現(xiàn)代電子測量技術(shù)-1課件

1、現(xiàn)代電子測量技術(shù)趙志斌電力系電信教研室7/28/20221 檢測儀器儀表的作用測量的地位和作用 工業(yè)生產(chǎn) 倍增器 科學研究 先行官 社 會 物化法官 軍 事 戰(zhàn)斗力7/28/20222測量的地位和作用工業(yè)生產(chǎn)倍增器檢測技術(shù)是帶動國民經(jīng)濟增長的一個 關(guān)鍵領(lǐng)域在美國：檢測技術(shù)占4%，拉動經(jīng)濟增長66%7/28/20223檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應用測量的地位和作用在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位.7/28/202247/28/20225測量技術(shù)的作用和地位檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應用離線檢測：零件參數(shù)、 尺寸與形位公差、 品質(zhì)參數(shù)作 用：現(xiàn)代工程裝備中， 檢測環(huán)節(jié)的成本約占 5070%7/2

2、8/20226檢測技術(shù)在日常生活中的應用與日俱增測量技術(shù)的作用和地位 家用電器：數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機：自動對焦-紅外測距傳感器數(shù)字體溫計：接觸式-熱敏電阻，非接觸式-紅外傳感器自動感應燈：亮度檢測-光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測-熱敏電阻、熱電偶電話、麥克風：話音轉(zhuǎn)換-駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管辦公商務：可視對講、可視電話：圖像獲取-面陣CCD掃描儀：文檔掃描-線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：電子血壓計：血壓檢測 - 壓力傳感器血糖測試儀、膽固醇檢測儀 - 離子傳感器7/28/20227測量技術(shù)的作用和地位軍事戰(zhàn)斗力 199

3、1年海灣戰(zhàn)爭 精確制導炸彈和導彈占8% 2003年伊拉克戰(zhàn)爭 90% 1994年美國防部建立自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局立體作戰(zhàn)7/28/20228測量技術(shù)的作用和地位檢測技術(shù)在軍事上的應用美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器-OICW 夜視瞄準機系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測距儀：可精確的定位目標。在發(fā)射20毫米高爆彈時，激光測距儀可將目標的距離信息自動傳輸至高爆彈的爆炸引信，以便精確的設定引爆時間。7/28/20229美國國家導彈防御計劃-NMD測量技術(shù)的作用和地位測量技術(shù)在國防領(lǐng)域的應用1.地基攔截器2.早期預警系統(tǒng)3.前沿部署(如雷達）4.管理與控制系統(tǒng)5. 衛(wèi)星紅外線監(jiān)測系統(tǒng) 監(jiān)測系統(tǒng): 探測和發(fā)現(xiàn)敵

4、人導彈的發(fā)射并追蹤導彈的飛行軌道； 攔截器：能識別真假彈頭，敵友方7/28/202210測量技術(shù)的作用和地位“阿波羅10”：火箭部分-2077個傳感器飛船部分-1218個傳感器，檢測參數(shù)-加速度、溫度、壓力、 振動、流量、應變、 聲學、神州飛船：185臺（套）儀器裝置7/28/202211測量技術(shù)的作用和地位“物化法官” 檢查產(chǎn)品質(zhì)量 監(jiān)測環(huán)境污染 識別指紋假鈔 查服違禁藥物 偵破刑事案件7/28/202212測量技術(shù)的作用和地位教學實驗、氣象預報、大地測繪、災情預報、交通指揮、涵蓋 吃穿用、農(nóng)輕重、海陸空7/28/202213測量技術(shù)的作用和地位科學研究的先行官 諾貝爾獎獲得者R. R. E

5、rnst說“現(xiàn)代科學的進步越來越依靠尖端儀器的發(fā)展” 俄國化學家門捷列夫指出“科學是從測量開始的” 近80年來，與科學儀器密切相關(guān)的諾貝爾獎獲得者達38人7/28/202214課程簡介第一部分測量總論及誤差理論，介紹測量的基本概念、技術(shù)方法及系統(tǒng)組成，誤差理論和數(shù)據(jù)處理等。第二部分基本電參量測量，包括頻率、電壓、阻抗等第三部分時域測量，以示波器為背景介紹時域信號波形的采集、顯示及應用技術(shù)。第四部分頻域測量，重點討論頻域中的信號頻譜和網(wǎng)絡性能的測量，介紹測量激勵信號源的基本工作原理。第五部分數(shù)域測量，介紹數(shù)字系統(tǒng)的基本測量原理和方法，包括數(shù)字信號的產(chǎn)生、邏輯分析、可測性設計及數(shù)字系統(tǒng)測試的典型實

