电气测量课件基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,页,电子测量,技术,1,第,2,页,课程简介,测感技术：电量和非电量的测量,三部分内容：,电子测量基础知识,电量测量,基本电参量测量,电子测量显示技术,线性系统测量,测量技术新进展（简介）,非电量测量,传感器的基础知识,结构型传感器,物性型传感器,其它传感器（超声波、微波、核辐射与红外传感器、热电式）,传感器应用技术,考核,期末成绩参考平时成绩（考勤、作业、实验、平时的小论文）,2,第,3,页,第1章 电子测量基础知识,教学内容：,测量的基本概念，计量的基本概念；,测量的误差的定义；,电子测量的基本方法和测量系统；,电子测量的实现技术和测量误差与数据处理。,教学要求：,了解测量与计量的内容、特点和意义；,掌握测量误差的基本概念；,了解电子测量的方法、特点和内容，了解电子测量的基本实现技术；,掌握测量误差的种类，系统误差、随机误差和粗大误差性质、产生的原因、判别与消除方法；,掌握测量结果的数据处理方法。,3,第,4,页,1.1 测量的基本原理,1.1.1 测量的基本概念,1 测量的意义,日常生活、生产中处处离不开测量,信息处理、传递的源头,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。,我国近代科学落后与不重视“定量”有关,没有望远镜就没有天文学，没有显微镜就没有细胞学，没有指南针就没有航海事业,4,5,第,6,页,1.1.1 测量的基本概念,2. 测量的定义,狭义测量的定义,测量是为了,确定被测对象的量值,而进行的实验过程。,在测量过程中，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。,测量结果测量数值.测量单位，,即：,6,第,7,页,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。,7,1.1.1 测量的基本概念,2. 测量的定义,广义测量的定义：,信息的感知和信息识别,广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。,例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位等。,而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。,8,第,9,页,1.1.1 测量的基本概念,3. 测量的基本构成,被测对象,、测量的主体 、测量技术、测量设备 、测量过程 、测量环境,9,第,10,页,环境对测量的影响,A. 环境对被测对象的影响：,某些被测对象客体（如器件、电路或系统）的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感，因此，原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行。,B. 环境对仪器系统的影响,：,环境可能直接或间接地影响到仪器系统本身的某个工作特性，进而影响测量结果，造成测量误差。特别是某些测量器具的量程广、频段宽，而内部的元器件数目甚多，且对外界影响相当敏感，错综复杂的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题。,C. 环境对测量人员的影响：,高温、严寒、潮湿、闷气、嘈杂、照明不适当等不良工作环境，会对测量人员的身心产生不良影响，从而引起不同程度的人身误差乃至差错。,应对措施：,应采取适当的控制措施，尽量减少由于环境影响而产生的误差。,恒温、恒湿、稳压和防震。,抗干扰、防噪声的措施，如接地、屏蔽、隔离、滤波等。,仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变化环境。,10,第,11,页,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+35,o,C，相对湿度80%（在35,o,C上），只允许有轻微的振动。,II组：,一般的环境条件,，温度10+40,o,C，相对湿度80%（在40,o,C上），允许一般的振动和冲击。,III组：,恶劣的环境条件,，温度40+55,o,C，相对湿度90%（在35,o,C上），允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动。,I,组,高精度计量用仪器,II,组,通用仪器,III,组,野外、机载等仪器,11,1.1.1 测量的基本概念,4. 测试与检测,测试：,测试是测量与试验的总称，它包括定量的测量和定性的试验。,试验：是为了对被测对象的性能和结果进行观察而从事的某种实践活动。,检测：,检测包括检验和测量两方面的含义。检测包括定量内容，即检查被测量的量值是否处于某一范围内，以此来判断是否合格。,在实际生产中，检测不仅包括对产品的检验和测量，同时还包括对生产过程、运动状况和运动对象的检测,12,1.1.2 计量的基本概念,1. 计量的定义和意义,计量的意义：,为使在不同的地方，用不同的手段测量同一量时，所得的结果一致,计量的定义：,计量是一种特殊形式的测量，它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。,计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。,计量的三个主要特征：,统一性、准确性和法制性,。,13,1.1.2 计量的基本概念,2,单位和单位制,根据定义而令系数为1的量称为单位。分为基本单位和导出单位,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。