1、测 试 技 术 基 础 B主讲教师：温 泉 博士,基 础,模拟与数字电路,信号与系统,微机及接口,电子测量原理着重讨论测量技术与方法，误差分析和实际应用基于系统方框级,电子测量仪器着重研究电子仪器及系统的设计与制造等工程实现技术基于电路结构级,原理：基础,误差：提升,应用：归宿,学时安排：理论28学时、实验4学时 第1章： 测量的基本原理 3学时 第2章： 测量方法与测量系统 3学时 第4章： 时间与频率的测量 5学时 第5章： 电压测量 4学时 第6章： 阻抗测量 4学时 第7章： 信号波形测量 5学时 第12章：测试系统集成技术 4学时两个实验 4学时,本章阐述测量学科的丰富内涵 介绍测量
2、、计量的基本概念，即它们的意义、内容、特点及应用 讨论测量原理、测量方法和测量系统中的共性问题 分别从信息获取的广义概念和量值比较的狭义概念上，阐述测量的基本原理 从实现测量原理的变换、比较、处理和显示等环节中，阐述电子测量的基本技术,第1章 测量的基本原理,1.1 测量的基本概念,1.1.1 测量的意义 日常生活中处处离不开测量科学更加离不开测量,现代信息科学技术的三大支柱信息获取技术测试技术信息传输技术通信技术信息处理技术计算机技术,没有获取到信息，传输就是无源之水，处理更是无 本之木,科学的进步和发展离不开测量， 离开测量就不会有真正的科学,科学是从测量开始的，没有测量就没有科学，至少没
3、有精确的科学、真正的科学,中国首个火星探测器荧火一号,计量测试技术落后，国家的一切都要落后,1.1.2 测量的定义,1.狭义测量的定义 测量是为了确定被测对象的量值而进行的一组操作在进行这组操作的过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果,测量的量值可表示为,量：人们把事物（现象或状态、物体或物质等）可定性区别和定量确定的属性，称之为（可测量的）量。,量值：一般是由一个数值乘以测量单位所表示的特定量的大小，它是一个要 用数值和单位共同表示的量，即量值=数值 X 单位,（量的）数值：它是在量值表示中用以单位相乘的数字。数值=量值/
4、单位,（测量）单位：为了定量表示同种量的大小，人们共同约定的一个特定参考量， 它有名称、符号和定义，其数值为1。“数值等于1的量”定义为单位i,被测量：是指作为测量对象（测量客体）的特定量,测量结果：是指通过测量所得到的赋予被测量的量值,测量的内涵 测量目的是对被测对象取得一个定量的认识 “一组操作”是一个实验过程,说明了测量的实践性 测量就是比较: 直接比较和间接比较 需要同类已知单位作标准 最终能表示给测量主体（人）,被测物体的重量等于标准砝码的重量,被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果,1.1.2 测量的定义（续）,2. 广义测量的定义测量是为
5、了获取被测对象的信息而进行的实践过程,信息 事物（系统）的运动状态及其变化方式,图1-2 测量的基本原理图,1.1.3 测量的组成,测量过程基本要素之间的互动关系,1.1.3 测量的组成（续）,3.被测对象信息 狭义的测量是量值的获取,广义的测量是信息的获取 信息又可分为自然信息和社会信息两大类 4.测量仪器系统量具和仪器 测量仪器系统包括量具、测试仪器、测试系统及附件等 5.测量的主体测量人员 手动：由测量主体（测量人员）直接参与完成 自动：测量主体交给智能设备（计算机等）完成，但测量策略、软件算法、程序编写需由测量人员事先设计好 6.测量技术 测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测量
6、技术,测量的基本要素（续）,7.测量环境 测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和 测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化,仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：I 组： 良好的环境条件，温度+10+35oc，相对湿度80%(在35oc上)，只允许有轻微的振动。II 组：一般的环境条件，温度-10+40oc，相对湿度80%(在40oc上)，允许一般的振动和冲击。III 组：恶劣的环境条件，温度-40+55oc，相对湿度90%(在35oc上)，允许频繁的搬
7、动和运输中受到较大的冲击和振动。I 高精度计量用仪器 II 通用仪器 III 野外、机载等仪器,1.1.4 测试和检测,定量 定性 定级,测试: 测量和试验的总称,它包含了测量和试验的全部内容,既包括定量的测量,也包含定性的试验本书中”测试”和”测量”不加区分而互相通用,检测: 包括检验和测量两方面的含义,1.2 计量的基本概念,1.2.1 计量的定义和意义1.计量的定义计量是利用技术和法制手段实施的一种特殊形式的测量，即把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否，并给出具有法律效力的检定证书计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。 计量包含了为达到统一和准确
8、一致所进行的全部活动，如单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监督管理、测量方法及其手段的研究等,1.2.1 计量的定义和意义（续）,2.计量与测量的关系,测量发展的客观需要才出现了计量 测量是计量应用的重要途径 没有测量，计量将失去价值 为了保证测量结果的准确性，必须定期对仪器进行检定和校准，这个过程就是计量,计量的任务是确定测量结果的可靠性 计量是测量的基础和依据 没有计量，也谈不上测量 计量和测量相互配合，才能在国民经济各个领域发挥重要作用,计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作，它在工农业生产、科学技术、国防建设以及人民生活等各个方面起着技术保证和技术监督的作用,1.