6、例。第六部分測量系統(tǒng)集成，闡述組建測量系統(tǒng)的硬件平臺、軟件平臺、總線標準、通信技術(shù)等。7/28/202215現(xiàn)代電子測量技術(shù)本章闡述測量了學科的豐富內(nèi)涵。介紹測量、計量的基本概念，即它們的意義、內(nèi)容、特點及應用。討論測量原理、測量方法和測量系統(tǒng)中的共性問題。分別從信息獲取的廣義概念和量值比較的狹義概念上，闡述測量的基本原理；從實現(xiàn)測量原理的變換、比較、處理和顯示等環(huán)節(jié)中，闡述電子測量的基本技術(shù)。 第1章 測量的基本原理 7/28/202216現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.1 測量的基本概念1.1.1 測量的意義 日常生活中處處離不開測量科學的進步和發(fā)展離不開測量， 離開測量就不會有真正的科學。 沒有望遠

7、鏡就沒有天文學，沒有顯微鏡就沒有細胞學，沒有指南針就沒有航海事業(yè) 7/28/202217現(xiàn)代電子測量技術(shù) 1.1.1 測量的意義（續(xù)）生產(chǎn)發(fā)展離不開測量 農(nóng)業(yè)社會中，需要丈量土地、衡量谷物，就產(chǎn)生了長度、面積、容積和重量的測量；掌握季節(jié)和節(jié)候，出現(xiàn)了原始的時間測量器具，并有了天文測量?，F(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，處處離不開測量 例如，一個大型鋼鐵廠需要約2萬個測量點在高新技術(shù)和國防現(xiàn)代化建設中則更是離不開測量例如，每種新設計的飛機，需要測試飛機高速飛行中受氣流沖擊作用下的性能，通過風洞試驗測定機身、機翼的受力和振動分布情況，以驗證和改進設計。7/28/202218現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.1.2 測量的定義

8、 1.狹義測量的定義測量是為了確定被測對象的量值而進行的實驗過程。在測量過程中，人們借助專門的設備，把被測對象直接或間接地與同類已知單位進行比較，取得用數(shù)值和單位共同表示的測量結(jié)果。 測量結(jié)果測量數(shù)值.測量單位，即：7/28/202219現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.1.2 測量的基本概念（續(xù)）測量的內(nèi)涵 測量對象：被測客體中的相應的量值信息；測量目的：從被測對象取得一個定量的認識；測量過程: 通過實驗去認識對象的過程測量方法：比較；A.直接比較 B.間接比較；C.需要測量儀器；測量標準：同類已知單位。測量結(jié)果：最終能表示給測量主體（人）7/28/202220現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.1.2 測量的定義（續(xù)）

9、被測物體的重量等于標準砝碼的重量被測物體的重量從度盤上讀數(shù)，因為，彈簧秤度盤上的刻度是事先與標準量進行比較的結(jié)果。7/28/202221現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.1.2 測量的定義（續(xù)）2.廣義測量的定義廣義地講，測量不僅對被測的物理量進行定量的測量，而且還包括對更廣泛的被測對象進行定性、定位的測量。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、空間分布、拓樸結(jié)構(gòu)等。 廣義測量原理可以從信息獲取過程來說明，包括信息的感知和信息識別兩個環(huán)節(jié)。 7/28/202222現(xiàn)代電子測

10、量技術(shù)1.1.3 測量的基本要素1.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 7/28/202223現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.1.3 測量的基本要素（續(xù)）7/28/202224現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.1.3 測量的基本要素（續(xù)）2.測量過程基本要素之間的互動關(guān)系論證階段: 測量的主體（測量人員）根據(jù)測試任務的要求、被測對象的特點、屬性，及現(xiàn)有儀器設備狀況，擬定合理的測試方案。 設計階段* 選擇測試儀器，組建測試系統(tǒng)。* 制定出測試策略（測量算法）和操作步驟（測試程序）實施階段* 對儀器和系統(tǒng)實施測試操作（發(fā)控制命令），按照邏輯和時序完成測量過程，取得測量數(shù)據(jù);* 分析測量誤差并顯示

11、測量出結(jié)果。 7/28/202225現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.1.3 測量的基本要素（續(xù)）7/28/202226現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.1.3 測量的基本要素（續(xù)）3.被測對象信息廣義的測量是信息的獲取，信息反映了事物的運動的狀態(tài)及其變化方式。信息又可分為自然信息和社會信息兩大類。4.測量儀器系統(tǒng)量具和儀器測量儀器系統(tǒng)包括量具、測試儀器、測試系統(tǒng)及附件等5.測量的主體測量人員手動：由測量主體（測量人員）直接參與完成自動：測量主體交給智能設備（計算機等）完成，但測量策略、軟件算法、程序編寫需由測量人員事先設計好。6.測試技術(shù)測量中所采用的原理、方法和技術(shù)措施，總稱為測試技術(shù)。7/28/202227現(xiàn)代電子

12、測量技術(shù)1.1.3 測量的基本要素（續(xù)）7.測量環(huán)境測量環(huán)境是指測量過程中人員、對象和儀器系統(tǒng)所處空間的一切物理和化學條件的總和。測量環(huán)境包括溫度、濕度、力場、電磁場、輻射、化學氣霧和粉塵，霉菌以及有關(guān)電磁量（工作電壓、源阻抗、負載阻抗、地磁場、雷電等）的數(shù)值、范圍及其變化。 7/28/202228現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.1.3 測量的基本要素（續(xù)）環(huán)境對測量的影響A. 環(huán)境對被測對象的影響：某些被測對象客體（如器件、電路或系統(tǒng)）的性能特性對環(huán)境變化較為敏感或非常敏感，因此，原則上測量應在被測對象的正?；蝾~定工作條件下進行。B. 環(huán)境對儀器系統(tǒng)的影響：環(huán)境可能直接或間接地影響到儀器系統(tǒng)本身的某個工

