第1章电子测量原理

1、电子测量原理电子科技大学电子测量原理电子测量原理电子测量原理电子科技大学课程简介课程简介 第一部分第一部分测量总论及误差理论测量总论及误差理论，介绍测量的基本概念、技，介绍测量的基本概念、技术方法及系统组成，误差理论和数据处理等。术方法及系统组成，误差理论和数据处理等。 第二部分第二部分基本电参量测量基本电参量测量，包括频率、电压、阻抗等，包括频率、电压、阻抗等 第三部分第三部分时域测量时域测量，以示波器为背景介绍时域信号波形的，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。采集、显示及应用技术。 第四部分第四部分频域测量频域测量，重点讨论频域中的信号频谱和网络性，重点讨论频域中的信号

2、频谱和网络性能的测量，介绍测量激励信号源的基本工作原理。能的测量，介绍测量激励信号源的基本工作原理。 第五部分第五部分数域测量数域测量，介绍数字系统的基本测量原理和方法，介绍数字系统的基本测量原理和方法，包括数字信号的产生、逻辑分析、可测性设计及数字系统包括数字信号的产生、逻辑分析、可测性设计及数字系统测试的典型实例。测试的典型实例。 第六部分第六部分测量系统集成测量系统集成，阐述组建测量系统的硬件平台、，阐述组建测量系统的硬件平台、软件平台、总线标准、通信技术等。软件平台、总线标准、通信技术等。电子测量原理电子科技大学第第1篇篇 电子测量总论及测量误差理论电子测量总论及测量误差理论 第一部分

3、第一部分电子测量总论，电子测量总论，阐述测量学科的丰富内阐述测量学科的丰富内涵。在介绍测量、计量的基本概念的基础上，阐涵。在介绍测量、计量的基本概念的基础上，阐述了电子测量的意义、内容、特点及应用，重点述了电子测量的意义、内容、特点及应用，重点讨论了电子测量原理及基本技术。讨论了电子测量原理及基本技术。 第二部分第二部分测量误差理论，测量误差理论，包括测量误差、数据处包括测量误差、数据处理和不确定度评定三部分内容。理和不确定度评定三部分内容。3电子测量原理电子科技大学第第1章章 电子测量总论电子测量总论 11 概述概述 12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 13 电子测量的分类电

4、子测量的分类 14 本书的体系结构及学习要点本书的体系结构及学习要点 4电子测量原理电子科技大学111 测量的基本概念测量的基本概念 1 测量的意义测量的意义 （1）日常生活中处处离不开测量）日常生活中处处离不开测量 （2）离开测量就不会有真正的科学）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 5电子测量原理电子科技大学111 测量的基本概念测量的基本概念 1 测量的意义（续）测量的意义（续）（3）在现代化的工业生产中，处处离不开测量）在现代化的工业生产中，处处离不

5、开测量 测量是精细加工的基础，没有测量也就没有现代化的制测量是精细加工的基础，没有测量也就没有现代化的制造业。造业。 生产水平越是高度发达，测量的规模就越大，需要的测生产水平越是高度发达，测量的规模就越大，需要的测量技术与仪器也越先进。量技术与仪器也越先进。（4）在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量）在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量 比如航空航天领域，医学生物领域，农业、气象、环境、比如航空航天领域，医学生物领域，农业、气象、环境、勘探等各学科勘探等各学科6电子测量原理电子科技大学111 测量的基本概念测量的基本概念 2测量的定义测量的定义 （1）狭义测量的定义）狭义测量的

6、定义 测量是为了测量是为了确定被测对象的量值确定被测对象的量值而进行的实验过程。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接或间接地与同类已知单位进行比较比较，取得用数值和，取得用数值和单位共同表示的测量结果。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. .测量单位，即：测量单位，即：7电子测量原理电子科技大学111 测量的基本概念测量的基本概念 2测量的定义（测量的定义（测量内涵测量内涵）测量对象测量对象：被测客体中的相应的量值信息：被测客体中的相应的量值信息 测量目的：从被测对象

7、取得一个定量的认识测量目的：从被测对象取得一个定量的认识测量过程测量过程: 通过实验去认识对象的过程通过实验去认识对象的过程测量方法测量方法：比较：比较 A. 直接比较直接比较 B. 间接比较；间接比较；C. 需要测量仪器需要测量仪器测量标准测量标准：同类已知单位。：同类已知单位。测量结果测量结果：最终能表示给测量主体（人）：最终能表示给测量主体（人）8电子测量原理电子科技大学111 测量的基本概念测量的基本概念 （2）广义测量的定义）广义测量的定义 广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量定量的测量，的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行而且还包括对更广

8、泛的被测对象进行定性、定级定性、定级的测量。的测量。 例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位等。源测定、卫星定位等。 而测量结果也不仅仅是由而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的还可以用二维或多维的图形、图像图形、图像来显示被测对象的来显示被测对象的属性属性特征、时序关系、空间分布及拓朴结构特征、时序关系、空间分布及拓朴结构等。等。9电子测量原理电子科技大学111 测量的基本概念测量的基本概念 测量是为了测量是为了获取被测对象的信息获取被测对象的信息而进行的实践过

