电磁测量技术1.2章

电子测量原理-技术开篇,张珊珊电子与信息工程学院电子信息工程系2015版,个人经历,1988.10.1出生于黑龙江省哈尔滨市2002.9-2005.7黑龙江省大庆市实验中学2005.9-2009.7哈尔滨工业大学航天学院电子科学与技术专业学士2009.9-2014.7南开大学现代光学研究所光学专业博士2014.7天津工业大学电子与信息工程学院电子信息工程系,认识教材,讲授和考核方法,总学时：45，理论33，实验12。上课时间：每周五8:2010:00，二教A409；双周三14:0015:40，二教A213；从第四周开始双周的周三为实验课。考试环节：闭卷考试，卷面成绩占总成绩的70%，实验占总成绩的20%，平时成绩占10%。,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。,没有测量就没有科学门捷列夫,诺贝尔物理奖，化学奖中1/4属于测试方法和测试仪器的创新。“两弹一星”的成功，没有测试仪器是不可能的。大规模集成电路的生产成本中，测量成本已超过50%,1.1.1测量的意义（续）,著名科学家钱学森院士明确指出：,信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。测量技术对信息进行采集和处理，是信息技术的源头，是关键中的关键。”,1.1.1测量的意义（续）,王大珩院士说：“计量测试和仪器仪表技术就是信息技术的组成部分，而且是不可或缺的重要组成部分”。作为对信息进行采集、测量、处理和控制的重要基础手段和设备，广泛应用于国民经济各行各业。”,两弹一星元勋王大珩,中国科学院院士，中国工程院院士。我国现代光学技术及光学工程的开拓者和奠基人之一。1999年荣获“两弹一星功勋奖章”。,1.1.1测量的意义（续）,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。,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）,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测量误差的基本概念,1.2.1测量误差的定义测量的目的:获得被测量的真值。真值: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。测量误差:所有测量结果都带有误差。,1.2.2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。（5）测量对象变化误差：测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准确，如引起动态误差等。,1.2.3测量误差的表示方法,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与其真值之差，称为绝对误差,实际应用中常用实际值A（高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值）来代替真值。绝对误差：,有大小，又有符号和量纲,1.2.3测量误差的表示方法（续）,（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。被测量的实际值,1.2.3测量误差的表示方法（续）,2.相对误差一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。例：测量足球场的长度和成都市到绵阳市的距离，若绝对误差都为1米，测量的准确程度是否相同？(1)相对真误差、实际相对误差、示值相对误差相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。,1.2.3测量误差的表示方法（续）,实际相对误差：用实际值A代替真值A0示值相对误差：用测量值X代替实际值A,1.2.3测量误差的表示方法（续）,（2）满度相对误差（引用相对误差）用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值下限值）之比来表示的相对误差，称为满度相对误差（或称引用相对误差）,仪表各量程内绝对误差的最大值,1.2.3测量误差的表示方法（续）,电工仪表就是按引用误差之值进行分级的。