電子測量技術(shù)(西電版)第1章-緒論-課件

1、第1章緒論1.1 測量的基本概念1.2 計(jì)量的基本概念1.3 電子測量技術(shù)的內(nèi)容、特點(diǎn)和方法1.4 電子測量的基本技術(shù)1.5 本課程的任務(wù)思考與練習(xí) 1.1 測量的基本概念 1.1.1 測量的定義 測量和我們每個(gè)人都有著密切的聯(lián)系， 人們或多或少對它有一定的了解。 但對于“什么是測量”， 并非每一個(gè)人都能給出一個(gè)明確的科學(xué)定義， 也并非每一個(gè)人都能懂得它的真正含義。 測量科學(xué)的先驅(qū)凱爾文說： “一個(gè)事物， 你如果能夠測量它， 并且能用數(shù)字來表達(dá)它， 你對它就有了深刻的了解； 但如果你不知道如何測量它且不能用數(shù)字表達(dá)它， 那么你的知識可能就是貧瘠的， 是不令人滿意的。 ”所以測量是人們認(rèn)識事物、

2、 認(rèn)識世界的實(shí)驗(yàn)過程。 關(guān)于測量的科學(xué)定義， 可以從狹義和廣義兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。 1. 狹義測量的定義 測量是為了確定被測量的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程。 在此過程中， 人們借助專門的設(shè)備， 把被測量直接或間接地與同類已知單位進(jìn)行比較， 取得用數(shù)值和單位共同表示的測量結(jié)果。 為了準(zhǔn)確理解測量的基本概念， 下面先對測量定義中的量和量值術(shù)語作一說明。 量： 人們把事物(現(xiàn)象或狀態(tài)、 物體或物質(zhì)等)可定性區(qū)別和定量確定的屬性， 稱之為(可測量的)量。 “量”可指廣義量或特定量。 廣義量， 如長度、 電阻等； 特定量， 如某根棒的長度， 某根導(dǎo)線的電阻等。 量值： 一般是由一個(gè)數(shù)值乘以測量單位所表示的特定量

3、的大小， 如3.6 V， 30.2等。 它是一個(gè)要用數(shù)值和單位共同表示的量， 即量值=數(shù)值單位。 被測量： 指作為測量對象(測量客體)的特定量。 測量結(jié)果： 指通過測量所得到的賦予被測量的量值。 上面關(guān)于測量的定義采用了傳統(tǒng)的、 經(jīng)典的表述方法， 較全面地闡明了測量的內(nèi)涵。 它表明： 測量是通過實(shí)驗(yàn)過程去認(rèn)識對象， 說明了測量的實(shí)踐性。 測量是通過比較來確定被測量的數(shù)值， 測量就是比較， 比較可采用直接或間接的方法進(jìn)行， 比較通常需要用專門的設(shè)備(測量儀器)才能實(shí)現(xiàn)。 測量需要有同類已知單位作標(biāo)準(zhǔn)， 某種類型的被測量必須有明確的定義， 且其量值的標(biāo)準(zhǔn)在已建立的前提下， 對該類量的測量才可能實(shí)施

4、。 測量的目的是對被測對象有一個(gè)定量的認(rèn)識， 測量結(jié)果包括數(shù)值(大小及符號)和單位(標(biāo)準(zhǔn)量的單位名稱)。 直接比較測量和間接比較測量的狹義測量原理， 可以用天平稱重和彈簧秤稱重的典型例子來說明。 天平稱重： 將被測物體的質(zhì)量與同類標(biāo)準(zhǔn)(即砝碼)的質(zhì)量， 通過天平的直接比較完成， 測量結(jié)果是從所加砝碼值獲得的。 彈簧秤稱重： 被測重物與標(biāo)準(zhǔn)砝碼的比較測量是間接進(jìn)行的， 測量結(jié)果是從度盤上獲得的。 彈簧秤在出廠前已經(jīng)用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行了標(biāo)定和校準(zhǔn)， 彈簧秤度盤上的刻度是事先與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較的結(jié)果。 2. 廣義測量的定義測量是為了獲取被測對象的信息而進(jìn)行的實(shí)踐過程。 在這個(gè)過程中， 人們借助專門的設(shè)備去

5、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， 并且以便于人們利用的形式表示出來。 所謂某事物的信息， 即該事物(系統(tǒng))的運(yùn)動狀態(tài)及其變化方式。 世間萬事萬物無不在運(yùn)動， 事物運(yùn)動的狀態(tài)也總會隨著時(shí)間和空間的推移依照某種方式發(fā)生變化。 這就是說， 世界隨時(shí)隨地產(chǎn)生著巨量的信息。 人們要認(rèn)識世界， 首先必須獲取事物的信息。 廣義測量原理可以從信息獲取過程來說明， 即從信息的感知和識別兩個(gè)環(huán)節(jié)來說明。 信息獲取的首要環(huán)節(jié)是信息的感知。 信息感知的原理是通過感知系統(tǒng)與產(chǎn)生信息的源事物之間的相互作用， 把源事物信息轉(zhuǎn)化為某種物理量形式表現(xiàn)的信號。 所以， 感知的實(shí)質(zhì)是信息載體的轉(zhuǎn)換， 是

6、獲取信息的必要前提。 但是， 僅僅感知出信息還不夠， 還必須有能力識別所感受到的信息是有用的還是無用的(甚至是有害的)。有用信息識別的基本原理是與標(biāo)準(zhǔn)樣板進(jìn)行比較， 判斷出信息的屬性和數(shù)量。 為了對感知的信息進(jìn)行定性區(qū)分和定量確定， 建立信息類別相似性的表示和信息量值的度量是信息識別的主要任務(wù)。廣義地講， 測量不僅對被測的物理量進(jìn)行定量的測量， 而且還包括對更廣泛的被測對象進(jìn)行定性、 定級的測量， 例如故障診斷、 無損探傷、 遙感遙測、 礦藏勘探、 地震源測定、 衛(wèi)星定位等。 而測量結(jié)果也不僅僅是由量值和單位來表征的一維信息， 還可以用二維或多維的圖形、 圖像來顯示被測對象的屬性特征、 空間分

7、布、 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。 1.1.2 測量的意義測量技術(shù)不管是在工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、 航空航天， 還是在生物醫(yī)學(xué)、 科學(xué)研究及人類生活的各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。 在人們的日常生活中， 買東西要稱重量， 做衣服要量尺寸， 安排工作需要計(jì)劃時(shí)間， 生病了要測體溫等， 以及家庭中常用的水表、 電表、 氣表、 空調(diào)、 洗衣機(jī)、 電冰箱、 電飯鍋等也需要測量電壓、 電流、 電能、 溫度、 濕度、 流量、 水位等物理量。 可見， 人們隨時(shí)隨地都離不開測量。 測量科學(xué)的先驅(qū)凱爾文說： “測量是知識的起點(diǎn)， 也是你進(jìn)入科學(xué)殿堂的開端”。 物理學(xué)、 化學(xué)、 生物學(xué)、 醫(yī)學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)之上的科學(xué)。 為了揭示科學(xué)的奧秘， 人

8、們用實(shí)驗(yàn)的方法去認(rèn)識客觀世界。 用測量的手段獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 再對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和演繹就可得到科學(xué)的理論， 使感性認(rèn)識上升到理論階段。 科學(xué)家為了解釋一個(gè)現(xiàn)象或驗(yàn)證一個(gè)理論， 往往通過大量的實(shí)驗(yàn)和精確的測量以及對數(shù)和量關(guān)系的分析推斷， 才能得出科學(xué)的結(jié)論?，F(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)也處處離不開測量。 現(xiàn)代制造業(yè)是建立在標(biāo)準(zhǔn)化與互換性的基礎(chǔ)上的， 互換性的先決條件是零部件必須具有一定的精度， 而精度取決于制造水平， 并由測量水平來確定。 測量是精細(xì)加工和生產(chǎn)過程自動化的基礎(chǔ)， 沒有測量也就沒有現(xiàn)代化的制造業(yè)。 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中， 為了檢查、 監(jiān)督、 控制生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量， 必須對生產(chǎn)過程中的各道工

