種不可或缺的手段。 俄國科學家門捷列(.)在論述測量的意義時曾說過：

2、“沒有測量， 就沒有科學”， “測量是認識自然界的主要工具”。 英國科學家?guī)炜?A.H.cook)也認為：“測量是技術生命的神經系統(tǒng)”。 這些話都極為精辟地闡明了測量的重要意義。 歷史事實也已證明： 科學的進步， 生產的發(fā)展， 與測量理論、 技術、 手段的發(fā)展和進步是相互依賴、 相互促進的。 測量技術水平是一個歷史時期、 一個國家的科學技術水平的一面“鏡子”。 正如特爾曼(F.E.Telmen)教授所說：“科學和技術的發(fā)展是與測量技藝并行進步、 相互匹配的。 事實上， 可以說， 評價一個國家的科技狀態(tài)， 最快捷的辦法就是去審視那里所進行的測量以及由測量所累積的數(shù)據(jù)是如何被利用的?！?.1.2電

3、子測量電子測量是泛指以電子技術為基本手段的一種測量技術。 它是測量學和電子學相互結合的產物。 電子測量除具體運用電子科學的原理、 方法和設備對各種電量、 電信號及電路元器件的特性和參數(shù)進行測量外， 還可通過各種敏感器件和傳感裝置對非電量進行測量， 這種測量方法往往更加方便、 快捷、 準確， 有時是用其他測量方法所不能替代的。 因此， 電子測量不僅用于電學各專業(yè)， 也廣泛用于物理學、 化學、 光學、 機械學、 材料學、 生物學、 醫(yī)學等科學領域及生產、 國防、 交通、 通信、 商業(yè)貿易、 生態(tài)環(huán)境保護乃至日常生活的各個方面。 近幾十年來計算技術和微電子技術的迅猛發(fā)展為電子測量和測量儀器增添了巨大

4、活力。 電子計算機尤其是微型計算機與電子測量儀器相結合， 構成了一代嶄新的儀器和測試系統(tǒng)， 即人們通常所說的“智能儀器”和“自動測試系統(tǒng)”， 它們能夠對若干電參數(shù)進行自動測量、 自動量程選擇、 數(shù)據(jù)記錄和處理、 數(shù)據(jù)傳輸、 誤差修正、 自檢自校、 故障診斷及在線測試等， 不僅改變了若干傳統(tǒng)測量的概念， 更對整個電子技術和其他科學技術產生了巨大的推動作用。 現(xiàn)在， 電子測量技術(包括測量理論、 測量方法、 測量儀器裝置等)已成為電子科學領域重要且發(fā)展迅速的分支學科。1.2電子測量的內容和特點1.2.1電子測量的內容通常人們把電參數(shù)測量分為電磁測量和電子測量兩類。 電磁測量主要指交直流電量的指示測

5、量法和比較測量法以及磁量的測量等。 電子測量是指以電子技術理論為依據(jù)， 以電子測量儀器和設備為手段， 對電量和非電量進行的測量。 其中， 對電量的測量可分為以下幾個方面。1. 電能量測量電能量測量包括對各種頻率、 波形下的電壓、 電流、 功率等的測量。2. 電信號特性測量電信號特性測量可分為時域特性測量、 頻域特性測量和數(shù)據(jù)測量， 具體包括對波形、 頻率、 周期、 相位、 失真度、 調幅度、 調頻指數(shù)、 群遲延、 信號帶寬以及數(shù)字信號的邏輯狀態(tài)等的測量。3. 電路元件參數(shù)測量電路元件參數(shù)測量包括對電阻、 電感、 電容、 阻抗、 品質因數(shù)及電子器件參數(shù)等的測量。4. 電子設備的性能測量電子設備的

6、性能測量包括對增益、 衰減、 靈敏度、 頻率特性、 噪聲指數(shù)等的測量。上述各項測量內容中， 尤以對頻率、 時間、 電壓、 相位、 阻抗等基本電參數(shù)的測量更為重要， 它們往往是其他參數(shù)測量的基礎。 例如， 放大器的增益測量實際上就是對其輸入、 輸出端電壓的測量， 再相比取對數(shù)得到增益分貝數(shù)； 脈沖信號波形參數(shù)的測量可歸結為對電壓和時間的測量； 許多情況下電流測量是不方便的， 常以電壓測量來代替。 同時， 由于時間和頻率測量具有其他測量所不可比擬的精確性， 因此人們越來越關注把對其他待測量的測量轉換成對時間或頻率的測量的方法和技術。在科學研究和生產實踐中， 常常需要對許多非電量進行測量。 傳感技術

7、的發(fā)展為這類測量提供了新的方法和途徑。 現(xiàn)在， 可以利用各種敏感元件和傳感裝置將非電量(如位移、 速度、 溫度、 壓力、 流量、 物質成分等)變換成電信號， 再利用電子測量設備進行測量。 在一些危險的和人們無法進行直接測量的場合， 這種方法幾乎成為唯一的選擇。 在生產的自動過程控制系統(tǒng)中， 將生產過程中各有關非電量轉換成電信號進行測量、 分析、 記錄并據(jù)此對生產過程進行控制是一種典型的方法， 如圖1.1-1所示。圖1.1-1自動過程控制系統(tǒng)中非電量的測量1.2.2電子測量的特點與其他測量方法和測量儀器相比， 電子測量和電子測量儀器具有以下特點。(1) 測量頻率范圍寬。電子測量中所遇到的測量對象

