第1章电子测量技术概论

电子测量技术王春霞1教学目的通过本课程的学习，使学生掌握测量误差的基本理论和数据处理方法；掌握主要物理量(电压、频率、时间等)、元件参数的基本测量原理和测量方法；熟悉常用测量仪器（示波器、信号源、计数器、频谱仪、扫频仪等）的工作原理和操作使用；对现代电子测量新技术有一定的了解；初步具备在科学实验中具有制订先进、合理的测量和测试方案，正确选用测量仪器，严格处理数据，以获得最佳测试结果的能力。2课程要求知识目标掌握近代电子测量的基本原理和方法。掌握测量误差分析和测量数据处理方法。熟悉常用电子测量仪器的应用技术。掌握正确选用测量仪器的基本方法。能力目标能够制订先进、合理的测量和测试方案。能够正确选用测量仪器。能够正确处理测量数据。3本章阐述了测量学科的丰富内涵。介绍测量、计量的基本概念，即它们的意义、内容、特点及应用。讨论测量原理、测量方法和测量系统中的共性问题。第1章电子测量概论1.1测量的基本概念1.1.1测量的意义日常生活中处处离不开测量科学的进步和发展离不开测量，离开测量就不会有真正的科学。没有望远镜就没有天文学，没有显微镜就没有细胞学，没有指南针就没有航海事业1.1.1测量的意义(续)生产发展离不开测量农业中，需丈量土地、衡量谷物，就产生了长度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，出现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。现代化的工业生产中，处处离不开测量例如，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。61.1测量的基本概念1.1.2测量的定义(狭义)测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。测量结果＝测量数值.测量单位，即：0}{xxx1.1测量的基本概念1.1.2测量的定义(续)测量的内涵①测量目的：从被测对象取得一个定量的认识；②测量对象：被测客体中的相应的量值信息；③测量过程:通过实验去认识对象的过程④测量方法：比较；A.直接比较B.间接比较；C.需要测量仪器；⑤测量标准：同类已知单位。⑥测量结果：最终能表示给测量主体(人)1.1测量的基本概念1.1.2测量的定义(广义)广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位等。而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息的感知和信息识别两个环节。1.1测量的基本概念1.1.3测量的基本要素1.测量的基本要素被测对象测量仪器测量技术测量人员测量环境被测对象测量人员测试仪器系统信息显示感知和识别1.1测量的基本概念1.1.3测量的基本要素(续)2.测量过程——基本要素之间的互动关系论证阶段测量的主体(测量人员)根据测试任务的要求、被测对象的特点、属性，及现有仪器设备状况，拟定合理的测试方案。设计阶段①选择测试仪器，组建测试系统。②制定出测试策略(测量算法)和操作步骤(测试程序)实施阶段①对仪器和系统实施测试操作(发控制命令)，按照逻辑和时序完成测量过程，取得测量数据;②分析测量误差并显示测量出结果。1.1测量的基本概念1.1.3测量的基本要素(续)3.被测对象——信息广义的测量是信息的获取4.测量仪器系统——量具和仪器测量仪器系统包括量具、测试仪器、测试系统及附件等5.测量的主体——测量人员手动：由测量主体(测量人员)直接参与完成自动：测量主体交给智能设备完成6.测试技术测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测试技术1.1测量的基本概念1.1.3测量的基本要素(续)7.测量环境测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和。测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量(工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等)的数值、范围及其变化。1.1测量的基本概念1.1.3测量的基本要素(续)环境对测量的影响A.环境对被测对象的影响：某些被测对象客体(如器件、电路或系统)的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感，因此，原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行。B.环境对仪器系统的影响：环境可能直接或间接地影响到仪器系统本身的某个工作特性，进而影响测量结果，造成测量误差。特别是某些测量器具的量程广、频段宽，而内部的元器件数目甚多，且对外界影响相当敏感，错综复杂的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题。C.环境对测量人员的影响：高温、严寒、潮湿、闷气、嘈杂、照明不适当等不良工作环境，会对测量人员的身心产生不良影响，从而引起不同程度的人身误差乃至差错。1.1测量的基本概念1.1.3测量的基本要素(续)环境对测量的影响应采取适当的控制措施，尽量减少由于环境影响而产生的误差。恒温、恒湿、稳压和防震。抗干扰、防噪声的措施，如接地、屏蔽、隔离、滤波等。仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变化环境。1.1测量的基本概念1.1.3测量的基本要素(续)仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：I组：良好的环境条件，温度+10～+35oC，相对湿度80%(在35oC上)，只允许有轻微的振动。II组：一般的环境条件，温度－10～+40oC，相对湿度80%(在40oC上)，允许一般的振动和冲击。III组：恶劣的环境条件，温度－40～+55oC，相对湿度90%(在35oC上)，允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动。I组——高精度计量用仪器II组——通用仪器III组——野外、机载等仪器1.2计量的基本概念1.2.1计量的定义和意义为使在不同的地方，用不同的手段测量同一量时，所得的结果一致，就要求统一的单位、基准、标准和测量器具。1.计量的定义计量是一种特殊形式的测量，它把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否，并给出具有法律效力的《检定证书》。