第1章电子测量基础知识.

第1章电子测量基础知识教学要求：了解测量与计量的内容、特点和意义，掌握测量误差的基本概念，了解电子测量的方法、特点和内容，了解电子测量的基本实现技术，掌握测量误差的种类，系统误差、随机误差和粗大误差性质、产生的原因、判别与消除方法，掌握测量结果的数据处理方法1.1测量1.测量的意义人们为了获得新的知识和揭示科学的奥秘，用实验的方法去认识世界，用测量的手段获取实验数据，再对测量数据进行归纳和演绎得到科学的理论，是从感性认识上升到理性认识阶段。现代信息科学技术的三大支柱是：信息获取技术（测量技术（传感技术））、信息传输技术（通信技术）和信息处理技术（计算机技术）。科学技术的发展同测量技术的发展是相辅相成、密切相关的。著名科学家门捷列夫说：没有测量，就没有科学。科学技术的进步和发展离不开测量，离开了测量就没有科学的进步。1.1.1测量的基本概念2.测量的定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程，在这个过程中，人们借助于专门的设备，把被测对象直接或间接的与同类已知量进行比较。取得用数值和单位共同表示的测量结果。一般来说，测量结果既可以表示成数字、也可以表示成曲线、图形、表格或某种反馈形式的控制信号。测量结果总包含一定的数值（绝对值大小和符号）以及相应的单位两部分。3.计量的定义和意义计量包括三个主要的特征：（1）统一性。要求对同一个被测对象在不同的地方、采用不同的测量手段进行测量时，所得到的测量结果应当是一致的。2）准确性。采用公认的统一单位，体现这些单位的基准、标准和用这些基准、标准来校准的测量器具。（3）法制性。将这些统一的单位、基准、标准和测量器具用法律的形式固定下来。计量与测量之间既有一定的联系，同时又有一定的区别。计量基准一般分为国家基准、副基准和工作基准。国家基准又称为主基准，它是用来复现和保存计量单位，具有现代科学技术所能达到的最高准确度，经国家鉴定并批准作为统一全国计量单位量值的最高依据的计量器具。副基准是通过直接或间接与国家基准比对来确定其量值并经国家鉴定批准的计量器具。工作基准是经与国家基准进行校准或比对，并经国家鉴定，用于实际鉴定计量标准的计量器具。4.单位和单位制单位分为基本单位和导出单位。基本单位是彼此无关、分别加以确定的物理量单位。例如表示重量的千克（kg）、表示长度的米（m）、表示时间的秒（s）等。导出单位是指基本单位通过定义、定律或其它函数关系派生出来的各种导出量值。例如克（g）、公里（km）、小时（h）等等。由各基本单位和导出单位可组成各种不同的单位制。2）国际单位制（SI）的组成1984年2月国务院颁布了《中华人民共和国法定计量单位》，确定了我国法定计量单位以国际单位制为基础，并以法律的形式强制执行。国际单位制是由国际单位制单位、国际单位制词头和国际单位制的十进倍数单位三部分组成。国际单位制包括了基本单位、导出单位和辅助单位三类，基本单位共七个，列于表1-1。1.2测量误差的基本概念1.测量误差的定义测量是为了获取被测量量值而进行的实验过程。任何一次测量，测量值总是存在误差。这个误差就是测量误差。2.测量误差的来源测量误差主要由四个方面的来源：1）仪器误差仪器误差是由于测量仪器本身所存在的固有误差。2）影响误差影响误差是由于各种环境因素（如温度、湿度、压力、干扰等）与测量要求的工作条件不一致造成的。3）理论误差和方法误差理论误差是在测量过程中，由于所采用的近似测量公式致使测量结果出现误差。理论误差和方法误差通常都属于系统误差，这种误差可以通过改变测量方法或修正的方法来消除。4）人为误差人为误差是由于测量操作人员的分辨能力、固有习惯、操作仪器或操作方法选用的不合理等因素造成的。方法误差是由于在测量过程中，所采用的测量方法不合理致使测量结果出现误差。3.