测量的基本原理

1、主 讲人：林相波单 位：信息与通信工程学院办公地址：创新园大厦B413房间办公电话：84706009-2413 课程内容：理论课+实验 教材：电子测量原理，古天祥、王厚军等编。机械工业出版社 参考书： 电子测量，蒋焕之、孙续，中国计量出版社。 电子测量技术基础，杨吉祥等，东南大学出版社。 第一部分测量总论，介绍测量的基本概念、技术方法及系统组成，计量以及电子测量的基本概念、误差理论等。 第二部分基本电参量测量，包括频率测量、电压测量、阻抗测量等。 第三部分时域测量，以示波器为背景介绍时域信号波形的采集、显示及应用技术。 第四部分频域测量，介绍频域中的信号频谱、网络频率特性的测量。 第五部分数域

2、测量，介绍数字系统的基本测量原理和方法，重点介绍逻辑分析仪的工作原理。 第六部分测量系统集成，阐述自动测试系统、总线标准、通信技术等。 本章阐述了测量学科的丰富内涵。 介绍测量、计量的基本概念，即它们的意义、内容、特点及应用。 阐述电子测量的基本概念、内容、特点。 1、测量的意义 日常生活中处处离不开测量 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。 没有望远镜就没有没有望远镜就没有天文学，没有显微天文学，没有显微镜就没有细胞学，镜就没有细胞学，没有指南针就没有没有指南针就没有航海事业航海事业 生产发展离不开测量 农业社会中，需要丈量土地

3、、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）.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结果测量数值. .测量单

4、位，测量单位，即：即：0 xxx术语说明： 量：事物可定性区别和定量确定的属性。体重广义量广义量张三的体重特定量特定量 量值：一个数值乘以测量单位所表示的特定量的大小。量值=数值单位数值=量值 / 单位 单位：人们共同约定的，用于定量表示同种量大小的特定参考量。单位有名称、符号和定义，数值为1 被测量：作为测量对象的被测量：作为测量对象的特定量特定量。 测量结果：通过测量得到的被测量的量值。测量结果：通过测量得到的被测量的量值。 （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。 为了获取被测对象的信息信息而进行的实践过程

5、。 例如社会调查、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。 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。 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。 被 测 对 象测 量 人 员测 试 仪 器 系 统信 息显 示感 知 和 识 别测量的基本原理3、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：比较法； 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

6、位。测量结果：最终能表示给测量主体（人）狭义测量图11 测量的比较原理(a) 天平直接比较（b）弹簧称间接比较被测物体的重量等于标被测物体的重量等于标准砝码的重量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。上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境 对对 象象属属 性性影影 响响影影 响响影影响响测测 量量 策策略略 、 算算 法法数数 据据 状状 态态参参 数数 命命 令令被被 测测 信信 息息原原 理理方方 法法被被 测测对对 象象仪仪 器器系系 统统测

7、测 量量人人 员员测测 量量环环 境境激激 励励 信信 号号选选 择择仪仪 器器决决 定定方方 法法图图 1 1- -3 3 测测 量量 的的 基基 本本 要要 素素 4.1 被测对象信息 狭义：量值的获取；广义：信息的获取。 4.2 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 4.3 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。 4.4 测量技术 测量中所采用的原理、方法、程序和技术措施，总称为测试技术。 测量原理：测量的科学基础和技术原理。例如根

8、据欧姆定理测电阻。 测量方法：在实施测量中，所采用的按类别概括说明的一组合乎逻辑的操作顺序。例如：直接法、间接法等。 测量程序：测量时，根据给定的测量方法，具体说明的一组操作，也称测量步骤。 技术措施：为尽量减小测量的不确定度，使测量结果尽可能接近真值而采取的措施。如：自校准、实时误差修正、测量数据处理等。 4.5 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。环境对测量的影响A. 环境对被测对象的影响 某些

