电子测量技术基础(张永瑞)(第2版)第01章.ppt
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1、第 1 章电子测量的基本概念1.1测量与电子测量测量与电子测量1.2电子测量的内容和特点电子测量的内容和特点1.3电子测量方法的分类电子测量方法的分类1.4电子测量仪器的功能、电子测量仪器的功能、分类和主要性能指标分类和主要性能指标1.5计量的基本概念计量的基本概念小结小结习题习题11.1.1测量测量1.1测量与电子测量测量与电子测量 测量是通过实验方法对客观事物取得定量信息即数量概念的过程。人们通过对客观事物的大量观察和测量形成定性和定量的认识,归纳、建立起各种定理和定律,而后又通过测量来验证这些认识、定理和定律是否符合实际情况,经过如此反复实践,逐步认识事物的客观规律,并用以解释和改造世界
2、。事实上,可以说,评价一个国家的科技状态,最快捷的办法就是去审视那里所进行的测量以及由测量所累积的数据是如何被利用的。”电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。它是测量学和电子学相互结合的产物。电子测量除具体运用电子科学的原理、方法和设备对各种电量、电信号及电路元器件的特性和参数进行测量外,还可通过各种敏感器件和传感装置对非电量进行测量,这种测量方法往往更加方便、快捷、准确,有时是用其他测量方法所不能替代的。1.1.2电子测量电子测量近几十年来计算技术和微电子技术的迅猛发展为电子测量和测量仪器增添了巨大活力。电子计算机尤其是微型计算机与电子测量仪器相结合,构成了一代崭新的仪器和测试系
3、统,即人们通常所说的“智能仪器”和“自动测试系统”,它们能够对若干电参数进行自动测量、自动量程选择、数据记录和处理、数据传输、误差修正、自检自校、故障诊断及在线测试等,不仅改变了若干传统测量的概念,更对整个电子技术和其他科学技术产生了巨大的推动作用。现在,电子测量技术(包括测量理论、测量方法、测量仪器装置等)已成为电子科学领域重要且发展迅速的分支学科。1.2电子测量的内容和特点电子测量的内容和特点1.2.1电子测量的内容电子测量的内容1)电磁测量主要指交直流电量的指示测量法和比较测量法以及磁量的测量等。2)电子测量是指以电子技术理论为依据,以电子测量仪器和设备为手段,对电量和非电量进行的测量。
4、其中,对电量的测量可分为以下几个方面。通常人们把电参数测量分为电磁测量和电子测量两类。3.电路元件参数测量电路元件参数测量电路元件参数测量包括对电阻、电感、电容、阻抗、品质因数及电子器件参数等的测量。1.电能量测量电能量测量电能量测量包括对各种频率、波形下的电压、电流、功率等的测量。2.电信号特性测量电信号特性测量电信号特性测量可分为时域特性测量、频域特性测量和数据测量,具体包括对波形、频率、周期、相位、失真度、调幅度、调频指数、群迟延、信号带宽以及数字信号的逻辑状态等的测量。4.电子设备的性能测量电子设备的性能测量电子设备的性能测量包括对增益、衰减、灵敏度、频率特性、噪声指数等的测量。例如,
5、放大器的增益测量实际上就是对其输入、输出端电压的测量,再相比取对数得到增益分贝数;脉冲信号波形参数的测量可归结为对电压和时间的测量;许多情况下电流测量是不方便的,常以电压测量来代替。同时,由于时间和频率测量具有其他测量所不可比拟的精确性,因此人们越来越关注把对其他待测量的测量转换成对时间或频率的测量的方法和技术。上述各项测量内容中,尤以对频率、时间、电压、相位、阻抗等基本电参数的测量更为重要,它们往往是其他参数测量的基础。在科学研究和生产实践中,常常需要对许多非电量进行测量。传感技术的发展为这类测量提供了新的方法和途径。现在,可以利用各种敏感元件和传感装置将非电量(如位移、速度、温度、压力、流
6、量、物质成分等)变换成电信号,再利用电子测量设备进行测量。在一些危险的和人们无法进行直接测量的场合,这种方法几乎成为唯一的选择。在生产的自动过程控制系统中,将生产过程中各有关非电量转换成电信号进行测量、分析、记录并据此对生产过程进行控制是一种典型的方法,如图1.1-1所示。图1.1-1自动过程控制系统中非电量的测量与其他测量方法和测量仪器相比,电子测量和电子测量仪器具有以下特点。(1)测量频率范围宽。电子测量中所遇到的测量对象,其频率覆盖范围极宽,低至106 Hz以下,高至1012 Hz 以上。当然,不能要求同一台仪器能在这样宽的频率范围内工作,通常根据不同的工作频段采用不同的测量原理,使用不