9、程。在而进行的实践过程。在这个过程中，人们借助专门的设备去感知和识别有关的信息，这个过程中，人们借助专门的设备去感知和识别有关的信息，取得关于取得关于被测对象的属性和量值被测对象的属性和量值的信息，并以便于人们利用的信息，并以便于人们利用的形式表示出来。信息获取的基本原理如图的形式表示出来。信息获取的基本原理如图11所示。所示。图11 测量的基本原理图10电子测量原理电子科技大学111 测量的基本概念测量的基本概念 3测量的组成测量的组成（1）测量的基本要素）测量的基本要素 测量要有对象测量要有对象(测量的客体测量的客体)，测量要由人，测量要由人(测量主体测量主体)来来实施，测量需要专门的仪器

10、设备实施，测量需要专门的仪器设备(硬件硬件)作工具，测量要有作工具，测量要有理论和方法理论和方法(软件软件)作指导，测量总是在一个特定的作指导，测量总是在一个特定的环境环境中中进行的。进行的。 因此，构成测量的基本要素是：因此，构成测量的基本要素是：被测对象、测量仪器、被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境测量技术、测量人员和测量环境。 如下图所示：如下图所示：11电子测量原理电子科技大学111 测量的基本概念测量的基本概念（1）测量的基本要素（续）测量的基本要素（续）12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

11、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电子测量原理电子科技大学111 测量的基本概念测量的基本概念 3测量的组成测量的组成（2）测量过程）测量过程基本要素之间的互动关系基本要素之间的互动关系 测量过程是测量的主体测量过程是测量的主体(测量人员测量人员)获取获取测量客体测量客体(被测对被测对象象)的的量值信息量值信息的过程。的过程。 具体的整个过程如下图所示：具体的整个过程如下图所示：13电子测量原理电子科技大学111 测量的基本概念测量的基本概念执执行

12、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14电子测量原理电子科技大学111 测量的基本概念测量的基本概念 3测量的组成测量的组成 （3）被测对象）被测对象信息信息 狭义地讲，测量是狭义地讲，测

13、量是量值的获取量值的获取，被测对象是，被测对象是各种被测量各种被测量，包括物理量、化学量、生物量等；包括物理量、化学量、生物量等； 广义地讲，测量是广义地讲，测量是信息的获取信息的获取，被测对象是，被测对象是信息信息，信息，信息反映了事物的运动状态及其变化方式。反映了事物的运动状态及其变化方式。15 信息具有哪些性质？信息具有哪些性质？电子测量原理电子科技大学111 测量的基本概念测量的基本概念 3测量的组成测量的组成 （4）测量仪器系统）测量仪器系统量具和仪器量具和仪器 测量需要借助专门的设备，这类设备包括测量需要借助专门的设备，这类设备包括量具、测量仪量具、测量仪器、测量系统及附件器、测量

14、系统及附件等。等。 （5）测量的主体）测量的主体测量人员测量人员 手动：由测量主体（测量人员）直接参与完成手动：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。量策略、软件算法、程序编写需由测量人员事先设计好。16电子测量原理电子科技大学111 测量的基本概念测量的基本概念 3测量的组成测量的组成 （6）测量技术）测量技术 测量中所采用的测量中所采用的原理、方法和技术措施原理、方法和技术措施，总称为测量技，总称为测量技术。术。 （7）测量环境）测量环境 测量环境

15、是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空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间的一切物理和化学条件的总和一切物理和化学条件的总和。它包括温度、湿度、重。它包括温度、湿度、重力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量磁量(工作电流、电压、频率、源阻抗、负载阻抗、地磁工作电流、电压、频率、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等场、雷电等)的的数值、范围及其变化数值、范围及其变化。17电子测量原理电子科技大学(补充）计量的基本概念补充）计量的基本概念 1计量的定义和意义计量的定义和意义（1）计量的定义计量的定义 一个被测量是否可

16、以测量，必须满足两个基本的前提条一个被测量是否可以测量，必须满足两个基本的前提条件：被测量必须有件：被测量必须有明确的定义明确的定义；测量标准测量标准必须建立，必须建立，并被大家公认。并被大家公认。 计量是实现计量是实现单位统一、量值准确可靠单位统一、量值准确可靠的活动。的活动。 计量的三个主要特征是：计量的三个主要特征是：统一性、准确性和法制性统一性、准确性和法制性。 因此，也可以说计量学是因此，也可以说计量学是研究测量研究测量、以、以实现单位统一实现单位统一和和量值准确可靠量值准确可靠的科学。的科学。 计量按具体内容可分为计量按具体内容可分为科学计量、法制计量、工程计科学计量、法制计量、工

