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电子测量原理第1页电子测量技术林占江主编班级：06物41主讲：王立巍电话：15252002611网址：wanglw@xznu.edu.cn电子测量原理第2页课程简介第一部分测量的基本原理第二部分测量误差及数据处理第三部分模拟测量方法第四部分数字测量方法第五部分时域测量第六部分频域测量第七部分逻辑分析仪第八部分自动测试系统电子测量技术电子测量原理第3页本章阐述测量学科的内涵。介绍测量、计量的基本概念，即它们的意义、内容、特点及应用。第1章电子测量绪论电子测量技术电子测量原理第4页1.1测量与计量的基本概念一、测量的重要性日常生活中离不开测量时间,重量,温度等的测量。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第1章电子测量绪论电子测量原理第5页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2万个测量点创新建设、高新技术、现代防务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。一、测量的意义电子测量原理第6页风洞试验电子测量原理第7页二、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}{xxx1.1测量与计量的基本概念电子测量原理第8页测量结果量值：有数值的大小和单位。被测量：待测或已测量。影响量：对被测量值产生影响的量。如：温度、电压波动等。真值：是理想状态下的测量值。现实中不存在，但是可以逼近。约定真值：它是数学期望。与真值的差值可以不计。准值：标准值。它可以作为低一级别仪器的基准。示值：从测量器具上指示的数值。额定值：在额定的工作条件下指定的量值。实际值：逼近真值的量值。要考虑仪器的精度级别。二、测量的定义电子测量原理第9页1.2电子测量的内容与特点电子测量的意义20世纪30年代，便开始了测量科学与电子科学的结合，产生了电子测量技术。处理信息最有效、最成功的是电子科学技术①具有极快的速度②具有极精细的分辨能力，很宽的作用范围。③极有利于信息传递④巨大的信息处理能力第1章电子测量绪论电子测量原理第10页F—22电子测量原理第11页1、电子测量的内容从广义上说，电子测量是泛指以电子科学技术为手段而进行的测量，即以电子科技理论为依据，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。从狭义上讲，电子测量则是利用电子技术对电子学中有关的电量所进行的测量。1.2电子测量的内容与特点电子测量原理第12页①电能量的测量包括各种频率及波形下的电压、电流、功率、电场强度等的测量。②电路参数的测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等的测量。③电信号特征的测量包括信号的频率、周期、时间、相位、调幅度、调频指数、失真度、噪音以及数字信号的逻辑状态等的测量。④电子设备性能的测量包括放大倍数、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声系数的测量。⑤特性曲线的测量包括幅频特性曲线、晶体管特性曲线等的测量和显示。1、电子测量的内容电子测量原理第13页2、电子测量的特点（1）测量频率范围宽。被测信号的频率范围除测量直流外，测量交流信号的频率范围低至10-6Hz以下，高至1012Hz。（2）量程范围宽。如数字万用表对电压测量由纳伏（nV）级至千伏（kV）级电压，量程达12个数量级（3）测量准确度高。例如，用电子测量方法对频率和时间进行测量时，由于采用原子频标和原子秒作为基准，可以使测量准确度达到10-13~10-14的数量级。（4）测量速度快。因为电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作。（5）易于实现遥测（6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化1.2电子测量的内容与特点电子测量原理第14页1.3电子测量仪器的分类一般分通用仪器和专用仪器两大类通用仪器包括（1）信号发生仪器：产生各种工作波形。（2）信号分析仪器：分析信号时域、频域特性。如：示波器、扫频仪、频谱仪等。（3）测量仪器：测量电参数的仪器。如：频率计、相位计、RCL测试仪、阻抗测试仪等。（4）电波测试仪：测量电波传输特性的仪器。如：场强仪、发射接收机等。（5）辅助仪器：它是一种主机的附件。如：放大器、衰减器、检波器、滤波器等。第1章电子测量绪论电子测量原理第15页1.4电子测量方法（1）直接测量——用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值。（2）间接测量——对与未知待测量y有确切函数关系的其他变量x（或n个变量）进行直接测量，然后再通过函数，计算出待测量y。（3）组合测量12()(,,,)nyfxyfxxx或第1章电子测量绪论电子测量原理第16页2、测量仪器的发展电子管晶体管集成电路（超）大规模集成电路模拟化数字化智能化一体化模块化3、选择测量方法的原则（1）熟悉被测量的物理特性。（2）根据实际情况选择满足精度要求的测量仪器。对测量仪器的性能应该有所了解。（3）测量方法（方案）应该是切实可行的。（4）应该具有一定的数据处理能力。1.4电子测量方法电子测量原理第17页1.5计量的基本概念计量的定义和意义：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。