1、電氣測量課件基礎知識第1頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第2頁課程簡介 測感技術：電量和非電量的測量 三部分內容：電子測量基礎知識電量測量 基本電參量測量 電子測量顯示技術 線性系統測量 測量技術新進展（簡介）非電量測量 傳感器的基礎知識 結構型傳感器 物性型傳感器 其它傳感器（超聲波、微波、核輻射與紅外傳感器、熱電式） 傳感器應用技術考核 期末成績參考平時成績（考勤、作業、實驗、平時的小論文）第2頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第3頁第1章 電子測量基礎知識教學內容： 測量的基本概念，計量的基本概念； 測量的誤差的定義； 電子測量的基本

2、方法和測量系統； 電子測量的實現技術和測量誤差與數據處理。教學要求： 了解測量與計量的內容、特點和意義； 掌握測量誤差的基本概念； 了解電子測量的方法、特點和內容，了解電子測量的基本實現技術； 掌握測量誤差的種類，系統誤差、隨機誤差和粗大誤差性質、產生的原因、判別與消除方法； 掌握測量結果的數據處理方法。第3頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第4頁1.1 測量的基本原理1.1.1 測量的基本概念1 測量的意義 日常生活、生產中處處離不開測量 信息處理、傳遞的源頭 科學的進步和發展離不開測量 離開測量就不會有真正的科學。 我國近代科學落后與不重視“定量”有關 沒有望遠鏡

3、就沒有天文學，沒有顯微鏡就沒有細胞學，沒有指南針就沒有航海事業 第4頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第5頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第6頁1.1.1 測量的基本概念2. 測量的定義狹義測量的定義 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，人們借助專門的設備，把被測對象直接或間接地與同類已知單位進行比較，取得用數值和單位共同表示的測量結果。測量結果測量數值.測量單位，即：第6頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第7頁被測物體的重量等于標準砝碼的重量被測物體的重量從度盤上讀數，因為，彈簧秤度盤上

4、的刻度是事先與標準量進行比較的結果。 第7頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五1.1.1 測量的基本概念2. 測量的定義廣義測量的定義：信息的感知和信息識別廣義地講，測量不僅對被測的物理量進行定量的測量，而且還包括對更廣泛的被測對象進行定性、定位的測量。 例如故障診斷、無損探傷、遙感遙測、礦藏勘探、地震源測定、衛星定位等。 而測量結果也不僅僅是由量值和單位來表征的一維信息，還可以用二維或多維的圖形、圖像來顯示被測對象的屬性特征、空間分布、拓樸結構等。 第8頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第9頁1.1.1 測量的基本概念3. 測量的基本構成 被

5、測對象 、測量的主體 、測量技術、測量設備 、測量過程 、測量環境 第9頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第10頁環境對測量的影響 A. 環境對被測對象的影響：某些被測對象客體（如器件、電路或系統）的性能特性對環境變化較為敏感或非常敏感，因此，原則上測量應在被測對象的正常或額定工作條件下進行。 B. 環境對儀器系統的影響：環境可能直接或間接地影響到儀器系統本身的某個工作特性，進而影響測量結果，造成測量誤差。特別是某些測量器具的量程廣、頻段寬，而內部的元器件數目甚多，且對外界影響相當敏感，錯綜復雜的影響量所產生的不良效應有時會成為測量的嚴重問題。 C. 環境對測量人員的

6、影響：高溫、嚴寒、潮濕、悶氣、嘈雜、照明不適當等不良工作環境，會對測量人員的身心產生不良影響，從而引起不同程度的人身誤差乃至差錯。應對措施：應采取適當的控制措施，盡量減少由于環境影響而產生的誤差。 恒溫、恒濕、穩壓和防震。 抗干擾、防噪聲的措施，如接地、屏蔽、隔離、濾波等。 儀器應能盡量適應惡劣環境和大范圍變化環境。第10頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第11頁儀器以工作環境條件的不同要求分為三組： I組：良好的環境條件，溫度+10+35oC，相對濕度80%（在35oC上），只允許有輕微的振動。 II組：一般的環境條件，溫度10+40oC，相對濕度80%（在40oC

7、上），允許一般的振動和沖擊。 III組：惡劣的環境條件，溫度40+55oC，相對濕度90%（在35oC上），允許頻繁的搬動和運輸中受到較大的沖擊和振動。 I組高精度計量用儀器 II組通用儀器 III組野外、機載等儀器 第11頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五1.1.1 測量的基本概念4. 測試與檢測 測試： 測試是測量與試驗的總稱，它包括定量的測量和定性的試驗。 試驗：是為了對被測對象的性能和結果進行觀察而從事的某種實踐活動。檢測： 檢測包括檢驗和測量兩方面的含義。檢測包括定量內容，即檢查被測量的量值是否處于某一范圍內，以此來判斷是否合格。 在實際生產中，檢測不僅包括