9、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。应该重视测量环境，采取适当的控制措施应该重视测量环境，采取适当的

10、控制措施如：恒温、恒湿、稳压、防震、接地、屏蔽、隔离、滤波等；4.6 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。 执执行行测测量量操操作作测测试试数数据据处处理理测测量量结结果果显显示示结结 束束设设置置仪仪器器工工作作参参数数实实施施阶阶段段被被测测对对象象设设计计阶

11、阶段段测测量量任任务务要要求求组组建建测测量量系系统统需需 求求 分分 析析拟拟定定测测量量方方案案现现有有仪仪器器设设备备选选用用测测量量仪仪器器（测测试试硬硬件件平平台台）决决定定测测量量技技术术（测测试试软软件件平平台台）完完成成仪仪器器互互连连拟拟定定测测量量步步骤骤开开 始始论论证证阶阶段段 5.1 测量 狭义测量-量值的测量，追求精确，通常要对测量结果进行误差分析，并给出不确定度。属于定量定量测量。 广义测量之属性测量，对结果的准确度要求不高，是一种粗略的测量，一般不进行误差分析。属于定性定性测量。 等级测量-根据技术标准、规范或检定规程，确定被测的量值所属级别。属于定级定级测量。

12、如：空气质量等级，仪器仪表精度等级等。5.2 测试 测试=定量测量+定性试验 试验：为了查看某事的结果或事物的性能所从事的实践活动。例如，某点电平的测量，属电压测量，但是只关心电压所在的范围，与精确的电压定量测量不同。再如，收视率调查，没有具体的精确度指标。测试测试 广义测量广义测量5.3 检测 检测=定量测量+分级检验检验：检查被测参量的量值是否处于某一范围带或进行定性检查。检测检测 广义测量广义测量 被测量可以被测量的前提条件：（1）被测量必须有明确的定义；（2）必须建立公认的测量标准。为使在不同的地方，用不同的手段测量同一量时，所得的结果一致，就要求统一的单位、基准、标准和测量器具。 1

13、.计量的定义计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。量。计量是一种特殊形式的测量，它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。u计量的三个主要特征是 统一性(国家统一制定标准)； 准确性（代表了权威性）； 法制性（由国家颁布有关计量的法律法规）u 计量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。u计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础

14、工作，它在工农业生产、科学技术、国防建设础工作，它在工农业生产、科学技术、国防建设以及人民生活等各个方面起着技术保证和技术监以及人民生活等各个方面起着技术保证和技术监督的作用。督的作用。2.计量与测量的关系u 测量发展的客观需要才出现了测量发展的客观需要才出现了计量。计量。u 测量是计量应用的重要途径。测量是计量应用的重要途径。u 没有测量，计量将失去价值没有测量，计量将失去价值u 为了保证测量结果的准确性，为了保证测量结果的准确性，必须定期对仪器进行检定和校准，必须定期对仪器进行检定和校准，这个过程就是计量。这个过程就是计量。u计量的任务是确定测量结果的计量的任务是确定测量结果的可靠性。可靠

15、性。u计量是测量的依据。计量是测量的依据。u没有计量，也谈不上测量。没有计量，也谈不上测量。u计量和测量相互配合，才能在计量和测量相互配合，才能在国民经济各个领域发挥重要作用。国民经济各个领域发挥重要作用。测量：被测未知量和同类已知的标准单位量比较。测量：被测未知量和同类已知的标准单位量比较。被测量的真实值存在，误差由测量仪器和测量误差等引起的。被测量的真实值存在，误差由测量仪器和测量误差等引起的。计量计量：法定标准的已知量和同类的未知量（如受检仪器）比较。标准量和计量器具是准确的、法定的，误差由受检仪器引起。测量是计量的基础，计量是测量的保证测量是计量的基础，计量是测量的保证 根据定义而令系