是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差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%测量点的最大相对误差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。,1.2.3测量误差的表示方法（续）,例1-3某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为0400mA和1.5级量程为0100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？,用1.5级量程为0100mA电流表测量100mA时的最大相对误差为,解：用0.5级量程为0400mA电流表测100mA时，最大相对误差为,1.2.3测量误差的表示方法（续）,（3）分贝误差相对误差的对数表示分贝误差是用对数形式（分贝数）表示的一种相对误差，单位为分贝（dB）。电压增益的测得值为误差为用对数表示为增益测得值的分贝值分贝误差,1.2.3测量误差的表示方法（续）,1.3测量的基本原理,测量最基本的原理是比较，比较是认识和区别被测对象的一种重要方法。测量是通过比较来取得一个定量的认识1.3.1基于比例变换的间接比较法（偏转法）1.比例变换的原理（1）三种类型的子变换：,A,1.3.1基于比例变换的间接比较法（续）,例：弹簧秤是偏转法直读式仪器的一个简单例子。被测重物放在弹簧秤上，把物体的重量变成弹簧的弹性形变。然后，形变带动机械式仪表的指针成比例的偏转，指示出被测物体的重量。,直读式电压表,（2）实现结构由于故：式中,1.3.1基于比例变换的间接比较法（续）,1.3.1基于比例变换的间接比较法（续）,（2）间接比较方法：步骤为校准测量,1.3.2基于差值示零的直接比较法,1.差值检测原理:被测量与标准量直接进行比较需要一个具有比较功能的电路，要求比较的范围宽、灵敏度和分辨力高；需要一个与被测量同类的可变标准量参与比较，要求标准量准确且可细微调节。比较功能可由运算功能来实现有两种方式：差值运算比较比例运算比较,1.3.2基于差值示零的直接比较法,2.差值示零的平衡调节(1)零示法原理:,1.3.2基于差值示零的直接比较法(续),（2）实现平衡调节的结构,当则,1.3.2基于差值示零的直接比较法(续),对称差动的桥式结构,当时，,1.3.3减少误差的复合式比较,为了提高测量准确度，在比较中可采用各种减小测量误差的方法，如微差法、替代法、对照法。(1)微差法在零示法中，要仔细调节标准量S使之与未知量x相等，这通常很费时间，有时甚至不可能做到.微差法：标准量S与被测量x相差了一微小量，再用仪器测出，即求得待测量x,1.3.3减少误差的复合式比较（续）,微差法进行测量时，测量误差公式：测量仪器的误差对测量的影响被大大地削弱优点：测量速度快和测量准确度高。,1.3.3减少误差的复合式比较（续）,1.3.3减少误差的复合式比较（续）,(2)替代法在测量条件不变的情况下，用一已知的标准量去替代未知的被测量，通过调整标准量而保持替代前后仪器的示值不变，于是标准量的值等于被测量值。,1.3.3减少误差的复合式比较（续）,(3)交换法通过交换被测量和标准量的位置，从前后两次换位测量结果的处理中，削弱或消除系统误差。特别适用于平衡对称结构的测量装置中，并通过交换法可检查其对称性是否良好。,第一次平衡第二次平衡上两式相乘、开方得：,1.3.3减少误差的复合式比较（续）,例：在电桥中采用交换法测电阻,1.4电子测量的基本概念,1.4.1电子测量的意义20世纪30年代，便开始了测量科学与电子科学的结合，产生了电子测量技术处理信息最有效、最成功的是电子科学技术具有极快的速度具有极精细的分辨能力，很宽的作用范围。极有利于信息传递极为灵活的变换技术。巨大的信息处理能力,1.4.2电子测量的特点,（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低至10-6Hz以下，高至THz（1THz=1012Hz）（2）量程范围宽。如数字万用表对电压测量由纳伏（nV）级至千伏（kV）级电压，量程达12个数量级（3）测量准确度高。例如，用电子测量方法对频率和时间进行测量时，由于采用原子频标和原子秒作为基准，可以使测量准确度达到10-1310-14的数量级。