電子感測技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)

第1章電子感測技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)

Chapter1BasicKnowledge§1.1電子測量任務(wù)及方法§1.2測量誤差與處理§1.3測量基礎(chǔ)實(shí)務(wù)——能力目標(biāo)——能準(zhǔn)確的表達(dá)測量結(jié)果。能針對(duì)不同的測量對(duì)象正確選用合適的測量方法?！?-1電子測量任務(wù)和方法TasksandMethodsofElectronicMeasurement電子測量泛指以電子技術(shù)為基本手段的一種測量技術(shù)。測量學(xué)+電子學(xué)電子測量電量間接電量1.電子測量的任務(wù)（TasksofElectronicMeasurement）1、主要三參數(shù)：電壓阻抗頻率（數(shù)字量）2、表達(dá)四要素：大小正負(fù)單位誤差沒有單位的測量數(shù)據(jù)無價(jià)值的！（少數(shù)相對(duì)值和規(guī)定量除外）不帶誤差的測量結(jié)果不可信的！例:在一個(gè)電阻R1上多次測得直流電壓范圍U=4.75~5.25mV.ER1IUR2R0+-（1）大?。海?）正負(fù)：（3）單位：（4）誤差：5+（正）mV絕對(duì)誤差±0.25mV或相對(duì)誤差±5％測量值三種表達(dá)形式：U=4.75~5.25mVU=5±0.25mVU=5mV±5％[訓(xùn)練任務(wù)]能準(zhǔn)確的表達(dá)測量結(jié)果改正下列測量結(jié)果的寫法：（1）3.35MHz±5.8kHz（2）7.8500V±0.253V（3）320014Ω±528Ω（4）2.5A±1.683x10－6A參考答案:（1）3350±5.8kHz（2）7.850±0.253V（3）320.014±0.528KΩ（4）2.500x106±1.683uA

被測量y=x的測定值或儀表示值。直接從儀表上讀出被測量，是最基本的測量方法，應(yīng)用最廣。1)直接測量電子卡尺2.電子測量的方法（MethodsofElectronicMeasurement）2)間接測量y=f(xi)指通過直接測量與被測量有函數(shù)關(guān)系的量，通過函數(shù)關(guān)系求得被測量值的測量方法。常用于：（1）y不能直接測量（2）直接測量較困難（3）要求測量結(jié)果精度更高例：測量功率PP=UI=I2R=U2/Ry=P，x1=U，x2=I，x3=R，均為直接測量所得。（阿基米德測量皇冠的比重）E=I0R0+UE=I1R0+U1E=I2R0+U2R2=∞時(shí)，由于電壓表內(nèi)阻Rv≠∞,產(chǎn)生的誤差與R0值成正比I1=U1/R1I2=U2/R2ER1IUR2R0+-則R0=（U2/U1-1)R13)組合(聯(lián)立)測量yi=f(xi)被測量與多個(gè)未知測定值有組成聯(lián)立方程的函數(shù)關(guān)系§1.2測量誤差和處理

Measurementerrorandprocession

——能力目標(biāo)——能看懂相關(guān)說明書中常見的誤差表達(dá)形式。能根據(jù)要求處理測量結(jié)果（含求得誤差），并以多種形式準(zhǔn)確表達(dá)測量結(jié)果。能對(duì)三種不同性質(zhì)的誤差進(jìn)行適當(dāng)處理。1.誤差理論Theoryoferror1)電子測量誤差主要來源①儀表誤差②環(huán)境變化③人為誤差特點(diǎn):絕對(duì)誤差是一個(gè)具有確定的大小、符號(hào)及量綱的量。意義:絕對(duì)誤差表示偏離真值的程度。定義:2)誤差表示（重點(diǎn)、難點(diǎn)）（1）絕對(duì)誤差absoluteerror[訓(xùn)練任務(wù)1]掌握絕對(duì)、相對(duì)誤差的表達(dá)形式測量值偏離實(shí)際值(大小、方向(正負(fù))）測量值真值a0

實(shí)際測量的情況下,a0是不存在的,常用實(shí)際值a來代替。絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差實(shí)際值a有三種情況：相對(duì)真值近真值修正后值精度高一級(jí)儀表測量值x0=a算術(shù)平均值x=ax+c=ac=-Δ修正值(correction)（2）相對(duì)誤差relativeerror定義：被測量的真值，常用實(shí)際值代替