17、程计量量三个部分。三个部分。18电子测量原理电子科技大学 1计量的定义和意义计量的定义和意义（2）计量与测量的关系）计量与测量的关系 测量发展的客观需要才出现了计量，测量数据的准确可测量发展的客观需要才出现了计量，测量数据的准确可靠，需要计量予以保证，计量是测量的靠，需要计量予以保证，计量是测量的基础和依据基础和依据，没有，没有计量，也谈不上测量。计量，也谈不上测量。 测量又是计量联系实际应用的重要途径，可以说没有测测量又是计量联系实际应用的重要途径，可以说没有测量，计量也将失去价值。计量和测量量，计量也将失去价值。计量和测量相互配合相互配合，才能在国，才能在国民经济中发挥重要作用。民经济中发

18、挥重要作用。19(补充）计量的基本概念补充）计量的基本概念计量是测量的前提，测量是计量的延伸，两者相辅相成。计量是测量的前提，测量是计量的延伸，两者相辅相成。电子测量原理电子科技大学 1计量的定义和意义计量的定义和意义（3）计量的意义）计量的意义 计量是研究测量的科学，是所有科学赖以发展的计量是研究测量的科学，是所有科学赖以发展的支撑支撑。 计量工作是国民经济中一项极为重要的计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作技术基础工作，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个方面起着技术保证和技术监督技术保证和技术监督的作用

19、。的作用。20(补充）计量的基本概念补充）计量的基本概念电子测量原理电子科技大学 2计量计量标准和计量器具标准和计量器具（1）标准标准（或基准或基准）的定义的定义 为了为了定义、实现、保存或复现定义、实现、保存或复现量的单位或量值，用作参量的单位或量值，用作参考的考的计量器具计量器具(实物量具、测量仪器、参考物质或测量系实物量具、测量仪器、参考物质或测量系统统)，称之为标准或基准。，称之为标准或基准。 具有的特性是：具有的特性是： 要根据要根据严格科学理论定义严格科学理论定义，并符合或，并符合或最接近测量单位定义所依据的基本原理。最接近测量单位定义所依据的基本原理。 要用当代最要用当代最先进的

20、科学技术、先进的科学技术、最高的加工工艺水平最高的加工工艺水平，并以最好的精确，并以最好的精确度和稳定度制作成计量器具，以保持计量特性长期不变。度和稳定度制作成计量器具，以保持计量特性长期不变。21(补充）计量的基本概念补充）计量的基本概念电子测量原理电子科技大学 2计量计量标准和计量器具标准和计量器具（2）计量器具按结构特点分类计量器具按结构特点分类 计量器具按结构和功能可划分为计量器具按结构和功能可划分为实物器具、计量仪器和实物器具、计量仪器和计量装置计量装置。（3）计量器具按计量用途分类计量器具按计量用途分类 按照技术特性及用途，计量器具可分为计量按照技术特性及用途，计量器具可分为计量基

21、准器具、基准器具、计量标准器具计量标准器具(包括标准物质包括标准物质)和计量工作器具和计量工作器具。22(补充）计量的基本概念补充）计量的基本概念电子测量原理电子科技大学 3量值的传递和溯源量值的传递和溯源（1）量值传递与量值溯源的定义量值传递与量值溯源的定义 量值传递：量值传递：是指通过对测量器具的是指通过对测量器具的检定或校准检定或校准，将国，将国家基准所复现的单位量值，通过家基准所复现的单位量值，通过各等级计量标准传递各等级计量标准传递到到计计量工作器具量工作器具，以保证对被测对象量值的准确一致。，以保证对被测对象量值的准确一致。 量值溯源：量值溯源：是指通过一条具有规定不确定度的不间断

22、是指通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考的比较链，使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准标准(通常是与国家测量标准或国际测量标准通常是与国家测量标准或国际测量标准)联系起来的联系起来的特性。特性。23(补充）计量的基本概念补充）计量的基本概念电子测量原理电子科技大学 3量值的传递和溯源量值的传递和溯源（2）国家溯源等级图国家溯源等级图（国家计量检定系统表国家计量检定系统表） 国家溯源等级图内容包括：测量设备或基准、标准的名国家溯源等级图内容包括：测量设备或基准、标准的名称、测量范围、准确度等级、测量不确定度或最大允许误称、测量范围、准确度等级

23、、测量不确定度或最大允许误差、检定方法或手段。差、检定方法或手段。检定方法检定方法(测量方法测量方法)进行测量时所用的按类别叙述的一进行测量时所用的按类别叙述的一组操作逻辑次序（比较方法和手段），如替代法、微差法、组操作逻辑次序（比较方法和手段），如替代法、微差法、零位法、直接测量法、间接测量法、组合测量法。一般按零位法、直接测量法、间接测量法、组合测量法。一般按相应的计量检定规程中规定的方法来进行。相应的计量检定规程中规定的方法来进行。 溯源等级图如下图所示：溯源等级图如下图所示：24(补充）计量的基本概念补充）计量的基本概念电子测量原理电子科技大学25电子测量原理电子科技大学 3量值传递与