（4）测量速度快。因为电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作（5）易于实现遥测（6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化,1.4.3电子测量的内容,从广义上说，电子测量是泛指以电子科学技术为手段而进行的测量，即以电子科技理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量从狭义上讲，电子测量则是利用电子技术对电子学中有关的电量所进行的测量,1.4.3电子测量的内容(续),（1）按具体的测量对象来分类，包括下列电参数的测量：电能量的测量包括各种频率及波形下的电压、电流、功率、电场强度等的测量。电路参数的测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等的测量。电信号特征的测量包括信号、频率、周期、时间、相位、调幅度、调频指数、失真度、噪音以及数字信号的逻辑状态等的测量。电子设备性能的测量包括放大倍数、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声系数的测量。特性曲线的测量包括幅频特性曲线、晶体管特性曲线等的测量和显示。,1.4.3电子测量的内容(续),（2）按基本的测量对象来看，电子测量是对电信号和电系统的测量：电子测量的基本对象是未知的信号与系统电子测量的基本工具是已知的信号与系统电子测量的基本工作机理是信号与系统的相互作用,1.5测量方法的分类概述,1.5.1直接测量与间接测量（1）直接测量用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值。（2）间接测量对与未知待测量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。（3）组合测量,1.5.2有源参量与无源参量的测量,被测对象可按有源量或无源量划分为两大类1.有源量的测量2.无源量的测量,1.5.2有源参量与无源参量的测量(续),3.电子测量仪器的功能结构被测对象的有源与无源特性决定了测量系统的组成方法和功能结构信号特性参量为常见的有源量，主要包含信号的电压与功率、频率与波长、周期与时间、波形与频谱等；电压表、电流表、功率计、频率计、示波器、频谱仪、逻辑分析仪等仪器不含激励信号源系统特性参数为常见的无源量，包括集总与分布参数系统的特性，例如，电阻、电感、电容、品质因数、阻抗、导纳、介电常数、导磁率、驻波比、反射系数、散射系数、衰减以及单位阶跃响应或单位冲激（脉冲）响应与传递函数等。RLC测试仪、阻抗分析仪、网络分析仪、频率特性测试仪（扫频仪）、晶体管特性图示仪等仪器，均包含有激励信号源。,1.5.3集中式与分布式的多路测量,1.集中式多路测试系统,1.5.3集中式与分布式的多路测量（续）,2.分布式多路测量系统（a）网络化测量系统（b）无线电遥测系统,1.5.4频域、时域、数域及随机域测量,1.频域测量技术：幅值和相位随频率的变化（1）正弦波点频法（2）正弦波扫频法2.时域测量技术：幅值随时间的变化测试信号是脉冲、方波及阶跃信号频域测量和时域测量比较频域测量和时域测量是测量线性系统性能的两种方法，是从两个不同的角度去观测同一个被测对象，其结果应该是一致的。从理论上讲，时域函数的付里叶变换就是频域函数，而频域函数的付里叶逆变换也就是时域函数。,1.5.4频域、时域、数域及随机域测量（续）,3.随机测量技术：测量噪声信号和使用随机信号源噪声是一种与时间因素有关的随机变量，对噪声的研究使用概率统计方法主要包括下述三个内容：（1）噪声信号统计特性的测量，如时域中的均值、均方根性，频域中的频谱密度函数、功率谱密度函数等；（2）将已知特性的噪声作激励源对被测系统进行统计性测量，研究被测系统的特性；（3）在背景噪声信号不可忽略时对信号、特别是微弱信号的精确测量。,1.5.4频域、时域、数域及随机域测量（续）,4.数字测量技术：测量数字系统的功能和故障诊断对数字系统进行测量的基本方法是：在输入端加激励信号，观察由此产生的输出响应，并与预期的正确结果进行比较，一致则表示系统正常；不一致则表示系统有故障。,LSI测试系统的简化框图,1.5.5静态、稳态和动态测量（续）,1.