电子测量技术基础.ppt

第1章 电子测量技术基础,1.1 电子测量概述 1.2 计量的基本概念 1.3 测量误差的概念与表示方法 1.4 电子测量仪器概述 1.5 电子测量仪器的正确使用 本章小结,1.1 电子测量概述,1.1.1 电子测量的意义 1.1.2 电子测量的内容 1.1.3 电子测量的特点 1.1.4 电子测量的分类,1.1.1 电子测量的意义,测量是通过实验方法对客观事物取得定量数据的过程。在这个过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。 测量结果的量值由两部分组成：测量数值（大小及符号）和相应的单位名称，即 测量结果X测量数值测量单位 （1-1） 没有单位的量值是没有意义的，如将交流电的电压表示为220，没有加单位“伏（V）”，就毫无意义。 电子测量是泛指一切以电子技术为基本手段的一种测量。具体来说，是以电子技术理论为依据、电子测量仪器和设备为手段，对各种电量、非电量、电信号以及电子元器件的特性和参数进行的测量。,1.1.2 电子测量的内容,从广义上说，凡是利用电子技术进行的测量皆为电子测量。从狭义上讲，电子测量是指在电子学中测量有关电参量的值。它所涉及的内容通常包括以下几方面： （1）电能量的测量。 （2）电路元器件参数的测量。 （3）电信号特性的测量。 （4）电子设备性能的测量。 （5）特性曲线的显示。 除了对电参量的测量外，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。对非电量的测量通常是利用传感元件将被测物理量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。,1.1.3 电子测量的特点,具有以下几个显著的特点： （1）测量频率范围宽。被测信号的频率范围除测量直流外，测量交流信号的频率范围可低至10-6Hz，高至1012Hz左右。 （2）测量量程宽。量程是仪器所能测量各种参数的范围，通常指测量范围的上下限之差或上下限之比。 （3）测量准确度高。电子测量的准确度可以达到相当高的水平，特别是对频率和时间的测量，可以达到10-1310-14量级，是目前在测量准确度方面所能达到的最高指标。 （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智能化。,1.1.4 电子测量的分类,1按测量手段分类 （1）直接测量 指用已标定的仪器对某一待测未知量直接进行测量，或者是将未知量与其同类的标准量在仪器中进行比较，从而直接获得未知量的数值的方法。 （2）间接测量 对与未知待测量有确切函数关系的其他变量进行直接测量，然后再通过该函数关系（可以是公式、曲线或表格等）计算出待测量的方法，称为间接测量。 （3）组合测量 是一种兼用直接测量与间接测量的方法。,2按被测信号的性质分类 （1）时域测量 时域测量是测量被测对象随时间变化的规律。 （2）频域测量 频域测量是测量被测对象与频率之间的关系。 （3）数据域测量 数据域测量也称逻辑量测量，是指对数字系统逻辑状态进行的测量。 （4）随机测量 随机测量是指对各类噪声信号进行动态测量和统计分析。,3按对测量精度的要求不同分类 （1）精密测量 精密测量是指基础性、探索性、先行性的测量科学研究，通常用最新的科技成果来精确地实施测量，并为最新的科技发展提供可靠的测量基础。精密测量多在计量室或实验室中进行，对测量准确度要求很高。 （2）工程测量 工程测量是指各种工程、工业、企业中的实用测量，例如有关能源或材料的消耗、工艺流程的监控以及产品质量与性能的测试等。工程测量涉及面甚广，已成为生产过程控制不可缺少的环节。工程测量对测量准确度要求不很严格，但所选用的仪器的准确度等级必须满足实际使用的需要。,1.2 计量的基本概念,1.2.1 计量 1.2.2 单位制 1.2.3 基准和标准 1.2.4 量值的传递与跟踪,1.2.1 计量,一个被测量是否可以测量，须满足两个基本前提条件： 被测量必须有明确的定义； 测量标准必须建立，并被大家公认。 计量是为了保证量值的统一和准确一致的一种测量，它是利用技术手段实施的一种特殊形式的测量，即把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否，并给出具有法律效力的检定证书。 计量有三个主要特征：统一性、准确性和法制性。它包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动，如单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监督管理、测量方法及其手段的研究等。,计量按具体内容可分为： （1）科学计量。科学计量是指基础性、探索性及先进性的计量科学研究。科学计量通常是计量科学研究单位，特别是国家计量科学研究单位的主要任务。 （2）工程计量。在国内外的计量文献中，通常将工程计量称为工业计量，是指各种工程、工业企业中的应用计量。 （3）法制计量。法制计量是为了保证公众安全，国民经济以及社会发展，根据法制、技术和行政管理的需要，由政府或官方授权进行的、强制性管理的计量。主要包括对计量器具（特别是计量基准、标准）、计量方法和计量精确度、计量人员的专业技能等的明确规定和具体要求。,1.2.2 单位制,单位是有明确定义和名称并令其数值为1的固定量。是表征测量结果的重要组成部分，又是对两个同类量值进行比较的基础。 我国法定计量单位以国际单位制（SI）为基础，并包括10个我国选定的非国际单位制单位，如时间（分、时、天），长度（海里），质量（吨）和体积（升）等。 在国际单位制中，单位制分为基本单位、导出单位和辅助单位。基本单位是指彼此无关、分别加以确定的物理量单位，共7个，如表1-1所示。,导出单位是指由基本单位通过定义、定律或其他函数关系推导、派生出来的各种导出量值。 国际上把既可作为基本单位又可作为导出单位的单位，单独列为一类，并称为辅助单位，分别是平面角的单位弧度（rad）和立体角的单位球面角（sr）。由基本单位、导出单位和辅助单位构成的完整体系称为单位制。,1.2.3 基准和标准,计量基准器具简称计量基准，是指用以复现和保存计量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。计量基准器具的地位，国家以法律形式予以确定。 （1）国家计量基准（主基准）。国家计量基准是用来复现和保存的计量单位，具有现代科学技术所能够达到的最高精确度的计量器具，经国家鉴定并批准，作为统一全国计量单位量值的最高依据。国家计量基准只用于对副基准、工作基准的定度或校准，不直接参与日常计量。 （2）国家副计量基准（副基准）。国家副计量基准是通过直接或间接与国家计量基准比对来确定其量值，并经国家鉴定批准的计量器具。副基准主要是为了维护主基准而设的，一般也不用于日常计量。,（3）工作计量基准（工作基准）。工作计量基准是经与主基准或副基准校准或比对，并经国家鉴定，实际用于检定计量标准的计量器具。设立工作基准的目的是不使国家基准由于频繁使用而丧失其应有的精确度或遭到破坏。 根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准量具或仪器，称为计量标准器具，简称标准。计量标准的准确度等级在工作基准之下，工作计量器具之上。按精度高低又分为一级标准、二级标准和三级标准。通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检定，确定其量值的精确度大小。 在工作岗位上使用，直接用来测量被测对象量值的计量器具，称为工作计量器具，简称量具。,1.2.4 量值的传递与跟踪,几个相关术语： （1）比对。在规定条件下，对相同准确度等级的同类基准、标准或工作计量器具之间的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性。 （2）检定。检定是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较，以达到全面评定被检计量器具的计量性能是否合格的目的。一般要求计量标准的准确度为被检者的1/31/10。 （3）校准。校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较，以确定被校计量器具的示值误差（有时也包括确定被校器具的其他计量性能）的全部工作。一般而言，检定要比校准包括更广泛的内容。,（4）量值的传递与跟踪。量值的传递与跟踪是指一个物理量单位通过各级基准、标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量仪器、量具，以保证量值统一的全过程。 量值的传递是按照主基准、副基准、工作基准、各级标准逐级向下传递，一直传递到不同精度的量具和仪器。检定就是量值的传递的具体形式，量值的传递的准则是：高一级计量器具检定低一级计量器具的精确度，同级计量器具的精确度只能通过比对来鉴别。如此一级一级地对计量器具进行检定，就能保证全国范围内计量器具都统一在国家基准的监理之下。 量值的传递是根据法定的传递和检定规程进行，国家设有计量部门专门从事基准和标准的研究、建立、保存和传递工作，所以计量具有法制的性质。,1.3 测量误差的概念与表示方法,1.3.1 测量误差及其产生的原因 1.3.2 测量误差的分类 1.3.3 测量结果的评定 1.3.4 测量误差的表示方法 1.3.5 测量结果的数据处理,1.3.1 测量误差及其产生的原因,1测量误差,一个量在被观测时，该量本身所具有的真实大小称为真值（通常用A0来表示）。