电子测量技术及仪器第二章

电子测量技术及仪器本课主要讲授内容测量误差和测量结果处理电压的测量技术集中参数的测量技术频率与时间的测量技术波形测试与仪器相位差的测量技术教材:《电子测量技术》林占江，电子工业出版社主要参考文献1、《电子测量技术基础》张永瑞等编，西安电子科技大学出版社2、《电子测量与仪器》张学庄等编，湖南科技技术出版社3、《电子测量仪器原理及应用》王松武等编，哈尔滨工程大学出版社4、《电子测量仪器与应用》李明生等编，电子工业出版社5、《电子测量》蒋换文等编，中国计量出版社第一章绪论§1.1电子测量的意义及特点一、电子测量的意义测量是人类对客观事物取得数量概念的认识过程，在这种认识过程中，人们借助于专门的设备，依据一定的理论，通过实验的方法，求出以所用的测量单位来表示的被测量的量值。测量结果的量值由两部分组成：数值和单位。电子测量泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术，是电子学与测量学相结合的产物。近代科学技术的水平是由电子测量技术的水平来保证和体现的，电子测量技术的水平也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志。二、电子测量的内容·电能量的测量（各种频率和波形的电压、电流、电功率等）；·电信号特性的测量（信号波形、频率、相位、噪声及逻辑状态等）；·电路参数的测量（阻抗、品质因数、电子器件的参数等）；·导出量的测量（增益、失真度、调幅度等）；·特性曲线的显示（幅频特性、相频特性及器件特性等）。三、电子测量的特点：1、测量频率范围宽(10-6HZ~1012HZ)2、测量量程宽YM3371数字频率计:10HZ~~1000MHZWC2180交流微伏表:5微伏~~300伏1:6*1073、测量准确度高低相差悬殊4、测量速度快5、易于实现遥测6、易于实现测量自动化和测量仪器微机化7、影响因素众多，误差处理复杂§1.2电子测量的方法及仪器分类一、电子测量的一般方法根据不同的测量对象、测量要求、测量条件，选择正确的测量方法，合适的测量仪器，构成实际的测量系统，进行正确细心的操作，才能得到理想的测量结果。（一）按测量手段分类：（二）按测量方式分类：（三）按被测量的性质分类：1、直接测量：指直接从测量仪表的读数获得被测量量值的方法。测量过程简单迅速2、间接测量：利用直接测量的量与被测量之间的函数关系间接得到被测量量值的测量方法。此法费时费事3、组合测量：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。电阻器电阻温度系数的测量：220)20()20(ttRRt1、偏差式测量方法：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。优点简单方便、测量速度快。2、零位式测量法：测量时用被测量与标准量相比较，用指零仪表指示被测量与标准量相等（平衡），从而获得被测量。优点：测量准确度高；缺点：速度慢3、微差式测量法偏差式与零位式相结合兼有二者优点1、时域测量2、频域测量3、数据域测量4、随机测量精密测量、工程测量；自动测量、非自动测量；本地测量、遥测；接触测量、非接触测量；电量测量、非电量测量二、测量仪器的功能：变换、传输、显示三、测量仪表的主要性能指标：1、精度：测量仪器的读数或测量结果与被测量真值相一致的程度。2、稳定度：在规定的时间内，其它外界条件恒定不变的情况下，仪表示值变化的大小。3、输入阻抗：4、灵敏度：测量仪表对被测量变化的敏感程度。5、线性度：仪表输出量随输入量变化的规律。6、动态特性：仪表的输出响应随输入变化的能力。四、测量仪器的分类1、电平测量仪器：合成电平发生器MG443B(日本)1、电平测量仪器：美国吉时利仪器公司：2182纳伏表比早期型号的纳伏表或者灵敏的数字多用表具有更低噪声2、电路参数测量仪器：FM868B万能电桥本品携带方便，内有信号源、选频式交流指零仪，内电路可变换为麦氏、海氏、惠氏等桥路，测量电容、电感、电阻十分方便，2、电路参数测量仪器：5867便携式数字Q表：用于发电机、电动机、变压器绕组Q参数测试，以便查找故障。