9、序和產(chǎn)品的各種參數(shù)進(jìn)行測量， 以便進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。 生產(chǎn)水平越是高度發(fā)達(dá)， 測量的規(guī)模就越大， 需要的測量技術(shù)與測量儀器也越先進(jìn)。 在航空航天領(lǐng)域， 作為現(xiàn)代尖端科學(xué)技術(shù)之一的火箭發(fā)動機(jī)， 從開始設(shè)計(jì)到樣機(jī)試飛， 中間要進(jìn)行成百上千次試驗(yàn)。 火箭發(fā)動機(jī)的地面試車臺就是一套完整的綜合測量系統(tǒng)， 為了研究發(fā)動機(jī)的強(qiáng)度， 需要有數(shù)百個(gè)應(yīng)變片和測振傳感器； 為了研究燃料工作的情況， 需要測量發(fā)動機(jī)工作時(shí)有關(guān)部位的壓力、 流量、 溫度及轉(zhuǎn)速等。新型火箭的設(shè)計(jì)， 需要測試火箭高速飛行時(shí)受氣流沖擊作用下的性能。 通過風(fēng)洞試驗(yàn)測定箭身、 箭翼的受力和振動分布情況， 以驗(yàn)證和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案， 僅此一項(xiàng)就要用到上

10、千塊應(yīng)變片和相應(yīng)的測量電路及儀器。 而航天飛行中需要監(jiān)測的參數(shù)有飛行參數(shù)、 導(dǎo)航參數(shù)、 運(yùn)載火箭及發(fā)動機(jī)參數(shù)、 座艙環(huán)境參數(shù)、 航天員生理參數(shù)、 飛行器結(jié)構(gòu)參數(shù)等七大類五千多個(gè)參數(shù)。 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域， 通過對人體基因的測定和人體血液的定量分析等， 可以判斷出病變的根源； 對蛋白質(zhì)的反應(yīng)測量， 可以了解胚胎生長情況； 對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的測量， 可以判斷肌體是否發(fā)生病變。 隨著心電圖機(jī)、 CT多層螺旋掃描儀、 磁共振成像設(shè)備、 動態(tài)心電血壓測試系統(tǒng)、 多普勒腦血管測量儀、 超聲診斷設(shè)備等現(xiàn)代醫(yī)用診斷治療儀的出現(xiàn)， 可以快速、 準(zhǔn)確地測量出人體各部位的生理狀態(tài)、 溫度分布等信息， 使人類診斷疾病的效率、

11、準(zhǔn)確性和可靠性大大提高， 增強(qiáng)了人類戰(zhàn)勝疾病的能力。 俄國著名科學(xué)家門捷列夫說： “沒有測量就沒有科學(xué)?！?一方面， 測量推動了科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展， 離開測量就不會有真正的科學(xué)。 有人說， 沒有望遠(yuǎn)鏡就沒有天文學(xué)， 沒有顯微鏡就沒有細(xì)胞學(xué)， 沒有指南針就沒有航海事業(yè)。 新的先進(jìn)的測量手段， 提高了人們對客觀事物認(rèn)知的程度， 催生了新的科學(xué)理論。 測量水平越高， 提供的信息就會越豐富、 越準(zhǔn)確， 科學(xué)技術(shù)取得的突破性就越大。另一方面， 新的科學(xué)理論又往往成為新的測量方法和手段， 推進(jìn)測量技術(shù)的發(fā)展并誕生新型的測量儀器。 例如， 光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了遙感遙測技術(shù)的發(fā)展， 壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為一些非電參量

12、的測試提供了新的途徑。 所以說， 科學(xué)的進(jìn)步同測量技術(shù)的發(fā)展是相輔相成、 密切相關(guān)的。 正如科學(xué)家特爾曼(F.E.Telmen)所說： “科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展是與測量技術(shù)并行進(jìn)步、 相互匹配的。 ” 1.1.3 測量技術(shù)測量中所采用的原理、 方法和技術(shù)措施總稱為測量技術(shù)。 測量原理是指測量的科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)原理。 測量方法是指在實(shí)施測量中， 所采用的按類別概括說明的一組合乎邏輯的操作順序。 被測對象不同， 所采用的技術(shù)措施不同。 如被測量中有電量和非電量的區(qū)別， 電量中又有參數(shù)類型、 幅值大小、 頻率范圍、 有源和無源、 模擬與數(shù)字等不同， 這些差別在測量中需要采用不同的技術(shù)措施。 即使同一測量對象

13、， 一般也有多種測量技術(shù)可供選擇。 不同的技術(shù)措施， 其測量效果不同。 在了解測量的基本含義之后， 下面就現(xiàn)實(shí)中常用的與測量同義的有關(guān)派生術(shù)語進(jìn)行說明。 首先說明一下定性、 定量和定級三類測量的含義。 1. 定量、 定性和定級的測量前面指出， 狹義的測量是量值的測量， 它應(yīng)按一定準(zhǔn)確度的要求來確定被測量的實(shí)際值。 它是一種定量的測量， 追求的是精確， 通常要對測量結(jié)果進(jìn)行誤差分析， 并給出不確定度的數(shù)值。 廣義的測量除量值測量外， 還應(yīng)包括屬性的測量， 它是被測對象屬性的判斷， 如測量數(shù)字電路某點(diǎn)邏輯電平的高低， 有無故障， 功能是否正常。 這類測量對量值的準(zhǔn)確度要求不高， 是一種粗略的測量，

14、 一般不要求進(jìn)行誤差分析， 即不要求給出誤差的數(shù)值。 因此， 這類測量是一種定性測量。 此外， 在實(shí)際中還有大量的等級測量， 它是以技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、 規(guī)范或檢定規(guī)程為依據(jù)， 分辨出被測量的量值所歸屬的范圍帶， 以此來判別被測量是否合格(符合某種級別)的一種定級的測量。 例如， 批量生產(chǎn)中對電阻器、 電容器數(shù)值精度等級的測量， 環(huán)境保護(hù)中對空氣、 水質(zhì)等的質(zhì)量等級的測量等。 2. 測試測試是測量和試驗(yàn)的總稱， 它包含了測量和試驗(yàn)的全部內(nèi)容， 既包括定量的測量， 也包括定性的試驗(yàn)。 試驗(yàn)是為了察看某事的結(jié)果或某物的性能所從事的某種實(shí)踐活動， 它著眼于定性測量。 在現(xiàn)實(shí)中， 某些被測對象只能作定性區(qū)別而無

15、法作精確的定量確定。 例如人的綜合素質(zhì)評定， 其測評過程只能是帶有一定模糊度的定性區(qū)別而不是帶有精確度指標(biāo)的定量確定。 包含定量測量和定性試驗(yàn)的“測試”一詞帶有廣義測量的含義。 一般來說， “測試”和“測量”可以看做同義詞， 不必嚴(yán)格區(qū)別。 3. 檢測檢測包括檢驗(yàn)和測量兩方面的含義。 檢驗(yàn)屬于分級測量， 即檢查被測參量的量值是否處在某一范圍帶內(nèi)， 以此來判斷被測參量是否合格或者現(xiàn)象是否存在。 例如， 機(jī)械加工中檢驗(yàn)?zāi)沉悴考?shù)大小是否在公差帶之內(nèi)， 并不要求準(zhǔn)確知道其參數(shù)的具體數(shù)值。 檢驗(yàn)也含有定性檢查的含義， 例如檢驗(yàn)電路板上元器件有無虛焊和漏焊， 只要求發(fā)現(xiàn)有無虛焊和漏焊點(diǎn)存在等。 在自動