但是在测量中，人们通过实验的方法来求被测量的真值时，由于对客观规律认识的局限性，测量器具不准确，测量手段不完善，测量条件发生变化及测量工作中的疏忽或错误等原因，都会使测量结果与真值不同，这个差别就是测量误差。 误差就是测量值与真值之差，可用下式表示 误差测量值真值 （1-2） 例如，在对某电压的测量中，真实电压为5V，测得的电压值为4.9V，则误差4.950.1（V）,2产生测量误差的原因,（1）仪器误差。由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器在使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差称为仪器误差，它是测量误差的主要来源之一。 （2）方法误差。由于测量方法不合理造成的误差称为方法误差。例如，用普通指针式万用表测量高内阻回路的电压。 （3）理论误差。测量方法建立在近似公式或不完整的理论基础上，以及用近似值计算测量结果时所引起的误差称为理论误差。,（4）影响误差。由于各种环境因素（温度、湿度、气压、声音、光照、机械振动、电磁场、放射性、电源电压等）与测量所要求的条件不一致而引起的误差，称为影响误差。通常电子测量仪器必须在额定使用环境下工作，才能保证各项技术指标的准确度。 （5）人身误差。由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心、经验等原因，而在测量中仪器操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差称为人身误差。如指针式万用表测量电阻前未校零引起的误差，谐振法测量L、C、Q时谐振点判断不准造成的误差等。 （6）测量对象变化误差。主要是在测量过程中，由于测量对象变化而使得测量值不准确所造成的误差。如由于振荡器的振荡频率不稳定，则测量其频率必然要引起误差。,1.3.2 测量误差的分类,按照误差的性质和特点，可将测量误差分为随机误差、系统误差和粗大误差三大类。 1随机误差 随机误差又称偶然误差，是指在相同条件下，多次测量同一量值时，误差的绝对值和符号均以不可预定的方式变化的误差。 就一次测量而言，随机误差没有规律，是不可预知的。但是，当测量次数足够多时，其总体服从统计规律，多数情况下接近于正态分布。,这一类误差的特点是，在多次测量中误差绝对值的波动有一定的界限，即具有有界性；正负误差出现的机会相同，即具有对称性，如图1-1所示。图中，A0是假设没有任何误差情况下的真值，小黑点是各次测量的测量值。当测量次数n足够多时，随机误差的算术平均值趋于零，即具有抵偿性。,图1-1 随机误差的有界性和对称性,根据上述特点，可以通过对被测对象进行多次测量取平均值的方法来削弱随机误差对测量结果的影响。亦因如此，对于随机误差可以用数理统计的方法来处理。,2系统误差 在相同条件下，多次测量同一量值时，误差的绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。有时，被测量所处的环境条件发生了变化，但误差依旧有规律可循，通常认为这类误差也是系统误差。 3粗大误差 粗大误差是一种显然与实际值不符的误差，又称疏失误差、粗差或差错。通常，粗大误差是由于读数错误、测量方法错误、测量仪器有缺陷、操作错误以及测量条件的突然变化等原因造成的。粗大误差明显地歪曲了测量结果，其数值远远大于系统误差和随机误差。 含有粗大误差的测量值被称为坏值或异常值，在数据处理时，应将其剔除掉。在剔除粗大误差后，只剩下系统误差和随机误差。,上述三种误差同时存在的情况可以用图1-2（a）表示。图中，A0表示真值，小黑点表示各次测量值xi，Ex表示xi的平均值，i表示随机误差，表示系统误差，xk表示粗大误差（坏值），它离真值A0较远。,图1-2 三种误差同时存在的情况,1.3.3 测量结果的评定 为了正确的说明测量结果，通常用准确度、精密度和精确度来综合评定，它们的意义如下： 1准确度 指测量值与真值的接近程度。反映系统误差的影响，系统误差小则准确度高，但可能存在较大的随机误差。如图1-3所示。,图1-3 准确度示意图,2精密度 它指测量值重复一致的程度。测量过程中，在相同条件下用同一方法对某一量进行重复测量时，所测得的数值相互之间接近的程度。数值愈接近，精密度愈高。换句话说，精密度用以表示测量值的重现性，反映随机误差的影响。如图1-4所示。,图1-4 精密度示意图,3精确度 它反映系统误差和随机误差综合影响的程度。精确度高，说明准确度及精密度都高，意味着系统误差及随机误差都小。一切测量都应力求实现既精密而又准确。如图1-5所示。,图1-5 精确度示意图,1绝对误差 测量结果与被测量真值之差称为绝对误差。设被测量的真值为A0，而测量结果为X，则绝对误差X可以表示为 XXA0 （1-3） 式中，X既有大小，又有符号和量纲。测量结果是指由测量所得到的被测量值，即由测量仪器所指示的被测量值，通常称示值。 