电子测量第3.4课时

第1章绪论1.4电子测量仪器概述测量仪器是将被测量转换成可供直接观察的指示值或等效信息的器具，包括各类指示仪器、比较仪器、记录仪器、传感器和变送器等。利用电子技术对各种待测量进行测量的设备，统称为电子测量仪器。一、测量仪器的功能各类测量仪表一般具有物理量的变换、信号的传输和测量结果的显示等三种最基本的功能。1/14第1章绪论1．变换功能对于电压、电流等电学量的测量，是通过测量各种电效应来达到目的的。比如作为模拟式仪表最基本构成单元的动圈式检流计(电流表)，就是将流过线圈的电流强度，转化成与之成正比的扭矩而使仪表指针偏转初始位置一个角度，根据角度偏转大小(这可通过刻度盘上的刻度获得)得到被测电流的大小，这就是一种很基本的变换功能。对非电量测量，更须将各种非电物理量如压力、位移、温度、湿度、亮度、颜色、物质成份等，通过各种对之敏感的敏感元件(通常称为传感器)，转换成与之相关的电压、电流等，而后再通过对电压、电流的测量，得到被测物理量的大小。2/14第1章绪论2．传输功能在遥测遥控等系统中，现场测量结果经变送器处理后，需经较长距离的传输才能送到测试终端和控制台。不管采用有线的还是无线的方式，传输过程中造成的信号失真和外界干扰等问题都会存在。3．显示功能任何测量仪器都必须具备显示功能。比如模拟式仪表通过指针在仪表度盘上的位置显示测量结果，数字式仪表通过数码管、液晶或阴极射线管显示测量结果。除此而外，一些先进的仪器如智能仪器等还具有数据记录、处理及自检、自校、报警提示等功能。3/14第1章绪论二、测量仪表的主要性能指标从获得的测量结果角度评价测量仪表的性能，主要包括以下几个方面。1.精度精度是指测量仪器的读数或测量结果与被测量真值相一致的程度。对精度目前还没有一个公认的定量的数学表达式，因此常作为一个笼统的概念来使用，其含义是：精度高，表明误差小；精度低，表明误差大。因此，精度不仅用来评价测量仪器的性能，也是评定测量结果最主要最基本的指标。精度又可用精密度、正确度和准确度三个指标加以表征。4/14第1章绪论（1）精密度(δ)精密度是指测量值的分散性，表示在同一测量条件下对同一被测量进行多次测量时，得到的测量结果的分散程度(测量值之间的误差)。它反映了随机误差的影响。精密度高意味着随机误差小，测量结果的重复性好。比如某电压表的精密度为0.1V，即表示用它对同一电压进行测量时，得到的各次测量值的分散程度不大于0.1V。5/14第1章绪论（2）正确度(ε)正确度是指测量值与真值的误差。所谓真值是指待测量在特定状态下所具有的真实值的大小。正确度反映了系统误差(例如仪器中放大器的零点漂移、接触电位差等等)的影响。正确度高则说明系统误差小，比如某电压表的正确度是0.1V，则表明用该电压表测量电压时的指示值与真值之差不大于0.1V。我国电工仪表的分级，就是按正确度来确定的。（3）准确度(τ)准确度是精密度和正确度的综合反映。准确度高，说明精密度和正确度都高，也就意味着系统误差和随机误差都小，因而最终测量结果的可信赖度也高。6/14第1章绪论为了加深对精密度、正确度和准确度三个概念的理解，可以以射击打靶为例加以比喻。图1.4-1中，以靶心比作被测量真值，以靶上的弹着点表示测量结果。图(a)既不精密，也不正确，即准确度很低。图(b)大致都围绕靶心，属于正确而欠精密。图(c)明显偏向一方，精密度高而正确度差。图(d)既精密又正确，准确度很高。图1.4-1用射击比喻测量7/14第1章绪论2．稳定性稳定性通常用稳定度和影响量两个参数来表征。稳定度也称稳定误差，是指在规定的时间区间，其他外界条件恒定不变的情况下，仪器示值变化的大小。造成这种示值变化的原因主要是仪器内部各元器件的特性、参数不稳定和老化等因素。稳定度可用示值绝对变化量与时间一起表示。8/14第1章绪论3．