第一章电子测量概述(修改版).ppt

1、电子测量，技术基础，段，第1章电子测量的基本概念，1.1测量和电子测量1.2电子测量的内容和特点1.3电子测量方法的分类1.4电子测量仪器的功能、分类和主要性能指标1.5测量的基本概念概述1.1测量和电子测量1.1.1测量是从客观事物中通过实验方法获得定量信息的过程，即定量概念。人们通过对客观事物的大量观察和测量，形成定性和定量的认识，归纳和建立各种定理和定律，然后通过测量来验证这些认识、定理和定律是否符合实际情况。经过这样的反复实践，人们逐渐了解事物的客观规律，并用它们来解释和改造世界。因此，可以说测量是人类理解和改造世界不可或缺的手段。在讨论测量的意义时，俄罗斯科学家门捷列夫曾经说过：“没

2、有测量就没有科学”，“测量是理解自然的主要工具”。英国科学家库克也认为“测量是技术生命的神经系统。”这些话精辟地阐述了测量的意义。历史事实也证明，科学的进步、生产的发展以及计量理论、技术和手段的发展和进步是相互依存、相互促进的。衡量技术水平是一个国家在一个历史时期科技水平的一面镜子。正如泰门教授所说：“科学技术的发展与测量技术是平行的，是相互匹配的。事实上，可以说，评估一个国家的科学和技术状况的最快方法是检查在那里进行的测量以及如何使用通过测量积累的数据。”1.1.2电子测量电子测量是指基于电子技术的一种测量技术。它是测量和电子学结合的产物。电子测量不仅利用电子科学的原理、方法和设备来测量各种

3、电学量、电信号和电路元件的特性和参数，还可以通过各种敏感器件和传感器件来测量非电学量。这种测量方法往往更方便、快捷、准确，有时是其他测量方法无法替代的。因此，电子测量不仅应用于电气专业，还广泛应用于物理、化学、光学、力学、材料科学、生物、医学等科学领域，以及生产、国防、交通、通讯、商业贸易、生态环境保护乃至日常生活的各个方面。近几十年来，计算技术和微电子技术的飞速发展为电子测量和测量仪器增添了巨大的生命力。电子计算机，特别是微型计算机和电子测量仪器的结合，构成了新一代的仪器和测试系统，它们通常被称为“智能仪器”和“自动测试系统”。它们可以自动测量一些电气参数、选择自动量程、记录和处理数据、传输

4、数据、纠正错误、自检、自校准、故障诊断和在线测试等。它们不仅改变了一些传统的测量概念，也给整个电子技术和其他科学技术带来了巨大的冲击。目前，电子测量技术(包括测量理论、测量方法、测量仪器和装置等。)已经成为电子科学领域中一个重要且发展迅速的分支学科。1.2电子测量的内容和特点1.2.1电子测量的内容人们通常将电参数的测量分为电磁测量和电子测量。电磁测量主要是指交流和DC功率的指示测量方法和比较测量方法以及磁量的测量。电子测量是指以电子技术理论为基础，利用电子测量仪器和设备对电量和非电量的测量。其中，电量的测量可分为以下几个方面。1.电能测量电能测量仪2.电信号特性测量可分为时域特性测量、频域特

5、性测量和数据测量，包括波形、频率、周期、相位、失真、调幅、调频指数、群时延、信号带宽和数字信号逻辑状态的测量。3.电路元件参数的测量电路元件参数的测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数和电子器件参数的测量。电子设备的性能测量电子设备的性能测量包括增益、衰减、灵敏度、频率特性、噪声指数等的测量。在上述测量内容中，频率、时间、电压、相位和阻抗等基本电参数的测量更为重要，它们往往是测量其他参数的基础。例如，放大器的增益测量实际上是输入和输出端电压的测量，然后通过比较对数获得增益分贝数；脉冲信号波形参数的测量可以归结为电压和时间的测量；在许多情况下，电流测量不方便，通常使用电压测量来代替。同时，由于