相對(duì)誤差特點(diǎn)：相對(duì)誤差只有大小和符號(hào)，而無量綱，一般用百分?jǐn)?shù)來表示。相對(duì)誤差常用來衡量測量的準(zhǔn)確程度、不確定度。絕對(duì)誤差意義:實(shí)際相對(duì)誤差示值相對(duì)誤差引用(滿度)相對(duì)誤差相對(duì)誤差三種表示形式[訓(xùn)練任務(wù)2]學(xué)會(huì)相對(duì)誤差的應(yīng)用

現(xiàn)需要購買一個(gè)萬用表，用于電壓的測量，被測電壓的范圍大概在1~8V間，要求測量的最大絕對(duì)誤差不可超過50mV，暫無其它要求的情況下，問該挑選哪個(gè)等級(jí)的萬用表呢？應(yīng)用1：

最大實(shí)際相對(duì)誤差最大示值相對(duì)誤差反映儀表的最大誤差范圍或不確定度三種相對(duì)誤差的應(yīng)用引用(滿度)相對(duì)誤差又稱滿度誤差，用于評(píng)價(jià)儀表精確度

電工儀表共分七級(jí)：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0儀表量程（滿度值）最大絕對(duì)誤差滿度相對(duì)誤差：±0.1%儀表等級(jí)=引用相對(duì)誤差應(yīng)用2

用0.5級(jí)5A表，分別測量2A和3A電流（理論值），問同樣的量程哪次測量結(jié)果更精確呢？=±0.5%ym=5Ax1=2A，x2=3A

先求出△實(shí)際相對(duì)誤差=△/x1=±2.5×10-2/2=±1.25%=△/x2=±2.5×10-2/3=±0.8%=5A×(±0.5%)=±2.5×10-2A△=結(jié)論：同一個(gè)儀表同一量程，絕對(duì)誤差和引用（滿度）相對(duì)誤差是相同的；實(shí)際相對(duì)誤差、測量相對(duì)誤差是不同的。被測值越接近所選擇的量程誤差越小。為了提高測量精度，測量時(shí)調(diào)整儀表量程使其示值

假如你是一名檢測工程師，抽檢工廠生產(chǎn)的0.5級(jí)電流表，量程選擇為30mA。挑選其中一只經(jīng)檢測，絕對(duì)誤差在-0.12~0.1mA之間，問該表合格否？解：

=±0.5%，ym=30mA，△=-0.12~0.1mA該表的最大絕對(duì)誤差為=30mA×±0.5%=±0.15mA=-0.15~+0.15mA檢測結(jié)果△在△m范圍內(nèi)，因此該表合格。應(yīng)用3

測量一個(gè)約8V的電壓?，F(xiàn)有兩臺(tái)電壓表，一臺(tái)量程為30V，0.5級(jí)，另一臺(tái)量程為10V，1.0級(jí)。問選那一臺(tái)好？解：

應(yīng)用4

用30V，0.5級(jí)電壓表時(shí)，最大測量相對(duì)誤差用10V，1.0級(jí)電壓表時(shí)，最大測量相對(duì)誤差10V，1.0級(jí)電壓表測量該電壓時(shí)，精度比較高，選用該表較好。隨機(jī)誤差randomerror系統(tǒng)誤差systematicerror粗大誤差grosserror按性質(zhì)分類3)誤差性質(zhì)[訓(xùn)練任務(wù)3]了解三種誤差性質(zhì)及常用處理方法（1）隨機(jī)誤差（randomerror）

相同測量條件下，多次測量同一量值時(shí)，絕對(duì)值和符號(hào)以不可預(yù)知的方式變化的誤差，稱為隨機(jī)誤差或偶然誤差，簡稱隨差。定義：產(chǎn)生原因：

實(shí)驗(yàn)條件的偶然性微小變化，如噪聲干擾、電源波動(dòng)、元件老化等。誤差不可預(yù)知、不重復(fù)特征:多次測量時(shí)服從正態(tài)（高斯）分布(a)隨機(jī)誤差(b)測量數(shù)據(jù)0)(p

xp(x)0隨機(jī)誤差和測量數(shù)據(jù)的正態(tài)分布曲線隨差正態(tài)分布圖誤差出現(xiàn)概率P（iD）-3s3siD零界零界0隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律：A)正負(fù)誤差對(duì)稱性B)中間差小單峰性C)兩邊差大有界性D)多次測量抵償性降低隨差的處理方法:增加測量次數(shù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，求出誤差范圍（2）系統(tǒng)誤差（systematicerror）

相同測量條件下，多次測量同一量值時(shí)，絕對(duì)值和符號(hào)保持不變，或在條件改變時(shí)，按某一確定規(guī)律變化的誤差，稱為系統(tǒng)誤差，簡稱系差。定義：產(chǎn)生原因：

