第1章電子測量概論

電子丈量技術(shù)授課教師：張海輝:72501098:4214012:zhanghh@考核方法平常：40％作業(yè)、課堂交互〔20%〕考勤〔20%〕考試：60％第1章電子丈量概論1.1電子丈量的根本概念1.2電子丈量的內(nèi)容與特點1.3電子丈量方法1.4電子丈量儀器概述本章小結(jié)1.1.1丈量的意義日常生活中處處離不開丈量科學(xué)的提高和開展離不開丈量，分開丈量就不會有真正的科學(xué)。

沒有望遠鏡就沒有天文學(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電子丈量的根本概念1.1.1丈量的意義〔續(xù)〕消費開展離不開丈量農(nóng)業(yè)社會中，需求丈量土地、衡量谷物，就產(chǎn)生了長度、面積、容積和分量的丈量；掌握季節(jié)和節(jié)候，出現(xiàn)了原始的時間丈量器具，并有了天文丈量?，F(xiàn)代化的工業(yè)消費中，處處離不開丈量例如，一個大型鋼鐵廠需求約2萬個丈量點在高新技術(shù)和國防現(xiàn)代化建立中那么更是離不開丈量例如，每種新設(shè)計的飛機，需求測試飛機高速飛行中受氣流沖擊作用下的性能，經(jīng)過風(fēng)洞實驗測定機身、機翼的受力和振動分布情況，以驗證和改良設(shè)計。1.1.2丈量的定義1.狹義丈量的定義丈量是為了確定被測對象的量值而進展的實驗過程。在丈量過程中，人們借助專門的設(shè)備，把被測對象直接或間接地與同類知單位進展比較，獲得用數(shù)值和單位共同表示的丈量結(jié)果。 丈量結(jié)果＝丈量數(shù)值.丈量單位1.1.2丈量的定義〔續(xù)〕①丈量對象：被測客體中的相應(yīng)的量值信息；丈量目的：從被測對象獲得一個定量的認(rèn)識；②丈量過程:經(jīng)過實驗去認(rèn)識對象的過程③丈量方法：比較；A.直接比較B.間接比較；C.需求丈量儀器；④丈量規(guī)范：同類知單位。⑤丈量結(jié)果：最終能表示給丈量主體〔人〕1.1.2丈量的定義〔續(xù)〕被測物體的分量等于規(guī)范砝碼的分量被測物體的分量從度盤上讀數(shù)，由于，彈簧秤度盤上的刻度是事先與規(guī)范量進展比較的結(jié)果。1.1.2丈量的定義〔續(xù)〕2.廣義丈量的定義廣義地講，丈量不僅對被測的物理量進展定量的丈量，而且還包括對更廣泛的被測對象進展定性、定位的丈量。例如缺點診斷、無損探傷、遙感遙測、礦藏勘探、地震源測定、衛(wèi)星定位等。而丈量結(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、圖像來顯示被測對象的屬性特征、空間分布、拓樸構(gòu)造等。廣義丈量原理可以從信息獲取過程來闡明，包括信息的感知和信息識別兩個環(huán)節(jié)。1.1.3丈量的根本要素1.丈量的根本要素 被測對象、丈量儀器、丈量技術(shù)、丈量人員和丈量環(huán)境1.1.3丈量的根本要素〔續(xù)〕1.1.3丈量的根本要素〔續(xù)〕1.2電子丈量的內(nèi)容與特點 1.2.1電子丈量的內(nèi)容 (1)電能量的丈量〔電流、電壓、功率等〕 (2)電信號特性的丈量〔信號波形、頻率、周期、相位、失真度、調(diào)幅度、調(diào)頻指數(shù)及數(shù)字信號的邏輯形狀等〕 (3)電路參數(shù)的丈量〔阻抗、質(zhì)量因數(shù)、電子器件的參數(shù)等〕 (4)電子設(shè)備的性能丈量〔增益、衰減、靈敏度、頻率特性、噪聲指數(shù)等〕 (5)特性曲線的丈量〔幅頻特性、相頻特性及器件特性等〕 (6)非電量的丈量圖1.2-1非電量丈量在過程控制中的作用計算機檢測控制系統(tǒng)原理框圖微機傳感器伺服機構(gòu)模擬信號處置功率放大模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)字接口數(shù)字接口被測控對象干擾、噪聲、漂移、非線性電子丈量的實踐運用模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電機 1.2.2電子丈量的特點與其他丈量相比，電子丈量具有以下特點。 (1)丈量頻率范圍寬電子丈量中所遇到的丈量對象，其頻率覆蓋范圍極寬，低至10-6Hz以下，高至1012Hz以上。當(dāng)然，不能要求同一臺儀器能在這樣寬的頻率范圍內(nèi)任務(wù)。通常是根據(jù)不同的任務(wù)頻段，采用不同的丈量原理和運用不同的丈量儀器。(2)丈量量程寬量程是丈量范圍的上下限值之差或上下限值之比。電子丈量的另一個特點是被測對象的量值大小相差懸殊。例如，地面上接納到的宇宙飛船自外空發(fā)來的信號功率，低到10-14W數(shù)量級，而遠程雷達發(fā)射的脈沖功率，可高達108W以上，兩者之比為1:1022。 (3)丈量準(zhǔn)確度高 相對其它丈量方法，電子丈量的準(zhǔn)確度要高得多。