测量（基准）标准1）测量标准的定义测量标准——为了定义、实现、保存和复现量的单位或一个及多个量值，用作参考的实物量具、测量仪器、参考物质或测量系统。2）测量标准的传递为了保证同一个参量的测量标准的一致性，各级计量局行使国家对测量标准的管理权，按照法定的程序，定期对下一级各类测量标准进行检定的过程就是测量标准的传递。检定是测量标准传递的具体形式。测量标准传递的准则是：高一级的测量标准检定低一级的测量标准的精确度；同一级的测量标准的精确度只能通过比对来鉴别。3.测量误差的表示方法测量误差包括绝对误差和相对误差两种表示方法。1)绝对误差(1）定义x0x绝对误差是被测对象的测量值与被测对象的真值之间的差。即0xxx式中：x——绝对误差x——被测对象的测量值0x———被测对象的真实值（真值）(2）修正值与绝对误差的绝对值大小相等，符号相反的量值定义为修正值。即xxxC0修正值与绝对误差具有相同的量纲，利用修正值可以减小由于测量仪器本身或其它可知的误差造成的影响。修正值给出的形式是多样的，可以是表格、曲线、公式，也可以是修正程序。4.相对误差虽然绝对误差可以表示测量结果偏离真值的程度，但它还不能确切的表示一次测量结果的精确程度。1）相对误差和示值相对误差x绝对误差与被测量真值（或实际值）的比值称为相对误差。即%1000xx相对误差是两个相同量纲的比值，因此，它只有大小，没有量纲。在某些要求不太严格，且误差比较小的情况下，也可以用测量指示值代替实际值，所以引入了示值相对误差x%100xxxx【例1．1】用电压表测量某一电压，电压表的读数值为9.6V，再用标准电压表测量该电压时，测量值为10V，求测量的绝对误差、修正值和相对误差解：1)测量结果的绝对误差u由定义)(4.0106.90Vuuu3)相对误差%404.0104.00uu2）修正值4.0uC2）满度相对误差（引用误差）把测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差mx与该量程的满刻度值（该量程的上限值与下限值之差）mx之比来表示的相对误差称为满度相对误差m即%100mmmxx由上式可以看出，通过满度相对误差实际给出了仪表在各个量程内的绝对误差的最大值即mmmxx1.00.15.153）分贝误差——相对误差的对数表示当测量中存在误差时，测量结果H的分贝表示形式为][lg20][00dBHdBH][][][0dBdBHdBH其中][dB——分贝误差若一个放大器电压增益为A，其测量值为xA则其绝对误差AAAx由此可得AAAx则增益的分贝误差为)1lg(20][)1lg(20lg20)]1(lg[20)lg(20lg20)(AAdBAAAAAAAAAAdBAxx取)1lg(20)()(AAdBAdBAxdB由此可见，dB是xA和A的分贝数的差，称为分贝误差，单位为分贝。若设AAx)1lg(20)1lg(20xdBAAAA令xxAA则上式可以写成)1lg(20xdB1.2电子测量方法与测量系统1.2.1电子测量的基本概念1.电子测量及意义电子测量是人们借助于电子技术的手段对电量和非电量的测量，即以电子科学技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量。2.电子测量的特点1）测量范围宽2）高精度、高速度3）便于信息的传递与数据的处理4）易于实现测量的自动化1.2.3测量误差及数据处理1.3.1测量误差的分类、估计和处理1.测量误差的分类根据测量误差的性质和特点，测量误差分为随机误差、系统误差和粗大误差三类。1）系统误差（1）系统误差的定义在同一测量条件下（测量环境、测量仪器、操作人员），多次测量同一被测量值时，误差的绝对值和符号都保持恒定，或在测量条件改变时按某种确定规律变化的误差。称为系统误差或系差。