8、對產品的檢驗和測量，同時還包括對生產過程、運動狀況和運動對象的檢測第12頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五1.1.2 計量的基本概念1. 計量的定義和意義 計量的意義： 為使在不同的地方，用不同的手段測量同一量時，所得的結果一致 計量的定義： 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。 計量是利用技術和法制手段實現單位統一和量值準確可靠的測量。 計量的三個主要特征： 統一性、準確性和法制性。 第13頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五1.1.2 計量的基本

9、概念2單位和單位制根據定義而令系數為1的量稱為單位。分為基本單位和導出單位 單位是表征測量結果的重要組成部分， 又是對兩個同類量值進行比較的基礎。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。 英呎feet第14頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第15頁國際單位制（SI）的組成 國際單位制基本單位 （ SI有7個基本單位 ）第15頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第16頁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單

10、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。國際單位制詞頭采用的是十進制詞頭，它是用來單位增大或縮小十進倍數，從 共有16個 例：5.4X10-9s=5.4ns 第16頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第17頁1.1.2 計量的基本概念2測量基準（標準）測量標準的定義： 為了定義、實現、保存和復現量的單位或一個及多個量值，用作參考的實物量具、測量儀器、參考物質或測量系統。幾個名詞： 比對： 在規定條件下，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。 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

11、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。 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。 量值的傳遞： 指一個物理量單位通過各級基準、標準及相應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，以保證量值統一的全過程。第17頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第18頁測量基準的權威性和相對性基準的權威性 基準的理論定義最嚴格的、制作工藝技術最先進。 原器基準自身也會隨時間、地點、環境條件而變化，甚至會

12、損壞，會失傳。 從現代科學的觀點來看，最好的基準是原子基準。 基準的相對性 一個時期的測量基準反映當時的人類認識水平和科學水平 例：以太陽為基準，時間測量的精確度1天內可達到1秒鐘。而目前銫原子鐘的計時精確度在三百萬年內也不超過1秒。 第18頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第19頁測量標準的傳遞自上而下逐級傳遞 第19頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第20頁1.1.3 測量誤差的基本概念1.測量誤差的定義 測量的目的: 獲得被測量的真值。 真值: 在一定的時間和空間環境條件下，被測量本身所具有的真實數值。 測量誤差 : 所有測量結果都帶有

13、誤差 。 從廣州到北京的距離如何測？第20頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第21頁1.1.3 測量誤差的基本概念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、反應速度、視覺疲勞、固有習慣、缺乏責任心等原因，而在測量中使用操作不當、現象判斷

14、出錯或數據讀取疏失等而引起的誤差。 例如：用滴定法測量粉末中CaO含量，稱取定量的粉末，然后慢慢滴入酸溶液一直到變色（完全中和）為止，根據滴入溶液的數量確定CaO含量。這中間就會引入人為誤差。 隨著科技的發展，現在出現了X熒光分析儀，可以進行自動測試，就解決了人為誤差。（講述熒光分析儀的原理）第21頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五熒光分析儀的原理及常見故障處理處于基態的被測物質的分子在吸收適當能量，如光、化學、物理能后，其共價電子從成鍵分子軌道或非鍵分子軌道躍遷到反鍵分子軌道上去，形成分子激發態。分子激發態不穩定，將很快衰變到基態。在分子激發態返回到基態的同時常伴隨

15、著光子的輻射。這種現象就是發光現象。熒光則屬于分子的光致發光現象。 二、熒光分光光度計的特點用熒光分析法分析的儀器，稱熒光分光光度計。熒光分析法具有靈敏度高（比紫外、可見分光光度法高23個數量級），能提供激發光譜、發射光譜、發射強度、特征峰值等信息，在生物、環保、醫學、藥物、石油勘探等諸多領域都有廣泛的應用。本儀器不僅能直接、間接地分析眾多的有機化合物；另外，還可利用有機試劑間的反應，進行近70種無機元素的熒光分析。熒光的光譜特征是熒光光譜總是滯后于激發光譜即斯托克斯位移.三、熒光強度與物質濃度的關系1對于某種熒光物質的稀溶液，在一定強度的激發光照射下，熒光物質的發射強度與入射光的強度以及檢測

16、器的放大倍數成正比，可以用以下公式表示：F=KIFCK-與儀器系統有關的常數I-入射光的強度F-熒光物質的熒光效率C-熒光物質的濃度2當樣品濃度增大到一定值時，熒光強度與濃度就不成線性關系。原因一：樣品濃度較高時，液池前部的溶液強吸收則發生強的熒光，液池后半部的溶液不易受到入射光照，不發生熒光，所以熒光強度反而降低。原因二：在濃度較高的溶液中，可能發生溶液溶質與溶質間的相互作用，形成一種不致熒光的復合物，從而造成熒光強度反而降低的現象。比如，硫酸奎寧的熒光分析曲線如下： 四、石油熒光分析儀的基本工作原理及結構由光源發出的光經濾光片后成為單色光，樣品在此單色光的照射下，產生熒光，熒光由大孔徑非球

