第1章電子測量概論

1、第第1章章 電子測量概論電子測量概論 電子測量技術授課教師：張海輝 TelQQ:4214012 Email:第第1章章 電子測量概論電子測量概論 考核辦法考核辦法平時：40 作業(yè)、課堂交互（20%） 考勤（20%） 考試：60 第第1章章 電子測量概論電子測量概論 第第1章章 電子測量概論電子測量概論1.1 電子測量的基本概念電子測量的基本概念1.2 電子測量的內容與特點電子測量的內容與特點1.3 電子測量方法電子測量方法 1.4 電子測量儀器概述電子測量儀器概述本章小結本章小結 第第1章章 電子測量概論電子測量概論 1.1 電子測量的基本概念電子測量的基本概念1.

2、電子測量的定義測量為確定被測對象的量值而進行的實驗過程。電子測量一般是指利用電子技術和電子設備對電量或非電量進行測量的過程。 補充：SHT溫濕度傳感器介紹 理解P1概念 量值 測得值第第1章章 電子測量概論電子測量概論 2. 電子測量與計量產品出廠前要經過嚴格的計量檢定、儀器儀表在使用過程中要定期進行檢驗和校準，以確保測量的準確性。計量是為了保證量值的統(tǒng)一和準確一致的一種測量。（主要特征：統(tǒng)一性、準確性和法制性）第第1章章 電子測量概論電子測量概論 1.2 電子測量的內容與特點電子測量的內容與特點 1.2.1 電子測量的內容電子測量的內容(1) 電能量的測量（電流、電壓、功率等）(2) 電信號

3、特性的測量（信號波形、頻率、周期、相位、失真度、調幅度、調頻指數(shù)及數(shù)字信號的邏輯狀態(tài)等）(3) 電路參數(shù)的測量（阻抗、品質因數(shù)、電子器件的參數(shù)等）第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (4) 電子設備的性能測量（增益、衰減、靈敏度、頻率特性、噪聲指數(shù)等）(5) 特性曲線的測量（幅頻特性、相頻特性及器件特性等） (6) 非電量的測量 圖1.2-1 非電量測量在過程控制中的作用第第1章章 電子測量概論電子測量概論 計算機檢測控制系統(tǒng)原理框圖計算機檢測控制系統(tǒng)原理框圖微微機機傳傳感感器器伺服伺服機構機構模擬模擬信號信號處理處理功率功率放大放大模數(shù)模數(shù)轉換轉換數(shù)模數(shù)模轉換轉換數(shù)字數(shù)字接口接口數(shù)字數(shù)字接

4、口接口 被被 測測 控控 對對 象象干擾、噪聲、漂移、非線性干擾、噪聲、漂移、非線性電子測量的實際應用電子測量的實際應用模擬電模擬電子技術子技術數(shù)字電數(shù)字電子技術子技術電機電機第第1章章 電子測量概論電子測量概論 1.2.2 電子測量的特點電子測量的特點 與其他測量相比，電子測量具有以下特點。(1) 測量頻率范圍寬 電子測量中所遇到的測量對象，其頻率覆蓋范圍極寬，低至低至10-6Hz以下，高至以下，高至1012Hz以上。以上。當然，不能要求同一臺儀器能在這樣寬的頻率范圍內工作。通常是根據不同的工作頻段，采用不同的測量原理和使用根據不同的工作頻段，采用不同的測量原理和使用不同的測量儀器不同的測量

5、儀器。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 例如阻抗的測量，在低頻段多采用電流電壓法，而在微波段則須采用開槽測量線或反射計技術。 上述兩者無論在原理上，還是在測量設備上都大不一樣。隨著技術的發(fā)展，能在相當寬的頻率范圍內正常工作的儀器不斷地被研制出來，例如，現(xiàn)在一臺較為先進的頻率計，頻率測量范圍可以低至10-6Hz，高至1011Hz。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (2) 測量量程寬 量程是測量范圍的上下限值之差或上下限值之比。量程是測量范圍的上下限值之差或上下限值之比。電子測量的另一個特點是被測對象的量值大小相差懸殊。 例如，地面上接收到的宇宙飛船自外空發(fā)來的信號功率，低到10-14 W

