第一章电子测量概述

1电子测量技术总学时数40周学时4马建仓编主要参考书杨吉祥《电子测量技术基础》东南大学出版社王永生《电子测量学》西北工业大学出版社2第二章测量误差和测量结果处理第三章信号发生器第四章电子示波器第五章时间、频率、相位测量第六章电压测量第七章阻抗测量第八章数据域测量第一章绪论3第一章§1-1测量§1-2电子测量的内容和特点§1-3电子测量的一般方法§1-4电子测量仪器概述§1-5电子测量仪器及测试系统的发展§1-6计量的基本概念§1-7本课程的任务绪论4§1-1测量1-1.1测量测量就是利用试验手段，借助各种测量仪器量具，获得未知量量值的过程。测量是人类认识和改造世界的一种不可缺少和替代的手段。事物定量定性定律定理观察比较归纳总结验证定律定理测量新的定律定理测量第一章绪论5首先，没有测量，也就没有了人际交往的“量值”语言。其次，就人类的生产活动而言，也可看出测量的重要作用。第三，任何科学试验，其具体工作都是大量的测量过程。第一章绪论6科学的进步，生产的发展，与测量理论、技术、手段的发展和进步是相互依赖相互促进的。提高测量水平，降低测量成本，减少测量误差，提高测量效率。第一章绪论71-1.2电子测量电子测量泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。即：测量学＋电子学测量对象：1、电量、电信号、电子器件的特性和参数。2、非电量。通过各种敏感器件和传感装置。优点：方便、快捷、准确。应用范围：电学各专业，物理化学等科学领域，生产、国防、通讯乃至日常生活的各个方面。电子测量的水平，是衡量一个国家以高科技为特征的现代化文明程度的标志。第一章绪论81-1.2电子测量电子测量技术的发展：计算机技术＋微电子技术智能仪器或称自动测试系统：微型计算机＋电子测量仪器特点：自动测量、自动量程选择、数据记录和处理、数据传输、误差修正、自检自校、故障诊断及在线测试等功能，第一章绪论91-2电子测量的内容和特点1-2.1电子测量内容电磁测量指交直流电量的指示测量法和比较测量法以及磁量的测量等。电量测量是指以电子技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为手段，对电量和非电量进行的测量。本书只介绍电量测量。其中电量测量可分为以下几个方面：电参数测量电磁测量电子测量第一章绪论10①电信号能量测量：包括各种频率、波形下的电流、电压、电功率、电场强度、电磁干扰、噪声等的测量。②电信号特性测量：包括波形、频率（周期）、相位、失真度（保真度）、调制度、脉冲参数、信号频谱、调频系数以及数字信号逻辑状态等的测量。③电路元器件参数测量：包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数及电子器件参数等的测量。④电子设备的性能测量：包括电子设备增益、衰减、灵敏度、频率特性、噪声指数等的测量。⑤数字元件和微机系统的数据流测量：包括数字元件和微机系统的故障诊断和数据流的测量。第一章绪论11基本电参数的测量:频率、时间、电压、相位、阻抗是其它参数测量的基础。如放大器的增益测量；脉冲信号波形参数的测量；电流测量，由于时间和频率测量具有其它测量所不可比拟的精确性，尽可能的把各种待测量的测量转换成时间或频率的测量。第一章绪论12对非电量进行测量：通过传感技术（敏感元件）非电量如位移、速度、温度、压力、流量、物面高度、物质成份等变换成电信号，再利用电子测量设备进行测量。对危险的和人们无法进行直接测量的场合，这种方法几乎成为唯一的选择。在生产过程的自动控制系统中，将各有关非电量转换成电信号进行测量、分析、记录并据以对生产过程进行控制，是一种典型方法，如图1.1－1所示。第一章绪论13过程记录打印计算机电子测量仪器变送器传感器控制器电信号非电信号图1.1－1过程控制中的非电量测量生产设备传感器变送器计算机记录打印电子测量仪器控制器第一章绪论141－2.2电子测量的特点1.