电子测量技术第1章-绪论-07.8.30

电子测量原理第1页电子测量技术林占江主编班级：06物41主讲：王立巍电话：[phone]网址：[e-mail]电子测量原理第2页课程简介第一部分测量的基本原理第二部分测量误差及数据处理第三部分模拟测量方法第四部分数字测量方法第五部分时域测量第六部分频域测量第七部分逻辑分析仪第八部分自动测试系统电子测量技术电子测量原理第3页本章阐述测量学科的内涵。介绍测量、计量的基本概念，即它们的意义、内容、特点及应用。第1章电子测量绪论电子测量技术电子测量原理第4页1.1测量与计量的基本概念一、测量的重要性日常生活中离不开测量时间,重量,温度等的测量。科学的进步和发展离不开测量，离开测量就不会有真正的科学。没有望远镜就没有天文学，没有显微镜就没有细胞学，没有指南针就没有航海事业第1章电子测量绪论电子测量原理第5页生产发展离不开测量农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了长度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，出现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。现代化的工业生产中，处处离不开测量例如，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点创新建设、高新技术、现代防务更是离不开测量例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。一、测量的意义电子测量原理第6页风洞试验电子测量原理第7页二、测量的定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。测量结果＝测量数值（测量单位），即：0}{xxx1.1测量与计量的基本概念电子测量原理第8页测量结果量值：有数值的大小和单位。被测量：待测或已测量。影响量：对被测量值产生影响的量。如：温度、电压波动等。真值：是理想状态下的测量值。现实中不存在，但是可以逼近。约定真值：它是数学期望。与真值的差值可以不计。准值：标准值。它可以作为低一级别仪器的基准。示值：从测量器具上指示的数值。额定值：在额定的工作条件下指定的量值。实际值：逼近真值的量值。要考虑仪器的精度级别。二、测量的定义电子测量原理第9页1.2电子测量的内容与特点电子测量的意义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。处理信息最有效、最成功的是电子科学技术①具有极快的速度②具有极精细的分辨能力，很宽的作用范围。③极有利于信息传递④巨大的信息处理能力第1章电子测量绪论电子测量原理第10页F—22电子测量原理第11页1、电子测量的内容从广义上说，电子测量是泛指以电子科学技术为手段而进行的测量，即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。1.2电子测量的内容与特点电子测量原理第12页①电能量的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。②电路参数的测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等的测量。③电信号特征的测量包括信号的频率、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放大倍数、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声系数的测量。⑤特性曲线的测量包括幅频特性曲线、晶体管特性曲线等的测量和显示。1、电子测量的内容电子测量原理第13页2、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1012Hz。（2）量程范围宽。如数字万用表对电压测量由纳伏（nV）级至千伏（kV）级电压，量程达12个数量级（3）测量准确度高。例如，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。（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）易于实现遥测（6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化1.2电子测量的内容与特点电子测量原理第14页1.3电子测量仪器的分类一般分通用仪器和专用仪器两大类通用仪器包括（1）信号发生仪器：产生各种工作波形。（2）信号分析仪器：分析信号时域、频域特性。如：示波器、扫频仪、频谱仪等。（3）测量仪器：测量电参数的仪器。如：频率计、相位计、RCL测试仪、阻抗测试仪等。（4）电波测试仪：测量电波传输特性的仪器。如：场强仪、发射接收机等。（5）辅助仪器：它是一种主机的附件。如：放大器、衰减器、检波器、滤波器等。第1章电子测量绪论电子测量原理第15页1.4电子测量方法（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。（3）组合测量12()(,,,)nyfxyfxxx或第1章电子测量绪论电子测量原理第16页2、测量仪器的发展电子管晶体管集成电路（超）大规模集成电路模拟化数字化智能化一体化模块化3、选择测量方法的原则（1）熟悉被测量的物理特性。（2）根据实际情况选择满足精度要求的测量仪器。对测量仪器的性能应该有所了解。（3）测量方法（方案）应该是切实可行的。（4）应该具有一定的数据处理能力。1.4电子测量方法电子测量原理第17页1.5计量的基本概念计量的定义和意义：为使在不同的地方，用不同的手段测量同一量时，所得的结果一致，就要求统一的单位、基准、标准和测量器具。计量是一种特殊形式的测量。把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否，并给出具有法律效力的《检定证书》。计量是准确可靠的测量。利用技术和法制手段实现单位统一和量值具有统一性、准确性和法制性。