2、电路参数测量仪器：LCR131LCR测试仪：测量阻抗，感抗，容抗3、频率、时间、相位测量仪：HG4180数字相位计：测量两路同频电压之间的相位差,并可作为五位显示的频率计4、波形测量仪器：5、信号分析仪器：傅立叶频谱分析仪HP3562A动态信号分析仪6、模拟电路特性测试仪器：扫频仪(日本)7、数字电路特性测试仪器：HP16500A逻辑分析仪+数字示波器8、测试用信号源：§1.3新型数字仪表的发展趋势广泛采用新技术、不断开发新产品广泛采用新工艺多重显示仪表安全性常见的保护装置：1、过流保护装置：快速熔断器、熔断电阻器、限流电阻2、过压保护装置：双向限幅二极管、火花放电器等操作简单化比利时：DSA-720型智能动态信号分析仪、惠普公司：6510B型逻辑分析系统。第二章测量误差分析与数据处理§2.1测量误差的基础知识§2.1.1基本概念一、误差1、真值：指该物理量在测量进行的时间和空间条件下的真实量值。2、实际值：在每一级比较中，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。3、标称值：测量器具上标定的数值为标称值。由于制造和测量精度不够以及环境等因素的影响，标称值不一定等于它的真值或实际值。4、示值：测量器具指示的被测量的量值，包括数值和单位。示值与仪表的读数有区别。对于数字显示的仪表，其示值与读数一致。5、测量误差：测量仪表的测得值与被测量的真值之间的差异。产生误差的原因：测量器具不准确、测量手段不完善、环境影响、测量操作不熟练、工作疏忽。具有必然性和普遍性6、单次测量和多次测量：7、等精度测量和非等精度测量：二、误差的表示方法：1、绝对误差：（1）定义：由测量所得到的被测量值x与其真值A0的差。△x=x-A0A0可用实际值A代替：△x=x-A是有单位有符号的量【例2.1.1】一个被测电压，其真值U0为100V，用一只电压表测量，其指示值U为101V，则绝对误差△U=U-U0=101-100=1V注意啦!(2)修正值（校正值）：与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值称为修正值，用C表示。【例2.1.2】一台晶体管毫伏表的10mV挡，当用其进行测量时，示值为8mV，在检定时8mV刻度处的修正值是-0.03mV，则被测电压的实际值为U=8+(-0.03)=7.97(mV)*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，但仅用绝对误差，通常不能说明测量的质量。想想!2、相对误差：（1）定义：测量的绝对误差与被测量的真值之比。A0可用实际值A代替实际相对误差：示值相对误差：【例2.1.3】测量两个电压，其实际值为U1=100V,U2=5V，而测得值分别为101V和6V。则绝对误差为△U1=101-100=1V△U2=6-5=1V相对误差为：γ1=△U1/U1=1%γ2=△U2/U2=20%%100Ax%100xxx%1000Ax(2)满度相对误差(引用误差):我国电工仪表的准确度等级S就是按满度误差分级的,可划分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七级。【例2.1.4】某电压表S=1.5，试计算出它在0V~100V量程中的最大绝对值误差。%100mmmxx【例2.1.5】某1.0级电流表,满度值Xm=100vA,求测量值分别为X1=100vA，X2=80vA，X3=20vA时的绝对误差和示值相对误差。通过计算你能得到什么结论?说说看!结论：1、在同一量程内，测得值越小，示值相对误差越大。2、仪表的准确度并不是测量结果的准确度，通常测得值的准确度将低于仪表的准确度等级。