1電子測(cè)量概論

1、電子測(cè)量技術(shù)授課教師：張海輝 TelQQ:4214012 Email:考核辦法平時(shí)：40 作業(yè)、課堂交互（20%） 考勤（20%） 考試：60 第1章 電子測(cè)量概論1.1 電子測(cè)量的基本概念1.2 電子測(cè)量的內(nèi)容與特點(diǎn)1.3 電子測(cè)量方法 1.4 電子測(cè)量儀器概述本章小結(jié) 1.1.1 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)。 沒有望遠(yuǎn)鏡就沒有天文學(xué)，沒有顯微鏡就沒有細(xì)胞學(xué)，沒有指南針就沒有航海事業(yè) 1.1 電子測(cè)量的基本概念 1.1.1 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

2、長度、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)。1.1.2 測(cè)量的定義 1.狹義測(cè)量的定義測(cè)量是為了確定被測(cè)對(duì)象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程。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)量單位1.1.2 測(cè)量的定義（續(xù)

3、）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)量儀器；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）1.1.2 測(cè)量的定義（續(xù)）被測(cè)物體的重量等于標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重量被測(cè)物體的重量從度盤上讀數(shù)，因?yàn)?，彈簧秤度盤上的刻度是事先與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較的結(jié)果。1.1.2 測(cè)量的定義（續(xù)）2.廣義測(cè)量的定義廣義地講，測(cè)量不僅對(duì)被測(cè)的物理量進(jìn)行定量的測(cè)量，而且還包括對(duì)更廣泛的被測(cè)對(duì)象進(jìn)行定性、定位的測(cè)量。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)

4、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)。 1.1.3 測(cè)量的基本要素1.測(cè)量的基本要素被測(cè)對(duì)象、測(cè)量儀器、測(cè)量技術(shù)、測(cè)量人員和測(cè)量環(huán)境 1.1.3 測(cè)量的基本要素（續(xù)）1.1.3 測(cè)量的基本要素（續(xù)）1.2 電子測(cè)量的內(nèi)容與特點(diǎn) 1.2.1 電子測(cè)量的內(nèi)容(1) 電能量的測(cè)量（電流、電壓、功率等）(2) 電信號(hào)特性的測(cè)量（信號(hào)波形、頻率、周期、相位、失真度、調(diào)幅度、調(diào)頻指數(shù)及數(shù)字信號(hào)的邏輯狀態(tài)等）(3) 電路參數(shù)的測(cè)量（阻抗、品質(zhì)因數(shù)、電子器

5、件的參數(shù)等）(4) 電子設(shè)備的性能測(cè)量（增益、衰減、靈敏度、頻率特性、噪聲指數(shù)等）(5) 特性曲線的測(cè)量（幅頻特性、相頻特性及器件特性等） (6) 非電量的測(cè)量 圖1.2-1 非電量測(cè)量在過程控制中的作用 計(jì)算機(jī)檢測(cè)控制系統(tǒng)原理框圖微機(jī)傳感器伺服機(jī)構(gòu)模擬信號(hào)處理功率放大模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)字接口數(shù)字接口 被 測(cè) 控 對(duì) 象干擾、噪聲、漂移、非線性電子測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電機(jī)1.2.2 電子測(cè)量的特點(diǎn) 與其他測(cè)量相比，電子測(cè)量具有以下特點(diǎn)。(1) 測(cè)量頻率范圍寬 電子測(cè)量中所遇到的測(cè)量對(duì)象，其頻率覆蓋范圍極寬，低至10-6Hz以下，高至1012Hz以上。當(dāng)然，不能要求同一臺(tái)儀器能

6、在這樣寬的頻率范圍內(nèi)工作。通常是根據(jù)不同的工作頻段，采用不同的測(cè)量原理和使用不同的測(cè)量儀器。 (2) 測(cè)量量程寬 量程是測(cè)量范圍的上下限值之差或上下限值之比。電子測(cè)量的另一個(gè)特點(diǎn)是被測(cè)對(duì)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空發(fā)來的信號(hào)功率，低到10-14 W數(shù)量級(jí)，而遠(yuǎn)程雷達(dá)發(fā)射的脈沖功率，可高達(dá)108W以上，兩者之比為1:1022。(3) 測(cè)量準(zhǔn)確度高相對(duì)其它測(cè)量方法，電子測(cè)量的準(zhǔn)確度要高得多。例如，長度測(cè)量的最高準(zhǔn)確度為10-8量級(jí)，而對(duì)頻率和時(shí)間的測(cè)量，由于采用原子頻標(biāo)和原子秒作為基準(zhǔn)，使得測(cè)量準(zhǔn)確度可以達(dá)到10-15的量級(jí)，這是目前人類在測(cè)量準(zhǔn)確度方面達(dá)到的最高指標(biāo)

