課件-電子測量與儀器(電子工業(yè)出版社第2版)-第1章-電子測量與儀器的基本知識

宋悅孝主編張偉主審

電子測量與儀器（第2版）電子教案高等職業(yè)教育電子信息類貫通制教材（電子技術(shù)專業(yè)）第1章電子測量與儀器的基本知識知識要點(diǎn)：電子測量的方法測量誤差的表示方法與分類有效數(shù)字的處理等1.1電子測量概述1.電子測量的意義測量目的：取得用數(shù)值和單位共同表示的被測量的結(jié)果。測量過程：依據(jù)一定的理論，通過實(shí)驗(yàn)的方法將被測量與已知同類標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較而取得測量結(jié)果。測量結(jié)果表示：帶有單位的有理數(shù)。測量的分類：廣義電子測量，狹義電子測量。1.1.1電子測量的意義及內(nèi)容2.電子測量的內(nèi)容電子測量特點(diǎn)：頻率范圍寬、量程廣、精確度高、測量速度快、易于實(shí)現(xiàn)遙測搖控等。狹義電子測量內(nèi)容：（1）能量：電流、電壓、功率、電場強(qiáng)度等。（2）電路參數(shù)：電阻、電感、電容、品質(zhì)因數(shù)等。（3）信號特性：頻率、周期、相位、調(diào)制系數(shù)等。（4）電子設(shè)備性能：通頻帶、放大倍數(shù)等。（5）特性曲線：幅頻特性、相頻特性等?；緟⒘浚侯l率、時間、電壓、相位、阻抗等。非電量測量屬于廣義電子測量內(nèi)容.1.按照測量性質(zhì)分類（1）時域測量：測量與時間有函數(shù)關(guān)系的量。（2）頻域測量：測量與頻率有函數(shù)關(guān)系的量。（3）數(shù)字域測量：對數(shù)字邏輯量進(jìn)行的測量。（4）隨機(jī)量測量：對噪聲、干擾信號等的測量。2.按照測量手段分類（1）直接測量：借助測量儀器可直接獲得測量結(jié)果。（2）間接測量：先直接測量幾個與被測量有函數(shù)關(guān)系的物理量，然后通過公式計算或查表等求出被測量。（3）組合測量：以直接測量和間接測量為基礎(chǔ)。測量過程：1）需要改變測量條件多次測量。2）按照函數(shù)關(guān)系組成聯(lián)立方程組并求解得出有關(guān)未知量。3）將未知量代入函數(shù)式而得出測量結(jié)果。1.1.2電子測量方法其他電測方法：人工測量和自動測量；動態(tài)測量和靜態(tài)測量；精密測量和工程測量；低頻測量、高頻測量和超高頻測量等。測量方法選擇規(guī)則：

測量時應(yīng)對被測量的物理特性、測量允許時間、測量精度要求以及經(jīng)費(fèi)情況等方面進(jìn)行綜合考慮，結(jié)合現(xiàn)有的儀器、設(shè)備條件，擇優(yōu)選取合適的測量方法。測量誤差表示方法：絕對誤差、相對誤差和容許誤差。1.絕對誤差（1）定義式：Δx＝測量值x–真值A(chǔ)0計算式：Δx=x–實(shí)際值A(chǔ)A0：用高級標(biāo)準(zhǔn)器具的測量值A(chǔ)（實(shí)際值）代替。注意：示值和讀數(shù)值有區(qū)別。Δx正負(fù)號表示：x偏離A的方向，即偏大或偏小；Δx大小表示：x偏離A的程度。

