电子测量与仪器的基本概念

11电子测量与仪器22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。

第1章电子测量与仪器的基本知识331.1电子测量概述1.0.1测量的意义与内容

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44

1.0.1测量的意义与内容

生产发展离不开测量

农业社会中，需要丈量土地、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。551.0.2测量的基本概念1.测量的基本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，依据一定的理论，通过实验的方法将被测量与已知同类标准量进行比较，获得用数值和单位共同表示的测量结果。

661.0.2测量的基本概念测量的内涵

①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；②测量过程:通过实验去认识对象的过程③测量方法：比较；A.直接比较B.间接比较；C.需要测量仪器；④测量标准：同类已知单位。⑤测量结果：最终能表示给测量主体（人）771.0.3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、测量人员和测量环境881.0.4计量的定义与意义1.计量的定义

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。

2.计量的意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。1985-09-06，全国人大常委会通过了《中华人民共和国计量法》991.0.4计量的定义和意义3.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。10101.0.5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。英呎——feet11111.0.5单位和单位制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12121.0.5单位和单位制表1SI基本单位

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量名称单位名称单位符号1.0.5单位和单位制SI导出单位是借助乘、除符号，通过代数式运算用基本单位表示的单位.如：力的单位kg·m/s2

或kg·m·s－2.为了使用上的方便和习惯，也为了纪念杰出的科学家，在SI中对22个导出单位给出了专门名称，其中17个用科学家的名字命名的.表2具有专门名称的SI导出单位

量名称单位名称单位符号其他符号

频率赫[兹]Hzs-1

力牛[顿]Nkg·m/s2

压力，压强，应力帕[斯卡]PaN/m2

能[量]，功，热量焦[耳]JN·m

功率，辐[射能]通量瓦[特]WJ/s

电荷[量]库[仑]CA·s电压,电动势,电位,(电势)伏[特]VW/A

电容法[拉]FC/V

电阻欧[姆]ΩV/A

电导西[门子]SA/V

磁通[量]韦[伯]Wb

W·s续表2

磁通[量]密度,

磁感应强度特[斯拉]TWb/m2

电感亨[利]HWb/A

摄氏温度摄氏度℃K[放射性]活度贝可[勒尔]Bqs-1

吸收剂量戈[瑞]GyJ/kg

剂量当量希[沃特]SvJ/kg

光通量流[明]lmcd·sr[光]照度勒[克斯]lxlm/m2[平面]角弧度rad1m/m=1

立体角球面度sr1m2/m2=1

催化活性卡塔(未标准化)katmol/s

3)我国选定的非SI的单位

共16个(表3)，其中14个为国际计量大会选定的可与SI并用(11个)或暂时可与SI并用（3个）的非SI单位.

表3我国选定的非SI的单位

量名称单位名称单位符号

时间分min[小]时h

天(日)d[平面]角[角]秒″[角]分′

度°

量名称单位名称单位符号

质量吨t

原子质量单位u

体积升L,(l)

能电子伏eV

级差分贝dB

长度海里nmile

速度节kn

面积公顷hm2

旋转速度转每分r/min

线密度特[克斯]tex续表318181.0.5单位和单位制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：5.4X10-9s=5.4ns

19191.0.6测量的几个术语（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。20201.0.6测量的几个术语（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。21211.1.1电子测量的意义与内容电子测量的定义狭义：对电子技术中各种电参量的测量广义：利用电子技术进行的测量电子测量的内容能量的测量电路参数的测量信号特性的测量电子设备性能的测量特性曲线的测量22221.1.2电子测量的特点频率范围宽量程广精确度高测量速度快便于实现遥测遥控易于实现测量过程自动化23231.1.2电子测量方法直接测量间接测量组合测量2424课程简介第一部分测量总论及误差理论，介绍测量及电子测量的基本概念及基本方法，误差理论和数据处理等。第二部分基本电参量测量，包括频率、电压、阻抗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，重点讨论频域中的信号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。25251.3测量误差的基本概念

真值:

在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。当时间、空间一定时，真值是客观存在的确定数值真值是测不出来的测量误差

:测量结果与真值之间的差别误差至始至终存在与所有的工业测试和科学实验过程中研究误差理论的目的正任务处理方式逆任务处理方式（实验设计）26261.3.1测量误差的表示方法

测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。1.绝对误差给出值：被测量的测得值、仪器的示值、量具或元件的标称值、近似计算的近似值等真值的获取方式：由理论给出或由计量学规定用满足规定准确度要求的实际值代替真值使用，可用高一等级的计量单位测得的量值作为实际值用已修正过的多次测量的算术平均值来代替真值使用

27271.3.1测量误差的表示方法（2）修正值与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值被测量的实际值测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。2810

0.040.030.020.010I(mA)C（mA）绝对误差和修正值是与给出值具有相同量纲的量。绝对误差的大小和符号分别表示给出值偏离真值的程度和方向29291.3.1测量误差的表示方法2.相对误差一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。（1）相对真误差、实际相对误差、示值相对误差相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。30301.3.1测量误差的表示方法实际相对误差：用实际值A代替真值A0

示值相对误差：用测量值X代替实际值A31311.3.1测量误差的表示方法（2）满度相对误差（引用相对误差）用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值－下限值）之比来表示的相对误差，称为满度相对误差（或称引用相对误差）32321.3.1测量误差的表示方法电工仪表是按引用误差γm之值进行分级的。指仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S%在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。

33331.3.1测量误差的表示方法[例1-3]某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为0～400mA和1.5级量程为0～100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？用1.5级量程为0～100mA电流表测量100mA时的最大相对误差为解：用0.5级量程为0～400mA电流表测100mA时，最大相对误差为34341.3.1测量误差的表示方法某单级放大器电压增益的真值A为100，某次测量时测得的电压增益A=95，求测量的相对误差。解：增益的绝对误差为：相对误差：35351.3.2测量误差的来源（1）仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。（2）影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。（3）理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。（4）人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。（5）测量对象变化误差：测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准确，如引起动态误差等。36根据测量误差的性质与特点，可分为：系统误差随机误差粗大误差1.3.3

测量误差的分类37系统误差的定义定义：指在相同条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定，或在条件改变时，按某种确定规律而变化的误差。产生的主要原因是仪器的制造、安装或使用方法不正确，环境因素（温度、湿度、电源等）影响，测量原理中使用近似计算公式，测量人员不良的读数习惯等。系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。系差越小，测量就越准确。系统误差的定量定义是：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。即382、系统误差的特征在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的绝对值和符号保持不变，或者在条件改变时，误差按一定的规律变化。39（1）不变的系统误差校准、修正和实验比对。（2）变化的系统误差①

残差观察法，适用于系统误差比随机误差大的情况 将所测数据及其残差按先后次序列表或作图，观察各数据的残差值的大小和符号的变化。3、系统误差的发现方法

存在线性变化的系统误差无明显系统误差40②马利科夫判据：若有累进性系统误差，D值应明显异于零。 当n为偶数时，

当n为奇数时，③阿贝－赫梅特判据：检验周期性系差的存在。414、系统误差的削弱或消除方法（1）从产生系统误差根源上采取措施减小系统误差①

要从测量原理和测量方法尽力做到正确、严格。②

测量仪器定期检定和校准，正确使用仪器。③注意周围环境对测量的影响，特别是温度对电子测量的影响较大。④

尽量减少或消除测量人员主观原因造成的系统误差。应提高测量人员业务技术水平和工作责任心，改进设备。（2）用修正方法减少系统误差

修正值＝－误差=－（测量值－真值） 实际值＝测量值＋修正值42（3）采用一些专门的测量方法①替代法②交换法③对称测量法④减小周期性系统误差的半周期法

4、系统误差的削弱或消除方法431.3.3

测量误差的分类随机误差定义：在实际相同条件下多次测量同一个量时，误差的绝对值和符号以不可预知的方式变化着的误差。随机误差主要由对测量值影响微小但却互不相关的大量因素共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微震、测量人员感