7、同的测量仪器。1.2.2电子测量的特点电子测量的特点例如阻抗的测量,在低频段多采用电流电压法,而在微波段则必须采用开槽测量线或反射计技术。上述两种方法无论在原理上,还是在测量设备上都大不一样。当然,随着技术的发展,能在相当宽的频率范围内正常工作的仪器不断地被研制出来。例如,现在一台较为先进的频率计,其频率测量范围可以低至106 Hz,高至1011 Hz。(2)测量量程宽。量程是测量范围的上、下限值之差或上、下限值之比。电子测量的另一个特点是被测对象的量值大小相差悬殊。例如,地面上接收到的宇宙飞船自外太空发来的信号功率低至10-14 W 数量级,而远程雷达发射的脉冲功率可高达108 W,两者之比
8、为11022。一般情况下,使用同一台仪器,同一种测量方法,是难以覆盖如此宽广的量程的。如前所述,随着电子测量技术的不断发展,单台测量仪器的量程也可以很高。例如中档次的国产 YM3371 型数字频率计,其测频范围为10 Hz1000 MHz,国产WC2180型交流微伏表可以测量5 V300 V 的交流电压,量程为16107。一些更为先进的仪器其量程更宽。例如高档次的数字万用表直接测量的电阻值为31053108,量程为11013。前面提及的较完善的电子计数式频率计其量程达11017。(3)测量准确度高低相差悬殊。就整个电子测量所涉及的测量内容而言,测量结果的准确度是不一样的,有些参数的测量准确度可
9、以很高,而有些参数的测量准确度却又相当低。例如,对频率和时间的测量准确度可以达到10131011的数量级,这是目前在测量准确度方面达到的最高指标,而长度测量的最高准确度为108数量级。可惜除了频率和时间的测量准确度很高之外,其他参数的测量准确度相对都比较低。例如,直流电压的准确度当前可达到106数量级,音频电压为104数量级,射频电压仅为103数量级,而品质因数Q值和电场强度的测量准确度只有101数量级。造成这种现象的主要原因在于电磁现象本身的性质,使得测量结果极易受到外部环境的影响,尤其在较高频率段,待测装置和测量装置之间、装置内部各元器件之间的电磁耦合、外界干扰及测量电路中的损耗等对测量结
10、果的影响往往不能忽略却又无法精确估计。(4)测量速度快。由于电子测量基于电子运动和电磁波的传播,加之现代测试系统中高速电子计算机的应用,使得电子测量无论在测量速度还是在测量结果的处理和传输上都可以以极高的速度进行。(5)可以进行遥测。电子测量可以将现场各待测量转换成易于传输的电信号,用有线或无线的方式传送到测试控制台(中心),从而实现遥测和遥控。(6)易于实现测试智能化和测试自动化。电子测试技术与计算机技术的紧密结合与相互促进,为测量领域带来了极为美好的前景。(7)影响因素众多,误差处理复杂。造成测量误差的原因是多方面的。客观上影响测量结果及测量误差的因素大体上可分为外部因素和内部因素。能对测
11、量结果产生影响的量称为影响量,它通常来自测量系统的外部,如环境温度、湿度、电源电压、外界电磁干扰等。测量系统内部会对测量结果产生影响的工作特性,称为影响特性。例如,交流电压表中检波器的检波特性会随着被测电压的频率和波形而有所改变,从而影响测量结果。前面已经提到,电子测量中另一个难以避免而又无法准确估算其实际影响大小的因素是测量仪器内部各元器件之间、测量与被测量装置之间无时无处不在的寄生电容、电感、电导等的不良影响。不难看出,电子测量中的影响量和影响特性众多而又复杂,其规律难以确定,这就给测量结果的误差分析和处理带来了困难。一个物理量的测量可以通过不同的方法实现。测量方法选择得正确与否直接关系到
12、测量结果的可信赖程度,也关系到测量工作的经济性和可行性。必须根据不同的测量对象、测量要求和测量条件,选择正确的测量方法、合适的测量仪器,构成实际测量系统,进行正确、细心的操作,才能得到理想的测量结果。1.3电子测量方法的分类电子测量方法的分类测量方法的分类形式有多种,下面介绍几种常见的分类方法。1.按测量过程分类按测量过程分类1)直接测量直接测量是指直接从测量仪表的读数获取被测量量值的方法,比如用电压表测量晶体管的工作电压,用欧姆表测量电阻阻值,用计数式频率计测量频率等。直接测量的特点是不需要对被测量与其他实测的量进行函数关系的辅助运算,因此测量过程简单、迅速,是工程测量中广泛应用的测量方法。
