電子測量與儀器的基本知識

1、第1章 電子測量與儀器的基本知識1.1 電子測量的內(nèi)容、特點(diǎn)和基本方法1.2 測量誤差1.3 測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理1.4 電子測量儀器簡介本章小結(jié)1.1 電子測量的內(nèi)容、特點(diǎn)和基本方法1.1.1 電子測量的概念和特點(diǎn)1.1.2 電子測量的內(nèi)容1.1.3 電子測量的基本方法1.1.1 電子測量的概念和特點(diǎn)測量是借助于測量儀器并采用一定的方法，獲得客觀事物本質(zhì)的實(shí)驗(yàn)過程。 為了確定被測量的準(zhǔn)確數(shù)值，測量結(jié)果必須包含兩部分，數(shù)值的大小和單位。如某電阻為10，如果說它的電阻是10而沒有單位，那是沒有意義的。國際單位制1960年第十一屆國際計(jì)量大會通過的一種單位制。世界上最先進(jìn)、科學(xué)和實(shí)用的單位制。其國際

2、代號為SI。國際單位制由7個(gè)基本單位、2個(gè)輔助單位和19個(gè)具有專門名稱的導(dǎo)出單位所組成。所有單位都各有一個(gè)主單位，利用10進(jìn)倍數(shù)和分?jǐn)?shù)的16個(gè)詞頭組成SI單位的10進(jìn)倍數(shù)單位和分?jǐn)?shù)單位。7個(gè)基本單位分別是：長度單位：米（m）。質(zhì)量單位：千克（kg）。時(shí)間單位：秒（s）。電流強(qiáng)度單位：安培（A）。熱力學(xué)溫度單位：開爾文（K）。物質(zhì)量的單位：摩爾（mol）。發(fā)光強(qiáng)度單位：坎德拉（cd）。它們彼此獨(dú)立，并有嚴(yán)格的定義。 電子測量與其它測量手段相比，具有如下鮮明的特點(diǎn)：（1）測量頻率范圍寬。其測量頻率可以從直流到交流10HZ。（2）量程范圍廣。量程是什么？是在測量范圍內(nèi)上限值與下限值的差值。例如：一臺

3、電壓表的測量上限為100V，下限值為0.5V，則該電壓表的量程為99.5V。由于被測量的數(shù)值相差很大，所以要求測量儀器的量程越寬越好。（3）精確度高。精確度即精密度和準(zhǔn)確度的總稱。精密度反映測量結(jié)果的離散程度；準(zhǔn)確度反映測量結(jié)果偏離真值的程度。（例如：進(jìn)行N次射擊，N個(gè)彈著點(diǎn)，圖a精密度高但準(zhǔn)確度低；圖b精密度和準(zhǔn)確度都高；圖c精密度和準(zhǔn)確度都差。）圖a圖b圖c（4）測量速度快。電子測量是通過電子的運(yùn)動和電磁波傳播進(jìn)行工作的，其速度可以用“瞬間”來形容，是其它速度無法比擬的。（5）易于實(shí)現(xiàn)遙測。電信號可以通過電磁波的方式傳播，借助于各種類型的傳感器，電子測量可以實(shí)現(xiàn)遙測、遙控。例如，人造衛(wèi)星的

4、發(fā)射，地面控制中心可以對衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行軌道等進(jìn)行控制；衛(wèi)星也可以把測量數(shù)據(jù)傳送給地面中心。（6）易于實(shí)現(xiàn)自動化。由于微機(jī)的普及，各種電子測量可以借助于微機(jī)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，使測量速度大大提高，同時(shí)，微機(jī)還具有“人工智能”，使電子測量過程實(shí)現(xiàn)自動化，也可以自動控制被測量。1.1.2 電子測量的內(nèi)容電子測量到底能測量哪些量？主要包括以下幾個(gè)方面。（1）電能量，如電壓、電流、電功率等。（2）電路元器件參數(shù)，如電阻、電感、電容、阻抗等參數(shù)、晶體管參數(shù)以及集成電路參數(shù)的測量。（3）電信號的特征，如信號的波形和失真度、頻率、周期、相位差、脈沖參數(shù)以及信號調(diào)制參數(shù)等。（4）電路參數(shù)，如衰減、增益、通