静态测量与动态测量的基本概念静态测量：对不随时间变化的（静止的）物理量进行的测量动态测量：对随时间不断变化的物理量进行的测量。在电子测量中常见的动态信号有两种：幅值随时间变化的信号：指非周期性信号、幅值瞬变或跃变信号；频率随时间变化的信号：指正弦波扫频信号或频率瞬变的周期性信号。,1.5.5静态、稳态和动态测量（续）,2.静态、稳态和动态测量的基本方法静态（直流）测试技术测量原理、方法、手段最简单，测量过程不受时间限制，测量系统的输出与输入二者之间有着简单的一一对应的关系和理想的特性，而测量精度也最高。稳态（交流）测试技术：正弦测试技术用幅值随时间按正弦规律变化的电信号（最简单的周期性信号）作被测系统的激励，然后观测在此激励下的输出响应，以频率为变量对被测线性系统进行测量。正弦测试技术可以测线性系统的稳态参数，线性系统的稳态参量是指系统的阻抗、增益或损耗、相移、群延迟和非线性失真度，以及这些参量随频率变化的情况,1.5.5静态、稳态和动态测量（续）,动态（脉冲）测试技术自然界存在大量瞬变冲激的物理现象，如力学中的爆炸、冲击、碰撞等，电学中的放电、闪电、雷击等，对这类随时间瞬变对象进行测量，称为动态测量和瞬态测量。瞬态测试技术有两种方式：一种是测量有源量，测量幅值随时间呈非周期形变化（突变、瞬变）的电信号；另一种是测量无源量，是以最典型的脉冲或阶跃信号作被测系统的激励，观察系统的输出响应（随时间的变化关系），即研究被测系统的瞬态特性。,1.6电子测量中的基本实现技术1.6.1电子测量中的变换技术,1.量值变换量值是指电压、电流、功率、阻抗、时间等电参量的幅值大小。量值变换即指把它们的幅值按比例地增大或缩小。把量值处于难以测量的边缘状态（太小或太大）的被测量，按某一已知比值变换为量值适中的同样参量进行测量。通过量值变换，可增加测量范围，提高测量分辨力和精度。,1.6.1电子测量中的变换技术(续）,2.信号放大与衰减信号放大是为了将微弱的被测信号，放大到足以进行各种转换处理，或能驱动指示器、记录器。测量放大器是指在测量系统中用来放大微弱电压、电流或电荷信号的放大器。要求低漂移结构原理：差动直接耦合式、调制式（斩波稳零）和自动稳定式三大类。还有高输入阻抗放大电路、高共模抑制比放大器、电桥放大器、电荷放大器、程控增益放大器、隔离放大器等。衰减器用来降低测量系统中的信号电平用途：使大的信号进入仪器的测量范围，或者通过降低信号电平来控制失真，或改进阻抗匹配，或对信号源去耦等分类：电阻式、感应式、吸收式、回转式、截止式、电调式等。,1.6.1电子测量中的变换技术(续）,3.阻抗变换电子测量中，特别是在微波测量中，当将不匹配的负载与传输线连接时，或将特征阻抗不同的传输线进行连接时，信号传输中将产生强烈反射。为了保证良好的传输，必须在传输线与负载之间或不同特征阻抗的传输线之间接入一种阻抗变换的双口网络，改变阻抗的大小，实现阻抗的匹配。在信号源的功率放大器输出电路中，也要求负载阻抗匹配，常用变压器等进行阻抗变换，以保证最佳功率传输。电子测量仪器输入端具有很高输入阻抗，输入跟随器则是实现了输入通道从高阻到低阻的阻抗变换。,1.6.1电子测量中的变换技术(续）,4.频率变换（1）检波：交流电压变成直流电压常用磁电式电表，它只能测量直流，交流信号必须检波成直流信号来测量（2）斩波：把一个直流电压调制成交流电压，经过交流放大，然后再把交流电压通过反调制（解调）还原为直流电压的过程。斩波的作用是对微弱的直流电压进行放大,1.6.1电子测量中的变换技术(续）,（3）变频（混频）进行频率的加减运算。获得很宽的频率覆盖范围。获得高增益，提高测量仪器的灵敏度。实现中频或低频替代，以提高测量精度。实现频率的精密测量。,例：f=200.020kHz220kHzf0=200kHz则F=f-f0=20Hz20kHz覆盖系数从1.1扩展到1000,1.6.1电子测量中的变换技术(续）,（4）倍频倍频器是频率综合技术中的乘法器。差频倍增法用倍频法减小测量误差。利用电子计数进行频率测量时，1误差将决定测量误差。若KHz，1的相对误差为10-3，如果先对进行103倍的锁相倍频后测量，则该项误差可降为10-6。,1.6.1电子测量中的变换技术(续）,（5）分频分频是于对信号频率进行除法运算（6）频率合成频率合成是把一个（或少量几个）高稳晶振频率源经过一系列综合的加、减、乘、除四则运算，可作为随意调节频率的高精度信号源。（7）取样技术取样门电路将高频信号进行取样变换，使之以低频形式复现出来。