13、2)间接测量间接测量是利用直接测量的量与被测量之间的函数关系(可以是公式、曲线或表格等)间接得到被测量量值的测量方法。间接测量费时、费事,常在下列情况下使用:直接测量不方便,或间接测量的结果较直接测量更为准确,或缺少直接测量仪器等。3)组合测量当某项测量结果需用多个未知参数表达时,可通过改变测量条件进行多次测量,根据测量量与未知参数间的函数关系列出方程组并求解,进而得到未知量,这种测量方法称为组合测量。一个典型的例子是电阻器的温度系数的测量。已知电阻器阻值Rt与温度t间满足关系:Rt=R20+(t20)+(t20)2 (1.3-1)式中,R20为t=20时的电阻值,一般为已知量;、称为电阻的温
14、度系数;t为环境温度。为了获得、值,可以在两个不同的温度t1、t2(t1、t2可由温度计直接测得)下测得相应的两个电阻值Rt1、Rt2,代入式(1.3-1)得到联立方程:Rt1=R20+(t120)+(t120)2Rt2=R20+(t220)+(t220)2 (1.3-2)求解联立方程(1.3-2),就可以得到、值。如果R20也未知,则显然可在三个不同的温度下分别测得Rt1、Rt2、Rt3,列出由三个方程构成的方程组并求解,进而得到R20、。1)偏差式测量法在测量过程中,用仪器仪表指针的位移(偏差)表示被测量大小的测量方法称为偏差式测量法。例如使用万用表测量电压、电流等。由于从仪表刻度上直接读
15、取被测量,包括大小和单位,因此这种方法也叫直读法。用这种方法测量时,作为计量标准的实物并不装在仪表内直接参与测量,而是事先用标准量具对仪表读数、刻度进行校准,实际测量时根据指针偏转大小确定被测量量值。2.按测量方式分类按测量方式分类2)零位式测量法零位式测量法又称做零示法或平衡式测量法。测量时将被测量与标准量相比较(因此也把这种方法称做比较测量法),用指零仪表(零示器)指示被测量与标准量相等(平衡),从而获得被测量。利用惠斯登电桥测量电阻(或电容、电感)是这种方法的一个典型例子,如图1.3-1所示。图1.3-1利用惠斯登电桥测量电阻示意图当电桥平衡时,可以得到:(1.3-3)通常是先大致调整比
16、率R1/R2,再调整标准电阻R4,直至电桥平衡,充当零示器的检流计PA指示为零,此时即可根据式(1.3-3)由比率和R4值得到被测电阻Rx值。只要零示器的灵敏度足够高,零位式测量法的测量准确度几乎等于标准量的准确度,因而这种方法的测量准确度很高,这是它的主要优点,常用在实验室作为精密测量的一种方法。但由于测量过程中为了获得平衡状态需要进行反复调节,因此即使采用一些自动平衡技术,测量速度仍然较慢,这是这种方法的一个不足之处。3)微差式测量法 偏差式测量法和零位式测量法相结合,构成微差式测量法。该法通过测量待测量与标准量之差(通常该差值很小)来得到待测量的值,如图1.3-2所示。图中,P 为量程不
17、大但灵敏度很高的偏差式仪表,它指示的是待测量x与标准量s之间的差值:=xs,即x=s+。在第2章中将证明,只要足够小,这种方法的测量准确度基本上取决于标准量的准确度。和零位式测量法相比,该法省去了反复调节标准量大小以求平衡的步骤。图1.3-2 微差式测量法示意图因此,该法兼有偏差式测量法的测量速度快和零位式测量法测量准确度高的优点。微差式测量法除在实验室中用作精密测量外,还广泛地应用在生产线控制参数的测量上。如监测连续轧钢机生产线上的钢板厚度等。图1.3-3 是用微差法测量直流稳压电源输出电压稳定度的测量原理图。图中,Uo为直流稳压电源的输出电压,它随着50 Hz、220 V市电的波动和负载R
18、L的变化而有微小起伏 V2 为量程不大但灵敏度很高的电压表;UB表示由标准电源Us获得的标准电压;U是由 V2 电压表测得的Uo与UB的差值,即输出电压Uo随着市电波动和负载变化而产生的微小起伏。图1.3-3用微差法测量直流稳压电源的稳定度2)频域测量频域测量也称为稳态测量,主要目的是获取待测量与频率之间的关系,例如用频谱分析仪分析信号的频谱和测量放大器的幅频特性、相频特性等。3.按被测量的性质分类按被测量的性质分类 1)时域测量时域测量也称做瞬态测量,主要测量被测量随时间的变化规律。典型的例子为用示波器观察脉冲信号的上升沿、下降沿、平顶降落等脉冲参数以及动态电路的暂态过程等。3)数据域测量数