7、。 (4) 測(cè)量速度快 由于電子測(cè)量是基于電子運(yùn)動(dòng)和電磁波的傳播，加之現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)中高速電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使得電子測(cè)量無論在測(cè)量速度，還是在測(cè)量結(jié)果的處理和傳輸，都可以以極高的速度進(jìn)行，這也是電子測(cè)量技術(shù)廣泛用于現(xiàn)代科技各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。 (5) 可以進(jìn)行遙測(cè)電子測(cè)量依據(jù)的是電子的運(yùn)動(dòng)和電磁波的傳播，因此可以： 現(xiàn)場(chǎng)各待測(cè)量轉(zhuǎn)換成易于傳輸?shù)碾娦盘?hào)，用有線或無線的方式傳送到測(cè)試控制臺(tái)(中心)，從而實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控。這使得對(duì)那些遠(yuǎn)距離的，高速運(yùn)動(dòng)的，或其他人們難以接近地方的信號(hào)測(cè)量成為可能。 (6) 易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試智能化和測(cè)試自動(dòng)化隨著電子計(jì)算機(jī)尤其是功耗低、體積小、處理速度快、可靠性高的微型計(jì)算機(jī)

8、的出現(xiàn)，給電子測(cè)量理論、技術(shù)和設(shè)備帶來了新的革命。 (7) 易于實(shí)現(xiàn)儀器小型化隨著微電子器件集成度的不斷提高，可編程器件和微處理器及ASIC電路的采用，使電子儀器正向著小型化發(fā)展。1.3 電子測(cè)量方法1.3.1 電子測(cè)量方法的分類1. 按測(cè)量方法分類 (1) 直接測(cè)量：指直接從測(cè)量儀表的讀數(shù)獲取被測(cè)量量值的方法，例如用電壓表測(cè)量晶體管的工作電壓，用歐姆表測(cè)量電阻阻值，用計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測(cè)量頻率等。(2) 間接測(cè)量：利用直接測(cè)量的量與被測(cè)量之間的函數(shù)關(guān)系(可以是公式、曲線或表格等)，間接得到被測(cè)量量值的測(cè)量方法。例如，測(cè)量電阻消耗的功率P=UI=I2R=U2/R。 (3) 組合測(cè)量：當(dāng)某項(xiàng)測(cè)量結(jié)果需

9、用多個(gè)未知參數(shù)表達(dá)時(shí)，可通過改變測(cè)量條件進(jìn)行多次測(cè)量，根據(jù)測(cè)量量與未知參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系列出方程組并求解。 例如：電阻器電阻溫度系數(shù)的測(cè)量。已知電阻器阻值Rt與溫度t間滿足關(guān)系：2. 按測(cè)量方式分類(l) 偏差式測(cè)量法（直讀法） 在測(cè)量過程中，用儀器儀表指針的位移(偏差)表示被測(cè)量大小的測(cè)量方法，稱為偏差式測(cè)量法。例如使用萬用表測(cè)量電壓、電流等。由于是從儀表刻度上直接讀取被測(cè)量，包括大小和單位，因此這種方法也叫直讀法。事先需要用標(biāo)準(zhǔn)量具對(duì)儀表讀數(shù)、刻度進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)際測(cè)量時(shí)根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)大小確定被測(cè)量量值。 (2) 零位式測(cè)量法（比較法） 零位式測(cè)量法又稱作零示法或平衡式測(cè)量法。測(cè)量時(shí)用被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)

10、量相比較(因此也叫作比較測(cè)量法)，用指零儀表(零示器)指示被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量相等(平衡)，從而獲得被測(cè)量。例如：用惠斯登電橋測(cè)量電阻(或電容、電感)，當(dāng)電橋平衡時(shí)，可以得到:(3) 微差式測(cè)量法 偏差式測(cè)量法和零位式測(cè)量法相結(jié)合，構(gòu)成微差式測(cè)量法。它通過測(cè)量待測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量之差(通常該差值很小)來得到待測(cè)量量值，如圖1.3-2所示。3. 按被測(cè)量的性質(zhì)分類(1) 時(shí)域測(cè)量 時(shí)域測(cè)量也叫作瞬態(tài)測(cè)量，主要測(cè)量被測(cè)量隨時(shí)間的變化規(guī)律。例如用示波器觀察脈沖信號(hào)的上升沿、下降沿、平頂降落等脈沖參數(shù)以及動(dòng)態(tài)電路的暫態(tài)過程等。(2) 頻域測(cè)量 頻域測(cè)量也稱為穩(wěn)態(tài)測(cè)量，主要目的是獲取待測(cè)量與頻率之間的關(guān)系。如用頻譜

