电子测量-基础

电子测量及仪器仪表第一章电子测量基础知识基本概念及术语欧姆定律：R=V/I；串并联定律。电量电压：伏[特]，V，电流：安[培]，A，电感：亨[利]，H，电容：法[拉]，F，电阻：电阻遵循欧姆定律，R=V/I，通过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。极性：电压或电流的方向。直流电：电压相对时间来说是一相同值。交流电：电压相对时间来说以某种频率变化。最简单的形式是正弦波。功率：单位时间内所作的功。均方根值：RMS值，对波形的每一点电压进行平方，平方后波形的平均值的平方根就是RMS值平均值：假设波形经过全波整流后的波形平均值。峰峰值：从负峰值到正峰值的差值。相位：相位是一种相对概念。正弦波：V(t)=Vsin(2πft+θ)非正弦波：谐波：周期波含的一切频率分量称谐波。谐波的频率是基波的整数倍。方波：由基波加无数奇次谐波的所构成的周期波。调制信号：一种波的某些特性或参数随另一种波的瞬时值而变化的过程，称为调制。分贝：两个功率电平之比，dB=10log[12pP]绝对分贝值：dB=10log[REFpP2]测量误差：测量结果减去被测量的真值。阻抗：器件的阻抗由下式确定：Z=IPOVPOIV=ZPOPOIV=R+j*X带宽：测量AC波形的仪器通常有某种最大频率，超过它，测量精度会下降。该频率为仪表的带宽，通常指3dB带宽。上升时间：波形从一种电压变至另一种电压的时间。上升时间通常在过渡的10%至90%处测量。量/量值：可以定性区别和定量确定的现象、物体或物质的属性。计量学：计量是计量学的简称。测量的科学测量：以确定量值为目的的一组操作。测试：对给定的产品、材料、设备、生物体、物理现象、过程和服务，按照规定的程序确定一种或多种特性或性能的技术操作。校准：在规定条件下，为确定测量仪器或测量系统所指示的量值，或实物量具、标准物质所代表的量值，与对应的计量标准所复现的量值之间关系的一组操作。检定：由法定计量技术机构确定与证实测量器具是否完全满足要求而做的全部工作。电子测量的意义测量是人类认识和改革客观世界的一种重要手段。人们通过测量可以对各种事物形成定性和定量的认识，总结规律。测量水平已被世界公认为一个国家的科技水平和现代化水平的重要标志之一。电子测量是随着电子科学技术的发展而逐步形成和发展起来的一个重要领域。电子科学技术的发展和电子测量技术是密切联系相辅相成，互相依赖的。电子科学技术不断向电子测量提出新的课题和要求。电子测量的准确度是影响电子科学技术进步的主要原因。电子测量技术不但是保证试验数据准确一致的基础条件，而且还是验证科学理论正确性，发现新现象从而建立新的原理的手段。二战后雷达技术的迅速发展，使微波测量及脉冲参数测量成为电子测量的重要组成部分。电子测量已经成为现代工业的重要基础，它直接影响产品的质量或工程的成败。单位和单位制我国法定计量单位由国际单位制（SI）单位，国家选定的非国际单位制单位，由上述两种单位构成的组合形式的单位。国际单位制单位：SI基本单位：长度：米，m，光在真空之中1/299792458s的时间间隔内所经路经的长度。质量：千克，kg，国际千克原器的质量。时间：秒，s，1s是与铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。电流：安[培]，A，真空中，截面积可忽略的两根相距1m的无限长平行圆直导线内通以恒量电流时，若导线间相互作用力在每m长度上为2×10-7N，则每根导线的电流为1A。