16、数为1的量称为单位。 单位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。单位基本单位：彼此无关，分别加以确定的物理量单位。导出单位：由基本单位派生出来的各种导出量值。单位制：按照一定规则确定的一组基本单位和导出单位。 1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI。 1984年2月国务院颁布了中华人民共和国法定计量单位，决定我国法定计量单位以国际单位制为基础。 SI有7个基本单位 国际单位制单位、国际单位制词头和国际单位制的十进倍数单位三部分组成。 国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。 例：5.410-9s=5.4ns 4.1 标准（或基准）的定义 为了定

17、义、实现、保存或复现量的单位或量值，用作参考的计量设备，称之为标准（或基准）。* 标准只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。4.2 标准的分类和分级（一）分类（1）国际标准：国际协议承认的，国际范围内的标准；（2）国家标准：国家确定的，一个国家范围内的标准；（3）参照标准：在指定地区或组织内具有最高计量特性的标准；（4）作证标准：国家标准的复制，代表国家标准参与国际比对，必要时可代替国家标准。一般一个国家标准可以有多个作证标准；（二）分级 (1)一级标准，又称主标准和国家标准 具有最高水平的基准。一个国家只有一个。 (2)二级标准，又称副标准 通过与相同量的主标准比对而定值的标准。副标准的

18、量值精度由主标准确定，用以代替主标准向下传递或代替主标准参加国际比对。 (3)三级标准，又称工作标准 工作标准用来直接向下属标准量具进行量值传递，用以检定下属计量标准量具的精确度。 （5）传递标准：作为媒介物以比较测量标准的标准。间接比较时的中介；（6）标准器具：体现某一基本测量单位的量具或仪器；（7）标准物质：均匀、特性确定，足以用于校准和评价的物质或材料。 4.3 几个术语 （1）计量器具：凡是能用以直接或间接测出被测对象量值的量具、计量仪器和计量装置都统称为计量器具。计量器具按作用可分为计量基准、计量标准和工作计量器具三类。 （2）计量标准器具：准确度低于计量基准，用于检定计量标准或工作

19、计量器具的计量器具。 （3）工作计量器具：工作岗位上使用，不用于进行量值传递，而是直接用来测量被测对象量值的计量器具。 （4）比对： 在规定条件下，对相同准确度等级的同类基准、标准或工作计量器之间的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性。 （5）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1/3到1/10。 （6）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。 （7）量值的传递： 指一个物理量单位

20、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。 1.标准的权威性 标准的理论定义最严格、制作工艺技术最先进。 从现代科学的观点来看，最好的标准是原子标准。2.标准的相对性 原器标准自身也会随时间、地点、环境条件而变化，甚至会损坏，会失传。 一个时期的测量标准反映当时的人类认识水平和科学水平。例：以太阳为标准，时间测量的精确度1天内可达到1秒钟。而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过1秒。中中国国计计量量院院中中国国测测试试院院国国家家标标物物中中心心授授权权基基准准实实验验室室大大区区国国家家计计量量中中心心省省级级计计量量所所

21、市市（地地）计计量量所所分分站站县县（区区）计计量量所所工工矿矿企企业业、商商店店、研研究究院院所所、医医院院、学学校校等等国国防防计计量量中中心心行行业业计计量量中中心心国国家家专专业业计计量量站站国国家家标标准准级级级级级级工工作作标标准准自上而下逐级传递自上而下逐级传递 1、电子测量的定义 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（光电、热电、压电等等）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。 处理信息最有效、最成功的是电子科学技术处理信息最有效、最成功的是电

22、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）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。太空、深

23、海、环境恶劣之处。 （6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化3.1 按照具体的被测物理量来分类，电子测量包括：按照具体的被测物理量来分类，电子测量包括：（1）电能量参数的测量。）电能量参数的测量。P、V、I、（2）电路参数的测量。）电路参数的测量。R、C、L、Z、Q、电子器电子器件参数等。件参数等。（3）电信号特性的测量。）电信号特性的测量。信号波形、频率、周期、信号波形、频率、周期、相位、失真度、信噪比、频谱、数字信号的逻辑相位、失真度、信噪比、频谱、数字信号的逻辑状态等。状态等。（4）电子设备性能的测量）电子设备性能的测量。放大。放大/ /衰减衰减倍数、灵敏倍数、灵敏度、频率特性等。

