第一讲电子测量的基本概念.ppt

1、电子测量技术,第一章 电子测量的基本概念,1.1测量的基本概念,1.1.1测量 测量是通过实验方法对客观事物取得定量信息即数量概念的过程。测量是人类认识和改造世界的一种不可或缺的手段。,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。,测量科学的先驱凯尔文说：“一个事物你如果能够测量它，并且能用数学来表达它，你对它就有了深刻的了解；但如果你不知道如何测量它，且不能用数字表达它，那么你的知识可能是贫瘠的，是不令人满意的。” 特尔曼教授说：“科学和技术的发展是与测量技艺并行进步、相互匹配的。事实上可以说，评价一个国家的科学状态，最快捷的办法是去审视那里所进行的测

2、量以及由测量所累积的数据是如何被利用的。” 在测量过程中，人们借助专门的测量器具，采用一定的技术手段，将被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，从而取得用数值和单位共同表示的测量结果。,测量的实质： 测量是通过比较来完成的，测量的过程就是一个比较的过程，所以比较是测量的实质，测量的方法对应了比较的方法。,直接测量直接比较，间接测量间接比较。测量技术对应于一定的比较技术，物理测量技术物理比较技术，电子测量技术电子比较技术，模拟测量技术模拟比较技术，数字测量技术数字比较技术等。,测量的基本要素,测量对象,测量仪器系统,测量人员,基本要素: 测量对象、测量仪器、测量技术、测量人员、测量环境,与测

3、量有关的术语： 测试： 测试是测量和试验的总称，它包含了测量和试验的全部内容，既包括定量的测量，也包括定性的试验。 检测 检测包括检验和测量两个方面的含义。 检验属于分级测量，即检查被测参量的量值是否在某一范围带内，以此来判断被测参量是否合格或者现象是否存在。同时检验也含有定性检查的含义。 在自动化领域检测和控制是分不开的。检测是控制的基础。如工业生产中温度、压力、流量、物位等的检测和控制，在这种领域内的测量，称为检测。 通常检测的对象是以各种各样的非电量为主，对这种对象进行检测时，往往要用传感器，所以检测常与使用传感器的非电量测量、自动控制等技术联系在一起。由此可见，检测是含有检查、检验、监

4、督等比较广泛意义的电量与非电量的测量。,计量 定义： 计量是利用技术和法制手段实施的一种特殊形式的测量，即把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位进行比较，以确定合格与否，并给出具有法律效力的鉴定证书。可以说计量是为了保证量值统一和准确一致的一种更高等级的测量。 特征： 计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。它包含了为达到统一和准确所进行的一切活动，如单位的统一、基准和标准的建立、量值的传递、计量监督管理、测量方法及其手段和研究等。以此计量是研究测量、实现单位统一和量值准确可靠的科学。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

5、个方面起着技术保障和技术监督的作用。,计量和测量的关系 测量是通过测量仪器，采用一定的测量方法将被测未知量和同类已知的标准单位量进行比较的过程。这时认为被测量的真实数值是存在的，测量误差是由测量仪器和测量方法等引起的。 计量是通过计量器具用法定标准的已知量与同类的未知量（如受检仪器）进行比较的过程，这时认为标准量和体现标准量的计量器具是准确的、法定的，而测量误差是由受检仪器引起的。,在测量过程中，已知量是通过所使用的测量仪器直接或间接表现出来的，为了保证测量结果的准确性，必须定期对测量仪器进行检定和校准，这个过程就是计量。计量是保证量值统一和准确可靠的一种测量，是测量的特殊形式。所以，计量和测

6、量是既有密切联系又有一定区别的两个概念。 计量是测量发展的客观需要，是测量数据准确可靠的保证。也是测量的基础和依据，没有计量，谈不上测量。测量是计量通向实际应用的重要途径，可以说没有测量计量也将失去意义。,单位和单位制 任何测量都要有一个统一的体现计量单位的量作为标准，这样的量称为计量标准。 计量单位是有明确定义和名称并令其数值为1的固定的量。 计量单位必须以严格的科学理论为依据进行定义。法定计量单位是国家以法令形式规定使用的计量单位，是统一计量单位制和单位量值的 依据和基础，因而具有统一性、权威性和法制性。,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

7、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。,国际单位制中分为基本单位、导出单位、辅助单位。 有7个基本单位。,u,导出单位由基本单位、定律及其他函数关系派生出来的单位称为导出单位。 辅助单位国际上把既可以作为基本单位又可以作为导出单位的单位，单独列为一类，称为辅助单位。 平面角的单位：弧度（rad） 立体角的单位：球面角（sr） 国际单位制就是由前面列举的7个基本单位、2个辅助单位及19个具有专门名称的导出单位构成的。国际上规定以拉丁字母SI作为国际单位制的简称。,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

8、单位增大或缩小的十进倍数。 例：5.4X10-9s=5.4ns,计量标准 计量标准也称作计量基准，其建立要根据严格的科学理论定义。 计量标准是指用当代最先进的科学技术、最高的加工工艺水平，并以最高的准确度和稳定性建立起来的专门用以规定、保持和复现物理量计量单位的特殊量具或仪器装置等，它是用作参考的实物量具、测量仪器、参考物质或测量系统。 根据标准的地位、性质和用途，标准通常分为主标准、副标准和工作标准，也分别称作一级、二级和三级标准。,主标准：主标准是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准确度和计量器具，经国家鉴定批准，作为统一全国计量单位量值的最高依据，因此，主标准也叫国家

