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、特點和基本方法1.1.1 電子測量的概念和特點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)的實驗過程。 為了確定被測量的準確數(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年第十一屆國際計量大會通過的一種單位制。世界上最先進、科學和實用的單位制。其國際

2、代號為SI。國際單位制由7個基本單位、2個輔助單位和19個具有專門名稱的導出單位所組成。所有單位都各有一個主單位，利用10進倍數(shù)和分數(shù)的16個詞頭組成SI單位的10進倍數(shù)單位和分數(shù)單位。7個基本單位分別是：長度單位：米（m）。質(zhì)量單位：千克（kg）。時間單位：秒（s）。電流強度單位：安培（A）。熱力學溫度單位：開爾文（K）。物質(zhì)量的單位：摩爾（mol）。發(fā)光強度單位：坎德拉（cd）。它們彼此獨立，并有嚴格的定義。 電子測量與其它測量手段相比，具有如下鮮明的特點：（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確度的總稱。精密度反映測量結(jié)果的離散程度；準確度反映測量結(jié)果偏離真值的程度。（例如：進行N次射擊，N個彈著點，圖a精密度高但準確度低；圖b精密度和準確度都高；圖c精密度和準確度都差。）圖a圖b圖c（4）測量速度快。電子測量是通過電子的運動和電磁波傳播進行工作的，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)星的運行狀態(tài)、運行軌道等進行控制；衛(wèi)星也可以把測量數(shù)據(jù)傳送給地面中心。（6）易于實現(xiàn)自動化。由于微機的普及，各種電子測量可以借助于微機的強大數(shù)據(jù)處理能力，使測量速度大大提高，同時，微機還具有“人工智能”，使電子測量過程實現(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。通過直接測量幾個參數(shù)，然后利用函數(shù)關系式運算出來被測量，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，再通過關系式算出功率。（3）組合測量。被測量與多個未知量有關，要得到被測量，需要使用直接測量和間接測量，最后通過運算才能得到被測量的測量方法。2. 按被測量性質(zhì)分類（1）時域測量。時域測量是指被測量是時間的函數(shù)

6、，隨時間變化而變化，如溫度、隨時間變化的電流等。（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），所以實際應用中通常用實際測量值來代替真值。這個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，用更高一級的標準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)果偏離實際值的程度，但不能確切反映測量的準確度。要想反映準確度，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。 如果用實際值取代真值，則可得到實際相對誤差，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、5.0七個等級。經(jīng)驗之談：測量時要注意選擇量程，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)果準確。 1.2.2 測量誤差的來源1. 儀器設備誤差儀器本身及其附件造成的誤差，包括儀器的零點漂移、刻度不準確以及非線性等。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)驗公式是近似公式，所以計算后得到的結(jié)果也會包含誤差。4. 人身誤差由于人類個體的差異，如視力、工作習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和方法予以消除。2. 隨機誤差在相同的條件下多次測量同一量值時，誤差的大小和符號隨機變化，稱為隨機誤差或偶然誤差

9、。由于誤差隨機，因此可以采用多次測量取平均值的方法來削弱隨機誤差。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)成良好的工作作風和嚴謹?shù)墓ぷ鞒绦?，發(fā)現(xiàn)粗大誤差后應當予以剔除。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)果有時用有效數(shù)字來表示。有效數(shù)字的末位是估計出來的，為欠準數(shù)字，含有誤差。誤差大小為欠準數(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)與誤差的關系。在書寫帶有絕對誤差的數(shù)字時，有效數(shù)字的末位應和絕對誤差取齊，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)）會影響計算的難度，所以在對

11、測量數(shù)據(jù)進行運算前，要對測量數(shù)據(jù)進行舍入，簡化數(shù)據(jù)，方便計算。但是，采用舍入原則時必需以滿足誤差的要求為前提。當保留位有效數(shù)字時，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)或零時全部舍去，第位的數(shù)字為奇數(shù)時，則第位數(shù)字加1，第位后面的數(shù)字全部舍去。2. 近似運算法則（1）近似值相加減時，要把小數(shù)位數(shù)較多的數(shù)進行取舍，使其比小數(shù)位數(shù)最少的數(shù)多一位小數(shù)；計算結(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，各因子保留的位數(shù)應比最少的多一位，

12、運算結(jié)果的位數(shù)應與原位數(shù)最少者相同，與小數(shù)點位置無關。 （3）乘方、開方或?qū)?shù)運算時，計算結(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專業(yè)領域中測量特殊參量的儀器，如機械領域的超聲波探傷；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重要的質(zhì)量和技術指標包括以下幾類：（1）工作誤差。工作誤差是指在限定工作條件下，任意一點上測量的某項性能的最大誤差。（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才給出，它是