电子测量技术基础-第二章.

西南科技大学电子测量电子测量技术基础第二章1西南科技大学电子测量上节回顾•测量的基本概念测量的意义、定义、基本要素•计量的基本概念计量的定义和意义、单位和单位制、基准和标准、测量基准的权威性和相对性、测量标准的传递•测量信息的获取原理信息的概念、信息的感知、信息的识别2西南科技大学电子测量主要内容•电子测量的内容电能量、电信号特性、电路元件参数和电子设备性能的测量•电子测量的特点测量频率范围宽、量程宽、准确度高低相差悬殊、测量速度快、可遥测、易于实现测试智能化、影响因素多、误差处理复杂•电子测量的一般方法按测量手续分类；按测量方式分类；按被测量的性质分类；测量方法•电子测量仪器概述电子测量仪器的功能；测量仪器的主要性能指标；测量仪器的分类3西南科技大学电子测量2.1电子测量的内容和特点•2.1.1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•具有极快的速度•具有极精细的分辨能力，很宽的作用范围。•极有利于信息传递•极为灵活的变换技术。•巨大的信息处理能力处理信息最有效、最成功的是电子科学技术4西南科技大学电子测量5•2.1.2电子测量的内容(1)电子测量的定义–电子测量是指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。(2)电量测量①电路元件参数测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等的测量。西南科技大学电子测量•3大类基础元件的参数：电阻器、电容器、电感器的有关参数。–1.电阻器参数•标称阻值：电阻器设计所确定的，通常在电阻器上标出的电阻值。•额定电压：用标称阻值与额定功耗乘积的平方根计算出的直流或交流有效值电压。•临界阻值：额定电压等于元件极限电压时的阻值。•元件极限电压：可以连续地施加在电阻器两个引出端上的最大直流或交流有效值电压。•额定功耗：在70℃环境温度下，进行70℃耐久试验，并且不超过该试验的允许阻值变化的最大允许功耗。•电阻器的温度特性：可表示为电阻温度特性或电阻温度系数。6西南科技大学电子测量–2.电容器参数•标称电容量：电容器设计所确定的、通常在电容器上所标出的电容量值。•类别温度范围：电容器设计所确定的能连续工作的环境温度范围，该范围取决于电容器相应类别的温度极值。•额定温度：可以连续施加额定电压的最高环境温度。•时间常数：绝缘电阻和电容量的乘积，通常以秒表示。•损耗角正切：在规定频率的正弦电压下，电容器的损耗功率除以电容器的无功功率。•电容器的温度特性：是在类别温度范围内给定一个温度范围所出现的电容量的最大可逆变化，通常是以20℃为基准温度的电容量与有关温度的电容量的百分比表示。7西南科技大学电子测量–3.电感器参数•标称电感值：电感器设计所规定的，通常标志在电感器上的电感值。•Q值：在正弦波作用下，电感器在一周期内贮存能量与损耗能量之比。•直流电阻：应使用低直流电压，在尽量短的时间内通电测量，以符合下式：R=U/I•类别温度范围：电感器设计所规定的能连续工作的环境温度范围，该范围取决于电感器的相应类别的温度极限值。•电感器的温度特性：电感器在给定的类别温度范围内出现的电感值最大可逆变化。通常以参考温度（20℃）的电感值与有关温度的电感值的百分比来表示。8西南科技大学电子测量9•2.1.2电子测量的内容(1)电子测量的定义–电子测量是指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。(2)电量测量①电路元件参数测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等的测量。②电能量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。西南科技大学电子测量10•2.1.2电子测量的内容(续)③电信号特征的测量包括信号、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增益、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声系数的测量。频率、时间、电压、相位、阻抗西南科技大学电子测量11•2.1.2电子测量的内容(续)(3)非电量测量水污染核工业东风系列导弹地震西南科技大学电子测量•2.1.2电子测量的内容(续)(3)非电量测量–各种敏感元件和传感装置将非电量如位移、速度、温度、压力、流量、物面高度、物质成分等变换成电信号，再利用电子测量设备进行测量。12非电量测量在过程控制中的作用●西南科技大学电子测量•2.1.2电子测量的内容(续)(3)非电量测量–各种敏感元件和传感装置将非电量如位移、速度、温度、压力、流量、物面高度、物质成分等变换成电信号，再利用电子测量设备进行测量。13非电量测量在过程控制中的作用●西南科技大学电子测量•2.1.2电子测量的内容(续)(3)非电量测量–各种敏感元件和传感装置将非电量如位移、速度、温度、压力、流量、物面高度、物质成分等变换成电信号，再利用电子测量设备进行测量。14非电量测量在过程控制中的作用●西南科技大学电子测量•2.1.2电子测量的内容(续)(3)非电量测量–各种敏感元件和传感装置将非电量如位移、速度、温度、压力、流量、物面高度、物质成分等变换成电信号，再利用电子测量设备进行测量。15非电量测量在过程控制中的作用●西南科技大学电子测量•2.1.2电子测量的内容(续)(3)非电量测量–各种敏感元件和传感装置将非电量如位移、速度、温度、压力、流量、物面高度、物质成分等变换成电信号，再利用电子测量设备进行测量。