电子测量技术基础知识

课题：第1章电子测量与仪器的基础知识课时分配：四课时教学目的要求：1.明确电子测量的意义、内容、特点和分类。2.了解电子测量仪器的分类和技术指标。3.掌握测量误差的表示方法有:绝对误差、相对误差和容许误差。4.明确测量误差按照性质分为系统误差、随机误差和粗大误差。5.明确测量误差的来源是多方面的。6.明确测量结果常用有效数字来表示，应根据实际情况，遵循有效数字位数取舍和有效数字舍入规则进行。7.了解为了测得准确的结果，一般要进行多次测量，多次测量的算术平均值即测量值。数据处理过程中得到的不确定度具有测量误差的含义，是测量误差的极限值。不确定度越大，置信度越高，丢失真实数据的可能性越小。教学重点：1.电子测量的意义、内容、特点和分类。2.电子测量仪器的分类和技术指标。3.测量误差的表示方法4.测量误差的来源分析5.有效数字及有效数字位数取舍和有效数字舍入规则。6.测量数据的处理教学难点：1.测量误差的表示方法与分类2.测量误差的来源分析3.有效数字的处理教学方法：演讲法、问题教学法、设计教学法、小组研讨法、辩论法、座谈研讨等教学过程导入新课：测量是应用电子技术常常遇到的问题，本课程以生产实践中普遍使用的通用仪器为典型仪器，介绍测量方法和技术。新课内容：1.1电子测量概述1.1.1电子测量的意义及内容1.电子测量的意义测量的目的就是取得用数值和单位共同表示的被测量的结果，是人们借助于专门的设备，依据一定的理论，通过实验的方法将被测量与已知同类标准量进行比较而取得测量结果。被测量的结果必须是带有单位的有理数，例如，某测量结果为9.3V是正确的，而测得的结果为9.3或193V是错误的。广义的电子测量是指利用电子技术进行的测量。狭义的电子测量是指对电子技术中各种电参量所进行的测量。2.电子测量的内容狭义电子测量的内容主要包括：（1）能量的测量能量的测量指的是对电流、电压、功率、电场强度等参量的测量。（2）电路参数的测量电路参数的测量指的是对电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、损耗率等参量的测量。（3）信号特性的测量信号特性的测量指的是对频率、周期、时间、相位、调制系数、失真度等参量的测量。（4）电子设备性能的测量电子设备性能的测量指的是对通频带、选择性、放大倍数、衰减量、灵敏度、信噪比等参量的测量。（5）特性曲线的测量特性曲线的测量指的是对幅频特性、相频特性、器件特性等特性曲线的测量。上述各种参量中，频率、时间、电压、相位、阻抗等是基本参量，其他的为派生参量，基本参量的测量是派生参量测量的基础。电压测量是最基本、最重要的测量内容。非电量的测量属于广义电子测量的内容，可以通过传感器将非电量变换为电量后进行测量。本书主要讨论狭义电子测量内容。1.1.2电子测量的特点电子测量技术及电子测量仪器的应用十分广泛、发展十分迅速，对科学技术的发展起着巨大的推动作用，从某个意义来说，电子测量水平代表着一个国家的科技水平的高低。这是因为电子测量有着其他测量无法相比的众多优点。其特点如下：（1）频率范围宽电子测量的频率范围几乎可以覆盖整个电磁频谱。从直流一直可达100GHz以上。随着电子技术的发展，目前还在向着更宽频段乃至全频段发展。（2）量程广量程是指测量范围的上限值和下限值之差。电子测量仪器具有相当宽的量程。如一台高灵敏度的数字电压表，可测出10nV至1kV以上的电压，量程达11个数量级；而数字式频率计的量程甚至可达17个数量级以上。（3）精确度高电子测量的精确度比其他测量方法要精确的多，特别是对频率和时间的测量，精确度可达到10-13～10-14量级，是目前物理量测量中最精确的测量方法。（4）测量速度快电子测量是通过电磁波的传播和电子的运动来进行工作的，因而可实现高速度测量。（5）便于实现遥测遥控电子测量可以通过有线或无线系统把测量仪器或仪器的传感器深入到人体不便于或无法进入的区域内进行遥测遥控，这是电子测量的一个突出优点。