第1章 电子测量与仪器的基本知识

第1章电子测量与仪器的基本知识1.1电子测量的内容、特点和基本方法1.2测量误差1.3测量结果的数据处理1.4电子测量仪器简介本章小结1.1电子测量的内容、特点和基本方法1.1.1电子测量的概念和特点1.1.2电子测量的内容1.1.3电子测量的基本方法1.1.1电子测量的概念和特点测量是借助于测量仪器并采用一定的方法，获得客观事物本质的实验过程。为了确定被测量的准确数值，测量结果必须包含两部分，数值的大小和单位。如某电阻为10Ω，如果说它的电阻是10而没有单位，那是没有意义的。国际单位制1960年第十一届国际计量大会通过的一种单位制。世界上最先进、科学和实用的单位制。其国际代号为SI。国际单位制由7个基本单位、2个辅助单位和19个具有专门名称的导出单位所组成。所有单位都各有一个主单位，利用10进倍数和分数的16个词头组成SI单位的10进倍数单位和分数单位。7个基本单位分别是：①长度单位：米（m）。②质量单位：千克（kg）。③时间单位：秒（s）。④电流强度单位：安培（A）。⑤热力学温度单位：开尔文（K）。⑥物质量的单位：摩尔（mol）。⑦发光强度单位：坎德拉（cd）。它们彼此独立，并有严格的定义。电子测量与其它测量手段相比，具有如下鲜明的特点：（1）测量频率范围宽。其测量频率可以从直流到交流10HZ。（2）量程范围广。量程是什么？是在测量范围内上限值与下限值的差值。例如：一台电压表的测量上限为100V，下限值为0.5V，则该电压表的量程为99.5V。由于被测量的数值相差很大，所以要求测量仪器的量程越宽越好。（3）精确度高。精确度即精密度和准确度的总称。精密度反映测量结果的离散程度；准确度反映测量结果偏离真值的程度。（例如：进行N次射击，N个弹着点，图a精密度高但准确度低；图b精密度和准确度都高；图c精密度和准确度都差。）图a图b图c（4）测量速度快。电子测量是通过电子的运动和电磁波传播进行工作的，其速度可以用“瞬间”来形容，是其它速度无法比拟的。（5）易于实现遥测。电信号可以通过电磁波的方式传播，借助于各种类型的传感器，电子测量可以实现遥测、遥控。例如，人造卫星的发射，地面控制中心可以对卫星的运行状态、运行轨道等进行控制；卫星也可以把测量数据传送给地面中心。（6）易于实现自动化。由于微机的普及，各种电子测量可以借助于微机的强大数据处理能力，使测量速度大大提高，同时，微机还具有“人工智能”，使电子测量过程实现自动化，也可以自动控制被测量。1.1.2电子测量的内容电子测量到底能测量哪些量？主要包括以下几个方面。（1）电能量，如电压、电流、电功率等。（2）电路元器件参数，如电阻、电感、电容、阻抗等参数、晶体管参数以及集成电路参数的测量。（3）电信号的特征，如信号的波形和失真度、频率、周期、相位差、脉冲参数以及信号调制参数等。（4）电路参数，如衰减、增益、通频带（频带宽度）、灵敏度等。（5）特性曲线，如频率特性曲线、器件特性等。1.1.3电子测量的基本方法1.按测量手段分类（1）直接测量。利用电子仪器直接获得被测量的方法，如使用电压表测量电压，用万用表测量电阻等。（2）间接测量。通过直接测量几个参数，然后利用函数关系式运算出来被测量，这种测量方法称为间接测量。例如，要测量某电阻上消耗的功率，需要先测量出电阻两端的电压和通过电阻的电流，再通过关系式算出功率。（3）组合测量。被测量与多个未知量有关，要得到被测量，需要使用直接测量和间接测量，最后通过运算才能得到被测量的测量方法。2.按被测量性质分类（1）时域测量。时域测量是指被测量是时间的函数，随时间变化而变化，如温度、随时间变化的电流等。（2）频域测量。频域测量是指被测量随频率变化而变化，如放大器的频率特性等。1.2测量误差1.2.1测量误差的表示方法1.绝对误差测量值与其真值的差值，称为绝对误差，用下面公式表示。真值是一个客观存在，但又无法得到的理想数值（如果能测得真值讨论误差就没有意义），所以实际应用中通常用实际测量值来代替真值。这个测量值可不是一般的测量值，而是在满足一定误差要求前提下，用更高一级的标准仪器测量所得到的数值。2.相对误差绝对误差只能说明测量结果偏离实际值的程度，但不能确切反映测量的准确度。要想反映准确度，必需使用相对误差。0Axx绝对误差与被测量的真值之比，称为相对误差。如果用实际值取代真值，则可得到实际相对误差，用下式表示。如果用测量值取代真值，则可得到示值相对误差，用下式表示实际中常用绝对误差与满刻度值之比来表示相对误差，称为满度相对误差。测量仪器使用最大满度相对误差γmm乘以100来表示仪器的准确度，电工仪表按这种定义，共分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级。