1.2測量誤差的基本概念1.2.1測量誤差的表示方法（2）修正值：C

=–Δx=A–x→A=C+ΔxC常在用高級標(biāo)準(zhǔn)儀器對測量儀器校準(zhǔn)時給出，給出的方式為數(shù)值、一條曲線、一張表格。絕對誤差的缺點(diǎn)：雖然絕對誤差可以說明測量結(jié)果偏離實(shí)際值的情況，但不能確切反映測量結(jié)果偏離實(shí)際值的程度。2.相對誤差相對誤差：實(shí)際相對誤差、示值相對誤差和滿度相對誤差。（1）實(shí)際相對誤差：（2）示值相對誤差：（3）滿度相對誤差：xm：儀器滿度值。滿度相對誤差別稱：滿度誤差或引用誤差用途：描述電工儀表的準(zhǔn)確度等級指針式電工儀表準(zhǔn)確度等級：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0共七級。電工儀表準(zhǔn)確度等級意義：儀表滿度相對誤差所不超過的百分比。注意：在無標(biāo)準(zhǔn)儀表比對的情況下，不可能確定測量值偏離方向，所以應(yīng)帶有“±”號。結(jié)論：Δxm＝xmγm；實(shí)測絕對誤差Δx滿足：；一般情況下，應(yīng)盡量使指針處在儀表滿度值的2/3以上區(qū)域。[例1–1]

用電壓表校準(zhǔn)萬用表時測得的兩個電壓值是100V、50V，而用萬用表測得的值分別是90V、40V，求兩次測量的絕對誤差、修正值、實(shí)際相對誤差分別是多少？解：根據(jù)題意知，UA1=100V，UA2=50V，

Ux1=90V，Ux2=40V。第一次測量：ΔU1=90V–100V=–10V

C1=–ΔU1=10V

第二次測量：ΔU2=40V–50V=–10V

C2=–ΔU2=10V

結(jié)論：第一次測量要比第二次測量準(zhǔn)確。[例1–2]

要測量40V左右的電壓，有兩塊電壓表：量程為50V、1.5級，量程為100V、1.0級，問應(yīng)選用哪一塊表測量比較合適？解：第一塊表：ΔU1≤50V×(±1.5%)=±0.75V

第二塊表：ΔU2≤100V×(±1.0%)=±1.0V

答：選用第一塊表。3.容許誤差（極限誤差或儀器誤差）定義：人為規(guī)定的某類儀器測量時不能超過的測量誤差的極限值。表示：絕對誤差、相對誤差或二者的結(jié)合。1.2.2測量誤差的來源（1）儀器誤差：儀器本身及其附件的電氣和機(jī)械性能不完善而引起。（2）使用誤差（操作誤差）：由于安裝、調(diào)節(jié)、使用不當(dāng)?shù)仍蛞鸬恼`差。（3）人身誤差：人為原因引起的誤差。（4）環(huán)境誤差（影響誤差）：由于受到外界的溫度、濕度、氣壓、震動等影響產(chǎn)生的誤差。（5）方法誤差（理論誤差）：由于測量時使用方法不完善、所依據(jù)理論不嚴(yán)格等原因引起的誤差。1.2.3測量誤差的分類1.系統(tǒng)誤差（系差）（1）定義：對同一量進(jìn)行多次測量，測量誤差能夠保持恒定或按照某種規(guī)律變化的誤差。（2）分類與判斷分類：恒定系差、變值系差恒定系差：大小及符號始終保持恒定不變。變值系差：大小及符號會按累進(jìn)性規(guī)律、周期性規(guī)律或某復(fù)雜規(guī)律變化。系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)和判斷方法：用理論分析法、校準(zhǔn)和比對法、改變測量條件法、公式判斷法，比較簡單的是剩余誤差觀察法。（3）系差與測量的關(guān)系系差表明測量結(jié)果偏離真值或?qū)嶋H值的程度。系統(tǒng)誤差越小，測量準(zhǔn)確度越高。系差通常能夠出現(xiàn)在最終的測量結(jié)果中。（4）減小系統(tǒng)誤差的方法產(chǎn)生因素：對測量影響顯著的因素。減小措施：測量之前；測量中采用零示法、替代法、交換法、微差法；測量后引入修正值加以抵消或削弱。零示法定義：使被測量對指示儀表的作用與某已知的標(biāo)準(zhǔn)量對它的作用相互平衡以使指示儀表示零，這時被測量等于已知的標(biāo)準(zhǔn)量。優(yōu)點(diǎn)：可以消除指示儀表不準(zhǔn)而造成的誤差。替代法（置換法）定義：在測量條件不變情況下，用一已知標(biāo)準(zhǔn)量去代替被測量，并調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量使儀器的示值不變，此種情況下，被測量等于調(diào)整后的標(biāo)準(zhǔn)量。優(yōu)點(diǎn)：消除儀器誤差和其他造成系統(tǒng)誤差的因素對測量結(jié)果的影響。交換法（對照法）定義：交換被測量在測量系統(tǒng)中的位置或測量方向，取兩次測量值的平均值作為測量結(jié)果。優(yōu)點(diǎn)：交換法將大大削弱系統(tǒng)誤差的影響。微差法（虛零法或差值比較法）定義：實(shí)質(zhì)上是一種不徹底的零示法。微差法允許標(biāo)準(zhǔn)量s與被測量x的效應(yīng)不完全抵消，而是相差一微小量δ，測得δ＝x–s，即可得x=s+δ