13、作特性，進而影響測量結(jié)果，造成測量誤差。特別是某些測量器具的量程廣、頻段寬，而內(nèi)部的元器件數(shù)目甚多，且對外界影響相當敏感，錯綜復雜的影響量所產(chǎn)生的不良效應有時會成為測量的嚴重問題。C. 環(huán)境對測量人員的影響：高溫、嚴寒、潮濕、悶氣、嘈雜、照明不適當?shù)炔涣脊ぷ鳝h(huán)境，會對測量人員的身心產(chǎn)生不良影響，從而引起不同程度的人身誤差乃至差錯。7/28/202229現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.1.3 測量的基本要素（續(xù)）應采取適當?shù)目刂拼胧M量減少由于環(huán)境影響而產(chǎn)生的誤差。恒溫、恒濕、穩(wěn)壓和防震。抗干擾、防噪聲的措施，如接地、屏蔽、隔離、濾波等。儀器應能盡量適應惡劣環(huán)境和大范圍變化環(huán)境。 7/28/202230現(xiàn)

14、代電子測量技術(shù)1.1.3 測量的基本要素（續(xù)）儀器以工作環(huán)境條件的不同要求分為三組：I組：良好的環(huán)境條件，溫度+10+35oC，相對濕度80%（在35oC上），只允許有輕微的振動。II組：一般的環(huán)境條件，溫度10+40oC，相對濕度80%（在40oC上），允許一般的振動和沖擊。III組：惡劣的環(huán)境條件，溫度40+55oC，相對濕度90%（在35oC上），允許頻繁的搬動和運輸中受到較大的沖擊和振動。I組高精度計量用儀器II組通用儀器III組野外、機載等儀器7/28/202231現(xiàn)代電子測量技術(shù) 12 計量的基本概念1.2.1 計量的定義和意義為使在不同的地方，用不同的手段測量同一量時，所得的結(jié)果

15、一致，就要求統(tǒng)一的單位、基準、標準和測量器具。 1.計量的定義計量是一種特殊形式的測量，它把被測量與國家計量部門作為基準或標準的同類單位量進行比較，以確定合格與否，并給出具有法律效力的檢定證書。計量是利用技術(shù)和法制手段實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準確可靠的測量。計量的三個主要特征是統(tǒng)一性、準確性和法制性。計量包含了為達到統(tǒng)一和準確一致所進行的全部活動，如單位的統(tǒng)一、基準和標準的建立、進行量值傳遞、計量監(jiān)督管理、測量方法及其手段的研究等。7/28/202232現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.2.1 計量的定義和意義（續(xù)）2.計量與測量的關(guān)系測量發(fā)展的客觀需要才出現(xiàn)了計量。測量是計量應用的重要途徑。沒有測量，計量將失去

16、價值為了保證測量結(jié)果的準確性，必須定期對儀器進行檢定和校準，這個過程就是計量。計量的任務是確定測量結(jié)果的可靠性。計量是測量的基礎(chǔ)和依據(jù)。沒有計量，也談不上測量。計量和測量相互配合，才能在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。計量工作是國民經(jīng)濟中一項極為重要的技術(shù)基礎(chǔ)工作，它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學技術(shù)、國防建設以及人民生活等各個方面起著技術(shù)保證和技術(shù)監(jiān)督的作用。7/28/202233現(xiàn)代電子測量技術(shù)122 單位和單位制根據(jù)定義而令系數(shù)為1的量稱為單位。單位是表征測量結(jié)果的重要組成部分， 又是對兩個同類量值進行比較的基礎(chǔ)。英呎feet7/28/202234現(xiàn)代電子測量技術(shù)122 單位和單位制（續(xù)）1960年第

17、十一屆國際計量大會上正式通過國際單位制SI。 1984年2月國務院頒布了中華人民共和國法定計量單位，決定我國法定計量單位以國際單位制為基礎(chǔ)。SI有7個基本單位7/28/202235現(xiàn)代電子測量技術(shù)122 單位和單位制（續(xù)）1.國際單位制（SI）的組成國際單位制基本單位 7/28/202236現(xiàn)代電子測量技術(shù)122 單位和單位制（續(xù)）國際單位制是由國際單位制單位、國際單位制詞頭和國際單位制的十進倍數(shù)單位三部分組成。國際單位制詞頭表示使單位增大或縮小的十進倍數(shù)。 例：5.4X10-9s=5.4ns 7/28/202237現(xiàn)代電子測量技術(shù)123 基準和標準1.基準基準用來復現(xiàn)某一基本測量單位的量值，

