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、計量的基本概念，即它們的意義、內(nèi)容、特點及應(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)。

沒有望遠鏡就沒有天文學(xué)，沒有顯微鏡就沒有細胞學(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，一個大型鋼鐵廠需要約2萬個測量點在高新技術(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)計的飛機，需要測試飛機高速飛行中受氣流沖擊作用下的性能，通過風(fēng)洞試驗測定機身、機翼的受力和振動分布情況，以驗證和改進設(shè)計。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行的實驗過程。在測量過程中，人們借助專門的設(shè)備，依據(jù)一定的理論，通過實驗的方法將被測量與已知同類標準量進行比較，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定量的認識；②測量過程:通過實驗去認識對象的過程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測量標準：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計量的定義與意義1.計量的定義

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

2.計量的意義計量是一種特殊形式的測量，它把被測量與國家計量部門作為基準或標準的同類單位量進行比較，以確定合格與否，并給出具有法律效力的《檢定證書》。計量是利用技術(shù)和法制手段實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準確可靠的測量。計量的三個主要特征是統(tǒng)一性、準確性和法制性。1985-09-06，全國人大常委會通過了《中華人民共和國計量法》991.0.4計量的定義和意義3.計量與測量的關(guān)系測量發(fā)展的客觀需要才出現(xiàn)了計量。測量是計量應(yīng)用的重要途徑。沒有測量，計量將失去價值為了保證測量結(jié)果的準確性，必須定期對儀器進行檢定和校準，這個過程就是計量。計量的任務(wù)是確定測量結(jié)果的可靠性。計量是測量的基礎(chǔ)和依據(jù)。沒有計量，也談不上測量。計量和測量相互配合，才能在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。計量工作是國民經(jīng)濟中一項極為重要的技術(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，又是對兩個同類量值進行比較的基礎(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量單位》，決定我國法定計量單位以國際單位制為基礎(chǔ)。SI有7個基本單位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，也為了紀念杰出的科學(xué)家，在SI中對22個導(dǎo)出單位給出了專門名稱，其中17個用科學(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，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(未標準化)katmol/s

3)我國選定的非SI的單位

共16個(表3)，其中14個為國際計量大會選定的可與SI并用(11個)或暫時可與SI并用（3個）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

時間分min[小]時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倍數(shù)。例：5.4X10-9s=5.4ns

19191.0.6測量的幾個術(shù)語（1）計量器具：凡是能用以直接或間接測出被測對象量值的量具、計量儀器和計量裝置都統(tǒng)稱為計量器具。計量器具按作用可分為計量基準、計量標準和工作計量器具三類。（2）計量標準器具：準確度低于計量基準，用于檢定計量標準或工作計量器具的計量器具。（3）工作計量器具：工作崗位上使用，不用于進行量值傳遞，而是直接用來測量被測對象量值的計量器具。20201.0.6測量的幾個術(shù)語（4）比對：在規(guī)定條件下，對相同準確度等級的同類基準、標準或工作計量器之間的量值進行比較，其目的是考核量值的一致性。（5）檢定：是用高一等級準確度的計量器具對低一等級的計量器具進行比較，以達到全面評定被檢計量器具的計量性能是否合格的目的。一般要求計量標準的準確度為被檢者的1/3到1/10。（6）校準：校準是指被校的計量器具與高一等級的計量標準相比較，以確定被校計量器具的示值誤差（有時也包括確定被校器具的其他計量性能）的全部工作。（7）量值的傳遞：指一個物理量單位通過各級基準、標準及相應(yīng)的輔助手段準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電子測量的特點頻率范圍寬量程廣精確度高測量速度快便于實現(xiàn)遙測遙控易于實現(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、阻抗等第三部分時域測量，以示波器為背景介紹時域信號波形的采集、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:

在一定的時間和空間環(huán)境條件下，被測量本身所具有的真實數(shù)值。當時間、空間一定時，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)實驗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（實驗設(shè)計）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、量具或元件的標稱值、近似計算的近似值等真值的獲取方式：由理論給出或由計量學(xué)規(guī)定用滿足規(guī)定準確度要求的實際值代替真值使用，可用高一等級的計量單位測得的量值作為實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際值測量儀器的修正值可以通過上一級標準的檢定給出，修正值可以是數(shù)值表格、曲線或函數(shù)表達式等形式。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.相對誤差一個量的準確程度，不僅與它的絕對誤差的大小，而且與這個量本身的大小有關(guān)。（1）相對真誤差、實際相對誤差、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際相對誤差：用實際值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，應(yīng)選擇適當?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的兩個電流表，問用哪一個電流表測量較好？用1.5級量程為0～100mA電流表測量100mA時的最大相對誤差為解：用0.5級量程為0～400mA電流表測100mA時，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、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、現(xiàn)象判斷出錯或數(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，可分為：系統(tǒng)誤差隨機誤差粗大誤差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，誤差的絕對值和符號保持恒定，或在條件改變時，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，誤差的絕對值和符號保持不變，或者在條件改變時，誤差按一定的規(guī)律變化。39（1）不變的系統(tǒng)誤差校準、修正和實驗比對。（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)：若有累進性系統(tǒng)誤差，D值應(yīng)明顯異于零。 當n為偶數(shù)時，

當n為奇數(shù)時，③阿貝－赫梅特判據(jù)：檢驗周期性系差的存在。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、嚴格。②

測量儀器定期檢定和校準，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誤差定義：在實際相同條件下多次測量同一個量時，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