电子测量与仪器1.2 电子测量仪器概述

项目1电子测量与仪器的基础知识复习提问：项目1电子测量与仪器的基础知识

任务1-1电子测量概述

任务1-2电子测量仪器概述

任务1-3误差的基本概念

任务1-4测量数据的处理与测量结果的数据表示任务1-2电子测量仪器概述新课引入：思考与讨论1.生活中用到了哪些电子测量？若无电测技术，生活会有什么不同？2.观察智能手机，其内部集成了哪些电测功能？（信号强度检测、电池电量检测、北斗定位等）3.从早期的指针式万用表到如今的智能手机，电测仪器经历了怎样的演变？该演变带来了哪些好处？任务1-2电子测量仪器概述重点知识概要：1.电测仪器的发展历程2.仪器功能分类及其应用场景3.电测仪器性能指标——衡量仪器的关键4.误差与计量——量值传递体系，区分电测仪器固有误差、基本误差与工作误差，掌握计量定义与特征，理解量值传递顺序1.模拟仪器（1950s前）:以指针式万用表为代表，读数精度低，操作复杂。2.数字化仪器（1950s-80s）：精度和自动化程度大幅提升，数字万用表问世。A/D，数字化显示3.智能化仪器

（1980s-至今）：具备数据处理、自动校准和网络通信能力。微处理器，部分或全部代替人工操作4.虚拟仪器VI（1990s-至今）:以软件定义功能，具有极高的灵活性和性价比。1-2-1电子测量仪器的发展任务1-2电子测量仪器概述4.虚拟仪器VI1-2-1电子测量仪器的发展任务1-2电子测量仪器概述（a）（b）1-2-2电子测量仪器的分类类型功能常见电子测量仪器信号发生器即信号源，提供符合一定技术要求的电信号正弦信号发生器、函数信号发生器等电压测量仪器用于测量电压低频毫伏表、高频毫伏表、数字电压表等波形测试仪器用于显示信号波形，并可对电压、周期等进行测量通用示波器、取样示波器、数字示波器等频率测量仪器用于测量信号频率、周期等计数器、频率计等电路参数测量仪器用于测量电阻、电感、晶体管电流放大倍数等万用表、电桥、Q表、晶体管特性图示仪等信号分析仪器用于测量信号非线性失真度、信号频谱特性等失真度测量仪、频谱仪等模拟电路特性测试仪器用于分析模拟电路幅频特性、噪声特性等扫频仪、噪声系数测试仪等数字电路特性测试仪器用于分析数字电路逻辑特性等逻辑分析仪、特征分析仪等任务1-2电子测量仪器概述1-2-3电子测量仪器的主要性能指标与误差1.电子测量仪器的主要性能指标1）频率范围指仪器能够有效进行测量的频率区间。例如示波器的DC~500MHz范围，决定了它能处理多快的信号。2）量程与分辨率量程：在某一功能下，能够测量的被测量的上限值和下限值之差。量程越大，可测量的量值范围越广。分辨率：指仪器能够直接反映出的被测量变化的最小值。分辨率越高，仪器对微小变化的感知越灵敏。任务1-2电子测量仪器概述1.电子测量仪器的主要性能指标2）量程与分辨率分辨率：模拟式仪表刻度盘标尺上最小刻度代表的被测量大小。对于数字仪表，它通常就是显示屏上最低位的“1”所代表的量值。同一仪器不同量程的分辨率不同，通常以最小量程的分辨率作为仪器的分辨率。【小常识】通用仪器一般按1-2-5或1-3-10的顺序划分挡位。模拟式仪表的分辨率通常为±1×10±n、±2×10±n、±5×10±n（单位），而数字式仪表的分辨率通常为±1×10±n（单位）。任务1-2电子测量仪器概述1.电子测量仪器的主要性能指标3）输入特性与输出特性输入特性：测量仪器的输入阻抗、输入形式等。输出特性：测量值指示方式、输出电平、输出阻抗、输出形式等。4）准确度测量准确度：测量值与被测量真值（或实际值）之间的一致程度，通常用绝对误差、示值相对误差或实际相对误差表示。测量仪器准确度：测量仪器给出值接近于被测量真实值的能力，通常用允许误差、满度相对误差表示电子测量仪器、电工仪表的准确度。任务1-2电子测量仪器概述1.电子测量仪器的主要性能指标5）环境条件：基准条件、正常条件、额定条件基准条件：影响量（影响因素）基准数值或范围公差环境温度20°C，23°C，25°C，27°C，未指明时为20°C±1°C相对湿度45%～75%