它可以把频率上限扩展到几GHz甚至几十GHz。,1.6.1电子测量中的变换技术(续）,5.波形变换（1）整形将任意形状的波形变成规则的脉冲波形，例如，用于电子计数器的输入通道中。（2）限幅把信号波形幅度限制在一定范围内（3）微分由矩形脉冲形成一个窄脉冲。在电子计数器、取样示波器、广谱信号源中广泛使用。（4）合成多种波形叠加成复杂波形。例如合成CRT显示的视频信号波形。（5）变换方波变成三角波或正弦波，三角波变成正弦波或方波，正弦波变成方波或三角波等。波形变换技术广泛用于多波形函数发生器中。,1.6.1电子测量中的变换技术(续）,6.参量变换（1）AV变换电流、电压、电阻之间的变换多用表中采用的AV变换，包括交流/直流（AC/DC）、电流/电压（I/V）和电阻/电压（/V）的转换，实现了交、直流电压、电流、电阻等多种测量功能。（2）V/F变换模拟直流电压转换为频率（3）V/T变换模拟直流电压转换成时间（4）网络参数的变换,1.6.1电子测量中的变换技术(续）,7.能量变换能量变换是泛指其他多种形式的物理量与电学量之间的变换。传感器就是能量变换器，即从非电量变换成电量一般分为参量变换器及电势变换器两大类：参量变换器是将各种物理量变换成电阻、电感、电容或磁导率等。例如，常用的电阻丝应变片、电感式变换器、电容式变换器电势变换器是将各种物理量变换成电势、电流等电量的变换器，例如，感应变换器、光电变换器、压电变换器、热电偶等。在显示器中，把电量变换成非电量机械量、光学量等。如指针的偏转、发光的数码、字符和图像等。8.模/数和数/模变换,1.6.1电子测量中的变换技术(续）,例试说明实现弹簧称、指针式直流电压表、电子示波器等三种仪器的测量功能中所采用的变换技术。解：（1）弹簧称把物体的重量变成了弹簧长度的形变，进行了机械量到机械量的变换；（2）指针式直流电压表电压的量值变成了电表指针偏转角的大小，进行了电量到机械量的变换；（3）示波器把电信号的波形无失真地变换成了在荧光屏上光信号的波形，进行了电到光的变换。,1.6.1电子测量中的变换技术(续）,例试以数字多用表测量交流电流为例，阐述变换技术在电子测量中的应用。解：交流电流/交流电压的变换；交流电压/直流电压的变换；直流电压的幅值变换；模拟/数字的变换；BCD码/七段码的码制变换；显示器件的电/光转换。,1.6.1电子测量中的变换技术(续）,例一个工件伤痕检测系统使用的变换技术解：机械量信息到光信号；光信号变换成电信号；电信号被放大，进行了幅度变换；对电信号比较、校正的处理后抽取出了有关伤痕的有用信息；电信号到光信号的变换。,1.6.2电子测量中的比较技术,1.比较的基本概念被测量为x、标准量为s、比较电路输出为y。当xs时，y=YH当x=s时，y出现一个跃变信号,1.6.2电子测量中的比较技术(续),2.比较的基本类型（按功能分）：标量比较它只识别两个同类的未知量是否相等，例如两个炉子温度是否相等，矢量比较它识别一组同类的未知量的相对大小，并按照由大到小（或由小到大）的顺序排列起来。差值比较利用具有减法运算功能的比较电路，取出两个未知量之间的间隔大小（差值），并对差值进行比较。比值比较它选择某个点作为参考点，将每次测量值除以参考值，确定它们的相对大小。例如，在一组测量值中以最大测量值作参考，得到测量值以百分数表示。量化比较被测未知量与标准单位量比较，确定它是该单位的若干倍或是若干分之一。A/D转换器是基于量化比较的典型部件。,1.6.2电子测量中的比较技术(续),3.电子测量中的典型比较方法差值运算比较A零示法：若测量过程中调节标准量s，使y=0（电路平衡、指示器为零）时，则x=s；B偏转法：若测量过程中选择接近x的s，指示器测出微小差值y，则x=s+y（微差法）比例运算比较y=x/sA零示法：若调节标准量S，使y=1（电路平衡，指示器为1），则x=sB.偏转法：若固定S值，指示器测出y值，则x=y.s,1.6.2电子测量中的比较技术(续),2.电压比较（1）电平比较两个模拟电压的大小的比较是用电压比较器来实现的,1.6.2电子测量中的比较技术(续),（2）差值型比较采用能输出模拟差值电压的减法运算放大器。实现减法运算功能的方法也有差动型比较和求和型比较两种。（3）比例型比较具有除法或比例运算功能的电路或部件，也可完成被测量与标准量的比较。例如，双积分式A/D转换器中，被测电压与标准电压之间具有如下关系：,1.6.2电子测量中的比较技术(续),3.