电子测量技术基础第1章1

电子测量技术基础

第一章1第一页，共六十六页。教学目的通过本课程的学习，使学生掌握测量误差的基本理论和数据处理方法；掌握主要物理量(电压、频率、时间等)、元件参数的基本测量原理和测量方法；熟悉常用测量仪器（示波器、信号源、计数器、频谱仪、扫频仪等）的工作原理和操作使用；对现代电子测量新技术有一定的了解；初步具备在科学实验中具有制订先进、合理的测量和测试方案，正确选用测量仪器，严格处理数据，以获得最佳测试结果的能力。2第二页，共六十六页。课程要求知识目标掌握近代电子测量的基本原理和方法。掌握测量误差分析和测量数据处理方法。熟悉常用电子测量仪器的应用技术。掌握正确选用测量仪器的基本方法。能力目标能够制订先进、合理的测量和测试方案。能够正确选用测量仪器。能够正确处理测量数据。3第三页，共六十六页。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。讨论测量原理、测量方法和测量系统中的共性问题。分别从信息获取的广义概念和量值比较的狭义概念上，阐述测量的基本原理；第1章绪论第四页，共六十六页。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第五页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)生产发展离不开测量农业中，需丈量土地、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。6第六页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)哈勃太空望远镜是被送入轨道的口径最大的望远镜它全长12.8米，镜筒直径4.27米，重11吨由三大部分组成，第一部分是光学部分，第二部分是科学仪器，第三部分是辅助系统，包括两个长11.8米，宽2.3米，能提供2.4千瓦功率的太阳电池帆板，两个与地面通讯用的抛物面天线。7第七页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)8太空中的“哈勃”望远镜第八页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)9太空中的“哈勃”望远镜第九页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)科学上的成就哈勃帮助解决了一些长期困扰天文学家的问题，而且导出了新的整体理论来解释这些结果。哈勃也被用来改善宇宙年龄的估计，宇宙的未来也是被质疑的问题之一。由哈勃提供的高解析光谱和影像很明确的证实了盛行的黑洞存在于星系核中的学说。哈勃所获了苏梅克-列维九号彗星在1994年撞击木星的影像，并且很幸运的对估计数个世纪才会发生一次的彗星碰撞木星的动力学事件，提供了关键性的学习机会。它也被用来研究太阳系外围的天体，包括矮行星冥王星和厄里斯。10第十页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)“哈勃”太空望远镜拍摄的一张照片11第十一页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)“S”状的神秘星云12第十二页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)NASA公布“哈勃”拍的“草帽”星系照片13第十三页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)发现一颗新恒星14第十四页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)高质量火星全身照15第十五页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)哈勃捕捉到“宇宙焰火”16第十六页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)哈勃捕捉到一个汉堡星17第十七页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)一颗“垂死”的星体周围围绕着梯状结构的星云18第十八页，共六十六页。1.1.1测量的意义(续)一银河系的星星光环19第十九页，共六十六页。1.1测量的基本概念1.1.2测量的定义(狭义)

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：第二十页，共六十六页。1.1测量的基本概念1.1.2测量的定义(续)

测量的内涵①测量目的：从被测对象取得一个定量的认识；②测量对象：被测客体中的相应的量值信息；③测量过程:通过实验去认识对象的过程④测量方法：比较；A.直接比较B.间接比较；C.需要测量仪器；⑤测量标准：同类已知单位。⑥测量结果：最终能表示给测量主体(人)第二十一页，共六十六页。1.1测量的基本概念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。第二十二页，共六十六页。1.1测量的基本概念1.1.2测量的定义(广义)

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。第二十三页，共六十六页。1.1测量的基本概念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测量环境第二十四页，共六十六页。1.1测量的基本概念1.1.3测量的基本要素(续)

第二十五页，共六十六页。1.1测量的基本概念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

①选择测试仪器，组建测试系统。②制定出测试策略(测量算法)和操作步骤(测试程序)实施阶段

①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;

②分析测量误差并显示测量出结果。第二十六页，共六十六页。1.1测量的基本概念1.1.3测量的基本要素(续)

第二十七页，共六十六页。1.1测量的基本概念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完成6.测试技术测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测试技术第二十八页，共六十六页。1.1测量的基本概念1.1.3测量的基本要素(续)

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。第二十九页，共六十六页。1.1测量的基本概念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。第三十页，共六十六页。1.1测量的基本概念1.1.3测量的基本要素(续)

