電子測量第一章第三節(jié).ppt

1.3 電子測量方法的分類 一個(gè)物理量的測量可以通過不同的方法實(shí)現(xiàn)。 測量方法選擇得正確與否直接關(guān)系到測量結(jié)果的可信賴程度， 也關(guān)系到測量工作的經(jīng)濟(jì)性和可行性。 不當(dāng)或錯(cuò)誤的測量方法除了得不到正確的測量結(jié)果外， 甚至?xí)p壞測量儀器和被測量設(shè)備。 有了先進(jìn)精密的測量儀器設(shè)備， 并不等于就一定能獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。 必須根據(jù)不同的測量對象、 測量要求和測量條件， 選擇正確的測量方法、 合適的測量儀器， 構(gòu)成實(shí)際測量系統(tǒng)， 進(jìn)行正確、 細(xì)心的操作， 才能得到理想的測量結(jié)果。,測量方法的分類形式有多種， 下面介紹幾種常見的分類方法。 1. 按測量過程分類 1) 直接測量 直接測量是指直接從測量儀表的讀數(shù)獲取被測量量值的方法， 比如用電壓表測量晶體管的工作電壓， 用歐姆表測量電阻阻值， 用計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測量頻率等。 直接測量的特點(diǎn)是不需要對被測量與其他實(shí)測的量進(jìn)行函數(shù)關(guān)系的輔助運(yùn)算， 因此測量過程簡單、 迅速， 是工程測量中廣泛應(yīng)用的測量方法。,2) 間接測量 間接測量是利用直接測量的量與被測量之間的函數(shù)關(guān)系(可以是公式、 曲線或表格等)間接得到被測量量值的測量方法。 例如需要測量電阻R上消耗的直流功率P， 可以通過直接測量電壓U、 電流I， 而后根據(jù)函數(shù)關(guān)系P=UI， 經(jīng)過計(jì)算， “間接”獲得功耗P。 間接測量費(fèi)時(shí)、 費(fèi)事， 常在下列情況下使用： 直接測量不方便， 或間接測量的結(jié)果較直接測量更為準(zhǔn)確， 或缺少直接測量儀器等。,3) 組合測量 當(dāng)某項(xiàng)測量結(jié)果需用多個(gè)未知參數(shù)表達(dá)時(shí)， 可通過改變測量條件進(jìn)行多次測量， 根據(jù)測量量與未知參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系列出方程組并求解， 進(jìn)而得到未知量， 這種測量方法稱為組合測量。 一個(gè)典型的例子是電阻器的溫度系數(shù)的測量。 已知電阻器阻值Rt與溫度t間滿足關(guān)系： Rt=R20+(t20)+(t20)2 (1.3-1) 式中， R20為t=20時(shí)的電阻值， 一般為已知量； 、 稱為電阻的溫度系數(shù)； t為環(huán)境溫度。,為了獲得、 值， 可以在兩個(gè)不同的溫度t1、 t2(t1、 t2可由溫度計(jì)直接測得)下測得相應(yīng)的兩個(gè)電阻值Rt1、 Rt2， 代入式(1.3-1)得到聯(lián)立方程： Rt1=R20+(t120)+(t120)2 Rt2=R20+(t220)+(t220)2 (1.3-2) 求解聯(lián)立方程(1.3-2)， 就可以得到、 值。 如果R20也未知， 則顯然可在三個(gè)不同的溫度下分別測得Rt1、 Rt2、 Rt3， 列出由三個(gè)方程構(gòu)成的方程組并求解， 進(jìn)而得到R20、 、。,2. 按測量方式分類 1) 偏差式測量法 在測量過程中， 用儀器儀表指針的位移(偏差)表示被測量大小的測量方法稱為偏差式測量法， 例如使用萬用表測量電壓、 電流等。 由于從儀表刻度上直接讀取被測量， 包括大小和單位， 因此這種方法也叫直讀法。 用這種方法測量時(shí)， 作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)物并不裝在儀表內(nèi)直接參與測量， 而是事先用標(biāo)準(zhǔn)量具對儀表讀數(shù)、 刻度進(jìn)行校準(zhǔn)， 實(shí)際測量時(shí)根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)大小確定被測量量值。,2) 零位式測量法 零位式測量法又稱做零示法或平衡式測量法。 測量時(shí)將被測量與標(biāo)準(zhǔn)量相比較(因此也把這種方法稱做比較測量法)， 用指零儀表(零示器)指示被測量與標(biāo)準(zhǔn)量相等(平衡)， 從而獲得被測量。 利用惠斯登電橋測量電阻(或電容、 電感)是這種方法的一個(gè)典型例子， 如圖1.3-1所示。,圖1.3-1 利用惠斯登電橋測量電阻示意圖,當(dāng)電橋平衡時(shí)， 可以得到：,(1.3-3),通常是先大致調(diào)整比率R1/R2， 再調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)電阻R4， 直至電橋平衡， 充當(dāng)零示器的檢流計(jì)PA指示為零， 此時(shí)即可根據(jù)式(1.3-3)由比率和R4值得到被測電阻Rx值。,只要零示器的靈敏度足夠高， 零位式測量法的測量準(zhǔn)確度幾乎等于標(biāo)準(zhǔn)量的準(zhǔn)確度， 因而這種方法的測量準(zhǔn)確度很高， 這是它的主要優(yōu)點(diǎn)， 常用在實(shí)驗(yàn)室作為精密測量的一種方法。 但由于測量過程中為了獲得平衡狀態(tài)需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)， 因此即使采用一些自動(dòng)平衡技術(shù)， 測量速度仍然較慢， 這是這種方法的一個(gè)不足之處。