电子测量Chapter 电测绪论(古)

1、Chapter 1 绪 论1.1 测量的基本概念1.2 计量的基本内容1.3 电子测量的内容与特点1.4 电子测量仪器的分类1.5 电子测量的方法1.6 本课程的目的、内容及要求测量不仅仅是对被测物理量进行 定量的测量，而且还包括对被测对象进行更广泛的定性测量 、定级测量 。 例如：故障诊断(有/无)、无损探伤(有/无)、遥感遥测(有/无、多少)、矿藏勘探(有/无、多少)、地震源测定(级别)、卫星定位等。 信息的获取要从信息的感知和信息的识别两个环节展开。信息识别的主要任务是对感知的信息进行定性区分和定量确定，建立信息类别相似性的表示和信息量值的度量。 1.1 测量的基本概念1.测量的定义：

2、狭义的定义：借助于专门设备确定被测对象量值的实验过程。 狭义的测量定义源于传统的、经典的测量概念。它表明： 测量的目的是对被测对象有一个定量的认识； 测量是通过测量实验过程去认识被测对象，说明测量是一个实验过程 广义测量 概念是对传统测量概念的扩充。 测量是人们借助专门的设备去获取被测对象的属性和量值信息，并以便于人们利用的形式表示出来。广义的定义：测量是获取被测对象的信息而从事的实践过程。 测量是通过比较来确定被测量的数值。 测量比较 可采用直接 或 间接 的方法进行，比较通常需要用专门的设备(测量仪器)才能实现： 直接比较测量：将被测物的量与同类标准量直接比较而得。 如：天平称物重是将被测

3、物与砝码比较。 间接比较测量：将被测物的量与非同类标准量比较而得。 该非同类标准量是经同类标准量比较标定的， 如：弹簧称称物重。 被测量应有明确定义，其量值标准巳建立, 该项测量才可能实施。 例：称重,物质的重量有明确的定义（= 物体的质量/重力加速度），其量值的标准也由 国际计量大会(CGPM) 建立，并受我国法律肯定与保护；各类称重器具存在。称重可实施，且是测量物质量的一个最常用措施。 测量结果最终需要向测量的主体(人)表示。 2.测量的特点： 3.测量结果的表示： 测量结果表示必备元素：测量结果由一定的数值(绝对值大小及其符号)及相应的单位两部分。 例如，9.17V、22.40、790k

4、Hz等。 测量数据的表现形式：既可能表现为一定的数字，也可能表现为一条曲线，或显示出某种图形。在特殊情况下，也可能表现为某种反馈形式的控制信号。 误差表现：由于各种因素的影响、测量结果中不可避免地存在着误差。为了说明测量结果的可信赖程度，在表示测量结果时，还必须同时注明其测量误差数值或范围。 例如： 9.17V0.01V0.2%4. 测量的组成： 1）测量的基本要素：构成测量的基本要素是：测量对象、测量仪器、测量技术（测量原理、方法及相应技术措施）测量人员 和 测量环境。如下图所示。2）测量的过程： （1）测量人员根据测量任务的要求、测量对象的属性和特点 及现有仪器设备状况、选择测量仪器，拟定

5、合理的测量方案(方法及相应的技术措施)，组建测量系统。（2）根据所采用的测量技术，制定出测量策略和操作步骤(测量程序)。（3）完成测量过程。对仪器和系统实施测量操作(发控制命令)，按照逻辑和时序取得测量数据，（4）分析测量误差并得出测量结果。量 值：由数值与计量单位的乘积表示的量的大小。例如，5mV、3A 等。被 测 量：指测量对象(测量客体)的特定量。它可以是待测量，也可以是已测量。 例如：放大器的输入阻抗、放大器的放大增益影 响 量：不是被测量，但却影响被测量值或计量器具示值的量。如环境温度。 (测量)单位：为了定量表示某量的大小，而共同约定的一个特定参考量，它有名称、符号和定义，其数值为