24、量值溯源的区别量值传递与量值溯源的区别表表1-1 量值溯源与量值传递的区别量值溯源与量值传递的区别 量值溯源量值溯源量值传递量值传递目的目的使测量结果保持准确，使测量器具与国家测量基准的量值相联系使测量结果保持准确，使测量器具与国家测量基准的量值相联系手段手段通过比较链通过比较链通过检定或校准通过检定或校准特点特点方式多样化，灵活方式多样化，灵活方式单一，不灵活方式单一，不灵活性质性质单位自愿行为单位自愿行为政府法制行为政府法制行为途径途径自下而上自下而上自上而下自上而下等级要求等级要求可越级溯源可越级溯源强调逐级传递强调逐级传递关注点关注点“数据数据”的准确性的准确性“器具器具”的准确性的准

25、确性26(补充）计量的基本概念补充）计量的基本概念电子测量原理电子科技大学 112 电子测量的意义电子测量的意义 它的优势表现在：它的优势表现在： （1）具有极快的速度具有极快的速度 （2）具有极精细的分辨能力和很宽的作用范围具有极精细的分辨能力和很宽的作用范围 （3）极有利于信息传递极有利于信息传递 （4）极为灵活的变换技术，有利于信息的获取极为灵活的变换技术，有利于信息的获取 （5）巨大的信息处理能力巨大的信息处理能力27电子测量原理电子科技大学 113 电子测量的特点电子测量的特点 电子测量具有以下几个明显的特点：电子测量具有以下几个明显的特点： （1）测量频率范围宽测量频率范围宽 （2

26、）量程范围宽量程范围宽 （3）测量准确度高测量准确度高 （4）测量速度快测量速度快 （5）易于实现遥测易于实现遥测 （6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化28电子测量原理电子科技大学 114 电子测量的电子测量的定义定义 从广义上说，电子测量是泛指以从广义上说，电子测量是泛指以电子科学技术电子科学技术为手段对为手段对信号和系统信号和系统进行的测量，即以电子科学技术理论为依据，进行的测量，即以电子科学技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对信号和电系统进行的测以电子测量仪器和设备为工具，对信号和电系统进行的测量。量。 从狭义上讲，电子测量则是

27、利用电子技术对电子学中有从狭义上讲，电子测量则是利用电子技术对电子学中有关的关的电量和非电量电量和非电量所进行的测量。所进行的测量。 电子测量的电子测量的基本对象和基本工具基本对象和基本工具都是都是电信号和电系统电信号和电系统。29电子测量原理电子科技大学 1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对象是未知的信号与系统 2基本工具是已知的信号与系统基本工具是已知的信号与系统 3基本工作机理是信号与系统的相互作用基本工作机理是信号与系统的相互作用 一个系统与其输入、输出之间的关系可用一个系统与其输入、输出之间的关系可用下下图表示，三图表示，三者之间一般有如下的几种关系：者之间一般有如

28、下的几种关系：已知系统的传递特性已知系统的传递特性 和输出量和输出量 ，来推知系统的输入量，来推知系统的输入量。 已知系统的输入量已知系统的输入量 和输出量和输出量 ，求系统的传递特性，求系统的传递特性 。若已知输入量若已知输入量 和系统的传递特性和系统的传递特性 ，则可综合出系统的输，则可综合出系统的输出量出量 。30 h (t) 系 统 输 入 输 出 ()xty( t ) 电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 121 测量的量值比较原理测量的量值比较原理 狭义测量最基本的原理是狭义测量最基本的原理是比较比较，测量是通过量值比较来，测量是通过量值比较来

29、取得一个取得一个定量定量的认识。在测量中进行量值比较采用的两种的认识。在测量中进行量值比较采用的两种基本方法：基本方法：直接比较法和间接比较法直接比较法和间接比较法。31天平和弹簧秤分别是天平和弹簧秤分别是两种方法的典型代表，两种方法的典型代表，其原理可以用其原理可以用左右两左右两图来说明图来说明图图a 天平直接比较天平直接比较 图图b 弹簧秤间接比较弹簧秤间接比较 电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 1. 间接比较法间接比较法 间接比较法是电子测量技术及仪器中最常用的一种原理间接比较法是电子测量技术及仪器中最常用的一种原理方法，它的实现原理基于两种技术

30、：方法，它的实现原理基于两种技术：变换和比较变换和比较。（1）变换）变换 电子测量中常常把被测的电子测量中常常把被测的未知量经过一系列的变换后未知量经过一系列的变换后，最后变换成人最后变换成人(测量主体测量主体)能直接感知的一种量值表示形式，能直接感知的一种量值表示形式，例如例如以指示器的偏转角以指示器的偏转角(或位移或位移)或显示的数码或显示的数码3220120( )nininiyf xsxss xs xs x电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 1. 间接比较法间接比较法（2）间接比较）间接比较 被测量与标准量的比较，是把被测量与标准量的比较，是把被测

31、量与标准量各自单独被测量与标准量各自单独地通过上述的变换过程地通过上述的变换过程，分别变换成输出的显示量后，人，分别变换成输出的显示量后，人们根据各自显示的读数值进行比较。们根据各自显示的读数值进行比较。 首先，对标准量测量，以确定仪器变换系数首先，对标准量测量，以确定仪器变换系数S的刻度值的刻度值，这个过程叫做这个过程叫做标定或校准标定或校准； 然后，再对未知量测量，并从已标定的刻度上读取测量然后，再对未知量测量，并从已标定的刻度上读取测量结果。结果。33电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 1. 间接比较法间接比较法（2）比较）比较 1）标定（输入标准