大气压强101kPa

交流供电电压额定值±2%交流供电频率50Hz±1%交流供电波形正弦波β≤0.05直流供电电压额定值ΔU/UO≤±1%通风良好

太阳辐射效应避免直射

周围大气速度0～0.2m/s

振动测不出

大气中沙、尘、盐、污染气体或水蒸气、液态水等均测不出

工作位置按照制造厂规定任务1-2电子测量仪器概述1.电子测量仪器的主要性能指标5）环境条件：基准条件、正常条件、额定条件正常条件：规定条件数值或范围及其他要求规定条件数值或范围及其他要求环境温度（20±5）°C外界电磁场干扰应避免相对湿度（65±15）%外界机械振动和冲击应避免大气压强750±30mmHg仪器负载、输入、输出功率、电压、频率等符合技术条件的规定交流供电电压额定值±2%（额定值）

额定条件：是电测仪器生产厂家设定的最符合仪器使用实际的环境条件。任务1-2电子测量仪器概述1.电子测量仪器的主要性能指标6）稳定性与可靠性稳定性：在一定的规定条件下，在规定时间内，仪器保持指示值或供给值不变的能力。例如信号发生器的频率是否随时间漂移，直接决定了测量结果的长期可信度。可靠性：在规定工作条件下，仪器设备保持完好性和输出指标或测量指标符合技术要求等方面的可能性，是反映仪器是否耐用程度的一种综合性和统计性质量指标。常用“平均无故障工作时间（MTBF）”衡量。高可靠性意味着更低的维护成本和更少的停机时间。任务1-2电子测量仪器概述1-2-3电子测量仪器的主要性能指标与误差2.电子测量仪器的误差1）固有误差在基准条件下，由于仪器本身而产生的容许误差。它大致反映了仪器的最高测量精确度（“先天”精度），通常用于仪器误差的检验和比对。2）基本误差在正常条件下，由于仪器方面原因而产生的容许误差。通常作为仪器精度的主要指标。3）工作误差在实际工作条件（额定条件）下产生的综合误差，反映真实使用场景的精度。一般比固有误差和基本误差大，且应在技术说明书中给出。任务1-2电子测量仪器概述2.电子测量仪器的误差4）影响误差由特定环境因素（如温度、湿度、电磁场）变化引起的误差。当某一个影响量在其额定使用范围内（或一个影响特性在其有效范围内）取任一值，而其他影响量和影响特性均处于基准条件时所测得的误差。例如，某数字电压表的温度影响误差：1kHz、1V时的温度系数为10–4/℃。任务1-2电子测量仪器概述一、概述电子测量与仪器是航天探测的航天慧眼、精准标尺，我国实现从跟跑仿制到自主创新，成果丰硕但仍存挑战，具备重要思政育人价值二、主要成就（一）测量技术：突破极端环境，实现高精度探测。嫦娥系列（微波测距仪，厘米级精度）、天问一号（射频测量模块）、中国电科（激光交会对接雷达）、中科院（锶原子冷原子钟，10−18量级精度）；适配高低温、强辐射、微重力等极端工况，天地通信信号稳定传输（二）仪器生产：建成自主产业体系。航天科技集团、中国电科；全产业链自主可控，核心零部件配套率高，仪器量产、通用化设计，摆脱国外依赖【思政教学】航天探测领域电子测量与仪器的成就、挑战及思政启示二、主要成就（三）技术革新：完成代际跨越。AI+物联网、天地一体化智能监测、模块化集成、一机通用；从跟踪模仿转向自主领跑，布局量子测量、太赫兹探测等前沿技术（四）生产工艺：追求极致精密可靠。超精密加工、离子束抛光、抗辐射/抗干扰工艺、全流程航天质控；微米/纳米级加工精度，严苛环境测试，良品率优于国际标准（五）产业赋能：技术外溢带动发展。赋能北斗、5G-A/6G、半导体、高端制造、深海探测；辐射民生领域，拉动千亿级经济产值【思政教学】航天探测领域电子测量与仪器的成就、挑战及思政启示三、现存挑战核心技术与基础研究瓶颈：部分高端元件、核心材料依赖进口；原子钟、同步算法与国际顶尖水平有差距，前沿技术应用不成熟，在轨维修技术不足。高端工艺短板：纳米级精密部件批量合格率偏低，设备长期在轨性能衰减更快，在轨维护、绿色工艺有待完善。国际竞争与标准困境：海外巨头垄断高端市场，面临专利、贸易壁垒；国际标准制定话语权弱。复合型人才缺口：交叉学科人才紧缺，人才培养与产业脱节，高端人才流失【思政教学】航天探测领域电子测量与仪器的成就、挑战及思政启示四、坚定创新自信，勇闯技术高峰（一）坚守科技自立自强，践行航天报国:自力更生、艰苦奋斗；以冷原子钟、激光雷达研发团队为范例，攻克“卡脖子”技术，投身航天强国建设。