1、单元一 电子测量与仪器基本知识一、电子测量基础知识1、测量的概念1）广义的测量:为了获取被测对象的信息而进行的实验过程。在这个过程中，人们借助专门的设备去感知和识别有关的信息，取得关于被测对象的属性和量值的信息，并以便于人们利用的形式表示出来。信息获取的基本原理如下图所示。 被 测 对 象 测 量 人 员测 试 仪 器 系 统信 息 显 示感 知 和 识 别2）测量的基本要素：被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境。3）测试技术：测量中所采用的原理、方法和技术措施的总称。4）测量环境：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。它包括温度、湿度、力场、电磁场、
2、辐射、有关电磁量（工作电压、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。2、电子测量及其内容1）电子测量：泛指以电子科学技术为手段的测量，即以电子技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量。2）电子测量的内容电能量的测量：包括各种频率及波形下的电压、电流、功率、电场强度等的测量。电路参数的测量：包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等的测量。电信号特征的测量：包括信号频率、周期、时间、相位、调幅度、调频指数、失真度、噪音以及数字信号的逻辑状态等的测量。电子设备性能的测量：包括放大倍数、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声系数的测量。特性曲线的测量：包括
3、幅频特性曲线、晶体管特性曲线等的测量和显示。各种非电量的测量：一般方法是采用非电量的电测法，首先是通过传感器将众多非电量（如温度、压力、流量等）转换成电量，再进行电子测量。3、电子测量的特点1）频率范围宽：测量交流信号的频率范围低至 10-6Hz 以下，高至THz（1THz=10 12Hz） 。2）量程范围宽：测量范围的上限值与下限值之间相差很大，仪器具有足够宽的量程。如数字万用表对电阻测量小到 10-5，大到 108 ，量程达到 13 个数量级；电压测量由纳伏（nV）级至千伏（kV）级电压，量程达12 个数量级；3）准确度高：可以使频率和时间测量准确度达到 10-13 10-14的数量级（这
4、是目前在测量准确度方面达到的最高指标） ，长度测量和力学测量的最高精度均达 10-9量级。4）测量速度快：具有其他测量方法通常无法类比的高速度。5）易于实现遥测：电子测量可以通过电磁波进行信息传递，很容易实现遥测、遥控。6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化:由于大规模集成电路和微型计算机的应用，在测量过程中能够实现程控、遥控、自动转换量程、自动调节、自动校准、自动诊断故障和自动恢复，对于测量结果可进行自动记录、自动进行数据运算、分析和处理。二、测量误差1、测量误差的定义1）测量的目的:获得被测量的真值。2）真 值:在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。3）测量误差：
5、指测量值与真值间的差异。 4）研究误差的目的：正确认识误差的性质，分析误差产生的原因及其发生规律，寻求减小或消除测量误差的方法，学会数据处理的方法，使测量结果更接近于真值。2、测量误差的来源1）仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。2）影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。3）理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。4）人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操
6、作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。5）测量对象变化误差：测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准确，如引起动态误差等。3、测量误差的表示方法1）绝对误差：由测量所得到的被测量值 x与其真值 0A之差，称为绝对误差，即 X=X-A。绝对误差表明了被测量的测量值与被测量的实际值间的偏离程度和方向。绝对误差虽然可以说明测量结果偏离实际值的情况，但不能完全科学地说明测量结果的准确程度。因为一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。2）相对误差 ：绝对误差与被测量的真值之比，称为相对误差（相对真误差） ，用 表示 01%xA实际相对误差: 由于真值是不能确
7、切得到的，通常用实际值 A 代替真值 0A来表示相对误差 10Ax示值相对误差 x: 在误差较小、要求不太严格的场合，也可以用测量值 x代替实际值 A 10%x3）满度相对误差（引用相对误差） m:测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差 mx与该量程的满刻度值 x之比 10m电工仪表就是按引用误差 之值进行分级的。 m是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差，它反映了该仪表的综合误差大小。我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5 及 5.0。如果仪表为2.5 级，则说明该仪表的最大引用误差不超过 2.5%因 mx，故当 x 越接近于 mx时， x越接近 S%
8、，其测量准确度越高。因此，在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能在满度值的 2/3 以上。例 某待测电流约为 100mA，现有 0.5 级量程为 0400mA 和 1.5 级量程为 0100mA 的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？解 用 0.5 级量程为 0400mA 电流表测 100mA 时，最大相对误差为140%.52mxs用 1.5 级量程为 0100mA 电流表测量 100mA 时的最大相对误差为2 10xS思考题1简述测量误差的定义和误差的来源。2什么是绝对误差和相对误差？它们各表明什么概念？三、测量方法1、直接测量法使用按已知标准定度的电
9、子仪器，对被测量值直接进行测量，从而测得其数据的方法。直读测量法与比较测量法都属直接测量。直读测量法：是直接从仪器仪表的刻度上读出测量结果的方法。如一般用电压表测量电压；利用频率计测量信号的频率等都是直读测量法。比较测量法：是在测量过程中，通过被测量与标准直接进行比较而获得测量结果的方法，电桥就是典型的例子，它是利用标准电阻（电容、电感）对被测量进行测量。2、间接测量法使用按照已知标准定度的电子仪器，不直接对被测量值进行测量，而对一个或几个与被测量具有某种函数关系的物理量进行直接测量，然后通过函数关系计算出被测量值的测量方法。例如，要测量电阻的消耗功率，可以通过直接测量电压、电流或测量电流、电
10、阻，然后根据 P=UI=I2R=U2/R 求出电阻的功率。 3、组合测量法有的测量需要直接测量法和间接测量法兼用。四、静态测量和动态测量1、静态测量是指测量时，被测电路不加输入信号或只加固定电位，如放大器静态工作点的测量；2、动态测量是指在测量时，被测电路需加上一定频率和幅度的输入信号，如放大器增益的测量。五、电子测量仪器的放置电子仪器摆放位置、连接方法等是否合理都会对测量过程、测量结果及仪器自身安全产生影响。1、电子测量仪器的位置放置仪器时，应尽量使仪器的指示电表或显示器与操作者的视线平行，以减少视差；对那些在测量中需频繁操作的仪器，其位置的安排应方便操作者的使用；在测量中当需要两台或多台仪器重叠放置时，应把重量轻、体积小的仪器放在上层；对散热量大的仪器还要注意它的散热条件及对邻近仪器的影响。2、电子仪器间的连线电子测量仪器之间的联线除了稳压电源输出线，其它的信号线要求使用屏蔽导线，而且要尽量短，尽量做到不交叉，以免引起信号的串扰和寄生振荡。例如在图 1-1 所示的仪器布置中， （a） 、(c)的布置和连线是正确的， （b）的连线过长， （d）连线有交叉，这两种情况都是不妥当的。