9、2.2 单位和单位制,根据定义而令系数为1的量称为单位 单位是表征测量结果的重要组成部分，又是对两个同类量值进行比较的基础 基本单位、导出单位、单位制,1.2.2 单位和单位制（续）,1.国际单位制（SI）的组成 国际单位制基本单位,1948年 第9届国际计量大会1960年 第11届国际计量大会1984年 国务院颁布中华人民共和国法定计量单位,122 单位和单位制（续）,国际单位制词头采用十进制词头, 表示使单位增大或缩小的十进倍数 例：5.4X10-9s=5.4ns,1.2.3 测量标准,1.标准（或基准）的定义 为了定义、实现、保存或复现量的单位或（一个或多个量值），用作参考的计量设备（实
10、物量具、测量仪器、参考物质或测量系统），称之为标准或基准,定义基本测量单位和制作体现其量值的标准器是两件有联系 而又有区别的事，前者依据严格的科学理论，后者要靠先进 的制作技术。,1.2.3 基准和标准（续）,2.测量标准的分类、分级 分类： 国际标准 国家标准 参照标准 作证标准 标准器具 标准物质,分级： 主标准（一级标准） 副标准（二级标准） 工作标准（三级标准）,1.2.3 基准和标准（续）,3.几个术语 （1）计量器具：凡是能用以直接或间接测出被测对象量值的量具、计量仪器和计量装置都统称为计量器具。计量器具按作用可分为计量基准、计量标准和工作计量器具三类 （2）计量标准器具：准确度低
11、于计量基准，用于检定计量标准或工作计量器具的计量器具 （3）工作计量器具：工作岗位上使用，不用于进行量值传递，而是直接用来测量被测对象量值的计量器具,1.2.3 基准和标准（续）,（4）比对： 在规定条件下，对相同准确度等级的同类基准、标准或工作计量器之间的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性。 （5）检定： 是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较，以达到全面评定被检计量器具的计量性能是否合格的目的。一般要求计量标准的准确度为被检者的1/3到1/10。 （6）校准： 校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较，以确定被校计量器具的示值误差（有时也包括确定被校器具的其他
12、计量性能）的全部工作。 （7）量值的传递： 指一个物理量单位通过各级基准、标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量仪器、量具，以保证量值统一的全过程。 （8）量值的溯源性,1.2.4 测量标准的权威性和相对性,1.标准的权威性 标准的理论定义最严格的、制作工艺技术最先进 原器标准自身也会随时间、地点、环境条件而变化，甚至会损坏，会失传 从现代科学的观点来看，最好的标准是原子标准 2.基准的相对性 一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科学水平 例：以太阳为基准，时间测量的精确度可达到1秒钟。而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过1秒,我国通过与多个国家进行科技合作，成
13、功研发出铯原子喷泉钟， 使我国时间频率基准的精度从30万年不差1秒提高到600万年不差1秒， 标志着我国时间频率基准研究进入世界先进行列 2007-1-4 人民政协报,美国科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所（NIST） 1999年建成 价值约为65万美元， 在2000万年内， 它既不会少1秒也不会多1秒,NIST F-1 原子钟,1915.8 2011. 11 Norman F. Ramsey 1989年诺贝尔奖,米标准原器是19世纪前的国际标准器，现在的长度单位定义为 光用1/299 792 458秒在真空中传播的长度,1.2.5 测量标准的传递,自上而下逐级传递,图1-5 量值传递和溯