16非电量测量在过程控制中的作用●●西南科技大学电子测量•2.1.3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THz(1THz=1012Hz)–(2)测量量程宽地面上接收到的宇宙飞船自外空发来的信号功率，低到10-14W数量级，而远程雷达发射的脉冲功率，可高达土108W以上，两者之比为1：1022–(3)测量准确度高低相差悬殊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。可惜除了频率和时间的测量准确度很高之外，其他参数的测量准确度相对都比较低。17西南科技大学电子测量18西南科技大学电子测量19西南科技大学电子测量20日本神冈中微子探测器西南科技大学电子测量21法国瑞士边界的超大粒子加速器西南科技大学电子测量22法国瑞士边界的超大粒子加速器西南科技大学电子测量•2.1.3电子测量的特点(续)–(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)可以进行遥测–(6)易于实现测试智能化和测试自动化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)影响因素众多，误差处理复杂•外部：环境温度、湿度、电源电压，外界电磁干扰等•内部：各元器件之间、测量与被测量装置之间无处无时不在的寄生电容、电感、电导等23西南科技大学电子测量2.2电子测量的一般方法•2.2.1按测量手续分类–(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。•例如：P=UI2412()(,,,)nyfxyfxxx或西南科技大学电子测量•2.2.1按测量手续分类(续)–(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。•一个典型的例子是电阻器电阻温度系数的测量。已知电阻器阻值Rt与温度t间满足关系•如果、R20未知，显然可在三个不同的温度下，分别测得，列出由三个方程构成的方程组并求解，进而得到只R20、。25220)20()20(ttRRt、、321tttRRR、、西南科技大学电子测量•2.2.2按测量方式分类–(1)偏差式测量法在测量过程中，用仪器仪表指针的位移(偏差)表示被测量大小的测量方法，称为偏差式测量法26西南科技大学电子测量•2.2.2按测量方式分类(续)–(2)零位式测量法零位式测量法又称作零示法或平衡式测量法。测量时用被测量与标准量相比较，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。典型例子——惠斯登电桥测量电阻(或电容、电感)•当PA的指针为0时，A、B两点点位相等，则有：•I1=Ix,I2=I4;•I1R1=IxRx,I2R2=I4R4•则：27421RRRRx西南科技大学电子测量•2.2.2按测量方式分类(续)–(3)微差式测量法偏差式测量法和零位式测量法相结合，构成微差式测量法。它通过测量待测量与际准量之差(通常该差值很小)来得到待测量量值。除作精密测量外，还广泛用于生产线控制参数的测量28西南科技大学电子测量•2.2.3按被测量的性质分类–(1)频域测量幅值和相位随频率的变化•正弦波点频法•正弦波扫频法–(2)时域测量技术幅值随时间的变化•测试信号是脉冲、方波及阶跃信号–注：频域测量和时域测量比较•频域测量和时域测量是测量线性系统性能的两种方法，是从两个不同的角度去观测同一个被测对象，其结果应该是一致的。•从理论上讲，时域函数的傅立叶变换就是频域函数，而频域函数的傅立叶逆变换也就是时域函数。29西南科技大学电子测量•2.2.3按被测量的性质分类(续)–(3)随机测量技术测量噪声信号和使用随机信号源。主要包括下述三个内容：•噪声信号统计特性的测量，如时域中的均值、均方根性，频域中的频谱密度函数、功率谱密度函数等；•将已知特性的噪声作激励源对被测系统进行统计性测量，研究被测系统的特性；•在背景噪声信号不可忽略时对信号、特别是微弱信号的精确测量。30西南科技大学电子测量•2.2.3按被测量的性质分类(续)–(4)数字测量技术测量数字系统的功能和故障诊断。对数字系统进行测量的基本方法是：•在输入端加激励信号，观察由此产生的输出响应，并与预期的正确结果进行比较，一致则表示系统正常；不一致则表示系统有故障。31被测电路驱动器电平比较器逻辑比较器波形合成器实效存储器图形发生器时钟发生器计算机测量结果输出测量程序输入测量系统总线参考电压LSI测试系统的简化框图西南科技大学电子测量•2.2.4测量方法的选择原则–在选择测量方法时，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–[例]图示用电压表测量高内阻电路端电压的例子。图中虚线框内表示放大器输出端等效电路，Rv表示测量用电压表内阻。分别计算Rv=10MΩ和Rv=120kΩ时的相对误差？32西南科技大学电子测量•2.2.4测量方法的选择原则(续)当用电压表内阻Rv=10MΩ时，电压为：相对误差：当用电压表内阻Rv=120kΩ时，电压为：相对误差33VU96.41010801010533%8.0%1005596.4%40%1005533120801205VU西南科技大学电子测量2.3电子测量仪器概述•2.3.1测量仪器的功能–电子测量仪器：利用电子技术对各种待测量进行测量的设备–功能•物理量的变换•信号的传输•测量结果的显示34西南科技大学电子测量•2.3.1测量仪器的功能(续)–(1)变换功能•动圈式检流计：模拟式仪表最基本构成单元35西南科技大学电子测量36•2.3.1测量仪器的功能(续)–(1)变换功能•动圈式检流计：模拟式仪表最基本构成单元•传感器：非电物理量转换成电压、电流：如压力、位移、温度、湿度、亮度、颜色、物质成份等36西南科技大学电子测量37•2.3.1测量仪器的功能(续)–(1)变换功能•动圈式检流计：模拟式仪表最基本构成单元•传感器：非电物理量转换成电压、电流：如压力、位移、温度、湿度、亮度、颜色、物质成份等37西南科