这是计量的三个主要特征。包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动，如单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监督管理、测量方法及手段的研究。第1章电子测量绪论电子测量原理第18页计量与测量的关系测量发展的客观需要才出现了计量。测量是计量应用的重要途径。没有测量，计量将失去价值。为了测量结果的准确性，必须定期对仪器进行检定和校准，该过程就是计量。计量的任务是确定测量结果的可靠性。计量是测量的基础和依据。没有计量，也谈不上测量。计量和测量相互配合，才能在国民经济各个领域发挥重要作用。计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作，它在工农业生产、科学技术、国防建设以及人民生活等各个方面起着技术保证和技术监督的作用。1.5计量的基本概念电子测量原理第19页1、计量基准基准用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。(1)一级基准：又称主基准和国家基准具有最高水平的基准，一个国家只有一个。(2)二级基准：又称副基准副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对。(3)三级基准：又称工作基准工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递，用以检定下属计量标准量具的精确度。1.5计量的基本概念电子测量原理第20页国家1千克质量基准1、计量基准电子测量原理第21页18世纪末，法国规定通过巴黎的子午线的1/（4X107)为1m（米）．到19世纪末，一些国家在巴黎开会，公认米为通用的长度单位．按上面标准制成的铂铱合金米原器保存在巴黎国际度量衡局，它的强度高，温度和化学的稳定性好，精确度高。后来，随着测量精度的提高，发现通过巴黎子午线自北极至赤道的距离不是准确地等于（1107)m，于是便径直以米原器为标准，规定0.00℃时米原器端部细线间的距离为1m．然而，这样就违背了原来以自然常数作为米标准的意图，用实物基准代替了自然常数．然而自然界中很多物体的物理性质都会发生变化，以子午线为基础定义的米标准即为一例．长度的计量的演变1、计量基准电子测量原理第22页1、计量基准电子测量原理第23页长度的计量的演变与此相比，原子的某些性质却可以合理地假定它不随时间变化，于是便试图用自然界中的原子基准重新定义米单位，1960年第11届国际计量大会正式定义：米等于氪－86原子的两个能级之间跃迁所对应的辐射（橙红色）在真空中的1650763.73个波长的长度．以此标准计量1m的长度，复现的相对误差有可能达到10-8。1983年17届国际计量大会考虑到已有长度计量标准已不能满足要求，重新规定米的新定义：光在真空中传播（1/299792458）s时间间隔内所经路径的长度，所以这样规定有其客观条件．首先，由于激光技术的发展，激光的频率和波长已非常稳定且比氪－86灯的波长更容易重现。此外，激光频率与波长的测量技术发展足以达到新米定义要求的精度。1、计量基准电子测量原理第24页时间概念：田径运动员有几分之一秒之差就决定胜负；汽车、飞机发动机的转速测量需要精确到0.01秒；炮弹发射是在千分之一秒内发生的；雷达技术需要百万分之一秒的时间精度；导弹或使用全球定位系统的飞行器计时精度需要达到十亿分之一秒；对核潜艇进行无线电导航，时间精度要达到百万分之一秒；科学家研究原子构造、宇宙射线等往往需要准确测量亿分之一秒时间内的变化；要准确测量光速需要百亿分之一秒的准确度。1、计量基准电子测量原理第25页时间计量的演变：我国古代用“刻漏”计时．在一容器中保持恒定水位，由通道向另一容器注水使液面升高，液体使浮子升起指示时间．沈括（北宋，1031—1095）设法减小温度影响及粘性造成的误差，使计时达到较高精度。机械钟的出现大大提高了时钟的精确度。1350年，第一座机械闹钟出现于德国，到16世纪初，意大利教堂中就响起了机械钟声。1583年，伽利略发现单摆的摆动周期与振幅无关，这是时钟历史上的一大进步。1、计量基准电子测量原理第26页在前人的研究基础上，1656年，荷兰天文学家、数学家惠更斯提出了单摆原理并制作了第一座自摆钟，从此，时钟误差可以以秒来计算。在1762年，最好的机械表已经能够达到每3天才差1秒钟的精确程度，这样的时钟，即使放在如今的日常生活中，也足够用了。但在天文、物理等科学领域中，人们对时间精确度的要求，却并不以此为止境。时间计量的演变1928年，贝尔电话实验室的研究人员沃伦·马里森利用石英晶体在电路中能够产生频率稳定震动的特性，制造出了第一座石英钟。翌年，第一批石英钟就作为商品面世了。它的每日误差只有万分之一秒，比1920年制造的世界上最精确的机械钟的误差小10倍。自此，石英钟取代机械钟，成为天文台向世界各地的人们提供标准时间的天文钟。1、计量基准电子测量原理第27页哥伦比亚大学的物理学教授、1944年诺贝尔物理学奖获得者伊西多·伊萨克·拉比(IsidorIssacRabi)堪称原子钟之父。在1945年，他就提出，可以运用其在30年代发明的原子束磁共振技术来制造原子钟。使用了拉比的技术，NIST(当时的名称是美国国家标准局，NationalBureauofStandards，简称NBS)在1949年使用氨分子作为磁振源制成了世界上首台原子钟。几千几万年才相差1秒。1952年，NIST制成了第一台铯原子钟，它被命名为NBS-1。这一命名规则被延续下来，一直到1975年的NBS-6(它的下一代名为NIST-7，再下一代则为NIST-F1)。在那个时候，NBS-6的精确程度已经可以达到在30万年的时间中，既不会快1秒，也不会慢1秒了。时间计量的演变1、计量基准电子测量原理第28页时间计量的演变1、计量基准电子测量原理第29页2、计量基准的条件（1）基本原理正确（2）具有良好的重复性，复现的量值有最高精度.（3）具有长期的稳定性。（4）复现的量值可以通过一定方法传递到下级。1.5计量的基本概念图1－1测量的比较原理(a)天平直接比较（b）弹簧称间接比较电子测量原理第30页3