5、頻帶（頻帶寬度）、靈敏度等。（5）特性曲線，如頻率特性曲線、器件特性等。1.1.3 電子測量的基本方法 1. 按測量手段分類（1）直接測量。利用電子儀器直接獲得被測量的方法，如使用電壓表測量電壓，用萬用表測量電阻等。（2）間接測量。通過直接測量幾個(gè)參數(shù)，然后利用函數(shù)關(guān)系式運(yùn)算出來被測量，這種測量方法稱為間接測量。例如，要測量某電阻上消耗的功率，需要先測量出電阻兩端的電壓和通過電阻的電流，再通過關(guān)系式算出功率。（3）組合測量。被測量與多個(gè)未知量有關(guān)，要得到被測量，需要使用直接測量和間接測量，最后通過運(yùn)算才能得到被測量的測量方法。2. 按被測量性質(zhì)分類（1）時(shí)域測量。時(shí)域測量是指被測量是時(shí)間的函數(shù)

6、，隨時(shí)間變化而變化，如溫度、隨時(shí)間變化的電流等。（2）頻域測量。頻域測量是指被測量隨頻率變化而變化，如放大器的頻率特性等。1.2 測量誤差1.2.1 測量誤差的表示方法1. 絕對誤差測量值與其真值的差值，稱為絕對誤差，用下面公式表示。真值是一個(gè)客觀存在，但又無法得到的理想數(shù)值（如果能測得真值討論誤差就沒有意義），所以實(shí)際應(yīng)用中通常用實(shí)際測量值來代替真值。這個(gè)測量值可不是一般的測量值，而是在滿足一定誤差要求前提下，用更高一級的標(biāo)準(zhǔn)儀器測量所得到的數(shù)值。 2. 相對誤差絕對誤差只能說明測量結(jié)果偏離實(shí)際值的程度，但不能確切反映測量的準(zhǔn)確度。要想反映準(zhǔn)確度，必需使用相對誤差。絕對誤差與被測量的真值之比

7、，稱為相對誤差。 如果用實(shí)際值取代真值，則可得到實(shí)際相對誤差，用下式表示。如果用測量值取代真值，則可得到示值相對誤差，用下式表示實(shí)際中常用絕對誤差與滿刻度值之比來表示相對誤差，稱為滿度相對誤差。測量儀器使用最大滿度相對誤差mm乘以100來表示儀器的準(zhǔn)確度，電工儀表按這種定義，共分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七個(gè)等級。經(jīng)驗(yàn)之談：測量時(shí)要注意選擇量程，盡量使儀表的指示在滿度值的2/3以上區(qū)域，這樣測量的結(jié)果準(zhǔn)確。 1.2.2 測量誤差的來源1. 儀器設(shè)備誤差儀器本身及其附件造成的誤差，包括儀器的零點(diǎn)漂移、刻度不準(zhǔn)確以及非線性等。2. 影響誤差由于環(huán)境因素造成的誤差，如溫

8、度、濕度、壓力、振動、電磁場干擾、電源電壓波動等。3. 方法誤差測量儀器和測量方法都是在一定的條件才能保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。如果在不滿足條件下測量，得到的測量數(shù)據(jù)就會包含誤差。另外，由于一些經(jīng)驗(yàn)公式是近似公式，所以計(jì)算后得到的結(jié)果也會包含誤差。4. 人身誤差由于人類個(gè)體的差異，如視力、工作習(xí)慣等因素引起的誤差。1.2.3 測量誤差的分類1. 系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是指在一定的條件下，測量誤差的數(shù)值保持恒定或按一定規(guī)律變化的誤差。系統(tǒng)誤差是由于儀器本身或測量者造成的，因此可以采取一些測量技術(shù)和方法予以消除。2. 隨機(jī)誤差在相同的條件下多次測量同一量值時(shí)，誤差的大小和符號隨機(jī)變化，稱為隨機(jī)誤差或偶然誤差

