现代电子测量技术

课首课首现代电子测量课首课首课程目的1、通过本课程的学习，使学生掌握电子测量中的基本理论、测量技术2、掌握常用电子仪器与智能仪器的原理与应用3、合理选用测量仪器，正确处理测量数据，开发智能仪器，进行自动测试等，为后续课题研究准备理论基础课首课首课时安排总课时：40学时课堂教学22学时实验16学时考试2学时课首课首选用教材现代电子测量中国铁道出版社王紫婷2008电子测量与仪器电子工业出版社陈尚松2005课首课首测试技术基础电子测量仪器概述测量误差与测量数据处理第一章绪论课首课首主要内容1.1.1、测量与测量的定义1.1.2、电子测量的内容1.1.3、电子测量的特点1.1.4、电子测量的方法1.1测量技术基础课首课首1.1.1测量及电子测量定义测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。测量是通过实验的方法对客观事物取得定量信息即数量概念的过程。1、测量的定义：课首课首电子测量的定义测量技术是一门重要的科学技术在信息时代,测量技术(获取信息)、通信技术（传递信息）和计算机技术（处理信息）称为信息社会的三大支柱课首课首电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。它是测量学和电子学相互结合的产物。电子测量除具体运用电子科学的原理、方法和设备对各种电量、电信号及电路元器件的特征和参数进行测量外，还可以通过各种敏感器件和传感装置对非电量进行测量。电子测量不仅用于电学各专业，也广泛用于物理学、化学、光学、机械学、材料学、生物学、医学等科学领域及生产、国防、交通、通讯、商业贸易、生态环境保护及日常生活的各个方面。1.1.2电子测量内容：课首课首1、电能量测量包括各种频率、各种波形下的电压、电流、功率等的测量。2、电信号特性测量包括波形、频率、周期、相位、失真度、调幅度、调频指数及数字通信的逻辑状态等的测量。3、电路元件参数测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因素及电子器件的参数等的测量。4、电子设备的性能测量包括增益、衰减、灵敏度、频率特性、噪声指数等的测量。1.1.2电子测量的内容课首课首1、测量频率范围极宽频率计其测量范围可为：10-6~1011Hz2、测量量程宽电子计数式频率计，其量程达1×1017。3、测量方便灵活易实现分频、倍频、V/T、V/F、A/D1.1.3电子测量的特点课首课首4、测量速度快5、可进行遥控易实现信号的传输和处理，如遥控遥测和长期不间断的测量6、易于实现测试智能和测试自动化如：个人仪器例如：导弹的发射过程7、影响因素众多，误差处理复杂课首课首主要内容1.4.1按测量手段分类1.4.2按测量方式分类1.4.3按被测量物理量时间特性分类1.4.4测量方法的选择原则1.1.4电子测量的方法课首课首1、直接测量：是指直接从测量仪表的读数获取被测量量值的方法。2、间接测量：是利用直接测量的量与被测量之间的函数关系（可以是公式、曲线或表格等），间接得到被测量量值的测量方法。如：用欧姆表测量电阻阻值、用计数式频率计测量频率等如：需要测量电阻R上消耗的直流功耗P，可通过直接测量电压U、电流I，然后根据函数关系P=UI，经过计算，间接获得功耗P。1.4.1按测量手段分类课首课首3、组合测量：当某个测量结果需用多个未知参数表达时，可通过改变测量条件进行多次测量，根据测量量与未知参数间的函数关系列出方程组求解，进而得到未知量。例1.2：一个典型的例子是电阻器电阻温度系数的测量。已知测量电阻器阻值Rt与温度t间满足：Rt=R20+α(t+20)+β(t-20)2式中R20为t=20℃时的电阻值，一般为已知量。α、β称为电阻的温度系数，t为环境温度。课首课首为了α、β获得值，可以在两个不同的温度t1、t2(t1、t2可由温度计直接测得)下测得两个相应的电阻值Rt1、Rt2，代入公式得到联立方程求解联立方程即可得到α、β值。