17、面鏡的聚光及光柵的分光后，照射于光電倍增管上，光電倍增管把光信號轉換為電信號，經放大處理，最后由計算機輸出顯示或進行圖譜打印。 儀器主機主要由以下幾部分組成： 五、儀器使用注意事項1） 儀器使用交流220V10%,頻率為50Hz電源2） 務必使用接地良好的三芯電源插座3） 儀器應放置在平穩牢固的工作臺面上4） 應避開陽光直射5） 儀器周圍無強磁場、電場干擾6） 各連接線需連接可靠7） 打開儀器罩蓋后，避免在負高壓工作狀態下有強光照射到接收器上8） 注意開機順序，一定待汞燈點亮后，才可開主機電源開關以免擊壞電路板第22頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第23頁1.1.4

18、 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 （1）定義：由測量所得到的被測量值與其真值之差，稱為絕對誤差 實際應用中常用實際值A（高一級以上的測量儀器或計量器具測量所得之值）來代替真值。 絕對誤差： 有大小，又有符號和量綱（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 測量儀器的修正值可以通過上一級標準的檢定給出，修正值可以是數值表格、曲線或函數表達式等形式。 被測量的實際值 第23頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第24頁1.1.4 測量誤差的表示方法2.相對誤差（1）相對真誤差、實際相對誤差、示值相對誤差

19、 相對真誤差： 絕對誤差與被測量的真值之比實際相對誤差： 用實際值A代替真值A0 示值相對誤差： 用測量值X 代替實際值A 第24頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第25頁1.1.4 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出現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） 儀表各量程內絕對誤差的 最大值 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% 測量點的最大相對誤差 在使用這類儀表測量

20、時，應選擇適當的量程，使示值盡可能接近于滿度值，指針最好能偏轉在不小于滿度值2/3以上的區域。 第25頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第26頁1.1.4 測量誤差的表示方法例某待測電流約為100mA，現有0.5級量程為0400mA和1.5級量程為0100mA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0100mA電流表測量100mA時的最大相對誤差為 解：用0.5級量程為0400mA電流表測100mA時，最大相對誤差為 第26頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第27頁1.1.4 測量誤差的表示方法（3）分貝誤差相對誤差的對數表

21、示 分貝誤差是用對數形式（分貝數）表示的一種相對誤差，單位為分貝（dB）。 電壓增益的測得值為 誤差為 用對數表示為增益測得值的分貝值 分貝誤差 第27頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第28頁1.1.5 減少誤差的若干方法 微差法進行測量時，測量誤差公式： X = s + x = s + ,相對誤差為（作分母時， X 與s視為相等）： 前一項為標準量的相對誤差，一般很小，測量儀器的誤差對測量的影響被大大地削弱， 為了提高測量準確度，在比較中可采用各種減小測量誤差的方法，如微差法、替代法、交換法。 1. 微差法第28頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分

22、，星期五第29頁第29頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第30頁1.1.5 減少誤差的若干方法2.替代法 （1）替代偏轉法（2）替代零示法 在測量條件不變的情況下，用一已知的標準量去替代未知的被測量，通過調整標準量而保持替代前后儀器的示值不變，于是標準量的值等于被測量值。 第30頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第31頁1.1.5 減少誤差的若干方法3.交換法 通過交換被測量和標準量的位置，從前后兩次換位測量結果的處理中，削弱或消除系統誤差。 特別適用于平衡對稱結構的測量裝置中，并通過交換法可檢查其對稱性是否良好。 第一次平衡 第二次平衡 上

23、兩式相乘、開方得： 第31頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第32頁1.2 電子測量方法與測量系統1.2.1 電子測量的基本概念1.電子測量及意義 電子測量是人們借助于電子技術的手段對電量和非電量的測量。即：以電子科學技術理論為依據，以電子測量儀器和設備為工具，對電量和非電量進行的測量。其意義： 具有極快的速度 具有極精細的分辨能力，很寬的作用范圍。 極有利于信息傳遞 極為靈活的變換技術。 巨大的信息處理能力 第32頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第33頁1.2.1 電子測量的基本概念 2. 電子測量的特點（1）測量頻率范圍寬。 被測信號的

24、頻率范圍除測量直流外，測量交流信號的頻率范圍低至10-6Hz以下，高至THz（1THz=1012Hz） （2）量程范圍寬。 如數字萬用表對電壓測量由納伏（nV）級至千伏（kV）級電壓，量程達12個數量級 （3）測量準確度高。 如用電子測量方法對頻率和時間進行測量時，由于采用原子頻標和原子秒作為基準，可以使測量準確度達到10-1310-14的數量級。 （4）測量速度快。 因為電子測量是通過電子運動和電磁波傳播進行工作 （5）易于實現遙測 （6）易于實現測量過程的自動化和測量儀器智能化 第33頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第34頁1.2.1 電子測量的基本概念 3.