9、。由于誤差隨機(jī)，因此可以采用多次測量取平均值的方法來削弱隨機(jī)誤差。3. 粗大誤差 是在一定的測量條件下，測量數(shù)據(jù)明顯偏離實(shí)際值所造成的測量誤差。粗大誤差是由于測量者本身或測量條件變化造成的，因此要養(yǎng)成良好的工作作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鞒绦颍l(fā)現(xiàn)粗大誤差后應(yīng)當(dāng)予以剔除。1.3 測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理1.3.1 有效數(shù)字測量結(jié)果有時(shí)用有效數(shù)字來表示。有效數(shù)字的末位是估計(jì)出來的，為欠準(zhǔn)數(shù)字，含有誤差。誤差大小為欠準(zhǔn)數(shù)字單位的一半。如2.56mA，誤差為0.005mA；2.560mA，誤差為0.0005mA。（1）“0”的意義。從左算起，第一個(gè)非0數(shù)字前面的“0”不算有效數(shù)字；而后面的“0”是有效數(shù)字。例如0.2

10、5表示兩位有效數(shù)字，0.05表示1位有效數(shù)字，0.30則表示兩位有效數(shù)字。（2）有單位的數(shù)字要注意書寫方法。如1000mV可以寫成1.000V，表示它有4位有效數(shù)字，如果縮寫成1V則變成1位有效數(shù)字。（3）有效數(shù)字位數(shù)與誤差的關(guān)系。在書寫帶有絕對誤差的數(shù)字時(shí)，有效數(shù)字的末位應(yīng)和絕對誤差取齊，例如0.260.01，5.230.05。帶有單位的有效數(shù)字也要和絕對誤差取齊，例如6500kHz1kHz，或者寫成6.500MHz1kHz，但不能寫成6.5MHz1kHz,也不能寫成6500kHz1000Hz。 1.3.2 數(shù)字的舍入規(guī)則 1. 數(shù)字的舍入原則由于數(shù)據(jù)的長度（位數(shù)）會影響計(jì)算的難度，所以在對

11、測量數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算前，要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行舍入，簡化數(shù)據(jù)，方便計(jì)算。但是，采用舍入原則時(shí)必需以滿足誤差的要求為前提。當(dāng)保留位有效數(shù)字時(shí)，舍入的原則為：（1）若第位后面的數(shù)字大于5，則第位數(shù)字加1，第位后面的數(shù)字全部舍去。（2）若第位后面的數(shù)字小于5，則第位后面的數(shù)字全部舍去。（3）若第位后面的數(shù)字等于5，則第位的數(shù)字為偶數(shù)或零時(shí)全部舍去，第位的數(shù)字為奇數(shù)時(shí)，則第位數(shù)字加1，第位后面的數(shù)字全部舍去。2. 近似運(yùn)算法則（1）近似值相加減時(shí)，要把小數(shù)位數(shù)較多的數(shù)進(jìn)行取舍，使其比小數(shù)位數(shù)最少的數(shù)多一位小數(shù)；計(jì)算結(jié)果保留小數(shù)位數(shù)要與原小數(shù)位數(shù)最少的相同。（2）近似值相乘除時(shí)，各因子保留的位數(shù)應(yīng)比最少的多一位，

12、運(yùn)算結(jié)果的位數(shù)應(yīng)與原位數(shù)最少者相同，與小數(shù)點(diǎn)位置無關(guān)。 （3）乘方、開方或?qū)?shù)運(yùn)算時(shí)，計(jì)算結(jié)果的位數(shù)與原位數(shù)相同。1.4 電子測量儀器簡介1.4.1 電子測量儀器的分類電子測量儀器可以分為通用儀器和專用儀器。1. 通用儀器信號發(fā)生器示波器 掃頻儀 晶體管測試儀 電子元件測量儀器 邏輯分析儀器 2. 專用儀器專用儀器是指各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域中測量特殊參量的儀器，如機(jī)械領(lǐng)域的超聲波探傷；醫(yī)療部門的彩超、頻譜治療儀；電子產(chǎn)品生產(chǎn)線的在線測試儀等。1.4.2 電子測量儀器的誤差電子測量儀器的誤差是電子測量儀器一項(xiàng)重要的質(zhì)量和技術(shù)指標(biāo)包括以下幾類：（1）工作誤差。工作誤差是指在限定工作條件下，任意一點(diǎn)上測量的某項(xiàng)性能的最大誤差。（2）固有誤差。固有誤差是在規(guī)定的條件下，儀器本身存在的誤差。（3）影響誤差。影響誤差用來表明某項(xiàng)環(huán)境參數(shù)對測量儀器誤差的影響程度。例如溫度誤差、頻率誤差等。這種誤差只有在環(huán)境參數(shù)對工作誤差起主要作用時(shí)才給出，它是