8、， 其頻率覆蓋范圍極寬， 低至106 Hz以下， 高至1012 Hz 以上。 當然， 不能要求同一臺儀器能在這樣寬的頻率范圍內工作， 通常根據(jù)不同的工作頻段采用不同的測量原理， 使用不同的測量儀器。 例如阻抗的測量， 在低頻段多采用電流電壓法， 而在微波段則必須采用開槽測量線或反射計技術。 上述兩種方法無論在原理上， 還是在測量設備上都大不一樣。 當然， 隨著技術的發(fā)展， 能在相當寬的頻率范圍內正常工作的儀器不斷地被研制出來。 例如， 現(xiàn)在一臺較為先進的頻率計， 其頻率測量范圍可以低至106 Hz, 高至1011 Hz。(2) 測量量程寬。量程是測量范圍的上、 下限值之差或上、 下限值之比。

9、電子測量的另一個特點是被測對象的量值大小相差懸殊。 例如， 地面上接收到的宇宙飛船自外太空發(fā)來的信號功率低至10-14 W 數(shù)量級， 而遠程雷達發(fā)射的脈沖功率可高達108 W， 兩者之比為11022。 一般情況下， 使用同一臺儀器， 同一種測量方法， 是難以覆蓋如此寬廣的量程的。 如前所述， 隨著電子測量技術的不斷發(fā)展， 單臺測量儀器的量程也可以很高。 例如中檔次的國產 YM3371 型數(shù)字頻率計， 其測頻范圍為10 Hz1000 MHz， 國產WC2180型交流微伏表可以測量5 V300 V 的交流電壓， 量程為16107。 一些更為先進的儀器其量程更寬。 例如高檔次的數(shù)字萬用表直接測量的電

10、阻值為31053108 ， 量程為11013。 前面提及的較完善的電子計數(shù)式頻率計其量程達11017。(3) 測量準確度高低相差懸殊。就整個電子測量所涉及的測量內容而言， 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?例如， 對頻率和時間的測量準確度可以達到10131011的數(shù)量級， 這是目前在測量準確度方面達到的最高指標， 而長度測量的最高準確度為108數(shù)量級。 可惜除了頻率和時間的測量準確度很高之外， 其他參數(shù)的測量準確度相對都比較低。 例如， 直流電壓的準確度當前可達到106數(shù)量級， 音頻電壓為104數(shù)量級， 射頻電壓僅為103數(shù)量級，

11、 而品質因數(shù)Q值和電場強度的測量準確度只有101數(shù)量級。 造成這種現(xiàn)象的主要原因在于電磁現(xiàn)象本身的性質， 使得測量結果極易受到外部環(huán)境的影響， 尤其在較高頻率段， 待測裝置和測量裝置之間、 裝置內部各元器件之間的電磁耦合、 外界干擾及測量電路中的損耗等對測量結果的影響往往不能忽略卻又無法精確估計。 (4) 測量速度快。由于電子測量基于電子運動和電磁波的傳播， 加之現(xiàn)代測試系統(tǒng)中高速電子計算機的應用， 使得電子測量無論在測量速度還是在測量結果的處理和傳輸上都可以以極高的速度進行， 這也是電子測量技術廣泛應用于現(xiàn)代科技各個領域的重要原因。 比如衛(wèi)星、 飛船等各種航天器的發(fā)射與運行， 沒有快速、 自

12、動的測量與控制， 簡直是無法想象的。(5) 可以進行遙測。如前所述， 電子測量依據(jù)的是電子的運動和電磁波的傳播， 因此可以將現(xiàn)場各待測量轉換成易于傳輸?shù)碾娦盘枺?用有線或無線的方式傳送到測試控制臺(中心)， 從而實現(xiàn)遙測和遙控。 這使得對那些遠距離的、 高速運動的或其他人們難以接近的地方的信號進行測量成為可能。(6) 易于實現(xiàn)測試智能化和測試自動化。電子測量本身是電子學科一個活躍的分支， 電子科學的每一項進步都非常迅速地在電子測量領域得到體現(xiàn)。 電子計算機尤其是功耗低、 體積小、 處理速度快、 可靠性高的微型計算機的出現(xiàn)， 給電子測量理論、 技術和設備帶來了新的革命。 比如， 微處理器出現(xiàn)于1

13、971年， 而在1972年就出現(xiàn)了使用微處理器的自動電容電橋。 現(xiàn)在， 已有大量商品化帶微處理器的電子測量儀器面世， 許多儀器還帶有GPIB標準儀器接口， 可以方便地構成功能完善的自動測試系統(tǒng)。 無疑， 電子測試技術與計算機技術的緊密結合與相互促進， 為測量領域帶來了極為美好的前景。(7) 影響因素眾多， 誤差處理復雜。任何測量都不可避免地會產生誤差， 如果不能準確地確定誤差或誤差范圍的大小， 則無法衡量測量結果的準確程度、 測量結果的可靠性或可信性， 從而也就失去了測量的意義和價值。 造成測量誤差的原因是多方面的。 客觀上影響測量結果及測量誤差的因素大體上可分為外部因素和內部因素。 能對測量