9、标准，在确立一个国家计量标准时，必须经过严格的法定手续，所以它具有最高的计量权威性，其量值的确定不必参照同量的其它标准，是被指定的或普遍承认的标准。一个国家，体现某一测量单位量值的国家标准只有一个，因此，主标准也称作原始标准。 副标准：通过相同量的主标准比对，确定其量值并经国家批准的计量器具或标准，其地位仅次于国家标准。副标准的量值准确度由主标准确定，平时用以代替主标准向下（如省一级计量部门）传递基本测量单位的量值标准，或代替主标准参加国际比对，以确定各国主标准的准确度，这样可保证主标准不致因经常使用和搬动而降低其准确度。,工作标准（三级标准）：通过与主标准或副标准比对或校准来确定其量值并经国

10、家鉴定批准用以检定下属计量标准的计量器具或标准。它在全国作为复现计量单位的地位仅在主标准和副标准之下，用于日常校准（检定）或核查实物量具、测量仪器或标准物质。工作标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准确度。设立工作标准目的是为了不使主标准和副标准由于频繁使用而丧失其准确度，因为主、副标准器具的工艺、结构一般都十分精细，价格昂贵、操作复杂，对环境条件及其稳定性也有严格要求，不宜经常使用或搬动。在实际测量中，根据工作标准还复现出各种不同等级的便于经常使用的工作计量器，通过这些工作计量器具经常性地对日常工作仪器进行检定、标定。,需要说明的是： 标准本身并不一定刚好等于一

11、个计量单位，如：标准电池的复现电压值是，而不是。 一个时期的测量标准只能反映当时的人类认识水平和科学水平，随着时代的前进，科学的进步，人们认识和深入，测量水平的提高，各种测量标准会发生不断变化，不断向前发展。如：长度标准由原器标准发展到原子标准，长度测量精确度有了长足的进步。用米尺测量长度只能精确到毫米，即是最小长度单位，用游标卡尺测量长度时，精确度提高到。在游标卡尺上配上光栅，用记录光脉冲数的办法可精确到。,电子测量的基本概念 20世纪30年代，便开始了测量科学与电子科学的结合，产生了电子科学技术。 电子测量是以电子技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为手段，以电量和非电量为测量对象的测量过

12、程。它是测量学和电子学相互结合的产物。,电子测量的内容 电能量的测量 包括各种频率及波形下的电压、电流、功率、电场强度等的测量。 电信号特征的测量 包括信号、频率、周期、时间、相位、调幅度、调频指数、失真度、噪音以及数字信号的逻辑状态等的测量。 电路参数的测量 包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等的测量。 导出量的测量 包括放大倍数、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声系数的测量。 特性曲线的测量 包括幅频特性曲线、晶体管特性曲线等的测量和显示。,在科学研究和生产实践中，常常需要对许多非电量进行测量。传感技术的发展为这类测量提供了新的方法和途径。 传感器可以将非电量如位移、速度

13、、温度、压力、流量、物质成分等变换成电信号，在利用电子测量设备进行测量。,传感器,电子测量仪器,计算机,记录、打印,实际系统,非电量,电信号,控制器,电子测量的特点 （1）测量频率范围宽。被测信号的频率范围除测量直流外，测量交流信号的频率范围低至10-6Hz以下，高至THz（1THz=1012Hz） （2）量程范围宽。如数字万用表对电压测量由纳伏（nV）级至千伏（kV）级电压，量程达12个数量级 （3）测量准确度高。例如，用电子测量方法对频率和时间进行测量时，由于采用原子频标和原子秒作为基准，可以使测量准确度达到10-1310-14的数量级。 （4）测量速度快。因为电子测量是通过电子运动和电磁

14、波传播进行工作 （5）易于实现遥测 。遥测，遥控 （6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化,电子测量仪器的分类,电子测量仪器种类繁多。 根据测量精度的要求不同，既有高精度的，也有普通的，甚至还有简易的； 根据用途分类有专业用仪器和通用仪器。专业用仪器是指各专业中测量特殊参量的仪器，如心电图仪就是用于医疗专业的； 通用示波器则是用于测量电路及电路调试、维修和电子元件。这里主要是介绍用于电子和通信类的通用仪器。,1 通用电子仪器的分类 信号发生器 信号分析仪 频率时间及相位测量仪器 网络特性测量仪 电子元器件测试仪 辅助仪器,电子测量方法,根据测量结果的方法分类 1）直接测量 在仪器上直接获

15、得测量结果并进行读数，称为直接测量。 如用频率计测量频率。 2） 间接测量 在这种测量中，是测量一个与被测量有着某种函数关系的量，再利用函数关系计算出被测量。 如测量放大电路的集电极电流，我们可以测量发射极上电阻的电压，再通过部分电路的欧姆定律计算出集电极电流。,3）组合测量法 在测量中被测量值不能一次得出结果，需要通过测量几个未知量，然后通过被测量与这几个未知量之间的方程组求解，得到被测量的结果。 例如，在电阻与温度的关系式：Rt=R201+（t-20）+(t-20)2中的和测定。可以方程求解 Rt1=R201+（t1-20）+(t1-20)2 Rt2=R201+（t2-20）+(t2-20

16、)2 解出和的这些测量结果。,按获得读数的方法分类 1） 直读法 用能够直接指示或显示被测参数的电子仪器进行测量称为直读法。 例如，用电压表测量电压，指针的偏转位置反映了被测电压的大小，我们可以直读电压值。,2） 比较法 用被测量和已知量进行比较而得到测量参数的方法。它有下面几种： 替代法 在仪器上用已知量的标准元件代替未知的被测元件，如果两次测量仪器的读数相同，则未知量等于已知量。如利用Q表测量电感量。 差值法 仪器测量的读数是未知量和标准已知量的差值。,按测量性质分类 时域测量 频域测量 数据域测量 随机量测量,电子测量仪器的发展 模拟仪器 数字仪器 智能仪器 虚拟仪器,模拟式 仪表,数字式 仪表,智能化 仪表,虚拟 仪