18、只用于鑒定各種量具的精度，不直接參加測量。(1)一級基準，又稱主基準和國家基準具有最高水平的基準。一個國家只有一個。(2)二級基準，又稱副基準副基準的量值精度由主基準確定，用以代替主基準向下傳遞或代替主基準參加國際比對 (3)三級基準，又稱工作基準工作基準用來直接向下屬標準量具進行量值傳遞，用以檢定下屬計量標準量具的精確度。 7/28/202238現(xiàn)代電子測量技術(shù)123 基準和標準（續(xù)）2.標準根據(jù)工作基準復現(xiàn)出不同等級的便于經(jīng)常使用的計量標準量具或儀器，簡稱標準。計量標準的準確度等級在工作基準之下，工作計量器具之上。按精度高低又分為一級標準、二級標準和三級標準。通過這些標準經(jīng)常性地對日常工作

19、儀器進行檢定，確定其量值的精確度大小。除標準器具外，還有標準物質(zhì)。 7/28/202239現(xiàn)代電子測量技術(shù)123 基準和標準（續(xù)）3.幾個術(shù)語（1）計量器具：凡是能用以直接或間接測出被測對象量值的量具、計量儀器和計量裝置都統(tǒng)稱為計量器具。計量器具按作用可分為計量基準、計量標準和工作計量器具三類。（2）計量標準器具：準確度低于計量基準，用于檢定計量標準或工作計量器具的計量器具。（3）工作計量器具：工作崗位上使用，不用于進行量值傳遞，而是直接用來測量被測對象量值的計量器具。7/28/202240現(xiàn)代電子測量技術(shù)123 基準和標準（續(xù)）（4）比對： 在規(guī)定條件下，對相同準確度等級的同類基準、標準或工

20、作計量器之間的量值進行比較，其目的是考核量值的一致性。（5）檢定： 是用高一等級準確度的計量器具對低一等級的計量器具進行比較，以達到全面評定被檢計量器具的計量性能是否合格的目的。一般要求計量標準的準確度為被檢者的1/3到1/10。（6）校準： 校準是指被校的計量器具與高一等級的計量標準相比較，以確定被校計量器具的示值誤差（有時也包括確定被校器具的其他計量性能）的全部工作。（7）量值的傳遞： 指一個物理量單位通過各級基準、標準及相應的輔助手段準確地傳遞到日常工作中所使用的測量儀器、量具，以保證量值統(tǒng)一的全過程。 7/28/202241現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.2.4 測量基準的權(quán)威性和相對性1.基準的

21、權(quán)威性基準的理論定義最嚴格的、制作工藝技術(shù)最先進。 原器基準自身也會隨時間、地點、環(huán)境條件而變化，甚至會損壞，會失傳。從現(xiàn)代科學的觀點來看，最好的基準是原子基準。2.基準的相對性一個時期的測量基準反映當時的人類認識水平和科學水平 例：以太陽為基準，時間測量的精確度1天內(nèi)可達到1秒鐘。而目前銫原子鐘的計時精確度在三百萬年內(nèi)也不超過1秒。7/28/202242現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.2.4 測量基準的權(quán)威性和相對性（續(xù)）7/28/202243現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.2.5 測量標準的傳遞自上而下逐級傳遞 7/28/202244現(xiàn)代電子測量技術(shù)13 測量誤差的基本概念1.3.1 測量誤差的定義測量的目的:

22、獲得被測量的真值。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數(shù)值。 測量誤差 :所有測量結(jié)果都帶有誤差 。7/28/202245現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.3.2 測量誤差的來源 （1）儀器誤差：由于測量儀器及其附件的設計、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、反應速度、視覺疲勞、固有習慣、缺乏責任心等原因，而在測量

23、中使用操作不當、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確，如引起動態(tài)誤差等。7/28/202246現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.3.3 測量誤差的表示方法 測量誤差有絕對誤差和相對誤差兩種表示方法。1.絕對誤差（1）定義：由測量所得到的被測量值與其真值之差，稱為絕對誤差 實際應用中常用實際值A(chǔ)（高一級以上的測量儀器或計量器具測量所得之值）來代替真值。絕對誤差： 有大小，又有符號和量綱7/28/202247現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）（2）修正值與絕對誤差的絕對值大小相等，但符號相反的量值，稱為修正值測量儀器的修

24、正值可以通過上一級標準的檢定給出，修正值可以是數(shù)值表格、曲線或函數(shù)表達式等形式。被測量的實際值7/28/202248現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）2.相對誤差一個量的準確程度，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)。例：測量足球場的長度和成都市到綿陽市的距離，若絕對誤差都為1米，測量的準確程度是否相同？（1）相對真誤差、實際相對誤差、示值相對誤差相對誤差：絕對誤差與被測量的真值之比相對誤差是兩個有相同量綱的量的比值，只有大小和符號，沒有單位。7/28/202249現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）實際相對誤差： 用實際值A(chǔ)代替真值A(chǔ)0 示值