14、源体系及计量技术机构示意图,1.3 测量误差的基本概念,1.3.1 测量误差定义,1.3.2 测量误差的来源仪器误差影响误差方法误差人身误差测量对象变化误差,1.3.3 测量误差的表示方法绝对误差相对误差,1.4 测量信息的获取原理,本节中将主要阐述以下基本问题： 信息的含义是什么？ 为什么信息可以被获取？ 信息获取是怎样的过程？ 信息获取过程中采用了哪些基本方法？ 这些方法的实现途径是什么？ 信息获取的限制因素及其克服措施是什么？ 测量是研究如何获取被测对象信息的一门科学,1.4.1 信息的概念,1客体的实有的信息客观信息 某事物客体所具有的信息，是指该客观存在的事物的运动状态及其变化方式的
15、自我表述或自我显示。 客体论的信息是一种客观的存在，不以主体的存在与否为转移，或者无论是否被其主体感受到，都丝毫不影响它的“自我表述”或“自我显示”。 任何事物都具有一定的内部结构，同时处在一定的环境之中，正是这种内部结构和外部环境两者综合作用，决定了事物的具体运动状态和状态变化方式。 但在有时人们很难了解事物的内部结构状况，这时就只能把它看作一个“黑箱”，并通过它的外部联系（如输入/输出关系等外部行为）的状态及其变化方式来获得信息。,1.4.1 信息的概念（续）,2主体认识论的信息主观信息 是指主体所感知或表述的关于该事物的运动状态及其变化方式，及有关的形式、含义和效用。 主体认识论层次的信
16、息的内涵比客体论层次信息丰富得多。这是因为作为认识的主体： （1）具有感觉的能力，能够感觉到信息的外在形式。 （2）具有理解能力，能够理解信息的内在含义。 （3）具有目的性，因而能够判断信息对其目的而言的价值。,1.4.1 信息的概念（续）,3.全信息是同时考虑了事物运动状态及其变化方式的外在形式、内在含义和效用价值的主体认识论层次信息。 4实在信息、先验信息、实得信息,1.4.2 测量信息获取的原理框图,图 1-6 测量(信息获取)原理图,1.4.3 信息的感知,1感知的基本原理 信息感知的基本机制在于要有某种组织或器官能够灵敏地感受到被测对象运动的状态及其变化的方式 信息感知，是感知事物运
17、动的状态及其变化方式，其实质是把客体论层次的信息转换为主体认识论层次的语法信息,图1-7 信息感知原理框图,1.4.3 信息的感知,2感知的基本技术传感器与敏感器 测量的第一个环节是信息的感知。 传感器是感知各种非电信息并把非电量转换为电量输出的器件或装置，它是非电系统与电系统之间的接口，本质上是完成信息载体的转换。 传感器根据转换的效应可分为物理型、化学型和生物型三大类。 例：热敏电阻把被测温度的变化转换为电阻的变化。,风力参数传感器,地震检波器,反射式光敏传感器,磁、气、力敏传感器,超声 传感器,1.4.4 信息的识别,1识别的基本原理 识别是把感知的语法信息（信号形式）转换成人们能够理解
18、的语义信息 识别（分类）的基本原理是形式特征的比较。由于信息的类别不同，其形式特征也不相同，因此，理论上信息总是可以分辨（识别）的 识别的原则是：相似而认同，相异而拒斥 由于识别环境存在固有干扰，待识别的信息天然不理想，理论方法不完备和信息类别相似性的表达不完善，因此，无论怎样精巧地设计信息识别系统，完全无差错的识别是不现实的（误差存在的绝对性）,1.4.3 信息的识别,2识别的基本技术 为了把语法信息（信号）转换人们能够理解的语义信息，须使用信号的比较、变换、处理和显示技术。 （1）比较用已知量和未知量比较。 （2）变换某些被测量不便于直接比较，无法直接观测而采用了变换。为了获得更高的识别分
19、辨力和精度、更快的速度、更宽的量程而采用变换技术。 例如，雷达测量飞机的距离，采用了把距离变换成时间，通过直接测量电脉冲来回传输的时间来测得距离。 （3）信息处理泛指为了各种目的而对信息所进行的变换和加工。 （4）显示原理显示的基本功能是把人眼不可见的信息转化成为可见的信息,各种测量系统中对处理功能的需求可能很不同，处理内容和复杂程度差异也很大，处理的方法也可能很不一样。,（1）人工处理方式 例：一个模拟式的交流电压表的原理框图，它测量交流电压的有效值。 工作原理是被测交流电压经峰值检波器变换成直流电压（AC-DC电压变换），然后经直流电压放大（幅度变换）和电压转换为电流输出（电压-电流变换）