25、電子測量的內容 （1）按具體的測量對象來分類電信號的測量 包括各種頻率及波形下的電壓、電流、功率、電場強度； 信號的頻率、周期、時間、相位、調幅度、調頻指數、失真度、噪音以及數字信號的邏輯狀態等的測量。 電路參數的測量 包括電阻、電感、電容、阻抗、品質因數、電子器件參數等的測量。 電子設備性能的測量 包括放大倍數、衰減、靈敏度、頻率特性、通頻帶、噪聲系數的測量。 特性曲線的測量 包括幅頻特性曲線、晶體管特性曲線等的測量和顯示。 第34頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第35頁1.2.1 電子測量的基本概念 3. 電子測量的內容（2）按基本的測量對象來看： 信號和系統

26、基本對象是未知的信號與系統 基本工具是已知的信號與系統 基本工作機理是信號與系統的相互作用 4. 電子測量系統的組成第35頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第36頁1.2.2 電子測量的基本方法1. 直接測量、間接測量與組合測量 （1）直接測量用已標定的儀器，直接地測量出某一待測未知量的量值。 （2）間接測量對與未知待測量y有確切函數關系的其他變量x（或n個變量）進行直接測量，然后再通過函數 ，計算出待測量y。 （3）組合測量 第36頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第37頁1.2.2 電子測量的基本方法2. 被動測量（有源參量）與主動測量（

27、無源參量）被測對象可按有源量或無源量劃分為兩大類 有源量的測量 無源量的測量 第37頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五1.2.2 電子測量的基本方法3. 開環式測量和閉環式測量 第38頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第39頁1.2.2 電子測量的基本方法4. 集中式與分布式的多路測量 （1）集中式多路測試系統 第39頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第40頁1.2.2 電子測量的基本方法4. 集中式與分布式的多路測量（2）分布式多路測量系統(以雨量網為例:簡述無線GPRS通訊網絡) （a）網絡化測量系統 （b）無線

28、電遙測系統 第40頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第41頁1.2.2 電子測量的基本方法5. 頻域、時域、數域測量（1）頻域測量技術：幅值和相位隨頻率的變化 正弦波點頻法 正弦波掃頻法 （2）時域測量技術： 幅值隨時間的變化 測試信號是脈沖、方波及階躍信號 注：頻域測量和時域測量比較 頻域測量和時域測量是測量線性系統性能的兩種方法，是從兩個不同的角度去觀測同一個被測對象，其結果應該是一致的。 從理論上講，時域函數的付里葉變換就是頻域函數，而頻域函數的付里葉逆變換也就是時域函數。 第41頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第42頁1.2.2 電

29、子測量的基本方法5. 頻域、時域、數域測量（3）數字測量技術：測量數字系統的功能和故障診斷 對數字系統進行測量的基本方法是： 在輸入端加激勵信號，觀察由此產生的輸出響應，并與預期的正確結果進行比較，一致則表示系統正常；不一致則表示系統有故障。 LSI測試系統的簡化框圖 第42頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第43頁1.2.2 電子測量的基本方法6. 靜態、穩態和動態測量（1）靜態（直流）測量： 對不隨時間變化的物理量進行的測量 測量原理、方法、手段最簡單，測量過程不受時間限制，測量系統的輸出與輸入二者之間有著簡單的一一對應的關系和理想的特性，而測量精度也最高。（2）

30、穩態（交流）測試技術： 正弦測試技術 用幅值隨時間按正弦規律變化的電信號（最簡單的周期性信號）作被測系統的激勵，然后觀測在此激勵下的輸出響應，以頻率為變量對被測線性系統進行測量。 （3）動態（脈沖）測試技術， 自然界存在大量瞬變沖激的物理現象，如力學中的爆炸、沖擊、碰撞等，電學中的放電、閃電、雷擊等，對這類隨時間瞬變對象進行測量，稱為動態測量和瞬態測量。 第43頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第44頁1.2.2 電子測量的基本方法7. 測試系統的靜態特性（1）靜態特性的數學模型 不線性時：獲得靜態特性的方法： 對一個測量系統進行標定或定期進行校準。 即在規定的標準工

31、作條件下（規定的溫度范圍、大氣壓力、濕度等），由高精度的標準發生器給出一系列數值已知的、準確的、不隨時間變化的輸入量xj，用高精度測量儀器測定被校測量系統對應輸出量yj,得到由(xj,yj)數值列出的數表、繪制曲線或求得數學表達式，即為被校準的測量系統的輸出與輸入的關系，亦稱之為靜態特性。 非線性第44頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第45頁1.2.2 電子測量的基本方法7. 測試系統的靜態特性（2）靜態特性的基本參數 零位（零點） 當輸入量為零x=0時，測量 系統的輸出量不為零的數值 零位值為 零位值應設法從測量結果中消除。例如可以通過測量系統的調零機構或者由軟件