例如，長度丈量的最高準(zhǔn)確度為10-8量級，而對頻率和時間的丈量，由于采用原子頻標(biāo)和原子秒作為基準(zhǔn)，使得丈量準(zhǔn)確度可以到達10-15的量級，這是目前人類在丈量準(zhǔn)確度方面到達的最高目的。(4)丈量速度快由于電子丈量是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運用，使得電子丈量無論在丈量速度，還是在丈量結(jié)果的處置和傳輸，都可以以極高的速度進展，這也是電子丈量技術(shù)廣泛用于現(xiàn)代科技各個領(lǐng)域的重要緣由。(5)可以進展遙測 電子丈量根據(jù)的是電子的運動和電磁波的傳播，因此可以：現(xiàn)場各待丈量轉(zhuǎn)換成易于傳輸?shù)碾娦盘?，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。這使得對那些遠間隔的，高速運動的，或其他人們難以接近地方的信號丈量成為能夠。(6)易于實現(xiàn)測試智能化和測試自動化 隨著電子計算機尤其是功耗低、體積小、處置速度快、可靠性高的微型計算機的出現(xiàn)，給電子丈量實際、技術(shù)和設(shè)備帶來了新的革命。 (7)易于實現(xiàn)儀器小型化 隨著微電子器件集成度的不斷提高，可編程器件和微處置器及ASIC電路的采用，使電子儀器正向著小型化開展。1.3電子丈量方法 1.3.1電子丈量方法的分類 1.按丈量方法分類 (1)直接丈量：指直接從丈量儀表的讀數(shù)獲取被丈量量值的方法，例如用電壓表丈量晶體管的任務(wù)電壓，用歐姆表丈量電阻阻值，用計數(shù)式頻率計丈量頻率等。 (2)間接丈量：利用直接丈量的量與被丈量之間的函數(shù)關(guān)系(可以是公式、曲線或表格等)，間接得到被丈量量值的丈量方法。例如，丈量電阻耗費的功率P=UI=I2R=U2/R。(3)組合丈量： 當(dāng)某項丈量結(jié)果需用多個未知參數(shù)表達時，可經(jīng)過改動丈量條件進展多次丈量，根據(jù)丈量量與未知參數(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)的丈量。 知電阻器阻值Rt與溫度t間滿足關(guān)系： 2.按丈量方式分類 (l)偏向式丈量法〔直讀法〕在丈量過程中，用儀器儀表指針的位移(偏向)表示被丈量大小的丈量方法，稱為偏向式丈量法。例如運用萬用表丈量電壓、電流等。由于是從儀表刻度上直接讀取被丈量，包括大小和單位，因此這種方法也叫直讀法。 事先需求用規(guī)范量具對儀表讀數(shù)、刻度進展校準(zhǔn)，實踐丈量時根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)大小確定被丈量量值。 (2)零位式丈量法〔比較法〕零位式丈量法又稱作零示法或平衡式丈量法。丈量時用被丈量與規(guī)范量相比較(因此也叫作比較丈量法)，用指零儀表(零示器)指示被丈量與規(guī)范量相等(平衡)，從而獲得被丈量。例如：用惠斯登電橋丈量電阻(或電容、電感)，當(dāng)電橋平衡時，可以得到: (3)微差式丈量法偏向式丈量法和零位式丈量法相結(jié)合，構(gòu)成微差式丈量法。它經(jīng)過丈量待丈量與規(guī)范量之差(通常該差值很小)來得到待丈量量值，如圖1.3-2所示。3.按被丈量的性質(zhì)分類 (1)時域丈量時域丈量也叫作瞬態(tài)丈量，主要丈量被丈量隨時間的變化規(guī)律。例如用示波器察看脈沖信號的上升沿、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)頻域丈量 頻域丈量也稱為穩(wěn)態(tài)丈量，主要目的是獲取待丈量與頻率之間的關(guān)系。如用頻譜分析儀分析信號的頻譜、丈量放大器的幅頻特性、相頻特性等。 (3)數(shù)據(jù)域丈量 數(shù)據(jù)域丈量也稱為邏輯量丈量，主要是用邏輯分析儀等設(shè)備對數(shù)字量或電路的邏輯形狀進展丈量。例如，微處置器地址線、數(shù)據(jù)線上的信號，可以顯示其時序波形，也可以用“1〞、“0〞、顯示其邏輯形狀。 (4)隨機量丈量 隨機丈量又叫作統(tǒng)計丈量，主要是對各類噪聲、干擾信號進展動態(tài)丈量和統(tǒng)計分析。 除了上述幾種常見的分類方法外：按照對丈量精度的要求，可以分為精細(xì)丈量和工程丈量；按照丈量時丈量者對丈量過程的干涉程度分為自動丈量和非自動丈量；按照被丈量與丈量結(jié)果獲取地點的關(guān)系分為本地(原位)丈量和遠地丈量(遙測)，接觸丈量和非接觸丈量；按照被丈量的屬性分為電量丈量和非電量丈量等等。1.3.2選擇丈量方法的原那么 在選擇正確的丈量方法和適宜的丈量儀器時，要首先確定：①被丈量本身的特性；②所要求的丈量準(zhǔn)確度；③丈量環(huán)境；④現(xiàn)有丈量設(shè)備等。