20、，去驱动电表指针偏转（电压-指针偏转换变换）。,图 1-8 交流电压表原理图,（2）自动化方式,图1-9 数据采集系统原理图,(3) 智能化处理机器智能人所赋予机器的一种智能智能包含信息、知识、策略和行为四个要素，具有获取有用信息、由信息生成知识（认识）、由知识和目的生成策略（决策）以及实施策略取得效果（施效）等四个方面的能力。,图1-10 学习与决策环节的模型,1.5 测量的量值比较原理,测量最基本的原理是比较，比较是认识和区别被测对象的一种重要方法。测量是通过比较来取得一个定量的认识 1.5.1 基于比例变换的间接比较法（偏转法） 1.比例变换的原理 （1）三种类型的子变换：,A,图1-1
21、1 偏转法(直读法)测量原理,1.5.1 基于比例变换的间接比较法（续）,例：弹簧秤是偏转法直读式仪器的一个简单例子。被测重物放在弹簧秤上，把物体的重量变成弹簧的弹性形变。然后，形变带动机械式仪表的指针成比例的偏转，指示出被测物体的重量。,直读式电压表,图1-12 偏转法(间接法) 直读式弹簧称和直读式电压表,1.5.1 基于比例变换的间接比较法（续）,（2）间接比较方法 步骤为校准 测量,图1-14 间接比较法的过程,1.5.2 基于差值示零的直接比较法,1.差值测量原理:被测量与标准量直接进行比较 需要一个具有比较功能的电路，要求比较的范围宽、灵敏度和分辨力高； 需要一个与被测量同类的可变
22、标准量参与比较，要求标准量准确且可细微调节。 比较功能可由运算功能来实现 有两种方式： (1)差值运算比较 (2)比例运算比较,图1-15 量值比较原理图,1.5.2 基于差值示零的直接比较法,2. 差值示零的平衡调节 （1）零示法原理:,图1-16 直接比较(零示法)原理图,1.5.2 基于差值示零的直接比较法（续）,（2）实现平衡调节的结构,当 则,1.5.2 基于差值示零的直接比较法（续）,对称差动的桥式结构,当 时，,1.6 电子测量中的基本实现技术 变换技术 比较技术 处理技术 显示技术,1.6.1 电子测量中的变换技术,1.量值变换信号放大与衰减阻抗变换,1.6.1电子测量中的变换
23、技术(续）,2.频率变换(1) 检波(2) 斩波(3) 变频(4) 倍频(5) 分频(6) 合成(7) 取样,3.波形变换（1）整形 （2）限幅 （3）微分 （4）合成 （5）变换,4 参量变换（1）AV变换 （2）V/F变换 （3）V/T变换 （4）网络参数的变换,1.6.1电子测量中的变换技术(续）,5.能量变换能量变换是泛指其他多种形式的物理量与电学量之间的变换。传感器就是能量变换器，即从非电量变换成电量6.模/数和数/模变换,例 试以数字多用表测量交流电流为例，阐述变换技术在电子测量中的应用。交流电流/交流电压的变换；交流电压/直流电压的变换；直流电压的幅值变换；模拟/数字的变换；BC
24、D码/七段码的码制变换；显示器件的电/光转换。,1.6.2 电子测量中的比较技术,1.比较的基本概念 被测量为x、标准量为s、比较电路输出为y。 当xs时，y=YH 当x=s 时，y出现一个跃变信号,1.6.2 电子测量中的比较技术(续),（1）比较的基本类型： 标量比较它只识别两个同类的未知量是否相等，例如两个炉子温度是否相等， 矢量比较它识别一组同类的未知量的相对大小，并按照由大到小（或由小到大）的顺序排列起来。 差值比较利用具有减法运算功能的比较电路，取出两个未知量之间的间隔大小（差值），并对差值进行比较。 比值比较它选择某个点作为参考点，将每次测量值除以参考值，确定它们的相对大小。例如