6、數(shù)量級，而遠程雷達發(fā)射的脈沖功率，可高達108W以上，兩者之比為1:1022。一般情況下，使用同一臺儀器，同一種測量方法，是難以覆蓋如此寬廣的量程的。 隨著電子測量技術的不斷發(fā)展，單臺測量儀器的量程也可以達到很高。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (3) 測量準確度高相對其它測量方法，電子測量的準確度要高得多。例如，長度測量的最高準確度為10-8量級，而對頻率和時間的測量，由于采用原子頻標和原子秒作為基準，使得測量準確度可以達到10-15的量級，這是目前人類在測量準確度方面達到的最高指標。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (4) 測量速度快 由于電子測量是基于電子運動和電磁波的傳播電子

7、測量是基于電子運動和電磁波的傳播，加之現(xiàn)代測試系統(tǒng)中高速電子計算機的應用，使得電子測量無論在測量速度，還是在測量結果的處理和傳輸，都可以以極高的速度進行，這也是電子測量技術廣泛用于現(xiàn)代科技各個領域的重要原因。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (5) 可以進行遙測電子測量依據的是電子的運動和電磁波的傳播，因此可以： 現(xiàn)場各待測量轉換成易于傳輸?shù)碾娦盘?，用現(xiàn)場各待測量轉換成易于傳輸?shù)碾娦盘?，用有線或無線的方式傳送到測試控制臺有線或無線的方式傳送到測試控制臺(中心中心)，從而實現(xiàn)，從而實現(xiàn)遙測和遙控。遙測和遙控。這使得對那些遠距離的，高速運動的，或其他人們難以接近地方的信號測量成為可能.第第1章

8、章 電子測量概論電子測量概論 (6) 易于實現(xiàn)測試智能化和測試自動化隨著電子計算機尤其是功耗低、體積小、處理速度快、可靠性高的微型計算機的出現(xiàn)，給電子測量理論、技術和設備帶來了新的革命。比如微處理器出現(xiàn)于1971年，而在1972年就出現(xiàn)了使用微處理器的自動電容電橋?，F(xiàn)在，已有大量商品化帶微處理器的電子測量儀器面世，許多儀器還帶有標準儀器接口，可以方便地構成功能完善的自動測試系統(tǒng)。 無疑，電子測試技術與計算機技術的緊密結合與相互促進，為測量領域帶來了極為美好的前景.第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (7) 易于實現(xiàn)儀器小型化隨著微電子器件集成度的不斷提高，可編程器件和微處理器及ASIC電路的

9、采用，使電子儀器正向著小型化發(fā)展。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 1.3 電子測量方法電子測量方法1.3.1 電子測量方法的分類電子測量方法的分類1. 按測量方法分類 (1) 直接測量：指直接從測量儀表的讀數(shù)獲取被測量量值的方法，例如用電壓表測量晶體管的工作電壓，用歐姆表測量電阻阻值，用計數(shù)式頻率計測量頻率等。(2) 間接測量：利用直接測量的量與被測量之間的函數(shù)關系(可以是公式、曲線或表格等)，間接得到被測量量值的測量方法。例如，測量電阻消耗的功率P=UI=I2R=U2/R。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 220)20()20(ttRRt (3) 組合測量：當某項測量結果需用多個未

10、知參數(shù)表達時，可通過改變測量條件進行多次測量，根據測量量與未知參數(shù)間的函數(shù)關系列出方程組并求解，進而得到未知量，這種測量方法稱為組合測量。例如：電阻器電阻溫度系數(shù)的測量。已知電阻器阻值Rt與溫度t間滿足關系：第第1章章 電子測量概論電子測量概論 2. 按測量方式分類(l) 偏差式測量法（直讀法） 在測量過程中，用儀器儀表指針的位移(偏差)表示被測量大小的測量方法，稱為偏差式測量法。例如使用萬用表測量電壓、電流等。由于是從儀表刻度上直接讀取被測量，包括大小和單位，因此這種方法也叫直讀法。用這種方法測量時，作為計量標準的實物并不裝在儀表內直接參與測量，而是事先用標準量具對儀表讀數(shù)、刻度進行校準，實

11、際測量時根據指針偏轉大小確定被測量量值。 第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (2) 零位式測量法（比較法） 零位式測量法又稱作零示法或平衡式測量法。測量時用被測量與標準量相比較(因此也叫作比較測量法)，用指零儀表(零示器)指示被測量與標準量相等(平衡)，從而獲得被測量。例如：用惠斯登電橋測量電阻(或電容、電感)，當電橋平衡時，可以得到:421RRRRx圖1.3-1 惠斯登電橋測量電阻示意圖 第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (3) 微差式測量法 偏差式測量法和零位式測量法相結合，構成微差式測量法。它通過測量待測量與標準量之差(通常該差值很小)來得到待測量量值，如圖1.3-2所示。圖1.

