C1C2电子测量技术 Word 文档1102

电子测量技术是电子信息工程专业的一门专业必修课，主要介绍电子测量的一般方法，测量误差和测量结果的处理，对基本电量进行测量的常用电子测量仪表的工作原理及应用。对测量方法侧重归纳、比较，突出简明、实用；对仪器、仪表突出常规、典型的操作使用，掌握工作原理框图，而不过多涉及仪表各单元内部具体电路；对误差分析作定性说明，并进行必要的数学推导。本课程实践性较强，要求学生通过本课程的学习加强对常用电子测量仪表测量原理的理解，通过实验，使学生掌握基本测量电量的原理、分析方法及其典型应用。第一讲绪论目的及要求：了解电子测量的内容和特点，了解计量的基本概念，熟悉电子测量的一般方法。1电子测量的内容和特点2电子测量的一般方法3电子测量仪器概述4计量的基本概念重点：电子测量的内容、特点和方法、计量1.1电子测量一、测量测量是通过实验方法对客观事物取得定量信息即数量概念的过程。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，归纳、建立起各种定理和定律，而后又要通过测量来验证这些认识、定理和定律是否符合实际情况，经过如此反复实践，逐步认识事物的客观规律，并用以解释和改造世界。因此可以说，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。俄国科学家门捷列夫在论述测量的意义时曾说过：“没有测量，就没有科学”，“测量是认识自然界的主要工具”。·英国科学家库克(A．H．cook)也认为：“测量是技术生命的神经系统”o这些话都极为精辟地阐明了测量的重要意义。历史事实也已证明：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。测量技术水平是一个历史时期、一个国家的科学技术水平的一面“镜子”o正如特尔曼(F，E．Telmen)教授所说：“科学和技术的发展是与测量技艺并行进步相互匹配的。事实上，可以说，评价一个国家的科技状态，最快捷的办法就是去审视那里所进行的测量以及由测量所累积的数据是如何被利用的.”二、电子测量电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。它是测量学和电子学相互结合的产物。电子测量除具体运用电子科学的原理、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，有时是用其他测量方法所不能替代的。因此，电子测量不仅用于电学各专业，也广泛用于物理学、化学、光学、机械学、材料学、生物学、医学等科学领域及生产、国防＼交通、通讯、商业贸易、生态环境保护乃至日常生活的各个方面。近几十年来计算技术和微电子技术的迅猛发展，为电子测量和测量仪器增添了巨大活力。电子计算机尤其是微型计算机与电子测量仪器相结合，构成了一代崭新的仪器和测试系统，即人们通常所说的“智能仪器”和“自动测试系统”，它们具有对若干电参数进行自动测量、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，不仅改变了若干传统测量概念，更对整个电子技术和其他科学技术产生了巨大推动作用。现在，电子测量技术(包括测量理论、方法，测量仪器装置等)已形成电子科学领域重要而发展迅速的分支。1.2电子测量的内容和特点一、电子测量的内容通常人们把电参数测量分为电磁测量和电子测量两类。电磁测量主要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。电子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。其中电量测量可分为以下几个方面.1．电量测量电量测量包括各种频率、波形下的电压、电流、功率等的测量。2．电信号特性测量电信号特性测量包括波形、频率、周期、相位、失真度、调幅度、调频指数及数字信号的逻辑状态等的测量。3．电路元件参数测量电路元件参数测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数及电子器件的参数等的测量.4．电子设备的性能测量电子设备的性能测量包括增益、衰减、灵敏度、频率特性、噪声指数等的测量。上述各项测量内容中，尤以频率、时间、电压、相位、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。如放大器的增益测量实际上就是其输入、输出端电压测量；脉冲信号波形参数的测量可归结为电压和时间的测量；许多情况下电流测量是不方便的，就以电压测量来代替。同时，由于时间和频率测量具有其他测量所不可比拟的精确性，因此人们越来越关注把其他待测量的测量转换成时间或频率的测量的方法和技术。在科学研究和生产实践中，常常需要对许多非电量进行测量。传感技术的发展为这类测量提供了新的方法和途径。现在，可以利用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。在一些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。在生产的自动过程控制系统中，将生产过程中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的方法，如图1.1-1所示。图1.1—1非电量测量在过程控制中的作用二、电子测量的特点与其他测量方法和测量仪器相比，电子测量和电子测量仪器具有以下特点。1．测量频率范围宽电子测量中所遇到的测量对象，其频率覆盖范围极宽，低至土10-6以下，高至上1012以上。当然，不能要求同一台仪器能在这样宽的频率范围内工作。通常是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。例如阻抗的测量，在低频段多采用电流电压法，而在微波段则须采用开槽测量线或反射计技术。上述两者无论在原理上，还是在测量设备上都大不一样。当然，随着技术的发展，能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，现在一台较为先进的频率计，频率测量范围可以低至10-6Hz，高至工1011Hz。2．测量量程宽量程是测量范围的上下限值之差或上下限值之比。电子测量的另一个特点是被测对象的量值大小相差悬殊。