32、量）标定（输入标准量） 如果如果是线性的，即是线性的，即 令令 令令 故变换系数故变换系数 3401( )yf xss x0 x00yysmxx10mmyys xs01mmyysx00sy电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 1. 间接比较法间接比较法（2）间接比较）间接比较 2）测量测量（输入未知量）输入未知量） 设被测量为设被测量为 则，则， 或者写成或者写成 35x0100mxmyyyys xsxyx00 xmsyyxxyy电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 2. 电子测量中的变换技术电子测量中的变换技术（1）

33、量值变换量值变换 把量值处于难以测量的边缘状态把量值处于难以测量的边缘状态(太小或太大太小或太大)的被测量，的被测量，按某一已知比值变换为按某一已知比值变换为量值适中量值适中的量进行测量。的量进行测量。（2）频率变换频率变换 频率变换的方式很多，常用的有频率变换的方式很多，常用的有检波、斩波、变频、倍检波、斩波、变频、倍频、分频、取样频、分频、取样等。等。（3）波形变换波形变换 整形、限幅、微分、波形合成整形、限幅、微分、波形合成等波形变换广泛用于电子等波形变换广泛用于电子测量技术中测量技术中。 36电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 2. 电子测量中的

34、变换技术电子测量中的变换技术（4）电参量变换电参量变换 在电子测量中，常将被测参量作必要的变换以便于进行在电子测量中，常将被测参量作必要的变换以便于进行测量，参量变换形式很多，常见的有测量，参量变换形式很多，常见的有A/V/ 变换、变换、V/F及及F/V变换、变换、V/T及及T/V变换、变换、A/D及及D/A变换、网络参数变变换、网络参数变换等。换等。（5）非电参量变换非电参量变换 非电变换是泛指其他多种形式的非电变换是泛指其他多种形式的非电物理量与电学量非电物理量与电学量之之间的变换。间的变换。 非电参数变换就是能量形式的变换，传感器就是能量变非电参数变换就是能量形式的变换，传感器就是能量变

35、换器，一般分为换器，一般分为参量变换器及电势变换器参量变换器及电势变换器两大类。两大类。37电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 3. 直接比较法直接比较法（1）直接比较测量原理直接比较测量原理 1）组成结构）组成结构 被测量与标准量直接进行比较的原理，如被测量与标准量直接进行比较的原理，如下下图所示。它图所示。它是是一个双输入通道对称的差动式结构一个双输入通道对称的差动式结构，其中包括：，其中包括：一个具有一个具有比较功能比较功能的电路，比较结果由输出状态表示。的电路，比较结果由输出状态表示。一个与被测量同类的一个与被测量同类的可变标准量可变标准量参与比

36、较。参与比较。38被测量被测量 标准量，标准量，y=yL;被测量被测量 标准量，标准量，y=yH;被测量被测量=标准量，跃变信号标准量，跃变信号电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 3. 直接比较法直接比较法（1）直接比较测量原理直接比较测量原理 2）比较方式比较方式 比较功能可由比较功能可由运算功能运算功能来实现，有两种方式：来实现，有两种方式： 差值运算比较差值运算比较 若测量过程中调节标准量若测量过程中调节标准量s，使，使 (电路平衡、指示电路平衡、指示器为零器为零)时，则时，则 ； 比例运算比较比例运算比较 若调节标准量若调节标准量s，使，使 (电

37、路平衡，指示器为零电路平衡，指示器为零)，则，则 39xsy0y xsxys1y x s电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 3. 直接比较法直接比较法（2）差值示零的平衡调节差值示零的平衡调节 1）零示法原理）零示法原理 直接比较的典型方法是在测量过程中调节可变标准直接比较的典型方法是在测量过程中调节可变标准s，使使 ，s与与x二者的效应二者的效应互相抵消互相抵消，即差值比较器的，即差值比较器的输出为输出为0，或者测量系统达到一个，或者测量系统达到一个平衡状态平衡状态，比例比较电，比例比较电路的输出为路的输出为1，此时标准量的数值等于被测量的数值。，此时

38、标准量的数值等于被测量的数值。天平天平称重和电压测量的零示法是直接比较法的一个典型例子，如称重和电压测量的零示法是直接比较法的一个典型例子，如下图下图所示。所示。40 xs X被测量S标准量XS电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 3. 直接比较法直接比较法（2）差值示零的平衡调节差值示零的平衡调节 2）实现直接比较法的典型结构）实现直接比较法的典型结构 双通道对称的差动结构双通道对称的差动结构和和对称差动的桥式结构对称差动的桥式结构，是实现，是实现直接比较的典型结构，其组成直接比较的典型结构，其组成分别分别如如下图下图所示所示41sx激励源 y=02r1