热力学温度：开[尔文]K物质的量：摩[尔]mol发光强度：坎[德拉]cd国际单位制中具有专门名称的导出单位平面角：弧度，rad频率：赫兹，Hz力：牛[顿]，N压力，压强，应力：帕[斯卡]，Pa能[量]，功，热量：焦[耳]，功率，辐射通量：瓦[特]，电荷[量]：库[仑]C电压，电位，电动势：伏[特]，电容：法[拉]，F，电感：亨[利]，H，电阻：欧姆，Ω摄氏温度：摄氏度，℃磁通[量]：韦[伯]，Wb磁通[量]密度，磁感应强度：特[斯拉]TSI单位的倍数单位：由SI词头和SI单位构成SI词头：因数词头名称符号1015拍[它]P1012太[拉]T109吉伽G106兆M103千k102百h101十da10-1分d10-2厘c10-3毫m10-6微μ10-9纳[诺]n10-12皮[可]p10-15飞[母托]f国家选定的非国际单位制单位时间：分min、（小）时h、天（日）d平面角：秒″、分′、度°旋转速度：转每分r/min长度：海里nmile=1852m速度：节kn=1nmile/h质量：吨t、原子质量单位u体积：升L能：电子伏eV级差：分贝dB线密度：特[克斯]tex面积：公顷hm2电子测量的内容电子测量可以从下列不同的角度分类：1.按测量对象分类（1）能量信号：电流、电压、功率、电场强度、电磁干扰等。（2）有关信号特征的参数：频率、相位、波形参数、频谱参数、调制参数、噪声等。（3）有关电路元件和材料的参数：阻抗活导纳、电感、电容、品质因数、介电常数等。（4）有关网络（有源/无源）特征参数：衰减、增益、群延时等传输参数，SWR、反射系数等反射参数，带宽，噪声系数等。2.按频率分类激光微波亚毫米波远红外线毫米波极高频厘米波特高频分米波超高频米波甚高频短波高频中波中频长波低频3.按信号与系统分析分类可把电子测量分为时域、频域、数据域、调制域测量电子测量的特点1.量程和频带范围宽功率：外空信号小到10-14W，而远程雷达功率到108W；频率计：10-6到1011Hz，电子测量的工作频率范围非常宽，从而带来测试方法上的差异。比如阻抗、1mm1cm1dm1m10m100m1km10km300GHz30GHz3GHz300MHz30MHz3MHz300kHz30kHz电压等的测量2.测量准确度差别大时间频率测量的准确度到10-13，而别的准确度都差好几个量级。由于导出单位比基本单位的准确度要差，电子测量的各个量的准确度（除频率外）比其它单位都要低。3.影响参数多，影响特性复杂影响电子测量的影响量很多，如温度、电源电压、显示等，测量仪器内部的元器件的互相影响等。都影响了测量准确度。4.测量误差难处理由于测量的影响量较多，而且影响特性很难描述和定量，所以电子测量的测量误差较难处理5.自动化、智能化计算机技术进入测量领域后大大提高了电子测量的自动化和智能化程度。比如误差修正、自动校准、自动故障诊断等。大大提高了测量精度和测量效率。第二章误差及数据处理1．测量误差（1）被测量measurand定义：受测量的特定量。被测量的真值就是被测量的定义值，又称被测量值。被测量的定义通常要规定某些特定物理状态条件。例如：标称值为1m长的钢棒，要测准到微米量级时，应规定定义长度的温度和压力，因此被测量可定义为：某棒在25.00°C及101325Pa时的长度（若有必要，还可能加湿度、棒的支撑方式等条件）。若只测到毫米量级，其定义就无需规定温度、压力或其他条件。（2）影响量influencequantity定义：不是被测量但对测量结果有影响的量。例如：用千分尺测棒的长度时受温度的影响，则长度是被测量，温度是影响量。用电压表测量电压源的输出电压时受频率的影响，则电压是被测量，频率是影响量。(3)测量结果resultofameasurement定义：由测量所得的赋予被测量的值。测量结果通常是多次重复测量的测量值的算术平均值，有未修正的测量结果，和已修正的测量结果。对间接测量和组合测量来说，测量结果还需由测量值通过计算得到。（4）测量误差errorofmeasurement定义：测量结果减去被测量的真值。测量的目的就是要确定被测量的量值。但由于人们对客观规律认识的局限性，测量设备的不准确；测量方法的不完善；温度、压力、振动、干扰等环境条件的不理想；测量人员的技术水平等原因都会使测量结果与被测量的定义值（即真值）不同。因此测量误差的存在是客观和普遍的。设测量误差用Δ表示，真值为'0X测量结果为X。