实际应用中通常用约定真值（也称实际值）A来代替真值A0，即 XXA （1-4）,1.3.4 测量误差的表示方法,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，一般用C表示。即 C X AX （1-5） 测量仪器的修正值可通过检定，由上一级标准给出，修正值可以是数值、表格、曲线或函数表达式等形式。在日常测量中，通过修正值和测量仪器示值，可求得被测量的实际值 AXC （1-6） 【例1-1】某电流表的量程为1mA，通过检定而得出其修正值为0.02mA，若用该电流表测量某一未知电流，其示值为0.76mA，则被测电流的实际值为 AX+C0.76(0.02)0.74(mA),2相对误差 量的准确程度，不仅取决于它的绝对误差的大小，而且还与这个量自身的大小有关。当绝对误差相同时，这个量自身的绝对值越大，则准确程度相对地越高。测量的绝对误差与被测量的约定值之比称为相对误差，常用百分数来表示。相对误差没有量纲，只有大小及符号。这里所说的约定值可以是真值、实际值、示值或仪器的满量程值Xm。根据约定值的不同，相对误差又可分为以下几类。 （1）真值误差。绝对误差X与被测量真值A0的百分比，称为真值误差（或称相对真误差），表示,（2）实际相对误差。由于真值是难以确切得到的，通常用实际值A代替真值A0来表示相对误差，绝对误差X与被测量的实际值A的百分比称为实际相对误差，用来表示,（3）示值相对误差。在误差较小、要求不太严格的场合，也可用测量值X（示值）代替实际值A，绝对误差X与被测量的示值X的百分比称为示值相对误差，用来表示,（4）满度相对误差。测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差Xm与该量程的满刻度值（该量程的上限值与下限值之差）Xm之比来表示的相对误差，称为满度相对误差或引用相对误差，用表示,满度相对误差一般用于连续刻度的仪表，特别是电工仪表。满度相对误差实际上是给出了仪表各量限内，绝对误差不应超过的最大值，即 XmXm （1-11） 为了计算和划分电工仪表准确度等级方便，分母用电表量程作为比较基准，一般用s表示,并把电工仪表划分为7个等级，如表1-2所示。 表1-2 电工仪表准确度等级 等级 0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0 0.1% 0.2% 0.5% 1.0% 1.5% 2.5% 5.0%,【例1-2】某待测电压约为10V，现有0.5级量程为0150V和2.5级量程为015V的两块电压表，问用哪一个电压表测量较好？ 解：U1mXm0.51500.75V，示值范围为100.75V； U2mXm 2.5150.375V，示值范围为100.375V。 用两个电压表测量待测电压的示值相对误差分别为：,【例1-3】某1.0级量程0100mA的电流表，分别测100mA、80mA、20mA的电流，求测量时的绝对误差和相对误差。 解：由前所述，用此表的100mA量程进行测量时，不管被测量多大，该表的绝对误差不会超过某一个最大值 XmXm1.0%1001mA 而示值相对误差，则对于不同的被测电流不相等，可求得,1数据的取舍规则 （1）测量结果的数据表示。测量结果的数据表示包括测量数值（绝对值的大小及符号）和相应的计量单位。同时为了说明测量结果的可信度，还要注明其测量误差值或范围。例如，7.1V0.01V，465KHz1KHz等。 （2）有效数字。所谓有效数字是指从最左端第一位非零数字起，到最末一位的所有数字。例如，用模拟电压表10V挡测量时读出示值8.45V，8.4V是靠刻度线读出的，是准确的，称为准确数字。而最后一位数字5是靠估计指针在刻度线的位置读出的，称8.45V具有三位有效数字，称最后一位估计数字为欠准数字（又称可疑数字）。,1.3.5 测量结果的数据处理,（3）有效数字的舍入规则 删略部分的最高位数字大于5时进1； 删略部分的最高位数字小于5时舍去； 删略部分的最高位数字等于5时，若5后面还有非零数字，则进1；若5后面全为0，则采用偶数法则：5前面为偶数时舍5不进，5前面为奇数时，舍5进1。 简单概括为“小于5舍，大于5进，等于5时采用偶数法则”。由以上原则可以看出，舍入误差不会超过保留下来的末位有效数字的半个单位。 可见，第n位数字为奇数和偶数的概率相同，舍和入的概率也相同，从而舍入误差基本上可以抵消。,【例1-4】将下列数字保留到小数点后两位。 解：23.473023.47 3.65643.66 33.455033.46 33.465033.46 4.9955.00 806008.06104,2曲线修匀 由于测量过程中存在误差，尤其是随机误差，使测量的数据点不可能全部落在一条光滑的曲线上。将大量的包含误差的测量数据绘制成一条尽量符合实际情况的光滑曲线，这种工作称为曲线修匀。 