Rt1=R20+α(t1+20)+β(t1-20)2Rt2=R20+α(t2+20)+β(t2-20)2课首课首1、直读法：在测量过程中，用仪器表指针的位移（偏差）来表示被测量的大小。如用万用表测量电压、电流等。2、比较法：测量时用被测量与标准量相比较，用指零仪表指示被测量与标准量相等（平衡），从而获得被测量。利用惠斯登电桥测量电阻（或电容、电感）是这种方法的一个典型例子。1.4.2按测量方式分类课首课首例1.3：惠斯登电桥测量电阻示意图当电桥平衡时，可以得到：Rx=R1/R2.R4通常是先大致调整比率R1/R2，再调整标准电阻R4，直至电桥平衡，充当零示器的检流计PA指示为零，此即可根据公式由比率和的值得到被测电阻的值。PARXR4R2R1课首课首3、微差式测量法：它通过测量待测量与标准量之差（通常该差值很小）来得到待测量量值。待测量x标准测量sP课首课首1.2电子测量仪器概述1.2.1电子测量仪器的功能1.2.2电子测量仪器的分类1.2.3电子仪器的测量指标现代电子测量技术向着自动化、智能化、网络化和标准化方向发展课首课首被测对象变送器变换与传输装置微处理器非电量电信号电信号输出装置1.2.1电子测量仪器的功能转换功能信号处理与传输显示功能课首课首变送器：关键部件是传感器，位移、速度、压力、光电耦合温度、噪声等非电量转换成电量的装置。例如，热电偶传感器。变换与传输装置：在简单的测试系统中可以省略；在大多数测试系统中主要是信号的变换，如放大、调制解调、滤波、模/数传输---无线、有线传输存在失真，干扰等课首课首输出装置：常见的有各种指示仪表，记录仪，打印、显示器等。在我们的这门课里，主要是讨论电量的测量。微处理器：将信号进行数据处理、完成自动测量、自动记录、自动分析处理、使电子仪器成为“智能”仪器课首课首列车自动测速测距系统测速感应器模拟信号信号调理例1.1：课首课首nNxtS则有：车速：距离：信号调理单片机计算机扩展口数字频率计显示车轮每周有N个磁块车轮周长X米n为一秒钟内接收的脉冲个数课首课首1.2.2电子测量仪器的分类1、模拟仪器（用指针显示结果）2、数字化仪表（用数字显示结果）3、智能仪器（含微处理器和通用标准接口总线的仪器）4、虚拟仪器（指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块）以软件代替硬件，以图形代替代码，以组态代替编程，以虚拟仪器代替真实仪器，组建了自动测试系统（能自动进行测试，数据处理，传输，并以适当方式显示获输出结果的系统）课首课首1、时域测量：主要获取待测量与时间之间的关系。如用示波器观察正弦信号、脉冲信号的上升沿，下降沿、等参数及动态电路和暂态过程等。2、频域测量：主要获取待测量与频率之间的关系。如用频谱分析仪分析信号的频谱、测量放大器的幅频特性等3、数据域测量：主要是用逻辑分析仪等设备对数字量或电路的逻辑状态进行测量。4、调制域测量：主要获取待测量与相位之间的关系。如用调制域测调频、调相的线性与失真。按被测量的特性分类课首课首1、时域测试2、频域测试3、数据域测试示波器频谱仪逻辑分析仪10.0-10.0-5.00.05.00.100.000.020.040.060.08AcquiredWaveform0.0-100.0-75.0-50.0-25.010000200400600800PowerSpectrum10.0-10.0-5.00.05.00.100.000.020.040.060.08AcquiredWaveform课首课首1.2.3电子仪器的主要技术指标1、精度仪器的测量值与被测量真值一致的程度，最重要的指标。（后面介绍）2、稳定度外界条件（环温、湿度、气压）不变时，被测量示值变化的情况。如温漂等有一定指标要求3、灵敏度灵敏度表示测量仪表对被测量变化的敏感程度,是区分最小信号的能力。分辨率值越小，其灵敏度越高。课首课首•测量仪表的接入改变了被测电路的阻抗特性，为减小测量仪表对被测电路的影响，Ri越大越好。