计量是一种特殊形式的测量。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》。计量是准确可靠的测量。利用技术和法制手段实现单位统一和量值具有统一性、准确性和法制性。这是计量的三个主要特征。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、测量方法及手段的研究。第1章电子测量绪论电子测量原理第18页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。为了测量结果的准确性，必须定期对仪器进行检定和校准，该过程就是计量。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。1.5计量的基本概念电子测量原理第19页1、计量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。1.5计量的基本概念电子测量原理第20页国家1千克质量基准1、计量基准电子测量原理第21页18世纪末，法国规定通过巴黎的子午线的1/（4X107)为1m（米）．到19世纪末，一些国家在巴黎开会，公认米为通用的长度单位．按上面标准制成的铂铱合金米原器保存在巴黎国际度量衡局，它的强度高，温度和化学的稳定性好，精确度高。后来，随着测量精度的提高，发现通过巴黎子午线自北极至赤道的距离不是准确地等于（1107)m，于是便径直以米原器为标准，规定0.00℃时米原器端部细线间的距离为1m．然而，这样就违背了原来以自然常数作为米标准的意图，用实物基准代替了自然常数．然而自然界中很多物体的物理性质都会发生变化，以子午线为基础定义的米标准即为一例．长度的计量的演变1、计量基准电子测量原理第22页1、计量基准电子测量原理第23页长度的计量的演变与此相比，原子的某些性质却可以合理地假定它不随时间变化，于是便试图用自然界中的原子基准重新定义米单位，1960年第11届国际计量大会正式定义：米等于氪－86原子的两个能级之间跃迁所对应的辐射（橙红色）在真空中的1650763.73个波长的长度．以此标准计量1m的长度，复现的相对误差有可能达到10-8。1983年17届国际计量大会考虑到已有长度计量标准已不能满足要求，重新规定米的新定义：光在真空中传播（1/299792458）s时间间隔内所经路径的长度，所以这样规定有其客观条件．首先，由于激光技术的发展，激光的频率和波长已非常稳定且比氪－86灯的波长更容易重现。此外，激光频率与波长的测量技术发展足以达到新米定义要求的精度。1、计量基准电子测量原理第24页时间概念：田径运动员有几分之一秒之差就决定胜负；汽车、飞机发动机的转速测量需要精确到0.01秒；炮弹发射是在千分之一秒内发生的；雷达技术需要百万分之一秒的时间精度；导弹或使用全球定位系统的飞行器计时精度需要达到十亿分之一秒；对核潜艇进行无线电导航，时间精度要达到百万分之一秒；科学家研究原子构造、宇宙射线等往往需要准确测量亿分之一秒时间内的变化；要准确测量光速需要百亿分之一秒的准确度。1、计量基准电子测量原理第25页时间计量的演变：我国古代用“刻漏”计时．在一容器中保持恒定水位，由通道向另一容器注水使液面升高，液体使浮子升起指示时间．沈括（北宋，1031—1095）设法减小温度影响及粘性造成的误差，使计时达到较高精度。机械钟的出现大大提高了时钟的精确度。1350年，第一座机械闹钟出现于德国，到16世纪初，意大利教堂中就响起了机械钟声。1583年，伽利略发现单摆的摆动周期与振幅无关，这是时钟历史上的一大进步。1、计量基准电子测量原理第26页在前人的研究基础上，1656年，荷兰天文学家、数学家惠更斯提出了单摆原理并制作了第一座自摆钟，从此，时钟误差可以以秒来计算。在1762年，最好的机械表已经能够达到每3天才差1秒钟的精确程度，这样的时钟，即使放在如今的日常生活中，也足够用了。但在天文、物理等科学领域中，人们对时间精确度的要求，却并不以此为止境。时间计量的演变1928年，贝尔电话实验室的研究人员沃伦·马里森利用石英晶体在电路中能够产生频率稳定震动的特性，制造出了第一座石英钟。翌年，第一批石英钟就作为商品面世了。它的每日误差只有万分之一秒，比1920年制造的世界上最精确的机械钟的误差小10倍。自此，石英钟取代机械钟，成为天文台向世界各地的人们提供标准时间的天文钟。1、计量基准电子测量原理第27页哥伦比亚大学的物理学教授、1944年诺贝尔物理学奖获得者伊西多·伊萨克·拉比(IsidorIssacRabi)堪称原子钟之父。在1945年，他就提出，可以运用其在30年代发明的原子束磁共振技术来制造原子钟。使用了拉比的技术，NIST(当时的名称是美国国家标准局，NationalBureauofStandards，简称NBS)在1949年使用氨分子作为磁振源制成了世界上首台原子钟。几千几万年才相差1秒。1952年，NIST制成了第一台铯原子钟，它被命名为NBS-1。这一命名规则被延续下来，一直到1975年的NBS-6(它的下一代名为NIST-7，再下一代则为NIST-F1)。在那个时候，NBS-6的精确程度已经可以达到在30万年的时间中，既不会快1秒，也不会慢1秒了。时间计量的演变1、计量基准电子测量原理第28页时间计量的演变1、计量基准电子测量原理第29页2、计量基准的条件（1）基本原理正确（2）具有良好的重复性，复现的量值有最高精度.（3）具有长期的稳定性。（4）复现的量值可以通过一定方法传递到下级。1.5计量的基本概念图1－1测量的比较原理(a)天平直接比较（b）弹簧称间接比较电子测量原理第30页3