《电子测量的基础知识》

电子测量技术前言关于课程Page2前言《电子测量技术》是“电气自动化”专业的一门理论与实践相结合的重要专业课程。本课程覆盖了电子电气测量的基本理论、基本方法和基本测量仪器。Page3前言1、测量误差的表示、分析和处理；2、信号发生器和电子示波器的结构、原理及使用方法；3、电压、电功率、电能、频率时间的测量；4、电路元器件参数的测量；5、频域、数据域测量技术；6、常用传感器技术。Page4前言本课程共6章，共64个学时，其中56学时的理论课，8个课时的实验课。Page5前言1、模拟万用表和数字万用表的使用；2、信号发生器的使用和常用参数测量；3、电子示波器的使用和常用参数测量；4、数字频率计数器的使用。Page6前言本课程的考核方式为：闭卷考试。课程总评成绩由期末考试成绩和平时成绩综合评定。期末考试成绩占70％；平时成绩包括实验报告、考勤情况、课堂提问、课后习题等占30％。电子测量技术第一章电子测量的基础知识Page8第一章数字逻辑基础学习电子测量的基本概念和测量方法的分类，测量误差的分析处理和表示方法。电子测量内容和方法分类，测量误差的表示方法，有效数字处理，误差的合成。随机误差的分析和处理，正态分布的理论分析，方差和标准误差。第一章电子测量的基础知识1.1电子测量概述Page101.1电子测量概述测量是通过实验的方法对客观事物取得定量信息的过程。人们通过对客观事物大量的观察和测量，形成定性和定量的认识，经过归纳和总结，建立起各种定理和定律，而后又通过测量来验证这些认识、定理和定律是否符合实际情况。1.1.1测量的意义和概念测量是建立在实验基础上的。从本质上说，测量包含了两方面的含义：“测”，任何要测量的事物必须是人可感受到的，至少是可以转换成人可感受的事物；“量”，任何要测量的事物必须是可以量化的。Page111.1电子测量概述电子测量除了具体运用电磁学、电子学的原理、方法和设备对各种电量、电信号及电路元器件的特性和参数进行测量外，还可以通过各种敏感器件和传感装置对非电量进行测量，而且往往更加方便、快捷、准确。1.1.1测量的意义和概念电子测量是是以电子技术为基本手段的一种测量技术，它是测量学与电磁学、电子学相互结合的产物。Page121.1电子测量概述电子电气测量通常分为电磁测量和电子测量两大类。电磁测量主要是以电磁学理论为依椐，对交直流电参数以及磁参数的测量；电子测量是以电子技术为基本手段，对各种电量和非电量的测量，并研究相应的测量方法和仪器。具体内容可分为以下几个方面：1.1.2电子测量的内容（1）电能量测量电能量的测量包括对各种频率、波形下的电压、电流、功率、电能等的测量，对于交流电源，又分单相和三相交流电的上述各参数的测量。Page131.1电子测量概述（2）电信号特性测量电信号特性的测量可分为时域特性测量、频域特性测量和数据域测量，具体包括对波形特征、波形参数、频率、周期、相位差、失真度、调幅度、调频指数、频谱特性、群迟延、信号带宽以及数字信号的逻辑状态等的测量。1.1.2电子测量的内容（3）电路元件参数测量电路元件参数测量包括对电阻、电容、电感、阻抗、品质因数，以及晶体二极管、晶体三极管、场效应管、集成运算放大器、集成数字电路等各种器件参数的测量。Page141.1电子测量概述（4）电子设备性能的测量电子设备性能的测量包括对电压放大倍数、功率增益、输入阻抗、输出阻抗、衰减特性、灵敏度、频率响应特性、时间常数、动态工作范围、抗干扰性能、信噪比、温度特性、稳定性、测量误差、线性度等的测量。1.1.2电子测量的内容（5）对各种非电量测量在实践中，常需要对许多非电量进行测量，例如位移、速度、加速度、压力、应力、温度、湿度等，这些量要借助各种传感器先将它们转换为电信号，再利用电子测量的方法和设备进行测量。Page151.1电子测量概述（1）电能量测量；（2）电信号特性测量；（3）电路元件参数测量；（4）电子电气设备性能的测量；（5）对各种非电量测量。