32、扣除。 第45頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第46頁1.2.2 電子測量的基本方法7. 測試系統的靜態特性（2）靜態特性的基本參數 靈敏度 是描述測量系統對輸入量變化反應的能力。 靈敏度： 當靜態特性為一直線時，直線的斜率即為靈敏度，且為一常數 第46頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五1.2.2 電子測量的基本方法7. 測試系統的靜態特性 （2）靜態特性的基本參數 測量范圍、量程 測量范圍測量系統所能測量到的最小被測量（輸入量）與最大被測量（輸入量）之間的范圍。 量程測量系統測量范圍的上限值與下限值之差的模即稱為量程。量程又稱滿度值，表征

33、測量系統能夠承受最大輸入量的能力。 例如一溫度測量系統的測量范圍是60+1200C，那么它的量程為1800C 第47頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第48頁 分辨力與分辨率 分辨力，又稱靈敏度閾，它表征測量系統有效辨別輸入量最小變化量的能力。標定過程中當第i個測點xi,當有xi,min變化時才看到輸出變化，該點分辨力為xi,min，該點分辨率為: ri=xi,min/R, 測量系統的分辨率為:r=maxri 對模擬式測量系統，其分辨力一般為最小分度值的1/21/5。 對具有數字顯示器的測量系統，其分辨力是當最小有效數字增加一個字時相應示值的改變量，也即相當于一個分度

34、值。 對于一般測量儀表的要求是：靈敏度應該大而分辨力應該小(從數值上講). 1.2.2 電子測量的基本方法7. 測試系統的靜態特性 （2）靜態特性的基本參數第48頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第49頁 漂移 時漂:當測量系統的輸入和環境溫度不變時輸出量隨時間的變化而變化的現象稱時漂溫漂:由于環境溫度變化而引起的輸出量的變化。它包括零點溫漂和靈敏度溫漂。 零點漂移 =y0(t2)-y0(t1)/yFS(t1)(t2-t1) *100% 靈敏度漂移 = yFS(t2)- yFS(t1)/ yFS(t1)(t2-t1) *100% 上述公式右邊y值為平均值，t1為室溫，

35、t2為規定高溫或低溫，穩定1小時1.2.2 電子測量的基本方法7. 測試系統的靜態特性 （2）靜態特性的基本參數第49頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第50頁1.2.2 電子測量的基本方法7. 測試系統的靜態特性（3）靜態特性的質量指標 遲滯 亦稱“滯環”或“回差”，表征測量系統在全量程范圍內，輸入量由小到大（正行程）或由大小到（反行程）兩者靜態特性不一致的程度。由機械摩擦間隙、敏感材料缺陷、磁性材料磁滯等因素引起 測量時，各點的值取平均值， 下式為遲滯的引用誤差，式中Hm 為最大回差第50頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第51頁1.2.

36、2 電子測量的基本方法7. 測試系統的靜態特性（3）靜態特性的質量指標 重復性 表征測量系統輸入量按同一方向作全量程連續多次變動時，靜態特性不一致的程度 重復性指標是一種隨機誤 差，可以根據標準偏差來計算 重復性引用誤差為： 按照Bessel算法，R=3s為最大重復誤差，s為最大標 準偏差第51頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第52頁 線性度 測量系統的輸出輸入關系應當具有直線特性， 線性度（又稱非線性誤差）說明輸出量與輸入量的實際關系曲線偏離其擬合直線的程度 上式中ymax應為：yFS 選定的擬合直線不同，計算 所得的線性度數值也就不同。有絕對線性度（與理想曲線比

37、較）、端基線性度（與由始末兩端定的直線比較）、最小二乘法線性度1.2.2 電子測量的基本方法7. 測試系統的靜態特性（3）靜態特性的質量指標 第52頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第53頁 準確度 測量系統的準確度，俗稱精度 用準確度等級指數來表征： 準確度等級指數a的百分數a%所表示的相對值是代表允許誤差的大小 用不確定度來表征：在規定條件下系統或裝置用于測量時所得測量結果的不確定度。 簡化表示： 一些國家標準未規定準確度等級指數的產品說明書中，常用“精度”作為一項技術指標來表征該產品的準確程度。通常精度A由線性度、滯環和重復性之和得出1.2.2 電子測量的基本方

38、法7. 測試系統的靜態特性（3）靜態特性的質量指標 第53頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第54頁1.2.2 電子測量的基本方法8. 測量系統的動態特性（1）測試系統動態特性的描述數學模型測量系統的特性用數學模型來描述，主要有三種形式： 時域中的微分方程； 復頻域中的傳遞函數； 頻域中的頻率特性。 微分方程 第54頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第55頁 傳遞函數 為簡化運算，通常采用拉普拉斯變換來研究線性微分方程。 傳遞函數其表達式為在初始條件為零時，系統輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。1.2.2 電子測量的基本方法8. 測量系