3、在进行量程选择时应尽可能使示值接近满度值，一般以示值不小于满度值的2/3为宜。【例2.1.6】要测量100℃的温度，现有0.5级,测量范围为0~300℃;1.0级测量范围为0~100℃的两种温度计,试分析各自产生的示值误差.(3)分贝误差：分贝误差是用对数形式表示的一种误差，单位为分贝(dB).分贝误差广泛用于增益(衰减)量的测量中。【例2.1.7】某电压放大器，当输入端电压Ui=1.2mv时,测得输出电压Uo=6000mv,设Ui误差可忽略,Uo的测量误差为±3%.求:放大器电压放大倍数的绝对误差,相对误差,及分贝误差和实际电压分贝增益.§2.1.2测量误差的来源一、仪器误差(设备误差）:读数误差、噪声误差、稳定误差、动态误差、辅助设备误差二、使用误差（操作误差）:是由于对测量设备操作使用不当减少使用误差的最有效途径是提高操作技能三、人身误差：由于测量者感官的分辨能力、视觉疲劳、固有习惯等而对测量中实验中的现象与结果判断不准确而造成的。四、影响误差是指各种环境因素与要求条件不一致环境温度、湿度、电源电压、电磁干扰等五、方法误差（理论误差）使用的测量方法不当，测量依据的理论不严密、对测量计算公式不适当简化等原因造成的。§2.1.3测量误差的分类一、系统误差1、定义：在多次等精度测量同一量值时，误差的绝对值和符号保持不变，或当条件改变时按某种规律变化的误差称为系统误差，简称系差。2、分类：恒定系差、变值系差（累进性系差、周期性系差、按复杂规律变化的系差）3、系统误差的主要特点：条件不变，误差不变条件改变，误差遵循某种确定的规律而变化，具有可重复性。4、产生系差的原因：测量仪器设计原理及制作上的缺陷测量时环境条件与仪器使用要求不一致采用近似的测量方法或近似的计算公式测量人员主观原因二、随机误差1、定义：对同一量值进行多次等精度测量时，其绝对值和符号均以不可预定的方式无规则变化。2、特点：有界性、对称性、补偿性NRiViNRiVi185.30+0.09985.210.00285.71+0.501084.97-0.24384.70-0.511185.19-0.02484.94-0.271285.35+0.14585.63+0.421385.210.00685.24+0.031485.16-0.05785.36+0.151585.32+0.11884.86-0.35平均值85.21∑Vi=0可以看出以下几点：①正负误差出现的概率基本相等，反映了随机误差的对称性.②误差的绝对值介于(0,0.1)(0.1,0.2)(0.2,0.3)(0.3,0.4)、(0.4，0.5)区间，大于0.5的个数分别为6、3、2、1、2个和1个，反映了绝对值小的随机误差出现的概率大，绝对值大的随机误差出现的概率小.③∑ui＝0，正负误差之和为零，反映了随机误差的抵偿性。④所有随机误差的绝对值都没有超过某一界限，反映了随机误差的有界性。R3、随机误差产生的主要原因：测量仪器产生的噪声、零部件配合的不稳定、摩擦、接触不良温度及电源电压无规则波动，电磁干扰等测量人员感觉器官的无规则变化而造成的读数不稳定等三、粗大误差1、定义：在一定的测量条件下，测得值明显地偏离实际值所形成的误差，称为疏忽误差。2、产生原因：测量方法不当测量操作疏忽和失误测量条件的突然变化四、测量结果的评定精度定义：测量结果与被测量真值相一致的程度。不仅用来评价测量仪器的性能，也是评定测量结果的最主要最基本的指标。精密度：表示测量结果的分散程度。反映随机误差的影响。准确度：说明仪表指示值与真值的接近程度。反映系统误差的大小。精确度：是精密度和准确度的综合反映。§2.2随机误差的分析一、测量值的数学期望和标准差1、数学期望（总体平均值）：注意：☆随机误差的数学期望为0.☆测得值的数学期望等于被测量真值.)1(lim1niinxxnE2、残差（剩余误差）：注意：☆残差的代数和等于0.☆当测量次数趋于无穷时，残差等于随机误差.3、方差