電子測量基礎(chǔ)知識

1、第一章 電子測量基礎(chǔ)知識10 / 12目 錄1.1 電子測量和儀器的基本知識11.1.1 電子測量的意義11.1.2 電子測量的容11.1.3 電子測量的特點21.2 電子測量方法的分類21.2.1 按測量方式分類21.2.2 按被測信號性質(zhì)分類31.3 測量誤差的基本概念31.3.1 重要概念31.3.2 測量誤差的表示方法41.3.3 測量誤差的來源與分類61.4 測量結(jié)果的表示和有效數(shù)字71.4.1 測量結(jié)果的表示71.4.2 有效數(shù)字和有效數(shù)字位71.4.3 數(shù)字的舍入規(guī)則71.5 電子測量儀器的基本知識81.5.1 電子測量儀器的分類81.5.2電子測量儀器的誤差91.5.3 電子測

2、量儀器的正確使用91.6 參考文獻(xiàn)101.1 電子測量和儀器的基本知識測量是人類對客觀事物取得數(shù)量概念的認(rèn)識過程。測量結(jié)果 = 數(shù)值(大小與符號) + 單位。注意：沒有單位的量值是沒有物理意義的。1.1.1 電子測量的意義隨著測量學(xué)的發(fā)展和電子學(xué)的應(yīng)用，誕生了以電子技術(shù)為手段的新的測量技術(shù)，即電子測量。如用數(shù)字萬用表測量電壓、用頻譜分析儀監(jiān)測衛(wèi)星信號等。電子測量是測量學(xué)的一個重要分支，是測量技術(shù)中最先進(jìn)的技術(shù)之一。目前，電子測量不僅因為其應(yīng)用廣泛而成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的手段，同時也是一門發(fā)展迅速、對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著重大推動作用的獨立科學(xué)。隨著電子測量儀器與通信技術(shù)、總線技術(shù)、計算機

3、技術(shù)的結(jié)合，出現(xiàn)了“智能儀器”、“虛擬儀器”、“自動測試系統(tǒng)”，豐富了測量的概念和發(fā)展方向。從某種意義上說：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平是由電子測量的技術(shù)水平來保證和體現(xiàn)的；電子測量技術(shù)水平是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。1.1.2 電子測量的容本課程中電子測量的容主要是指對電子學(xué)領(lǐng)域各種電學(xué)參數(shù)的測量，主要有：1、 基本電量的測量基本電量主要包括：電壓、電流、功率等。在此基礎(chǔ)上，電子測量的容可以擴展至其他量的測量，如阻抗、頻率、時間、位移、電場強度、磁場與相關(guān)量。2、 電路、元器件參數(shù)的測量與特性曲線的顯示電子線路整機的特性測量與特性曲線顯示（伏安特性、頻率特性等）；電氣設(shè)備常用各種元器件（電阻、

4、電感、電容、晶體管、集成電路等）的參數(shù)測量與特性曲線顯示。3、 電信號特性的測量主要有：頻率、波形、周期、時間、相位、諧波失真度、調(diào)幅度與邏輯狀態(tài)等。4、 電子設(shè)備性能指標(biāo)的測量各種電子設(shè)備的性能指標(biāo)測量，主要包括：靈敏度、增益、帶寬、信噪比等。另外，通過各類傳感器，可將很多非電量（如溫度、壓力、流量、位移、加速度等）轉(zhuǎn)換成電信號后進(jìn)行測量。1.1.3 電子測量的特點與其他測量相比，電子測量具有以下幾個突出優(yōu)點：1、 測量頻率圍寬電子測量既可以測量直流電量，又可以測量交流電量，其頻率圍可以覆蓋整個電磁頻譜，可達(dá)10-61012Hz。注意：對于不同的頻率，即使是測量同一種電量，所需采用的測量方法

5、和使用的測量儀器也有所不同。2、 儀器量程寬量程：各種儀器所能測量的參數(shù)的圍。電子測量儀器具有相當(dāng)寬廣的量程。3、 測量準(zhǔn)確度高電子測量的準(zhǔn)確度要比其他方法高得多，特別是對于頻率和時間的測量，其誤差可以減小到10-15量級，是目前人類在測量準(zhǔn)確度方面達(dá)到的最高指標(biāo)。注意：正是由于電子測量的準(zhǔn)確度高，使其在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。4、 測量速度快電子測量是通過電磁波的傳播和電子運動來進(jìn)行的，因而可以實現(xiàn)測量過程的高速度，這是其他測量方式所無法比擬的。只有測量速度快，才能測出快速變化的物理量，這對于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有特別重要的意義。5、 易于實現(xiàn)遙測電子測量的一個突出優(yōu)點是可以通過各種