环境对测量的影响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。第三十一页，共六十六页。1.1测量的基本概念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、机载等仪器第三十二页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.1计量的定义和意义为使在不同的地方，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.计量的定义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》。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。计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。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。第三十三页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.1计量的定义和意义(续)2.计量与测量的关系测量发展的客观需要才出现了计量。测量是计量应用的重要途径。没有测量，计量将失去价值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，这个过程就是计量。计量的任务是确定测量结果的可靠性。计量是测量的基础和依据。没有计量，也谈不上测量。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。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。第三十四页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制根据定义而令系数为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。第三十五页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制(续)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个基本单位第三十六页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制(续)1.国际单位制(SI)的组成量的名称单位名称单位符号长度米m质量千克(公斤)kg时间秒s电流安[培]A热力学温度开[尔文]K物质的量摩[尔]mol发光强度坎[德拉]cd第三十七页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制(续)长度单位米的由来：国际单位制的长度单位“米”(meter,metre)起源于法国1790年5月由法国科学家组成的特别委员会，建议以通过巴黎的地球子午线全长的四千万分之一作为长度单位──米1799年根据测量结果制成一根3．5毫米×25毫米短形截面的铂杆(platinummetrebar)，以此杆两端之间的距离定为1米，并交法国档案局保管，所以也称为“档案米”。这就是最早的米定义。由于档案米的变形情况严重，于是，1872年放弃了“档案米”的米定义，而以铂依合金(90％的铂和10％的铱)制造的米原器作为长度的单位。米原器是根据“档案米”的长度制造的，当时共制出了31只，截面近似呈X形，把档案米的长度以两条宽度为6～8微米的刻线刻在尺子的凹槽(中性面)上。第三十八页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制(续)长度单位米的由来：1889年在第一次国际计量大会上，把经国际计量局鉴定的第6号米原器(31只米原器中在0℃时最接近档案米的长度的一只)选作国际米原器，并作为世界上最有权威的长度基准器保存在巴黎国际计量局的地下室中，其余的尺子作为副尺分发给与会各国。规定在周围空气温度为0℃时，米原器两端中间刻线之间的距离为1米。但是使用米原器作为米的客观标准也存在很多缺点，如材料变形；测量精度不高(只能达0．1μm)。很难满足计量学和其他精密测量的需要。另外，万一米原器损坏，复制将无所依据，特别是复制品很难保证与原器完全一致，给各国使用带来了困难。因此，采用自然量值作为单位基准器的设想一直为人们所向往。20世纪50年代，随着同位素光谱光源的发展。发现了宽度很窄的氪－86同位素谱线，加上干涉技术的成功，人们终于找到了一种不易毁坏的自然标准，即以光波波长作为长度单位的自然基准。第三十九页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制(续)长度单位米的由来：1960年第十一届国际计量大会对米的定义作了如下更改：“米的长度等于氪－86原子的2P10和5d1能级之间跃迁的辐射在真空中波长的．73倍”。这一自然基准，性能稳定，没有变形问题，容易复现，而且具有很高的复现精度。我国于1963年也建立了氪－86同位素长度基准。米的定义更改后，国际米原器仍按原规定保存在国际计量局。随着科学技术的进步，70年代以来，对时间和光速的测定，都达到了很高的精确度。因此，1983年10月在巴黎召开的第十七届国际计量大会上又通过了米的新定义：“米是1／299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度”。这样，基于光谱线波长的米的定义就被新的米定义所替代了。第四十页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制(续)长度单位米的由来：铂铱合金的米原器第四十一页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制(续)长度单位米的由来：巴黎街头的米标志第四十二页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制(续)长度单位米的由来：国际计量局保存的米原器第四十三页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制(续)国际千克原器第四十四页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.2单位和单位制(续)国际单位制是由国际单位制单位、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：5.4×10-9s=5.4ns因数词头名称名称原文(法)中文1012太T109Giga吉G106mega兆M103Kilo千k10-3milli毫m10-6micro微μ10-9nano纳n10-12pico皮p10-15飞f第四十五页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.3基准和标准1.基准基准用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。(1)一级基准，又称主基准和国家基准

具有最高水平的基准。一个国家只有一个。(2)二级基准，又称副基准

副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对(3)三级基准，又称工作基准

工作基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。第四十六页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.3基准和标准(续)2.标准根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准量具或仪器，简称标准。计量标准的准确度等级在工作基准之下，工作计量器具之上按精度高低又分为一级标准、二级标准和三级标准。通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检定，确定其量值的精确度大小。除标准器具外，还有标准物质。第四十七页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.3基准和标准(续)2.标准A综合：00/09标准化管理与一般规定10/19经济、文化20/39基础标准40/49基础科学50/64计量65/74标准物质75/79测绘80/89标志、包装、运输、贮存90/94社会公共安全第四十八页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.3基准和标准(续)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第四十九页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.3基准和标准(续)