優(yōu)點(diǎn)：可以忽略儀表產(chǎn)生的偏差。2.隨機(jī)誤差（偶然誤差、殘差、隨差）定義：在一系列重復(fù)測量中，每次測量結(jié)果出現(xiàn)無規(guī)律隨機(jī)變化的誤差。與測量關(guān)系：反映測量結(jié)果離散性，即隨機(jī)誤差越小，測量精密度越高。精密度與準(zhǔn)確度無關(guān)。產(chǎn)生因素：影響微弱、變化復(fù)雜而又互不相關(guān)的多種因素共同造成。規(guī)律：服從統(tǒng)計規(guī)律，即單峰性、對稱性、低償性、有界性。減小措施：多次測量求平均特點(diǎn)：隨機(jī)誤差可以出現(xiàn)在單次測量結(jié)果中，一般不會出現(xiàn)在最終結(jié)果中。3.粗大誤差（過失誤差、疏失誤差、粗差）定義：是由于操作不當(dāng)、測量失誤等原因造成測量結(jié)果明顯偏離實(shí)際值的誤差。減小措施：測量時應(yīng)耐心細(xì)致以免出現(xiàn)粗大誤差，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中有粗大誤差，應(yīng)予剔除。1.3電子測量儀器的基本知識1.模擬儀器2.數(shù)字化儀器3.智能化儀器4.虛擬儀器（VI，VirtualInstrument）（1）概念：“軟件即儀器”。（2）組成：計算機(jī)、儀器模塊和軟件。儀器模塊功能主要靠軟件實(shí)現(xiàn)。常用的開發(fā)軟件有LabVIEW、LabWindows/CVI等。簡單易學(xué)、靈活好用。（3）特點(diǎn)：智能化程度高；復(fù)用性強(qiáng)，費(fèi)用低；可操作性強(qiáng)，易用靈活。1.3.1電子測量儀器的發(fā)展1.3.2電子測量儀器的分類按照儀器功能，通用電測儀器分類：（1）信號發(fā)生器（信號源）（2）電壓測量儀器（3）波形測試儀器（4）頻率測量儀器（5）電路參數(shù)測量儀器（6）信號分析儀器（7）模擬電路特性測試儀器（8）數(shù)字電路特性測試儀器測量時應(yīng)根據(jù)測量要求，參考被測量與測量儀器的有關(guān)指標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)有測量條件及經(jīng)濟(jì)狀況，盡量選用功能相符、使用方便的儀器。1.3.3電子測量儀器的主要性能指標(biāo)（1）頻率范圍（有效頻率范圍）（2）準(zhǔn)確度分類：測量準(zhǔn)確度、測量儀器準(zhǔn)確度。測量準(zhǔn)確度：測量結(jié)果與被測量真值之間的一致程度。測量儀器準(zhǔn)確度：測量儀器給出值接近于真值的能力。表示：以容許誤差或不確定度的形式給出。

