電子測量與儀器的基本概念

11電子測量與儀器22本章闡述了測量學(xué)科的豐富內(nèi)涵。介紹測量、計(jì)量的基本概念，即它們的意義、內(nèi)容、特點(diǎn)及應(yīng)用。討論測量原理、測量方法和測量系統(tǒng)中的共性問題。

第1章電子測量與儀器的基本知識331.1電子測量概述1.0.1測量的意義與內(nèi)容

日常生活中處處離不開測量科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展離不開測量，離開測量就不會有真正的科學(xué)。

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)44

1.0.1測量的意義與內(nèi)容

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(shí)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(gè)大型鋼鐵廠需要約2萬個(gè)測量點(diǎn)在高新技術(shù)和國防現(xiàn)代化建設(shè)中則更是離不開測量例如，每種新設(shè)計(jì)的飛機(jī)，需要測試飛機(jī)高速飛行中受氣流沖擊作用下的性能，通過風(fēng)洞試驗(yàn)測定機(jī)身、機(jī)翼的受力和振動分布情況，以驗(yàn)證和改進(jìn)設(shè)計(jì)。551.0.2測量的基本概念1.測量的基本定義測量是為了確定被測對象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程。在測量過程中，人們借助專門的設(shè)備，依據(jù)一定的理論，通過實(shí)驗(yàn)的方法將被測量與已知同類標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，獲得用數(shù)值和單位共同表示的測量結(jié)果。

661.0.2測量的基本概念測量的內(nèi)涵

①測量對象：被測客體中的相應(yīng)的量值信息；測量目的：從被測對象取得一個(gè)定量的認(rèn)識；②測量過程:通過實(shí)驗(yàn)去認(rèn)識對象的過程③測量方法：比較；A.直接比較B.間接比較；C.需要測量儀器；④測量標(biāo)準(zhǔn)：同類已知單位。⑤測量結(jié)果：最終能表示給測量主體（人）771.0.3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881.0.4計(jì)量的定義與意義1.計(jì)量的定義

為使在不同的地方，用不同的手段測量同一量時(shí)，所得的結(jié)果一致，就要求統(tǒng)一的單位、基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)和測量器具。

2.計(jì)量的意義計(jì)量是一種特殊形式的測量，它把被測量與國家計(jì)量部門作為基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)的同類單位量進(jìn)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(jì)量是利用技術(shù)和法制手段實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠的測量。計(jì)量的三個(gè)主要特征是統(tǒng)一性、準(zhǔn)確性和法制性。1985-09-06，全國人大常委會通過了《中華人民共和國計(jì)量法》991.0.4計(jì)量的定義和意義3.計(jì)量與測量的關(guān)系測量發(fā)展的客觀需要才出現(xiàn)了計(jì)量。測量是計(jì)量應(yīng)用的重要途徑。沒有測量，計(jì)量將失去價(jià)值為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須定期對儀器進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，這個(gè)過程就是計(jì)量。計(jì)量的任務(wù)是確定測量結(jié)果的可靠性。計(jì)量是測量的基礎(chǔ)和依據(jù)。沒有計(jì)量，也談不上測量。計(jì)量和測量相互配合，才能在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。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)保證和技術(shù)監(jiān)督的作用。10101.0.5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(gè)同類量值進(jìn)行比較的基礎(chǔ)。英呎——feet11111.0.5單位和單位制1960年第十一屆國際計(jì)量大會上正式通過國際單位制SI。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)。SI有7個(gè)基本單位12121.0.5單位和單位制表1SI基本單位

長度米m

質(zhì)量千克(公斤)kg

時(shí)間秒s

電流安[培]A

熱力學(xué)溫度開[爾文]K

物質(zhì)的量摩[爾]mol

發(fā)光強(qiáng)度坎[德拉]cd量名稱單位名稱單位符號1.0.5單位和單位制SI導(dǎo)出單位是借助乘、除符號，通過代數(shù)式運(yùn)算用基本單位表示的單位.如：力的單位kg·m/s2

或kg·m·s－2.為了使用上的方便和習(xí)慣，也為了紀(jì)念杰出的科學(xué)家，在SI中對22個(gè)導(dǎo)出單位給出了專門名稱，其中17個(gè)用科學(xué)家的名字命名的.表2具有專門名稱的SI導(dǎo)出單位

量名稱單位名稱單位符號其他符號

頻率赫[茲]Hzs-1

力牛[頓]Nkg·m/s2

壓力，壓強(qiáng)，應(yīng)力帕[斯卡]PaN/m2

能[量]，功，熱量焦[耳]JN·m

功率，輻[射能]通量瓦[特]WJ/s

電荷[量]庫[侖]CA·s電壓,電動勢,電位,(電勢)伏[特]VW/A

電容法[拉]FC/V

電阻歐[姆]ΩV/A

電導(dǎo)西[門子]SA/V

磁通[量]韋[伯]Wb

W·s續(xù)表2

磁通[量]密度,

磁感應(yīng)強(qiáng)度特[斯拉]TWb/m2

電感亨[利]HWb/A

攝氏溫度攝氏度℃K[放射性]活度貝可[勒爾]Bqs-1

吸收劑量戈[瑞]GyJ/kg

劑量當(dāng)量希[沃特]SvJ/kg

光通量流[明]lmcd·sr[光]照度勒[克斯]lxlm/m2[平面]角弧度rad1m/m=1

立體角球面度sr1m2/m2=1

催化活性卡塔(未標(biāo)準(zhǔn)化)katmol/s

3)我國選定的非SI的單位

共16個(gè)(表3)，其中14個(gè)為國際計(jì)量大會選定的可與SI并用(11個(gè))或暫時(shí)可與SI并用（3個(gè)）的非SI單位.