14、結果產生影響的量稱為影響量， 它通常來自測量系統(tǒng)的外部， 如環(huán)境溫度、 濕度、 電源電壓、 外界電磁干擾等。 測量系統(tǒng)內部會對測量結果產生影響的工作特性， 稱為影響特性。 例如， 交流電壓表中檢波器的檢波特性會隨著被測電壓的頻率和波形而有所改變， 從而影響測量結果。 前面已經提到， 電子測量中另一個難以避免而又無法準確估算其實際影響大小的因素是測量儀器內部各元器件之間、 測量與被測量裝置之間無時無處不在的寄生電容、 電感、 電導等的不良影響。 不難看出， 電子測量中的影響量和影響特性眾多而又復雜， 其規(guī)律難以確定， 這就給測量結果的誤差分析和處理帶來了困難。1.3電子測量方法的分類一個物理量的

15、測量可以通過不同的方法實現(xiàn)。 測量方法選擇得正確與否直接關系到測量結果的可信賴程度， 也關系到測量工作的經濟性和可行性。 不當或錯誤的測量方法除了得不到正確的測量結果外， 甚至會損壞測量儀器和被測量設備。 有了先進精密的測量儀器設備， 并不等于就一定能獲得準確的測量結果。 必須根據(jù)不同的測量對象、 測量要求和測量條件， 選擇正確的測量方法、 合適的測量儀器， 構成實際測量系統(tǒng)， 進行正確、 細心的操作， 才能得到理想的測量結果。測量方法的分類形式有多種， 下面介紹幾種常見的分類方法。1. 按測量過程分類1) 直接測量直接測量是指直接從測量儀表的讀數(shù)獲取被測量量值的方法， 比如用電壓表測量晶體管

16、的工作電壓， 用歐姆表測量電阻阻值， 用計數(shù)式頻率計測量頻率等。 直接測量的特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， 因此測量過程簡單、 迅速， 是工程測量中廣泛應用的測量方法。2) 間接測量間接測量是利用直接測量的量與被測量之間的函數(shù)關系(可以是公式、 曲線或表格等)間接得到被測量量值的測量方法。 例如需要測量電阻R上消耗的直流功率P， 可以通過直接測量電壓U、 電流I， 而后根據(jù)函數(shù)關系P=UI， 經過計算， “間接”獲得功耗P。間接測量費時、 費事， 常在下列情況下使用： 直接測量不方便， 或間接測量的結果較直接測量更為準確， 或缺少直接測量儀器等。3) 組合測量當某項

17、測量結果需用多個未知參數(shù)表達時， 可通過改變測量條件進行多次測量， 根據(jù)測量量與未知參數(shù)間的函數(shù)關系列出方程組并求解， 進而得到未知量， 這種測量方法稱為組合測量。 一個典型的例子是電阻器的溫度系數(shù)的測量。 已知電阻器阻值Rt與溫度t間滿足關系：Rt=R20+(t20)+(t20)2 (1.3-1)式中， R20為t=20時的電阻值， 一般為已知量； 、 稱為電阻的溫度系數(shù)； t為環(huán)境溫度。 為了獲得、 值， 可以在兩個不同的溫度t1、 t2(t1、 t2可由溫度計直接測得)下測得相應的兩個電阻值Rt1、 Rt2， 代入式(1.3-1)得到聯(lián)立方程：Rt1=R20+(t120)+(t120)2

18、Rt2=R20+(t220)+(t220)2 (1.3-2)求解聯(lián)立方程(1.3-2)， 就可以得到、 值。 如果R20也未知， 則顯然可在三個不同的溫度下分別測得Rt1、 Rt2、 Rt3， 列出由三個方程構成的方程組并求解， 進而得到R20、 、。2. 按測量方式分類1) 偏差式測量法在測量過程中， 用儀器儀表指針的位移(偏差)表示被測量大小的測量方法稱為偏差式測量法， 例如使用萬用表測量電壓、 電流等。 由于從儀表刻度上直接讀取被測量， 包括大小和單位， 因此這種方法也叫直讀法。 用這種方法測量時， 作為計量標準的實物并不裝在儀表內直接參與測量， 而是事先用標準量具對儀表讀數(shù)、 刻度進行

19、校準， 實際測量時根據(jù)指針偏轉大小確定被測量量值。2) 零位式測量法零位式測量法又稱做零示法或平衡式測量法。 測量時將被測量與標準量相比較(因此也把這種方法稱做比較測量法)， 用指零儀表(零示器)指示被測量與標準量相等(平衡)， 從而獲得被測量。 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1.3-1所示。圖1.3-1利用惠斯登電橋測量電阻示意圖當電橋平衡時， 可以得到：(1.3-3)通常是先大致調整比率R1/R2， 再調整標準電阻R4， 直至電橋平衡， 充當零示器的檢流計PA指示為零， 此時即可根據(jù)式(1.3-3)由比率和R4值得到被測電阻Rx值。只要零示器的靈敏

20、度足夠高， 零位式測量法的測量準確度幾乎等于標準量的準確度， 因而這種方法的測量準確度很高， 這是它的主要優(yōu)點， 常用在實驗室作為精密測量的一種方法。 但由于測量過程中為了獲得平衡狀態(tài)需要進行反復調節(jié)， 因此即使采用一些自動平衡技術， 測量速度仍然較慢， 這是這種方法的一個不足之處。3) 微差式測量法偏差式測量法和零位式測量法相結合， 構成微差式測量法。 該法通過測量待測量與標準量之差(通常該差值很小)來得到待測量的值， 如圖1.3-2所示。 圖中， P 為量程不大但靈敏度很高的偏差式儀表， 它指示的是待測量x與標準量s之間的差值： =xs, 即x=s+。 在第2章中將證明， 只要足夠小， 這