经验之谈：测量时要注意选择量程，尽量使仪表的指示在满度值的2/3以上区域，这样测量的结果准确。%100XxA%100AxA%100mmXx%100maxmmmXx1.2.2测量误差的来源1.仪器设备误差仪器本身及其附件造成的误差，包括仪器的零点漂移、刻度不准确以及非线性等。2.影响误差由于环境因素造成的误差，如温度、湿度、压力、振动、电磁场干扰、电源电压波动等。3.方法误差测量仪器和测量方法都是在一定的条件才能保证测量数据的准确度。如果在不满足条件下测量，得到的测量数据就会包含误差。另外，由于一些经验公式是近似公式，所以计算后得到的结果也会包含误差。4.人身误差由于人类个体的差异，如视力、工作习惯等因素引起的误差。1.2.3测量误差的分类1.系统误差系统误差是指在一定的条件下，测量误差的数值保持恒定或按一定规律变化的误差。系统误差是由于仪器本身或测量者造成的，因此可以采取一些测量技术和方法予以消除。2.随机误差在相同的条件下多次测量同一量值时，误差的大小和符号随机变化，称为随机误差或偶然误差。由于误差随机，因此可以采用多次测量取平均值的方法来削弱随机误差。3.粗大误差是在一定的测量条件下，测量数据明显偏离实际值所造成的测量误差。粗大误差是由于测量者本身或测量条件变化造成的，因此要养成良好的工作作风和严谨的工作程序，发现粗大误差后应当予以剔除。1.3测量结果的数据处理1.3.1有效数字测量结果有时用有效数字来表示。有效数字的末位是估计出来的，为欠准数字，含有误差。误差大小为欠准数字单位的一半。如2.56mA，误差为±0.005mA；2.560mA，误差为±0.0005mA。（1）“0”的意义。从左算起，第一个非0数字前面的“0”不算有效数字；而后面的“0”是有效数字。例如0.25表示两位有效数字，0.05表示1位有效数字，0.30则表示两位有效数字。（2）有单位的数字要注意书写方法。如1000mV可以写成1.000V，表示它有4位有效数字，如果缩写成1V则变成1位有效数字。（3）有效数字位数与误差的关系。在书写带有绝对误差的数字时，有效数字的末位应和绝对误差取齐，例如0.26±0.01，5.23±0.05。带有单位的有效数字也要和绝对误差取齐，例如6500kHz±1kHz，或者写成6.500MHz±1kHz，但不能写成6.5MHz±1kHz,也不能写成6500kHz±1000Hz。1.3.2数字的舍入规则1.数字的舍入原则由于数据的长度（位数）会影响计算的难度，所以在对测量数据进行运算前，要对测量数据进行舍入，简化数据，方便计算。但是，采用舍入原则时必需以满足误差的要求为前提。当保留位有效数字时，舍入的原则为：（1）若第位后面的数字大于5，则第位数字加1，第位后面的数字全部舍去。（2）若第位后面的数字小于5，则第位后面的数字全部舍去。（3）若第位后面的数字等于5，则第位的数字为偶数或零时全部舍去，第位的数字为奇数时，则第位数字加1，第位后面的数字全部舍去。2.近似运算法则（1）近似值相加减时，要把小数位数较多的数进行取舍，使其比小数位数最少的数多一位小数；计算结果保留小数位数要与原小数位数最少的相同。（2）近似值相乘除时，各因子保留的位数应比最少的多一位，运算结果的位数应与原位数最少者相同，与小数点位置无关。（3）乘方、开方或对数运算时，计算结果的位数与原位数相同。1.4电子测量仪器简介1.4.1电子测量仪器的分类电子测量仪器可以分为通用仪器和专用仪器。1.通用仪器信号发生器示波器扫频仪晶体管测试仪电子元件测量仪器逻辑分析仪器2.专用仪器专用仪器是指各个专业领域中测量特殊参量的仪器，如机械领域的超声波探伤；医疗部门的彩超、频谱治疗仪；电子产品生产线的在线测试仪等。1.4.2电子测量仪器的误差电子测量仪器的误差是电子测量仪器一项重要的质量和技术指标包括以下几类：（1）工作误差。工作误差是指在限定工作条件下，任意一点上测量的某项性能的最大误差。（2）固有误差。固有误差是在规定的条件下，仪器本身存在的误差。（3）影响误差。影响误差用来表明某项环境参数对测量仪器误差的影响程度。例如温度误差、频率误差等。这种误差只有在环境参数对工作误差起主要作用时才给出，它是一种误差的极限。（4）稳定误差。稳定误差是仪器的标称值在其他环境参量保持恒定的情况下，在规定的时间内产生的误差极限。习惯上以相对误差或最长连续工作时间的形式给出。本章小结测量是人们认识世界和改造世界的手段，尤其是以电子仪器的测量技术最为完善。在测量中涉及到测量方法、误差的概念及数据的处理。在电子测量测量技术中的工具就是电子仪器，了解和掌握常用电子仪器的功能和使用是以后要学习的重点内容。