6、1。即： “数值等于1的物理量” 。量 的 真 值：在所处条件下被严格定义的量值。也可以理解为没有误差的量值。 量的真值是一个理想的概念，实际上不可能确切得知，只能随着科技的发展及认识的提高太逐渐接近它。然而，国际(国家)的基准，在特定条件下的值可视为是真值。约 定 真 值：根据某约定而取的可以代替真值的量值。一般认为，约定真值与真值的差值可以忽略不计。故在实际应用中，约定真值可以代替真值。5.测量中常用术语： 例：1983 年10月第十七届国际计量大会通过了米的新定义：“ 米是光在真空中1299792458秒的时间间隔内所经路程的长度”。 新的米定义有重大科学意义。从此光速c成了一个精确数值

7、。把长度单位统一到时间上，就可以利用高度精确的时间计量，大大提高长度计量的精确度。 04年中国计量科学研究院量子部主任钱进，因在建立国家长度基准中做出突出贡献而成为享受国务院特殊津贴的专家。作为国家长度基准的633激光稳频装置，对外代表国家参加国际关键比对，保证其国际一致性；对内开展检定、校准和检测等量值传递， 示 值：测量器具显示或提供的量值。对于测量仪器，是指示值或记录值；对于标准器具是标称值或名义值；对于供给量仪器是设置值或标称值。读 数：是仪器刻度盘，或显示器上直接读到的数字。 例：以100分度表示50mA的电流表，当指针指在50分度处时，读数是50，而示值为25mA。有时为了避免差错

8、和便于查对,在记录测量的示值的同时对应记下读数。额 定 值：由制造者为设备或仪器指定的在规定工作条件下量值。实 际 值：满足规定精确度的用来代替真值的量值。实际值可以理解为由实验获得的,在一定程度上接近真值的量值。 在计量检定中，常将上级计量标准所复现的量值称为下级计量器具的实际值。5.测量中常用术语： 1.2 计量的基本内容一个被测量是否可以测量必须满足以下基本的前提条件： 被测量必须有明确的定义（如长度、时间和质量等）； 必须建立测量标准，并被大家公认。 为建立起测量标准，将此测量标准为大家公认并得以实施，就产生了计量。 定义：计量是利用技术和法制手段实现单位统一、量值准确可信的活动。 它

9、是一种特殊形式的测量。 计量的三个主要特征： 计量具有三个主要特征：统一性、准确性、法制性。 对已明确定义的量,在不同地方,或不同方式测量时,所得结果应当一致。于是需要统一的单位，统一单位的基准、标准和用这些基准和标准来校准的测量器具。 统一的单位、基准、标准等必须准确，才能保证量值准确可信。 为保证测量标准的实施，就要以法律形式固定下来。 一、计量的概念与意义 测量：是用已知的标准单位量与同类或非同类物质进行比较。其任务是获得该物质数量。这时认为其误差是由测量仪器和测量方法等引起的。 计量：是用法定标准的已知量与同类的未知量(如受检测量仪器)比较，此时认为标准量和体现标准量的计量器具是准确的

10、、法定的，误差是由受检仪器引起的。计量的任务是确定测量结果的可靠性。 可见计量与测量不同，但二者又有密切的联系。 为了保证测量结果的准确性，必须定期对测量仪器进行捡定和校准，这个过程就是计量。 计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作，它在工农业生产、科学技术、国防建设以及人民生活等各个方面起着技术保证和技术监督的作用。 计量是测量的客观需要，测量数据的准确可靠，需要计量予以保证。 计量是测量的基础和依据，没有计量，也谈不上测量。 测量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？ 计量和测量相互配合，在国民经济个发挥重要作用。一、计量的概念计量与测量的关系 二、计量分

11、类： (1)科学计量 科学计量主要是指基础性、探索性及先行性的计量科学研究。例如：关于计量的单位与单位制、计量基准与标准、物理常数、测量误差、测量不确定度与数据处理等。科学计量通常是计量科学研究单位，特别是国家计量科学研究单位的主要任务。 (2)工程计量 工程计量(工业计量) ，指各种工程、工业企业中的应用计量。例如，电子元器件工程流程的监控，以及产品品质与性能的计量测试等. 工程计量涉及面广，是各行各业普遍开展的一种计量。 (3)法制计量 为保证公众安全以及国民经济和社会发展，根据法制、技术和行政管理的需要，由政府或官方授权进行强制管理的计量，包括对计量单位、计量器具(特别是计量基准、标准)