39、r K1K2减法比较或比例比较 K3变换变换变换指示器 ux usy0 xs mu 或a)双通道对称输入结构双通道对称输入结构 b)对称桥式结构对称桥式结构电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 3. 直接比较法直接比较法（2）差值示零的平衡调节差值示零的平衡调节 3）自动平衡调节的反馈比较结构）自动平衡调节的反馈比较结构 比较测量的另一个典型结构是比较测量的另一个典型结构是闭环反馈的自动平衡式结闭环反馈的自动平衡式结构构。在测量仪器中为了实现自动比较，常采用闭环反馈比。在测量仪器中为了实现自动比较，常采用闭环反馈比较的平衡式结构，其基本原理如较的平衡式结构

40、，其基本原理如下图下图所示。所示。42电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 4. 电子测量中的比较技术电子测量中的比较技术（1）比较的基本概念）比较的基本概念 被测量与标准量进行比较的原理框图如被测量与标准量进行比较的原理框图如下图下图所示所示：43a)框图框图 b)比较特性比较特性 电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 4. 电子测量中的比较技术电子测量中的比较技术（2）电子测量中的典型比较技术电子测量中的典型比较技术 1）电压比较）电压比较 电平比较电平比较 ：电压比较器可进行两个电压比较器可进行两个模拟电压模拟电

41、压的大小的大小的比较，它用输出的的比较，它用输出的逻辑电平逻辑电平表示结果，原理与表示结果，原理与上图上图相同。相同。 差值型比较差值型比较：如果需要对两个电压的差值如果需要对两个电压的差值y进行测量，进行测量，应当采用能输出模拟差值电压的应当采用能输出模拟差值电压的减法运算放大器减法运算放大器代替电压代替电压比较器，因为比较器输出的是逻辑电平而不是模拟差值电比较器，因为比较器输出的是逻辑电平而不是模拟差值电平值。平值。44电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 4. 电子测量中的比较技术电子测量中的比较技术（2）电子测量中的典型比较技术电子测量中的典型比较

42、技术 1）电压比较）电压比较 比例型比较比例型比较：具有具有除法或比例运算功能除法或比例运算功能的电路或部件，的电路或部件，也可完成被测量与标准量的比较。例如，双积分式也可完成被测量与标准量的比较。例如，双积分式A/D转转换器中，被测电压换器中，被测电压 与标准电压与标准电压 之间具有如下关系：之间具有如下关系： 或或4521xsUTUT21xsTUUT式中，式中， T1为第一次积分为第一次积分(取样取样)期时间，期时间，T2为第二次积分为第二次积分(比比较较)期时间。期时间。电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术（2）电子测量中的典型比较技术电子测量中的典

43、型比较技术 2）阻抗比较）阻抗比较 电桥电路具有电桥电路具有对称差动对称差动的电路结构，可以十分方便地实的电路结构，可以十分方便地实现现差值检测和比例比较差值检测和比例比较的功能。的功能。 或或 46Z1Z2ZsZxDUUZ1Z2ZsZxDZsZxN1N2N0U1U2UDZsZxN3N1N2D指零仪Ui1i2a)比例臂电桥比例臂电桥 b)有源电桥有源电桥 c)电压比较式电桥电压比较式电桥 d)电流比较电桥电流比较电桥 21xSZZZZ21xSNZZN电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术（2）电子测量中的典型比较技术电子测量中的典型比较技术 3）频率频率(时

44、间时间)比较比较 时间或频率的差值比较时间或频率的差值比较 用用R-S触发器可实现触发器可实现时差时差比较的原理如比较的原理如下下图所示。图所示。47a)原理框图原理框图 b)时间关系图时间关系图 电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术（2）电子测量中的典型比较技术电子测量中的典型比较技术 3）频率频率(时间时间)比较比较 时间或频率的差值比较时间或频率的差值比较用用混频器的频率减法功能混频器的频率减法功能作频率比较器的实例如作频率比较器的实例如下下图所示。图所示。48a)混频器实现差频比较功能混频器实现差频比较功能b)差频比较法在频率测量中的应用差频比较法

45、在频率测量中的应用混频器fAfBABFff被测频率标准频率混频器零差指示fAfBABFff电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术（2）电子测量中的典型比较技术电子测量中的典型比较技术 3）频率频率(时间时间)比较比较 时间和频率的比例比较时间和频率的比例比较 或或 用一个门电路可以实现两个脉冲信号频率用一个门电路可以实现两个脉冲信号频率(或周期或周期)的数的数字式比例运算功能。如字式比例运算功能。如下图下图所示。所示。49闸门fA( TA )fB( TB )ABfNf()BATNTTBfAfBNa)原理框图原理框图 b)工作波形图工作波形图 ABfNfBAT

46、NT电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术（2）电子测量中的典型比较技术电子测量中的典型比较技术 4）相位比较）相位比较 模拟鉴相器用模拟鉴相器用乘法器或相敏检波器进行相位比较。乘法器或相敏检波器进行相位比较。 脉冲与数字式鉴相器用触发器构成的脉冲与数字式鉴相器用触发器构成的脉冲鉴相器脉冲鉴相器，或，或用专用的数字式鉴相器芯片进行相位比较。用专用的数字式鉴相器芯片进行相位比较。 5) 数字比较数字比较 一位二进制的数一位二进制的数B1和和B2加于加于异或门异或门的输入端，即可进行的输入端，即可进行比较。多位二进制数比较。多位二进制数N1和和N2比较，可由多个