不確定度：為了避免丟失真實(shí)數(shù)據(jù)而人為擴(kuò)大的測量誤差。不確定度的數(shù)值越大，丟失真實(shí)數(shù)據(jù)的可能性越小，即可信度越高。（3）量程與分辨力（4）穩(wěn)定性與可靠性穩(wěn)定性：在規(guī)定時間內(nèi)，儀器保持指示值或供給值不變的能力?？煽啃裕涸谝?guī)定條件下，完成規(guī)定功能的可能性。（5）環(huán)境條件（6）響應(yīng)特性：輸出的某個特征量與其輸入的某個特征量之間的響應(yīng)關(guān)系或驅(qū)動量與被驅(qū)動量之間的關(guān)系。（7）輸入特性與輸出特性：包括測量儀器的輸入阻抗、輸入形式等。輸出特性主要包括測量結(jié)果的指示方式、輸出電平、輸出阻抗、輸出形式等。1.3.4電子測量儀器的誤差（1）固有誤差：基準(zhǔn)條件（見表1-1）下，儀器本身產(chǎn)生的容許誤差。在說明書中視情況給出。（2）基本誤差：正常條件（見表1-2）下，儀器方面產(chǎn)生的容許誤差。（3）工作誤差：額定工作條件下，在任一點(diǎn)上求得的儀器某項(xiàng)特性的誤差。在說明書中必須給出。（4）影響誤差：當(dāng)某一個影響量（即影響因素）在其額定使用范圍內(nèi)（或一個影響特性在其有效范圍內(nèi)）取任一值，而其他影響量和影響特性均處于基準(zhǔn)條件時所測得的誤差。（5）穩(wěn)定誤差：標(biāo)準(zhǔn)值在其他影響量和影響特性保持恒定情況下，在規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生的誤差極限。1.4測量結(jié)果的表示及測量數(shù)據(jù)的處理（1）測量值+不確定度：不確定度和測量值由對一系列測量數(shù)據(jù)的處理過程中得到。（2）有效數(shù)字：由第一種數(shù)字方法改寫而成，適合表示中間結(jié)果。未標(biāo)明測量誤差或分辨力時，末位一般與不確定度第一個非零數(shù)字前一位對齊。（3）有效數(shù)字+（1～2）位的安全數(shù)字：由前兩種方法演變而成，適合表示中間結(jié)果或重要數(shù)據(jù)。增加安全數(shù)字可以減小由第一種方法改寫成第二種方法時產(chǎn)生誤差的影響。在第二種表示方法確定出有效數(shù)字位數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要向后多取1～2位安全數(shù)字，多余數(shù)字按有效數(shù)字的舍入規(guī)則進(jìn)行。上述方法表示出的結(jié)果是測量報告值。1.4.1測量結(jié)果的表示（數(shù)字）1.4.2有效數(shù)字的處理

有效數(shù)字的處理包括：有效數(shù)字位數(shù)的取舍、有效數(shù)字的舍入。1.有效數(shù)字的意義欠準(zhǔn)數(shù)字：在量程最小刻度的基礎(chǔ)上，多估讀的一位數(shù)字。定義：從第一個非零數(shù)字起向右所有的數(shù)字。意義：如果未標(biāo)明測量誤差或分辨力，認(rèn)為有效數(shù)字具有不大于欠準(zhǔn)數(shù)字±0.5單位的誤差，稱之為0.5誤差原則。有的場合認(rèn)為有效數(shù)字具有不大于欠準(zhǔn)數(shù)字的±1單位的誤差。2.有效數(shù)字位數(shù)的取舍與運(yùn)算規(guī)則（1）有效數(shù)字位數(shù)的取舍原則1：要保證有效數(shù)字位數(shù)取舍后末位的±0.5單位不小于絕對誤差（或不確定度），即有效數(shù)字位數(shù)保留至絕對誤差（或不確定度）左邊第1個非零數(shù)字前1位。原則2：若認(rèn)為有效數(shù)字具有不大于欠準(zhǔn)數(shù)字的±1單位的誤差，這種情況下，除非絕對誤差（或不確定度）剛好等于某1位的±1單位，用有效數(shù)字表示時，有效數(shù)字末位位數(shù)應(yīng)與該位對齊。（2）有效數(shù)字的運(yùn)算規(guī)則加法：以小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)最少的為準(zhǔn)；若各項(xiàng)無小數(shù)點(diǎn)，則以有效數(shù)字位數(shù)最少者為