（二）践行工匠精神，做到精益求精：严谨细致、执着专注、零差错标准；正视航天任务高要求，锤炼扎实本领。（三）坚持开拓创新，勇攀科技高峰：打破思维定式、跨学科融合创新；主动探索前沿技术，以创新破解发展难题。（四）夯实人才根基，传承航天精神：产学研协同、复合型人才、载人航天精神；完善培养体系，青年拓宽学识、坚守奉献，接续奋斗。【思政教学】航天探测领域电子测量与仪器的成就、挑战及思政启示1-2-4计量概述1.计量的意义定义：即“度量衡”，对整个测量领域起指导、监督、保证和仲裁作用，是实现单位统一、量值准确可靠的活动。通俗理解为“对测量的测量”，是确保测量结果可信的基础。本质：本质特征是测量，但又不同于一般的测量。测量注重对未知量大小（量）的判断；计量侧重对测量器具测量未知量时的准确程度的检验、校准与定性。任务1-2电子测量仪器概述1-2-4计量概述1.计量的意义主要特征：统一性、准确性和法制性。涉及计量单位的定义和转换，量值的传递和保证量值统一所必须采取的措施、规程和法制等。任务1-2电子测量仪器概述准确性特征保证量值传递的准确无误，确保测量数据真实反映客观事实，是计量工作的核心价值所在。法制性特征计量工作受到国家法律和法规的严格规范与保障，具有很强的法制性和权威性，是国家管理体系的重要组成部分。一、度量衡起源与早期发展：奠定世界计量基础1.原始社会：以人体、自然物为参照，形成布手知尺、掬手为升、迈步定亩等原始计量方式2.夏商周：夏代出现初步计量制度；商代出现计量文字记载；西周提出同律度量衡思想，规范计量体系3.春秋战国：器具工艺与精度提升，代表器物：商鞅方升、子禾子釜、陈纯釜，成为古代计量标准化典范二、核心成就与技术突破：引领世界计量与科技革新（一）计量制度统一完善，树立标准化范式秦朝：推行一法度衡石丈尺，完成世界首次大规模全国度量衡统一汉代：细化标准、设立专职机构检定管理，形成成熟计量管理模式，被后世多国借鉴【思政教学】中国度量衡发展史对计量的卓越贡献二、核心成就与技术突破：引领世界计量与科技革新（二）精密度量器具发明，推动计量技术升级张衡：候风地动仪、浑天仪，精密机械与计量部件工艺领先当世祖冲之：改良圭表、漏刻，依托精准计量算出圆周率，成果领先世界近千年宋代：发明杆秤、改良铜壶滴漏，分别革新重量、时间计量技术，影响深远明代：营造尺、漕斛，实现工程、粮食领域计量标准化（三）计量与多学科融合，赋能全域科技发展天文历法：土圭测影、僧一行测子午线、郭守敬《授时历》，计量支撑历法达到世界顶尖水平水利工程：都江堰、大运河等，依靠精准计量完成工程设计与建造。医药领域：规范药物重量单位，李时珍《本草纲目》完善医药计量标准，惠及全球传统医药发展【思政教学】中国度量衡发展史对计量的卓越贡献三、汲取先贤力量，锤炼科学素养增强民族科技自信：中国早早实现计量统一，器具与制度长期领先，纠正片面科技史观培育科学精神与规则意识：传承求真务实、精益求精、勇于创新的科学态度，树立标准化、守规则的理念强化时代使命担当：明晰计量对国家发展、人类文明的重要价值，激励学子立足专业服务国家战略【思政教学】中国度量衡发展史对计量的卓越贡献2.计量器具能用于直接或间接测得被测对象量值的装置、仪器仪表、量具和用于统一量值的标准物质。任务1-2-4计量概述计量器具的层级结构顶层：国家基准代表国内最高测量精度，是量值传递的源头上中层：副基准&工作基准用于复现和保存计量单位，将国家基准的量值向下传递中层：计量标准各级计量技术机构使用的标准器，负责校准下一级器具底层：工作计量器具日常生产和生活中直接使用的仪器仪表，确保测量结果准确1-2-4计量概述2.计量器具能用于直接或间接测得被测对象量值的装置、仪器仪表、量具和用于统一量值的标准物质。1）计量基准：国家基准、副基准和工作基准分类说明国家基准即主基准，用来复现和保存计量单位、具有现代科学技术所能达到的最高精确度的计量器具。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的计量器具副基准是通过直接或间接与国家基准比对，确定其量值并经国家鉴定并批准的计量器具。作为复现计量单位的地位，副基准仅次于国家基准。