表3我國選定的非SI的單位

量名稱單位名稱單位符號

時(shí)間分min[小]時(shí)h

天(日)d[平面]角[角]秒″[角]分′

度°

量名稱單位名稱單位符號

質(zhì)量噸t

原子質(zhì)量單位u

體積升L,(l)

能電子伏eV

級差分貝dB

長度海里nmile

速度節(jié)kn

面積公頃hm2

旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)每分r/min

線密度特[克斯]tex續(xù)表318181.0.5單位和單位制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(jìn)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(jìn)倍數(shù)。例：5.4X10-9s=5.4ns

19191.0.6測量的幾個(gè)術(shù)語（1）計(jì)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(jì)量儀器和計(jì)量裝置都統(tǒng)稱為計(jì)量器具。計(jì)量器具按作用可分為計(jì)量基準(zhǔn)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和工作計(jì)量器具三類。（2）計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具：準(zhǔn)確度低于計(jì)量基準(zhǔn)，用于檢定計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或工作計(jì)量器具的計(jì)量器具。（3）工作計(jì)量器具：工作崗位上使用，不用于進(jìn)行量值傳遞，而是直接用來測量被測對象量值的計(jì)量器具。20201.0.6測量的幾個(gè)術(shù)語（4）比對：在規(guī)定條件下，對相同準(zhǔn)確度等級的同類基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)或工作計(jì)量器之間的量值進(jìn)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(zhǔn)確度的計(jì)量器具對低一等級的計(jì)量器具進(jìn)行比較，以達(dá)到全面評定被檢計(jì)量器具的計(jì)量性能是否合格的目的。一般要求計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度為被檢者的1/3到1/10。（6）校準(zhǔn)：校準(zhǔn)是指被校的計(jì)量器具與高一等級的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)相比較，以確定被校計(jì)量器具的示值誤差（有時(shí)也包括確定被校器具的其他計(jì)量性能）的全部工作。（7）量值的傳遞：指一個(gè)物理量單位通過各級基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的輔助手段準(zhǔn)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。21211.1.1電子測量的意義與內(nèi)容電子測量的定義狹義：對電子技術(shù)中各種電參量的測量廣義：利用電子技術(shù)進(jìn)行的測量電子測量的內(nèi)容能量的測量電路參數(shù)的測量信號特性的測量電子設(shè)備性能的測量特性曲線的測量22221.1.2電子測量的特點(diǎn)頻率范圍寬量程廣精確度高測量速度快便于實(shí)現(xiàn)遙測遙控易于實(shí)現(xiàn)測量過程自動化23231.1.2電子測量方法直接測量間接測量組合測量2424課程簡介第一部分測量總論及誤差理論，介紹測量及電子測量的基本概念及基本方法，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(shí)域測量，以示波器為背景介紹時(shí)域信號波形的采集、顯示及應(yīng)用技術(shù)。第四部分頻域測量，重點(diǎn)討論頻域中的信號頻譜和網(wǎng)絡(luò)性能的測量，介紹測量激勵(lì)信號源的基本工作原理。25251.3測量誤差的基本概念

真值:

在一定的時(shí)間和空間環(huán)境條件下，被測量本身所具有的真實(shí)數(shù)值。當(dāng)時(shí)間、空間一定時(shí)，真值是客觀存在的確定數(shù)值真值是測不出來的測量誤差

:測量結(jié)果與真值之間的差別誤差至始至終存在與所有的工業(yè)測試和科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中研究誤差理論的目的正任務(wù)處理方式逆任務(wù)處理方式（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）26261.3.1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.絕對誤差給出值：被測量的測得值、儀器的示值、量具或元件的標(biāo)稱值、近似計(jì)算的近似值等真值的獲取方式：由理論給出或由計(jì)量學(xué)規(guī)定用滿足規(guī)定準(zhǔn)確度要求的實(shí)際值代替真值使用，可用高一等級的計(jì)量單位測得的量值作為實(shí)際值用已修正過的多次測量的算術(shù)平均值來代替真值使用

27271.3.1測量誤差的表示方法（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，稱為修正值被測量的實(shí)際值測量儀器的修正值可以通過上一級標(biāo)準(zhǔn)的檢定給出，修正值可以是數(shù)值表格、曲線或函數(shù)表達(dá)式等形式。2810

