單元一 電子測(cè)量與儀器基本知識(shí).doc

單元一 電子測(cè)量與儀器基本知識(shí)一、電子測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)1、測(cè)量的概念1）廣義的測(cè)量:為了獲取被測(cè)對(duì)象的信息而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，人們借助專門的設(shè)備去感知和識(shí)別有關(guān)的信息，取得關(guān)于被測(cè)對(duì)象的屬性和量值的信息，并以便于人們利用的形式表示出來(lái)。信息獲取的基本原理如下圖所示。2）測(cè)量的基本要素：被測(cè)對(duì)象、測(cè)量?jī)x器、測(cè)量技術(shù)、測(cè)量人員和測(cè)量環(huán)境。3）測(cè)試技術(shù)：測(cè)量中所采用的原理、方法和技術(shù)措施的總稱。4）測(cè)量環(huán)境：指測(cè)量過(guò)程中人員、對(duì)象和儀器系統(tǒng)所處空間的一切物理和化學(xué)條件的總和。它包括溫度、濕度、力場(chǎng)、電磁場(chǎng)、輻射、有關(guān)電磁量（工作電壓、負(fù)載阻抗、地磁場(chǎng)、雷電等）的數(shù)值、范圍及其變化。2、電子測(cè)量及其內(nèi)容1）電子測(cè)量：泛指以電子科學(xué)技術(shù)為手段的測(cè)量，即以電子技術(shù)理論為依據(jù)，以電子測(cè)量?jī)x器和設(shè)備為工具，對(duì)電量和非電量進(jìn)行的測(cè)量。2）電子測(cè)量的內(nèi)容電能量的測(cè)量：包括各種頻率及波形下的電壓、電流、功率、電場(chǎng)強(qiáng)度等的測(cè)量。電路參數(shù)的測(cè)量：包括電阻、電感、電容、阻抗、品質(zhì)因數(shù)、電子器件參數(shù)等的測(cè)量。電信號(hào)特征的測(cè)量：包括信號(hào)頻率、周期、時(shí)間、相位、調(diào)幅度、調(diào)頻指數(shù)、失真度、噪音以及數(shù)字信號(hào)的邏輯狀態(tài)等的測(cè)量。電子設(shè)備性能的測(cè)量：包括放大倍數(shù)、衰減、靈敏度、頻率特性、通頻帶、噪聲系數(shù)的測(cè)量。特性曲線的測(cè)量：包括幅頻特性曲線、晶體管特性曲線等的測(cè)量和顯示。各種非電量的測(cè)量：一般方法是采用非電量的電測(cè)法，首先是通過(guò)傳感器將眾多非電量（如溫度、壓力、流量等）轉(zhuǎn)換成電量，再進(jìn)行電子測(cè)量。3、電子測(cè)量的特點(diǎn)1）頻率范圍寬：測(cè)量交流信號(hào)的頻率范圍低至10-6Hz以下，高至THz（1THz=1012Hz）。2）量程范圍寬：測(cè)量范圍的上限值與下限值之間相差很大，儀器具有足夠?qū)挼牧砍?。如?shù)字萬(wàn)用表對(duì)電阻測(cè)量小到10-5，大到108，量程達(dá)到13個(gè)數(shù)量級(jí)；電壓測(cè)量由納伏（nV）級(jí)至千伏（kV）級(jí)電壓，量程達(dá)12個(gè)數(shù)量級(jí)；3）準(zhǔn)確度高：可以使頻率和時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到10-13 10-14的數(shù)量級(jí)（這是目前在測(cè)量準(zhǔn)確度方面達(dá)到的最高指標(biāo)），長(zhǎng)度測(cè)量和力學(xué)測(cè)量的最高精度均達(dá)10-9量級(jí)。4）測(cè)量速度快：具有其他測(cè)量方法通常無(wú)法類比的高速度。5）易于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)：電子測(cè)量可以通過(guò)電磁波進(jìn)行信息傳遞，很容易實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控。6）易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化和測(cè)量?jī)x器智能化:由于大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，在測(cè)量過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)程控、遙控、自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程、自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)診斷故障和自動(dòng)恢復(fù)，對(duì)于測(cè)量結(jié)果可進(jìn)行自動(dòng)記錄、自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、分析和處理。二、測(cè)量誤差1、測(cè)量誤差的定義1）測(cè)量的目的:獲得被測(cè)量的真值。2）真 值:在一定的時(shí)間和空間環(huán)境條件下，被測(cè)量本身所具有的真實(shí)數(shù)值。3）測(cè)量誤差：指測(cè)量值與真值間的差異。 4）研究誤差的目的：正確認(rèn)識(shí)誤差的性質(zhì)，分析誤差產(chǎn)生的原因及其發(fā)生規(guī)律，尋求減小或消除測(cè)量誤差的方法，學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)處理的方法，使測(cè)量結(jié)果更接近于真值。2、測(cè)量誤差的來(lái)源1）儀器誤差：由于測(cè)量?jī)x器及其附件的設(shè)計(jì)、制造、檢定等不完善，以及儀器使用過(guò)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(dòng)、電源電壓、電磁場(chǎng)等）與測(cè)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(cè)量原理、近似公式、測(cè)量方法不合理而造成的誤差。