12、、计量方法和计量精确度(或不确定度)及计量人员的专业技能等的明确规定和具体要求。 1.计量基准定义: 在特定计量领域内复现和保存计量单位、并有最高计量特性的计量器具，是统一量值的最高依据。是计量基准器具的简称。 三、计量基准 2.计量基准的基本要求: 符合或最接近计量单位定义 所依据的基本原理；具有良好的复现性，并且所复现和保存的计量单位(或其倍数或分数)具有当代(或本国)的最高精确度；性能稳定：计量特性长期不变；能将所复现和保存的计量单位(或其倍数或分数)通过一定的方法或手段传递下去。 3.计量基准的分类: 计量基准的类别一般按层次等级和组合形式分。 *按层次等级分： 一般可分为国际基准、国

13、家基准、副基准和工作基准四种。 *按组合形式分 一般可分为单件基准、集合基准及基准组三类。四、计量基准*按层次等级分：()国际基准国际基准即国际计量基准的简称。对它必须特别爱护，只有在非常必要的情况下才可以使用。例如，千克原器(质量的国际基准)的使用，要经过国际计量委员会的批准。自从1889年建立以来，只使用了几次。()国家基准(主基准) 它是指一个国家直接根据基本测量单位的定义复现出的具有最高水平的基准。一个国家体现某一测量单位量值的国家基准只有一个。经国家鉴定并批准，作为统一全国计量单位量值的最高依据。 主基准一般不轻易使用，只用于对副基准、工作基准的定度或校准，不直接用于日常计量。主基准

14、通常简称为基准。 ()副基准 通过与国家基准比对来确定其量值、并经国家鉴定批准的计量器具，地位仅次于国家基准。它作用是替代国家基准向下传递基本计量单位的量值标准，或代替主标准参加国际比对，以确定各国主标准的精度。这样可保证主标准不致因经常使用和搬动而降低精确度。 副基准主要是为了维护主基准而设的，一般亦不用于日常计量。 ()工作基准 经与国家基准或副基准校准或比对，并经国家鉴定，实际用以检定计量标准的计量器具。它在全国作为复现计量单位的地位仅在国家基准及副基准之下。设立工作基准的目的是不使国家基准由于使用频繁而丧失其应有的精确度或遭到破坏。 四、计量基准* (1)单件基准单件基准可以是一个简单

15、的量具或一台结构复杂的仪器或装置，它可以单独地复现或保存测量单位。 例如，铂银合金千克基准硅砝码就是一个简单的量具。 (2)集合基准集合基准是通过联合使用而起计量基准作用的一组相同的实物量具或计量器具，其目的在于提高测量单位复现的准确度和保存的可靠性。集合基准的量值就是集合基准中各个计量基准量值的加权平均值。 例如，由20个基准电池组成的伏特基准。组成集合基准的各个计量基准是固定的，若要从中更换，必须经过国家计量行政部门的批准。 (3)基准组基准组由一组不同量值的计量基准所构成，它们单个地或在适当的组合下复现给定范围内的一系列量值。例如，1mg-20kg砝码基准组、液体密度计基准组等。 四、测

16、量标准传递： 测量标准的传递机构： 为保证量值传递的准确、统一，国家建立起国家计量机构。国家各级计量机关的各级计量局、计量检定所(或站) 行使国家对测量标准的行政管理权。 测量标准的传递形式： 检定测量标准的传递准则：高一级测量标准检定低一级测量标准的精确度。由国家主基准逐级向下传递，一直传递到日常工作的各式量具和仪器。 各地区或各部门所使用的计量标准器具和上级标准相比较，若比较结果的误差在允许的范围内时，这些标准器具就可作为地区或部门的计量器具的标准。六、计量相关术语关于标准中用到几个术语，归纳说明如下： ()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之。

