單元一 電子測量與儀器基本知識.doc

單元一 電子測量與儀器基本知識一、電子測量基礎(chǔ)知識1、測量的概念1）廣義的測量:為了獲取被測對象的信息而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程。在這個過程中，人們借助專門的設(shè)備去感知和識別有關(guān)的信息，取得關(guān)于被測對象的屬性和量值的信息，并以便于人們利用的形式表示出來。信息獲取的基本原理如下圖所示。2）測量的基本要素：被測對象、測量儀器、測量技術(shù)、測量人員和測量環(huán)境。3）測試技術(shù)：測量中所采用的原理、方法和技術(shù)措施的總稱。4）測量環(huán)境：指測量過程中人員、對象和儀器系統(tǒng)所處空間的一切物理和化學(xué)條件的總和。它包括溫度、濕度、力場、電磁場、輻射、有關(guān)電磁量（工作電壓、負(fù)載阻抗、地磁場、雷電等）的數(shù)值、范圍及其變化。2、電子測量及其內(nèi)容1）電子測量：泛指以電子科學(xué)技術(shù)為手段的測量，即以電子技術(shù)理論為依據(jù)，以電子測量儀器和設(shè)備為工具，對電量和非電量進(jìn)行的測量。2）電子測量的內(nèi)容電能量的測量：包括各種頻率及波形下的電壓、電流、功率、電場強(qiáng)度等的測量。電路參數(shù)的測量：包括電阻、電感、電容、阻抗、品質(zhì)因數(shù)、電子器件參數(shù)等的測量。電信號特征的測量：包括信號頻率、周期、時間、相位、調(diào)幅度、調(diào)頻指數(shù)、失真度、噪音以及數(shù)字信號的邏輯狀態(tài)等的測量。電子設(shè)備性能的測量：包括放大倍數(shù)、衰減、靈敏度、頻率特性、通頻帶、噪聲系數(shù)的測量。特性曲線的測量：包括幅頻特性曲線、晶體管特性曲線等的測量和顯示。各種非電量的測量：一般方法是采用非電量的電測法，首先是通過傳感器將眾多非電量（如溫度、壓力、流量等）轉(zhuǎn)換成電量，再進(jìn)行電子測量。3、電子測量的特點(diǎn)1）頻率范圍寬：測量交流信號的頻率范圍低至10-6Hz以下，高至THz（1THz=1012Hz）。2）量程范圍寬：測量范圍的上限值與下限值之間相差很大，儀器具有足夠?qū)挼牧砍獭Ｈ鐢?shù)字萬用表對電阻測量小到10-5，大到108，量程達(dá)到13個數(shù)量級；電壓測量由納伏（nV）級至千伏（kV）級電壓，量程達(dá)12個數(shù)量級；3）準(zhǔn)確度高：可以使頻率和時間測量準(zhǔn)確度達(dá)到10-13 10-14的數(shù)量級（這是目前在測量準(zhǔn)確度方面達(dá)到的最高指標(biāo)），長度測量和力學(xué)測量的最高精度均達(dá)10-9量級。4）測量速度快：具有其他測量方法通常無法類比的高速度。5）易于實(shí)現(xiàn)遙測：電子測量可以通過電磁波進(jìn)行信息傳遞，很容易實(shí)現(xiàn)遙測、遙控。6）易于實(shí)現(xiàn)測量過程的自動化和測量儀器智能化:由于大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，在測量過程中能夠?qū)崿F(xiàn)程控、遙控、自動轉(zhuǎn)換量程、自動調(diào)節(jié)、自動校準(zhǔn)、自動診斷故障和自動恢復(fù)，對于測量結(jié)果可進(jìn)行自動記錄、自動進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、分析和處理。二、測量誤差1、測量誤差的定義1）測量的目的:獲得被測量的真值。2）真 值:在一定的時間和空間環(huán)境條件下，被測量本身所具有的真實(shí)數(shù)值。3）測量誤差：指測量值與真值間的差異。 4）研究誤差的目的：正確認(rèn)識誤差的性質(zhì)，分析誤差產(chǎn)生的原因及其發(fā)生規(guī)律，尋求減小或消除測量誤差的方法，學(xué)會數(shù)據(jù)處理的方法，使測量結(jié)果更接近于真值。2、測量誤差的來源1）儀器誤差：由于測量儀器及其附件的設(shè)計(jì)、制造、檢定等不完善，以及儀器使用過程中老化、磨損、疲勞等因素而使儀器帶有的誤差。2）影響誤差：由于各種環(huán)境因素（溫度、濕度、振動、電源電壓、電磁場等）與測量要求的條件不一致而引起的誤差。3）理論誤差和方法誤差：由于測量原理、近似公式、測量方法不合理而造成的誤差。