測量方法與測量系統(tǒng)課件

1、第2章 測量方法與測量系統(tǒng)21 電子測量的基本原理22 電子測量的對象信號與系統(tǒng)2. 3 測量方法的分類概述 24 測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性2. 5 測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(簡介) 2.1 電子測量的基本概念2.1.1 電子測量的意義20世紀(jì)30年代，便開始了測量科學(xué)與電子科學(xué)的結(jié)合，產(chǎn)生了電子測量技術(shù) 處理信息最有效、最成功的是電子科學(xué)技術(shù) 具有極快的速度 具有極精細(xì)的分辨能力，很寬的作用范圍。 極有利于信息傳遞 極為靈活的變換技術(shù)。 巨大的信息處理能力 2.1.2 電子測量的特點(diǎn)（1）測量頻率范圍寬。被測信號的頻率范圍除測量直流外，測量交流信號的頻率范圍低至10-6Hz以下，高至THz（1THz=1

2、012Hz）（2）量程范圍寬。如數(shù)字萬用表對電壓測量由納伏（nV）級至千伏（kV）級電壓，量程達(dá)12個(gè)數(shù)量級 （3）測量準(zhǔn)確度高。例如，用電子測量方法對頻率和時(shí)間進(jìn)行測量時(shí)，由于采用原子頻標(biāo)和原子秒作為基準(zhǔn)，可以使測量準(zhǔn)確度達(dá)到10-1310-14的數(shù)量級。（4）測量速度快。因?yàn)殡娮訙y量是通過電子運(yùn)動(dòng)和電磁波傳播進(jìn)行工作 （5）易于實(shí)現(xiàn)遙測 （6）易于實(shí)現(xiàn)測量過程的自動(dòng)化和測量儀器智能化2.1.3 電子測量的內(nèi)容從廣義上說，電子測量是泛指以電子科學(xué)技術(shù)為手段而進(jìn)行的測量，即以電子科技理論為依據(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。從狹義上講，電子測量則是利用電子技術(shù)對電子學(xué)中

3、有關(guān)的電量所進(jìn)行的測量。 2.1.3 電子測量的內(nèi)容（續(xù)）電子測量的內(nèi)容是：（1）按具體的測量對象來分類，包括下列電參數(shù)的測量電能量的測量 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)的測量電信號特征的測量 包括信號、頻率、周期、時(shí)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。2.1.3 電子測量的內(nèi)容（續(xù)）（2）按基本的測量對象來看，電子測量是對電信號和電系統(tǒng)的測量：電子測量的基本對象是未知的信號與系

4、統(tǒng) 電子測量的基本工具是已知的信號與系統(tǒng) 電子測量的基本工作機(jī)理是信號與系統(tǒng)的相互作用2.2 電子測量的對象信號與系統(tǒng) 2.2.1 信號的基本概念測量的目的是獲取被測對象的信息，信息描述了被測對象的狀態(tài)及其變化方式。信號就是信息的某種物理表現(xiàn)方式，信號是信息的載體，是物質(zhì)，具備能量。 同一個(gè)信息可以用不同的信號來運(yùn)載，反之，同一種信號也可以運(yùn)載不同的信息。2.2.2 信號的分類1.確定性信號和非確定性信號電子測量中被測信號大多是時(shí)間的函數(shù)x(t)，按其性質(zhì)不同可分類如下：確定性信號：在相同試驗(yàn)條件下，能夠重復(fù)實(shí)現(xiàn)的信號。非確定性（隨機(jī)）信號：在相同試驗(yàn)條件下，不能夠重復(fù)實(shí)現(xiàn)的信號。2.周期性信