输入阻抗像电压表、示波器等类仪表，测量时并接于待测电路两端，如图l.4-2所示。不难看出，测量仪表的接入改变了被测电路的阻抗特性，这种现象称为负载效应。为了减小测量仪表对待测电路的影响，提高测量精度，通常对这类测量仪表的输入阻抗都有一定要求。图1.4-2测量仪表的负载效应9/14第1章绪论仪表的输入阻抗一般用输入电阻只Ri和输入电容Ci表示。例如SX2172交流毫伏表在lV～300V的测量范围内的输入阻抗为Rt＝10MΩ，Ci35pF；SR37A型示波器不经探头的输入阻抗为Ri＝1MQ，Ci＝16pF。对信号源等供给量仪器，还要考虑输出阻抗，在高频尤其是微波测量等场合，还必须注意阻抗的匹配。10/14第1章绪论4．灵敏度灵敏度表示测量仪表对被测量变化的敏感程度，一般定义为测量仪表指示值(指针的偏转角度、数码的变化、位移的大小等)增量△y与被测量增量△x之比。例如示波器在单位输入电压的作用下，示波管荧光屏上光点偏移的距离就定义为它的偏转灵敏度，单位为cm/V，cm/mV等。对示波器而言，偏转灵敏度的倒数称为偏转因数，单位为V/cm，mV/cm或mV/diV(每格)等。由于习惯用法和测量电压读数的方便，也常把偏转因素当作灵敏度。灵敏度的另一种表述方式叫作分辨力或分辨率，定义为测量仪表所能区分的被测量的最小变化量，在数字式仪表中经常使用。11/14第1章绪论5．线性度线性度是测量仪表输入输出特性之一，表示仪表的输出量(示值)随输入量(被测量)变化的规律。若仪表的输出为y，输入为x，如果y＝f(x)为y-x平面上过原点的直线，则称之为线性刻度特性，否则称为非线性刻度特性。如常用的万用表的电阻档，具有上凸的非线性刻度特性，而数字电压表，具有线性刻度特性，分别如图1.4-3中(a)、(b)所示。12/14第1章绪论仪器的线性度可用线性误差来表示，如SR46双线示波器垂直系统的幅度线性误差≤5％.图1.4-3欧姆表和数字电压表的刻度特性曲线13/14第1章绪论6．动态特性测量仪表的动态特性表示仪表的输出响应随输入变化的能力。例如模拟电压表由于动圈式表头指针惯性、轴承摩擦、空气阻尼等因素的作用，使得仪表的指针不能瞬间稳定在固定值上。又如示波器的垂直偏转系统，由于输入电容等因素的影响，造成输出波形对输入信号的滞后与畸变，示波器的瞬态响应就表示了这种仪器的动态特性。最后指出，上述测量仪器的几个特性，是就一般而论，并非所有仪器都用上述特性加以考核。有些测量仪器除了上述指标特性外，还有其他技术要求，这些具体问题都将在后边有关章节中一一加以说明。14/14第1章绪论三、电子测量仪器的分类电子测量仪器的分类方法不一，如果按其功能，大致可分为下面几类。1．电平测量仪器它包括各种模拟式电压表，毫伏表，数字式电压表等。2．电路参数测量仪器它包括各类电桥，Q表，R、L、C测试仪，晶体管或集成电路参数测试仪，图示仪等。1/12第1章绪论3．频率、时间、相位测量仪器这主要有电子计数式频率计，数字式相位计，波长计等。4．波形测量仪器它主要指各类示波器。如通用示波器，多踪示波器，取样示波器，以及记忆和数字存储示波器等。5．信号分析仪器它包括失真度仪，谐波分析仪，频谱分析仪等。2/12第1章绪论6．模拟电路特性测试仪器它包括扫频仪，噪声系数测试仪，网络特性分析仪等。7．数字电路特性测试仪器它主要指逻辑分析仪。这类仪器内部多带有微处理器或通过接口总线与外部计算机相联，是数据域测量中不可缺少的设备。8．测试用信号源它包括各类低频和高频信号发生器，脉冲信号发生器，函数发生器，扫频和噪声信号发生器等。3/12第一章作业：习题一1、6、8、10第1章绪论第2章测量误差和测量结果处理本章主要内容2.1误差2.2测量误差的来源2.3误差的分类2.4随机误差分析2.5系统误差分析2.6系统误差的合成2.7测量数据的处理本章要点1、误差的概念与表示方法；2、随机误差、系统误差和粗大误差的特性和处理方法；3、测量数据的处理方法。