阻抗比较电桥电路具有对称差动的电路结构，是一种电量天平，可以十分方便地实现差值检测和比例比较的功能。电桥电路具有灵敏度高、测量范围宽，温度补偿容易实现，测量电路的零点调节方便。,1.6.2电子测量中的比较技术(续),例比例运算比较（半桥）电路,1.6.2电子测量中的比较技术(续),4.频率（时间）比较时间差值比较：用R-S触发器可实现时差的比较,1.6.2电子测量中的比较技术(续),差频比较：混频器可以实现两个频率的减法运算还可利用差频比较法测量频率比例比较：测频率fx=Nfs；测周期Tx=NTS,1.6.2电子测量中的比较技术(续),5.相位比较使用鉴相器（1）用乘法器或相敏检波器鉴相,1.6.2电子测量中的比较技术(续),（2）脉冲与数字式鉴相器触发器构成的脉冲鉴相器:RS触发器或D触发器数字式鉴相器:由相位比较器（9个与非门）和电荷泵组成6.数字比较二进制的数N1和N2加于异或门的输入端，即可进行比较,1.6.2电子测量中的比较技术(续),例差动型电容式传感器能把位移、压力、振动、液面位置等物理量的变化，可高分辨地转换成两个电容值之差值，即C=C1-C2（C1C2一般很小，为几皮法到几十皮法），测量出C，即可测出其被转换的物理量。,1.6.3电子测量中的处理技术,信号运算与处理是电子测量中的基本技术浅层的信息处理基本上属于对信息的形式化关系所作的变换或处理，仅仅利用了语法信息的因素。例如，在测量交流电压的平均值、峰值、有效值时，需要对信号进行加、减、乘、除、平方、开方、平均、取绝对值、峰值等运算与处理。深层信息处理（特别是直接与优化、决策、认知等相联系的信息处理）的目的是为了要从原始信息中获得相关的“知识”运算电路分为模拟运算电路和数字运算电路两大类,1.6.3电子测量中的处理技术(续),1.基本模拟运算运算放大器辅之以不同的电路元件，可以组成诸如比例、加减、微分、积分、对数、指数和乘除等电路（1）四则运算电路,1.6.3电子测量中的处理技术(续),指数和对数运算电路则是利用二极管的电流与其端电压在一定条件下存在的指数关系来实现。,1.6.3电子测量中的处理技术(续),乘法运算或除法运算：模拟乘法器：是新型集成器件，是利用晶体管的非线性特性。,1.6.3电子测量中的处理技术(续),（2）积分和微分电路运算放大器外接电感和电容等储能元件，则利用电路在时域中的过渡过程可形成积分电路和微分电路；利用其频域特性则可构成形形色色的滤波电路,1.6.3电子测量中的处理技术(续),（3）有源滤波器按照频谱分析的观点，任何信号都是一些不同幅度和不同频率的正弦信号的组合。在被测信号中，除了有用的频率成分之外，往往不可避免地含有一些无用噪声的频率成分。滤波器的功能就是利用其频率特性来保留有用的频率成分，削弱或消除无用的频率成分，即具有信号分离的功能。分为低通、高通、带通和带阻等不同滤波器。,1.6.3电子测量中的处理技术(续),例运算与处理功能在电压测量中的应用。计算公式第一级为模拟乘法器，完成被测电压的平方运算；第二级为积分器，完成平均运算；第三级为开方器，完成开平方根的运算；最后一级为放大器，按一定比例放大的直流输出电压去驱动电表使电表，按被测电压的有效值进行线性刻度。,1.6.3电子测量中的处理技术(续),2.数字计算与数字信号处理基于数字逻辑电路的硬件方式：利用现有的各种数字逻辑门、译码器、触发器、寄存器、计数器、全加器等，以及各种CPLD、FPGA等可编程逻辑，组成各种数字逻辑的运算与控制单元。基于微处理器和微型计算机的嵌入式系统的软件方式：通过软件编程，可完成各种数字与逻辑的运算。它不仅能完成常用的数学运算，而且能实现统计运算、FFT运算等。运算功能强、精度高、速度快、灵活性及抗干扰性强。再加之微机和单片机的逻辑运算与控制功能，实现现代测试仪器系统的智能化、自动化、虚拟化和网络化。,1.6.3电子测量中的处理技术(续),（1）数字信号处理（DSP）的基本内容广义来说，数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、运算、滤波、检测、估计、增强、压缩、调制、解调以及快速算法的一门技术学科。狭义来说也有人认为：数字信号处理主要是研究有关数字滤波技术：把信号的有效信号提取出来，抑制（削弱或滤除）干扰或噪声的一种处理。离散变换快速算法：FFT频谱分析方法:主要使用频谱分析仪和信号分析仪信号处理包括时域和频域处理。