则：Δ=X-XO，Δ/XO称相对误差。绝对误差有大小和符号，其单位与测量结果的单位相同，如三角形的三个内角之和的理论值为180O，实测结果为178O，则绝对误差为-20，符号为负，说明测量结果小于真值。绝对误差与真值之比称为相对误差。相对误差只有大小和符号，没有量纲。由于通常情况下真值是不知道的，因此无法准确确定测量误差的值。测量误差按其性质可分为随机误差和系统误差两种：①随机误差randomerror定义：测量结果减去在重复条件下对同一被测量进行无限多次测量结果的平均值。②系统误差systematicerror定义：在重复条件下对同一被测量进行无限多次测量结果的平均值减去被测量的真值。假设：Δ——测量误差；δ——测量的随机误差；З——测量的系统误差；μ——无限多次测量结果的算术平均值，即期望；X——测量结果；XO——被测量的真值。则：随机误差：δ=X-μ系统误差：З=μ-XO误差：Δ=X-XO=δ+З由于影响量的不可预期的随机变化，每个测量值随机地偏离其期望值，这就是随机误差。随机误差不是测量值的实验标准偏差或其倍数（以前的书中是这样认为的，现在已对随机误差重新定义了），这一点要特别注意。由于某种影响量的影响，使测量值的期望偏离真值，这就是系统误差。在实际工作中，测量不可能进行无穷多次，通常又不知道被测量的真值，因此无论随机误差还是系统误差都是理想的概念，无法知道其值的大小，但可以通过改进测量方法，测量设备及控制影响量等方法减小客观存在着的测量误差。（5）修正值correction定义：以代数法相加于未修正测量结果，用于补偿系统误差的值。由于系统误差不可能完全准确知道，只能用有限次测量的平均值减去被测量的约定真值得到当前条件下所识别的系统误差估计值。通常在给定地点，由测量标准所复现而赋予的量值取作为约定真值，可称为标准值。修正值在数值上等于系统误差估计值的绝对值，但符号与系统误差的符号相反。约定真值的定义：认为是特定量的有时约定所取的值，就给定目的而言，该值具有相当的不确定度，约定真值有时称为指定值、最佳估计值、约定值或标准值。注意：现在国际上不推荐使用“实际值”这个术语（在JJG1001-91中实际值的定义是为满足规定准确度而用来代替真值使用的量值）。测量结果的修正值C可用下式计算C=XS-X式中：C—为测量结果的修正值；XS—标准值；X—算术平均值，即测量结果。对计量器具的示值或标称值的修正值可用下面公式计算：C=-b=XS-X式中：C—为示值或标称值的修正值；b—计量器具示值的系统误差估计值，称为偏移；XS—为校准值；X—为被校计量器具的示值或标称值。计算举例：用某温度计对水温进行测量，重复测量8次得到测量数据为：19.9°C,19.8℃,20.5℃,20.1℃,19.6℃，19.8℃，20.3℃，20.0℃。你如何知道对该温度计测量结果是否需要修正？如果要修正，修正值为多大？已修正的测量结果多大？解：①计算测量结果X=8181iXi=20.0℃②用计量标准对温度计在20℃处进行校准。得到的校准值为20.4℃③计算测量结果的实验标准偏差S(X)=S(X)/nS(X)=1n)XXi(n1i2=0.29℃S(X)=0.29/8=0.10℃④计算结果与校准值之差bb=20.0℃-20.4℃=-0.4℃⑤∵b3S(X)，偏移大于三倍标准差，所以应该修正。⑥计算修正值C℃=20.4℃-20.0℃=0.4℃⑦已修正的测量结果XOXc=X+C=20.0℃+0.4℃=20.4℃此例中，由于校准值及测量结果都有不确定度，因此修正值也有不确定度。系统误差是不可能完全被修正掉的，修正只能减小系统误差，但同时增加了修正引起的测量不确定度。在有些情况下，修正也可采用对未修正测量结果乘一个修正因子来补偿系统误差。（6）[测量仪器的]最大允许误差maximumpermisibleerrors[ofameasuringinstrument]该术语又可称为“[测量仪器的]允许误差极限”limitsofpermissibleerror[