25、相對誤差： 用測量值X 代替實際值A(chǔ)7/28/202250現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）（2）滿度相對誤差（引用相對誤差）用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值（上限值下限值）之比來表示的相對誤差，稱為滿度相對誤差（或稱引用相對誤差）儀表各量程內(nèi)絕對誤差的 最大值 7/28/202251現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）電工儀表就是按引用誤差 之值進行分級的。是儀表在工作條件下不應超過的最大引用相對誤差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S級，則說明該儀表的最大引用誤差不超過S% 測量點

26、的最大相對誤差在使用這類儀表測量時，應選擇適當?shù)牧砍?，使示值盡可能接近于滿度值，指針最好能偏轉(zhuǎn)在不小于滿度值2/3以上的區(qū)域。 7/28/202252現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）例1-3 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？用1.5級量程為0100mA電流表測量100mA時的最大相對誤差為解：用0.5級量程為0400mA電流表測100mA時，最大相對誤差為7/28/202253現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）（3）分貝誤差相對誤差的對數(shù)表示分貝誤差是用對數(shù)形式（分

27、貝數(shù)）表示的一種相對誤差，單位為分貝（dB）。 電壓增益的測得值為 誤差為用對數(shù)表示為增益測得值的分貝值分貝誤差 7/28/202254現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）7/28/202255現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5 測量的間接比較與直接比較原理測量最基本的原理是比較，比較是認識和區(qū)別被測對象的一種重要方法。測量是通過比較來取得一個定量的認識 1.5.1 基于比例變換的間接比較法（偏轉(zhuǎn)法）1.比例變換的原理（1）三種類型的子變換：A7/28/202256現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5.1 基于比例變換的間接比較法（續(xù)）例：彈簧秤是偏轉(zhuǎn)法直讀式儀器的一個簡單例子。被測重物放在彈簧秤上，把

28、物體的重量變成彈簧的彈性形變。然后，形變帶動機械式儀表的指針成比例的偏轉(zhuǎn)，指示出被測物體的重量。直讀式電壓表 7/28/202257現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5.1 基于比例變換的間接比較法（續(xù)） （2）實現(xiàn)結(jié)構(gòu) 由于故：式中 7/28/202258現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5.1 基于比例變換的間接比較法（續(xù)）（2）間接比較方法 ：步驟為校準 測量 7/28/202259現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5.2 基于差值示零的直接比較法1.差值檢測原理:被測量與標準量直接進行比較需要一個具有比較功能的電路，要求比較的范圍寬、靈敏度和分辨力高；需要一個與被測量同類的可變標準量參與比較，要求標準量準確且可細微調(diào)節(jié)。比較功

29、能可由運算功能來實現(xiàn)有兩種方式：差值運算比較 比例運算比較 7/28/202260現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5.2 基于差值示零的直接比較法2. 差值示零的平衡調(diào)節(jié)（1）零示法原理: 7/28/202261現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5.2 基于差值示零的直接比較法（續(xù)）（2）實現(xiàn)平衡調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu) 當 則7/28/202262現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5.2 基于差值示零的直接比較法（續(xù)）對稱差動的橋式結(jié)構(gòu) 當 時， 7/28/202263現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5.3 減少誤差的復合式比較為了提高測量準確度，在比較中可采用各種減小測量誤差的方法，如微差法、替代法、對照法。（1）微差法在零示法中，要仔細調(diào)節(jié)標準量S 使

30、之與未知量x相等，這通常很費時間，有時甚至不可能做到，微差法：標準量S與被測量x相差了一微小量 ，再用儀器測出 ，即求得待測量x7/28/202264現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5.3 減少誤差的復合式比較（續(xù)）微差法進行測量時，測量誤差公式：測量儀器的誤差 對測量的影響被大大地削弱優(yōu)點：測量速度快和測量準確度高。 7/28/202265現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5.3 減少誤差的復合式比較（續(xù)） 7/28/202266現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5.3 減少誤差的復合式比較（續(xù)）2.替代法在測量條件不變的情況下，用一已知的標準量去替代未知的被測量，通過調(diào)整標準量而保持替代前后儀器的示值不變，于是標準量的值等于被測

31、量值。 7/28/202267現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5.3 減少誤差的復合式比較（續(xù)）3.交換法通過交換被測量和標準量的位置，從前后兩次換位測量結(jié)果的處理中，削弱或消除系統(tǒng)誤差。特別適用于平衡對稱結(jié)構(gòu)的測量裝置中，并通過交換法可檢查其對稱性是否良好。第一次平衡 第二次平衡 上兩式相乘、開方得：7/28/202268現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.5.3 減少誤差的復合式比較（續(xù)）例：在電橋中采用交換法測電阻7/28/202269現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6 電子測量中的基本實現(xiàn)技術(shù)1.6.1 電子測量中的變換技術(shù)1.量值變換量值是指電壓、電流、功率、阻抗、時間等電參量的幅值大小。量值變換即指把它們的幅值按比例地增