上述各项测量内容中，尤对于频率、时间、电压、相位差、阻抗等基本电参数的测量更为重要，它们往往是其他参数测量的基础。1.1.2电子测量的内容Page161.1电子测量概述（1）测量频率范围宽电子电气测量所遇到的测量对象，其频率覆盖范围极宽，低至10-6Hz以下，高至1012Hz以上。1.1.3电子测量的特点（2）测量的量程宽量程是测量范围的上、下限值之差或上、下限值之比。电子电气测量的另一个特点是被测对象的量值大小相差悬殊。例如：高档次的数字万用表，直接测量的电阻值为3×10-5～3×108Ω，量程比为1﹕1013Page171.1电子测量概述（3）测量准确度高低相差悬殊就整个电子电气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。1.1.3电子测量的特点例如：直流电压的准确度当前可达到10-6数量级，音频电压为10-4数量级，射频电压仅为10-3数量级Page181.1电子测量概述1.1.3电子测量的特点（4）测量速度快由于电子电气测量基于电子运动和电磁传播，加之现代测试系统中高速电子计算机的应用，使得测量无论在测量速度还是在测量结果的处理和传输上都可以极高的速度进行，这也是电子电气测量技术广泛应用于现代科技各个领域的重要原因。Page191.1电子测量概述1.1.3电子测量的特点（5）可以进行遥测电子电气测量可以通过各类传感器将现场各种待测量转换成易于传输的电信号，用有线或无线的方式传送到测试控制中心，实现遥测和遥控，从而可以实现对那些远距离的、高速运动的或人体不便接近的地方的信号进行测量。（6）易于实现测量智能化和自动化电子电气测量的测量结果和它所需要的控制信号都是电信号，有利于直接或通过A/D转换与计算机相连接，自动进行测量记录、数据运算和分析处理，从而实现测量的智能化和自动化Page201.1电子测量概述一个物理量可以通过不同的方法测量。测量方法选择正确与否直接关系到测量结果的可信度。1.1.4电子测量方法的分类必须根据不同的测量对象、要求和条件，选择正确的测量方法，才能得到理想的结果。测量方法的分类形式有多种，下面介绍两种常见的分类方法。1、按测量过程分类2、按被测量的性质分类Page211.1电子测量概述1.按测量过程分类（1）直接测量；直接测量是指直接从测量仪表的指示获取被测量数值的方法。1.1.4电子测量方法的分类（2）间接测量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），间接地得到被测量数值的测量方法。例如：需要测量电阻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”获得功耗P。例如：用电压表测量晶体管的静态工作电压，用欧姆表测量电阻阻值，用计数式频率计测量频率等。Page221.1电子测量概述（3）组合测量。当某项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测量，根据测量的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。1.1.4电子测量方法的分类例如：电阻温度系数的测量，已知某金属的电阻Rt与温度t之间有以下关系：为了获得R20、α值，可以在两个不同温度t1、t2下测得相应的两个电阻值Rt1、Rt2，分别代入（1-1）式，可得到联立方程组，)20(20ttRR)20(120t1tRR)20(220t2tRR求解联立方程组（1-2）可以得到R20、α值α阿尔法Page231.1电子测量概述2.按被测量的性质分类（1）时域测量时域测量也称做瞬态测量，主要测量被测量随时间的变换规律。典型的例子是用示波器观察脉冲信号的上升沿、下降沿、平顶降落等参数，以及动态电路的暂态过程等。1.1.4电子测量方法的分类（2）频域测量频域测量也称为稳态测量，主要目的是获取待测量与频率之间的关系，例如用频谱分析仪分析测量信号的频谱、用扫频仪测量放大器的频率响应特性等。