25、，在一组测量值中以最大测量值作参考，得到测量值以百分数表示。 量化比较被测未知量与标准单位量比较，确定它是该单位的若干倍或是若干分之一。A/D转换器是基于量化比较的典型部件。,1.6.2 电子测量中的比较技术(续),2.电压比较(1) 电平比较(2) 差值型比较(3) 比例型比较,1.6.2 电子测量中的比较技术(续),3.阻抗比较 电桥电路具有对称差动的电路结构，是一种电量天平，可以十分方便地实现差值检测和比例比较的功能。 电桥电路具有灵敏度高、测量范围宽，温度补偿容易实现，测量电路的零点调节方便。,1.6.2 电子测量中的比较技术(续),4.频率（时间）比较 时间差值比较：用R-S触发器可
26、实现时差的比较,1.6.2 电子测量中的比较技术(续),5. 相位比较使用鉴相器6. 数字比较,1.6.3 电子测量中的处理技术,信号运算与处理是电子测量中的基本技术 浅层的信息处理基本上属于对信息的形式化关系所作的变换或处理，仅仅利用了语法信息的因素。例如，在测量交流电压的平均值、峰值、有效值时，需要对信号进行加、减、乘、除、平方、开方、平均、取绝对值、峰值等运算与处理。 深层信息处理（特别是直接与优化、决策、认知等相联系的信息处理）的目的是为了要从原始信息中获得相关的“知识” 运算电路分为模拟运算电路和数字运算电路两大类,1.6.3 电子测量中的处理技术(续),1. 基本模拟运算 运算放大
27、器辅之以不同的电路元件，可以组成诸如比例、加减、微分、积分、对数、指数和乘除等电路 （1）四则运算电路 （2）积分和微分电路 （3）有源滤波器,1.6.3 电子测量中的处理技术(续),例1-7 举例说明运算与处理功能在电压测量中的应用。 计算公式第一级为模拟乘法器，完成被测电压的平方运算；第二级为积分器，完成平均运算；第三级为开方器，完成开平方根的运算；最后一级为放大器，按一定比例放大的直流输出电压去驱动电表使电表，按被测电压的有效值进行线性刻度。,1.6.3 电子测量中的处理技术(续),2.数字计算与数字信号处理 基于数字逻辑电路的硬件方式：利用现有的各种数字逻辑门、译码器、触发器、寄存器、
28、计数器、全加器等，以及各种CPLD、FPGA等可编程逻辑，组成各种数字逻辑的运算与控制单元。 基于微处理器和微型计算机的嵌入式系统的软件方式：通过软件编程，可完成各种数字与逻辑的运算。 它不仅能完成常用的数学运算，而且能实现统计运算、FFT运算等。运算功能强、精度高、速度快、灵活性及抗干扰性强。 再加之微机和单片机的逻辑运算与控制功能，实现现代测试仪器系统的智能化、自动化、虚拟化和网络化。,1.6.4 电子测量中的显示技术,测量结果必须通过显示器件把各种电信号转换成人们五官可直接感知的机械运动、数字、文字、图形、图像等形式的信号显示出来 1.指示式仪表,图 1-31 动圈式仪表的分度盘示例和内
29、部结构 (a) 分度盘示例（直流电流表） (b) 动圈式仪表的结构,1.6.4 电子测量中的显示技术(续),2）电光显示器件 （1）发光二极管（LED）利用正向偏置PN结中电子与空穴的幅射复合发光，发射出非相干光，光谱较宽，发散角大，视角效果好； LED的发光颜色多、辉度高，LED的单元体积小，电压低、驱动电流小，寿命长。 指示灯 数字显示器,1.6.4 电子测量中的显示技术(续),（2）液晶显示器（LCD） 液晶是一种具有光学双射性的液体状的晶体 ，液晶显示器件在电信号驱动下，控制其对入射偏光的反射或透射，实现LCD的显示 LCD具有薄型、轻量、低功耗、低工作电压等特点 数字、字符显示 平面显示,1.6.4 电子测量中的显示技术(续),（3）阴极射线管（CRT） CRT可分为电视用、显示终端用及仪器仪表用几种类型,本章小结,测量是测量主体通过比较的方法，对被测对象取得定量信息（即量值）的实验过程，是人类获取信息的基本手段，是认识客观世界的主要工具。 计量是为了保证量值的统一和准确一致的一种测量。它具有统一性、准确性和法制性的三个主要特征。 测量是研究信息获取的科学，它包括信息的感知和识别。 测量是为了确定被测对象的量值而进行的比较，分为直接比较、间接比较。 测量的基本技术有：变换、比较、处理和显示,