16、化領(lǐng)域， 不僅要對產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)和測量， 而且也要對某個(gè)生產(chǎn)過程或運(yùn)動對象進(jìn)行檢查、 監(jiān)測和控制， 并且需要時(shí)刻對各種參量的大小和變化情況進(jìn)行有效的檢測， 使之控制在最佳工作狀態(tài)。 檢測又是控制的基礎(chǔ)， 控制離不開檢測， 例如， 工業(yè)生產(chǎn)中溫度、 壓力、 流量、 物位等的檢測與控制， 以及航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域中各種技術(shù)參數(shù)的檢測和控制。 可見， 檢測和控制是密不可分的。 通常， 檢測的對象是以各種各樣的非電量為主的， 對這種對象進(jìn)行檢測時(shí)， 往往要用傳感器， 所以檢測常與使用傳感器的非電量測量、 自動控制等技術(shù)聯(lián)系在一起。 由此可見， 檢測是含有檢查、 檢驗(yàn)、 監(jiān)督等廣泛意義的電量與非電量的測量。

17、 此外， 根據(jù)測量目的和對象、 測量方法和手段， 以及測量過程和效用等的不同， 還出現(xiàn)了其它各種派生術(shù)語， 例如感測(傳感與測量， 常用于非電檢測)、 電測(電量的測量)、 監(jiān)測(監(jiān)督與測量的總稱， 如環(huán)境監(jiān)測)、 觀測(觀察和預(yù)測， 如天文、 氣象的觀測)、 探測(探索和測量， 如太空、 宇宙探測)、 勘測(勘查和測量， 如地形、 地質(zhì)勘測)、 遙測(遠(yuǎn)距離的測量， 如衛(wèi)星、 火箭遙測、 遙控)、 預(yù)測(預(yù)報(bào)與測量， 如氣候、 地震、 水情的預(yù)測)， 此外還有測控(測量與控制)、 測繪(測量與繪圖)、 測驗(yàn)(測量與驗(yàn)證)、 測定(測量與認(rèn)定)等術(shù)語。 在關(guān)于測量的各種術(shù)語中， 測試和檢測是與

18、測量的廣義含義相類同的、 使用最廣泛的兩個(gè)術(shù)語。 1.2 計(jì)量的基本概念 1.2.1 計(jì)量 1. 計(jì)量的定義隨著生產(chǎn)的發(fā)展， 商品交換和國際國內(nèi)交往越來越頻繁， 客觀上要求對同一個(gè)量在不同的地方用不同的測量手段測量時(shí)， 所得的結(jié)果應(yīng)該是一致的。 為了保證這種一致性， 在不同的地方不同儀器所用的單位已知量必須嚴(yán)格一致。 這就需要有統(tǒng)一的單位， 以及體現(xiàn)這些單位的基準(zhǔn)、 標(biāo)準(zhǔn)和用這些基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)的測量器具， 并用法律形式固定下來， 從而形成了與測量有聯(lián)系而又區(qū)別于測量的新概念， 這就是計(jì)量。 計(jì)量是利用技術(shù)和法制手段實(shí)施的一種特殊形式的測量， 即把被測量與國家計(jì)量部門作為基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)的同類單位量進(jìn)

19、行比較， 以確定合格與否， 并給出具有法律效力的鑒定證書。 可以說計(jì)量是為了保證量值統(tǒng)一和準(zhǔn)確的一種測量。 它的三個(gè)主要特征是統(tǒng)一性、 準(zhǔn)確性和法制性。 它包含了為達(dá)到量值統(tǒng)一和準(zhǔn)確所進(jìn)行的一切活動， 如單位的統(tǒng)一、 基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的建立、 量值的傳遞、 計(jì)量監(jiān)督管理、 測量方法及其手段的研究等。 因此， 也可以說計(jì)量是研究測量、 實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠的科學(xué)。 計(jì)量工作是國民經(jīng)濟(jì)中一項(xiàng)極為重要的技術(shù)基礎(chǔ)工作， 它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、 科學(xué)技術(shù)、 國防建設(shè)以及人民生活等各個(gè)方面起著技術(shù)保障和技術(shù)監(jiān)督的作用。 2. 計(jì)量和測量的關(guān)系測量是通過測量儀器, 采用一定的測量方法將被測未知量和同類已知的標(biāo)準(zhǔn)單

20、位量進(jìn)行比較的過程, 這時(shí)認(rèn)為被測量的真實(shí)數(shù)值是存在的, 測量誤差是由測量儀器和測量方法等引起的。 計(jì)量是通過計(jì)量器具用法定標(biāo)準(zhǔn)的已知量與同類的未知量(如受檢儀器)進(jìn)行比較的過程，這時(shí)認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)量和體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)量的計(jì)量器具是準(zhǔn)確的、 法定的， 而測量誤差是由受檢儀器引起的。 在測量過程中， 已知量是通過所使用的測量儀器直接或間接地表現(xiàn)出來的， 為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性， 必須定期對測量儀器進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)， 這個(gè)過程就是計(jì)量。 計(jì)量是保證量值統(tǒng)一和準(zhǔn)確可靠的一種測量， 是測量的特殊形式。 所以， 計(jì)量和測量是既有密切聯(lián)系又有一定區(qū)別的兩個(gè)概念。 計(jì)量是測量發(fā)展的客觀需要， 是測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的保證。

21、計(jì)量也是測量的基礎(chǔ)和依據(jù)， 沒有計(jì)量， 也談不上測量。 測量又是計(jì)量通向?qū)嶋H應(yīng)用的重要途徑， 可以說沒有測量， 計(jì)量也將失去意義。 計(jì)量和測量相互配合， 才能在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要作用。 1.2.2 單位和單位制任何測量都要有一個(gè)統(tǒng)一體現(xiàn)計(jì)量單位的量作為標(biāo)準(zhǔn)， 這樣的量稱做計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。 計(jì)量單位具有明確的定義和名稱， 根據(jù)定義， 令系數(shù)為1的量為單位。 例如長度單位1米(m)， 時(shí)間單位1秒(s)等。 單位既是表征測量結(jié)果的重要組成部分， 又是對兩個(gè)同類量值進(jìn)行比較的基礎(chǔ)。 計(jì)量單位是依據(jù)嚴(yán)格的科學(xué)理論進(jìn)行定義的， 并且具有統(tǒng)一性、 權(quán)威性和法制性。 在1948年第9屆國際計(jì)量大會上通過一項(xiàng)決議，

22、 建議國際上采用一種以實(shí)用單位為基礎(chǔ)的統(tǒng)一單位制。 1960年第11屆國際計(jì)量大會上正式通過了這種單位制， 命名為國際單位制， 并規(guī)定以SI作為國際單位制的簡稱。 我國也確立了以國際單位制為基礎(chǔ)的法定計(jì)量單位， 國家以法律形式強(qiáng)制使用。 1984年2月國務(wù)院頒布了中華人民共和國法定計(jì)量單位， 決定我國法定計(jì)量單位以國際單位制為基礎(chǔ)， 并包括10個(gè)我國選定的非國際單位制單位， 有時(shí)間(分、 時(shí)、 天)、 平面角(秒、 分、 度)、 長度(海里)、 質(zhì)量(噸、 原子質(zhì)量單位)、 體積(升)、 面積(公頃)、 轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)每分)、 速度(節(jié))、 能(電子伏)、 級差(分貝)和線密度(特克斯)。 在國際單

23、位制中， 單位包括了基本單位、 導(dǎo)出單位和輔助單位三類。 基本單位是那些可以彼此獨(dú)立地加以規(guī)定的物理量單位， 共有7個(gè)， 分別是長度單位米(m)， 時(shí)間單位秒(s)， 質(zhì)量單位千克(kg)， 電流單位安培(A)， 熱力學(xué)溫度單位開爾文(K)， 發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉(cd)和物質(zhì)量單位摩爾(mol)。 由基本單位按定義、 定律或一定的函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出來的單位稱為導(dǎo)出單位， 如力的單位牛頓(N)定義為： 使質(zhì)量為1千克的物體產(chǎn)生加速度為1米每2次方秒的力， 即N=kgm/s2。在電學(xué)量中， 除電流外， 其它物理量的單位都是導(dǎo)出單位， 國際上把既可以作為基本單位又可以作為導(dǎo)出單位的單位叫做輔助單位， 國