21、種方法的測量準確度基本上取決于標準量的準確度。 和零位式測量法相比， 該法省去了反復調節(jié)標準量大小以求平衡的步驟。圖1.3-2 微差式測量法示意圖因此， 該法兼有偏差式測量法的測量速度快和零位式測量法測量準確度高的優(yōu)點。 微差式測量法除在實驗室中用作精密測量外， 還廣泛地應用在生產線控制參數(shù)的測量上， 如監(jiān)測連續(xù)軋鋼機生產線上的鋼板厚度等。 圖1.3-3 是用微差法測量直流穩(wěn)壓電源輸出電壓穩(wěn)定度的測量原理圖。 圖中， Uo為直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓， 它隨著50 Hz、 220 V市電的波動和負載RL的變化而有微小起伏 V2 為量程不大但靈敏度很高的電壓表； UB表示由標準電源Us獲得的標準電壓

22、； U是由 V2 電壓表測得的Uo與UB的差值， 即輸出電壓Uo隨著市電波動和負載變化而產生的微小起伏。圖1.3-3用微差法測量直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度3. 按被測量的性質分類如果按被測量的性質， 測量還可以作如下分類。1) 時域測量時域測量也稱做瞬態(tài)測量， 主要測量被測量隨時間的變化規(guī)律。 典型的例子為用示波器觀察脈沖信號的上升沿、 下降沿、 平頂降落等脈沖參數(shù)以及動態(tài)電路的暫態(tài)過程等。2) 頻域測量頻域測量也稱為穩(wěn)態(tài)測量， 主要目的是獲取待測量與頻率之間的關系， 例如用頻譜分析儀分析信號的頻譜和測量放大器的幅頻特性、 相頻特性等。3) 數(shù)據(jù)域測量數(shù)據(jù)域測量也稱為邏輯量測量， 主要是用邏輯分析儀

23、等設備對數(shù)字量或電路的邏輯狀態(tài)進行測量。 數(shù)據(jù)域測量可以同時觀察多條數(shù)據(jù)通道上的邏輯狀態(tài)， 或者顯示某條數(shù)據(jù)線上的時序波形， 還可以借助計算機分析大規(guī)模集成電路芯片的邏輯功能等。 隨著微電子技術的發(fā)展需要， 數(shù)據(jù)域測量及其測量智能化、 自動化顯得愈來愈重要。4) 隨機測量隨機測量又叫做統(tǒng)計測量， 主要是對各類噪聲信號進行動態(tài)測量和統(tǒng)計分析。 這是一項較新的測量技術， 尤其在通信領域有著廣泛應用。除了上述幾種常見的分類方法外， 還有其他一些分類方法。 比如， 按照對測量精度的要求， 可以分為精密測量和工程測量； 按照測量時測量者對測量過程的干預程度分為自動測量和非自動測量； 按照被測量與測量結果

24、獲取地點的關系分為本地(原位)測量和遠地測量(遙測)， 接觸測量和非接觸測量； 按照被測量的屬性分為電量測量和非電量測量等。4. 測量方法的選擇原則在選擇測量方法時， 要綜合考慮下列主要因素： 被測量本身的特性； 所要求的測量準確度； 測量環(huán)境； 現(xiàn)有測量設備等。 在此基礎上， 選擇合適的測量儀器和正確的測量方法。 前面曾提到， 正確、 可靠的測量結果的獲得要依據(jù)測量方法和測量儀器的正確選擇、 正確操作和測量數(shù)據(jù)的正確處理。 否則， 即便使用價值昂貴的精密儀器設備， 也不一定能夠得到準確的結果， 甚至可能損壞測量儀器和被測設備。【例1】若直接用萬用表R1電阻擋測量晶體管發(fā)射結結電阻， 則由于限

25、流電阻過小而使基極注入電流很大， 很容易將晶體管損壞。 所以， 不能用此方法測量晶體管發(fā)射結電阻或二極管正向電阻?！纠?】圖1.3-4表示的是用電壓表測量高內阻電路端電壓的例子。 不難看到， 電壓表內阻的大小將直接影響到測量結果， 這種影響通常稱做電壓表的負載效應。 圖中虛線框內表示放大器輸出端等效電路， RV表示測量用實際電壓表內阻。 忽略其他因素， 不難算出： 當用內阻RV=10 M的數(shù)字電壓表測量時， 電壓為U=5=4.96 V相對誤差為=100%=0.8%當改用內阻RV=120 k的萬用表電壓擋測量時， 電壓為U=5=3 V相對誤差為=100%=40%可見， 這種情況下應選用內阻盡可能

26、大的電壓表， 否則造成的儀器誤差是很大的。 有時測量儀表負載效應的存在會過大地改變被測電路的工作狀態(tài)， 此時的測量結果將失去實際意義。1.4電子測量儀器的功能、 分類和主要性能指標測量儀器是將被測量轉換成可供直接觀察的指示值或等效信息的器具， 包括各類指示儀器、 比較儀器、 記錄儀器、 傳感器和變送器等。 利用電子技術對各種待測量進行測量的設備， 統(tǒng)稱為電子測量儀器。 為了正確地選擇測量方法、 使用測量儀器和評價測量結果， 本節(jié)將對電子測量儀器的主要功能、 主要性能指標和分類作一概括介紹。1.4.1測量儀器的功能各類測量儀器一般具有物理量的變換、 信號的傳輸和測量結果的顯示等三種最基本的功能。