,1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI。,1984年2月国务院颁布了中华人民共和国法定计量单位,，决定我国法定计量单位以国际单位制为基础。,英呎,feet,14,第,15,页,国际单位制（SI）的组成,国际单位制基本单位,（,SI有7个基本单位,）,15,第,16,页,国际单位制,是由国际单位制单位、国际单位制词头和国际单位制的十进倍数单位三部分组成。,国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。国际单位制词头采用的是十进制词头，它是用来单位增大或缩小十进倍数，从 共有16个,例：,5.4X,10,-9,s,=5.4,ns,16,第,17,页,1.1.2 计量的基本概念,2,测量基准（标准）,测量标准的定义,：,为了定义、实现、保存和复现量的单位或一个及多个量值，用作参考的实物量具、测量仪器、参考物质或测量系统。,几个名词,：,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。,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。,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计量性能）的全部工作。,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。,17,第,18,页,测量基准的权威性和相对性,基准的权威性,基准的理论定义最严格的、制作工艺技术最先进。,原器基准自身也会随时间、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，最好的基准是原子基准。,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1天内可达到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。,18,第,19,页,测量标准的传递,自上而下逐级传递,19,第,20,页,1.1.3 测量误差的基本概念,1.测量误差的定义,测量的目的: 获得被测量的真值。,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。,测量误差,:,所有测量结果都带有误差 。,从广州到北京的距离如何测？,20,第,21,页,1.1.3 测量误差的基本概念,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，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。,例如：用滴定法测量粉末中CaO含量，称取定量的粉末，然后慢慢滴入酸溶液一直到变色（完全中和）为止，根据滴入溶液的数量确定CaO含量。这中间就会引入人为误差。,随着科技的发展，现在出现了X荧光分析仪，可以进行自动测试，就解决了人为误差。（讲述荧光分析仪的原理）,21,22,第,23,页,1.1.4 测量误差的表示方法,测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。,1.绝对误差,（1）定义,：由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差,实际应用中常用实际值,A,（,高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值）来代替真值。,绝对误差：,有大小，又有符号和量纲,（2）修正值,与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值,测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。,被测量的实际值,23,第,24,页,1.1.4 测量误差的表示方法,2.相对误差,（1）相对真误差、实际相对误差、示值相对误差,相对真误差： 绝对误差与被测量的真值之比,实际相对误差： 用实际值,A,代替真值A,0,示值相对误差： 用测量值,X,代替实际值,A,24,第,25,页,1.1.4 测量误差的表示方法,（2）满度相对误差（引用相对误差）,用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值下限值）之比来表示的相对误差，称为满度相对误差（或称引用相对误差）,仪表各量程内绝对误差的 最大值,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S级，则说明该仪表的最大引用误,差不超过S%,测量点的最大相对误差,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，指针最好能偏转在,不小于满度值2/3,以上的区域。,25,第,26,页,1.1.4 测量误差的表示方法,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？,用,1.5,级量程为,0,100mA,电流表测量,100mA,时的最大相对误差为,解：用,0.5,级量程为,0,400mA,电流表测,100mA,时，最大相对误差为,26,第,27,页,1.1.4 测量误差的表示方法,（,3,）分贝误差,相对误差的对数表示,分贝误差是用对数形式（分贝数）表示的一种相对误差，单位为分贝（dB）。