6、时间和频率测量具有其他测量无法比拟的精度，人们越来越重视将其他测量转换为时间或频率测量的方法和技术。在科学研究和生产实践中，经常需要测量许多非电量。传感技术的发展为此类测量提供了新的方法和途径。现在，各种感测元件和感测设备可以用于转换非电量(例如位移、速度、温度、压力、流量、材料成分等)。)转换成电信号，然后可以用电子测量设备进行测量。在一些人们无法直接测量的危险情况下，这种方法几乎是唯一的选择。在生产的自动过程控制系统中，将生产过程中所有相关的非电量转换成电信号进行测量、分析和记录，并对生产过程进行相应的控制是一种典型的方法，如图1.1-1所示。图1.1-1自动过程控制系统中非电量的测量1.

7、2.2电子测量的特点与其他测量方法和测量仪器相比，电子测量和电子测量仪器具有以下特点。(1)测量频率范围宽。电子测量中遇到的测量对象的频率覆盖范围非常广，从106赫兹以下到1012赫兹以上。当然，并不要求同一仪器能在如此宽的频率范围内工作。通常，根据不同的工作频带，采用不同的测量原理和不同的测量仪器。例如，在阻抗测量中，电流-电压法通常用于低频带，而开槽测量线或反射计技术必须用于微波带。以上两种方法在原理和测量设备上都有很大的不同。当然，随着技术的发展，可以在很宽的频率范围内正常工作的仪器也在不断发展。例如，先进的频率计可以测量低至106赫兹、高至1011赫兹的频率。(2)测量范围宽。测量范围

8、是测量范围的上限和下限之差或上限和下限之比。电子测量的另一个特点是被测物体的大小非常不同。例如，航天器从外层空间接收到的地面信号功率低至10-14 W，而远程雷达的脉冲功率可高达108 W，比值为11022。在正常情况下，使用相同的仪器和测量方法很难覆盖如此大的范围。如前所述，随着电子测量技术的不断发展，单个测量仪器的测量范围也可以很高。例如，国产YM3371中频数字频率计的频率测量范围为10赫兹和1000兆赫，而国产WC2180交流微伏器可测量5伏和300伏交流电压，测量范围为16107。一些更先进的仪器具有更宽的测量范围。例如，高级数字万用表直接测量的电阻值为31053108，量程为110

9、13。相对完美的元素就整个电子测量所涉及的测量内容而言，测量结果的准确性是不同的。某些参数的测量精度可能非常高，而某些参数的测量精度相当低。例如，频率和时间的测量精度可以达到10131011的数量级，这是目前测量精度的最高指标，而长度测量的最高精度为108个数量级。不幸的是，除了频率和时间的高测量精度之外，其他参数的测量精度相对较低。例如，DC电压的精度可达106个数量级，音频电压为104个数量级，射频电压仅为103个数量级，Q值和电场强度的测量精度仅为101个数量级。产生这种现象的主要原因在于电磁现象的本质，这使得测量结果容易受到外部环境的影响。特别是在较高的频率范围内，被测设备和测量设备之

10、间的电磁耦合、外部干扰和测量电路中的损耗往往不能被忽略，而是不能被准确地估计。(4)测量速度快。由于电子测量是基于电子运动和电磁波传播，以及高速电子计算机在现代测试系统中的应用，所以无论是测量速度还是测量结果的处理和传输，电子测量都可以以非常高的速度进行，这也是电子测量技术被广泛应用于现代科学技术各个领域的重要原因。例如，各种航天器的发射和运行，如卫星和航天器，如果没有快速和自动的测量和控制，是很难想象的。(5)可以进行遥测。如前所述，电子测量是基于电子的运动和电磁波的传播，因此可以将现场所有待测电信号转换成易于传输的电信号，并以有线或无线方式传输到测试控制台(中心)，从而实现遥测和遥控。这使

11、得在远距离、高速移动或其他人们无法靠近的地方测量信号成为可能。(6)易于实现测试智能化和测试自动化。电子测量本身是电子科学的一个活跃分支，电子科学的每一个进步都很快反映在电子测量领域。电子计算机的出现，特别是低功耗、小体积、高可靠性、高处理速度的微型计算机，给电子测量理论、技术和设备带来了新的革命。例如，1971年出现了微处理器，1972年出现了使用微处理器的自动电容电桥。目前市面上有大量的带微处理器的商用电子测量仪器，其中许多还具有GPIB标准的仪器接口，可以方便地组成一个功能完善的自动测试系统。毫无疑问，电子测试技术和计算机技术的紧密结合和相互促进给测量领域带来了非常光明的前景。(7)影响