建立副基准的目的主要是代替国家基准的日常使用，也可以用于验证基准的变化工作基准是经与国家基准或副基准标准或比对，并经国家鉴定与批准，实际用于检定计量标准的计量器具。作为复现计量单位的地位，仅在国家基准和副基准之下。设立工作基准的目的是，避免国家基准或副基准由于使用频繁而丧失其应有的准确度或遭到损坏任务1-2电子测量仪器概述量值传递顺序：国家基准→副基准→工作基准→计量标准→工作计量器具2.计量器具1）计量基准：国家基准、副基准和工作基准，例如：任务1-2-4计量概述时间计量国家基准：铯原子喷泉钟、铯束原子钟（我国的国家时间频率基准由中国计量科学研究院维护，核心装置为铯原子喷泉钟），准确度最高（不确定度可达10−16量级），稳定性极强，但结构复杂、成本高昂，仅用于校准副基准；副基准：高性能铯原子钟、氢原子钟（准确度略低于国家基准，不确定度约10−15量级）；工作基准：中高精度铯原子钟、铷原子钟（不确定度约10−13∼10−14量级）；计量标准：低精度铷原子钟、石英原子钟；时间间隔发生器、频率标准源；卫星导航授时接收系统（如GPS、北斗授时接收机）量值传递顺序：计量基准（国家基准→副基准→工作基准）→计量标准→工作计量器具2.计量器具2）计量标准（1）定义：按照国家规定的准确度等级，用作检定依据的计量器具或物质。（2）分类①按管理层级划分社会公用计量标准：由法定计量技术机构建立，作为统一本地区量值的依据，面向社会开展检定/校准服务。部门计量标准：由行业主管部门建立，用于本部门内部量值传递。企事业单位计量标准：由企业或事业单位建立，用于内部生产、检测的量值统一。任务1-2-4计量概述量值传递顺序：国家基准→副基准→工作基准→计量标准→工作计量器具2.计量器具2）计量标准（1）定义：按照国家规定的准确度等级，用作检定依据的计量器具或物质。（2）分类②按计量专业划分专业领域计量标准举例核心用途长度计量量块标准组、线纹尺标准装置校准卡尺、千分尺、投影仪等长度测量器具电学计量标准电阻箱、直流电位差计、数字多用表标准装置校准万用表、电流表、电压表等电学仪器力学计量标准砝码组、标准测力仪、活塞式压力计校准电子天平、台秤、压力变送器等热工计量标准铂电阻温度计、热电偶标准装置校准工业温度计、温度变送器等光学计量标准照度计、激光功率标准装置校准照度计、光功率计等光学测量仪器任务1-2-4计量概述量值传递顺序：国家基准→副基准→工作基准→计量标准→工作计量器具2.计量器具3）工作计量器具（1）定义：用作现场测量而不用于检定工作的计量器具。要定期检定。（2）分类：①测量仪器（即“计量仪器”或“指示式测量器具”）核心功能与特征：“测”，测量未知量值并给出结果核心例如：卡尺、千分尺、百分表、万用表、示波器、功率计、电流表、温度计（水银/电子）、流量计、电子天平等任务1-2-4计量概述量值传递顺序：国家基准→副基准→工作基准→计量标准→工作计量器具2.计量器具3）工作计量器具（2）分类：②实物量具定义：即量具，具有所赋量值，使用时以固定形态复现或提供一个或多个量值的测量仪器。核心功能与特征：“给”，本身具有固定的量值，用于复现或提供已知量值，而非通过测量过程得出量值。例如，标准砝码、量块（块规）（电子、机械领域常用的长度量具，用于校准卡尺、千分尺）、标准电阻器、容量瓶等。任务1-2-4计量概述量值传递顺序：国家基准→副基准→工作基准→计量标准→工作计量器具2.计量器具3）工作计量器具②实物量具核心作用：复现已知量值，而非通过测量过程得出量值。特征：一般具有固定形态、不带指示器特征原因：固定形态是保证量值稳定、准确复现的前提；实物量具的核心作用是“提供已知量值”而非“测量未知量值”，故无需指示器任务1-2-4计量概述量值传递顺序：国家基准→副基准→工作基准→计量标准→工作计量器具3.量值传递关系任务1-2-4计量概述时间计量国家基准：铯原子喷泉钟、铯束原子钟，准确度最高（不确定度可达10−16量级），稳定性极强，但结构复杂、成本高昂，仅用于校准副基准；副基准：高性能铯原子钟、氢原子钟（准确度略低于国家基准，不确定度约10−15量级）；工作基准：中高精度铯原子钟、铷原子钟（不确定度约10−13∼10−14量级）；计量标准：低精度铷原子钟、石英原子钟；时间间隔发生器、频率标准源；卫星导航授时接收系统（如