,电压增益的测得值为 误差为,用对数表示为增益测得值的分贝值,分贝误差,27,第,28,页,1.1.5,减少误差的若干方法,微差法进行测量时，测量误差公式：,X = s + ,x =,s + ,相对误差为（作分母时，,X 与s视为相等）,：,前一项为标准量的相对误差，一般很小，测量仪器的误差对测量的影响被大大地削弱，,为了提高测量准确度，在比较中可采用各种减小测量误差的方法，如微差法、替代法、交换法。,1. 微差法,28,第,29,页,29,第,30,页,1.1.5,减少误差的若干方法,2.替代法 （1）替代偏转法（2）替代零示法,在测量条件不变的情况下，用一已知的标准量去替代未知的被测量，通过调整标准量而保持替代前后仪器的示值不变，于是,标准量的值等于被测量值。,30,第,31,页,1.1.5,减少误差的若干方法,3.交换法,通过交换被测量和标准量的位置，从前后两次换位测量结果的处理中，削弱或消除系统误差。,特别适用于平衡对称结构的测量装置中，并通过交换法可检查其对称性是否良好。,第一次平衡,第二次平衡,上两式相乘、开方得：,31,第,32,页,1.2,电子测量方法与测量系统,1.2.1 电子测量的基本概念,1.电子测量及意义,电子测量是人们借助于电子技术的手段对电量和非电量的测量。,即：以电子科学技术理论为依据，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。其意义：,具有极快的速度,具有极精细的分辨能力，很宽的作用范围。,极有利于信息传递,极为灵活的变换技术。,巨大的信息处理能力,32,第,33,页,1.2.1 电子测量的基本概念,2.,电子测量的特点,（1）测量频率范围宽,。,被测信号的频率范围除测量直流外，测量交流信号的频率范围低至10,-6,Hz以下，高至THz（1THz=10,12,Hz）,（2）量程范围宽,。,如数字万用表对电压测量由纳伏（nV）级至千伏（kV）级电压，量程达12个数量级,（3）测量准确度高,。,如用电子测量方法对频率和时间进行测量时，由于采用原子频标和原子秒作为基准，可以使测量准确度达到10,-13,10,-14,的数量级。,（4）测量速度快,。,因为电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作,（5）易于实现遥测,（6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化,33,第,34,页,1.2.1 电子测量的基本概念,3.,电子测量的内容,（1）,按具体的测量对象来分类,电信号的测量,包括各种频率及波形下的电压、电流、功率、电场强度；,信号的频率、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,包括幅频特性曲线、晶体管特性曲线等的测量和显示。,34,第,35,页,1.2.1 电子测量的基本概念,3.,电子测量的内容,（2）按基本的测量对象来看：,信号和系统,基本对象是未知,的信号与系统,基本工具是已知,的信号与系统,基本工作机理,是信号与系统的相互作用,4.,电子测量系统的组成,35,第,36,页,1.2.2 电子测量的基本方法,1. 直接测量、间接测量与组合测量,（1）直接测量,用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值。,（2）间接测量,对与未知待测量,y,有确切函数关系的其他变量,x,（或,n,个变量）进行直接测量，然后再通过函数 ，计算出待测量,y。,（3）组合测量,36,第,37,页,1.2.2 电子测量的基本方法,2. 被动测量（有源参量）与主动测量（无源参量）,被测对象可按有源量或无源量划分为两大类,有源量的测量,无源量的测量,37,1.2.2 电子测量的基本方法,3. 开环式测量和闭环式测量,38,第,39,页,1.2.2 电子测量的基本方法4. 集中式与分布式的多路测量,（1）集中式多路测试系统,39,第,40,页,1.2.2 电子测量的基本方法,4. 集中式与分布式的多路测量,（2）分布式多路测量系统(,以雨量网为例:简述无线GPRS通讯网络),（a）网络化测量系统 （b）无线电遥测系统,40,第,41,页,1.2.2 电子测量的基本方法,5. 频域、时域、数域测量,（1）频域测量技术,：幅值和相位随频率的变化,正弦波点频法,正弦波扫频法,（2）时域测量技术,：,幅值随时间的变化,测试信号是脉冲、方波及阶跃信号,注：频域测量和时域测量比较,频域测量和时域测量是测量线性系统性能的两种方法，是从两个不同的角度去观测同一个被测对象，其结果应该是一致的。,从理论上讲，时域函数的付里叶变换就是频域函数，而频域函数的付里叶逆变换也就是时域函数。,41,第,42,页,1.2.2 电子测量的基本方法,5. 频域、时域、数域测量,（3）数字测量技术,：测量数字系统的功能和故障诊断,对数字系统进行测量的基本方法是：,在输入端加激励信号，观察由此产生的输出响应，并与预期的正确结果进行比较，一致则表示系统正常；不一致则表示系统有故障。,LSI测试系统的简化框图,42,第,43,页,1.2.2 电子测量的基本方法,6. 静态、稳态和动态测量,（1）静态（直流）测量：,对不随时间变化的物理量进行的测量,测量原理、方法、手段最简单，测量过程不受时间限制，测量系统的输出与输入二者之间有着简单的一一对应的关系和理想的特性，而测量精度也最高。,（2）稳态（交流）测试技术：,正弦测试技术,用幅值随时间按正弦规律变化的电信号（最简单的周期性信号）作被测系统的激励，然后观测在此激励下的输出响应，以频率为变量对被测线性系统进行测量。,（3）动态（脉冲）测试技术，,自然界存在大量瞬变冲激的物理现象，如力学中的爆炸、冲击、碰撞等，电学中的放电、闪电、雷击等，对这类随时间瞬变对象进行测量，称为动态测量和瞬态测量。,43,第,44,页,1.2.2 电子测量的基本方法,7. 