24、際單位制中包括兩個(gè)輔助單位， 分別是平面角的單位弧度(rad)和立體角的單位球面角(sr)。 由基本單位、 導(dǎo)出單位和輔助單位構(gòu)成的完整體系， 稱為單位制。 單位制隨基本單位選擇的不同而不同， 例如： 若確定厘米、 克、 秒為基本單位后， 速度的單位為厘米每秒 (cm/s) ， 密度的單位為克每立方厘米(g/cm3)等構(gòu)成一個(gè)體系， 稱為厘米克秒制。 國際單位制就是由7個(gè)基本單位、 2個(gè)輔助單位及19個(gè)具有專門名稱的導(dǎo)出單位構(gòu)成的一種單位制。 1.2.3 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)也稱做計(jì)量基準(zhǔn)， 其建立是要根據(jù)嚴(yán)格的科學(xué)理論來定義的。 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)(基準(zhǔn))是指用當(dāng)代最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)、 最高的加工工藝水平，

25、 并以最高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性建立起來的， 專門用以規(guī)定、 保持和復(fù)現(xiàn)物理量計(jì)量單位的特殊量具或儀器裝置等， 它是用作參考的實(shí)物量具、 測量儀器、 參考物質(zhì)或測量系統(tǒng)。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的地位、 性質(zhì)和用途， 標(biāo)準(zhǔn)通常分為主標(biāo)準(zhǔn)、 副標(biāo)準(zhǔn)和工作標(biāo)準(zhǔn)， 也分別稱做一級、 二級和三級標(biāo)準(zhǔn)。 1. 主標(biāo)準(zhǔn)(一級標(biāo)準(zhǔn))主標(biāo)準(zhǔn)是用來復(fù)現(xiàn)和保存計(jì)量單位， 具有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所能達(dá)到的最高準(zhǔn)確度的計(jì)量器具， 經(jīng)國家鑒定批準(zhǔn)， 作為統(tǒng)一全國計(jì)量單位量值的最高依據(jù)。 因此， 主標(biāo)準(zhǔn)也叫國家標(biāo)準(zhǔn)。 在確立一個(gè)國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)， 必須經(jīng)過嚴(yán)格的法定手續(xù)， 所以它具有最高的計(jì)量權(quán)威性， 其量值的確定不必參照相同量的其它標(biāo)準(zhǔn)， 是被指

26、定的或普遍承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。 一個(gè)國家， 體現(xiàn)某一測量單位量值的國家標(biāo)準(zhǔn)只有一個(gè)， 因此， 主標(biāo)準(zhǔn)也稱做原始標(biāo)準(zhǔn)。 2. 副標(biāo)準(zhǔn)(二級標(biāo)準(zhǔn))通過與相同量的主標(biāo)準(zhǔn)比對， 確定其量值并經(jīng)國家批準(zhǔn)的計(jì)量器具或標(biāo)準(zhǔn)稱為副標(biāo)準(zhǔn)(二級標(biāo)準(zhǔn))， 其地位僅次于國家標(biāo)準(zhǔn)。 副標(biāo)準(zhǔn)的量值準(zhǔn)確度由主標(biāo)準(zhǔn)確定， 平時(shí)用以代替主標(biāo)準(zhǔn)向下(如省一級計(jì)量部門)傳遞基本測量單位的量值標(biāo)準(zhǔn)， 或代替主標(biāo)準(zhǔn)參加國際比對， 以確定各國主標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。 這樣可保證主標(biāo)準(zhǔn)不致因經(jīng)常使用和搬動而降低其準(zhǔn)確度。 3. 工作標(biāo)準(zhǔn)(三級標(biāo)準(zhǔn))通過與主標(biāo)準(zhǔn)或副標(biāo)準(zhǔn)比對或校準(zhǔn)來確定其量值并經(jīng)國家鑒定批準(zhǔn)用以檢定下屬計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量器具或標(biāo)準(zhǔn)稱為工作標(biāo)準(zhǔn)(

27、三級標(biāo)準(zhǔn))。 它在全國作為復(fù)現(xiàn)計(jì)量單位的地位僅在主標(biāo)準(zhǔn)和副標(biāo)準(zhǔn)之下， 用于日常校準(zhǔn)(檢定)或核查實(shí)物量具、 測量儀器或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。 工作標(biāo)準(zhǔn)用來直接向下屬標(biāo)準(zhǔn)量具進(jìn)行量值傳遞， 用以檢定下屬計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量具的準(zhǔn)確度。 設(shè)立工作標(biāo)準(zhǔn)目的是為了不使主標(biāo)準(zhǔn)和副標(biāo)準(zhǔn)由于頻繁使用而喪失其準(zhǔn)確度， 因?yàn)橹鳌?副標(biāo)準(zhǔn)器具的工藝、 結(jié)構(gòu)一般都十分精細(xì)， 價(jià)格昂貴， 操作復(fù)雜， 對環(huán)境條件及其穩(wěn)定性也有嚴(yán)格要求， 不宜經(jīng)常使用或搬動。 在實(shí)際測量中， 根據(jù)工作標(biāo)準(zhǔn)還復(fù)現(xiàn)出各種不同等級的便于經(jīng)常使用的工作計(jì)量器具或儀器， 通過這些工作計(jì)量器具經(jīng)常性地對日常工作儀器進(jìn)行檢定、 標(biāo)定。 需要說明的是： 首先， 標(biāo)準(zhǔn)(基準(zhǔn))

28、本身并不一定剛好等于一個(gè)計(jì)量單位， 例如銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的時(shí)間值不是1 s而是(9 192 631 770) -1 s， 氪長度基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)的長度單位不是1 m而是(1 650 763.73) -1 m，標(biāo)準(zhǔn)電池復(fù)現(xiàn)的電壓值是1.0186 V而不是1 V等。 其次， 一個(gè)時(shí)期的測量標(biāo)準(zhǔn)只能反映當(dāng)時(shí)的人類認(rèn)識水平和科學(xué)水平， 隨著時(shí)代的前進(jìn)， 科學(xué)的進(jìn)步， 人們認(rèn)識的深入以及測量水平的提高， 各種測量標(biāo)準(zhǔn)會不斷發(fā)生變化， 不斷向前發(fā)展。 用游標(biāo)卡尺測量長度時(shí)， 精確度可提高到0.1 mm。 在游標(biāo)卡尺上配上光柵， 用記錄光脈沖數(shù)的辦法可精確到0.01 mm。 用納米激光尺， 精確度可達(dá)到納米(1

29、0-9 m)。 如果用精密光學(xué)儀器測量長度， 其精確度可達(dá)到埃(， 1=10-10m)。 又如， 在時(shí)間的測量上, 從早期人們把地球自身的旋轉(zhuǎn)周期作為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)， 使時(shí)間測量的精確度可達(dá)到1秒， 到20世紀(jì)90年代， 科學(xué)界做出了銫原子鐘， 使得推算的計(jì)時(shí)精確度在三百萬年內(nèi)也不超過1秒。 這些說明了任何測量標(biāo)準(zhǔn)都是相對的， 只能反映當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平， 永遠(yuǎn)也不會有絕對的測量標(biāo)準(zhǔn)存在。 如何根據(jù)一個(gè)時(shí)期的科學(xué)技術(shù)水平去定義和確立測量標(biāo)準(zhǔn)， 是計(jì)量科學(xué)的研究課題。 1.2.4 測量標(biāo)準(zhǔn)的傳遞首先介紹幾個(gè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)傳遞的基本概念。 標(biāo)準(zhǔn)器具： 能夠復(fù)現(xiàn)量值或?qū)⒈粶y量轉(zhuǎn)換成可直接觀測的指示值或等效信息的