32、大或縮小。把量值處于難以測量的邊緣狀態(tài)（太小或太大）的被測量，按某一已知比值變換為量值適中的同樣參量進行測量。 通過量值變換，可增加測量范圍，提高測量分辨力和精度。 7/28/202270現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.1 電子測量中的變換技術(shù)(續(xù)）（1）信號放大與衰減 信號放大是為了將微弱的被測信號，放大到足以進行各種轉(zhuǎn)換處理，或能驅(qū)動指示器、記錄器。測量放大器是指在測量系統(tǒng)中用來放大微弱電壓、電流或電荷信號的放大器。要求低漂移 結(jié)構(gòu)原理：差動直接耦合式、調(diào)制式（斬波穩(wěn)零）和自動穩(wěn)定式三大類。還有高輸入阻抗放大電路、高共模抑制比放大器、電橋放大器、電荷放大器、程控增益放大器、隔離放大器等。衰減器用來

33、降低測量系統(tǒng)中的信號電平 用途：使大的信號進入儀器的測量范圍，或者通過降低信號電平來控制失真，或改進阻抗匹配，或?qū)π盘栐慈ヱ畹?分類：電阻式、感應式、吸收式、回轉(zhuǎn)式、截止式、電調(diào)式等。 7/28/202271現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.1電子測量中的變換技術(shù)(續(xù)）（2）阻抗變換電子測量中，特別是在微波測量中，當將不匹配的負載與傳輸線連接時，或?qū)⑻卣髯杩共煌膫鬏斁€進行連接時，信號傳輸中將產(chǎn)生強烈反射。為了保證良好的傳輸，必須在傳輸線與負載之間或不同特征阻抗的傳輸線之間接入一種阻抗變換的雙口網(wǎng)絡，改變阻抗的大小，實現(xiàn)阻抗的匹配。在信號源的功率放大器輸出電路中，也要求負載阻抗匹配，常用變壓器等進行阻抗

34、變換，以保證最佳功率傳輸。電子測量儀器輸入端具有很高輸入阻抗，輸入跟隨器則是實現(xiàn)了輸入通道從高阻到低阻的阻抗變換。 7/28/202272現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.1電子測量中的變換技術(shù)(續(xù)）2.頻率變換（1）檢波：交流電壓變成直流電壓 常用磁電式電表，它只能測量直流，交流信號必須檢波成直流信號來測量 （2）斬波：把一個直流電壓調(diào)制成交流電壓，經(jīng)過交流放大，然后再把交流電壓通過反調(diào)制（解調(diào)）還原為直流電壓的過程。 斬波的作用是對微弱的直流電壓進行放大 7/28/202273現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.1電子測量中的變換技術(shù)(續(xù)）（3）變頻（混頻）進行頻率的加減運算。獲得很寬的頻率覆蓋范圍。獲得高增益

35、，提高測量儀器的靈敏度。實現(xiàn)中頻或低頻替代，以提高測量精度。實現(xiàn)頻率的精密測量。 例：f=200.020kHz220kHz f0=200kHz則 F=f-f0=20Hz20kHz覆蓋系數(shù)從1.1擴展到10007/28/202274現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.1電子測量中的變換技術(shù)(續(xù)）（4）倍頻倍頻器是頻率綜合技術(shù)中的乘法器。差頻倍增法 用倍頻法減小測量誤差。 利用電子計數(shù)進行頻率測量時，1誤差將決定測量誤差。若KHz，1的相對誤差為10-3，如果先對進行103倍的鎖相倍頻后測量，則該項誤差可降為10-6。7/28/202275現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.1電子測量中的變換技術(shù)(續(xù)）（5）分頻分頻是于

36、對信號頻率進行除法運算（6）頻率合成頻率合成是把一個（或少量幾個）高穩(wěn)晶振頻率源經(jīng)過一系列綜合的加、減、乘、除四則運算，可作為隨意調(diào)節(jié)頻率的高精度信號源。（7）取樣技術(shù)取樣門電路將高頻信號進行取樣變換，使之以低頻形式復現(xiàn)出來。它可以把頻率上限擴展到幾GHz甚至幾十GHz。7/28/202276現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.1電子測量中的變換技術(shù)(續(xù)）3.波形變換（1）整形 將任意形狀的波形變成規(guī)則的脈沖波形，例如，用于電子計數(shù)器的輸入通道中。（2）限幅 把信號波形幅度限制在一定范圍內(nèi)（3）微分 由矩形脈沖形成一個窄脈沖。在電子計數(shù)器、取樣示波器、廣譜信號源中廣泛使用。（4）合成 多種波形疊加成復雜波

37、形。例如合成CRT顯示的視頻信號波形。（5）變換 方波變成三角波或正弦波，三角波變成正弦波或方波，正弦波變成方波或三角波等。波形變換技術(shù)廣泛用于多波形函數(shù)發(fā)生器中。 7/28/202277現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.1電子測量中的變換技術(shù)(續(xù)）4）參量變換（1）AV變換電流、電壓、電阻之間的變換多用表中采用的AV變換，包括交流/直流（AC/DC）、電流/電壓（I/V）和電阻/電壓（/V）的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了交、直流電壓、電流、電阻等多種測量功能。（2）V/F變換模擬直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率（3）V/T變換模擬直流電壓轉(zhuǎn)換成時間 （4）網(wǎng)絡參數(shù)的變換7/28/202278現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.1電子測量中的變