一般来说，系统误差是变化的，它的变化特点可以是累进的、周期的或按某种复杂规律变化的，这些规律往往可以用解析式、数据表格、曲线来表达，在系统误差中，不随测量条件变化的误差称为恒值系差。测量值随测量条件变化而变化的误差称为变化的系差，简称为变值系差。（2）产生系统误差的原因产生系统误差的原因有很多，归纳起来，主要有以下几个方面：a）测量仪器方面的因素：b）测量方法方面的因素c）测量环境方面的因素d）测量人员方面的因素从系统误差的性质可以看出，系统误差是一种固有误差，它表明一个测量结果偏离实际值的程度，因此，在测量结果中，用准确度来描述系统误差的大小。系统误差越小，则测量结果的准确度越高，表明测量值与实际值就越接近。2）随机误差（1）随机误差的定义在同一测量条件下，多次重复测量同一量值时（等精度测量），误差的绝对值和符号以不可预测的方式变化的误差，称为随机误差，简称为随差。（2）随机误差的特点a）有界性在多次测量中，随机误差的绝对值虽然是变化的，但实际上不会超过一定的界限。即随机误差具有有界性，b）对称性在多次测量中，随机误差的绝对值相等且正负误差出现的机会相同。称为随机误差的对称性。c）抵偿性在多次测量中，随机误差的正负误差相互抵偿。3）粗大误差（疏失误差或差错）在规定的测量条件下，测量值超出预期值（或明显超出测量值）的误差，称为粗大误差（或粗差）。粗大误差产生的原因：（1）测量操作人员疏忽和失误。（2）测量方法不当或错误。（3）测量环境的突然变化。2.随机误差的特性及减小方法随机误差是由于大量的内部或外部的没有确定规律的因素引起的，从误差的个体来看，误差出现的时间、符号和幅值都是不确定的，没有确定的规律可循，但在多次测量之后，随机误差服从统计规律。1.4频率测量技术时间和频率的测量是电子技术中的两个最重要的基本参数。时间是国际单位制中七个基本物理量之一。周期和频率之间的关系Tf11.4.1时间和频率的基本概念1.时间频率基准时间通常包含两个方面的含义：时间和时刻。2.时间和频率的测量方法对时间和频率的测量方法大体上可以作如下的分类：电子计数式电容充放电式计数法测周期法李沙育图形法示波法差频法拍频法比较法谐振法电桥法直读法模拟法时间和频率测量方法1.频率的测量1）测量原理频率测量的原理框图如图所示闸门门控电路放大整形xf计数显示TN被测信号分频晶振设闸门的开启时间为ST输入信号的频率为xf分频器的分频频倍数为K则计数器的计数值N为xSxSfKTTTKN或SSxKNfTNKf2.误差分析电子计数器测量频率与其它测量一样，也存在测量误差。由测频表达式可以得到，测频的误差为SSxxTTNNff对于电子计数器而言，无论其精度如何，1)(maxN即计数误差只能产生多计一个字或者少计一个字，因此，N称为1个字误差。即xSfTNNN11第二项误差设分频系数为K，则CCSfKKTT而2KCCSffT因此CCCCCSSfffKffKTT频率测量的总误差为)1(CCxSSSxxfffTTTNNff电子计数器的测量误差主要决定于两个方面：1.是决定于闸门时间T是否准确，即产生标准频率误差；2.是决定于计数器的计数是否正确，即产生1个字的误差。（1）量化误差量化误差即1字误差，是计数式仪表特有的误差，产生的原因是：被测信号到达闸门的时刻与闸门开启时刻是没有关联的，在相同的闸门时间内，计数器所计得的值却不一定相同，xTT7N6N)(a)(a图１个字误差(2)标准频率误差cSSffTTc是闸门时间的相对误差,标准频率误差曲线如图所示1.4.2电子计数式频率计举例1.电子计数式频率计的组成图所示是一个频率计的组成框图输入单元主门计数译码显示电路门控电路逻辑控制单元石英晶体振荡器1010101010101012V闸门时间与门与门3421与门与门10s1s0.1s10ms1msA输入2.实用电子频率计举例下面由ICM7216D集成芯片组成的的数字频率计，数字频率计的核心器件ICM7216D，其管脚功能