30、儀器、 量具、 裝置等。 工作器具： 在工作崗位上使用的， 直接用來測量被測對象量值的， 而不是用于進(jìn)行量值傳遞的儀器、 用具或裝置等。 檢定： 使用高一等級準(zhǔn)確度的計(jì)量器具對低一等級的計(jì)量器具或工作器具進(jìn)行比較， 已達(dá)到全面評定被檢器具性能是否合格的測量過程， 一般要求計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度為被檢者的1/31/10。 比對： 在規(guī)定條件下， 對相同準(zhǔn)確度等級同類標(biāo)準(zhǔn)或工作器具之間的量值進(jìn)行比較， 其目的是考核量值的一致性。 校準(zhǔn)： 是指被校器具與高一等級的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)相比較， 以確定被校器具的示值誤差或其它性能指標(biāo)， 供測量中參考使用。 一般來說， 檢定要比校準(zhǔn)包括更廣泛的內(nèi)容。 測量標(biāo)準(zhǔn)的傳遞是由國

31、家主標(biāo)準(zhǔn)、 副標(biāo)準(zhǔn)逐級向下傳遞， 一直傳遞到日常工作的各種量具和儀器。測量標(biāo)準(zhǔn)傳遞的準(zhǔn)則是： 高一級測量標(biāo)準(zhǔn)檢定低一級測量標(biāo)準(zhǔn)的精確度； 同級測量標(biāo)準(zhǔn)的精確度只能通過比對來鑒別。 量值傳遞過程是： 各地區(qū)或各部門所使用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具和上級標(biāo)準(zhǔn)相比較， 若比較結(jié)果的誤差在允許的范圍內(nèi)， 則這些標(biāo)準(zhǔn)器具就可作為地區(qū)或部門的計(jì)量器具的標(biāo)準(zhǔn)。 再下一級的標(biāo)準(zhǔn)量具就以這些標(biāo)準(zhǔn)量具為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較， 若誤差在允許范圍內(nèi)， 就可作為更下一級的標(biāo)準(zhǔn)器具。這樣逐級比較， 逐級傳遞， 直至工作量具。 這樣一級一級地對測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳遞， 從而將測量標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一在國家標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)理之下。 檢定是測量標(biāo)準(zhǔn)傳遞的具體形式。 各級計(jì)

32、量局、 計(jì)量檢定所(或站)按照法定的程序(包括檢定方法、 所用設(shè)備、 操作步驟等)定期對各級各類測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢定， 行使國家對測量標(biāo)準(zhǔn)的行政管理權(quán)， 對達(dá)到檢定標(biāo)準(zhǔn)者發(fā)給合格證書。 持有合格證書的測量標(biāo)準(zhǔn)才具有法律效力。 新生產(chǎn)的測量器具在制造完畢后， 必須按照規(guī)定等級的標(biāo)準(zhǔn)(工作標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定， 再由有關(guān)計(jì)量部門進(jìn)行檢定， 對達(dá)到檢定標(biāo)準(zhǔn)者發(fā)給合格證書。 各種類別等級的標(biāo)準(zhǔn)以及各種工作測量儀器， 在使用一段時(shí)間后， 由于元器件、 部件的老化或性能的不穩(wěn)定， 都將引起準(zhǔn)確度的下降， 也必須定期地進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)， 發(fā)給新的檢定合格證書。 已超過合格證書有效期者， 所標(biāo)定的準(zhǔn)確度是不可信的。

33、 檢定、 比對和校準(zhǔn)是各級計(jì)量部門的重要業(yè)務(wù)活動。 正是通過這些業(yè)務(wù)活動和國家的有關(guān)法令、 法規(guī)的執(zhí)行， 將全國各地區(qū)、 各部門、 各行業(yè)、 各單位都納入法律規(guī)定的完整計(jì)量體系中， 從而保證現(xiàn)代社會的生產(chǎn)、 科研、 貿(mào)易、 日常生活等各個(gè)環(huán)節(jié)工作的順利進(jìn)行。 我國已建立起了一套完整的計(jì)量體系。 國家計(jì)量科學(xué)研究基地用于研究和保存的國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)就有10大類147項(xiàng)， 擁有800多種一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)庫， 它們與國際上保持一致， 是國內(nèi)量值溯源的基礎(chǔ)。 各級政府也基本上建立了可溯源至國際標(biāo)準(zhǔn)的各個(gè)等級的社會公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)， 各行各業(yè)也都有自己的計(jì)量器具和量值傳遞系統(tǒng)， 形成了以地區(qū)覆蓋為主的多層次計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

34、網(wǎng)和計(jì)量檢定網(wǎng)， 構(gòu)成了一個(gè)基本上可滿足社會和國民經(jīng)濟(jì)需求的較完整的溯源體系。 1.3 電子測量技術(shù)的內(nèi)容、 特點(diǎn)和方法 1.3.1 電子測量電子測量是泛指以電子技術(shù)為基本手段的一種測量技術(shù)。 它是測量學(xué)和電子學(xué)互相結(jié)合的產(chǎn)物； 也是在科學(xué)研究、 生產(chǎn)和控制中， 人們?yōu)榱藢Ρ粶y對象所包含的信息進(jìn)行定性分析、 定量掌握所采取的一系列電子技術(shù)措施； 是分析事物， 做出有關(guān)判斷和決策的依據(jù)。電子測量除具體運(yùn)用電子科學(xué)的原理、 方法和設(shè)備對各種電量、 電信號及電路元器件的特性和參數(shù)進(jìn)行測量外， 還可通過各種敏感器件和傳感裝置對非電量進(jìn)行測量， 而且往往更加方便、 快捷、 準(zhǔn)確， 有時(shí)是其它測量方法所不

35、能替代的。 因此， 電子測量不僅用于電學(xué)各專業(yè)， 也廣泛用于物理學(xué)、 化學(xué)、 光學(xué)、 機(jī)械學(xué)、 材料學(xué)、 生物學(xué)、 醫(yī)學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域及生產(chǎn)、 國防、 交通、 通信、 商業(yè)貿(mào)易、 生態(tài)環(huán)境保護(hù)， 乃至人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面。 如果說天文學(xué)、 力學(xué)、 光學(xué)是古典科學(xué)的代表， 那么電子信息科學(xué)則是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的象征。 目前， 世界上正進(jìn)行一場以電子信息技術(shù)為基礎(chǔ)的新技術(shù)革命， 它給人類社會和國民經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的、 廣泛的、 深刻的影響。 現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的三大支柱是： 信息獲取技術(shù)(測試技術(shù))、 信息的傳輸技術(shù)(通信技術(shù))、 信息的處理技術(shù)(計(jì)算機(jī)技術(shù))。 在這三大技術(shù)中， 信息獲取(測試)是首要的，

36、 是信息的源頭。 沒有信息的獲取， 傳輸就是無源之水， 處理更是無本之木。 傳感器技術(shù)、 電子測量技術(shù)是獲取信息的重要途徑和保證。電子測量技術(shù)也是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)和保證， 在石油、 化工、 電力電子的自動化生產(chǎn)中， 常常需要對生產(chǎn)過程中的溫度、 壓力、 流量、 物位等參數(shù)進(jìn)行測量， 將測量數(shù)據(jù)處理后， 再進(jìn)行相應(yīng)的控制， 以保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過程的平穩(wěn)進(jìn)行。 在此過程中， 電子測量的技術(shù)水平和成本直接關(guān)系到自動化系統(tǒng)的技術(shù)水平和成本。 近幾十年來， 電子技術(shù)， 特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展， 為電子測量和測量儀器增添了巨大活力。 電子計(jì)算機(jī)， 尤其是微型計(jì)算機(jī)與電子測量儀器相結(jié)合，