12、因素多，错误处理复杂。任何测量都不可避免地会产生误差。如果不能准确确定误差或误差范围，测量结果的准确性、可靠性或可信度就无法测量，从而失去测量的意义和价值。测量误差有很多原因。客观上，影响测量结果和测量误差的因素可以分为外部因素和内部因素。影响测量结果的量称为影响量，通常来自测量系统外部，如环境温度、湿度、电源电压、外部电磁干扰等。测量系统中影响测量结果的工作特性称为影响特性。例如，交流电压表中检测器的检测特性将随被测电压的频率和波形而变化，从而影响测量结果。如前所述，电子测量中另一个难以避免且无法准确估计其实际影响大小的因素是寄生电容、电感、电导等无处不在的不利影响。测量仪器中的各种部件之间

13、以及测量装置和被测量装置之间。是的电子测量方法的分类物理量的测量可以通过不同的方法实现。测量方法的选择是否正确，直接关系到测量结果的可靠性，也关系到测量工作的经济性和可行性。不恰当或错误的测量方法不能得到正确的测量结果，甚至会损坏测量仪器和被测设备。有了先进精密的测量仪器和设备，并不意味着可以获得精确的测量结果。根据不同的测量对象、测量要求和测量条件，必须选择正确的测量方法和合适的测量仪器，形成一个实际的测量系统，并能进行正确细致的操作，以获得理想的测量结果。测量方法有多种分类形式。以下是一些常见的分类方法。1.按测量过程分类1)直接测量直接测量是指从测量仪器的读数中直接获得测量值的方法，如用

14、电压表测量晶体管的工作电压，用欧姆表测量电阻值，用计频器测量频率等。直接测量的特点是不需要被测量与其他被测量之间函数关系的辅助运算，因此测量过程简单快捷，是工程测量中广泛使用的测量方法。2)间接测量间接测量是利用直接被测量和被测量之间的函数关系(可以是公式、曲线或表格等)的测量方法。)来间接获得测量的量。例如，如果有必要测量电阻器R上消耗的DC功率P，则可以通过直接测量电压U和电流I，然后根据函数关系P=UI计算，来“间接地”获得功率消耗P。间接测量费时费力，常用于以下情况：直接测量不方便，间接测量的结果比直接测量更准确，或者缺少直接测量仪器。3)组合测量当一个测量结果需要用多个未知参数表示时

15、，可以通过改变测量条件进行多次测量，根据被测量与未知参数之间的函数关系列出方程并求解，得到未知量。这种测量方法称为组合测量。一个典型的例子是电阻温度系数的测量。已知电阻的电阻值Rt与温度t的关系如下：在公式Rt=R20 (t20) (t20)2 (1.3-1)中，R20为t=20时的电阻值，一般为已知量；称为电阻的温度系数；t是环境温度。为了获得，的值，可以在两个不同的温度t1和t2下测量两个对应的电阻值Rt1和Rt2(T1和t2可以直接用温度计测量)，并且通过代入公式(1.3-1)可以获得联立方程：Rt1=R20(T120)(T120)2R 2=R20(T220)(T220如果R20也未知，显然可以在三个不同的温度下测量Rt1、Rt2和Rt3，并且列出并求解由三个方程组成的方程，然后是R202.按测量方法分类1)偏差测量方法在测量过程中，使用仪表指针的位移(偏差)来表示测量尺寸的测量方法称为偏差测量方法，例如，使用万用表测量电压和电流。这种方法也称为直读法，因为它直接从仪表刻度读取测量数据，包括尺寸和单位。用这种方法测量时，作为测量标准的实物不安装在仪器中直接参与测量，而是用标准量具预先校准仪器的读数和刻度，在实际测量时根据指针的偏转来确定测量值。零位置测量法