•如DA-16的Ri=1.5M•示波器的Ri=1M•注意阻抗匹配4、线性度线性度是表示仪表的输出量随输入量表化的规律。由于各类仪表的原理各异，可呈现不同的刻度特性。5、动态特性输出响应输入的能力6、输入阻抗课首课首在选择测量时，要综合考虑下列主要因素：1、被测量本身的特性；2、所要求的测量准确度；3、测量环境；4、现有测量设备等。在此基础上，选择合适的测量仪器和正确的测量方法。例1.4：直接用万用表R×1电阻档测量晶体管发射极极电阻，由于限流电阻过小而使基极注入电流很大，很容易将晶体管损坏。例1.5：测量输入阻抗充分考虑所选仪器内阻对被测量的影响1.2.4测量方法的选择原则课首课首主要内容1.3.1、测量误差概念1.3.2、误差的分类1.3.3、测量仪器的主要性能指标1.3.4、测量数据有效数字的处理1.3测量误差与有效数字处理课首课首测量误差是测量结果与被测量真值的差别。被测量所具有的真实大小，在一定条件下，是客观存在的确定数值。测量误差产生的原因：人类对客观规律认识的局限性；测量器具不准确；测量手段不完善；测量条件发生变化；测量人员疏忽或错误等。控制测量误差的意义：是衡量测量技术水平，以至于科学技术水平的重要标志之一。当测量误差超过一定限度，使测量结果无意义，甚至有危害。1.3.1测量误差的概念课首课首1、通过仪器仪表测得的值，用x来表示。例如电压表测得的值。2、近似值，例的值。3、标称值，例如电阻的标称值。1、理论上给出的值，例如三角形内角和为1800。2、计量学上规定的值，例如秒的数值，它具有法律性，作为时间的基准。3、用高一等级的计量标准所测得的量值。用x0来表示。4、修正后的值修正值介绍测量值：介绍真值：C=x0-x课首课首关于修正值：对于较好的仪器，常以表格、曲线或公式的方式随仪器带给用户。例如：下图为某电流表的修正值曲线当电流表示值为10mA时，从曲线可知C=+0.04mA因此，真值为10.04mAIC10mA+0.04课首课首绝对误差相对真误差分贝误差引用误差相对误差测量误差测量值：x真值：x01、测量误差根据表示方法，可分为：1.3.2测量误差的分类△x=x-x0课首课首1）示值相对误差即为通常所说的相对误差，是绝对误差与实际测的值的比值%100/0xxx课首课首2）引用误差（满度误差）：用于连续刻度的仪表中，表示整个量程内仪表的准确程度。%%100/sxxmm课首课首常用电工仪表根据引用相对误差的不同分为七级：0.55.25.10.15.02.01.0、、、、、、分别表示引用相对误差所不超过的百分比。仪表等级与测量的相对误差的关系，有重要公式如下：00/%/xsxxxxm常用电工仪表根据引用相对误差的不同分为七级：常用电工仪表根据引用相对误差的不同分为七级：从上式可得到如下结论：1、xm，x0，2、不用过分强调s小。课首课首系统误差随机误差定义：在多次等精度测量同一量时，误差的绝对值和符号保持不变，或当条件改变时按某种规律变化的误差，简称系差。定义：对同一量值进行多次等精度测量时，其绝对值和符号均以不可预定的方式无规则变化的误差。定义：在一定的测量条件下，测得值明显地偏离实际值所形成的误差。2、根据测量误差的性质和特点，分为粗大误差课首课首关于系统误差：（1）、产生系统误差的主要原因：测量仪器设计原理及制作上的缺陷采用近似的测量方法或近似的计算公式等测量环境条件与仪器使用要求不一致等测量人员读数习惯等造成的误差例如温度、湿度电磁场变化例如仪表刻度的读取课首课首（2）、种类：恒值系差变值系差周期性累进性复杂性课首课首（3）消除的方法•特定的测量应当选择适当的仪器；•确定仪器误差的大小后应用修正系数；•用一个标准仪器对仪器进行校准。课首课首关于随机误差（1）、产生的原因噪声、零部件配合的不稳定、摩擦、抵触不良等。温度及电源电压的无规则波动，电磁干扰，地基振动等。测量人员感觉器官的无规则变化而造成的读数不稳定等。课首课首（2）随机误差的特点以某电阻测量为例：按大小排列的精度测量结果课首课首图1.5区间宽度为0.01的频率直方图1）、按正态分布2）、特点：对称性，有界性，抵偿性，单