计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动，如单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监督管理、测量方法及其手段的研究等。1.2计量的基本概念1.2.1计量的定义和意义(续)2.计量与测量的关系测量发展的客观需要才出现了计量。测量是计量应用的重要途径。没有测量，计量将失去价值为了保证测量结果的准确性，必须定期对仪器进行检定和校准，这个过程就是计量。计量的任务是确定测量结果的可靠性。计量是测量的基础和依据。没有计量，也谈不上测量。计量和测量相互配合，才能在国民经济各个领域发挥重要作用。计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作，它在工农业生产、科学技术、国防建设以及人民生活等各个方面起着技术保证和技术监督的作用。1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制根据定义而令系数为1的量称为单位。单位是表征测量结果的重要组成部分，又是对两个同类量值进行比较的基础。1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制(续)1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI。1984年2月国务院颁布了《中华人民共和国法定计量单位》，决定我国法定计量单位以国际单位制为基础SI有7个基本单位1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制(续)1.国际单位制(SI)的组成量的名称单位名称单位符号长度米m质量千克(公斤)kg时间秒s电流安[培]A热力学温度开[尔文]K物质的量摩[尔]mol发光强度坎[德拉]cd1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制(续)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。国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。例：5.4×10-9s=5.4ns因数词头名称名称原文(法)中文1012太T109Giga吉G106mega兆M103Kilo千k10-3milli毫m10-6micro微μ10-9nano纳n10-12pico皮p10-15飞f1.2计量的基本概念1.2.3基准和标准1.基准基准用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。(1)一级基准，又称主基准和国家基准具有最高水平的基准。一个国家只有一个。(2)二级基准，又称副基准副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对(3)三级基准，又称工作基准工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递，用以检定下属计量标准量具的精确度。1.2计量的基本概念1.2.3基准和标准(续)2.标准根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准量具或仪器，简称标准。计量标准的准确度等级在工作基准之下，工作计量器具之上按精度高低又分为一级标准、二级标准和三级标准。通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检定，确定其量值的精确度大小。除标准器具外，还有标准物质。1.2计量的基本概念1.2.3基准和标准(续)3.几个术语(1)计量器具：凡是能用以直接或间接测出被测对象量值的量具、计量仪器和计量装置都统称为计量器具。计量器具按作用可分为计量基准、计量标准和工作计量器具三类。(2)计量标准器具：准确度低于计量基准，用于检定计量标准或工作计量器具的计量器具。(3)工作计量器具：工作岗位上使用，不用于进行量值传递，而是直接用来测量被测对象量值的计量器具。(4)比对：在规定条件下，对相同准确度等级的同类基准、标准或工作计量器之间的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性1.2计量的基本概念1.2.3基准和标准(续)(5)检定：是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较，以达到全面评定被检计量器具的计量性能是否合格的目的。一般要求计量标准的准确度为被检者的1/3到1/10。(6)校准：校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较，以确定被校计量器具的示值误差(有时也包括确定被校器具的其他计量性能)的全部工作。(7)量值的传递：指一个物理量单位通过各级基准、标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量仪器、量具，以保证量值统一的全过程。1.2计量的基本概念1.2.4测量基准的权威性和相对性1.基准的权威性基准的理论定义最严格的、制作工艺技术最先进。原器基准自身也会随时间、地点、环境条件而变化，甚至会损坏，会失传。从现代科学的观点来看，最好的基准是原子基准。2.基准的相对性一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科学水平例：以太阳为基准，时间测量的精确度1天内可达到1秒钟。而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过1秒。1.3电子测量的内容、分类与特点1电子测量的内容（1）电能量的测量，如测量电流、电压、功率等。（2）电子元件和电路参数的测量，如测量电阻、电容、电感、品质因数以及电子器件的参数等。（3）电信号的特性和质量的测量，如测量信号的波形、频谱、调制度、失真度、信噪比等。（4）基本电子电路特性的测量，如测量滤波器的截止频率和衰减特性等。（5）特性曲线的测量，如测量放大器幅频特性曲线与相频特性曲线等。2.电子测量的分类电子测量方法多样，为了便于分析和研究，不妨将其分为以下几类：1）时域测量：测量被测信号幅度与时间的函数关系。2）频域测量：测量被测信号幅度与频率的函数关系。（3）调制域测量：测量被测信号频率随时间变化而变化的特性。（4）数据域测量：测量数字量或电路的逻辑状态随时间变化而变