11、分析儀分析信號(hào)的頻譜、測(cè)量放大器的幅頻特性、相頻特性等。(3) 數(shù)據(jù)域測(cè)量數(shù)據(jù)域測(cè)量也稱為邏輯量測(cè)量，主要是用邏輯分析儀等設(shè)備對(duì)數(shù)字量或電路的邏輯狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。例如，微處理器地址線、數(shù)據(jù)線上的信號(hào)，可以顯示其時(shí)序波形，也可以用“1”、“0”、顯示其邏輯狀態(tài)。(4) 隨機(jī)量測(cè)量 隨機(jī)測(cè)量又叫作統(tǒng)計(jì)測(cè)量，主要是對(duì)各類噪聲、干擾信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析。除了上述幾種常見的分類方法外：按照對(duì)測(cè)量精度的要求，可以分為精密測(cè)量和工程測(cè)量；按照測(cè)量時(shí)測(cè)量者對(duì)測(cè)量過程的干預(yù)程度分為自動(dòng)測(cè)量和非自動(dòng)測(cè)量；按照被測(cè)量與測(cè)量結(jié)果獲取地點(diǎn)的關(guān)系分為本地(原位)測(cè)量和遠(yuǎn)地測(cè)量(遙測(cè))，接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量；按照被測(cè)量

12、的屬性分為電量測(cè)量和非電量測(cè)量等等。1.3.2 選擇測(cè)量方法的原則在選擇正確的測(cè)量方法和合適的測(cè)量儀器時(shí)，要首先確定： 被測(cè)量本身的特性； 所要求的測(cè)量準(zhǔn)確度； 測(cè)量環(huán)境； 現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備等。例1 直接用萬用表只R1 正電阻檔測(cè)量晶體管發(fā)射結(jié)結(jié)電阻，由于限流電阻過小而使基極注入電流很大，將晶體管損壞。 例2 用電壓表測(cè)量高內(nèi)阻電路端電壓，如圖1.3-4所示。虛線框內(nèi)表示放大器輸出端等效電路，Rv表示測(cè)量用電壓表內(nèi)阻。 圖1.3-4 電壓表內(nèi)阻的影響假設(shè)Rv=10M，且不考慮其它因素，則電壓為相對(duì)誤差:若Rv120k，則電壓為電壓:相對(duì)誤差:電壓:1. 4 電子測(cè)量儀器概述測(cè)量儀器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成

13、可供直接觀察的指示值或等效信息的器具，包括指示儀器、比較儀器、記錄儀器、傳感器和變送器等。利用電子技術(shù)對(duì)各種待測(cè)量進(jìn)行測(cè)量的設(shè)備，統(tǒng)稱為電子測(cè)量儀器。1.4.1 電子測(cè)量儀器的分類一般分為專用儀器和通用儀器。專用儀器為某一個(gè)或幾個(gè)專門目的而設(shè)計(jì)的，如電視彩色信號(hào)發(fā)生器。通用儀器是為了測(cè)量某一個(gè)或幾個(gè)電參數(shù)而設(shè)計(jì)的，它能用于多種電子測(cè)量，如電子示波器等。1. 通用電子儀器按功能分：(1) 信號(hào)發(fā)生器：提供測(cè)量的各種波形信號(hào)，例如高頻、低頻、脈沖、函數(shù)及噪聲等信號(hào)發(fā)生器。圖1.4-1 信號(hào)發(fā)生器(2) 信號(hào)分析儀：用于觀測(cè)、分析和記錄各種電量的變化，例如示波器、頻譜分析儀和邏輯分析儀。示波器GSP

14、-827頻譜分析儀邏輯分析儀(3) 頻率、時(shí)間及相位測(cè)量儀，包括各種頻率計(jì)(常用電子計(jì)數(shù)儀)、相位計(jì)，以及各種時(shí)間、頻率標(biāo)準(zhǔn)等；FC2130頻率計(jì)(4) 網(wǎng)絡(luò)特性測(cè)量儀，例如掃頻儀、阻抗測(cè)量儀及網(wǎng)絡(luò)分析儀；(5) 電子元器件測(cè)試儀，例如，RLC測(cè)試儀、晶體管參數(shù)測(cè)試儀、晶體管特性圖示儀、集成電路測(cè)試儀等；(6) 電波特性測(cè)試儀，例如測(cè)試接收機(jī)、場(chǎng)強(qiáng)儀、干擾測(cè)試儀等。 (7) 輔助儀器，例如，各種放大器、衰減器、檢波器、記錄儀等。2. 按顯示方式分，電子測(cè)量儀器有模擬式和數(shù)字式兩大類。模擬式電子測(cè)量儀器主要是用指針方式直接將被測(cè)量的電參數(shù)轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移，在標(biāo)度尺上指示出測(cè)量數(shù)值，如各種模擬電子電