5、號與非周期性信號 3.連續(xù)信號與離散信號 4.信號的空間分布結(jié)構(gòu) 許多信號，既具有時(shí)間特性、也還具有空間特性2.2.3 系統(tǒng)的基本概念 信號的產(chǎn)生、傳輸、處理、存儲(chǔ)和再現(xiàn)都需要一定的物理裝置，這種裝置通常就稱為系統(tǒng)。從一般意義講，系統(tǒng)是由若干相互依賴、相互作用的事物組合而成的具有特定功能的整體。1.系統(tǒng)的外部特性即系統(tǒng)的輸入與輸出之間的關(guān)系或系統(tǒng)的功能。2.2.3 系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）2.系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)的外部特性是由其內(nèi)部參數(shù)也即系統(tǒng)本身的固有屬性決定。系統(tǒng)模型指系統(tǒng)物理特性的數(shù)學(xué)抽象，即以數(shù)學(xué)表達(dá)式或具有理想特性的符號組合圖形來表征系統(tǒng)的輸入-輸出特性 2.2.4 被測系統(tǒng)的分類1.

6、單輸入/輸出與多輸入/輸出系統(tǒng) 2.線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng) 線性系統(tǒng)滿足兩個(gè)基本條件： 疊加原理。 系統(tǒng)的響應(yīng)與輸入信號的作用無關(guān)。線性系統(tǒng)對任意輸入的響應(yīng)都可用傅氏變換表示。輸出信號的頻譜函數(shù)為 線性系統(tǒng)具有頻率保持性。測量、分析或比較線性系統(tǒng)在正弦信號激勵(lì)下的響應(yīng)，就可以對系統(tǒng)的各種電氣特性作出全面的評價(jià)2.2.4 被測系統(tǒng)的分類（續(xù)） 3.即時(shí)系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)即時(shí)系統(tǒng)（瞬時(shí)系統(tǒng)或無記憶系統(tǒng)）：系統(tǒng)在任何時(shí)刻t的輸出都只與該時(shí)刻的輸入有關(guān)；動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（存儲(chǔ)系統(tǒng)或有記憶系統(tǒng)）：在時(shí)刻t的輸出不僅與該時(shí)刻的輸入有關(guān)，而且還與該時(shí)刻以前或以后的輸入有關(guān)。記憶系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系是一般是微分或差分方程 。

7、4.模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng) 模擬系統(tǒng)是分析和處理模擬信號的系統(tǒng)，數(shù)字系統(tǒng)是分析和處理脈沖與數(shù)字信號的系統(tǒng)。 2.3 測量方法的分類概述2.3.1 直接測量與間接測量2.3.2被測對象可按有源量或無源量劃分為兩大類 1. 有源量的測量 2. 無源量的測量 信號特性參量為常見的有源量，主要包含信號的電壓與功率、頻率與波長、周期與時(shí)間、波形與頻譜等。電壓表、電流表、功率計(jì)、頻率計(jì)、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等儀器不含激勵(lì)信號源系統(tǒng)特性參數(shù)為常見的無源量，包括集總與分布參數(shù)系統(tǒng)的特性，例如，電阻、電感、電容、品質(zhì)因數(shù)、阻抗、導(dǎo)納、介電常數(shù)、導(dǎo)磁率、駐波比、反射系數(shù)、散射系數(shù)、衰減以及單位階躍響應(yīng)或單位沖激

8、（脈沖）響應(yīng)與傳遞函數(shù)等。RLC測試儀、阻抗分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻率特性測試儀（掃頻儀）、晶體管特性圖示儀等儀器，均包含有激勵(lì)信號源。2.3.3 現(xiàn)代測試系統(tǒng)的組成1.集中式多路測試系統(tǒng) 2.分布式多路測量系統(tǒng)（a）網(wǎng)絡(luò)化測量系統(tǒng) （b）無線電遙測系統(tǒng) 2.3.4 頻域、時(shí)域、數(shù)域及隨機(jī)域測量1.頻域測量技術(shù)：幅值和相位隨頻率的變化（1）正弦波點(diǎn)頻法（2）正弦波掃頻法 2.時(shí)域測量技術(shù)： 幅值隨時(shí)間的變化3.隨機(jī)測量技術(shù)：測量噪聲信號和使用隨機(jī)信號源對噪聲的研究使用概率統(tǒng)計(jì)方法：（1）噪聲信號統(tǒng)計(jì)特性的測量，如時(shí)域中的均值、均方根性，頻域中的頻譜密度函數(shù)、功率譜密度函數(shù)等；（2）將已知特性的噪