[例1]直接用萬用表只R×1正電阻檔丈量晶體管發(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]用電壓表丈量高內(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表示丈量用電壓表內(nèi)阻。圖1.3-4電壓表內(nèi)阻的影響假設(shè)Rv=10MΩ，且不思索其它要素，那么電壓為相對誤差:假設(shè)Rv＝120kΩ，那么電壓為電壓:相對誤差:電壓:1.4電子丈量儀器概述 丈量儀器是將被丈量轉(zhuǎn)換成可供直接察看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)對各種待丈量進展丈量的設(shè)備，統(tǒng)稱為電子丈量儀器。1.4.1電子丈量儀器的分類 普通分為公用儀器和通用儀器。 公用儀器為某一個或幾個專門目的而設(shè)計的，如電視彩色信號發(fā)生器。 通用儀器是為了丈量某一個或幾個電參數(shù)而設(shè)計的，它能用于多種電子丈量，如電子示波器等。 1.通用電子儀器按功能分： (1)信號發(fā)生器：提供丈量的各種波形信號，例如高頻、低頻、脈沖、函數(shù)及噪聲等信號發(fā)生器。圖1.4-1信號發(fā)生器 (2)信號分析儀：用于觀測、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-827頻譜分析儀邏輯分析儀 (3)頻率、時間及相位丈量儀，包括各種頻率計(常用電子計數(shù)儀)、相位計，以及各種時間、頻率規(guī)范等；