时域处理中最典型的是波形分析，示波器就是最常用的仪器。信号频域处理主要指滤波，主要使用频谱分析仪和信号分析仪,1.6.3电子测量中的处理技术(续),（2）数字信号处理的应用测试信号处理语音信号处理语音的识别、理解、合成、增强、数据压缩图像信号处理图像压缩、解压、增强、恢复、分割、识别、编码和重建振动信号处理地球物理信号处理为了探测地下深处所储藏的石油和天然气以及其他矿藏，通常采用地震勘探方法来探测地层结构和岩性。即在一选定的地点施加人为的激震，如用爆炸方法产生一振动波向地下传播，遇到地层分界面即产生反射波，在距离振源一定远的地方放置一列传感器，接收到达地面的反射波。从反射波的延迟时间和强度来判断地层的深度和结构。生物医学信号处理,1.6.4电子测量中的显示技术,测量结果必须通过显示器件把各种电信号转换成人们五官可直接感知的机械运动、数字、文字、图形、图像等形式的信号显示出来1.指示式仪表（1）指示式电工仪表的分类用指针的偏转来表示电量的仪表称为指示式电工仪表。按工作原理分类，可分为动圈式、动铁式、电动式、热电式、静电式、整流式和感应式等。按准确度等级分类，可分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0等共7级。按用途分类，可分为电流表、电压表、功率表、电能表、功率因数表、频率表、相位表、兆欧表、电容表等,1.6.4电子测量中的显示技术(续),（2）分度盘及标记符（3）指示式仪表的结构原理被测电流I在可动线圈中流过时产生电磁力F，使可动线圈以轴为中心转动，由此产生与电流I成比例的驱动力矩Td，带动指针偏转，从仪表的标尺分度读数测得电流。,1.6.4电子测量中的显示技术(续),2.电光显示器件（1）发光二极管（LED）利用正向偏置PN结中电子与空穴的幅射复合发光，发射出非相干光，光谱较宽，发散角大，视角效果好；LED的发光颜色多、辉度高，LED的单元体积小，电压低、驱动电流小，寿命长。指示灯数字显示器,1.6.4电子测量中的显示技术(续),（2）液晶显示器（LCD）液晶是一种具有光学双射性的液体状的晶体，液晶显示器件在电信号驱动下，控制其对入射偏光的反射或透射，实现LCD的显示LCD具有薄型、轻量、低功耗、低工作电压等特点数字、字符显示平面显示,1.6.4电子测量中的显示技术(续),（3）阴极射线管（CRT）CRT可分为电视用、显示终端用及仪器仪表用几种类型,1.7测试系统的静态特性,1.7.1测试系统的静态特性和动态特性概述测量系统(广义)指单台的测量仪器，和由多台仪器及设备等组成的完整测试系统，也可指组成测量系统中的某一环节或单元。测量系统的基本特性可由其输入、输出的关系来表征，它是测量系统所呈现出的外部特性，并由其内部参数也即系统本身的固有属性所决定。测量系统的基本特性可分为两类：一类被测量是静止不变或变化极缓慢的情况，此时工作在静止状态下的测量系统，其输入与输出量间的函数关系，称为测量系统的静态特性；另一类是被测量不断变化的情况，此时，工作在动态下的测量系统其输入量与输出量间的函数关系称为测量系统的动态特性。,1.7.2测量系统的静态特性指标,1.静态特性的数学模型不线性时：,获得静态特性的方法：对一个测量系统进行标定或定期进行校准。即在规定的标准工作条件下（规定的温度范围、大气压力、湿度等），由高精度的标准发生器给出一系列数值已知的、准确的、不随时间变化的输入量xj，用高精度测量仪器测定被校测量系统对应输出量yj,得到由(xj,yj)数值列出的数表、绘制曲线或求得数学表达式，即为被校准的测量系统的输出与输入的关系，亦称之为静态特性。,非线性,1.7.2测量系统的静态特性指标（续）,2.静态特性的基本参数（1）零位（零点）当输入量为零x=0时，测量系统的输出量不为零的数值零位值为零位值应设法从测量结果中消除。例如可以通过测量系统的调零机构或者由软件扣除。,1.7.2测量系统的静态特性指标（续）,（2）灵敏度是描述测量系统对输入量变化反应的能力。灵敏度：当静态特性为一直线时，直线的斜率即为灵敏度，且为一常数,1.7.2测量系统的静态特性指标（续）,多级测量系统的灵敏度若测量系统是由灵敏度分别为S1，S2，S3等多个相互独立的环节组成时，测量系统的总灵敏度S为,1.7.2测量系统的静态特性指标（续）,（3）分辨力又称灵敏度阈，它表征测量系统有效辨别输入量最小变化量的能力。对模拟式测量系统，其分辨力一般为最小分度值的1/21/5。