6、類型的傳感器實現(xiàn)遙測。6、 易于實現(xiàn)測量自動化和測量儀器微機化由于大規(guī)模集成電路和微型計算機的應(yīng)用，使得電子測量出現(xiàn)了新的發(fā)展方向。例如，在測量中能實現(xiàn)程控、自動量程轉(zhuǎn)換、自動校準(zhǔn)、自動故障診斷、自動修復(fù)，對測量結(jié)果可以實現(xiàn)自動記錄、自動數(shù)據(jù)運算、分析和處理。1.2 電子測量方法的分類為了獲得測量結(jié)果，所采用的各種手段和方式被稱為測量方法。電子測量方法的分類形式有多種，這里僅就最常用的分類方法作簡要介紹。1.2.1 按測量方式分類1、 直接測量直接測量是指直接從電子儀器或儀表上讀出測量結(jié)果的方法。例如：用電壓表測量電路兩端點之間的電壓；用通用電子計數(shù)器測量頻率等。直接測量的特點：測量過程簡單、

7、迅速，在工程技術(shù)中采用得比較廣泛。2、 間接測量間接測量是指對一個與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的物理量進(jìn)行直接測量，然后通過代表該函數(shù)關(guān)系的公式、曲線或表格，求出被測量值的方法。例如：要測量已知電阻R上消耗的功率，則需先測量加在R兩端的電壓U，然后再根據(jù)公式，便可求出功率P的值。間接測量的特點：多用于科學(xué)實驗，在生產(chǎn)與工程技術(shù)中應(yīng)用較少，只有當(dāng)被測量不便于直接測量時才采用。3、 組合測量組合測量是指在某些測量中，被測量與幾個未知量有關(guān)，測量一次無法得出完整的結(jié)果，則可改變測量條件進(jìn)行多次測量，然后按照被測量與未知量之間的函數(shù)關(guān)系組成聯(lián)立方程，通過求解得出有關(guān)未知量，它是兼用了直接測量和間接測量兩種方

8、法。例如：P3組合測量的特點：是一種特殊的精密測量方法，適用于科學(xué)實驗與一些特殊場合。1.2.2 按被測信號性質(zhì)分類1、 時域測量時域測量是指測量被測對象在不同時間點上的特性。這時被測信號是關(guān)于時間的函數(shù)。例如：可用示波器測量被測信號（電壓值）的瞬時波形，顯示它的幅度、寬度、上升和下降沿等參數(shù)。另外，時域測量還包括對一些周期信號的穩(wěn)態(tài)參量的測量，如正弦交流電壓，雖然其瞬時值會隨著時間變化，但其振幅和有效值則是穩(wěn)態(tài)值，也可以用時域測量方法對其進(jìn)行測量。2、 頻域測量頻域測量是指測量被測對象在不同頻率點上的特性。這時被測信號是關(guān)于頻率的函數(shù)。例如：可用頻譜分析儀對電路中產(chǎn)生的新的電壓分量進(jìn)行測量，

9、可產(chǎn)生幅頻特性曲線、相頻特性曲線等。3、 數(shù)據(jù)域測量數(shù)據(jù)域測量是指對數(shù)字系統(tǒng)的邏輯特性進(jìn)行的測量。利用邏輯分析儀能夠分析離散信號組成的數(shù)據(jù)流，可以觀察多個輸入通道的并行數(shù)據(jù)，也可以觀察一個通道的串行數(shù)據(jù)。4、 隨機測量隨機測量是指利用噪聲信號源進(jìn)行的動態(tài)測量，例如各類噪聲、干擾信號等。電子測量還有許多分類方法，如動態(tài)與靜態(tài)測量技術(shù)、模擬和數(shù)字測量技術(shù)、實時與非實時測量技術(shù)、有源與無源測量技術(shù)等。1.3 測量誤差的基本概念1.3.1 重要概念1、 真值所謂真值，是指在一定時間和環(huán)境條件下，被測量本身所具有的真實數(shù)值。注意：真值是一個理想概念，通常無法精確測到。2、 測量誤差所謂測量誤差，是指由于

