第1章-电子测量的基本概念

2014年2月,电子测量技术基础,教师信息：,虞爱娟,办公室：4213,电话e-mail：aijuan-yu77,考核要求：考试时间：第10周,不允许带复印件及打印件总评成绩=期末考试50%(开卷)+平时成绩50%,课程内容：,测量基础理论误差理论测量仪器信号发生器示波器主要电参数测量电压测量,课程特点：,信息量大、概念多、实践性强,先修课程：,电路分析、模拟电子技术、数字电子技术,参考书目：,中国计量出版社，蒋焕文，电子测量中国计量出版社，陶时澍，电气测量技术东南大学出版社，杨吉祥，电子测量技术基础国外电子测量技术杂志中国仪器与测量网,电子测量的基本概念电子测量的内容和特点电子测量的方法电子测量仪器的发展电子测量仪器概述,第1章电子测量的基本概念,一、电子测量的基本概念,3、电子测量的应用,教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、,涵盖吃穿用、农轻重、海陆空,例如:在汽车中的应用,发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等,汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容,普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百只以上。,底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温,车身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等,在日常生活中的应用,家用电器：,数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器,自动感应灯：亮度检测-光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶,电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器,遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,办公商务：,可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD（Charge-coupledDevice，电荷耦合元件，图像传感器）,扫描仪：文档扫描-线阵CCD,红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,医疗卫生：,电子血压计：血压检测-压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪-离子传感器,4、测量方法选择原则,（1）被测量本身的特性（2）所要求的测量准确度（3）测量环境（4）现有测量仪器,环境对测量的影响：,A.环境对被测对象的影响：,B.环境对仪器系统的影响：,C.环境对测量人员的影响：,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。,五、电子测量仪器概述,1.测量仪器的组成,力位移速度加速度压力流量温度等,电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式,电桥放大器滤波器调制器解调器运算器阻抗变换器,笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡,数据处理器频谱分析仪FFT实时信号分析仪电子计算机,被测对象,传感器,中间变换测量装置,显示及记录装置,结果处理装置,激发装置,2.测量仪器的功能,变换、传输和显示功能,量值变换：信号放大与衰减,阻抗变换：阻抗匹配、最大功率匹配,频率变换：检波、斩波、混频、分频倍频、频率合成、取样等,波形变换：整形、限幅、微分、合成变换等,参量变换：AV、V/F、V/T,能量变换：非电量-电量,（1）变换功能,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）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。,（2）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。,2.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,（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,（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。,（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。,3.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。,4）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,5.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。6.模/数和数/模变换,（2）处理技术,基本技术：信号运算与处理,浅层信息技术：形式上的变换如基本模拟或数字运算,深层信息技术：优化、决策等,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.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。,（3）显示功能,指示式仪表,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,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。,指示式仪表的结构原理,电光显示器件,发光二极管（LED）,液晶显示器（LCD）,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,2.测量仪器的主要性能指标,（1）精度,（2）稳定性,稳定性是指在规定的时间区间，其他外界条件恒定不变的情况下，保证仪器示值不变的能力。,例如某数字电压表的稳定度为:（0.008%Um+0.003%Ux)/8h其含义为：外界条件不变情况下，在8小时内，测量同一电压，电压表示值在（0.008%Um+0.003%Ux)范围波动。其中：Um为电压表相应量程的满度值，Ux为示值,（3）输入阻抗,测量仪表的输入阻抗对测量结果会产生一定的影响。,（4）灵敏度,表示测量仪表对被测量变化的敏感程度。,灵敏度=指示量增值/被测量增值偏转因数（示波器）=偏转灵敏度的倒数，单位：mv/div。请思考3mv/div的含义。分辨力：测量仪表所能区分的被测量的最小变化量。（分辨率是最