47、异或门构成数字比较，可由多个异或门构成数字比较器。多位数字比较器已做成专用集成电路芯片。比较器。多位数字比较器已做成专用集成电路芯片。50电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 122 测量的信息获取原理测量的信息获取原理 1. 信息的概念信息的概念（1）信息的特性信息的特性 信息又可分为信息又可分为自然信息自然信息和和社会信息社会信息两大类。它们具有以两大类。它们具有以下一些重要性质：下一些重要性质： 1）信息是对事物运动状态和方式的描述。信息是对事物运动状态和方式的描述。 2）信息可以被感知。信息可以被感知。 3）信息载体和形态可以转换。信息载体和形态可

48、以转换。4）信息可以存储。信息可以存储。 5）信息可以传输信息可以传输。6）信息可以被复制信息可以被复制、共享。、共享。51电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 122 测量的信息获取原理测量的信息获取原理 1. 信息的概念信息的概念（2）客体的实有的信息客体的实有的信息客观信息客观信息 某事物客体所具有的信息，是指该某事物客体所具有的信息，是指该客观存在客观存在的事物的运的事物的运动状态及其变化方式的自我表述或自我显示。动状态及其变化方式的自我表述或自我显示。（3）主体认识论的信息主体认识论的信息主观信息主观信息 主体关于某事物的认识论层次信息，是指主体

49、关于某事物的认识论层次信息，是指主体所感知或主体所感知或表述表述的关于该事物的运动状态及其变化方式，包括状态及的关于该事物的运动状态及其变化方式，包括状态及其变化方式的形式、含义和效用。其变化方式的形式、含义和效用。52电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 122 测量的信息获取原理测量的信息获取原理 1. 信息的概念信息的概念（4）全信息全信息语法信息、语义信息、语用信息语法信息、语义信息、语用信息全信息是同时考虑了事物运动状态及其变化方式的外在形式、全信息是同时考虑了事物运动状态及其变化方式的外在形式、内在含义和效用价值的主体认识论层次信息。内在含义和

50、效用价值的主体认识论层次信息。 在信息科学中，从信息的性质出发，可分为在信息科学中，从信息的性质出发，可分为语法信息语法信息、语义语义信息信息、语用信息语用信息，它们是构成全信息的三个层次。，它们是构成全信息的三个层次。 语法信息语法信息层次不考虑信息的含义和效用，它是最简单、层次不考虑信息的含义和效用，它是最简单、最基本、最抽象的层次；最基本、最抽象的层次；语用信息语用信息则是最复杂、最实用的则是最复杂、最实用的层次；语义信息居于其中。层次；语义信息居于其中。53电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 122 测量的信息获取原理测量的信息获取原理 2. 测

51、量信息获取的原理框图测量信息获取的原理框图（1）测量的信息获取过程分析测量的信息获取过程分析 测量过程中信息运动的测量过程中信息运动的路径路径是从是从被测对象被测对象（信源信源）经测经测量仪器到量仪器到测量人员测量人员（信宿信宿），信息运动过程常常包含着许，信息运动过程常常包含着许多子过程，而且在整个信息运动过程中还贯穿着各种信息多子过程，而且在整个信息运动过程中还贯穿着各种信息转换。此外，信息运动过程中还要受到外界和内部的环境转换。此外，信息运动过程中还要受到外界和内部的环境的影响，因此，这一的影响，因此，这一信息的运动是一个复杂的过程信息的运动是一个复杂的过程。54电子测量原理电子科技大学

52、12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 122 测量的信息获取原理测量的信息获取原理 2. 测量信息获取的原理框图测量信息获取的原理框图（2）信息获取的原理框图信息获取的原理框图 下面从广义的测量原理，即信息获取的基本原理中来阐述测量的信下面从广义的测量原理，即信息获取的基本原理中来阐述测量的信息过程。如息过程。如下图下图所示所示55 客体 信息 比较 识别 传感 变换 信号感知 测量客体激励规范化信号标准处理显示测量人员处理目标信息语用信息语义信息语法信息量化信息语法信息电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 122 测量的信息获取原理测量的信

53、息获取原理 3. 信息的感知信息的感知（1）感知的基本原理）感知的基本原理 信息感知信息感知的技术本质是的技术本质是信息信息（事物运动状态及其变化方事物运动状态及其变化方式式）载体转换载体转换，通常是把，通常是把客体信息客体信息的形式特征变换成用某的形式特征变换成用某些其它些其它物理量物理量的形式表现出来，这些的形式表现出来，这些物理量物理量就是信号，就是信号，信信息感知的原理框图息感知的原理框图如如下图下图所示。所示。56电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 122 测量的信息获取原理测量的信息获取原理 3. 信息的感知信息的感知（2）感知的）感知的基本

