第1章-电子测量基本知识--09版..ppt

电子测量技术,教师:陈科山电话:51688627mail:cks896kshchen,助教老师：丁猛邮箱：实验室：新楼电话：,授课计划,第1章电子测量基本知识（2学时）第2章时域测量（示波器）（6学时）第3章模拟测量方法(电压)（4学时）第4章信号源（4学时）第5章数字测量方法(频率、时间)（4学时）第6章频域测量技术（扫描仪、频谱分析仪）（2学时）第7章非电量测量技术（2学时）课程实验四项（8学时）合计（32学时）,实验项目与安排,实验一：示波器原理及应用（1.5学时）实验二：电压表原理及应用（1.5学时）实验三：虚拟信号发生器设计（2学时）实验四：基于微处理器的频率测量（3学时）实验教师：焦风川,课程考核安排,1总成绩：平时占30%，笔试考试占70%；2平时成绩包括有：平时上课：10%平时作业：10%课程实验：10%考试形式：半开卷，70%。即强调应用，又关照基本知识。注：各班班长课间与我联系,调课安排,由于受学校安排，本人到西安铁路局进行挂职锻炼半年，本科需要调课，安排如下：（1）本周四的课按课程表照上；（2）从第二周开始，周一和周四的课停上，调到每周的周六下午2:006:00上课，实验课除外；（3）实验课安排在对应周的周一和周四上课，实验课的分组与具体实验时间安排，各班班长与负责实验的郭老师协调。（4）本课程由我和齐红元副教授共同完成。,参考书,林占江编著.电子测量技术(第2版).电子工业出版社.2007.4秦云主编.电子测量技术.西安电子科技大学出版社.2008.4蒋焕文孙续编著.电子测量(第3版).中国计量出版社.2008.2,第1章电子测量基本知识,内容提要：本章主要介绍学习本课程必备的基本知识。本章内容主要有：测量的基本概念；电子测量的内容、特点和基本方法；测量误差的来源、分类和表示方法；有效数字的概念和测量结果的处理；电子测量仪器有关知识。,1.1测量的基本概念,1.1.1测量的意义日常生活中处处离不开测量科学的进步和发展离不开测量，离开测量就不会有真正的科学。,没有望远镜就没有天文学，没有显微镜就没有细胞学，没有指南针就没有航海事业,1.1.1测量的意义（续）,生产发展离不开测量农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了长度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，出现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。现代化的工业生产中，处处离不开测量例如，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。,1.1.2测量的定义,1.狭义测量的定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。在测量过程中，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。,测量结果测量数值.测量单位，即：,1.1.2测量的基本概念（续）,测量的内涵测量对象：被测客体中的相应的量值信息；测量目的：从被测对象取得一个定量的认识；测量过程:通过实验去认识对象的过程测量方法：比较；A.直接比较B.间接比较；C.需要测量仪器；测量标准：同类已知单位。测量结果：最终能表示给测量主体（人）,1.1.2测量的定义（续）,被测物体的重量等于标准砝码的重量,被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。,1.1.2测量的定义（续）,2.广义测量的定义广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位等。而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息的感知和信息识别两个环节。,1.1.3测量的基本要素,1.测量的基本要素被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境,1.1.3测量的基本要素（续）,1.1.3测量的基本要素（续）,2.测量过程基本要素之间的互动关系论证阶段:测量的主体（测量人员）根据测试任务的要求、被测对象的特点、属性，及现有仪器设备状况，拟定合理的测试方案。设计阶段*选择测试仪器，组建测试系统。*制定出测试策略（测量算法）和操作步骤（测试程序）实施阶段*对仪器和系统实施测试操作（发控制命令），按照逻辑和时序完成测量过程，取得测量数据;*分析测量误差并显示测量出结果。,1.1.3测量的基本要素（续）,1.1.3测量的基本要素（续）,3.被测对象信息广义的测量是信息的获取，信息反映了事物的运动的状态及其变化方式。信息又可分为自然信息和社会信息两大类。4.测量仪器系统量具和仪器测量仪器系统包括量具、测试仪器、测试系统及附件等5.测量的主体测量人员手动：由测量主体（测量人员）直接参与完成自动：测量主体交给智能设备（计算机等）完成，但测量策略、软件算法、程序编写需由测量人员事先设计好。6.测试技术测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测试技术。,1.1.3测量的基本要素（续）,7.测量环境测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和。测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。,1.1.3测量的基本要素（续）,环境对测量的影响A.环境对被测对象的影响：某些被测对象客体（如器件、电路或系统）的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感，因此，原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行。B.环境对仪器系统的影响：环境可能直接或间接地影响到仪器系统本身的某个工作特性，进而影响测量结果，造成测量误差。特别是某些测量器具的量程广、频段宽，而内部的元器件数目甚多，且对外界影响相当敏感，错综复杂的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题。C.环境对测量人员的影响：高温、严寒、潮湿、闷气、嘈杂、照明不适当等不良工作环境，会对测量人员的身心产生不良影响，从而引起不同程度的人身误差乃至差错。,1.1.3测量的基本要素（续）,应采取适当的控制措施，尽量减少由于环境影响而产生的误差。恒温、恒湿、稳压和防震。抗干扰、防噪声的措施，如接地、屏蔽、隔离、滤波等。仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变化环境。,1.1.3测量的基本要素（续）,仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：I组：良好的环境条件，温度+10+35oC，相对湿度80%（在35oC上），只允许有轻微的振动。