测试系统的静态特性,（1）静态特性的数学模型,不线性时：,获得静态特性的方法：,对一个测量系统进行标定或定期进行校准。,即在规定的标准工作条件下（规定的温度范围、大气压力、湿度等），由高精度的标准发生器给出一系列数值已知的、准确的、不随时间变化的输入量,x,j,，,用高精度测量仪器测定被校测量系统对应输出量,y,j,得到由,(,x,j,y,j,),数值列出的数表、绘制曲线或求得数学表达式，即为被校准的测量系统的输出与输入的关系，亦称之为静态特性。,非线性,44,第,45,页,1.2.2 电子测量的基本方法,7. 测试系统的静态特性,（2）静态特性的基本参数,零位（零点）,当输入量为零x=0时，测量,系统的输出量不为零的数值,零位值为,零位值应设法从测量结果中消除。例如可以通过测量系统的调零机构或者由软件扣除。,45,第,46,页,1.2.2 电子测量的基本方法,7. 测试系统的静态特性,（2）静态特性的基本参数,灵敏度,是描述测量系统对输入量变化反应的能力。,灵敏度：,当静态特性为一直线时，直线的斜率即为灵敏度，且为一常数,46,1.2.2 电子测量的基本方法,7. 测试系统的静态特性,（2）静态特性的基本参数,测量范围、量程,测量范围,测量系统所能测量到的最小被测量（输入量）与最大被测量（输入量）之间的范围。,量程,测量系统测量范围的上限值与下限值之差的模即称为量程。量程又称满度值，表征测量系统能够承受最大输入量的能力。,例如一温度测量系统的测量范围是60+120,0,C，那么它,的量程为180,0,C,47,第,48,页,分辨力与分辨率,分辨力，又称灵敏度阈，它表征,测量系统有效辨别输入量最小变化量的能力。标定过程中当第i个测点x,i,当有,x,i,min,变化时才看到输出变化，该点分辨力为,x,i,min，,该点分辨率为,:,r,i,=,x,i,min,/R,测量系统的分辨率为,:r=maxr,i,对模拟式测量系统，其分辨力一般为最小分度值的1/21/5。,对具有数字显示器的测量系统，其分辨力是当最小有效数字增加一个字时相应示值的改变量，也即相当于一个分度值。,对于一般测量仪表的要求是：灵敏度应该大而分辨力应该小(从数值上讲).,1.2.2 电子测量的基本方法,7. 测试系统的静态特性,（2）静态特性的基本参数,48,第,49,页,漂移,时漂:当测量系统的输入和环境温度不变时输出量随时间的变化而变化的现象称时漂,温漂:由于环境温度变化而引起的输出量的变化。它包括零点温漂和灵敏度温漂,。,零点漂移,=y,0,(t2)-y,0,(t1)/y,FS,(t1)(t2-t1) *100%,灵敏度漂移,=,y,FS,(t2)- y,FS,(t1)/ y,FS,(t1)(t2-t1) *100%,上述公式右边y值为平均值，t1为室温，t2为规定高温或低温，稳定1小时,1.2.2 电子测量的基本方法,7. 测试系统的静态特性,（2）静态特性的基本参数,49,第,50,页,1.2.2 电子测量的基本方法,7. 测试系统的静态特性,（3）静态特性的质量指标,迟滞,亦称“滞环”或“回差”，表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大（正行程）或由大小到（反行程）两者静态特性不一致的程度。由机械摩擦间隙、敏感材料缺陷、磁性材料磁滞等因素引起,测量时，各点的值取平均值，,下式为迟滞的引用误差，式中Hm,为最大回差,50,第,51,页,1.2.2 电子测量的基本方法,7. 测试系统的静态特性,（3）静态特性的质量指标,重复性,表征测量系统输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，静态特性不一致的程度,重复性指标是一种随机误,差，可以根据标准偏差来计算,重复性引用误差为：,按照Bessel算法，,R=3s为最大重复误差，s,为最大标,准偏差,51,第,52,页,线性度,测量系统的输出,输入关系应当具有直线特性，,线性度（又称非线性误差）说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离其拟合直线的程度,上式中y,max,应为：y,FS,选定的拟合直线不同，计算 所得的线,性度数值也就不同。有绝对线性度（与,理想曲线比较）、端基线性度（与由始,末两端定的直线比较）、最小二乘法线性,度,1.2.2 电子测量的基本方法,7. 测试系统的静态特性,（3）静态特性的质量指标,52,第,53,页,准确度,测量系统的准确度，俗称精度,用准确度等级指数来表征,： 准确度等级指数,a,的百分数,a,%所表示的相对值是代表允许误差的大小,用不确定度来表征,：在规定条件下系统或装置用于测量时所得测量结果的不确定度。,简化表示：,一些国家标准未规定准确度等级指数的产品说明书中，常用,“,精度,”,作为一项技术指标来表征该产品的准确程度。通常精度,A,由线性度、滞环和重复性之和得出,1.2.2 电子测量的基本方法,7. 测试系统的静态特性,（3）静态特性的质量指标,53,第,54,页,1.2.2 电子测量的基本方法,8. 测量系统的动态特性,（1）,测试系统动态特性的描述,数学模型,测量系统的特性用数学模型来描述，主要有三种形式：,时域中的微分方程；,复频域中的传递函数；,频域中的频率特性。,微分方程,54,第,55,页,传递函数,为简化运算，通常采用拉普拉斯变换来研究线性微分方程。,传递函数,其表达式为在初始条件为零时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。,1.2.2 电子测量的基本方法,8. 测量系统的动态特性,（1）,测试系统动态特性的描述,数学模型,55,第,56,页,频率响应函数,对于稳定的常系数线性系统，可用傅里叶变换代替拉氏变换,1.2.2 电子测量的基本方法,8. 