24、度、频率特性等。（5）特性曲线的测量）特性曲线的测量。幅频特性曲线、晶体管特。幅频特性曲线、晶体管特性曲线等。性曲线等。3、狭义电子测量的内容3.2 3.2 按基本的测量对象来看，电子测量是对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：电信号和电系统的测量：电子测量的电子测量的基本对象是未知基本对象是未知的信号与系统的信号与系统 电子测量的电子测量的基本工具是已知基本工具是已知的信号与系统的信号与系统 电子测量的电子测量的基本工作机理基本工作机理是信号与系统的是信号与系统的相互作用相互作用h (t )系系 统统输输入入输输出出x ( t )y ( t )测测试试系系统统框框图图3.

25、2.1 3.2.1 信号的基本概念信号的基本概念 测量的目的是获取被测对象的信息，信息测量的目的是获取被测对象的信息，信息描述了被测对象的状态及其变化方式。描述了被测对象的状态及其变化方式。 信号就是信息的某种物理表现方式，信号信号就是信息的某种物理表现方式，信号是信息的载体，是物质，具备能量。是信息的载体，是物质，具备能量。 同一个信息可以用不同的信号（声、光、同一个信息可以用不同的信号（声、光、电等）来运载，反之，同一种信号也可以电等）来运载，反之，同一种信号也可以运载不同的信息（广泛使用的电信号）。运载不同的信息（广泛使用的电信号）。3.2.2 信号的特点是：信号的特点是： 信号是用变化

26、着的物理量来表示信息的信号是用变化着的物理量来表示信息的一种函数；一种函数； 信号中包含着信息，它是信息的载体，信号中包含着信息，它是信息的载体，具有能量（有能源）。被测对象的信息感具有能量（有能源）。被测对象的信息感知阶段的任务，是要把信息变换成信号；知阶段的任务，是要把信息变换成信号； 信号不是信息本身，必须对信号进行测信号不是信息本身，必须对信号进行测量后，才能从信号中提取出信息，这是电量后，才能从信号中提取出信息，这是电子测量的根本目的。子测量的根本目的。1.1.确定性信号和非确定性信号确定性信号和非确定性信号电子测量中被测信号大多是时间的函数电子测量中被测信号大多是时间的函数x x(

27、 (t t) )，按，按其性质不同可分类如下：其性质不同可分类如下： 确定性信号：在相同试验条件下，能够重确定性信号：在相同试验条件下，能够重复实现的信号。确定性信号又分为：恒定复实现的信号。确定性信号又分为：恒定（直流）信号；周期信号（简谐周期信号和（直流）信号；周期信号（简谐周期信号和复杂周期信号）；非周期信号（准周期信号复杂周期信号）；非周期信号（准周期信号和瞬变冲激信号）；和瞬变冲激信号）； 非确定性（随机）信号：在相同试验条件非确定性（随机）信号：在相同试验条件下，不能够重复实现的信号。随机信号又分下，不能够重复实现的信号。随机信号又分为：平稳随机信号；非平稳随机信号。为：平稳随机信

28、号；非平稳随机信号。2.2.周期性信号与非周期性信号周期性信号与非周期性信号 都是确定性信号。都是确定性信号。 周期信号满足周期信号满足x（t+T）=x(t) 关系。关系。简谐周期信号简谐周期信号：正余弦信号，只用三个参数就可以完：正余弦信号，只用三个参数就可以完全确定。（振幅、相位、频率）全确定。（振幅、相位、频率）复杂周期信号复杂周期信号：两个以上简谐周期信号合成，包含一：两个以上简谐周期信号合成，包含一个基波和整数倍基波频率的谐波。个基波和整数倍基波频率的谐波。 非周期信号不存在基本周期，永不重复。非周期信号不存在基本周期，永不重复。准周期信号准周期信号：多个简谐周期信号合成，但其中任何