37、使功能單一的傳統(tǒng)儀器變成了技術(shù)先進(jìn)的、 功能更加豐富的一代嶄新的智能儀器和由計(jì)算機(jī)控制的模塊式自動測試系統(tǒng)。 微電子技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展， 不斷為電子儀器提供各種新型器件， 如ASIC(專用集成電路)、 信號處理器芯片、 新型顯示器件及新型傳感器等， 不僅使電子儀器變得功能強(qiáng)、 體積小、 功耗低， 而且使過去難以測試的參數(shù)變得容易測試。利用智能儀器或自動測試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對若干電參數(shù)進(jìn)行自動測量、 自動量程選擇、 數(shù)據(jù)記錄和處理、 數(shù)據(jù)傳輸、 誤差修正、 自檢自校、 故障診斷及在線測試等功能， 不僅改變了若干傳統(tǒng)測量概念， 更對整個(gè)電子技術(shù)和其他科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了巨大的推動作用。 在現(xiàn)代， 電子測量

38、技術(shù)(包括測量理論、 方法， 測量儀器裝置等)已形成了電子科學(xué)領(lǐng)域重要而發(fā)展迅速的一個(gè)分支， 廣泛應(yīng)用于人類活動的各個(gè)領(lǐng)域、 各領(lǐng)域的各種工作系統(tǒng)及各系統(tǒng)的各種工作環(huán)節(jié)之中， 促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們生活水平的提高。 1.3.2 電子測量的內(nèi)容和特點(diǎn) 1. 電子測量的內(nèi)容從廣義上說， 電子測量是指以電子技術(shù)理論為依據(jù)， 以電子測量儀器和設(shè)備為手段， 對電量和非電量進(jìn)行的測量。 其中電量測量內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。 (1) 電能量測量： 包括各種頻率、 波形下的電壓、 電流、 功率等的測量。 (2) 電信號特性測量： 包括波形、 頻率、 周期、 相位、 失真度、 調(diào)幅度、 調(diào)頻指數(shù)及數(shù)字信號的邏

39、輯狀態(tài)等的測量。 (3) 電路元件參數(shù)測量： 包括電阻、 電感、 電容、 阻抗、 品質(zhì)因數(shù)及電子器件參數(shù)等的測量。 (4) 電子設(shè)備的性能測量： 包括增益、 衰減、 靈敏度、 頻率特性、 噪聲指數(shù)等的測量。 上述各項(xiàng)測量內(nèi)容中， 尤以頻率、 時(shí)間、 電壓、 相位、 阻抗等基本電參數(shù)的測量更為重要， 它們往往是其他參數(shù)測量的基礎(chǔ)。 如放大器的增益測量實(shí)際上就是其輸入、 輸出端電壓的測量， 脈沖信號波形參數(shù)的測量可歸結(jié)為電壓和時(shí)間的測量， 許多情況下電流測量是不方便的， 就以電壓測量來代替， 間接地得到電流的大小。同時(shí)， 由于時(shí)間和頻率測量具有其他測量所不可比擬的準(zhǔn)確性， 因此人們越來越關(guān)注把其它

40、待測量的測量轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率測量的方法和技術(shù)。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、 航空航天和科學(xué)研究等領(lǐng)域， 常常需要對許多非電量進(jìn)行測量。 傳感技術(shù)的發(fā)展為這類測量提供了新的方法和途徑。 現(xiàn)在， 可以利用各種敏感元件和傳感裝置將非電量， 如位移、 速度、 溫度、 壓力、 流量、 物位、 物質(zhì)成分等變換成電信號， 再利用電子測量設(shè)備進(jìn)行測量。 在一些危險(xiǎn)的、 人們無法進(jìn)行直接測量的場合， 這種方法幾乎成為唯一的選擇。 自動化生產(chǎn)中， 將生產(chǎn)過程中各有關(guān)非電量轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行檢測， 其測量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后， 提供給控制裝置， 以保證生產(chǎn)過程的平穩(wěn)進(jìn)行。 2. 電子測量的特點(diǎn)由于采用了電子技術(shù)， 與其他測量方法和測量

41、儀器相比較， 電子測量和電子測量儀器具有以下特點(diǎn)。 (1) 測量頻率范圍寬。 除測量直流信號外， 電子測量也可以測量交流信號。 其頻率范圍低至10-6 Hz以下， 高至1012 Hz以上。 當(dāng)然， 不能要求同一臺儀器能在這么寬的頻率范圍內(nèi)工作。 通常是根據(jù)不同的工作頻段， 采用不同的測量原理和使用不同的測量儀器。 例如， 在較低頻段， 常采用直接計(jì)數(shù)法測量頻率; 而在微波頻段， 由于受電子器件工作速度的限制， 則須將微波信號頻率變換成較低的中頻頻率后再進(jìn)行計(jì)數(shù)測量。 上述兩者測量， 無論在原理上還是在測量設(shè)備上都大不一樣。 當(dāng)然， 隨著技術(shù)的發(fā)展， 能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)正常工作的儀器不斷地被

42、研制出來， 例如， 現(xiàn)在一臺較為先進(jìn)的頻率計(jì)， 頻率測量范圍為10-61011 Hz。 (2) 測量量程寬。 量程是測量范圍的上、 下限值之差或上、 下限值之比。 電子測量的另一個(gè)特點(diǎn)是被測對象的量值大小相差懸殊。 例如， 地面上接收到的宇宙飛船自外空發(fā)來的信號功率， 可低到10-14 W數(shù)量級， 而遠(yuǎn)程雷達(dá)發(fā)射的脈沖功率， 可高達(dá)108 W以上， 兩者相差22個(gè)數(shù)量級。 一般情況下， 使用同一臺儀器， 采用同一種測量方法， 是難以覆蓋如此寬廣的量程。隨著電子測量技術(shù)的不斷發(fā)展， 單臺測量儀器的量程也可以做到很寬， 例如高檔次的數(shù)字萬用表對電阻測量， 小到10-5 ， 大到108 ， 量程達(dá)到

43、13個(gè)數(shù)量級； 電壓測量由納伏(nV)級到千伏(kV)級， 量程達(dá)到12個(gè)數(shù)量級。 數(shù)字式頻率計(jì)， 其量程可達(dá)17個(gè)數(shù)量級。 (3) 測量準(zhǔn)確度高。 采用電子測量技術(shù)， 大大提高了各種測量的準(zhǔn)確度， 但就整個(gè)電子測量所涉及的測量內(nèi)容而言， 測量結(jié)果的準(zhǔn)確度是不一樣的， 有些參數(shù)的測量準(zhǔn)確度可以很高， 而有些參數(shù)的測量準(zhǔn)確度相對較低。 例如， 對頻率和時(shí)間的測量， 由于采用了原子頻標(biāo)作為基準(zhǔn)， 使測量準(zhǔn)確度可以達(dá)到10-1310-14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)。 相比之下， 長度測量和力學(xué)測量的最高準(zhǔn)確度為10-9量級， 直流電壓的測量當(dāng)前達(dá)到10-8量級。 現(xiàn)代電子測量

44、儀器， 采用高性能的微處理器、 DSP芯片， 提高了對測量數(shù)據(jù)的處理能力， 大大減小了測量誤差， 進(jìn)一步提高了測量的準(zhǔn)確度。 (4) 測量速度快。 由于電子測量是基于電子運(yùn)動和電磁波的傳播， 加之現(xiàn)代測試系統(tǒng)中高速電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用， 使得電子測量無論在測量速度， 還是在測量結(jié)果的處理和傳輸方面， 都可以以極高的速度進(jìn)行。 這也是其它測量方法無法比擬和電子測量技術(shù)廣泛用于現(xiàn)代科技各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。 。 (5) 可以進(jìn)行遙測。 電子測量可以通過電磁波的傳播進(jìn)行信息傳遞， 很容易實(shí)現(xiàn)遙測、 遙控。 在測量中， 可以將現(xiàn)場各待測量轉(zhuǎn)換成易于傳輸?shù)碾娦盘枺?用有線或無線的方式傳送到測試控制臺(中心)，