10、測量設(shè)備、測量方法、測量環(huán)境和測量人員的素質(zhì)等條件的限制，測量結(jié)果與被測量真值之間通常會存在一定的差異，這個差異就稱為測量誤差。注意：測量誤差過大，可能會使得測量結(jié)果變得毫無意義，甚至?xí)韷奶帯?、 約定真值所謂約定真值，是指根據(jù)測量誤差的要求，用高一級或數(shù)級的標(biāo)準(zhǔn)儀器或計量器具所測得的值。注意：約定真值又稱為實際值，通常用A來表示。我們研究測量誤差的目的，就是要了解產(chǎn)生誤差的原因和規(guī)律，尋找減小測量誤差的方法，從而使測量結(jié)果精確可靠。1.3.2 測量誤差的表示方法測量誤差有兩種表示方法，即絕對誤差和相對誤差。1、 絕對誤差(1) 定義由測量所得到的被測量值x與其真值A(chǔ)0之差，稱為絕對誤差，

11、記作x，即有：x = x - A0 (1.1)說明：(a) 由于測量結(jié)果x總含有誤差，x可能比A0大，亦可能比A0小，因此x既有大小，也有正負(fù)，其量綱和測量值的量綱一樣；(b) 這里所說的被測量值是指測量儀器的示值。注意：(a) 通常，測量儀器的示值和測量儀器的讀數(shù)有區(qū)別；(b) 測量儀器的讀數(shù)是指從測量儀器的刻度盤、顯示器等讀數(shù)裝置上直接讀到的數(shù)字；(c) 測量儀器的示值是指該被測量的測量結(jié)果，包括數(shù)量值和量綱，通常由測量儀器的讀數(shù)經(jīng)過換算而得到。式(1.1)中的A0表示真值，而實際測量時無法得到A0，所以通常用實際值A(chǔ)來代替真值A(chǔ)0，從而式(1.1)可改寫為：x = x A (1.2)例1

12、.1 P5(2) 修正值修正值是指與絕對誤差的絕對值大小相等，但符號相反的量值，用c表示，即：c = -x = A x (1.3)對測量儀器進(jìn)行定期檢定時，用標(biāo)準(zhǔn)儀器與受檢儀器相比對，可以表格、曲線或公式的形式給出受檢儀器的修正值。在日常測量中，受檢儀器測量所得到的結(jié)果應(yīng)加上修正值，以求得被測量的實際值，即：A = x + c (1.4)例1.2 P5說明：(1) 由例1.2可知，利用修正值可以減小誤差的影響，使測量值更接近真值；(2) 實際應(yīng)用中，應(yīng)定期將測量儀器送檢，以便得到正確的修正值。2、 相對誤差絕對誤差雖然可以說明測量結(jié)果偏離實際值的大小，但不能確切的反映測量的準(zhǔn)確程度，也不便看出

13、對整個測量結(jié)果的影響。(1) 實際相對誤差相對誤差是指絕對誤差與被測量的真值之比，用表示，即： = (x/A0) ×100% (1.5)注意：相對誤差沒有量綱，只有大小與符號。由于真值是難以確切得到的，通常用實際值A(chǔ)代替真值A(chǔ)0來表示相對誤差，稱為實際相對誤差，用A表示，即：A = (x/A) ×100% (1.6)(2) 示值相對誤差在誤差較小，要求不是很嚴(yán)格的場合，也可用測量值x代替實際值A(chǔ)，由此得到的相對誤差稱為示值相對誤差，用x表示，即：x = (x/x) ×100% (1.7)說明：(a) 式(1.7)中的x由所用儀器的準(zhǔn)確度等級定出；(b) 由于x中含

14、有誤差，所以x只適用于近似測量；(c) 當(dāng)x很小時，x A，有A x 。例1.3 P6(3) 引用相對誤差用絕對誤差與儀器滿刻度值xm之比來表示相對誤差，稱為引用相對誤差或稱滿度相對誤差，用m表示，即：m = (x/xm) ×100% (1.8)測量儀器使用最大引用相對誤差來表示它的準(zhǔn)確度，這時有：mm = (xm/xm) ×100% (1.9)式(1.9)中：xm表示儀器在該量程圍出現(xiàn)的最大絕對誤差；xm表示儀器的滿刻度值；mm表示儀器在工作條件下不應(yīng)超過的最大引用相對誤差，它反映了該儀器的綜合誤差大小。例1.4 P6例1.5 P71.3.3 測量誤差的來源與分類1、 誤