54、技术基本技术传感器与敏感器传感器与敏感器 传感器根据转换的效应可分为传感器根据转换的效应可分为物理型、化学型和生物型物理型、化学型和生物型三大类。三大类。 按按构成原理构成原理物理型传感器可分为物理型传感器可分为物性型物性型传感器和传感器和结构型结构型传感器。传感器。物性型物性型传感器传感器：利用转换元件物理特性的变化实现信号转换，：利用转换元件物理特性的变化实现信号转换，如热敏电阻、光敏电阻等；如热敏电阻、光敏电阻等；结构型结构型传感器传感器：利用其转换元件结构参数的变化实现信号转：利用其转换元件结构参数的变化实现信号转换，如变面积型电容传感器，变气隙型电感传感器换，如变面积型电容传感器，变

55、气隙型电感传感器57电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术（2）感知的）感知的基本技术基本技术传感器与敏感器传感器与敏感器根据根据能量观点能量观点物理型传感器又可分为能量物理型传感器又可分为能量转换型转换型和能量和能量控制控制型型两类。两类。能量转换型能量转换型:将非电能转换为电能量，不需外激励源，又称将非电能转换为电能量，不需外激励源，又称有源传感器；有源传感器；能量控制型：需要外部激励源供给能量，又称无源传感器。能量控制型：需要外部激励源供给能量，又称无源传感器。 按传感器与被测对象的耦合方式可分为按传感器与被测对象的耦合方式可分为接触式接触式和和非接触

56、非接触式式两种。两种。 按输出信号表示形式又可分为模拟式和数字式两类。按输出信号表示形式又可分为模拟式和数字式两类。58电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 122 测量的信息获取原理测量的信息获取原理 4. 信息的识别信息的识别（1）识别的基本原理）识别的基本原理 1）识别是把感知的语法信息识别是把感知的语法信息（信号形式信号形式）转换成人们转换成人们能够理解的能够理解的语义信息语义信息。 2）识别识别（分类分类）的基本原理是的基本原理是形式特征形式特征的比较。的比较。 3）把能够表征这个把能够表征这个语法信息语法信息的一组形式化参量的一组形式化参量（特

57、征特征）提取出来与相应的特征模版进行比较。提取出来与相应的特征模版进行比较。 4）被测对象的信息是非常丰富的。被测对象的信息是非常丰富的。59电子测量原理电子科技大学12 电子测量原理及基本技术电子测量原理及基本技术 122 测量的信息获取原理测量的信息获取原理 4. 信息的识别信息的识别（2）识别的基本技术）识别的基本技术 识别的基本方法是比较，识别离不开各种变换和处理技识别的基本方法是比较，识别离不开各种变换和处理技术，识别的结果要显示出来。因此，在术，识别的结果要显示出来。因此，在识别过程识别过程中要综合中要综合地使用信号的地使用信号的比较、变换、处理和显示比较、变换、处理和显示技术。技

58、术。（3）识别的基本处理举例）识别的基本处理举例 人工处理、自动化处理、智能化处理人工处理、自动化处理、智能化处理60电子测量原理电子科技大学13 电子测量的分类电子测量的分类 131 概述概述 本书以被测对象的几种最基本、最主要的分类方法，来本书以被测对象的几种最基本、最主要的分类方法，来阐述测量技术和测量方法，如阐述测量技术和测量方法，如下下图图所示：所示：61电子测量原理电子科技大学13 电子测量的分类电子测量的分类 132 有源量有源量(信号信号)测量和无源量测量和无源量(系统系统)测量测量 有源量和无源量有源量和无源量 信号是有源量，有源量是指一个信号是有源量，有源量是指一个携带能量

59、携带能量的物理量的物理量。 无源量是无源量是被动的被动的，它不能主动提供出能量，无法去直接，它不能主动提供出能量，无法去直接驱动传感器和测量仪器驱动传感器和测量仪器。 信号特性参量信号特性参量为常见的有源量，主要包含信号的电压、为常见的有源量，主要包含信号的电压、电流与功率、频率与波长、周期与时间、波形与频谱等；电流与功率、频率与波长、周期与时间、波形与频谱等；系统特性参数系统特性参数为常见的无源量，包括集总与分布参数系统为常见的无源量，包括集总与分布参数系统的特性的特性。62电子测量原理电子科技大学13 电子测量的分类电子测量的分类 132 有源量有源量(信号信号)测量和无源量测量和无源量(

60、系统系统)测量测量 有源量有源量（信号信号）的测量的测量 对有源量的测量，可把被测的有源量作为一个对有源量的测量，可把被测的有源量作为一个未知的信未知的信号号，去，去激励激励一个一个功能已明确定义、性能已预先知道的系统功能已明确定义、性能已预先知道的系统(测量系统测量系统)，通过系统的响应求得被测参量的量值，所以，通过系统的响应求得被测参量的量值，所以，这类测量又叫信号的测量，其测量方法如，这类测量又叫信号的测量，其测量方法如下图下图所示。所示。 63被测对象（有源量）测量系统（已知系统）响应的读出与显示信号响应电子测量原理电子科技大学13 电子测量的分类电子测量的分类 132 有源量有源量(