4/12第1章绪论2.1误差（重点）一、误差1．真值A0一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。要想得到真值，必须利用理想的量具或测量仪器进行无误差的测量。由此可推断，物理量的真值实际上是无法测得的。2．指定值As由于绝对真值是不可知的，所以一般由国家设立各种尽可能维持不变的实物标准(或基准)，以法令的形式指定其所体现的量值作为计量单位的指定值。5/12第1章绪论3．实际值A实际测量中，不可能都直接与国家基准相比对，在每一级的比较中，都以上一级标准所体现的值当作准确无误的值，通常称为实际值，也叫作相对真值。4．标称值测量器具上标定的数值称为标称值。如标准砝码上标出的lkg，标准电阻上标出的1Ω，标准信号发生器度盘上标出的输出正弦波的频率100kHz等。由于制造和测量精度不够以及环境等因素的影响，标称值并不一定等于它的真值或实际值(用允许偏差表示)。6/12第1章绪论5．示值由测量器具指示的被测量量值称为测量器具的示值，也称测量器具的测得值或测量值，它包括数值和单位。一般地说，示值与测量仪表的读数有区别，读数是仪器刻度盘上直接读到的数字。例如以l00分度表示50mA的电流表，当指针指在刻度盘上的50处时，读数是50，而值是25mA。6．测量误差测量仪器仪表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。7/12第1章绪论7．单次测量和多次测量单次测量是用测量仪器对待测量进行一次测量的过程。在测量精度要求不高的场合，可以只进行单次测量。单次测量不能反映测量结果的精密度，一般只能给出一个量的大致概念和规律。多次测量是用测量仪器对同一被测量进行多次重复测量的过程。依靠多次测量可以观察测量结果一致性的好坏即精密度。通常要求较高的精密测量都须进行多次测量，如仪表的比对校准等。8/12第1章绪论8．等精度测量和非等精度测量在保持测量条件不变的情况下对同一被测量进行的多次测量过程称作等精度测量。这里所说的测量条件包括所有对测量结果产生影响的客观和主观因素如测量中使用的仪器、方法、测量环境，操作者的操作步骤和细心程度等。如果在同一被测量的多次重复测量中，不是所有测量条件都维持不变(比如，改变了测量方法，或更换了测量仪器，或改变了联接方式，或测量环境发生了变化，或前后不是一个操作者，或同一操作者按不同的过程进行操作，或操作过程中由于疲劳等原因而影响了细心专致程度等)，这样的测量称为非等精度测量或不等精度测量。9/12第1章绪论二、误差的表示方法1．绝对误差绝对误差定义为(2.1-1)式中Δx为绝对误差，x为测得值，A0为被测量真值。前面已提到，真值A0一般无法得到，所以用实际值A代替A0，因而绝对误差更有实际意义的定义是：(2.1-2)Δx＝x－A0Δx＝x－A10/12第1章绪论对于绝对误差，应注意下面几个特点：①绝对误差是有单位的量；②绝对误差是有符号的量；③测得值与被测量实际值间的偏离程度和方向通过绝对误差来体现。④对于信号源、稳压电源等供给量仪器，绝对误差定义为：Δx＝x－A(2.1-3)式中A为实际值，x为供给量的指示值(标称值)。11/12第1章绪论与绝对误差绝对值相等但符号相反的值称为修正值，一般用符号c表示(2.1-4)利用修正值和仪器示值，可得到被测量的实际值A＝x＋c(2.1-5)例如由某电流表测得的电流示值为0.83mA，查该电流表检定证书，得知该电流表在0.8mA及其附近的修正值部为－0.02mA，那么被测电流的实际值为：A＝0.83＋(－0.02)＝0.81mA智能仪器可利用内部的微处理器，存贮和处理修正值，直接给出经过修正的实际值。c＝－Δx＝A－x12/12