27、1. 變換功能對于電壓、 電流等電學量的測量， 是通過測量各種電效應來達到目的的。 比如作為模擬式儀表最基本構成單元的動圈式檢流計(電流表)， 就是將流過線圈的電流強度轉化成與之成正比的轉矩而使儀表指針相對于初始位置偏轉一個角度， 根據(jù)角度偏轉大小(這可通過刻度盤上的刻度獲得)得到被測電流的大小， 這就是一種基本的變換功能。 對非電量測量， 必須將各種非電物理量(如壓力、 位移、 溫度、 濕度、 亮度、 顏色、 特質成分等)通過各種對之敏感的敏感元件(通常稱為傳感器)轉換成與之相關的電壓、 電流等， 而后通過對電壓、 電流的測量， 轉換得到被測物理量的大小。 隨著測量技術的發(fā)展， 現(xiàn)在往往將傳

28、感器、 放大電路及其他有關部分構成獨立的單元電路， 將被測量轉換成模擬的或數(shù)字的標準電信號， 送往測量和處理裝置， 這樣的單元電路稱為變送器， 它是現(xiàn)代測量系統(tǒng)中極為重要的組成部分。2. 傳輸功能在遙測、 遙控等系統(tǒng)中， 現(xiàn)場測量結果經變送器處理后， 需經較長距離的傳輸才能送到測試終端和控制臺。 不管采用有線的還是無線的方式， 傳輸過程中造成的信號失真和外界干擾等問題都會存在。 因此， 現(xiàn)代測量技術和測量儀器都必須認真對待測量信息的傳輸問題。3. 顯示功能測量結果必須以某種方式顯示出來才有意義。 因此， 任何測量儀器都必須具備顯示功能。 比如， 模擬式儀表通過指針在儀表度盤上的位置顯示測量結果

29、， 數(shù)字式儀表通過數(shù)碼管、 液晶或陰極射線管顯示測量結果。 除此以外， 一些先進的儀器（如智能儀器等）還具有數(shù)據(jù)記錄、 處理及自檢、 自校、 報警提示等功能。1.4.2測量儀器的分類電子測量儀器的分類方法不一， 按其功能大致可分為下面幾類。1. 電平測量儀器電平測量儀器包括各種模擬式電壓表、 毫伏表、 數(shù)字式電壓表、 電壓標準等。2. 電路參數(shù)測量儀器電路參數(shù)測量儀器包括各類電橋、 Q表、 RLC測試儀、 晶體管或集成電路參數(shù)測試儀、 圖示儀等。3. 頻率、 時間、 相位測量儀器頻率、 時間、 相位測量儀器主要包括電子計數(shù)式頻率計、 石英鐘、 數(shù)字式相位計、 波長計等。4. 波形測量儀器波形測

30、量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， 以及記憶和數(shù)字存儲示波器等。5. 信號分析儀器信號分析儀器包括失真度儀、 諧波分析儀、 頻譜分析儀等。6. 模擬電路特性測試儀器模擬電路特性測試儀器包括掃頻儀、 噪聲系數(shù)測試儀、 網絡特性分析儀等。7. 數(shù)字電路特性測試儀器數(shù)字電路特性測試儀器主要指邏輯分析儀。 這類儀器內部多帶有微處理器或通過接口總線與外部計算機相聯(lián)， 是數(shù)據(jù)域測量中不可缺少的設備。8. 測試用信號源測試用信號源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、 掃頻和噪聲信號發(fā)生器等。 由于它們的主要功能是作為測試用信號源，

31、因此又稱供給量儀器。1.4.3測量儀器的主要性能指標從獲得的測量結果角度評價測量儀器的性能， 主要包括以下幾個方面。1. 精度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。 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?。?精度低， 表明誤差大。 因此， 精度不僅用來評價測量儀器的性能， 也是評定測量結果最主要、 最基本的指標。 精度又可用精密度、 正確度和準確度三個指標加以表征。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。 它反映了

32、隨機誤差的影響。 精密度高， 意味著隨機誤差小， 測量結果的重復性好。 比如某電壓表的精密度為0.1 V， 即表示用它對同一電壓進行測量時， 得到的各次測量值的分散程度不大于0.1 V。2) 正確度()正確度說明儀表指示值與真值的接近程度。 所謂真值， 是指待測量在待定狀態(tài)下所具有的真實值大小。 正確度反映了系統(tǒng)誤差(例如儀器中放大器的零點漂移、 接觸電位差等)的影響。 正確度高， 則說明系統(tǒng)誤差小， 比如某電壓表的正確度是0.1 V， 則表明用該電壓表測量電壓時的指示值與真值之差不大于0.1 V。 我國電工儀表的分級就是按正確度來確定的。3) 準確度()準確度是精密度和正確度的綜合反映。 準

33、確度高， 說明精密度和正確度都高， 也就意味著系統(tǒng)誤差和隨機誤差都小， 因而最終測量結果的可信度也高。在具體的測量實踐中， 可能會有這樣的情況： 正確度較高而精密度較低， 或者情況相反， 相當精密但欠正確。 當然， 理想的情況是既正確， 又精密， 即測量結果準確度高。 要獲得理想的結果， 應滿足三個方面的條件， 即性能優(yōu)良的測量儀器、 正確的測量方法和正確細心的測量操作。 為了加深對精密度、 正確度和準確度三個概念的理解， 可以以射擊打靶為例加以說明。 圖1.4-1中， 以靶心比作被測量真值， 以靶上的彈著點表示測量結果。 其中， 圖(a)彈著點分散而偏斜， 屬于既不精密， 也不正確， 即準確