0.040.030.020.010I(mA)C（mA）絕對誤差和修正值是與給出值具有相同量綱的量。絕對誤差的大小和符號分別表示給出值偏離真值的程度和方向29291.3.1測量誤差的表示方法2.相對誤差一個(gè)量的準(zhǔn)確程度，不僅與它的絕對誤差的大小，而且與這個(gè)量本身的大小有關(guān)。（1）相對真誤差、實(shí)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(gè)有相同量綱的量的比值，只有大小和符號，沒有單位。30301.3.1測量誤差的表示方法實(shí)際相對誤差：用實(shí)際值A(chǔ)代替真值A(chǔ)0

示值相對誤差：用測量值X代替實(shí)際值A(chǔ)31311.3.1測量誤差的表示方法（2）滿度相對誤差（引用相對誤差）用測量儀器在一個(gè)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）32321.3.1測量誤差的表示方法電工儀表是按引用誤差γm之值進(jìn)行分級的。指儀表在工作條件下不應(yīng)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%在使用這類儀表測量時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?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。

33331.3.1測量誤差的表示方法[例1-3]某待測電流約為100mA，現(xiàn)有0.5級量程為0～400mA和1.5級量程為0～100mA的兩個(gè)電流表，問用哪一個(gè)電流表測量較好？用1.5級量程為0～100mA電流表測量100mA時(shí)的最大相對誤差為解：用0.5級量程為0～400mA電流表測100mA時(shí)，最大相對誤差為34341.3.1測量誤差的表示方法某單級放大器電壓增益的真值A(chǔ)為100，某次測量時(shí)測得的電壓增益A=95，求測量的相對誤差。解：增益的絕對誤差為：相對誤差：35351.3.2測量誤差的來源（1）儀器誤差：由于測量儀器及其附件的設(shè)計(jì)、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(yīng)速度、視覺疲勞、固有習(xí)慣、缺乏責(zé)任心等原因，而在測量中使用操作不當(dāng)、現(xiàn)象判斷出錯(cuò)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(zhǔn)確，如引起動態(tài)誤差等。36根據(jù)測量誤差的性質(zhì)與特點(diǎn)，可分為：系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差粗大誤差1.3.3

測量誤差的分類37系統(tǒng)誤差的定義定義：指在相同條件下多次測量同一量時(shí)，誤差的絕對值和符號保持恒定，或在條件改變時(shí)，按某種確定規(guī)律而變化的誤差。產(chǎn)生的主要原因是儀器的制造、安裝或使用方法不正確，環(huán)境因素（溫度、濕度、電源等）影響，測量原理中使用近似計(jì)算公式，測量人員不良的讀數(shù)習(xí)慣等。系統(tǒng)誤差表明了一個(gè)測量結(jié)果偏離真值或?qū)嶋H值的程度。系差越小，測量就越準(zhǔn)確。系統(tǒng)誤差的定量定義是：在重復(fù)性條件下，對同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差。即382、系統(tǒng)誤差的特征在同一條件下，多次測量同一量值時(shí)，誤差的絕對值和符號保持不變，或者在條件改變時(shí)，誤差按一定的規(guī)律變化。39（1）不變的系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)、修正和實(shí)驗(yàn)比對。（2）變化的系統(tǒng)誤差①

殘差觀察法，適用于系統(tǒng)誤差比隨機(jī)誤差大的情況 將所測數(shù)據(jù)及其殘差按先后次序列表或作圖，觀察各數(shù)據(jù)的殘差值的大小和符號的變化。3、系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)方法

存在線性變化的系統(tǒng)誤差無明顯系統(tǒng)誤差40②馬利科夫判據(jù)：若有累進(jìn)性系統(tǒng)誤差，D值應(yīng)明顯異于零。 當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，

當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，③阿貝－赫梅特判據(jù)：檢驗(yàn)周期性系差的存在。414、系統(tǒng)誤差的削弱或消除方法（1）從產(chǎn)生系統(tǒng)誤差根源上采取措施減小系統(tǒng)誤差①

要從測量原理和測量方法盡力做到正確、嚴(yán)格。②

測量儀器定期檢定和校準(zhǔn)，正確使用儀器。③注意周圍環(huán)境對測量的影響，特別是溫度對電子測量的影響較大。④

盡量減少或消除測量人員主觀原因造成的系統(tǒng)誤差。應(yīng)提高測量人員業(yè)務(wù)技術(shù)水平和工作責(zé)任心，改進(jìn)設(shè)備。（2）用修正方法減少系統(tǒng)誤差

修正值＝－誤差=－（測量值－真值） 實(shí)際值＝測量值＋修正值42（3）采用一些專門的測量方法①替代法②交換法③對稱測量法④減小周期性系統(tǒng)誤差的半周期法

4、系統(tǒng)誤差的削弱或消除方法431.3.3

測量誤差的分類隨機(jī)誤差定義：在實(shí)際相同條件下多次測量同一個(gè)量時(shí)，誤差的絕對值和符號以不可預(yù)知的方式變化著的誤差。隨機(jī)誤差主要由對測量值影響微小但卻互不相關(guān)的大量因素共同造成。這些因素主要是噪聲干擾、電磁場微變、零件的摩擦和配合間隙、熱起伏、空氣擾動、大地微震、測量人員感