12、3-2 微差式測量法示意圖第第1章章 電子測量概論電子測量概論 圖1.3-3 用微差法測量直流穩(wěn)壓源的穩(wěn)定度第第1章章 電子測量概論電子測量概論 3. 按被測量的性質分類(1) 時域測量 時域測量也叫作瞬態(tài)測量，主要測量被測量隨時間主要測量被測量隨時間的變化規(guī)律。的變化規(guī)律。例如用示波器觀察脈沖信號的上升沿、下降沿、平頂降落等脈沖參數(shù)以及動態(tài)電路的暫態(tài)過程等。(2) 頻域測量 頻域測量也稱為穩(wěn)態(tài)測量，主要目的是獲取待測量與頻率之間的關系。如用頻譜分析儀分析信號的頻譜、測量放大器的幅頻特性、相頻特性等。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (3) 數(shù)據域測量數(shù)據域測量也稱為邏輯量測量，主要是用邏

13、輯分用邏輯分析儀等設備對數(shù)字量或電路的邏輯狀態(tài)進行測量。析儀等設備對數(shù)字量或電路的邏輯狀態(tài)進行測量。例如，微處理器地址線、數(shù)據線上的信號，可以顯示其時序波形，也可以用“1”、“0”、顯示其邏輯狀態(tài)。(4) 隨機量測量 隨機測量又叫作統(tǒng)計測量，主要是對各類噪聲、干擾信號進行動態(tài)測量和統(tǒng)計分析。這是一種比較新的測量技術。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 除了上述幾種常見的分類方法外，還有其他一些分類方法。例如，按照對測量精度測量精度的要求，可以分為精密測量和工程測量；按照測量時測量者對測量過程的干預程度干預程度分為自動測量和非自動測量；按照被測量與測量結果獲取地點地點的關系分為本地(原位)測量

14、和遠地測量(遙測)，接觸測量和非接觸測量；按照被測量的屬被測量的屬性性分為電量測量和非電量測量等等。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 1.3.2 選擇測量方法的原則選擇測量方法的原則在選擇測量方法時，要首先研究被測量本身的特性；所要求的測量準確度；測量環(huán)境；現(xiàn)有測量設備等。在此基礎上，選擇正確的測量方法和合適的測量儀器。正確可靠的測量結果，要依據測量方法和測量儀依據測量方法和測量儀器的正確選擇、正確操作和測量數(shù)據的正確處理器的正確選擇、正確操作和測量數(shù)據的正確處理。否則，可能會出現(xiàn)：得出的測量數(shù)據是錯誤的； 損壞測量儀器、儀表； 損壞被測設備或元器件等。第第1章章 電子測量概論電子測量概論

15、 例1 直接用萬用表只R1 正電阻檔測量晶體管發(fā)射結結電阻，由于限流電阻過小而使基極注入電流很大，將晶體管損壞。 例2 用電壓表測量高內阻電路端電壓，如圖1.3-4所示。虛線框內表示放大器輸出端等效電路，Rv表示測量用電壓表內阻。 圖1.3-4 電壓表內阻的影響第第1章章 電子測量概論電子測量概論 假設Rv=10M，且不考慮其它因素，則電壓為VU96. 41010801010533相對誤差:%8 . 0%1005596. 4若改用內阻只Rv120k的萬用表電壓檔測量時，%40%1005533120801205VU電壓:相對誤差:電壓:第第1章章 電子測量概論電子測量概論 1. 4 電子測量儀器