4）人身誤差：由于測(cè)量人員感官的分辨能力、反應(yīng)速度、視覺(jué)疲勞、固有習(xí)慣、缺乏責(zé)任心等原因，而在測(cè)量中使用操作不當(dāng)、現(xiàn)象判斷出錯(cuò)或數(shù)據(jù)讀取疏失等而引起的誤差。5）測(cè)量對(duì)象變化誤差：測(cè)量過(guò)程中由于測(cè)量對(duì)象變化而使得測(cè)量值不準(zhǔn)確，如引起動(dòng)態(tài)誤差等。3、測(cè)量誤差的表示方法1）絕對(duì)誤差：由測(cè)量所得到的被測(cè)量值與其真值之差，稱為絕對(duì)誤差，即X=X-A。絕對(duì)誤差表明了被測(cè)量的測(cè)量值與被測(cè)量的實(shí)際值間的偏離程度和方向。絕對(duì)誤差雖然可以說(shuō)明測(cè)量結(jié)果偏離實(shí)際值的情況，但不能完全科學(xué)地說(shuō)明測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度。因?yàn)橐粋€(gè)量的準(zhǔn)確程度，不僅與它的絕對(duì)誤差的大小，而且與這個(gè)量本身的大小有關(guān)。2）相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與被測(cè)量的真值之比，稱為相對(duì)誤差（相對(duì)真誤差），用表示實(shí)際相對(duì)誤差: 由于真值是不能確切得到的，通常用實(shí)際值A(chǔ)代替真值來(lái)表示相對(duì)誤差示值相對(duì)誤差: 在誤差較小、要求不太嚴(yán)格的場(chǎng)合，也可以用測(cè)量值代替實(shí)際值A(chǔ)3）滿度相對(duì)誤差（引用相對(duì)誤差）:測(cè)量?jī)x器在一個(gè)量程范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差與該量程的滿刻度值之比 電工儀表就是按引用誤差之值進(jìn)行分級(jí)的。是儀表在工作條件下不應(yīng)超過(guò)的最大引用相對(duì)誤差，它反映了該儀表的綜合誤差大小。我國(guó)電工儀表共分七級(jí)：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果儀表為2.5級(jí)，則說(shuō)明該儀表的最大引用誤差不超過(guò)2.5%因，故當(dāng)x越接近于時(shí)，越接近S%，其測(cè)量準(zhǔn)確度越高。因此，在使用這類儀表測(cè)量時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牧砍蹋故局当M可能接近于滿度值，指針最好能在滿度值的2/3以上。例 某待測(cè)電流約為100mA，現(xiàn)有0.5級(jí)量程為0400mA和1.5級(jí)量程為0100mA的兩個(gè)電流表，問(wèn)用哪一個(gè)電流表測(cè)量較好？解 用0.5級(jí)量程為0400mA電流表測(cè)100mA時(shí)，最大相對(duì)誤差為用1.5級(jí)量程為0100mA電流表測(cè)量100mA時(shí)的最大相對(duì)誤差為 思考題1簡(jiǎn)述測(cè)量誤差的定義和誤差的來(lái)源。2什么是絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差？它們各表明什么概念？三、測(cè)量方法1、直接測(cè)量法使用按已知標(biāo)準(zhǔn)定度的電子儀器，對(duì)被測(cè)量值直接進(jìn)行測(cè)量，從而測(cè)得其數(shù)據(jù)的方法。直讀測(cè)量法與比較測(cè)量法都屬直接測(cè)量。直讀測(cè)量法：是直接從儀器儀表的刻度上讀出測(cè)量結(jié)果的方法。如一般用電壓表測(cè)量電壓；利用頻率計(jì)測(cè)量信號(hào)的頻率等都是直讀測(cè)量法。比較測(cè)量法：是在測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)直接進(jìn)行比較而獲得測(cè)量結(jié)果的方法，電橋就是典型的例子，它是利用標(biāo)準(zhǔn)電阻（電容、電感）對(duì)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量。2、間接測(cè)量法使用按照已知標(biāo)準(zhǔn)定度的電子儀器，不直接對(duì)被測(cè)量值進(jìn)行測(cè)量，而對(duì)一個(gè)或幾個(gè)與被測(cè)量具有某種函數(shù)關(guān)系的物理量進(jìn)行直接測(cè)量，然后通過(guò)函數(shù)關(guān)系計(jì)算出被測(cè)量值的測(cè)量方法。例如，要測(cè)量電阻的消耗功率，可以通過(guò)直接測(cè)量電壓、電流或測(cè)量電流、電阻，然后根據(jù)P=UI=I2R=U2/R求出電阻的功率。 3、組合測(cè)量法有的測(cè)量需要直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兼用。四、靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量1、靜態(tài)測(cè)量是指測(cè)量時(shí)，被測(cè)電路不加輸入信號(hào)或只加固定電位，如放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量；2、動(dòng)態(tài)測(cè)量是指在測(cè)量時(shí)，被測(cè)電路需加上一定頻率和幅度的輸入信號(hào)，如放大器增益的測(cè)量。五、電子測(cè)量?jī)x器的放置電子儀器擺放位置、連接方法等是否合理都會(huì)對(duì)測(cè)量過(guò)程、測(cè)量結(jié)果及儀器自身安全產(chǎn)生影響。1、電子測(cè)量?jī)x器的位置放置儀器時(shí)，應(yīng)盡量使儀器的指示電表或顯示器與操作者的視線平行，以減少視差；對(duì)那些在測(cè)量中需頻繁操作的儀器，其位置的安排應(yīng)方便操作者的使用；在測(cè)量中當(dāng)需要兩臺(tái)或多臺(tái)儀器重疊放置時(shí)，應(yīng)把重量輕、體積小的儀器放在上層；對(duì)散熱量大的儀器還要注意它的散熱條