测量系统的动态特性,（1）,测试系统动态特性的描述,数学模型,幅频特性,相频特性,56,第,57,页,1.2.2 电子测量的基本方法,8. 测量系统的动态特性（2）常见系统的数学模型、特性参数、阶跃响应,一阶系统,一阶RC电路,幅频特性：,相频特性：,时间常数,57,第,58,页,当系统输入阶跃信号x(t)时,响应为y(t),一阶系统频域的主,要指标:,0,=,0,=1/,时为转折点.,时域主要指标:,当t=,时,上升到0.632,0.95A,58,第,59,页,二阶系统,（,例LCR串联电路）,微分方程,为系统固有角频率， 为阻尼比,传递函数,频率特性,1.2.2 电子测量的基本方法,8. 测量系统的动态特性（2）常见系统的数学模型、特性参数、阶跃响应,59,第,60,页,二阶系统的频率特性,幅频特性,相频特性,60,第,61,页,二阶系统的阶跃响应,频域指标：,、,n,时域指标：有阻尼自然振荡角频率、有阻尼自然振荡周期、峰值时间、绝对及相对超调量。,61,第,62,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,1. 电子测量中的变换技术,1) 量值变换,量值是指电压、电流、功率、阻抗、时间等电参量的幅值大小。,量值变换即指把它们的幅值按比例地增大或缩小,。,把量值处于难以测量的边缘状态（太小或太大）的被测量，按某一已知比值变换为量值适中的同样参量进行测量。,通过量值变换，可增加测量范围，提高测量分辨力和精度。,（1）信号放大与衰减,测量放大器,是指在测量系统中用来放大微弱电压、电流或电荷信号的放大器。要求低漂移,衰减器,用来降低测量系统中的信号电平,62,第,63,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,1. 电子测量中的变换技术,1) 量值变换,（2）阻抗变换,电子测量中，特别是在微波测量中，当,将不匹配的负载与传输线连接时，或将特征阻抗不同的传输线进行连接时，信号传输中将产生强烈反射。,为了保证良好的传输，必须在传输线与负载之间或不同特征阻抗的传输线之间接入一种阻抗变换的双口网络，改变阻抗的大小，实现阻抗的匹配。,在信号源的功率放大器输出电路中，也要求负载阻抗匹配，常用变压器等进行阻抗变换，以保证最佳功率传输。,电子测量仪器输入端具有很高输入阻抗,，输入跟随器则是实现了输入通道从高阻到低阻的阻抗变换。,63,第,64,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,1. 电子测量中的变换技术,2) 频率变换,（1）检波,：交流电压变成直流电压,常用磁电式电表，它只能测量直流，交流信号必须检波成直流信号来测量,（2）斩波,：把一个直流电压调制成交流电压，经过交流放大，然后再把交流电压通过反调制（解调）还原为直流电压的过程。,斩波的作用是对微弱的直流电压进行放大,（3）变频（分频、倍频、混频、频率合成等）,进行频率的加减运算；获得很宽的频率覆盖范围；实现中频或低频替代，以提高测量精度，实现频率的精密测量。,例：f=200.020kHz220kHz,f,0,=200kHz,则 F=f-f,0,=20Hz20kHz,64,第,65,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,1. 电子测量中的变换技术,3) 波形变换,（1）整形,将任意形状的波形变成规则的脉冲波形，,例如，用于电子计数器的输入通道中。,（2）限幅,把信号波形幅度限制在一定范围内,（3）微分,由矩形脉冲形成一个窄脉冲。,在电子计数器、取样示波器、广谱信号源中广泛使用。,（4）合成,多种波形叠加成复杂波形。,例如合成CRT显示的视频信号波形。,（5）变换,方波变成三角波或正弦波，三角波变成正弦波或方波，正弦波变成方波或三角波等。,波形变换技术广泛用于多波形函数发生器中。,65,第,66,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,1. 电子测量中的变换技术,4) 参量变换,（1）AV变换,电流、电压、电阻之间的变换,多用表中采用的AV变换，包括交流/直流（AC/DC）、电流/电压（I/V）和电阻/电压（/V）的转换，实现了交、直流电压、电流、电阻等多种测量功能。,（2）V/F变换,模拟直流电压转换为频率,讲述该种转换在信号采集中的抗干扰作用,（3）V/T变换,模拟直流电压转换成时间,（4）网络参数的变换，可通过易测量求出难测量,66,第,67,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,1. 电子测量中的变换技术,例：一个工件伤痕检测系统使用的变换技术,机械量信息到光信号；光信号变换成电信号；电信号被放大，进行了幅度变换；对电信号比较、校正的处理后抽取出了有关伤痕的有用信息；电信号到光信号的变换进行显示。,67,第,68,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,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,68,第,69,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,2. 电子测量中的比较技术2）,电压比较,（1）电平比较,两个模拟电压的大小的比较是用电压比较器来实现的,69,第,70,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,2. 电子测量中的比较技术2）,电压比较,（2）差值型比较,采用能输出模拟差值电压的减法运算放大器。实现减法运算功能的方法也有差动型比较和求和型比较两种。