对具有数字显示器的测量系统，其分辨力是当最小有效数字增加一个字时相应示值的改变量，也即相当于一个分度值。对于一般测量仪表的要求是：灵敏度应该大而分辨力应该小.,1.7.2测量系统的静态特性指标（续）,（4）测量范围、量程测量范围测量系统所能测量到的最小被测量（输入量）与最大被测量（输入量）之间的范围。量程测量系统测量范围的上限值与下限值之差的模即称为量程。量程又称满度值，表征测量系统能够承受最大输入量的能力。例如一温度测量系统的测量范围是60+1200C，那么它的量程为1800C,1.7.2测量系统的静态特性指标（续）,3.静态特性的质量指标（1）迟滞亦称“滞后”或“回差”，表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大（正行程）或由大小到（反行程）两者静态特性不一致的程度。,1.7.2测量系统的静态特性指标（续）,（2）重复性表征测量系统输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，静态特性不一致的程度重复性是指标定值的分散性，是一种随机误差，可以根据标准偏差来计算S子样标准偏差；K置信因子。,1.7.2测量系统的静态特性指标（续）,（3）线性度测量系统的输出输入关系应当具有直线特性线性度（又称非线性误差）说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离其拟合直线的程度选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也就不同,1.7.2测量系统的静态特性指标（续）,（4）准确度测量系统的准确度，俗称精度用准确度等级指数来表征：准确度等级指数a的百分数a%所表示的相对值是代表允许误差的大小用不确定度来表征：在规定条件下系统或装置用于测量时所得测量结果的不确定度。简化表示：一些国家标准未规定准确度等级指数的产品说明书中，常用“精度”作为一项技术指标来表征该产品的准确程度。通常精度A由线性度、滞环和重复性之和得出,1.7.2测量系统的静态特性指标（续）,（5）可靠性装置在规定的时期内及在保持其运行指标不超限的情况下执行其功能的性能。反映产品是否耐用的一项综合指标。平均无故障时间MTBF在标准工作条件下不间断地工作，直到发生故障而失去工作能力的时间称作为无故障时间。可信任概率P表示仪表误差在给定时间内仍然保持在技术条件规定限度以内的概率。故障率或失效率平均无故障时间MTBFF的倒数。有效度或可用度,1.7.2测量系统的静态特性指标（续）,（6）稳定性和影响系数稳定性稳定性是指在规定工作条件范围之内，在规定时间内系统或仪器性能保持不变的能力。如：2.1mV8h，一年不超过1满量程输出。影响系数指示值变化与影响量变化量的比值一般仪器都有给定的标准工作条件，例如环境温度20oC、相对湿度60%、大气压力10133kPa、电源电压220V等。又规定一个标准工作条件的允许变化范围：环境温度(202)oC、相对湿度6015、电源电压(2205)V等。如电源电压变化10引起示值变化1(相对误差)；温度变化1oC引起示值变化3.110-3(引用误差),1.7.2测量系统的静态特性指标（续）,（7）输入电阻与输出电阻输入电阻与输出电阻值对于组成测量系统的各环节而言甚为重要。前一环节的输出电阻R01相当于后面环节的信号源内阻，所以输出电阻理想值应为零。后一环节的输入电阻Ri2相当于前面环节的负载；输入电阻理想值为无穷大。,1.8测量系统的动态特性1.8.1测试系统动态特性的描述数学模型,测量系统的特性用数学模型来描述，主要有三种形式：时域中的微分方程；复频域中的传递函数；频域中的频率特性。1.微分方程,1.8.1测试系统动态特性的描述数学模型（续）,2.传递函数为简化运算，通常采用拉普拉斯变换来研究线性微分方程。传递函数其表达式为在初始条件为零时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。,1.8.1测试系统动态特性的描述数学模型（续）,传递函数有以下特点：H(S)和输入x(t)无关，它只反映测量系统本身固有的特性H(S)反映系统的响应特性，包含瞬态、稳态的时间响应和频率响应的全部信息，而与具体的物理结构无关。不同的物理系统可以有相同的传递函数。传递函数与微分方程等价。,3.频率响应函数对于稳定的常系数线性