15、差來源如前所述，在一切實際測量中都存在一定的誤差。下面簡要討論誤差的來源。(1) 儀器誤差由于儀器本身與其附件的電氣和機械性能不完善而引入的誤差稱為儀器誤差。例如，儀器儀表的零點漂移、刻度不準(zhǔn)確和非線性等引起的誤差以與數(shù)字式儀表的量化誤差均屬于此類。減小儀器誤差的主要途徑是根據(jù)具體測量任務(wù)，正確地選擇測量方法和使用測量儀器。(2) 理論誤差由于測量所依據(jù)的理論不夠嚴(yán)密或用近似公式、近似值計算測量結(jié)果所引起的誤差稱為理論誤差。例如，峰值檢波器的輸出電壓總是小于被測電壓峰值所引起的峰值電壓表的誤差就屬于理論誤差。理論誤差原則上可通過理論分析和計算來加以消除或修正。(3) 方法誤差由于測量方法不適宜

16、而造成的誤差稱為方法誤差。例如，用低阻的萬用表測量高阻電路的電壓時所引起的誤差就屬于方法誤差。方法誤差可通過改變測量方法來加以消除或修正。(4) 影響誤差由于溫度、濕度、震動、電源電壓、電磁場等各種環(huán)境因素與儀器儀表要求的條件不一致而引起的誤差稱為影響誤差。例如，數(shù)字電壓表技術(shù)指標(biāo)中常單獨給出溫度影響誤差。當(dāng)環(huán)境條件符合要求時，影響誤差可不予考慮。(5) 人身誤差由于測量人員的分辨率、視覺疲勞、不良習(xí)慣或缺乏責(zé)任心等因素引起的誤差稱為人身誤差。例如，讀錯數(shù)字、操作不當(dāng)?shù)?。減小人身誤差的途徑有：(a) 提高測量者的操作技能和工作責(zé)任心；(b) 采用更適合的測量方法；(c) 采用數(shù)字顯示器進(jìn)行讀數(shù)

17、(避免讀數(shù)誤差)。2、 誤差分類根據(jù)性質(zhì)，可將測量誤差分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和疏失誤差。(1) 系統(tǒng)誤差在一定的條件下，誤差的數(shù)值（大小與符號）保持恒定或按照一定的規(guī)律變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差決定了測量的準(zhǔn)確度。(2) 隨機誤差在一樣條件下進(jìn)行多次測量，每次測量結(jié)果出現(xiàn)無規(guī)律的隨機變化的誤差稱為隨機誤差或偶然誤差。(3) 疏失誤差在一定條件下，測量值明顯偏離實際值時所對應(yīng)的誤差稱為疏失誤差，又稱為粗大誤差（簡稱粗差）。1.4測量結(jié)果的表示和有效數(shù)字1.4.1 測量結(jié)果的表示測量結(jié)果的表示指的是測量結(jié)果的數(shù)字表示，它包括一定的數(shù)值（包括正負(fù)號）和相應(yīng)的計量單位。說明：通常為了說明測量結(jié)果

18、的可信度，在具體表示測量結(jié)果時，還要同時注明其測量誤差值或圍，如：(4.32±0.01)V、(465±1)kHz。1.4.2 有效數(shù)字和有效數(shù)字位通常測量結(jié)果都存在一定的誤差，因此需要考慮如何用近似數(shù)據(jù)恰當(dāng)?shù)乇硎緶y量結(jié)果，這就涉與到有效數(shù)字的問題。有效數(shù)字是指從最左邊第一位非零數(shù)字算起，到含有誤差的那位存疑數(shù)字為止的所有各位數(shù)字。在測量過程中，正確地寫出測量結(jié)果的有效數(shù)字，合理地確定測量結(jié)果位數(shù)是非常重要的。對有效數(shù)字位數(shù)的確定應(yīng)掌握以下幾方面容：(1) 有效數(shù)字位與測量誤差具有一定的關(guān)系。原則上可以從有效數(shù)字的位數(shù)估計出測量誤差，一般規(guī)定誤差不超過有效數(shù)字末位單位的一半。