儀表刻度不準(zhǔn)，未校零點(diǎn)，預(yù)熱不夠和元器件理想化，方法誤差等。處理:特征:1）定值重復(fù)性，側(cè)后可修正1）從產(chǎn)生根源采取措施，減小誤差2）用修正法加以修正實(shí)際值＝測量值＋修正值3）采用特殊測量方法如替代法、交換法、對(duì)稱測量法等2）變值規(guī)律性，測前可控制總之：測前電路控制，測后數(shù)據(jù)修正次數(shù)統(tǒng)計(jì)隨差小,精密度高精密度：重復(fù)測量時(shí)，測量結(jié)果的分散性準(zhǔn)確度：精(確)度：測量平均值與真值的接近程度系差和隨差綜合影響程度系差小,準(zhǔn)確度高兩差小,精度高例:打靶中的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差（3）粗大誤差（grosserror）

明顯偏離真值的誤差，稱為粗大誤差或疏忽誤差、過失誤差，簡稱粗差。定義：產(chǎn)生原因：1）人為差錯(cuò)2）外界條件突變處理：逐個(gè)剔除壞值xj,直到|Δi|≤3σ=△m誤差性質(zhì)特點(diǎn)產(chǎn)生原因處理方法隨機(jī)誤差（隨差）只能處理，不能改善單峰性有界性對(duì)稱性抵償性元器件老化外界干擾電源波動(dòng)量化誤差增加測量次數(shù)算出誤差范圍定出儀表等級(jí)和適用范圍系統(tǒng)誤差(系差)可以改善重復(fù)性規(guī)律性未校零，刻度不準(zhǔn)，預(yù)熱不夠，元器件理想化（1）算出修正值，進(jìn)行修正a=x+C（2）用電路或元器件進(jìn)行控制粗大誤差(粗差)可以避免和剔除出現(xiàn)壞值人為大錯(cuò)外界條件突變通過計(jì)算識(shí)別后予以剔除，多個(gè)壞值先剔除最大的一個(gè)2.數(shù)據(jù)處理dataprocessing

1)數(shù)據(jù)整理（1）誤差位對(duì)齊法：（2）有效數(shù)字取舍法：有效數(shù)字：從左邊非零數(shù)字開始，到右邊末個(gè)數(shù)字(含零)的全部數(shù)字。舍入規(guī)則：“四舍五入，偶不入，有尾入”誤差小數(shù)位=數(shù)據(jù)小數(shù)位[例]

對(duì)下列數(shù)字取三位有效數(shù)字12.3412.3612.3512.4512.45112.3≤4舍12.4≥6進(jìn)位12.45前面是奇數(shù)則進(jìn)位（五入）12.45前面偶數(shù)則不進(jìn)位（偶不入）12.55后面有尾數(shù)則進(jìn)位（有尾入）逢五三思

25.3312.4344→ 63.73501→0.69499→25.3251→ 17.6955→123.115→12.4363.740.69

17.70123.12例：將下列數(shù)據(jù)舍入到小數(shù)第二位。N次數(shù)據(jù)xi按序列表NO

YESa△m2)直接測量的數(shù)據(jù)處理說明：系統(tǒng)誤差由電路抵消或修正，其值已很?、賹次測量數(shù)據(jù)，按序列表。n=N-jN……321i。②求出算術(shù)平均值③列出剩余誤差，并驗(yàn)證④計(jì)算均方根誤差（標(biāo)準(zhǔn)偏差）⑤按準(zhǔn)則，檢查和剔除粗大誤差；重復(fù)從②算起，直到所有⑥計(jì)算算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差⑦寫出最后結(jié)果的表達(dá)式:

（單位）可認(rèn)為無系統(tǒng)誤差的測量結(jié)果測量結(jié)果的表達(dá)式：正態(tài)分布算術(shù)平均值的最大誤差范圍（極限誤差），超過零界的誤差出現(xiàn)概率只有0.3％測量結(jié)果的圖形描述(a)等積平滑法(b)分組折中法(c)對(duì)數(shù)壓縮法0yxi0f(Hz)10102101010345U0Ui進(jìn)一步壓縮0yxi體現(xiàn)了平均方法體現(xiàn)了平均和修正方法1）已知某傳感器的轉(zhuǎn)換特性為U=8x（mV），當(dāng)位移量x（mm）=0，1，2，3，4和5時(shí)，測得輸出電壓U（mV）=0.18.016.324.131.6和39.7。求出其最大絕對(duì)誤差和儀表量程為50mV時(shí)的儀表精度等級(jí)。2）1.5級(jí)電壓表在3V的量程上測量一個(gè)實(shí)際值為2V的電壓時(shí)，求儀表測量值的不確定度和測量值的最大范圍。下列幾種誤差中，屬于隨機(jī)誤差的有（），屬于系統(tǒng)誤差的有（），屬于粗大誤差的有（）。（1）儀表未校零；（2）測評(píng)時(shí)的量化誤差；（3）讀數(shù)錯(cuò)誤；（4）運(yùn)放理想化引起的誤差；（5）環(huán)境條件突變；（6）噪聲干擾。2、61、43、5——能力目標(biāo)——能熟練轉(zhuǎn)換交流電壓的三值。能熟練換算電壓與電平、功率與電平。能熟練檢測電容、電感，同時(shí)測出電流電壓間的相位差,并得出阻抗。能熟練使用萬用表判斷晶體管的好壞，極性和管腳?！?.3測量基礎(chǔ)實(shí)務(wù)BasicOperationofMeasurement[訓(xùn)練任務(wù)1]掌握交流電壓量值及轉(zhuǎn)換關(guān)系P790U(t)UP+U0UP-UmUPPt(1)峰值(peakvalue)UP正峰值Up＋負(fù)峰值Up－幅值(amplitudevalue)Um：峰峰值(peaktopeakvalue)UPP:Um=UPP/2UPP=(UP＋)-(UP-)說明：不同電表均以正弦波有效值U0來標(biāo)定刻度的，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用的統(tǒng)一性。

(2)有效值(virtualvalue)U有效值又稱均方根值(3)平均值（MeanValue

）:

(4)波峰因數(shù)Kp和波形因數(shù)KF:又稱全波整流后的平均值意義：避免對(duì)稱波形平均值為零的情況，反映一個(gè)電波的實(shí)際平均效果。峰值有效值有效值平均值有效值平均值峰值有效值平均值例1:圖示為一正弦波，其峰峰值為6V，U0=2.5V,求其負(fù)峰值、正峰值、幅值、有效值和平均值各為多少？U00Ut讀寫、計(jì)算方便如：多級(jí)放大器的總放大倍數(shù)為各級(jí)放大倍數(shù)相乘，用分貝則可改用相加。能如實(shí)地反映人對(duì)聲音的感覺實(shí)踐證明，聲音的分貝數(shù)增加或減少一倍，人耳聽覺響度也提高或降低一倍。即人耳聽覺與聲音功率分貝數(shù)成正比。如：蚊子叫聲與大炮響聲相差100萬倍，但人的感覺僅有60倍的差異，而100萬倍恰是60dB。[訓(xùn)練任務(wù)2]熟練換算U/dB、P/dB

在電參數(shù)中，常取兩功率或兩電壓之比的對(duì)數(shù)，來表示電平（增益、衰減或靈敏度等）。

功率之比的對(duì)數(shù)：對(duì)兩個(gè)功率之比取對(duì)數(shù)：若Px=10P0，則，稱作1貝爾（Bel）電平的定義電壓之比的對(duì)數(shù)：若R1=R2，則兩邊取對(duì)數(shù)，可得：通常Po=1W或1mW是0dB的參考值。功率、電壓和電平間的轉(zhuǎn)換:在實(shí)際應(yīng)用中，貝爾太大，常用分貝（dB）來度量1貝爾=10dB相對(duì)電平：11.25-10.8321010如果1V為0dB，則2V為

dB，20mV為

dB？如果1mW為0dB，則15mW為

dBm，0.3W為

dBm？[解]解題方法可分三步：（1）35dB=10dB+10dB+10dB+3dB+3dB－1dB→10×10×10×2×2×1/1.25=3200（電壓增益為）（2）－35dB→1/3200=3.1×10－4（電壓衰減量為

×10－2）（3）－35dBm→Px/1mw=3.1×10－4mw，則最小輸入功率Px=3.1×10－4mw

[例]某放大器的靈敏度為－35dBm，問其最小輸入功率為多少？阻抗（Z）是描述網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的一個(gè)重要參量在集總電路（Lumpedcircuit）中：表明能量損耗的參量是電阻R（Resistance）

表明系統(tǒng)儲(chǔ)存能量及變化的參量是：

電感L（Inductance）和電容C（Capacity）元件內(nèi)電磁感現(xiàn)象非常復(fù)雜理想電阻Z=R考慮引線電感Z=R+jωL0考慮引線電感和分布電容Z=(R+jωL0)//1/jωC0小值電阻RX的測量