39、統的動態特性（1）測試系統動態特性的描述數學模型第55頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第56頁 頻率響應函數 對于穩定的常系數線性系統，可用傅里葉變換代替拉氏變換 1.2.2 電子測量的基本方法8. 測量系統的動態特性（1）測試系統動態特性的描述數學模型幅頻特性相頻特性第56頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第57頁1.2.2 電子測量的基本方法8. 測量系統的動態特性（2）常見系統的數學模型、特性參數、階躍響應 一階系統 一階RC電路 幅頻特性： 相頻特性： 時間常數第57頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第58

40、頁 當系統輸入階躍信號x(t)時,響應為y(t) 一階系統頻域的主要指標:0, =0=1/時為轉折點. 時域主要指標:,當t=時,上升到0.632 0.95A第58頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第59頁二階系統 （例LCR串聯電路）微分方程 為系統固有角頻率， 為阻尼比 傳遞函數 頻率特性 1.2.2 電子測量的基本方法8. 測量系統的動態特性（2）常見系統的數學模型、特性參數、階躍響應第59頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第60頁二階系統的頻率特性 幅頻特性相頻特性第60頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第6

41、1頁二階系統的階躍響應頻域指標： 、 n, 時域指標：有阻尼自然振蕩角頻率、有阻尼自然振蕩周期、峰值時間、絕對及相對超調量。第61頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第62頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術1. 電子測量中的變換技術1) 量值變換 量值是指電壓、電流、功率、阻抗、時間等電參量的幅值大小。 量值變換即指把它們的幅值按比例地增大或縮小。 把量值處于難以測量的邊緣狀態（太小或太大）的被測量，按某一已知比值變換為量值適中的同樣參量進行測量。 通過量值變換，可增加測量范圍，提高測量分辨力和精度。 （1）信號放大與衰減 測量放大器是指在測量系統中用來放大微弱電壓

42、、電流或電荷信號的放大器。要求低漂移 衰減器用來降低測量系統中的信號電平 第62頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第63頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術1. 電子測量中的變換技術 1) 量值變換 （2）阻抗變換 電子測量中，特別是在微波測量中，當將不匹配的負載與傳輸線連接時，或將特征阻抗不同的傳輸線進行連接時，信號傳輸中將產生強烈反射。 為了保證良好的傳輸，必須在傳輸線與負載之間或不同特征阻抗的傳輸線之間接入一種阻抗變換的雙口網絡，改變阻抗的大小，實現阻抗的匹配。 在信號源的功率放大器輸出電路中，也要求負載阻抗匹配，常用變壓器等進行阻抗變換，以保證最佳功率傳輸。

43、 電子測量儀器輸入端具有很高輸入阻抗，輸入跟隨器則是實現了輸入通道從高阻到低阻的阻抗變換。 第63頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第64頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術1. 電子測量中的變換技術 2) 頻率變換（1）檢波：交流電壓變成直流電壓 常用磁電式電表，它只能測量直流，交流信號必須檢波成直流信號來測量 （2）斬波：把一個直流電壓調制成交流電壓，經過交流放大，然后再把交流電壓通過反調制（解調）還原為直流電壓的過程。 斬波的作用是對微弱的直流電壓進行放大 （3）變頻（分頻、倍頻、混頻、頻率合成等） 進行頻率的加減運算；獲得很寬的頻率覆蓋范圍；實現中頻或低頻替

44、代，以提高測量精度，實現頻率的精密測量。 例：f=200.020kHz220kHz f0=200kHz 則 F=f-f0=20Hz20kHz第64頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第65頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術1. 電子測量中的變換技術 3) 波形變換（1）整形 將任意形狀的波形變成規則的脈沖波形， 例如，用于電子計數器的輸入通道中。 （2）限幅 把信號波形幅度限制在一定范圍內 （3）微分 由矩形脈沖形成一個窄脈沖。 在電子計數器、取樣示波器、廣譜信號源中廣泛使用。 （4）合成 多種波形疊加成復雜波形。 例如合成CRT顯示的視頻信號波形。 （5）變換 方

45、波變成三角波或正弦波，三角波變成正弦波或方波，正弦波變成方波或三角波等。 波形變換技術廣泛用于多波形函數發生器中。 第65頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第66頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術1. 電子測量中的變換技術 4) 參量變換（1）AV變換電流、電壓、電阻之間的變換 多用表中采用的AV變換，包括交流/直流（AC/DC）、電流/電壓（I/V）和電阻/電壓（/V）的轉換，實現了交、直流電壓、電流、電阻等多種測量功能。 （2）V/F變換模擬直流電壓轉換為頻率 講述該種轉換在信號采集中的抗干擾作用 （3）V/T變換模擬直流電壓轉換成時間 （4）網絡參數的變換，