4）人身誤差：由于測量人員感官的分辨能力、反應(yīng)速度、視覺疲勞、固有習(xí)慣、缺乏責(zé)任心等原因，而在測量中使用操作不當(dāng)、現(xiàn)象判斷出錯或數(shù)據(jù)讀取疏失等而引起的誤差。5）測量對象變化誤差：測量過程中由于測量對象變化而使得測量值不準(zhǔn)確，如引起動態(tài)誤差等。3、測量誤差的表示方法1）絕對誤差：由測量所得到的被測量值與其真值之差，稱為絕對誤差，即X=X-A。絕對誤差表明了被測量的測量值與被測量的實(shí)際值間的偏離程度和方向。絕對誤差雖然可以說明測量結(jié)果偏離實(shí)際值的情況，但不能完全科學(xué)地說明測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度。因?yàn)橐粋€量的準(zhǔn)確程度，不僅與它的絕對誤差的大小，而且與這個量本身的大小有關(guān)。2）相對誤差：絕對誤差與被測量的真值之比，稱為相對誤差（相對真誤差），用表示實(shí)際相對誤差: 由于真值是不能確切得到的，通常用實(shí)際值A(chǔ)代替真值來表示相對誤差示值相對誤差: 在誤差較小、要求不太嚴(yán)格的場合，也可以用測量值代替實(shí)際值A(chǔ)3）滿度相對誤差（引用相對誤差）:測量儀器在一個量程范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大絕對誤差與該量程的滿刻度值之比 電工儀表就是按引用誤差之值進(jìn)行分級的。是儀表在工作條件下不應(yīng)超過的最大引用相對誤差，它反映了該儀表的綜合誤差大小。我國電工儀表共分七級：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果儀表為2.5級，則說明該儀表的最大引用誤差不超過2.5%因，故當(dāng)x越接近于時，越接近S%，其測量準(zhǔn)確度越高。因此，在使用這類儀表測量時，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牧砍蹋故局当M可能接近于滿度值，指針最好能在滿度值的2/3以上。例 某待測電流約為100mA，現(xiàn)有0.5級量程為0400mA和1.5級量程為0100mA的兩個電流表，問用哪一個電流表測量較好？解 用0.5級量程為0400mA電流表測100mA時，最大相對誤差為用1.5級量程為0100mA電流表測量100mA時的最大相對誤差為 思考題1簡述測量誤差的定義和誤差的來源。2什么是絕對誤差和相對誤差？它們各表明什么概念？三、測量方法1、直接測量法使用按已知標(biāo)準(zhǔn)定度的電子儀器，對被測量值直接進(jìn)行測量，從而測得其數(shù)據(jù)的方法。直讀測量法與比較測量法都屬直接測量。直讀測量法：是直接從儀器儀表的刻度上讀出測量結(jié)果的方法。如一般用電壓表測量電壓；利用頻率計(jì)測量信號的頻率等都是直讀測量法。比較測量法：是在測量過程中，通過被測量與標(biāo)準(zhǔn)直接進(jìn)行比較而獲得測量結(jié)果的方法，電橋就是典型的例子，它是利用標(biāo)準(zhǔn)電阻（電容、電感）對被測量進(jìn)行測量。2、間接測量法使用按照已知標(biāo)準(zhǔn)定度的電子儀器，不直接對被測量值進(jìn)行測量，而對一個或幾個與被測量具有某種函數(shù)關(guān)系的物理量進(jìn)行直接測量，然后通過函數(shù)關(guān)系計(jì)算出被測量值的測量方法。例如，要測量電阻的消耗功率，可以通過直接測量電壓、電流或測量電流、電阻，然后根據(jù)P=UI=I2R=U2/R求出電阻的功率。 3、組合測量法有的測量需要直接測量法和間接測量法兼用。四、靜態(tài)測量和動態(tài)測量1、靜態(tài)測量是指測量時，被測電路不加輸入信號或只加固定電位，如放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的測量；2、動態(tài)測量是指在測量時，被測電路需加上一定頻率和幅度的輸入信號，如放大器增益的測量。五、電子測量儀器的放置電子儀器擺放位置、連接方法等是否合理都會對測量過程、測量結(jié)果及儀器自身安全產(chǎn)生影響。1、電子測量儀器的位置放置儀器時，應(yīng)盡量使儀器的指示電表或顯示器與操作者的視線平行，以減少視差；對那些在測量中需頻繁操作的儀器，其位置的安排應(yīng)方便操作者的使用；在測量中當(dāng)需要兩臺或多臺儀器重疊放置時，應(yīng)把重量輕、體積小的儀器放在上層；對散熱量大的儀器還要注意它的散熱條