電橋法（惠斯頓電橋法:阻值小<100歐姆，精度高）

復(fù)習(xí)直流電橋基本原理電橋平衡條件[訓(xùn)練任務(wù)3]了解小值電阻測量方法R1R0R2RxU0伏安法（間接測量，帶電測量）理論依據(jù)：歐姆定律兩種測量電路(a)電流表內(nèi)接(b)電流表外接可求出中界電阻來選用合適的測量電路[訓(xùn)練任務(wù)4]掌握中界值選擇合適測量方法(a)電流表內(nèi)接(b)電流表外接電流表內(nèi)接法的相對(duì)誤差：△1=X-a=(RA+Rx)-Rx=RA電流表外接法的相對(duì)誤差：△2=X-a=[RVRx/(RV+Rx)]-Rx當(dāng)γ1=γ2時(shí)，求得中界電阻：結(jié)論：當(dāng)RX<ROX時(shí)，采用外接法當(dāng)RX>ROX時(shí)，采用內(nèi)接法電容的主要作用：儲(chǔ)存電能。它由兩片金屬中間夾絕緣介質(zhì)構(gòu)成。電容的測量主要包括電容值與電容器損耗（通常用損耗因素D表示）兩部分內(nèi)容。電感的主要作用：儲(chǔ)存磁場能。它一般是用金屬導(dǎo)線繞制而成。電感的測量主要包括電感量與損耗（通常用品質(zhì)因素Q表示）兩部分內(nèi)容。[訓(xùn)練任務(wù)5]掌握阻抗的基本測量方法L-R電路阻抗測量電路示意圖

LX標(biāo)稱值為100uH，直流時(shí)損耗電阻0.3Ω，可以視為理想電感

幅度上的關(guān)系為w=2p

、u和uR通過示波器測得，R和w已知利用上式即可測得電感L的大小可以測得從信號(hào)源端看進(jìn)去的阻抗電流i和電壓u之間的相位差設(shè)L-R電路以i的相位作為參考，i的相位0°

i、u、uR、uL間的相位關(guān)系圖

電感的基本特性是阻礙電流的變化,所以電流總是滯后電壓90度。

C-R電路阻抗測量電路示意圖

電容剛通電的時(shí)候電流達(dá)到最大,所以電流超前電壓90度。

半導(dǎo)體管的檢測原理：（1）PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）表棒極性原理（模擬表）略1、數(shù)字式萬用表檢測量程檔：晶體管檢測檔[訓(xùn)練任務(wù)6]二、三極管和MOS管極性判別PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外電場方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。耗盡層變薄，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。于是內(nèi)電場對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；內(nèi)4外PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，增強(qiáng)內(nèi)電場。耗盡層變厚，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。內(nèi)電場對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流加大。此時(shí)PN結(jié)區(qū)少子漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流。P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。內(nèi)5外由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。45P113MOSFET是四端器件，G（柵極）、D（漏極）、S（源極）、P（襯底），其中襯底P和S源極一般內(nèi)部連在一起，因此外面看到的是G、D、S。

制作在P或N型襯底上，本質(zhì)上SD之間形成二極管。對(duì)于N溝MOSFET正極為S，負(fù)極為D，P溝相反。MOS管G與其他兩極是絕緣的，與襯底形成柵電容。用萬用表去探測G與D、S間的電阻因該是開路的。計(jì)數(shù)法測量fAfB倍頻器分頻器門控

記數(shù)窄脈沖主門t=TA/aT=NtN計(jì)數(shù)器門控脈沖T=bTB×a

÷b圖3.14計(jì)數(shù)法工作原理門控寬脈沖主門的兩個(gè)輸入分別是周期為t的計(jì)數(shù)窄脈沖，以及周期為T的門控脈沖。[訓(xùn)練任務(wù)7]掌握計(jì)數(shù)法測量頻率和周期的方法t＝TA/a倍頻器(×a)：t0UA分頻器(÷b)：t0UBt0UBT＝bTBt0UA門控：控制主門開、關(guān)時(shí)間主門：完成計(jì)數(shù)的閘門計(jì)數(shù)器：計(jì)數(shù)、記錄、顯示T＝NtTN四塊電路三端口，二入一出經(jīng)主門，寬控開關(guān)窄計(jì)數(shù)，越寬越窄高精度。fAfB倍頻器分頻器

門控記數(shù)窄脈沖主門t=TA/aT=NtN計(jì)數(shù)器門控脈沖T=bTB

×a

÷b圖3.14計(jì)數(shù)法工作原理門控寬脈沖×a÷b門控

1、測量頻率fX

fXfC放大整形