19、(2) “0”在最左面為非有效數(shù)字。(3) 有效數(shù)字不能因選用的單位變化而改變。1.4.3 數(shù)字的舍入規(guī)則測量數(shù)據(jù)中超過保留位數(shù)的數(shù)字應(yīng)予以刪略。刪略的原則是“小于五舍，大于五入，等于五求偶”，具體說明如下：(1) 刪略部分最高位數(shù)字小于5時：后位舍去；(2) 刪略部分最高位數(shù)字大于5時：末位進(jìn)1；(3) 刪略部分最高位數(shù)字等于5時：若5后面有非零數(shù)字時進(jìn)1；若5后面全為零或無數(shù)字時，采用求偶法則，即5前面為偶數(shù)時舍5不進(jìn)，5前面為奇數(shù)時進(jìn)1。例1.6 P9說明：(1) 經(jīng)過數(shù)字舍入后，末位是欠準(zhǔn)數(shù)字，末位以前的數(shù)字為準(zhǔn)確數(shù)字。末位欠準(zhǔn)的程度不超過該位單位的一半；(2) 決定有效數(shù)字位數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)

20、是誤差圍，并不是位數(shù)寫得越多越好，寫多了會夸大測量的準(zhǔn)確度；(3) 表示帶有絕對誤差的數(shù)字時，有效數(shù)字的末位應(yīng)和絕對誤差取齊，即兩者的欠準(zhǔn)數(shù)字所在數(shù)字位必須一樣。1.5電子測量儀器的基本知識電子測量儀器：利用電路技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)等所開發(fā)的測量裝置，用以測量各類電學(xué)參數(shù)或產(chǎn)生用于電學(xué)參數(shù)測量的各類電信號或電源。1.5.1 電子測量儀器的分類通?？蓪㈦娮訙y量儀器分為通用測量儀器和專用測量儀器兩大類。通用測量儀器：為了測量某一種或某一類基本電學(xué)參數(shù)而設(shè)計的測量儀器，能用于各種測量場合；專用測量儀器：為了測量某一種或某一類特定電學(xué)參數(shù)而單獨設(shè)計開發(fā)的非

21、標(biāo)測量儀器，通常只能用于特定的測試場合。本節(jié)主要對通用測量儀器進(jìn)行分類介紹，具體如下。1、 信號發(fā)生器信號發(fā)生器主要用來提供各種測量所需的信號。如正弦信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、任意波形發(fā)生器等。2、 電平測量儀器電平測量儀器主要用來測量各類電信號的電壓、電流等。如電流表、電壓表、萬用表等。3、 信號分析儀器信號分析儀主要用來觀測、分析和記錄各種電量的變化。如各種示波器、波形分析儀和頻譜分析儀等。4、 頻率、時間和相位測量儀器頻率、時間和相位測量儀器主要用來測量電信號的頻率、時間間隔和相位差。如頻率計、相位計、波長表以與各種時間、頻率標(biāo)準(zhǔn)等。5、 網(wǎng)絡(luò)特性測量儀

22、網(wǎng)絡(luò)特性測量儀主要用來測量電氣網(wǎng)絡(luò)的各種特性，主要包括頻率特性、阻抗特性、功率特性等。如阻抗測試儀、頻率特性測試儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。6、 電子元器件測試儀電子元器件測試儀主要用來測量各種電子元器件的各種電參數(shù)是否符合要求。如晶體管測試儀、集成電路測試儀、電路元件（如電阻、電感、電容）測試儀等。7、 電波特性測試儀電波特性測試儀主要用于對電波傳播、干擾強度等參量進(jìn)行測量的儀器。如測試接收機、場強計、干擾測試儀等。8、 邏輯分析儀邏輯分析儀是專門用于分析數(shù)學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)域測量儀器。9、 輔助儀器輔助儀器主要用于配合上述各種儀器對信號進(jìn)行放大、檢波、隔離、衰減，以便使這些儀器更充分地發(fā)揮作用。如交直流放大器、選頻放大器、檢波器、衰減器、記錄器等。10、基于計算機的儀器基于計算機的儀器是上述各種儀器和微計