9、聲作激勵(lì)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；4.數(shù)字測量技術(shù)：測量數(shù)字系統(tǒng)的功能和故障診斷2.4 現(xiàn)代測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性2.1 測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性概述測量系統(tǒng)(廣義)指單臺(tái)的測量儀器，和由多臺(tái)儀器及設(shè)備等組成的完整測試系統(tǒng)，也可指組成測量系統(tǒng)中的某一環(huán)節(jié)或單元。測量系統(tǒng)的基本特性可分為兩類：一類被測量是靜止不變或變化極緩慢的情況，此時(shí)工作在靜止?fàn)顟B(tài)下的測量系統(tǒng)，其輸入與輸出量間的函數(shù)關(guān)系，稱為測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性；另一類是被測量不斷變化的情況，此時(shí)，工作在動(dòng)態(tài)下的測量系統(tǒng)其輸入量與輸出量間的函數(shù)關(guān)系稱為測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 2.4.2 測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)1.靜態(tài)特性的數(shù)

10、學(xué)模型不線性時(shí)：獲得靜態(tài)特性的方法： 對一個(gè)測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定或定期進(jìn)行校準(zhǔn)。 2.靜態(tài)特性的基本參數(shù)（1）零位（零點(diǎn)）當(dāng)輸入量為零x=0時(shí)，測量 系統(tǒng)的輸出量不為零的數(shù)值零位值為非線性2.4.2 測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)）（2）靈敏度是描述測量系統(tǒng)對輸入量變化反應(yīng)的能力。靈敏度：當(dāng)靜態(tài)特性為一直線時(shí)，直線的斜率即為靈敏度，且為一常數(shù) （3）分辨力又稱靈敏度閾，它表征測量系統(tǒng)有效辨別輸入量最小變化量的能力。對模擬式測量系統(tǒng)，其分辨力一般為最小分度值的1/21/5。2.4.2 測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)）3.靜態(tài)特性的質(zhì)量指標(biāo)（1）遲滯亦稱“滯后”或“回差”，表征測量系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)，輸入量由

11、小到大（正行程）或由大小到（反行程）兩者靜態(tài)特性不一致的程度。（2）線性度測量系統(tǒng)的輸出輸入關(guān)系應(yīng)當(dāng)具有直線特性，線性度（又稱非線性誤差）說明輸出量與輸入量的實(shí)際關(guān)系曲線偏離其擬合直線的程度2.4.2 測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)）（3）準(zhǔn)確度測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，俗稱精度用準(zhǔn)確度等級指數(shù)來表征： 準(zhǔn)確度等級指數(shù)a的百分?jǐn)?shù)a%所表示的相對值是代表允許誤差的大小用不確定度來表征：在規(guī)定條件下系統(tǒng)或裝置用于測量時(shí)所得測量結(jié)果的不確定度。 （4）測量范圍、量程測量范圍測量系統(tǒng)所能測量到的最小被測量（輸入量）與最大被測量（輸入量）之間的范圍。2.5 測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性2.5.1 測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的描述數(shù)學(xué)模型1.微分方程(時(shí)域)2.傳遞函數(shù)(復(fù)頻域)傳遞函數(shù)其表達(dá)式為在初始條件為零時(shí)，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。Y(S)=H(S)X(S) 3.頻率響應(yīng)函數(shù)(頻域)對于穩(wěn)定的常系數(shù)線性系統(tǒng)，可用傅里葉變換代替拉氏變換 Y(j)=H(j)X(j)從物理意義上說，通過傅里葉變換可把滿足一定條件的任意信號分解成不同頻率的正弦信號之和。2.5.1 測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的描述數(shù)學(xué)模