（6）易于实现测量过程自动化大规模集成电路和微型计算机的应用为电子测量技术与计算机技术的结合提供了有利条件，从而实现测量过程的自动化与智能化。1.1.3电子测量方法测量结果可以通过不同的测量方法来取得。电子测量的方法有很多种，如直接测量、间接测量与组合测量等。（1）直接测量直接测量是指借助于测量仪器等设备可以直接获得测量结果的测量方法，例如用电压表测电压等。（2）间接测量间接测量是指对几个与被测量有确定函数关系的物理量进行直接测量，然后通过公式计算或查表等求出被测量的测量。伏安法测量电阻R的方法即属于间接测量法，它是先测出流过电阻的电流I及电阻两端的电压V后，再利用公式来测量电阻值R。（3）组合测量组合测量是建立在直接测量和间接测量基础上的测量方法，无法通过直接测量或间接测量得出被测量的结果，需要改变测量条件进行多次测量，然后按被测量与有关未知量间的函数关系组成联立方程组，求解方程组得出有关未知量，最后将未知量代入函数式而得出测量结果。例如测量在任意环境温度t°C时某电阻的阻值，已知任意温度下电阻阻值的计算式为：Rt=R20+α(t-20)+β(t-20)2式中，Rt、R20分别为环境温度为t°C、20°C时的电阻值；α、β为电阻温度系数，α、β与R20均为不受温度影响的未知量。显然，可以利用直接测量或间接测量的方法测出某温度下电阻阻值，而以直接测量或间接测量法测出任意温度下电阻阻值是不现实的。如果改变测试温度，分别测出三种不同测试温度下的电阻值，带入上述公式，求解由此得到的联立方程组得出未知量α、β、R20后，带入上式即可得出任意温度下电阻阻值。电子测量的方法还有很多，如人工测量和自动测量；动态测量和静态测量；精密测量和工程测量；低频测量、高频测量和超高频测量；模拟测量（分为时域测量和频域测量）和数据域测量等等。测量时应对被测量的物理特性、测量允许时间、测量精度要求以及经费情况等方面进行综合考虑，结合现有的仪器、设备条件，择优选取合适的测量方法。1.2电子测量仪器的基本知识1.2.1电子测量仪器的分类测量中用到的各种电子仪表、电子仪器及辅助设备统称为电子测量仪器。电子测量仪器种类繁多，主要包括通用仪器和专用仪器两大类。专用仪器是为特定目的专门设计制作的，适于特定对象的测量。通用仪器是指应用面广、灵活性好的测量仪器。按照仪器功能，通用电子测量仪器分为以下几类：（1）信号发生器（信号源）信号发生器是在电子测量中提供符合一定技术要求的电信号产生仪器，如正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器、随机信号发生器等。（2）电压测量仪器电压测量仪器是用于测量信号电压的仪器，如低频毫伏表、高频毫伏表、数字电压表等。（3）示波器示波器是用于显示信号波形的仪器，如通用示波器、取样示波器、记忆存储示波器等。（4）频率测量仪器频率测量仪器是用于测量信号频率、周期等的仪器，如指针式、数字式频率计等。（5）电路参数测量仪器电路参数测量仪器是用于测量电阻、电感、晶体管放大倍数等电路参数的仪器，如电桥、Q表、晶体管特性图示仪等。（6）信号分析仪器信号分析仪器是用于测量信号非线性失真度、信号频谱特性等的仪器，如失真度测试仪、频谱仪等。（7）模拟电路特性测试仪模拟电路特性测试仪是用于分析模拟电路幅频特性、噪声特性等的仪器，如扫频仪、噪声系数测试仪等。（8）数字电路特性测试仪数字电路特性测试仪是用于分析数字电路逻辑特性等的仪器，如逻辑分析仪、特征分析仪等，是数据域测量不可缺少的仪器。测量时应根据测量要求，参考被测量与测量仪器的有关指标，结合现有测量条件及经济状况，尽量选用功能相符、使用方便的仪器。1.2.2电子测量仪器的主要技术指标电子测量仪器的技术指标主要包括频率范围、准确度、量程与分辨力、稳定性和可靠性、环境条件、响应特性以及输入输出特性等。（1）频率范围频率范围是指能保证仪器其他指标正常工作的有效频率范围。（2）准确度测量准确度又称为测量精度，它描述的是由于测量结果在测量过程中受各种因素的影响而产生的与被测量真实值间的差异程度，即测量误差。