例如，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。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。如前所述，随着电子测量技术的不断发展，单台测量仪器的量程也可以达到很高。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。例如，对频率和时间的测量准确度，可以达到10-13～10-14的量级，这是目前在测量准确度方面达到的最高指标。作为比较，比如长度测量的最高准确度为主10-18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。例如，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，而品质因数Q值和电场强度的测量准确度，只有10-1量级。造成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。为此，对许多电子测量和测量仪器，除规定了必须满足的工作条件外，在对电子测量仪器的检定过程中，还规定了一套比工作条件更为严格的基准条件，如表1．1-1所示。该表摘自国家标准《电子测量仪器误差的一般规定》，它是参照国际电工委员会(1EC)第359号公告《电子测量设备工作性能表示》而制定的。除了须遵守这些规定外，为了尽可能减小外部环境的影响，许多测量都需要良好的电磁屏蔽和接地措施，系统内部则应尽量减小寄生电容、电感的影响，而在高频和微波测量中，阻抗匹配更是必须认真对待的问题。此外，造成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，虽然前面讲到频率和时间的测量准确度可以达到很高，但遗憾的是，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。表1.1-1电子测量设备的基准条件4．测量速度快由于电子测量是基于电子运动和电磁波的传播，加之现代测试系统中高速电子计算机的应用，使得电子测量无论在测量速度，还是在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。比如像卫星、飞船等各种航天器的发射与运行，没有快速、自动的测量与控制，简直是无法想象的。5．可以进行遥测如前所述，电子测量依据的是电子的运动和电磁波的传播，因此可以：现场各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台(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，或其他人们难以接近地方的信号测量成为可能.6．易于实现测试智能化和测试自动化电子测量本身是电子科学一个活跃的分支，电子科学的每一项进步，都非常迅速地在电子测量领域得到体现。随着电子计算机尤其是功耗低、体积小、处理速度快、可靠性高的微型计算机的出现，给电子测量理论、技术和设备带来了新的革命。比如微处理器出现于1971。年，而在土972年就出现了使用微处理器的自动电容电桥。现在，已有大量商品化带微处理器的电子测量仪器面世，许多仪器还带有GPB标准仪器接口，可以方便地构成功能完善的自动测试系统。无疑，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，误差处理复杂任何测量都不可避免会有误差，如果不能准确地确定误差或误差范围的大小，那就无法衡量测量结果的准确程度、测量结果的可靠性或可依赖性，从而也就失去了测量的意义和价值。造成测量误差的原因是多方面的。客观上影响测量结果及测量误差的因素大体上可分为外部的和内部的。能对测量结果产生影响的量，称为影响量，它通常来自测量系统的外部，如环境温度、湿度、电源电压，外界电磁干扰等。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。例如交流电压表中检波器的检波特性，会随着被测电压的频率和波形而有所改变，从而影响到测量结果。前面已经提到，电子测量中另一个难以避免而又无法准确估算其实际影响大小的因素，是测量仪器内部各元器件之间，测量与被测量装置之间无处无时不在的寄生电容、电感、电导等的不良影响。不难看出，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。1.3电子测量的一般方法一、按测量手续分类1．直接测量它是指直接从测量仪表的读数获取被测量量值的方法，比如用电压表测量晶体管的工作电压，用欧姆表测量电阻阻值，用计数式频率计测量频率等。直接测量的特点是不需要对被测量与其它实测的量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.2.间接测量它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)，间接得到被测量量值的测量方法。例如需要测量电阻只上消耗的直流功率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。间接测量费时费事，常在下列情况下使用：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。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，这种测量方法称为组合测量。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(1.3-1)式中只R20为t=20℃时的电阻值，一般为已知量a夕称为电阻的温度系数，t为环境温度。为了获得值，可以在二个不同的温度tl、t2下(tl、t2可由温度计直接测得)测得相应的二个电阻值Rt1、Rt2,代入式(1.3—1)得到联立方程(1.3—2)求解联立方程(1.3—2)，就可以得到值。如果R20也未知，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、二、按测量方式分类l.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