29、两：多个简谐周期信号合成，但其中任何两个谐波频率之比，在任何情况下都不是有理数。个谐波频率之比，在任何情况下都不是有理数。瞬变冲激信号：瞬变冲激信号：瞬变指持续几个周期的衰减信号；冲瞬变指持续几个周期的衰减信号；冲激指不同形式的单个脉冲。特点是瞬间发生，能量很激指不同形式的单个脉冲。特点是瞬间发生，能量很大。如雷电、高压放电等。大。如雷电、高压放电等。3.3.连续信号与离散信号连续信号与离散信号 表表 2-1信信号号的的分分类类自自变变量量 t函函数数值值 f(t)信信号号分分类类连连续续模模拟拟信信号号连连续续时时间间信信号号离离散散量量化化信信号号连连续续采采样样信信号号离离散散时时间间信

30、信号号离离散散数数字字信信号号4.4.时限信号和频限信号时限信号和频限信号 时限信号是指信号在时间的有限区间（时限信号是指信号在时间的有限区间（t t1 1，t t2 2）内有定义、在区间之外信号值恒等于）内有定义、在区间之外信号值恒等于零的信号，称为时域有限信号。零的信号，称为时域有限信号。 例如，矩形脉冲、正弦脉冲等。而周期信号、例如，矩形脉冲、正弦脉冲等。而周期信号、指数信号、随机信号等，则为时域无限信号。指数信号、随机信号等，则为时域无限信号。 频限信号是指在频率域内只占据有限的带频限信号是指在频率域内只占据有限的带宽（宽（f f1 1f f2 2）、在这一带宽之外信号值恒等）、在这一

31、带宽之外信号值恒等于零的信号，称为频域有限信号。于零的信号，称为频域有限信号。5 5 信号的时间特性和频率特性信号的时间特性和频率特性 时间特性：反映在信号随时间变化的波形上，包括时间特性：反映在信号随时间变化的波形上，包括信号出现时间的先后、持续时间的长短、重复周期信号出现时间的先后、持续时间的长短、重复周期的大小、随时间变化速率的快慢、幅度的大小等等。的大小、随时间变化速率的快慢、幅度的大小等等。 频率特性：一个复杂信号可以分解成许多不同频率频率特性：一个复杂信号可以分解成许多不同频率的正弦分量，即具有一定的频率成分。将各个正弦的正弦分量，即具有一定的频率成分。将各个正弦分量的幅度和相位分

32、别按频率高低依次排列就成为分量的幅度和相位分别按频率高低依次排列就成为频谱。信号的频谱包含了信号的全部信息。频谱。信号的频谱包含了信号的全部信息。6 6 信号的空间分布结构信号的空间分布结构 许多信号，既具有时间特性、也还具有空间特性许多信号，既具有时间特性、也还具有空间特性 例如描述大气压随海拔高度变化的信号，其自变例如描述大气压随海拔高度变化的信号，其自变量表示海拔高度；描述飞机机翼上应变分布的信量表示海拔高度；描述飞机机翼上应变分布的信号，其自变量表示结构尺寸；号，其自变量表示结构尺寸； 信号的产生、传输、处理、存储和再现都需要一信号的产生、传输、处理、存储和再现都需要一定的物理装置，这种装置通常就称为系统。定的物理装置，这种装置通常就称为系统。 从一般意义讲，系统是由若干相互依赖、相互从一般意义讲，系统是由若干相互依赖、相互作用的事物组合而成的具有特定功能的整体。作用的事物组合而成的具有特定功能的整体。1.1.系统的外部特性系统的外部特性即