16、概述電子測量儀器概述測量儀器是將被測量轉換成可供直接觀察的指示值或等效信息的器具，包括各類指示儀器、比較儀器、記錄儀器、傳感器和變送器等。利用電子技術對各種待測量進行測量的設備，統(tǒng)稱為電子測量儀器。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 1.4.1 測量儀器的功能各類測量儀表一般具有物理量的變換、信號的傳輸和測量結果的顯示等三種最基本的功能。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (1) 變換功能 對于電壓、電流等電學量的測量，是通過測量各種電效應來達到目的的。例如，作為模擬式儀表最基本構成單元的動圈式檢流計(電流表)，就是將流過線圈的電流強度，轉化成與之成正比的扭矩而使儀表指針偏轉初始位置一個角

17、度，根據角度偏轉大小(這可通過刻度盤上的刻度獲得)得到被測電流的大小，這就是一種很基本的變換功能。對非電量的測量，如壓力、位移、溫度、濕度、亮度、顏色、物質成份等，通過各種對之敏感的敏感元件(通常稱為傳感器)，轉換成與之相關的電壓、電流等，而后再通過對電壓、電流的測量，得到被測物理量的大小。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (2) 傳輸功能 在遙測遙控等系統(tǒng)中，現(xiàn)場測量結果經變送器處理后，需經較長距離的傳輸才能送到測試終端和控制臺。不管采用有線的還是無線的方式，傳輸過程中造成的信號失真和外界干擾等問題都會存在。(3) 顯示功能 測量結果必須以某種方式顯示出來才有意義。因此，任何測量儀器都必

18、須具備顯示功能。例如，模擬式儀表通過指針在儀表度盤上的位置顯示測量結果，數(shù)字式儀表通過數(shù)碼管、液晶或陰極射線管顯示測量結果。除此而外，一些先進的儀器如智能儀器等還具有數(shù)據記錄、處理及自檢、自校、報警提示等功能。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 1.4.2 電子測量儀器的分類一般分為專用儀器和通用儀器專用儀器和通用儀器。專用儀器為某一個或幾個專門目的而設計的，如電視彩色信號發(fā)生器。通用儀器是為了測量某一個或幾個電參數(shù)而設計的，它能用于多種電子測量，如電子示波器等。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 1. 通用電子儀器按功能分：(1) 信號發(fā)生器：提供測量的各種波形信號，例如高頻、低頻、脈沖

19、、函數(shù)及噪聲等信號發(fā)生器。圖1.4-1 信號發(fā)生器第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (2) 信號分析儀：用于觀測、分析和記錄各種電量的變化，例如示波器、頻譜分析儀和邏輯分析儀。示波器GSP-827頻譜分析儀邏輯分析儀第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (3) 頻率、時間及相位測量儀，包括各種頻率計(常用電子計數(shù)儀)、相位計，以及各種時間、頻率標準等；FC2130頻率計第第1章章 電子測量概論電子測量概論 (4) 網絡特性測量儀，例如掃頻儀、阻抗測量儀及網絡分析儀；(5) 電子元器件測試儀，例如，RLC測試儀、晶體管參數(shù)測試儀、晶體管特性圖示儀、集成電路測試儀等；第第1章章 電子測量概論電

20、子測量概論 (6) 電波特性測試儀，例如測試接收機、場強儀、干擾測試儀等。(7) 輔助儀器，例如，各種放大器、衰減器、檢波器、記錄儀等。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 2. 按顯示方式分，電子測量儀器有模擬式和數(shù)字式兩大類。模擬式電子測量儀器主要是用指針方式直接將被測量的電參數(shù)轉換為機械位移，在標度尺上指示出測量數(shù)值，如各種模擬電子電壓表、指針式萬用表。指針式萬用表DA-16晶體管毫伏表第第1章章 電子測量概論電子測量概論 數(shù)字式電子測量儀器是將被測的連續(xù)變化的模擬量轉換為數(shù)字量，并以數(shù)字方式顯示其測量數(shù)據，達到直觀、準確快速的效果，如各種數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計等。數(shù)字萬用表智能數(shù)字萬用