17、计量器具按作用可分为标准计量器具和工作计量器具两类。计量器具的特征（参教材P10）(1)标称范围(2)测量精确度(准确度)(3)灵敏度(4)鉴别力(5)鉴别力阈(6)分辨力(7)作用速度(8)稳定度()标准计量器具：在量值传递中，用于检定计量标准或工作计量器具的计量器具。()工作计量器具：工作岗位上直接用来计量检测对象量值的计量器具。()量 具：以固定形式复现量值的计量器具称为量具。量具一般没有指示器，在测量过程中也没有运动的测量元件。()比对： 在规定条件下，对相同准确度等级的同种测量标准或工作计量器具之间的量值进行比较其目的是考核量值的一致性。()检定：由法定计量技术机构确定并证实测量器具

18、是否满足要求而做的工作。它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。()校准： 在规定条件下，为确定测量仪器、测量系统所指示的量值或实物量具、标准物质所代表数量值与对应的测量标准所复现的量值之间关系的一组操作。校准结果可以给示值赋值，又可确定示值的修正值，也可以确定其它计量特性，如影响量的作用等。在有的场合校准也称为定度成标定。()量位的传递： 透过对测量器具的校准(检定)，将国家测量标准所复现的单位量值通过各等级测量标准传递到工作测量器具的活动以保证被测对象的量值准确和一致。

19、()量值的溯源性： 通过一条具有规定不确定度的不间断比较链, 使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准(通常是与国家标准或国际测量标准)联系起来的特性。七、单位与单位制 1）定义术语 单 位：根据定义而令系数为1的量，称为物理量的单位。 例如，米是长度的单位；安培是电流的单位等等。 单位是表征测量结果的重要组成部分，是用以对两个同类物理量进行比较的基础。 基本单位：彼此无关、分别加以确定的物理量单位。如：米、秒、安培 导出单位：由基本单位通过定义、定律或其他函数关系式推导、派生出的各种单位。 例如：速度、电压 单 位 制：按一定的规则确定的一组基本单位和导出单位称为单位制。2）国际单位制

20、（SI）（1）国际单位制的诞生：1948年第九届国际计量大会(CGPM)上通过了一项决议：建议在国际上采用一种以实用单位为基础而规定的统一单位制。1960年第十一届国际计量大会上，正式通过了这种新的统一单位制，命名为国际单位制，代号为SI。 1971年第14届国际计量大会修订，国际单位制的基本单位共有以下七个：（2）国际单位制的组成： 国际单位制是由国际单位制单位和国际单位制词头两部分组成。（3）国际单位制的使用： 国际单位制单位： 国际单位制单位包括了基本单位、导出单位和辅助单位三类。基本单位共有7个，见表1.2。导出单位是由基本单位按定义、定律或一定的关系式推导出来。辅助单位有两个，即平而

21、角的单位弧度(rad)和立体角的单位球面度(sr)，它们在应用过程中可以任意作为基本单位或导出单位。表1.2 国际单位制基本单位 国际单位制词头 国际单位制词头采用的是十进制词头，它是用来表示使单位增大或缩小的十进倍数。词头是这些倍数单位名称的一部分，它们代表的倍数从10-241024，共有16个、见表1.3。表1.3 国际单位制词头 （3）国际单位制的使用：在使用同际单位制时，必须遵循规定的使用方法：这里简要归纳如下： (1)词头代号与单位代号之间不留间隔。 例如，km(干米) (2)如果词头代号上有指数，则表明倍数单位按指数相乘。 例如，1cm3=(10-2m)3=10-6m3 (3)两个

22、以上单位的乘积最好用圆点作为乘号，只有当乘积结果与其他代号不相混淆时，圆点才可以省略，但次序不能变动。 例如，km或km，但不允许写成mk。 (4)不允许用两个以上国际单位制词头并列构成组合词头。例如，可用1pF(皮法)，而不允许用1mnF(毫纳法)。 (5)当导出单位由一个单位除另一单位而构成时，可用斜线、水平线或者负幂数表示。 例如，m/s、ms-1。 (6)除了加括弧外，一个组合单位在同一行内只能用一条斜线，在复杂情况下应该用负幂或括弧。 例如，m/s2或ms-2，但不应写为m/s/s。 (7)选用国际单位制单位的倍数单位时，应使数值处于0.11000之间。 例如，3.4104N可以写成

