电子测量原理 第1章测量的基本原理

电子测量原理电子科学与技术系联系方式：[e-mail]授课教师：段智勇电子科学与技术专业微电子方向2020/2/222课程简介第一部分测量总论及误差理论，介绍测量的基本概念、技术方法及系统组成，误差理论和数据处理等。第二部分基本电参量测量，包括频率、电压、阻抗等第三部分时域测量，以示波器为背景介绍时域信号波形的采集、显示及应用技术。第四部分频域测量，重点讨论频域中的信号频谱和网络性能的测量，介绍测量激励信号源的基本工作原理。第五部分数域测量，介绍数字系统的基本测量原理和方法，包括数字信号的产生、逻辑分析、可测性设计及数字系统测试的典型实例。第六部分测量系统集成，阐述组建测量系统的硬件平台、软件平台、总线标准、通信技术等。电子科学与技术专业微电子方向2020/2/223本章阐述测量了学科的丰富内涵。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。分别从信息获取的广义概念和量值比较的狭义概念上，阐述测量的基本原理；从实现测量原理的变换、比较、处理和显示等环节中，阐述电子测量的基本技术。第1章测量的基本原理电子科学与技术专业微电子方向2020/2/2241.1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电子科学与技术专业微电子方向2020/2/2251.1.1测量的意义（续）生产发展离不开测量农业社会中，需要丈量土地、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。电子科学与技术专业微电子方向2020/2/2261.1.2测量的定义1.狭义测量的定义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电子科学与技术专业微电子方向2020/2/2271.1.2测量的基本概念（续）测量的内涵:①测量对象：被测客体中的相应的量值信息；测量目的：从被测对象取得一个定量的认识；②测量过程:通过实验去认识对象的过程③测量方法：比较A.直接比较B.间接比较；C.需要测量仪器；④测量标准：同类已知单位。⑤测量结果：最终能表示给测量主体（人）电子科学与技术专业微电子方向2020/2/2281.1.2测量的定义（续）图1－1测量的比较原理(a)天平直接比较（b）弹簧称间接比较被测物体的重量等于标准砝码的重量被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。电子科学与技术专业微电子方向2020/2/2291.1.2测量的定义（续）2.广义测量的定义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。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，包括信息感知和信息识别两个环节。电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22101.1.2测量的定义（续）信息感知的原理：通过感知系统与产生信息事物之间的相互作用，把源事物信息转化为某种物理量形式表现的信号。有用信息的识别原理：与标准器件进行比较，判断出信息的属性和数量。电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22111.1.3测量的组成1.测量的基本要素被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境测量仪器系统被测对象测量人员测量的基本原理图信息显示电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22121.1.3测量的基本要素（续）对象属性影响影响影响测量策略、算法数据状态参数命令被测信息原理方法被测对象仪器系统测量人员测量环境激励信号选择仪器决定方法测量的基本要素电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22131.1.3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）根据测试任务要求、被测对象特点、属性，及现有仪器设备状况，拟定合理的测试方案。•设计阶段：选择测试仪器，组建测试系统。制定出测试策略（测量算法）和操作步骤（测试程序）•实施阶段：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;分析测量误差并显示测量出结果。电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22141.1.3测量的基本要素（续）执行测量操作测试数据处理测量结果显示结束设置仪器工作参数实施阶段被测对象设计阶段测量任务要求组建测量系统需求分析拟定测量方案现有仪器设备选用测量仪器（测试硬件平台）决定测量技术（测试软件平台）完成仪器互连拟定测量步骤开始论证阶段电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22151.1.3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，信息反映了事物的运动状态及其变化方式。信息又可分为自然信息和社会信息两大类。信息的特征：1.信息是对事物运动状态和运动方式的描述，来源于物质运动，不等同于物质。2.信息与能量相关，获得信息需要能量，控制能量需要信息。3.信息可以被感知。4.信息可以转换。5.信息可以存储。6.信息可以传输。7.信息可以被复制。电子科学与技术专业微电子方向2020/2/2216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（计算机等）完成，但测量策略、软件算法、程序编写需由测量人员事先设计好。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。1.1.3测量的基本要素（续）电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22171.1.3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。电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22181.1.3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。原则上测量应在被测对象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。电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22191.1.3测量的基本要素（续）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。电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22201.1.3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、机载等仪器电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22211.1.4测试与检测测试测试是测量和试验的总称，包括定量的测量和定性的试验。实验是察看被测物某些性能而从事的某种实践活动。检测检测包括检验和测量，检验属于分级测量，检查被测参量值是否处于在某一范围内。含有检查、检验、监督等广泛的电量和非电量测量。电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22221．2计量的基本概念1.2.1计量的定义和意义为使在不同地方、用不同的手段测量同一被测量时，所得结果一致，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。电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22231.2.1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。电子科学与技术专业微电子方向2020/2/22241.2.2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。英呎——feet电子科学与技术专业微电子方向2020/2/2225计量单位秦始皇（前259年～前210年）的历史功绩：“度”是指长度的计量，所用的工具是尺；“量”是指容量的计量，常见的工具有“斗”、“升”等；“衡”是指质量的计量，常见的工具是天平和秤。1丈＝10尺＝100寸。秦尺～23厘米。计量：实现单位统一、量值准确可靠的活动统一度量衡（前221年～前216年）书同文、车同轨，统一币制电子科学与技术专业微电子方向2020/2/2226计量单位权势人物英寸inch（in＝2.54cm）（荷兰语中inch为大拇指）10世纪：英王埃德加大拇指的第一个指节的长度。14世纪：爱德华二世：三个大麦粒的总长度。英尺foot（ft＝12inch＝0.3048m）9世纪：英国查理曼大帝的脚板的长度。16世纪：德国：16个人的左脚板的平均长度。码yard（yd＝3ft＝91.44cm）12世纪：英国亨利一世的鼻尖到前伸手臂时中指尖的距离。丈＝古代成年男子的身高，大丈夫。尺＝……古典阶段：身体电子科学与技术专业微电子方向2020/2/2227计量单位器具与现象－计量学的开始米metre：1875年5月20日“国际米制公约”•1790年：巴黎会议约定：通过巴黎的子午线的四千万分之一。（米原器）•1889年：0℃时巴黎国际计量局的截面为X形的铂铱合金尺两端刻线记号间的距离。•1960年：86Kr在真空中发射出的橙黄色光波长的1650763.