46、可通過易測量求出難測量 第66頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第67頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術1. 電子測量中的變換技術例：一個工件傷痕檢測系統使用的變換技術 機械量信息到光信號；光信號變換成電信號；電信號被放大，進行了幅度變換；對電信號比較、校正的處理后抽取出了有關傷痕的有用信息；電信號到光信號的變換進行顯示。 第67頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第68頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術2. 電子測量中的比較技術1）比較的基本概念 被測量為x、標準量為s、比較電路輸出為y。 當xs時，y=YH 當x=s 時，y出現一個

47、躍變信號第68頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第69頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術2. 電子測量中的比較技術2）電壓比較 （1）電平比較 兩個模擬電壓的大小的比較是用電壓比較器來實現的 第69頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第70頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術2. 電子測量中的比較技術2）電壓比較（2）差值型比較 采用能輸出模擬差值電壓的減法運算放大器。實現減法運算功能的方法也有差動型比較和求和型比較兩種。 （3）比例型比較 具有除法或比例運算功能的電路或部件，也可完成被測量與標準量的比較。例如，雙積分式A/D轉換器中，被

48、測電壓與標準電壓之間具有如下關系（講雙積分式A/D轉換器的原理）： 第70頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第71頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術2. 電子測量中的比較技術3）阻抗比較 電橋電路具有對稱差動的電路結構，是一種電量天平，可以十分方便地實現差值檢測和比例比較的功能。 （a）比例臂電橋 （b）有源電橋 （c）電壓電橋 （d）電流電橋 1 1 2 2 s x Z U N U N Z = = 第71頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第72頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術2. 電子測量中的比較技術3）阻抗比較例. 比例運算比較

49、（半橋）電路 第72頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第73頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術2. 電子測量中的比較技術4）頻率（時間）阻抗比較時間差值比較：用R-S觸發器可實現時差的比較 差頻比較： 混頻器可以實現兩個頻率的減法運算， 還可利用差頻比較法測量頻率第73頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第74頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術2. 電子測量中的比較技術5）相位比較 （1）用乘法器或相敏檢波器鑒相 （2）脈沖與數字式鑒相器 觸發器構成的脈沖鑒相器:RS觸發器或D觸發器 數字式鑒相器:由相位比較器（9個與非門）和電荷泵組成

50、 第74頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第75頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術2. 電子測量中的比較技術6）數字比較 二進制的數N1和N2加于異或門的輸入端，即可進行比較 第75頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第76頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術3. 電子測量中的處理技術1)基本模擬運算 運算放大器輔之以不同的電路元件，可以組成諸如比例、加減、微分、積分、對數、指數和乘除等電路 （1）四則運算電路 第76頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第77頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術3. 電子測量中的

51、處理技術1)基本模擬運算（2）積分和微分電路 第77頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第78頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術3. 電子測量中的處理技術2)模擬濾波器 按照頻譜分析的觀點，任何信號都是一些不同幅度和不同頻率的正弦信號的組合。 在被測信號中，除了有用的頻率成分之外，往往不可避免地含有一些無用噪聲的頻率成分。 濾波器的功能就是利用其頻率特性來保留有用的頻率成分，削弱或消除無用的頻率成分，即具有信號分離的功能。 分為低通、高通、帶通和帶阻等不同濾波器。 模擬濾波器可以通過有源濾波或無源濾波來完成，如書本上的各種濾波器（參考書本）第78頁，共116頁，20

52、22年，5月20日，23點53分，星期五第79頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術3. 電子測量中的處理技術3)數字信號處理（DSP）（1）數字信號處理的實現方式 基于數字邏輯電路的硬件方式： 利用現有的各種數字邏輯門、譯碼器、觸發器、寄存器、計數器、全加器等，以及各種CPLD、FPGA等可編程邏輯，組成各種數字邏輯的運算與控制單元。 基于微處理器和微型計算機的嵌入式系統的軟件方式： 通過軟件編程，可完成各種數字與邏輯的運算。 基于DSP芯片的實現方式第79頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第80頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術3. 電子測量中的處理技術3)數

53、字信號處理（DSP）（2）數字信號處理（DSP）的基本內容 廣義來說，數字信號處理是研究用數字方法對信號進行分析、變換、運算、濾波、檢測、估計、增強、壓縮、調制、解調以及快速算法的一門技術學科。 狹義來說也有人認為：數字信號處理主要是研究有關 數字濾波技術：把信號的有效信號提取出來，抑制（削弱或濾除）干擾或噪聲的一種處理。 離散變換快速算法：FFT 頻譜分析方法: 主要使用頻譜分析儀和信號分析儀 信號處理包括時域和頻域處理。時域處理中最典型的是波形分析，示波器就是最常用的儀器。信號頻域處理主要指濾波，主要使用頻譜分析儀和信號分析儀第80頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期