19、据域测量也称为逻辑量测量,主要是用逻辑分析仪等设备对数字量或电路的逻辑状态进行测量。数据域测量可以同时观察多条数据通道上的逻辑状态,或者显示某条数据线上的时序波形,还可以借助计算机分析大规模集成电路芯片的逻辑功能等。随着微电子技术的发展需要,数据域测量及其测量智能化、自动化显得愈来愈重要。4)随机测量随机测量又叫做统计测量,主要是对各类噪声信号进行动态测量和统计分析。这是一项较新的测量技术,尤其在通信领域有着广泛应用。除了上述几种常见的分类方法外,还有其他一些分类方法:按照对测量精度的要求,可以分为精密测量和工程测量;按照测量时测量者对测量过程的干预程度分为自动测量和非自动测量;按照被测量与测
20、量结果获取地点的关系分为本地(原位)测量和远地测量(遥测),接触测量和非接触测量;按照被测量的属性分为电量测量和非电量测量等。在选择测量方法时,要综合考虑下列主要因素:被测量本身的特性;所要求的测量准确度;测量环境;现有测量设备等。在此基础上,选择合适的测量仪器和正确的测量方法。4.测量方法的选择原则测量方法的选择原则 正确、可靠的测量结果的获得要依据测量方法和测量仪器的正确选择、正确操作和测量数据的正确处理。【例2】图1.3-4表示的是用电压表测量高内阻电路端电压的例子。不难看到,电压表内阻的大小将直接影响到测量结果,这种影响通常称做电压表的负载效应。图中虚线框内表示放大器输出端等效电路,R
21、V表示测量用实际电压表内阻。忽略其他因素,不难算出:当用内阻RV=10 M的数字电压表测量时,电压为【例1】若直接用万用表R1电阻挡测量晶体管发射结结电阻,则由于限流电阻过小而使基极注入电流很大,很容易将晶体管损坏。所以,不能用此方法测量晶体管发射结电阻或二极管正向电阻。U=5=4.96 V相对误差为=100%=0.8%当改用内阻RV=120 k的万用表电压挡测量时,电压为U=5=3 V相对误差为=100%=40%可见,这种情况下应选用内阻尽可能大的电压表,否则造成的仪器误差是很大的。有时测量仪表负载效应的存在会过大地改变被测电路的工作状态,此时的测量结果将失去实际意义。测量仪器是将被测量转换
22、成可供直接观察的指示值或等效信息的器具,包括各类指示仪器、比较仪器、记录仪器、传感器和变送器等。利用电子技术对各种待测量进行测量的设备,统称为电子测量仪器。为了正确地选择测量方法、使用测量仪器和评价测量结果,本节将对电子测量仪器的主要功能、主要性能指标和分类作一概括介绍。1.4电子测量仪器的功能、电子测量仪器的功能、分类和主要性能指标分类和主要性能指标1.变换功能变换功能对于电压、电流等电学量的测量,是通过测量各种电效应来达到目的的。比如作为模拟式仪表最基本构成单元的动圈式检流计(电流表),就是将流过线圈的电流强度转化成与之成正比的转矩而使仪表指针相对于初始位置偏转一个角度,根据角度偏转大小(
23、这可通过刻度盘上的刻度获得)得到被测电流的大小。1.4.1测量仪器的功能测量仪器的功能各类测量仪器一般具有物理量的变换、信号的传输和测量结果的显示等三种最基本的功能。对非电量测量,必须将各种非电物理量(如压力、位移、温度、湿度、亮度、颜色、特质成分等)通过各种对之敏感的敏感元件(通常称为传感器)转换成与之相关的电压、电流等,而后通过对电压、电流的测量,转换得到被测物理量的大小。随着测量技术的发展,现在往往将传感器、放大电路及其他有关部分构成独立的单元电路,将被测量转换成模拟的或数字的标准电信号,送往测量和处理装置,这样的单元电路称为变送器,它是现代测量系统中极为重要的组成部分。2.传输功能传输
24、功能在遥测、遥控等系统中,现场测量结果经变送器处理后,需经较长距离的传输才能送到测试终端和控制台。不管采用有线的还是无线的方式,传输过程中造成的信号失真和外界干扰等问题都会存在。因此,现代测量技术和测量仪器都必须认真对待测量信息的传输问题。3.显示功能显示功能测量结果必须以某种方式显示出来才有意义。因此,任何测量仪器都必须具备显示功能。1.电平测量仪器电平测量仪器电平测量仪器包括各种模拟式电压表、毫伏表、数字式电压表、电压标准等。2.电路参数测量仪器电路参数测量仪器电路参数测量仪器包括各类电桥、Q表、RLC测试仪、晶体管或集成电路参数测试仪、图示仪等。1.4.2测量仪器的分类测量仪器的分类电子
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