34、度很低； 圖(b)彈著點仍較分散， 但總體而言大致都圍繞靶心， 屬于正確而欠精密； 圖(c)彈著點密集但明顯偏向一方， 屬于精密度高而正確度差； 圖(d)彈著點相互接近且都圍繞靶心， 屬于既精密又正確， 即準確度很高。圖1.4-1用射擊打靶說明測量2. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性通常用穩(wěn)定度和影響量兩個參數(shù)來表征。穩(wěn)定度也稱穩(wěn)定誤差， 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， 儀器示值變化的大小。 造成這種示值變化的原因主要是儀器內部各元器件的特性、 參數(shù)不穩(wěn)定和老化等。 穩(wěn)定度可用示值絕對變化量與時間一起表示。 例如， 某數(shù)字電壓表的穩(wěn)定度為(0.008%Um+0.003%Ux)/(8 h)

35、， 其含義是在8小時內， 測量同一電壓， 在外界條件維持不變的情況下， 電壓表的示值可能發(fā)生0.008%Um+0.003Ux的上下波動， 其中， Um為該量程滿度值， Ux為示值。穩(wěn)定度也可用示值的相對變化率與時間一起表示。 例如， 國產XFC-6標準信號發(fā)生器在220 V電源電壓和20環(huán)境溫度下， 頻率穩(wěn)定度2104/10 min； XD6B超低頻信號發(fā)生器的正弦波幅度穩(wěn)定度0.3%/1 h等。由于電源電壓、 頻率、 環(huán)境溫度、 濕度、 氣壓、 振動等外界條件變化而造成儀表示值的變化量稱為影響誤差， 一般用示值偏差和引起該偏差的影響量一起表示。 例如， EE1610晶體振蕩器在環(huán)境溫度從10

36、變化到35時， 頻率漂移1109。3. 輸入阻抗前面(見1.3節(jié)例2)曾提到測量儀表的輸入阻抗對測量結果的影響。 電壓表、 示波器等儀表在測量時并接于待測電路兩端， 如圖1.4-2所示。 不難看出， 測量儀表的接入改變了被測電路的阻抗特性， 這種現(xiàn)象稱為負載效應。 為了減小測量儀表對待測電路的影響， 提高測量精度， 通常對這類測量儀表的輸入阻抗都有一定的要求。 儀表的“輸入阻抗”性能的優(yōu)劣一般用輸入電阻Ri和輸入電容Ci標注。 例如， SX2172交流毫伏表在1300 V的測量范圍內的“輸入阻抗”標為Ri=10 M， Ci35 pF; SR37A型示波器不經探頭的“輸入阻抗”標為Ri=1 M，

37、 Ci=16 pF。圖1.4-2測量儀表的負載效應4. 靈敏度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(指針的偏轉角度、 數(shù)碼的變化、 位移的大小等)增量y與被測量增量x之比。 例如， 示波器在單位輸入電壓的作用下， 示波管熒光屏上光點偏移的距離就定義為它的偏轉靈敏度， 單位為cm/V、 cm/mV等。 對示波器而言， 偏轉靈敏度的倒數(shù)稱為偏轉因數(shù)， 單位為V/cm、 mV/cm或mV/div(格)等。 由于習慣用法和測量電壓讀數(shù)的方便， 也常把偏轉因數(shù)當作靈敏度。 比如， SR37A型雙蹤示波器的最高偏轉靈敏度是2 mV/cm， 表示輸入電壓變化2 mV時， 示波

38、器熒光屏上光點產生1 cm的位移。 顯然， 這里的偏轉靈敏度實際上是偏轉因數(shù)， 不過， 這樣一般不會引起人們的誤解。 靈敏度的另一種表述方式稱做分辨力或分辨率， 定義為測量儀表所能區(qū)分的被測量的最小變化量， 在數(shù)字式儀表中經常使用。 例如， SX1842型數(shù)字電壓表的分辨力為1 V， 表示該電壓表顯示器上最末位跳變1 個字時， 對應的輸入電壓變化量為1 V， 即這種電壓表能區(qū)分出最小為1 V的電壓變化。 可見， 分辨力的值愈小， 其靈敏度愈高。 由于各種干擾和人的感覺器官的分辨能力等因素的影響， 不必也不應該苛求儀器有過高的靈敏度。 否則， 將導致測量儀器成本過高以及實際測量操作困難。 通常規(guī)

39、定分辨力為允許絕對誤差的1/3。5. 線性度線性度是測量儀表的輸入、 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， 則兩者關系用函數(shù)y=f(x)表示。 如果y=f(x)為yx平面上過原點的直線， 則稱之為線性刻度特性， 否則稱為非線性刻度特性。 由于各類測量儀器的原理各異， 因此不同的測量儀器可能呈現(xiàn)不同的刻度特性。 例如， 常用萬用表的電阻擋具有上凸的非線性刻度特性， 而數(shù)字電壓表具有線性刻度特性， 分別如圖1.4-3中(a)、 (b)所示。圖1.4-3 常用萬用表的電阻擋和數(shù)字電壓表的 刻度特性曲線儀器的線性度可用線性誤差來表示，