21、表第第1章章 電子測量概論電子測量概論 1.4.3 電子測量儀器的發(fā)展電子儀器的發(fā)展大體經歷了如下四個階段：(1) 模擬儀器階段(2) 數(shù)字儀器階段(3) 智能儀器階段(4) 虛擬儀器階段第第1章章 電子測量概論電子測量概論 1.4.4 測量儀表的主要性能指標 從獲得的測量結果角度評價測量儀表的性能，主要包括以下幾個方面。 1. 精度 精度是指測量儀器的讀數(shù)或測量結果與被測量真值相一致的程度。精度高，誤差小，精度低，則誤差大。因此，精度不僅用來評價測量儀器的性能，也是評定測量結果最主要、最基本的指標。精度又可用精密度、準確度和精確度三個指標加以表征。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 精密度

22、 () 精密度表示在同一測量條件下對同一被測量進行多次測量時，得到的測量結果的分散程度，反映了隨機誤差的影響。精密度高，測量結果的重復性好。例如，某電壓表的精密度為0.1V，即表示用它對同一電壓進行測量時，得到的各次測量值的分散程度不大于0.1V。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 準確度 ()準確度說明儀表指示值與真值的接近程度，反映了系統(tǒng)誤差(例如儀器中放大器的零點漂移、接觸電位差等等)的影響。準確度高，系統(tǒng)誤差小。例如，某電壓表的正確度是0.1V，則該電壓表測量電壓時的指示值與真值之差不大于0.1V。我國電工儀表的分級，就是按準確度來確定的。 精確度 ()精確度是精密度和準確度的綜合反

23、映。精確度高，即精密度和準確度都高，則系統(tǒng)誤差和隨機誤差都小，最終測量結果的可信賴度高。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 圖1.4.1 用射擊比喻測量例：用射擊比喻測量，以靶心比作被測量真值，以靶上的彈著點表示測量結果，如圖1.4.1所示。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 2. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性通常用穩(wěn)定度和影響量兩個參數(shù)來表征。穩(wěn)定度也稱穩(wěn)定誤差，是指在規(guī)定的時間區(qū)間規(guī)定的時間區(qū)間，其他外界條件恒定不變的情況下其他外界條件恒定不變的情況下，儀器示值變化的大小。造成這種示值變化的原因主要是儀器內部各元器件的特性、參數(shù)不穩(wěn)定和老化等因素。穩(wěn)定度可以用示值絕對變化量與時間一起表示。 第第1章章

24、 電子測量概論電子測量概論 3. 輸入阻抗前面曾提到測量儀表輸入阻抗對測量結果的影響。像電壓表、示波器等儀表，測量時并接于待測電路兩端，如圖l.4-2所示。測量儀表的接入改變了被測電路測量儀表的接入改變了被測電路的阻抗特性，這種現(xiàn)象稱為負載效應。的阻抗特性，這種現(xiàn)象稱為負載效應。為了降低負載效應以提高測量精度，通常對這類測量儀表的輸入阻抗都有一定要求。圖1.4-2 測量儀表的負載效應第第1章章 電子測量概論電子測量概論 儀表的輸入阻抗一般用輸入電阻Ri和輸入電容Ci表示。例如SX2172交流毫伏表在lV300V的測量范圍內的輸入阻抗為只Ri10M，Ci35pF；SR37A型示波器的輸入阻抗為只

25、Ri1 MQ，Ci16pF。對于信號源等供給量儀器，還要考慮輸出阻抗，在高頻尤其是微波測量等場合，還必須注意阻抗的匹配。第第1章章 電子測量概論電子測量概論 4. 靈敏度 靈敏度靈敏度表示測量儀表對被測量變化的敏感程度，一般定義為測量儀表指示值(指針的偏轉角度、數(shù)碼的變化、位移的大小等)增量 y與被測量增量x之比。 例如，示波器在單位輸入電壓的作用下，示波管熒光屏上光點偏移的距離就定義為它的偏轉靈敏度偏轉靈敏度，單位為cm/V，cm/mV等。對示波器而言，偏轉靈敏度的倒數(shù)稱為偏轉因數(shù)偏轉因數(shù)，單位為V/cm，mV/cm或mV/div(每格)等。由于習慣用法和測量電 壓讀數(shù)的方便，也常把偏轉因素當作靈敏度。比如說SR37A型雙蹤示波器的最高偏轉靈敏度是2mV/cm第第1章章 電子測量概論電子測量概論 靈敏度的另一種表述方式叫作分辨力或分辨率分辨力或分辨率，定義為測量儀表所能區(qū)