38、換技術(shù)(續(xù)）5.能量變換能量變換是泛指其他多種形式的物理量與電學量之間的變換。傳感器就是能量變換器，即從非電量變換成電量一般分為參量變換器及電勢變換器兩大類：參量變換器是將各種物理量變換成電阻、電感、電容或磁導率等。例如，常用的電阻絲應變片、電感式變換器、電容式變換器電勢變換器是將各種物理量變換成電勢、電流等電量的變換器，例如，感應變換器、光電變換器、壓電變換器、熱電偶等。在顯示器中，把電量變換成非電量機械量、光學量等。如指針的偏轉(zhuǎn)、發(fā)光的數(shù)碼、字符和圖像等。6.模/數(shù)和數(shù)/模變換7/28/202279現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.1電子測量中的變換技術(shù)(續(xù)）例：試說明實現(xiàn)彈簧稱、指針式直流電壓表、

39、電子示波器等三種儀器的測量功能中所采用的變換技術(shù)。解（1）彈簧稱把物體的重量變成了彈簧長度的形變，進行了機械量到機械量的變換； （2）指針式直流電壓表電壓的量值變成了電表指針偏轉(zhuǎn)角的大小，進行了電量到機械量的變換；（3）示波器把電信號的波形無失真地變換成了在熒光屏上光信號的波形，進行了電到光的變換。7/28/202280現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.1電子測量中的變換技術(shù)(續(xù)）例 試以數(shù)字多用表測量交流電流為例，闡述變換技術(shù)在電子測量中的應用。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。7/28/2022

40、81現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.1電子測量中的變換技術(shù)(續(xù)）例：一個工件傷痕檢測系統(tǒng)使用的變換技術(shù)機械量信息到光信號；光信號變換成電信號；電信號被放大，進行了幅度變換；對電信號比較、校正的處理后抽取出了有關(guān)傷痕的有用信息；電信號到光信號的變換。 7/28/202282現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.2 電子測量中的比較技術(shù)1.比較的基本概念被測量為x、標準量為s、比較電路輸出為y。當xs時，y=YH當x=s 時，y出現(xiàn)一個躍變信號7/28/202283現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.2 電子測量中的比較技術(shù)(續(xù))（1）比較的基本類型（按功能分）：標量比較它只識別兩個同類的未知量是否相等，例如兩個爐子溫度是否相等，

41、矢量比較它識別一組同類的未知量的相對大小，并按照由大到小（或由小到大）的順序排列起來。差值比較利用具有減法運算功能的比較電路，取出兩個未知量之間的間隔大?。ú钪担?，并對差值進行比較。比值比較它選擇某個點作為參考點，將每次測量值除以參考值，確定它們的相對大小。例如，在一組測量值中以最大測量值作參考，得到測量值以百分數(shù)表示。量化比較被測未知量與標準單位量比較，確定它是該單位的若干倍或是若干分之一。A/D轉(zhuǎn)換器是基于量化比較的典型部件。7/28/202284現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.2 電子測量中的比較技術(shù)(續(xù))（2）電子測量中的典型比較方法差值運算比較 A零示法：若測量過程中調(diào)節(jié)標準量s，使y=0（

42、電路平衡、指示器為零）時，則x=s；B偏轉(zhuǎn)法：若測量過程中選擇接近x的s，指示器測出微小差值y，則x=s+y（微差法）比例運算比較 y=x/s A零示法：若調(diào)節(jié)標準量S，使y=1（電路平衡，指示器為1），則x=sB. 偏轉(zhuǎn)法：若固定S值，指示器測出y值，則x=y.s7/28/202285現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.2 電子測量中的比較技術(shù)(續(xù))2.電壓比較（1）電平比較兩個模擬電壓的大小的比較是用電壓比較器來實現(xiàn)的 7/28/202286現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.2 電子測量中的比較技術(shù)(續(xù))（2）差值型比較采用能輸出模擬差值電壓的減法運算放大器。實現(xiàn)減法運算功能的方法也有差動型比較和求和型比較兩種

43、。（3）比例型比較具有除法或比例運算功能的電路或部件，也可完成被測量與標準量的比較。例如，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器中，被測電壓與標準電壓之間具有如下關(guān)系：7/28/202287現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.2 電子測量中的比較技術(shù)(續(xù))3.阻抗比較電橋電路具有對稱差動的電路結(jié)構(gòu)，是一種電量天平，可以十分方便地實現(xiàn)差值檢測和比例比較的功能。電橋電路具有靈敏度高、測量范圍寬，溫度補償容易實現(xiàn)，測量電路的零點調(diào)節(jié)方便。（a）比例臂電橋 （b）有源電橋 （c）電壓電橋 （d）電流電橋7/28/202288現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.2 電子測量中的比較技術(shù)(續(xù))例. 比例運算比較（半橋）電路 7/28/202289