测量准确度通常以容许误差或不确定度的形式给出。不确定度是指在对测量数据进行处理的过程中，为了避免丢失真实数据而人为扩大的测量误差，由于它在一定程度上能反映出测量数据的可信程度而得名，不确定度的数值越大，丢失真实数据的可能性越小，即可信度越高。容许误差是为了描述测量仪器的测量准确度而规定的，利用仪器进行测量时，允许仪器产生的最大误差。（3）量程与分辨力量程是指测量仪器的测量范围。分辨力是指通过仪器所能直接反映出的被测量变化的最小值，即指针式仪表刻度盘标尺上最小刻度代表的被测量大小或数字仪表最低位的“1”所表示的被测量大小。同一仪器不同量程的分辨力不同，通常以仪器最小量程的分辨力（最高分辨力）作为仪器的分辨力。（4）稳定性与可靠性稳定性是指在一定的工作条件下，在规定时间内，仪器保持指示值或供给值不变的能力。可靠性是指仪器在规定的条件下，完成规定功能的可能性，是反映仪器是否耐用的一种综合性和统计性质量指标。（5）环境条件环境条件即保证测量仪器正常工作的工作环境，例如基准工作条件，正常工作条件，额定工作条件等。（6）响应特性一般说来，仪器的响应特性是指输出的某个特征量与其输入的某个特征量之间的响应关系或驱动量与被驱动量之间的关系。例如峰值检波器的响应特性为检波器输出的平均值0U约等于交流输入信号的峰值ˆiU。（7）输入特性与输出特性输入特性主要包括测量仪器的输入阻抗、输入形式等。输出特性主要包括测量结果的指示方式、输出电平、输出阻抗、输出形式等。1.2.3电子测量仪器的误差电子测量仪器的误差是指由于受测量仪器等因素的影响而产生的测量误差，是误差的主要来源，也是电子测量仪器的一项重要质量指标，主要包括以下几种：（1）固有误差固有误差是指在基准工作条件（见表1-1）下，由于仪器本身而产生的容许误差。它大致反映了仪器的最高测量精度，通常用于仪器误差的检验和对比。（2）基本误差基本误差是指在正常工作条件（见表1-2）下由于仪器方面而产生的容许误差与基准工作条件相比，仪器在正常工作条件下的工作环境较差。（3）工作误差工作误差是指在仪器额定工作条件下，在任一点上求得的仪器某项特性的误差。额定工作条件包括仪器本身的全部使用范围和全部外部工作条件，是仪器不利工作环境条件的组合，产生的误差最大，通常以极限形式给出。工作误差包括仪器固有误差（或基本误差）及各种因素共同作用的总效应，在说明书中必须给出，固有误差则可视情况给出。（4）影响误差影响误差用于表明某一项影响量（即影响因素）对仪器测量误差的影响。例如温度误差、频率误差等。一般在某一影响量对测量影响比较大时才给出，它是一种误差的极限。（5）稳定误差稳定误差是仪器标称值在其他影响量和影响特性保持恒定的情况下，在规定时间内产生的误差极限。习惯上以相对误差形式给出或者注明最长连续工作时间。1.3测量误差的基本概念测量的目的是得到被测量的真实结果，即真值，但由于人们对客观规律认识的局限性，不可能得到被测量的真值。测量值与被测量真值之间的差异称为测量误差。1.3.1测量误差的表示方法测量误差的表示方法有三种：绝对误差、相对误差和容许误差。1.绝对误差（1）定义测量所得的测量值x与真值0A之差称为绝对误差，用Δx表示，即0xxA式中，x称为被测量的给出值、示值或测量值，习惯上统称为示值；A0称为被测量的真值。注意示值和仪器的读数是有区别的，读数是从仪器刻度盘、显示器等读数装置上直接读到的数字，而示值则是由仪器刻度盘、显示器上的读数经换算而成的。真值A0是一个理想的概念，实际上是不可能得到的，通常用高一级标准仪器或计量器具所测得的测量值A来代替，A称为被测量的实际值。绝对误差的计算式为：xxA（1-1）绝对误差的正负号表示测量值偏离实际值的方向，即偏大或偏小。绝对误差的大小则反映出测量值偏离实际值的程度。（2）修正值与绝对误差大小相等、符号相反的量值，称为修正值，用C表示，即CxAx（1-2）修正值通常是在用高一级标准仪器对测量仪器校准时给出的。当得到测量值x后，