北斗授时接收机）量值传递顺序：计量基准（国家基准→副基准→工作基准）→计量标准→工作计量器具总结：计量基准、计量标准、工作计量器具的对比任务1-2电子测量仪器概述对比维度计量基准计量标准工作计量器具层级定位量值溯源的最高层级，是国家统一量值的根本依据介于计量基准与工作计量器具之间，是量值传递的核心环节量值传递的末端，直接用于生产、检测、贸易等实际测量场景核心用途定义、保存和复现量的单位，校准最高等级计量标准校准次级计量标准或工作计量器具，确保量值统一直接测量被测对象，获取实际测量结果管理要求由国家专门机构建立和保存，实行严格的强制管理，定期维护与比对需经法定计量技术机构考核合格，在有效期内使用，建立技术档案，专人维护、定期校准按周期进行检定或校准，合格后方可使用，无需专项考核，只需满足日常测量准确度要求典型示例千克原器（国际基准）、国家铯原子钟（时间频率基准）量块标准组、标准电阻箱、活塞式压力计卡尺、万用表、电子天平、工业温度计总结：任务1-2电子测量仪器概述量值传递顺序：计量基准（国家基准→副基准→工作基准）→计量标准→工作计量器具1-2-4计量概述3.单位制1）计量单位的确定和统一必须采用公认的且固定不变的单位；否则，将失去测量意义。2）计量单位是有明确定义和名称并使其数值为1的一个固定量。3）单位制是经过国际或国家计量部门以法律形式规定的。4）国际单位制的组成：①7个基本单位：不能由其他单位推导，是“根基”②2个辅助单位：专门用于平面角、立体角的特殊单位，介于基本单位和导出单位之间，无量纲。是“辅助”③19个导出单位：由基本