44、現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.2 電子測量中的比較技術(shù)(續(xù))4.頻率（時間）比較時間差值比較：用R-S觸發(fā)器可實現(xiàn)時差的比較 7/28/202290現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.2 電子測量中的比較技術(shù)(續(xù))差頻比較： 混頻器可以實現(xiàn)兩個頻率的減法運算 還可利用差頻比較法測量頻率比例比較：測頻率 fx=Nfs ；測周期 Tx=NTS7/28/202291現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.2 電子測量中的比較技術(shù)(續(xù))5. 相位比較使用鑒相器（1）用乘法器或相敏檢波器鑒相7/28/202292現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.2 電子測量中的比較技術(shù)(續(xù))（2）脈沖與數(shù)字式鑒相器 觸發(fā)器構(gòu)成的脈沖鑒相器:RS觸發(fā)器或D觸發(fā)器數(shù)

45、字式鑒相器:由相位比較器（9個與非門）和電荷泵組成 6. 數(shù)字比較二進制的數(shù)N1和N2加于異或門的輸入端，即可進行比較 7/28/202293現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.2 電子測量中的比較技術(shù)(續(xù))例 差動型電容式傳感器能把位移、壓力、振動、液面位置等物理量的變化，可高分辨地轉(zhuǎn)換成兩個電容值之差值，即C=C1-C2（C1 C2一般很小，為幾皮法到幾十皮法），測量出C，即可測出其被轉(zhuǎn)換的物理量。 7/28/202294現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.3 電子測量中的處理技術(shù)信號運算與處理是電子測量中的基本技術(shù)淺層的信息處理基本上屬于對信息的形式化關(guān)系所作的變換或處理，僅僅利用了語法信息的因素。例如，在測量

46、交流電壓的平均值、峰值、有效值時，需要對信號進行加、減、乘、除、平方、開方、平均、取絕對值、峰值等運算與處理。深層信息處理（特別是直接與優(yōu)化、決策、認知等相聯(lián)系的信息處理）的目的是為了要從原始信息中獲得相關(guān)的“知識” 運算電路分為模擬運算電路和數(shù)字運算電路兩大類 7/28/202295現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.3 電子測量中的處理技術(shù)(續(xù))1. 基本模擬運算運算放大器輔之以不同的電路元件，可以組成諸如比例、加減、微分、積分、對數(shù)、指數(shù)和乘除等電路 （1）四則運算電路 7/28/202296現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.3 電子測量中的處理技術(shù)(續(xù))指數(shù)和對數(shù)運算電路則是利用二極管的電流與其端電壓在一定

47、條件下存在的指數(shù)關(guān)系來實現(xiàn)。7/28/202297現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.3 電子測量中的處理技術(shù)(續(xù))乘法運算或除法運算：模擬乘法器：是新型集成器件，是利用晶體管的非線性特性。 7/28/202298現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.3 電子測量中的處理技術(shù)(續(xù))（2）積分和微分電路運算放大器外接電感和電容等儲能元件，則利用電路在時域中的過渡過程可形成積分電路和微分電路；利用其頻域特性則可構(gòu)成形形色色的濾波電路 7/28/202299現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.3 電子測量中的處理技術(shù)(續(xù))（3）有源濾波器 按照頻譜分析的觀點，任何信號都是一些不同幅度和不同頻率的正弦信號的組合。在被測信號中，除了有用的頻

48、率成分之外，往往不可避免地含有一些無用噪聲的頻率成分。濾波器的功能就是利用其頻率特性來保留有用的頻率成分，削弱或消除無用的頻率成分，即具有信號分離的功能。分為低通、高通、帶通和帶阻等不同濾波器。7/28/2022100現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.3 電子測量中的處理技術(shù)(續(xù))例 運算與處理功能在電壓測量中的應用。計算公式第一級為模擬乘法器，完成被測電壓的平方運算；第二級為積分器，完成平均運算；第三級為開方器，完成開平方根的運算；最后一級為放大器，按一定比例放大的直流輸出電壓去驅(qū)動電表使電表，按被測電壓的有效值進行線性刻度。7/28/2022101現(xiàn)代電子測量技術(shù)1.6.3 電子測量中的處理技術(shù)(續(xù))2.數(shù)字計算與數(shù)字信號處理基于數(shù)字邏輯電路的硬件方式：利用現(xiàn)有的各種數(shù)字邏輯門、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器、全加器等，以及各種CPLD、FPGA等可編程邏輯，組成各種數(shù)字邏輯的運算與控制單元?；谖⑻幚砥骱臀⑿陀嬎銠C的嵌入式系統(tǒng)的軟件方式：通過軟件編程，可完成各種數(shù)字與邏輯的運算。它不僅能完成常用的數(shù)學運算，而且能實現(xiàn)統(tǒng)計運算、FFT運算等。運算功能強、精度高、速度快、靈活性及抗干擾性強。再加之微機和單片機的邏輯運算與控制功能，實現(xiàn)現(xiàn)代測試儀器系統(tǒng)的智能化、自動化、虛擬化和網(wǎng)絡化。7/28/