23、34kN； 0.00687m可以写成6.87mm； 5.410s可以写成5.4ns。 在同一个量的数值表中，或同一篇文章中讨论这些数值时，即使有些数值不在0.11000的范围以内，也要求使用一致的倍数单位或分数单位。 3）我国法定计量单位 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，并包括16个我国选定的非国际单位制单位： 时间(分、时、天)、 平面角(秒、分、度)、 长度(海里)、 质量(吨、原子质量单位)、 体积(升)、 面积(公顷)、 转速(转每分)、 速度(节)、 能(电子伏)、 级差(分贝) 线密度(特克斯)。1.3 电子测量基本概念

24、2.电子测量的内容与特点电子测量的内容： （参P2） 电能量的测量(各种频率和波形的电压、电流、电功率等)； 电信号特性的测量(信号波形、频率、相位、噪声及逻辑状态等) 电路参数的测量(阻抗、品质因数、电子器件的参数等)； 导出量的测量(增益、失真度、调幅度等)； 特性曲线的显示(幅频特性、相频特性及器件特性等)。 电子测量除了对电参量进行稳态测量以外，还可以对自动控制系统的过渡过程及频率特性等进行动态测量。电子测量的特点（参P3） (1)频率范围宽（10-41012） (2)量程范围广 (3)测量准确度高 (4)测量速度快 (5)易子实现遥测和测量过程的自动化 (6)易子实现仪器小型化 1.

25、电子测量 以电子测量仪器和设备为工具的测量过程。3.电子测量方法 (1)按测量方法分类 直接测量 利用测量工具或仪器直接得出被测量值的方法。 例如，用电压表测量晶体管各极的工作电压等。 间接测量 利用直接测量的量值与被测的量之间已知的函数关系，得到该被测量值的测量方法叫间接测量。 例如：测量电阻的消耗功率PUI，可以通过直接测量电压、电流求出。 组合测量 它是兼用直接测量与间接测量的方法。将被测量和另外几个量组成联立方程，通过测量这几个量来最后求解联立方程，从而得出被测量的大小。 (2)按数据获取方法分类 直读测量法 直接从仪器仪表的刻度线上读出测量结果的方法。 例如，用电压表测量电压，利用温

26、度计测量温度。这种方法是根据仪器仪表的读数来判断被测量的大小的， 比较测量法 测量过程中, 被测量与标准量直接进行比较而获得测量结果的方法。 例如，利用标准电阻(电容，电感)组成电桥对被测量进行测量。 (3) 根据测量的方式分类： 有自动测量 和 非自动测量，原位测量 和 远距离测量等。 (4) 根据测量精确度分类:有精密测量与 工程测量 两类。前者多在计量室或实验室进行，要深入研究测量误差问题。后者也要研究测量误差，但不是很严格，所选用的仪器仪表的准确度等级必须满足实际使用的需要。1)分类3.电子测量的方法 (5)按被测量性质分类（大致有四种情况） 时域测量 例如，测量电压、电流等，有稳态量和瞬时量。前者多用仪表直接指示，后者可以通过示波器显示其波形，观察其变化规律。 频域测量 例如，测量增益、相移等，可通过分析电路的幅频特性或频谱特性等进行测量。 数据域测量 这是用逻辑分析仪对数字量进行测量的方法，它具有多个输入通道，可以同时观测许多单次并行的数据。例如，微处理器地址线、数据线上的信号，可以显示其时序波形，也可以用“1” “0” 表示其逻辑状态。 随机量测量 例如，各类噪声、干扰信号等，可利用噪声信号源等进行动态测量，这是一种比较新的测量技术。 2) 选择测量方法的原则 在选择测量方法时，