,（3）比例型比较,具有除法或比例运算功能的电路或部件，也可完成被测量与标准量的比较。例如，双积分式A/D转换器中，被测电压与标准电压之间具有如下关系（讲双积分式A/D转换器的原理）：,70,第,71,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,2. 电子测量中的比较技术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。,（a）比例臂电桥 （b）有源电桥 （c）电压电桥 （d）电流电桥,1 1,2 2,s,x,Z,U N,U N Z,=,=,71,第,72,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,2. 电子测量中的比较技术3）,阻抗比较,例. 比例运算比较（半桥）电路,72,第,73,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,2. 电子测量中的比较技术4）,频率（时间）阻抗比较,时间差值比较：用R-S触发器可实现时差的比较,差频比较： 混频器可以实现两个频率的减法运算， 还可利用差频比较法测量频率,73,第,74,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,2. 电子测量中的比较技术5）,相位比较,（1）用乘法器或相敏检波器鉴相,（2）脉冲与数字式鉴相器,触发器构成的脉冲鉴相器:RS触发器或D触发器,数字式鉴相器:由相位比较器（9个与非门）和电荷泵组成,74,第,75,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,2. 电子测量中的比较技术6）,数字比较,二进制的数N,1,和N,2,加于异或门的输入端，即可进行比较,75,第,76,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,3. 电子测量中的处理技术,1),基本模拟运算,运算放大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,76,第,77,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,3. 电子测量中的处理技术,1),基本模拟运算,（2）积分和微分电路,77,第,78,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,3. 电子测量中的处理技术,2),模拟滤波器,按照频谱分析的观点，任何信号都是一些不同幅度和不同频率的正弦信号的组合。,在被测信号中，除了有用的频率成分之外，往往不可避免地含有一些无用噪声的频率成分。,滤波器的功能就是利用其频率特性来保留有用的频率成分，削弱或消除无用的频率成分，即具有信号分离的功能。,分为低通、高通、带通和带阻等不同滤波器。,模拟滤波器可以通过有源滤波或无源滤波来完成，如书本上的各种滤波器（参考书本）,78,第,79,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,3. 电子测量中的处理技术,3)数字信号处理（DSP）,（1）数字信号处理的实现方式,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、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。,基于DSP芯片的实现方式,79,第,80,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,3. 电子测量中的处理技术,3)数字信号处理（DSP）,（2）数字信号处理（DSP）的基本内容,广义来说，数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、运算、滤波、检测、估计、增强、压缩、调制、解调以及快速算法的一门技术学科。,狭义来说也有人认为：数字信号处理主要是研究有关,数字滤波技术,：把信号的有效信号提取出来，抑制（削弱或滤除）干扰或噪声的一种处理。,离散变换快速算法：FFT,频谱分析方法,: 主要使用频谱分析仪和信号分析仪,信号处理包括时域和频域处理。时域处理中最典型的是波形分析，示波器就是最常用的仪器。信号频域处理主要指滤波，主要使用频谱分析仪和信号分析仪,80,第,81,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,3. 电子测量中的处理技术,3)数字信号处理（DSP）,（3）数字信号处理的应用,测试信号处理,语音信号处理,语音的识别、理解、合成、增强、数据压缩,图像信号处理,图像压缩、解压、增强、恢复、分割、识别、编码和重建,振动信号处理,地球物理信号处理,为了探测地下深处所储藏的石油和天然气以及其他矿藏，通常采用地震勘探方法来探测地层结构和岩性。即在一选定的地点施加人为的激震，如用爆炸方法产生一振动波向地下传播，遇到地层分界面即产生反射波，在距离振源一定远的地方放置一列传感器，接收到达地面的反射波。从反射波的延迟时间和强度来判断地层的深度和结构。,生物医学信号处理,81,第,82,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,4. 电子测量中的显示技术,1）,指示式仪表,被测电流I在可动线圈中流过时产生电磁力F，使可动线圈以轴为中心转动，由此产生,与电流I成比例的驱动力矩T,d,，带动指针偏转，从仪表的标尺分度读数测得电流。