测量频率范围宽电子测量中所遇到测量对象，其频率覆盖范围极宽，低至10-6Hz以下，高至1012Hz以上。第一章绪论151－2.2电子测量的特点1.测量频率范围宽具体测量时要根据不同的工作频段，采用不同的测量原理和使用不同的测量仪器。第一章绪论161－2.2电子测量的特点1.测量频率范围宽例如：阻抗的测量在低频段多采用电流电压法。在微波段则采用开槽测量线或反射计技术。两者无论在原理上，还是在测量设备上都大不一样。目前，可在相当宽的频率范围内正常工作的仪器不断地被研制出来，例如，频率计的频率测量范围可以低至10-6Hz，高至1011Hz。第一章绪论171－2.2电子测量的特点2.仪器量程范围宽量程是测量范围的上下限值之差或上下限值之比。电子仪器所测电量的大小往往相差很大，因而仪器必须具有宽广的量程。第一章绪论181－2.2电子测量的特点2.仪器量程范围宽例如：电压测量仪器要能测出从纳伏(nV)至千伏级的电压，量程达12个数量级；电阻测量仪器要能测出从10-5至109以上的电阻；频率测量仪器要测出从10-5Hz至1011Hz以上的频率。第一章绪论191－2.2电子测量的特点2.仪器量程范围宽太空发来的信号功率，低到10－14W数量级，而远程雷达发射的脉冲功率，可高达108W以上，两者之比为1：1022。一般情况下，使用同一台仪器，同一种测量方法，是难以覆盖如此宽广的量程的。第一章绪论20频率和时间的测量准确度：10－13～10－14的量级长度测量的最高准确度为10－8量级直流电压准确度当前达到10－6量级音频电压为10－4量级射频电压仅为10－3量级品质因数Q值和电场强度的测量准确度只有10－1量级。3.测量准确度高低相差悬殊就整个电子测量所涉及的测量内容而言，测量结果的准确度是不一样的，有些参数的测量准确度可以很高，而有些参数的测量准确度却又相当低。第一章绪论213.测量准确度高低相差悬殊这种现象的主要原因在于电磁现象本身的性质，使得测量结果极易受到外部环境的影响，尤其在较高频率段，待测装置和测量装置之间，装置内部各元器件之间的电磁耦合，外界干扰及测量电路中的损耗等对测量结果的影响，往往不能忽略却又无法精确估计。第一章绪论22对电子测量仪器，除规定了必须满足的工作条件外，还规定了比工作条件更为严格的基准条件。如下表所示。3.测量准确度高低相差悬殊第一章绪论23表1.1－1电子测量设备的基准条件影响量基准数值或范围容许公差环境温度20℃±2℃相对湿度45％～75％大气压强86.66～106.67kpa交流供电电压220V±2％交流供电频率50Hz±1％交流供电波形正弦波失真度β＝0.05交流供电电压的波纹无0.1％直流供电电压额定值1％直流供电电压波纹无0.1％外电磁场干扰避免通风良好阳光照射避免直接照射工作位置按制造厂家规定第一章绪论24控制措施：减小外部环境的影响，电磁屏蔽和接地系统内部：减小寄生电容、电感的影响，在高频和微波测量中，阻抗匹配。此外，电子测量中不同参数测量准确度相差悬殊的另一个原因是，虽然频率和时间的测量准确度可以达到很高，但是，电子测量中大多数待测量的计量单位都是导出单位，而导出单位的准确度不可能高于它所赖以导出的原始单位的准确度。3.测量准确度高低相差悬殊第一章绪论25例如：功率的单位是瓦（W），定义为1秒（s）内产生1焦耳（J）能量的功率；1焦耳定义为1牛顿（N）的力在力的方向上位移1米（m）所做的功；而1牛顿定义为使质量为1千克（kg）的物体产生加速度为1米每2次方秒的力。可见瓦（W）这个导出单位的准确度，就倚赖于长度米（m），质量千克（kg），时间秒（s）等的准确度。除时间外，长度米，质量千克的计量准确度都低的多，因此功率瓦的计量准确度自然就低。3.测量准确度高低相差悬殊第一章绪论264.测量速度快电子测量基于电子运动和电磁波的传播。高速电子计算机的应用，使得电子测量无论在测量速度还是测量结果的处理和传输，都可以以极高的速度进行。这也是电子测量技术广泛用于现代科技各个领域的重要原因。例如，在洲际导弹的发射过程中要快速测出它的运动参数，通过计算机运算，向它发出控制信号，修改其运动轨迹，使之达到预定的目标。