15、壓表、指針式萬用表。指針式萬用表DA-16晶體管毫伏表數(shù)字式電子測(cè)量儀器是將被測(cè)的連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并以數(shù)字方式顯示其測(cè)量數(shù)據(jù)，達(dá)到直觀、準(zhǔn)確快速的效果，如各種數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)等。數(shù)字萬用表智能數(shù)字萬用表1.4.2 電子測(cè)量儀器的發(fā)展電子儀器的發(fā)展大體經(jīng)歷了如下四個(gè)階段：(1) 模擬儀器階段(2) 數(shù)字儀器階段(3) 智能儀器階段(4) 虛擬儀器階段1.4.3 測(cè)量儀表的主要性能指標(biāo) 從測(cè)量結(jié)果角度評(píng)價(jià)測(cè)量儀表的性能，主要包括： 1. 精度 精度是指測(cè)量儀器的讀數(shù)或測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量真值相一致的程度。精度高，誤差小，精度低，則誤差大。因此，精度不僅用來評(píng)價(jià)測(cè)量儀器的性能，也是評(píng)

16、定測(cè)量結(jié)果最主要、最基本的指標(biāo)。精度又可用精密度、準(zhǔn)確度和精確度三個(gè)指標(biāo)加以表征。 精密度 () 精密度表示在同一測(cè)量條件下對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次測(cè)量時(shí)，得到的測(cè)量結(jié)果的分散程度，反映了隨機(jī)誤差的影響。精密度高，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性好。例如，某電壓表的精密度為0.1V，即表示用它對(duì)同一電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)，得到的各次測(cè)量值的分散程度不大于0.1V。 準(zhǔn)確度 ()準(zhǔn)確度說明儀表指示值與真值的接近程度，反映了系統(tǒng)誤差(例如儀器中放大器的零點(diǎn)漂移、接觸電位差等等)的影響。準(zhǔn)確度高，系統(tǒng)誤差小。例如，某電壓表的正確度是0.1V，則該電壓表測(cè)量電壓時(shí)的指示值與真值之差不大于0.1V。我國電工儀表的分級(jí)，就是按準(zhǔn)確度

17、來確定的。 精確度 ()精確度是精密度和準(zhǔn)確度的綜合反映。精確度高，即精密度和準(zhǔn)確度都高，則系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差都小，最終測(cè)量結(jié)果的可信賴度高。 例：用射擊比喻測(cè)量，以靶心比作被測(cè)量真值，以靶上的彈著點(diǎn)表示測(cè)量結(jié)果。2. 穩(wěn)定性穩(wěn)定度也稱穩(wěn)定誤差，是指在規(guī)定的時(shí)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(nèi)部各元器件的特性、參數(shù)不穩(wěn)定和老化等因素。穩(wěn)定度可以用示值絕對(duì)變化量與時(shí)間一起表示。 3. 輸入阻抗測(cè)量儀表的接入改變了被測(cè)電路的阻抗特性，這種現(xiàn)象稱為負(fù)載效應(yīng)。為了降低負(fù)載效應(yīng)以提高測(cè)量精度，通常對(duì)這類測(cè)量儀表的輸入阻抗都有一定要求。測(cè)量儀表的負(fù)

18、載效應(yīng)4. 靈敏度 靈敏度表示測(cè)量儀表對(duì)被測(cè)量變化的敏感程度，一般定義為測(cè)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 y與被測(cè)量增量x之比。 如SR37A型雙蹤示波器的最高偏轉(zhuǎn)靈敏度是2mV/cm5. 線性度 線性度是測(cè)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(cè)量)變化的規(guī)律。若儀表的輸出為y，輸入為x，兩者關(guān)系用函數(shù)zf(x)表示，如果yf(x)為y一x平面上過原點(diǎn)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(cè)量儀器的原理各異，不向的測(cè)量儀器可能呈現(xiàn)不同的刻度特性。如常用的萬用表的電阻檔，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 歐姆表和數(shù)字電壓表的刻度特性曲線6. 動(dòng)態(tài)特性 測(cè)量儀表的動(dòng)態(tài)特性表示儀表的輸出響應(yīng)隨輸入變化的能力。例如模擬電壓表由于動(dòng)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。又如示波器的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，由于輸入電容等因素的影響，造成輸出波形對(duì)輸入信號(hào)的滯后與畸變，示波器的瞬態(tài)響應(yīng)就表示了這種儀器的動(dòng)態(tài)特性。本章小結(jié)