在曲线描述时，有的人直接用直线将各个数据点连接起来，如图1-6中曲线a所示，形成一条折线，但这种图形的实用价值不大。还有人靠近各数据点连接成光滑曲线，如图1-6中曲线b所示。但由于每个人估计的程度不同，所以曲线可能差异较大，如图1-6中的曲线b和曲线c，会形成较大的误差。,图1-6 绘制曲线的人为误差 图1-7 用分组平均法修匀曲线,为了提高作图的准确度，通常采用分组平均法。这种方法是，把各数据点分成若干组，每组包含24个数据点，每组的点数可以不相等，然后分别估取各组的几何重心，再将这些重心点连接起来。由于进行数据平均，可以在一定程度上减少随机误差的影响。从而使曲线更与实际情况接近。,1.4 电子测量仪器概述,1.4.1 电子测量仪器的功能 1.4.2 电子测量仪器的分类 1.4.3 电子测量仪器的主要性能指标 1.4.4 电子测量仪器的发展概况,电子测量仪器具有物理量的变换、信号处理与传输和测量结果的显示三种基本功能。 （1）变换功能。对于电参量的测量，往往是通过测量各种电效应来完成的。对于非电量的测量，必须将各种非电量通过传感器转换成相应的电参量，然后再通过对电参量的测量，得到被测非电量的大小。 （2）信号处理与传输功能。对进入测量电路的电信号，通常需要对信号进行处理。在传输过程中都会有信号失真、干扰等问题。因此，现代测量技术和测量仪器都必须认真对待信号的传输问题。 （3）测量结果显示功能。任何测量仪器都必须具备显示功能。,1.4.1 电子测量仪器的功能,（1）信号发生器（信号源）。 （2）电压测量仪器。 （3）示波器。 （4）频率测量仪器。 （5）电路参数测量仪器。 （6）信号分析仪器。 （7）模拟电路特性测试仪。 （8）数字电路特性测试仪。,1.4.2 电子测量仪器的分类,1准确度与不确定度 准确度通常是指测量结果与被测量的真值之间的一致程度。其含意是：准确度高，表明误差小，精度高。 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内，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不同，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。稳定度也可用示值的相对变化率与时间一起表示。,1.4.3 电子测量仪器的主要性能指标,3灵敏度 灵敏度表示测量仪器对被测量变化的敏感程度，一般定义为测量仪器指示值增量y与被测量增量x之比。灵敏度的另一种表述方式叫做分辨力或分辨率，定义为测量仪器仪表所能区分的被测量的最小变化量。它在数字式仪表中经常使用。分辨率的值越小，其灵敏度越高。通常，规定分辨率为允许绝对误差的1/3即可。 4线性度 线性度表示仪器的输出量（示值）随输入量（被测量）变化的规律。由于各类仪器原理不同，可能呈现不同的刻度特性。 5动态特性 电子测量仪器的动态特性表示仪器的输出响应随输入变化的能力。,电子测量仪器的发展历程，从仪器使用的器件来看大致经历了三个阶段，即真空管时代、晶体管时代、集成电路时代。若从仪器的工作原理来看，又可以分为四个阶段：模拟式仪器、数字式仪器、智能仪器和虚拟仪器。 其中，虚拟仪器（VI：Virtual Instruments）是检测技术、计算机技术和通信技术有机结合的产物。它是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台真实的仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念。,1.4.4 电子测量仪器的发展概况,1.5 电子测量仪器的正确使用,1.5.1 测量方案的设计 1.5.2 电子测量仪器的放置 1.5.3 电子测量仪器的接地,1测量方案设计的步骤 （1）了解被测量的特点，明确测量目的。 （2）确定测量原理，制定初步方案。 在拟订测量步骤时，要注意： 应使被测量电路系统及测试仪器等均应处于正常状态； 应满足测量原理中所要求的测量条件； 尽量减小系统误差，设法减小随机误差的影响，合理选择测量次数及组数。,1.5.1 测量方案的设计,（3）明确准确度要求，合理选择仪器类型。 （4）环境条件要符合测量要求。 2测量过程的三个阶段 电子测量的过程通常可分为三个阶段： （1）准备阶段。主要是选择测量方法及仪器、仪表。 （2）测量阶段。注意测量的准确度、精密度、测量速度及正确记录测量结果等。 （3）数据处理阶段。将测量数据进行整理，给出正确的测量结果，绘制表格、曲线、进行分析，得出结论。,要注意以下两点： （1）进行测量前应安排好电子测量仪器的位置。 放置仪器时，应尽量使仪器的指示电表或显示器与操作者的视线平行，以减少视觉误差；对那些在测量中需频繁操作的仪器，其位置的安排应方便操作者的使用；在测量中当需要两台或多台仪器重叠放置时，应把重量轻、体积小的仪器放在上层；对散热量大的仪器还要注意它的散热条件及其对邻近仪器的影响。