II组：一般的环境条件，温度10+40oC，相对湿度80%（在40oC上），允许一般的振动和冲击。III组：恶劣的环境条件，温度40+55oC，相对湿度90%（在35oC上），允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动。I组高精度计量用仪器II组通用仪器III组野外、机载等仪器,1.2电子测量的内容和特点,电子测量：即以电子技术为手段的测量。它是衡量一个国家科学技术发展的标志。,内容：电能量的测量：如I、U、P等的测量；电路、元器件参数的测量：如R、L、C、Q、D等；电信号特性的测量：如f、T、波形、时间等；电路性能的测量：如放大倍数、衰减量、灵敏度等；特性曲线的测量：如幅频特性、相频特性等。,特点：,1.测量频率范围宽；2.仪器量程宽；3.测量准确度高；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。,1.3电子测量方法的分类,一、按测量方式分类1、直接测量：直接测量是指用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值的方法，例如用电压表直接测量电压。,2、间接测量：测量某未知量y，必须先对与未知待测量y有确切函数关系的其他变量x（或n个变量）进行直接测量，然后再通过函数计算出待测量y，称为间接测量。如：电功率P的测量。,3、组合测量：如有若干个待求量，把这些待求量用不同方式组合（或改变测量条件来获得这种不同的组合）进行测量（直接或间接），并把测量值与待求量之间的函数关系列成方程组,只要方程式的数量大于待求量的个数,可以求出各待求量的数值，这种方法叫组合测量或联立测量。,二、按被测信号性质分类,1、时域测量：测量被测量对象在不同时刻的特性，这时把被测量对象看成时间的函数；2、频域测量：测量被测量对象在不同频率时的特性，这时把被测量对象看成频率的函数；3、数据域测量：又称数字测量技术，是对数字系统逻辑特性的测量。4、随机测量：随机测试技术是认识含有不确定性的事物的重要手段。最普遍存在、最有用的随机信号是各类噪声。所以随机测量技术又称为噪声测试技术。,1.4测量误差的基本概念,1.4.1测量误差的定义1、真值（A0）:在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。（实际中不可知）2、实际值（A）：根据测量误差的要求，用高一级或数级的标准仪器或计量器具测量所得之值。（实际应用中可代替真值）例：微安电流表相比毫安电流表就是高一级测量仪器。3、示值（X）：被测量的量值。读数：从仪器刻度盘、显示器等读数装置上直接读来的数字。例：用一电流表测量某电流值，量程选择10mA档。刻度盘指示如下图所示：其读数为：8；示值为：8mA4、标称值：被测量上标示的数值。例：电阻器的色环标示其阻值；,1.4.2测量误差的表示方法,式中的真值A0是一个理想概念，无法得到，实际应用中通常用实际值A来代替真值A0。实际值也称为约定真值。,测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。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之差，称为绝对误差，即,特点：绝对误差既有大小，又有符号和量纲。,2）修正值,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表示为C=Ax=x,测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，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，利用其仪器的修正值C和该已检仪器的示值，可求得被测量的实际值A=xC。例：某台电流表的修正值由以下表格给出，求示值分别为0.4mA和0.8mA时的实际值各为多少？,X/mA,解：A1=X1+C1=0.4+0.02=0.42mA;A2=X2+C2=0.8-0.04=0.76mA,2、相对误差意义：相对误差可以更准确地说明测量的准确度。例：测量两个频率值：f1=1000Hz，f2=100000Hz,得绝对误差分别为f1=1Hz，f2=10Hz，问那次测量的准确度更高？解：比较绝对误差可得：f1f2，第一次测量误差较小；但：可见：第二次的误差与实际值相比所占比例比第一次的小，第二次的测量准确度高些。,绝对误差与被测量的真值之比，称为相对误差，用表示。,分类：1)相对真误差:,特点：只有大小和符号，没有单位。,真值是不能确切得到的，通常用实际值A代替真值来表示相对误差,2)实际相对误差,误差较小、要求不太严格的场合，也可以用测量值X代替实际值A,3)示值相对误差,实际中，也常用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。,4）满度相对误差（引用相对误差）,由上式可知，通过满度误差实际上给出了仪表各量程内绝对误差的最大值。,电工仪表就是按引用误差m之值进行分级的。我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S%。因此，在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。,5）相对误差的对数表达形式,例1：鉴定一个1.5及100mA的电流表，发现在50mA处的误差最大，为1.4mA,其它刻度处的误差均小于1.4mA,问这块电流表是否合格？解：,所以：该电流表合格。,例2：,某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为400mA和1.5级量程为100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？,解：用400mA、0.5级电流表，可求得测量的最大误差和相对误差为:,用100mA、1.5级电流表，可求得测量的最大误差和相对误差为:,可见.应选1.5级100mA电流表。,1.4.3测量误差的来源,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，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。2、影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。3、理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。4、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、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。,1.4.4测量误差的分类,1、系统误差：系统误差的定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。,2、随机误差：随