40、如SR46雙線示波器垂直系統(tǒng)的幅度線性誤差小于等于5%。6. 動態(tài)特性測量儀表的動態(tài)特性表示儀表的輸出響應隨輸入變化的能力。 例如示波器的垂直偏轉系統(tǒng)， 由于輸入電容等因素的影響造成了輸出波形對輸入信號的滯后與畸變， 示波器的瞬態(tài)響應就表示了這種儀器的動態(tài)特性。最后指出， 上述測量儀器的幾個特性是就一般而論的， 并非所有儀器都用上述特性加以考核。 有些測量儀器除了上述指標特性外， 還有其他技術要求， 這些具體問題將在后面有關章節(jié)中一一加以說明。1.5計量的基本概念1.5.1計量計量和測量是互有聯(lián)系又有區(qū)別的兩個概念。 測量是通過實驗手段對客觀事物取得定量信息的過程， 也就是利用實驗手段把待測量

41、直接或間接地與另一個同類已知量進行比較， 從而得到待測量值的過程。 測量過程中所使用的器具和儀器就直接或間接地體現(xiàn)了已知量， 測量結果的準確與否與所采用的測量方法、 實際操作和作為比較標準的已知量的準確程度都有著密切的關系， 因此， 體現(xiàn)已知量在測量過程中作為比較標準的各類量具、 儀器儀表必須定期進行檢驗和校準， 以保證測量結果的準確性、 可靠性和統(tǒng)一性， 這個過程稱為計量。 計量的定義不完全統(tǒng)一， 目前較為一致的意見是： “計量是利用技術和法制手段實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準確可靠的測量。”計量可看做測量的特殊形式， 在計量過程中， 認為所使用的量具和儀器是標準的， 用它們來校準、 檢定受檢量具和儀

42、器設備， 以衡量和保證使用受檢量具和儀器進行測量時所獲得測量結果的可靠性。 因此， 計量又是測量的基礎和依據(jù)。 計量工作是國民經濟中一項極為重要的技術基礎工作， 在工農業(yè)生產、 科學技術、 國防建設、 國內外貿易以及人民生活等各個方面起著技術保證和技術監(jiān)督作用。 我國國防科技戰(zhàn)線的已故卓越領導人聶榮臻元帥生前指出：“科技要發(fā)展， 計量要先行”。 中華人民共和國計量法第一條就指出， 做好計量工作“有利于生產、 貿易和科學技術的發(fā)展， 適應社會主義現(xiàn)代化建設的需要， 維護國家、 人民的利益”， 這些都非常深刻地說明了計量工作的重要意義。計量學是研究測量、 保證測量統(tǒng)一和準確的科學。 它研究的主要內

43、容包括計量和測量的方法、 技術、 量具及儀器設備等一般理論， 計量單位的定義和轉換， 量值的傳遞與保證量值統(tǒng)一所必須采取的措施、 規(guī)程和法制等。1.5.2單位制任何測量都要有一個統(tǒng)一的體現(xiàn)計量單位的量作為標準， 這樣的量稱做計量標準。 計量單位是有明確定義和名稱并令其數(shù)值為1的固定的量， 例如長度單位1米(m)， 時間單位1秒(s)等。 計量單位必須以嚴格的科學理論為依據(jù)進行定義。 法定計量單位是國家以法令形式規(guī)定使用的計量單位， 是統(tǒng)一計量單位制和單位量值的依據(jù)和基礎， 因而具有統(tǒng)一性、 權威性和法制性。 1984年2月27日國務院在發(fā)布關于在我國統(tǒng)一實行法定計量單位的命令時指出： 我國的計

44、量單位一律采用中華人民共和國法定計量單位。 我國法定計量單位以國際單位制(SI)為基礎， 包括10個我國國家選定的非國際單位制單位， 如時間(分、 時、 天)、 平面角(秒、 分、 度)、 長度(海里)、 質量(噸)和體積(升)等。 在國際單位制中， 分為基本單位、 導出單位和輔助單位。 基本單位是那些可以彼此獨立地加以規(guī)定的物理量單位， 共7個， 分別是長度單位米(m)、 時間單位秒(s)、 質量單位千克(kg)、 電流單位安培(A)、 熱力學溫度單位開爾文(K)、 發(fā)光強度單位坎德拉(cd)和物質的量單位摩爾(mol)。 由基本單位通過定義、 定律及其他函數(shù)關系派生出來的單位稱為導出單位。

45、 例如力的單位牛頓(N)的定義為“使質量為1千克的物體產生加速度為1米每2次方秒的力”， 即N=kgm/s2； 在電學量中， 除電流外， 其他物理量的單位都是導出單位， 如頻率的單位為赫茲(Hz)， 定義為“周期為1秒的周期現(xiàn)象的頻率”， 即Hz=1/s； 能量(功)的單位焦耳(J)的定義為“1牛頓的力使作用點在力的方向上移動1米所做的功”， 即J=Nm； 功率的單位瓦(W)的定義為“1秒內產生1焦耳能量的功率”， 即W=J/s。電荷量庫 侖(C)的定義為“1安培的電流在1秒內所傳送的電荷量”， 即C=As； 電位電壓的單位伏特(V)的定義為“在載有1安培恒定電流導線的兩點間消耗1瓦特的功率”