45、 從而實(shí)現(xiàn)遙測和遙控。 對那些遠(yuǎn)距離的、 環(huán)境惡劣的、 高速運(yùn)動的或人們難以接近的區(qū)域(如衛(wèi)星、 深海、 地下核反應(yīng)堆等)， 可以通過傳感器、 電磁波、 光、 輻射等方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離非接觸式測量。 (6) 易于實(shí)現(xiàn)測試智能化和測試自動化。 電子測量本身是電子科學(xué)一個(gè)活躍的分支， 電子科學(xué)的每一項(xiàng)進(jìn)步， 都非常迅速地在電子測量領(lǐng)域得到體現(xiàn)。 隨著電子計(jì)算機(jī)， 尤其是功耗低、 體積小、 處理速度快、 可靠性高的微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)， 給電子測量理論、 技術(shù)和設(shè)備帶來了新的革命。 現(xiàn)在， 大量帶有微處理器的電子測量儀器不斷出現(xiàn)， 許多還帶有GPIB標(biāo)準(zhǔn)儀器接口， 可以在各儀器之間、 儀器與計(jì)算機(jī)之間， 很

46、方便地用標(biāo)準(zhǔn)總線連接起來組成自動測試系統(tǒng)， 從而實(shí)現(xiàn)程控自動校準(zhǔn)、 自動量程切換、 自動故障診斷， 對于測量結(jié)果自動進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、 分析和處理， 自動記錄或顯示。 特別是基于VXI, GPIB, RS-232C等接口的虛擬儀器， 充分利用計(jì)算機(jī)的軟件資源， 通過軟件完成測試任務(wù)， 開創(chuàng)了自動測試技術(shù)的新局面。(7) 易于實(shí)現(xiàn)儀器的小型化。 隨著電子技術(shù)、 材料制造技術(shù)的發(fā)展和人類活動及人們生活的需要， 電子儀器正朝著小型化、 低功耗方向發(fā)展。 可編程器件、 ASIC電路、 高集成度的微電子器件的采用， 可使電子儀器的體積做得越來越小， 功耗越來越低， 功能越來越豐富。 特別是隨著模塊式儀器、

47、嵌入式系統(tǒng)的采用， 可以將多個(gè)儀器模塊連同微處理器裝入一個(gè)機(jī)箱內(nèi)組成自動測試系統(tǒng)。 在某些場合， 如航空航天、 軍事等領(lǐng)域， 這些具有重要意義。 1.3.3 電子測量的一般方法測量一個(gè)被測量， 可以選用不同的測量方法， 測量方法選擇的正確與否， 直接關(guān)系到測量結(jié)果的可信賴程度， 也關(guān)系到測量工作的可行性和經(jīng)濟(jì)性。 采用不當(dāng)或錯(cuò)誤的測量方法， 除了不能得到正確的測量結(jié)果外， 甚至?xí)p壞測量設(shè)備和造成不必要的浪費(fèi)。 另外， 即使有了先進(jìn)的測量儀器， 也并不一定就能獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。 只有根據(jù)不同的測量對象、 測量條件和測量要求， 選擇合理的測量方案、 正確的測量方法及合適的測量儀器， 才能得到理

48、想的測量結(jié)果。 測量方法按技術(shù)特點(diǎn)分類有多種分類形式， 下面介紹常見的兩種分類方法。 1. 按測量手續(xù)分類1) 直接測量直接測量是指直接從測量儀表的讀數(shù)獲取被測未知量量值的方法。 例如， 用電壓表直接測量電路某點(diǎn)的電壓， 用計(jì)數(shù)式頻率計(jì)直接測量某信號的頻率。 又如用電位差計(jì)測量電壓， 它是將未知量與同類標(biāo)準(zhǔn)量在儀器中進(jìn)行比較， 從而直接獲得未知量數(shù)值的方法。 需要說明的是： 第一， 直接測量并不意味著用直讀式儀器進(jìn)行測量， 許多比較式儀器， 例如電橋、 電位差計(jì)等， 雖然不是直接從儀器度盤上獲得被測量的數(shù)值， 但因進(jìn)行測量的對象就是被測量本身， 所以仍屬于直接測量。 第二， 直接測量并不等于采

49、用直接比較法進(jìn)行測量， 例如， 用電壓表直接測量電路某點(diǎn)的電壓， 是采用間接比較法來完成的， 而用電位差計(jì)測量電壓是采用直接比較法來實(shí)現(xiàn)。直接測量的特點(diǎn)是不需要對被測量和實(shí)測量進(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， 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， 然后根據(jù)函數(shù)關(guān)系P=UI， 經(jīng)過計(jì)算， 間接獲得電阻上的功耗P。 間接測量較之直接測量費(fèi)時(shí)費(fèi)事， 常在下列情況下使用： 直接測量不方便，

50、 缺少直接測量儀器或間接測量的結(jié)果較直接測量更為準(zhǔn)確等。 盡管如此， 間接測量在工程測量中也是很有用的， 它適用于人們不可能或不適合對測量對象直接進(jìn)行測量， 而只能在遠(yuǎn)離被測對象的地方進(jìn)行間接測量的場合。 3) 組合式測量當(dāng)某個(gè)測量結(jié)果是用多個(gè)未知參數(shù)表達(dá)時(shí)， 要測量這多個(gè)未知參數(shù)， 可通過改變測量條件進(jìn)行多次測量， 再根據(jù)測量量與未知參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系列出方程組并求解， 從而得到未知參數(shù)量， 這種測量方法稱為組合測量。 例如電阻器電阻溫度系數(shù)的測量， 已知電阻器阻值Rt與溫度t間的關(guān)系為Rt=R20+(t-20)+(t-20) 2 (1-1)式中， R20為t=20時(shí)的電阻值(一般為已知量)

51、， 、為電阻的溫度系數(shù)，t為環(huán)境溫度。 為了獲得、值， 可以在兩次不同的溫度t1、t2下(t1、 t2可由溫度計(jì)測得)測得相應(yīng)的兩個(gè)電阻值Rt1、Rt2帶入上式得到聯(lián)立方程 (1-2) 求解此方程組， 就可以得到、值。 如果R20也未知， 那么就需要在三個(gè)不同的溫度下，分別測得Rt1、 Rt2和Rt3的大小， 列出由三個(gè)方程組成的方程組， 通過求解可得到R20、三個(gè)未知參量。 2. 按被測量的性質(zhì)分類 1) 時(shí)域測量時(shí)域測量是以獲取被測對象和系統(tǒng)在時(shí)間領(lǐng)域的特性為目的， 主要測量被測對象的幅度時(shí)間特性， 以得到信號波形和系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)(階躍響應(yīng)或沖擊響應(yīng))， 也叫瞬態(tài)測量。 它是研究信號隨時(shí)間

52、變化和分析系統(tǒng)瞬態(tài)過程的重要手段。 用于時(shí)域測量的測試信號和待測信號， 一般為脈沖、 方波及階躍信號。 特別是持續(xù)時(shí)間極短的單脈沖和上升時(shí)間足夠快的階躍信號， 頻譜相當(dāng)豐富， 具有近于連續(xù)的頻譜， 如果用這樣的單個(gè)脈沖和單次階躍函數(shù)作為激勵信號， 可以向被測系統(tǒng)提供幾乎全部的頻譜， 基本上可以對被測系統(tǒng)做出全面的描述。 從而， 有人把時(shí)域測量也稱為脈沖測量。 2) 頻域測量頻域測量是以獲取被測信號和被測系統(tǒng)在頻率領(lǐng)域的特性為目的， 通過測量被測對象的復(fù)數(shù)頻率特性(包括幅度頻率特性和相位頻率特性)， 以得到信號的頻譜和系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 頻域測量的主要對象是信號頻譜和網(wǎng)絡(luò)特性的測量。 無論是分析信