(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。第五十页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.4测量基准的权威性和相对性1.基准的权威性基准的理论定义最严格的、制作工艺技术最先进。原器基准自身也会随时间、地点、环境条件而变化，甚至会损坏，会失传。从现代科学的观点来看，最好的基准是原子基准。2.基准的相对性一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科学水平例：以太阳为基准，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。第五十一页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.5测量标准的传递自上而下逐级传递

第五十二页，共六十六页。1.2计量的基本概念1.2.6举例GB3100-93国际单位制及其应用GB3102.1-93空间和时间的量和单位GB3102.4-93热学的量和单位GB3102.3-93力学的量和单位GB3102.2-93周期及其有关现象的量和单位JJG2046-1990湿度计量器具检定系统JJG2056-90长度计量器具(量块部分)检定系统第五十三页，共六十六页。1.3测量信息的获取原理本节中将主要阐述以下基本问题：信息的含义是什么？为什么信息可以被获取？信息获取是怎样的过程？信息获取过程中采用了哪些基本方法？这些方法的实现途径是什么？信息获取的限制因素及其克服措施是什么？测量是研究获取被测对象信息的一门科学第五十四页，共六十六页。1.3测量信息的获取原理1.3.1信息的概念1．客体的实有的信息——客观信息某事物客体所具有的信息，是指该客观存在的事物的运动状态及其变化方式的自我表述或自我显示。客体论的信息是一种客观的存在，不以主体的存在与否为转移，或者无论是否被其主体感受到，都丝毫不影响它的“自我表述”或“自我显示”。任何事物都具有一定的内部结构，同时处在一定的环境之中，正是这种内部结构和外部环境两者综合作用，决定了事物的具体运动状态和状态变化方式。但在有时人们很难了解事物的内部结构状况，这时就只能把它看作一个“黑箱”，并通过它的外部联系(如输入/输出关系等外部行为)的状态及其变化方式来获得信息。第五十五页，共六十六页。1.3测量信息的获取原理1.3.1信息的概念(续)2．主体认识论的信息——主观信息是指主体所感知或表述的关于该事物的运动状态及其变化方式，及有关的形式、含义和效用。主体认识论层次的信息的内涵比客体论层次信息丰富得多。这是因为作为认识的主体：(1)具有感觉的能力，能够感觉到信息的外在形式。(2)具有理解能力，能够理解信息的内在含义。(3)具有目的性，因而能够判断信息对其目的而言的价值。第五十六页，共六十六页。1.3测量信息的获取原理1.3.1信息的概念(续)3.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。4．实在信息、先验信息、实得信息第五十七页，共六十六页。1.3测量信息的获取原理1.3.2信息的感知1．感知的基本原理信息感知的基本机制在于要有某种组织或器官能够灵敏地感受到被测对象运动的状态及其变化的方式。信息感知，是感知事物运动的状态及其变化方式，其实质是把客体论层次的信息转换为主体认识论层次的语法信息第五十八页，共六十六页。1.3测量信息的获取原理1.3.2信息的感知(续)2．感知的基本技术——传感器与敏感器测量的第一个环节是信息的感知。传感器是感知各种非电信息并把非电量转换为电量输出的器件或装置，它是非电系统与电系统之间的接口，本质上是完成信息载体的转换。传感器根据转换的效应可分为物理型、化学型和生物型三大类。例：热敏电阻把被测温度的变化转换为电阻的变化。第五十九页，共六十六页。1.3测量信息的获取原理1.3.3信息的识别1．识别的基本原理

(1)识别是把感知的语法信息(信号形式)转换成人们能够理解的语义信息。(2)识别(分类)的基本原理是形式特征的比较。由于信息的类别不同，其形式特征也不相同，因此，理论上信息总是可以分辨(识别)的。(3)识别的原则是：相似而认同，相异而拒斥。(4)由于识别环境存在固有干扰，待识别的信息天然不理想，理论方法不完备和信息类别相似性的表达不完善，因此，无论怎样精巧地设计信息识别系统，完全无差错的识别是不现实的(误差存在的绝对性)。第六十页，共六十六页。1.3测量信息的获取原理1.3.3信息的识别(续)2．识别的基本技术为了把语法信息(信号)转换人们能够理解的语义信息，须使用信号的比较、变换、处理和显示技术。(1)比较——