第一章绪论27可以将现场待测量转换成易于传输的电信号，并传送到控制中心，从而实现遥测和遥控。这使得对那些远距离的、高速运动的、人们难以接近地方（如人造卫星、深海、地下核反应堆、人体内部等）的信号测量成为可能。5.可以进行遥测第一章绪论28电子测量结果的显示方法也比较清晰直观。例如发光二极管的直接数字显示给读数带来方便，荧光屏示波显示形象而直观地给出被测量的特征。测量结果也可以直接打印、绘图或自动启动指示灯及警铃显示。6.显示方式清晰直观第一章绪论29电子仪器中采用性能越来越高的微处理器、DSP（数字信号处理）芯片，对测量结果进行各种数据处理，使测量误差减小，测量精确度进一步提高。电子测试技术与计算机技术的紧密结合与相互促进，为测量领域带来了极为美好的前景。7.宜于实现测试智能化和测试自动化第一章绪论30随着微电子器件集成度的不断提高，可编程器件及ASIC电路的采用，电子仪器正向着小型化发展。特别是随着模块式仪器系统的采用，把多个仪器模块连同计算机装入一个机箱内组成自动测试系统，使之更为紧凑。这对某些场合，如军事、航空等领域的使用是有重要意义的。8.易于实现仪器小型化第一章绪论31任何测量都会有误差如何准确地确定误差或误差范围的大小？造成测量误差的原因：影响量和影响特性1、外部环境影响。能对测量结果产生影响的量，称为影响量，如环境温度、湿度、电源电压，外界电磁干扰等。2、测量系统内部会对测量结果产生影响的工作特性，称为影响特性。电子测量中的影响量和影响特性众多而又复杂，其规律难以确定，这就给测量结果的误差分析和处理带来困难。9．影响因素众多，误差处理复杂第一章绪论321-3电子测量的一般方法一个物理量的测量，可以通过不同的方法实现。测量方法的选择正确与否，直接关系到测量结果的可信赖程度，也关系到测量工作的经济性和可行性。不当或错误的测量方法，除了得不到正确的测量结果外，甚至会损坏测量仪器和测量设备。因此，为得到准确的测量结果，必须根据不同的测量对象、测量要求和测量条件，选择正确的测量方法，选择合适的测量仪器构成实际测量系统，进行正确细心的操作，才能得到理想的测量结果。第一章绪论331-3.1按测量手段分类1.直接测量：指直接从测量仪表的读数获取被测量量值的方法。其特点是不需要对被测量与其它实测的量值进行函数关系的辅助运算，因此测量过程简单迅速，是工程测量中广泛应用的测量方法。如用电压表测量电压，用直流电桥测量电阻等均属于直接测量。第一章绪论342.间接测量：它是利用直接测量量与被测量之间的函数关系（包括公式、曲线或表格），间接得到被测量量值的方法。例如,测量电阻R上消耗的直流功率P，可以通过直接测量电压U、电流I，而后根据函数关系P＝UI，经过计算，“间接”获得功率P。间接测量费时费事，常在直接测量不方便，或间接测量的结果较直接测量更为准确，或缺少直接测量仪器等情况下使用。1-3.1按测量手段分类第一章绪论351-3.1按测量手段分类3.组合测量：当某测量参数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并求解，进而得到未知量，这种测量方法称为组合测量。例如电阻温度系数是在测得不同温度时的电阻值后，代入公式通过计算求得。第一章绪论361.偏差式测量法：用仪器仪表指针的位移（偏差）表示被测量大小的测量方法称为偏差式测量方法。例如使用指针式万用表测量电压、电流等。用这种方法测量时，作为计量标准的实物并不装在仪表内直接参与测量，而是事先用标准量具对仪表读数、刻度进行校准，测量时根据指针偏转大小确定被测量量值。这种方法的显著优点是简单方便，在工程测量中被广泛采用。1－3.2按测量方式分类第一章绪论372.零示(位）式测量法：零示式测量法又称平衡式测量法。测量时用被测量与标准量相比较（因此也把这种方法叫作比较测量法），用指零仪表（零示器）指示被测量与标准量相等（平衡），从而获得被测量。第一章绪论382.零示(位）式测量法：零示法原理如图1-3.1所示，图中x为被测量，s为