53、號的頻譜成分還是測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)， 常常是基于正弦波測試技術(shù)。 由于正弦測量必須是待被測系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)進(jìn)行， 所以頻域測量也稱為穩(wěn)態(tài)測量。 分析一個(gè)復(fù)雜的信號， 根據(jù)傅氏理論， 可以將信號用許多不同頻率、 幅度和相位的正弦信號成分來表示。 其中， 頻譜分析儀是頻域測量中的一種極為重要的儀器。 它能進(jìn)行頻譜分析， 并廣泛用于測量信號電平、 頻率和頻率響應(yīng)、 諧波失真、 互調(diào)失真、 頻率穩(wěn)定度、 頻譜純度、 調(diào)制指數(shù)和衰減量等。 用正弦波測量技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析， 可以測量一個(gè)系統(tǒng)的靈敏度、 增益、 衰減、 阻抗、 無失真輸出功率、 諧波分析、 延遲失真、 噪聲系數(shù)、 頻率特性和相頻特性等多種參

54、數(shù)， 其中， 網(wǎng)絡(luò)分析儀是這類測量儀器的典型代表。 3) 數(shù)據(jù)域測量數(shù)據(jù)域測量是以獲取被測系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)或邏輯關(guān)系為目的， 也稱邏輯量測量或數(shù)字測量。 和傳統(tǒng)的正弦測量技術(shù)、 脈沖測量技術(shù)一樣， 數(shù)據(jù)域測量仍然是從研究被測系統(tǒng)的激勵響應(yīng)關(guān)系出發(fā)， 測量被測系統(tǒng)的工作性能。 所不同的是， 在數(shù)據(jù)域測量中， 被測量的對象是數(shù)字脈沖電路或工作于數(shù)字狀態(tài)下的數(shù)字系統(tǒng)， 其激勵信號不是正弦信號、 脈沖信號之類的模擬信號， 而是二進(jìn)制碼的數(shù)字信號。 對系統(tǒng)進(jìn)行測量的一般方法是： 在系統(tǒng)輸入端加數(shù)字激勵信號， 觀察由此產(chǎn)生的輸出響應(yīng)， 并與預(yù)期的正確結(jié)果進(jìn)行比較， 一致時(shí)表示系統(tǒng)正常， 否則， 表示系統(tǒng)有故

55、障， 此步稱為故障診斷， 然后確定故障的位置， 稱為故障定位。 邏輯分析儀是數(shù)據(jù)域測量的重要工具。 它可以同時(shí)觀察系統(tǒng)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。 數(shù)據(jù)域測量技術(shù)在自動測試技術(shù)、 測量智能化和自動化等方面起著很重要的作用。 4) 隨機(jī)測量技術(shù)客觀事物總是存在于一定環(huán)境之中， 避免不了要受到各種外界因素的干擾， 這些干擾使得事物的運(yùn)動具有一定的隨機(jī)性， 為了描述這類事物， 出現(xiàn)了一門較新的測量技術(shù)， 即隨機(jī)測量技術(shù)。 另外， 由于事物內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性， 被描述的事物也很難用幾個(gè)簡單變量來確定其運(yùn)動狀態(tài)， 需

56、要使用概率統(tǒng)計(jì)方法， 故把這類測量技術(shù)也稱為統(tǒng)計(jì)測量技術(shù)。 隨機(jī)測量主要是對各類隨機(jī)信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和動態(tài)測量， 最普遍存在、 最有用的隨機(jī)信號是各類噪聲， 所以隨機(jī)測量技術(shù)又稱為噪聲測試技術(shù)。 隨機(jī)測量技術(shù)是認(rèn)識含有不確定性事物的重要手段。 在測量中， 利用噪聲作為隨機(jī)信號源進(jìn)行測量， 研究系統(tǒng)的動態(tài)特性以及埋藏在噪聲背景中的微弱信號檢測技術(shù)等。 (1) 用已知特性的噪聲作為激勵源， 對被測系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性測量， 研究被測系統(tǒng)的特性。(2) 關(guān)于噪聲信號統(tǒng)計(jì)特性的測量， 如時(shí)域中的均值、 方均根特性， 頻域中的頻譜密度函數(shù)、 功率譜密度函數(shù)等。 (3) 在噪聲背景下， 對信號、 特別是微弱信號

57、的精確測量。 1.4 電子測量的基本技術(shù)電子測量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可用圖1-1表示。 其中包括的基本技術(shù)有： 變換技術(shù)、 比較技術(shù)、 放大技術(shù)、 處理技術(shù)、 顯示技術(shù)等， 下面簡要介紹各技術(shù)的基本內(nèi)容。 圖1-1 電子測量系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 1.4.1 電子測量的變換技術(shù) 現(xiàn)代電子測量， 廣泛采用了各種變換技術(shù)。 以數(shù)字多用表測量交流電流為例， 在測量過程中， 要把被測交流電流變換成人眼可見的電流量值的數(shù)碼信息， 至少經(jīng)過了6次變換， 其中包括： 交流電流交流電壓的變換； 交流電壓直流電壓的變換； 直流電壓的幅值變換； 模擬數(shù)字的變換； BCD碼七段碼的碼制變換； 顯示器件的電光轉(zhuǎn)換等。 在實(shí)際測量中，

58、 將被測對象經(jīng)過變換進(jìn)行測量還有以下幾方面的因素： (1) 為了獲得更高的測量準(zhǔn)確度。 例如， 各種非電物理量(如長度、 重量等)變成電量之后， 大大地提高了測量分辨力， 從而提高了測量的準(zhǔn)確度。 目前， 由于頻率和時(shí)間測量具有最高的準(zhǔn)確度， 因此， 通常將許多電參量(如電壓、 阻抗、 相位等)變換成頻率或時(shí)間量來測量。 (2) 提高測量速度、 擴(kuò)大測量范圍。 例如工業(yè)上壓力、 流量、 物位和溫度等的測量， 通過傳感器將這些非電量變換成電量， 便于信號處理和操作控制， 從而大大提高了測量速度， 同時(shí)也便于進(jìn)行量值變換， 從而也就大大擴(kuò)展了測量范圍。 (3) 某些被測量不便于直接比較， 或者無法

59、直接觀測而采用了變換。 例如， 雷達(dá)測量飛機(jī)的距離時(shí)不便于直接用尺子去度量， 于是采用了把距離變換成時(shí)間的方法， 通過直接測量電脈沖來回傳輸?shù)臅r(shí)間來測得距離。 最常用的幾種變換有： 量值變換、 頻率變換、 參量變換、 能量變換和波形變換等。 下面簡單介紹它們的變換原理。 1. 量值變換量值是指電壓、 電流、 功率、 阻抗、 時(shí)間等電參量的幅值大小。 量值變換， 一般是通過放大器或衰減器， 把它們的幅值按比例地增大或衰減， 從而把處于難以測量的邊緣狀態(tài)(太小或太大)的被測量， 變換為量值適中的量進(jìn)行測量。 通過量值變換， 可擴(kuò)展測量范圍， 提高測量分辨力和準(zhǔn)確度。 在量值變換中， 還采用分流器、

60、 比例變壓器或定向耦合器等， 把被測電流、 電壓或功率的量值降低或升高到一定的范圍內(nèi)進(jìn)行測量。 2. 頻率變換頻率變換的方式很多， 常用的有AC/DC、 DC/AC、 AC/AC等。 (1) AC/DC： 它是把交流電壓變換成直流電壓， 即檢波技術(shù)。 例如， 用磁電式儀表和數(shù)字電壓表測量交流電壓， 必須把交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號來測量。 (2) DC/AC： 它是把直流電壓調(diào)制成交流電壓。 通常， 測量微弱的直流電壓， 是先把直流電壓調(diào)制成交流電壓， 經(jīng)過交流放大后， 再把交流電壓還原為直流電壓， 即斬波放大技術(shù)。 (3) AC/AC： 它是對兩個(gè)信號的頻率進(jìn)行和或差的運(yùn)算， 從而把一種頻率的信