46、， 即V=W/A； 電阻的單位歐姆()的定義為“導體兩點間的電阻， 當這兩點間加上1伏特恒定電壓時， 導體內產生1安培的電流”， 即=V/A。 國際上把既可作為基本單位又可作為導出單位的單位， 單獨列為一類， 稱做輔助單位。 國際單位制中包括兩個輔助單位， 分別是平面角的單位弧度(rad)和立體角的單位球面角(sr)。由基本單位、 輔助單位和導出單位構成的完整體系稱為單位制。 單位制隨基本單位的選擇而不同。 例如， 在確定厘米、 克、 秒為基本單位后， 速度單位為厘米每秒(cm/s)， 密度單位為克每立方厘米(g/cm3)， 力的單位為達因(dyn)， 厘米、 克、 秒構成一個體系， 稱為厘米

47、克秒制。 國際單位制就是由前面列舉的7個基本單位、 2個輔助單位及19個具有專門名稱的導出單位構成的一種單位制， 國際上規(guī)定以拉丁字母SI作為國際單位制的簡稱。1.5.3計量基準基準是指用當代最先進的科學技術和工藝水平， 以最高的準確度和穩(wěn)定性建立起來的專門用以規(guī)定、 保持和復現(xiàn)物理量計量單位的特殊量具或儀器裝置等。 根據(jù)基準的地位、 性質和用途， 基準通常又分為主基準、 副基準和工作基準， 也分別稱做一級、 二級和三級基準。1. 主基準主基準也稱做原始基準， 是用來復現(xiàn)和保存計量單位， 具有現(xiàn)代科學技術所能達到的最高準確度的計量器具， 經國家鑒定批準， 將其作為統(tǒng)一全國計量單位量值的最高依據(jù)

48、。 因此主基準也叫國家基準。2. 副基準副基準是通過直接或間接與國家基準比對， 確定其量值并經國家鑒定批準的計量器具。 它在全國作為復現(xiàn)計量單位的副基準， 其地位僅次于國家基準， 平時用來代替國家基準使用或驗證國家基準的變化。3. 工作基準工作基準是經與主基準或副基準校準或比對， 并經國家鑒定批準， 實際用以檢定下屬計量標準的計量器具。 它在全國作為復現(xiàn)計量單位的地位僅在主基準和副基準之下。 設置工作基準的目的是不使主基準和副基準因頻繁使用而喪失原有的準確度。應當了解， 基準本身并不一定剛好等于一個計量單位。 例如銫-133原子的頻率基準所復現(xiàn)的時間值不是1 s, 而是(9 192 631 7

49、70)1 s； 氪-86長度基準復現(xiàn)的長度值不是1 m, 而是(1 650 763.73)1 m； 標準電池復現(xiàn)的電壓值是1.0186 V， 而不是1 V等。1.5.4量值的傳遞與跟蹤，檢定與比對下面首先介紹幾個有關的概念。計量器具： 復現(xiàn)量值或將被測量轉換成可直接觀測的指示值或等效信息的量具、 儀器、 裝置。計量標準器具： 準確度低于計量基準， 用于檢定計量標準或工作計量器具的計量器具。 它可按其準確度等級分類， 如標準砝碼有1級、 2級、 3級、 4級、 5級之分。 標準器具按其法律地位可分為三類： 部門使用的計量標準是省級以上政府有關主管部門組織建立的統(tǒng)一本部門量值依據(jù)的各項計量標準；

50、社會公用計量標準指縣以上地方政府計量部門建立的作為統(tǒng)一本地區(qū)量值的依據(jù)， 并對社會實施計量監(jiān)督， 具有公證作用的各項計量標準； 企事業(yè)單位使用的計量標準是企業(yè)、 事業(yè)單位組織建立的作為本單位量值依據(jù)的各項計量標準。工作計量器具： 工作崗位上使用， 不用于進行量值傳遞而是直接用來測量被測對象量值的計量器具。比對： 在規(guī)定條件下， 對相同準確度等級的同類基準、 標準或工作計量器具之間的量值進行比較， 其目的是考核量值的一致性。檢定： 用高一等級準確度的計量器具對低一等級的計量器具進行比較， 以達到全面評定被檢計量器具的計量性能是否合格的目的。 一般要求計量標準的準確度為被檢者的1/31/10。 準

51、確度數(shù)值小， 準確度高， 性能好。校準： 指被校的計量器具與高一等級的計量標準相比較， 以確定被校計量器具的示值誤差(有時也包括確定被校器具的其他計量性能)的全部工作。 一般而言， 檢定要比校準包括更廣泛的內容。量值的傳遞與跟蹤： 指的是把一個物理量單位通過各級基準、 標準及相應的輔助手段準確地傳遞到日常工作中所使用的測量儀器、 量具， 以保證量值統(tǒng)一的全過程。如前所述， 測量就是利用實驗手段， 借助各種測量儀器、 量具(它們作為和未知量比較的標準)獲得未知量量值的過程。 顯然， 為了保證測量結果的統(tǒng)一、 準確、 可靠， 必須要求作為比較的標準統(tǒng)一、 準確、 可靠。 因此， 測量儀器、 量具在制造完畢時， 必須按照規(guī)定等級的標準(工作標準)進行校準， 該標準又要定期地用更高等級的標準進行檢定， 一直到國家級工作基準， 如此逐級進行。 同樣， 測量儀器、 量具在使用過程中也要按照法定規(guī)程(包括檢定方法、 檢定設備、 檢定步驟， 以及對受檢儀器、 量具給出誤差的方式等)， 定期由上級計量部門進行檢定， 并發(fā)給檢定合格證書。 沒有合格證書或證書失效(比如超過有效期)者， 該儀器的精度指標及測量結果只能作為參考。 檢定、 比對和校準是各級計量部門的重