,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,82,第,83,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,4. 电子测量中的显示技术,2）发光二极管（LED）,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。,83,第,84,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,4. 电子测量中的显示技术,3）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,84,第,85,页,1.2.3 电子测量中的基本实现技术,4. 电子测量中的显示技术,4）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,5）其它显示：等离子体显示、场致发光（薄膜、平面）,85,第,86,页,1.3 测量误差及数据处理,1.3.1 测量误差的分类、估计和处理,本节主要讨论采用不同的方法去发现误差、判断误差的种类和研究选择削弱或减小测量误差,1. 测量误差的分类,根据测量误差的性质，测量误差可分为随机误差、系统误差、粗大误差三类。,86,1. 测量误差的分类,1）随机误差,定义:,在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件下），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差或偶然误差，简称随差。,来源：,随机误差主要由对,测量值影响微小但却互不相关的大量因素共同造成,。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微震、测量人员感官的,无规律变化,等。,随机误差的特点：,有界性：,随机误差的绝对值虽然是变化的，但不会超过一定的界限。,对称性：,随机误差的绝对值相等且正负误差出现的机会相同。,抵偿性：,在多次测量中，随机误差的正负误差相互抵偿。,抵偿性是随机误差的重要性质，正是应用这一性质，才可以采用多次测量并取平均值的方法来减小随机误差。,87,第,88,页,（2）产生系统误差的原因 ：,主要有以下几个方面：,a）测量仪器方面的因素：仪器设计原理、设计、制造安装等原因。,b）测量方法方面的因素：采用的测量方法不够理想,c）测量环境方面的因素：在测量过程中，实际的测量环境条件（温度、湿度、压力等）与理想的环境不一致，造成元器件参数的漂移，进而造成误差。,d）测量人员方面的因素： 由于测量人员本身的因素，如观测时所处的位置等因素，造成读数的不准确而产生的误差。,1. 测量误差的分类,2）系统误差,（1）,定义：,在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，,测量误差的绝对值和符号都保持不变,，或,在测量条件改变时按一定规律变化,的误差，称为系统误差。,例如仪器的刻度误差和零位误差，或值随温度变化的误差。,88,第,89,页,3）粗大误差：,粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。产生粗差的原因有：,测量操作疏忽和失误,如测错、读错、记错以及实验条件未达到预定的要求而匆忙实验等。,测量方法不当或错误,如用普通万用表电压档直接测高内阻电源的开路电压,测量环境条件的突然变化,如电源电压突然增高或降低，雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等。,1. 测量误差的分类,含有粗差的测量值称为坏值或异常值，在数据处理时，应剔除掉。,89,第,90,页,准确度,表示系统误差的大小,。系统误差越小，则准确度越高，即测量值与实际值符合的程度越高。,精密度,表示随机误差的影响,。精密度越高，表示随机误差越小。随机因素使测量值呈现分散而不确定，但总是分布在平均值附近。,精确度,用来反映系统误差和随机误差的综合影响,。精确度越高，表示正确度和精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。,射击误差示意图,1. 测量误差的分类,90,第,91,页,在测量中，,随机误差是不可避免的,。,多次测量，测量值和随机误差,服从概率统计规律,。,可用,数理统计,的方法，处理测量数据，,减少随机误差,对测量结果的影响。,1.3.1 测量误差的分类、估计和处理,2. 随机误差的统计特性及减少方法,1）随机误差的分布规律,（1）,数学期望,:反映其平均特性,。其定义如下：,X为,离散,型随机变量：,X为,连续,型随机变量：,（2）方差和标准偏差,方差和标准偏差,是用来描述随机变量与其数学期望的分散程度。,设随机变量X的数学期望为E(X)，则X的方差定义为：,D(X)= E(XE(X),2,标准偏差,定义为：,91,第,92,页,随机误差的概率密度函数为：,测量数据X的概率密度函数为：,随机误差的数学期望和方差为：,同样测量数据的数学期望E(X) ，方差D(X),2. 随机误差的统计特性及减少方法,1）随机误差的分布规律,（3）测量误差的正态分布,92,第,93,页,随机误差和测量数据的分布形状相同，因为它们的标准偏差相同，只是横坐标相差,随机误差具有：对称性 单峰性 有界性 抵偿性,2. 随机误差的统计特性及减少方法,1）随机误差的分布规律,（3）测量误差的正态分布,标准偏差是代表测量数据和测量误差分布离散程度的特征数。,标准偏差越小，则曲线形状越尖锐，说明数据越集中；标准偏差越大，则曲线形状越平坦，说明数据越分散。,93,第,94,页,2. 随机误差的统计特性及减少方法,2,）,有限次测量的数学期望和标准偏差的估计值,求被测量的数字特征，理论上需,无穷多次,测量，但在实际测量中只能进行,有限次,测量，怎么办？