,3) 微差式測量法 偏差式測量法和零位式測量法相結(jié)合， 構(gòu)成微差式測量法。 該法通過測量待測量與標(biāo)準(zhǔn)量之差(通常該差值很小)來得到待測量的值， 如圖1.3-2所示。 圖中， P 為量程不大但靈敏度很高的偏差式儀表， 它指示的是待測量x與標(biāo)準(zhǔn)量s之間的差值： =xs, 即x=s+。 在第2章中將證明， 只要足夠小， 這種方法的測量準(zhǔn)確度基本上取決于標(biāo)準(zhǔn)量的準(zhǔn)確度。 和零位式測量法相比， 該法省去了反復(fù)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)量大小以求平衡的步驟。,圖1.3-2 微差式測量法示意圖,因此， 該法兼有偏差式測量法的測量速度快和零位式測量法測量準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。 微差式測量法除在實(shí)驗(yàn)室中用作精密測量外， 還廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)線控制參數(shù)的測量上， 如監(jiān)測連續(xù)軋鋼機(jī)生產(chǎn)線上的鋼板厚度等。 圖1.3-3 是用微差法測量直流穩(wěn)壓電源輸出電壓穩(wěn)定度的測量原理圖。 圖中， Uo為直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓， 它隨著50 Hz、 220 V市電的波動(dòng)和負(fù)載RL的變化而有微小起伏 V2 為量程不大但靈敏度很高的電壓表； UB表示由標(biāo)準(zhǔn)電源Us獲得的標(biāo)準(zhǔn)電壓； U是由 V2 電壓表測得的Uo與UB的差值， 即輸出電壓Uo隨著市電波動(dòng)和負(fù)載變化而產(chǎn)生的微小起伏。,圖1.3-3 用微差法測量直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度,3. 按被測量的性質(zhì)分類 如果按被測量的性質(zhì)， 測量還可以作如下分類。 1) 時(shí)域測量 時(shí)域測量也稱做瞬態(tài)測量， 主要測量被測量隨時(shí)間的變化規(guī)律。 典型的例子為用示波器觀察脈沖信號的上升沿、 下降沿、 平頂降落等脈沖參數(shù)以及動(dòng)態(tài)電路的暫態(tài)過程等。 2) 頻域測量 頻域測量也稱為穩(wěn)態(tài)測量， 主要目的是獲取待測量與頻率之間的關(guān)系， 例如用頻譜分析儀分析信號的頻譜和測量放大器的幅頻特性、 相頻特性等。,3) 數(shù)據(jù)域測量 數(shù)據(jù)域測量也稱為邏輯量測量， 主要是用邏輯分析儀等設(shè)備對數(shù)字量或電路的邏輯狀態(tài)進(jìn)行測量。 數(shù)據(jù)域測量可以同時(shí)觀察多條數(shù)據(jù)通道上的邏輯狀態(tài)， 或者顯示某條數(shù)據(jù)線上的時(shí)序波形， 還可以借助計(jì)算機(jī)分析大規(guī)模集成電路芯片的邏輯功能等。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展需要， 數(shù)據(jù)域測量及其測量智能化、 自動(dòng)化顯得愈來愈重要。 4) 隨機(jī)測量 隨機(jī)測量又叫做統(tǒng)計(jì)測量， 主要是對各類噪聲信號進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量和統(tǒng)計(jì)分析。 這是一項(xiàng)較新的測量技術(shù)， 尤其在通信領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。,除了上述幾種常見的分類方法外， 還有其他一些分類方法。 比如， 按照對測量精度的要求， 可以分為精密測量和工程測量； 按照測量時(shí)測量者對測量過程的干預(yù)程度分為自動(dòng)測量和非自動(dòng)測量； 按照被測量與測量結(jié)果獲取地點(diǎn)的關(guān)系分為本地(原位)測量和遠(yuǎn)地測量(遙測)， 接觸測量和非接觸測量； 按照被測量的屬性分為電量測量和非電量測量等。,4. 測量方法的選擇原則 在選擇測量方法時(shí)， 要綜合考慮下列主要因素： 被測量本身的特性； 所要求的測量準(zhǔn)確度； 測量環(huán)境； 現(xiàn)有測量設(shè)備等。 在此基礎(chǔ)上， 選擇合適的測量儀器和正確的測量方法。 前面曾提到， 正確、 可靠的測量結(jié)果的獲得要依據(jù)測量方法和測量儀器的正確選擇、 正確操作和測量數(shù)據(jù)的正確處理。 否則， 即便使用價(jià)值昂貴的精密儀器設(shè)備， 也不一定能夠得到準(zhǔn)確的結(jié)果， 甚至可能損壞測量儀器和被測設(shè)備。,【例1】若直接用萬用表R1電阻擋測量晶體管發(fā)射結(jié)結(jié)電阻， 則由于限流電阻過小而使基極注入電流很大， 很容易將晶體管損壞。 所以， 不能用此方法測量晶體管發(fā) 射結(jié)電阻或二極管正向電阻。 【例2】圖1.3-4表示的是用電壓表測量高內(nèi)阻電路端電壓的例子。 不難看到， 電壓表內(nèi)阻的大小將直接影響到測量結(jié)果， 這種影響通常稱做電壓表的負(fù)載效應(yīng)。 圖中虛線框內(nèi)表示放大器輸出端等效電路， RV表示測量用實(shí)際電壓表內(nèi)阻。 忽略其他因素， 不難算出： 當(dāng)用內(nèi)阻RV=10 M的數(shù)字電壓表測量時(shí)， 電壓