FC2130頻率計 (4)網(wǎng)絡(luò)特性丈量儀，例如掃頻儀、阻抗丈量儀及網(wǎng)絡(luò)分析儀； (5)電子元器件測試儀，例如，RLC測試儀、晶體管參數(shù)測試儀、晶體管特性圖示儀、集成電路測試儀等；

(6)電波特性測試儀，例如測試接納機、場強儀、干擾測試儀等。(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，電子丈量儀器有模擬式和數(shù)字式兩大類。 模擬式電子丈量儀器主要是用指針方式直接將被丈量的電參數(shù)轉(zhuǎn)換為機械位移，在標(biāo)度尺上指示出丈量數(shù)值，如各種模擬電子電壓表、指針式萬用表。

指針式萬用表DA-16晶體管毫伏表 數(shù)字式電子丈量儀器是將被測的延續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并以數(shù)字方式顯示其丈量數(shù)據(jù)，到達直觀、準(zhǔn)確快速的效果，如各種數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計等。

數(shù)字萬用表智能數(shù)字萬用表1.4.2電子丈量儀器的開展 電子儀器的開展大體閱歷了如下四個階段： (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丈量儀表的主要性能目的從丈量結(jié)果角度評價丈量儀表的性能，主要包括：1.精度精度是指丈量儀器的讀數(shù)或丈量結(jié)果與被丈量真值相一致的程度。精度高，誤差小，精度低，那么誤差大。因此，精度不僅用來評價丈量儀器的性能，也是評定丈量結(jié)果最主要、最根本的目的。精度又可用精細(xì)度、準(zhǔn)確度和準(zhǔn)確度三個目的加以表征。 ①精細(xì)度(δ)精細(xì)度表示在同一丈量條件下對同一被丈量進展多次丈量時，得到的丈量結(jié)果的分散程度，反映了隨機誤差的影響。精細(xì)度高，丈量結(jié)果的反復(fù)性好。例如，某電壓表的精細(xì)度為0.1V，即表示用它對同一電壓進展丈量時，得到的各次丈量值的分散程度不大于0.1V。

②準(zhǔn)確度(ε)準(zhǔn)確度闡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，那么該電壓表丈量電壓時的指示值與真值之差不大于0.1V。我國電工儀表的分級，就是按準(zhǔn)確度來確定的。③準(zhǔn)確度(τ)準(zhǔn)確度是精細(xì)度和準(zhǔn)確度的綜合反映。準(zhǔn)確度高，即精細(xì)度和準(zhǔn)確度都高，那么系統(tǒng)誤差和隨機誤差都小，最終丈量結(jié)果的可信任度高。

例：用射擊比喻丈量，以靶心比作被丈量真值，以靶上的彈著點表示丈量結(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。呵斥這種示值變化的緣由主要是儀器內(nèi)部各元器件的特性、參數(shù)不穩(wěn)定和老化等要素。穩(wěn)定度可以用示值絕對變化量與時間一同表示。 3.輸入阻抗 丈量儀表的接入改動了被測電路的阻抗特性，這種景象稱為負(fù)載效應(yīng)。為了降低負(fù)載效應(yīng)以提高丈量精度，通常對這類丈量儀表的輸入阻抗都有一定要求。丈量儀表的負(fù)載效應(yīng) 4.靈敏度靈敏度表示丈量儀表對被丈量變化的敏感程度，普通定義為丈量儀表指示值(指針的偏轉(zhuǎn)角度、數(shù)碼的變化、位移的大小等)增量△y與被丈量增量△x之比。如SR37A型雙蹤示波器的最高偏轉(zhuǎn)靈敏度是2mV/cm 5.線性度線性度是丈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(被丈量)變化的規(guī)律。假設(shè)儀表的輸出為y，輸入為x，兩者關(guān)系用函數(shù)z＝f(x)表示，假設(shè)y＝f(x)為y一x平面上過原點的直線，那么稱之為線性刻度特性，否那么稱為非線性刻度特性。