,（1）有限次测量的数学期望的估计值算术平均值,规定使用算术平均值为数学期望的估计值，并作为最后的测量结果。即：,（2）算术平均值的标准偏差,算术平均值的标准偏差比总体或单次测量值的标准偏差小 倍。原因是随机误差的抵偿性 。,94,第,95,页,小结：有限n次等精度测量：,残差：,实验标准偏差（标准偏差的估计值），贝塞尔公式：,算术平均值标准偏差的估计值 ：,算术平均值,：,2. 随机误差的统计特性及减少方法,2,）,有限次测量的数学期望和标准偏差的估计值,95,第,96,页,【例】 用温度计重复测量某个不变的温度，得11个测量值的序列（见下表）。求测量值的平均值及其标准偏差。,解：平均值,用公式 计算各测量值残差列于上表中,实验偏差, 标准偏差,2. 随机误差的统计特性及减少方法,2）,有限次测量的数学期望和标准偏差的估计值,96,第,97,页,1）,系统误差的发现方法,（1）不变的系统误差,：,校准、修正和实验比对。,（2）变化的系统误差,残差观察法，适用于系统误差比随机误差大的情况,将所测数据及其残差按先后次序列表或作图，观察各数据的残差值的大小和符号的变化。,存在线性变化的系统误差,无明显系统误差,1.3.1 测量误差的分类、估计和处理,3.,系统误差的判断及消除方法,97,第,98,页,3.,系统误差的判断及消除方法,1）,系统误差的发现方法,（2）变化的系统误差,马利科夫判据：,若有累进性系统误差，,D,值应明显异于零。,当,n,为偶数时，,当,n,为奇数时，,阿贝赫梅特判据：检验周期性系差的存在。,98,第,99,页,3.,系统误差的判断及消除方法,2）,系统误差的削弱或消除方法,（,1）从产生系统误差根源上采取措施减小系统误差,要从测量原理和测量方法尽力做到正确、严格。,测量仪器定期检定和校准，正确使用仪器。, 注意周围环境对测量的影响，特别是温度对电子测量的影响较大。, 尽量减少或消除测量人员主观原因造成的系统误差。应提高测量人员业务技术水平和工作责任心，改进设备。,（2）用修正方法减少系统误,：实际值测量值修正值,（3）采用一些专门的测量方法, 替代法, 交换法, 对称测量法, 微差法,99,第,100,页,粗大误差出现的概率很小，列出可疑数据，分析是否是粗大误差，若是，则应将对应的测量值,剔除,。,1.3.1 测量误差的分类、估计和处理,4.,粗大误差及其判断准则,100,第,101,页,统计学的方法的基本思想是：给定一置信概率，确定相应的置信区间，凡超过置信区间的误差就认为是粗大误差，并予以剔除。,(1)莱特检验法,(2)格拉布斯检验法,式中，G值按重复测量次数n及置信概率Pc确定,1.3.1 测量误差的分类、估计和处理,4.,粗大误差及其判断准则,101,第,102,页,注意：,所有的检验法都是人为主观拟定的，至今,无统一的规定,。当偏离正态分布和测量次数少时检验不一定可靠。,若有多个可疑数据同时超过检验所定置信区间，应,逐个剔除,，重新计算，再行判别。若有两个相同数据超出范围时，应逐个剔除。,在一组测量数据中，,可疑数据应很少,。反之，说明系统工作不正常。,1.3.1 测量误差的分类、估计和处理,4.,粗大误差及其判断准则,102,1.3.1 测量误差的分类、估计和处理,5. 测量结果的数据处理,1）有效数据的舍入原则,通常采用如下的舍入原则：“四舍六入，当等于五时采用偶数的法则，”即当在测量结果中需要保留n位有效数字时，若第n+1位恰好为5时，则要看第n位，若第n位为偶数时，则第n+1位舍去，若第n位为奇数时，则第n位加1。,【,例,】 将下列数字保留三位有效数字,需要注意的是：,测量数据中末位的零代表的是测量结果的精度（误差），因此，末位的零不能去掉。,103,第,104,页,5. 测量结果的数据处理,2）,等精度测量,结果的处理步骤,对测量值进行系统误差修正，将数据依次列成表格；,求出算术平均值,列出残差 ，并验证,按贝塞尔公式计算标准偏差的估计值,按莱特准则 ，或格拉布斯准则 检查和剔除粗大误差；,判断有无系统误差。如有系统误差，应查明原因，修正或消除系统误差后重新测量；,计算算术平均值的标准偏差 ；,写出最后结果的表达式，即 （单位）,。,104,第,105,页,【例】 对某电压进行了16次等精度测量，测量数据中已记入修正值，列于表中。要求给出包括误差在内的测量结果表达式。,5. 测量结果的数据处理,2）,等精度测量,结果的处理步骤,105,第,106,页,5. 测量结果的数据处理,2）,等精度测量,结果的处理步骤,106,第,107,页,5. 测量结果的数据处理,2）,等精度测量,结果的处理步骤,107,第,108,页,问题：用间接法测量电阻消耗的功率时，需测量电阻R、端电压V和电流I三个量中的两个量，如何根据电阻、电压或电流的误差来推算功率的误差呢？,1.3.1 测量误差的分类、估计和处理,6. 误差的分配与合成,1）误差传递公式,108,第,109,页,6. 误差的分配与合成,1）误差传递公式,109,6. 误差的分配与合成,2）和、差函数的合成误差,设函数,则,两式相减,取最大误差的绝对值,110,6. 误差的分配与合成,3）积函数的合成误差,设函数,，,则,相对误差,111,6. 误差的分配与合成,4）商函数的合成误差,设函数,则,取最大误差的绝对值,112,6. 误差的分配与合成,5）按系统误差相同的原则分配,若系统的总误差为,且分配给各分项的系统误差相同，即,由于,因此,这种误差的分配多用于各分项系统的性质相同，误差大小相近的情况。,113,6. 误差的分配与合成,6）按对总误差影响相同的原则分配误差,被测量各分项的误差的值虽然是各不相同的，但在总误差的分配时，将它们看成各分项误差对总误差的影响是相同的。,由于,故,114,6. 误差的分配与合成,6）按