Page241.1电子测量概述（3）数据域测量数据域测量也称为逻辑量测量，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。数据域测量可以同时观察多条数据通道上的逻辑状态，或显示某条数据线上的时序波形，还可以借助计算机分析大规模集成电路的逻辑功能等。1.1.4电子测量方法的分类Page251.1电子测量概述（4）随机测量随机测量又叫做统计测量，主要是对各类噪声信号进行动态测量和统计分析。这是一项较新的测量技术，尤其是在通信领域有着广泛应用。1.1.4电子测量方法的分类除了上述几种常见的分类方法外，还有其他一些分类方法。例如：按照对测量精度的要求，可以分为精密测量和工程测量；按照测量时测量者对测量过程的干预程度分为自动测量和非自动测量；按照被测量与测量结果获取地点的关系分为本地（原地）测量和远程测量（遥测），接触测量和非接触测量；按照被测量的属性分为电量测量和非电量测量等。Page261.1电子测量概述信号发生器，示波器，频率计，电压表，频谱分析仪，逻辑分析仪，网络分析仪等。1.1.5主要测量仪器第一章电子测量的基础知识1.2测量误差的来源和分类Page281.2测量误差的来源和分类（1）真值和实际值：一个物理量在一定条件下所呈现的客观大小或真实数值称作它的真值，用A0表示。要想得到真值，必须利用理想的测量仪器进行无误差的测量。为了在测量中有一个比较的标准，在实际工作中一般以高一级或高数级计量单位的标准仪器测得的数值作为“约定真值”（又称相对真值），这个约定真值通常能够满足实际应用中所规定的精确度要求，因此通常称为“实际值”，用A表示。1.2.1测量误差的概念Page291.2测量误差的来源和分类（2）示值：它是测量仪器指示的被测量的量值，也称为测量值，它包括被测量的数值和单位。示值与测量仪表的读数是有区别的，读数是测量仪器刻度盘上直接读出的数字。（3）测量误差：测量仪器的测得值与被测量真值之间的差异称为测量误差。测量误差的存在具有必然性和普遍性，人们只能根据需要和可能将其限制在一定范围内，而不可能完全加以消除。1.2.1测量误差的概念Page301.2测量误差的来源和分类1.2.2测量误差的来源为了减小测量误差，提高测量结果的准确度，必须明确测量误差的主要来源，以便估算测量误差，并采取相应措施减小测量误差。在实际测量中，通常有五种误差的来源。（1）仪器误差：仪器误差又称设备误差，它是由于制造、装配、检定等不完善以及仪器使用过程中元器件老化、机械部件磨损、疲劳等，使测量仪器本身带有的误差。减小仪器误差的主要途径是根据具体的测量任务，正确地选择测量方法和使用测量仪器。Page311.2测量误差的来源和分类1.2.2测量误差的来源（2）使用误差：使用误差又称操作误差，它是由于对测量设备操作不当而造成的误差。比如有的设备要求正式测量前进行预热而未预热；有的设备要求水平放置而倾斜或垂直放置；有的测量设备要求实际测量前必须进行校准而未校准。减小使用误差的最有效途径是提高测量操作技能，严格按照仪器使用说明书中规定的方法和步骤进行操作。Page321.2测量误差的来源和分类1.2.2测量误差的来源（3）人身误差：人身误差主要指由于测量者感官的分辨能力、视觉疲劳、固有习惯等对测量中的现象与结果判断不准确而造成的误差。例如，指针式仪表刻度的读取，谐振法测量电感L、电容C、品质因数Q时对谐振点的判断等。减小人身误差的主要途径有：提高测量者的操作技能和工作责任心，采用更合适的测量方法，用数字显示方式的读数。Page331.2测量误差的来源和分类1.2.2测量误差的来源（4）影响误差影响误差是各种环境变化所造成的误差。对电子电气测量而言，最主要的影响因素是环境温度、电源电压和电磁干扰等。当环境条件符合要求时，影响误差通常可以不予考虑。但在精密测量及计量中，需根据测量现场的温度、湿度、电源电压等影响数值求出各项影响误差，以便根据需要做进一步的数据处理。Page341.2测量误差的来源和分类1.2.2测量