54、五第81頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術3. 電子測量中的處理技術3)數字信號處理（DSP）（3）數字信號處理的應用 測試信號處理 語音信號處理 語音的識別、理解、合成、增強、數據壓縮 圖像信號處理 圖像壓縮、解壓、增強、恢復、分割、識別、編碼和重建 振動信號處理 地球物理信號處理 為了探測地下深處所儲藏的石油和天然氣以及其他礦藏，通常采用地震勘探方法來探測地層結構和巖性。即在一選定的地點施加人為的激震，如用爆炸方法產生一振動波向地下傳播，遇到地層分界面即產生反射波，在距離振源一定遠的地方放置一列傳感器，接收到達地面的反射波。從反射波的延遲時間和強度來判斷地層的深度和結構。 生物醫學信號

55、處理 第81頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第82頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術4. 電子測量中的顯示技術 1）指示式儀表 被測電流I在可動線圈中流過時產生電磁力F，使可動線圈以軸為中心轉動，由此產生與電流I成比例的驅動力矩Td，帶動指針偏轉，從儀表的標尺分度讀數測得電流。 測量結果必須通過顯示器件把各種電信號轉換成人們五官可直接感知的機械運動、數字、文字、圖形、圖像等形式的信號顯示出來 第82頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第83頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術4. 電子測量中的顯示技術2）發光二極管（LED） LED的發

56、光顏色多、輝度高，LED的單元體積小，電壓低、驅動電流小，壽命長。 第83頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第84頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術4. 電子測量中的顯示技術3）液晶顯示器（LCD） 液晶是一種具有光學雙射性的液體狀的晶體 ，液晶顯示器件在電信號驅動下，控制其對入射偏光的反射或透射，實現LCD的顯示 LCD具有薄型、輕量、低功耗、低工作電壓等特點 第84頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第85頁1.2.3 電子測量中的基本實現技術4. 電子測量中的顯示技術4）陰極射線管（CRT） CRT可分為電視用、顯示終端用及儀器儀表用

57、幾種類型5）其它顯示：等離子體顯示、場致發光（薄膜、平面） 第85頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第86頁1.3 測量誤差及數據處理1.3.1 測量誤差的分類、估計和處理 本節主要討論采用不同的方法去發現誤差、判斷誤差的種類和研究選擇削弱或減小測量誤差 1. 測量誤差的分類 根據測量誤差的性質，測量誤差可分為隨機誤差、系統誤差、粗大誤差三類。 第86頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五 1. 測量誤差的分類1）隨機誤差 定義: 在同一測量條件下（指在測量環境、測量人員、測量技術和測量儀器都相同的條件下），多次重復測量同一量值時（等精度測量），

58、每次測量誤差的絕對值和符號都以不可預知的方式變化的誤差，稱為隨機誤差或偶然誤差，簡稱隨差。 來源：隨機誤差主要由對測量值影響微小但卻互不相關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、測量人員感官的無規律變化等。 隨機誤差的特點： 有界性：隨機誤差的絕對值雖然是變化的，但不會超過一定的界限。 對稱性：隨機誤差的絕對值相等且正負誤差出現的機會相同。 抵償性：在多次測量中，隨機誤差的正負誤差相互抵償。 抵償性是隨機誤差的重要性質，正是應用這一性質，才可以采用多次測量并取平均值的方法來減小隨機誤差。第87頁，共116頁，2022年，5月2

59、0日，23點53分，星期五第88頁 （2）產生系統誤差的原因 ：主要有以下幾個方面：a）測量儀器方面的因素：儀器設計原理、設計、制造安裝等原因。b）測量方法方面的因素：采用的測量方法不夠理想c）測量環境方面的因素：在測量過程中，實際的測量環境條件（溫度、濕度、壓力等）與理想的環境不一致，造成元器件參數的漂移，進而造成誤差。d）測量人員方面的因素： 由于測量人員本身的因素，如觀測時所處的位置等因素，造成讀數的不準確而產生的誤差。 1. 測量誤差的分類2）系統誤差 （1）定義：在同一測量條件下，多次測量重復同一量時，測量誤差的絕對值和符號都保持不變，或在測量條件改變時按一定規律變化的誤差，稱為系統

60、誤差。 例如儀器的刻度誤差和零位誤差，或值隨溫度變化的誤差。第88頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分，星期五第89頁 3）粗大誤差： 粗大誤差是一種顯然與實際值不符的誤差。產生粗差的原因有： 測量操作疏忽和失誤 如測錯、讀錯、記錯以及實驗條件未達到預定的要求而匆忙實驗等。 測量方法不當或錯誤 如用普通萬用表電壓檔直接測高內阻電源的開路電壓 測量環境條件的突然變化 如電源電壓突然增高或降低，雷電干擾、機械沖擊等引起測量儀器示值的劇烈變化等。 1. 測量誤差的分類 含有粗差的測量值稱為壞值或異常值，在數據處理時，應剔除掉。第89頁，共116頁，2022年，5月20日，23點53分