现代测试技术图文课件

第1章绪论,第1章绪论,1.1,测试技术,1.2,电子测量,1.3,测量仪器,思考与练习题,第1章绪论1.1 测试技术,1.1 测试技术,1.1.1 概述,测试通常包含测量与试验两部分内容, 测量是对某一物理量的“数量”的描述, 而试验则是对其“性质”的探讨。测试是人们认识和研究客观物质世界的基础。一个完整的测试过程就是从客观事物中提取有用信息、 摈弃冗余信息, 进而比较客观、准确地描述被测对象“数量”与“性质”的过程。在测试过程中, 人们必须借助于专门的仪器设备, 通过科学的试验和必要的数据处理, 才能取得被测对象的准确信息。,1.1 测试技术,测试技术隶属于试验科学, 并在其中占据着很重要的部分, 它主要研究各种物理量的测量原理和测量信号(包括可能的误差信息)的分析与处理方法。 随着各种相关技术(如计算机技术、 传感器技术、大规模集成电路技术、通信技术)的飞速发展, 测试技术领域发生了巨大的变化, 从而产生了现代测试技术。现代测试技术的一个主要特点是基于计算机的测试, 也就是以计算机为核心构成测试系统。该系统一般具有开放化、远程化、智能化、多样化、网络化、测控系统大型化和微型化、数据处理自动化等特点, 它将成为仪器仪表与测控系统新的发展方向。 ,测试技术隶属于试验科学, 并在其中占据着很重,1.,测试技术的作用,人们通过对客观事物大量的观察和测试, 形成各种定性或定量的认识,并归纳、建立起各种定理和定律, 而后又通过测试来验证这些认识、定理和定律是否符合实际情况,经过如此反复实践, 逐步认识事物的客观规律, 并用以解释和改造世界。因此, 可以说测试是人类认识和改造世界的一种不可缺少和替代的手段。事实已经证明：当今科学技术要取得进步, 社会生产要得到继续发展, 就必须与测试理论、技术、手段的发展和进步相互依赖、相互促进。测试技术水平是反映一个历史时期、一个国家的科学技术水平的一面“镜子”。可以这样认为, 评价一个国家的科技状态, 最为快捷的办法就是去审视在那里所进行的测试以及由测试所累积的数据是如何被利用的。,1. 测试技术的作用,具体来讲, 测试技术有如下主要作用: ,(1),测试技术是技术部门和科研院所进行研究、认识、维护不同对象的必不可少的手段。对于科研院所, 探讨某一相， 研究某一理论，进行某一实践, 都涉及到对对象的某种认识和了解, 因此离不开相应的测试技术,；,对于军事部门来说, 现代武器系统日益复杂,功能模块十分繁多,导致可能出现的故障和隐患大大增加,对其实施有效、实用的检测就必须借助于现代测试技术。,具体来讲, 测试技术有如下主要作用: ,(2) 测试技术是产品检验和质量控制的重要手段。借助于测试工具对产品进行质量评价是测试技术重要的应用领域。 传统的方法只能将产品区分为合格品和废品, 只能起到产品验收和废品剔除的作用, 对废品的出现并没有预先防止或提示的能力, 属于被动测试。随着科学技术的发展, 在传统测试技术基础上发展起来的一种新的技术称为主动测试技术或在线测试技术, 该技术的一个显著特点是它可以使测试和生产加工同时进行, 并能及时地用测试结果对生产过程主动地进行控制, 使之能够克服外界干扰因素的影响, 适应生产条件的变化或能够自动地将生产过程调整到最佳状态。这样, 测试的作用已经不只是单纯的检查产品的最终结果，还需要过问和干预造成这些结果的原因, 从而进入质量控制的领域。,(2) 测试技术是产品检验和质量控制的重要手段,(3) 测试技术是大型设备安全经济运行的保证。电力、石油、化工、 机械等行业的一些大型设备通常在高温、高压、高速和大功率状态下运行, 保证这些关键设备的安全运行在国民经济中具有重大意义。为此, 通常设置故障监测系统以对温度、压力、流量、转速、 振动和噪声等多种参数进行长期的动态监测, 以便及时发现异常情况, 加强故障预防, 达到早期诊断、预防事故发生的目的，这样就可以避免严重的突发事故, 保证设备和人员的安全, 提高经济效益。另外, 在日常运行中, 这种连续监测可以及时发现设备故障的前兆, 并采取预防性检修。随着计算机技术的发展, 这类监测系统已经发展到故障自诊断系统，可以采用计算机来处理测试信息, 进行分析、判断, 及时诊断出设备故障并自动报警或采取相应的对策。,(3) 测试技术是大型设备安全经济运行的保证,(4) 测试技术是自动化系统中不可缺少的组成部分。 任何生产过程都可以看做是由“物流”和“信息流”组合而成的。 人们为了有目的地进行控制, 首先必须通过测试获取有关信息,然后才能进行分析、 判断，以便实现自动控制, 而反映物流的数量、状态和趋向的信息流则是人们管理和控制物流的依据。 所谓自动化, 就是系统或某个过程的运行不需要人工的干预, 也就是用各种技术工具和方法代替人来完成测试、分析、判断和控制工作。一个自动化系统通常由多个环节组成, 分别完成信息的获取、信息的转换、信息的处理 信息的传送及信息的执行等功能。在实现自动化的过程中, 信息的获取与转换是极其重要的组成环节, 只有精确、及时地将被控对象的各项参数测试出来并转换成易于传送和处理的信号, 整个系统才能正常地工作。因此, 自动测试技术是自动化系统中不可缺少的组成部分。,(4) 测试技术是自动化系统中不可缺少的组成,(5) 测试技术是推动现代科学技术进步的重要力量, 测试技术的完善和发展直接影响着现代科学技术能否以较快的速度发展和进步。 ,(6) 现代测试技术是理论研究成果形成的推进剂。人们在自然科学各个领域内从事的研究工作, 一般是利用已知的规律对观测、 试验的结果进行概括、 推理, 从而对所研究的对象取得,定量的概念并发现它的规律性, 然后上升到理论。 因此, 现代测试手段所达到的水平在很大程度上决定了科学研究的深度和广度。测试技术达到的水平愈高, 提供的信息愈丰富、愈可靠, 科学研究取得突破性进展的可能性就愈大。此外, 理论研究的一些成果也必须通过实验或观测来加以验证, 这同样离不开测试技术。,(5) 测试技术是推动现代科学技术进步的重要力,从另一方面看, 现代化生产和科学技术的发展也不断地对测试技术提出新的要求和课题, 成为促进测试技术向前发展的动力。 科学技术的新发现和新成果不断应用于测试技术中, 也有力地促进了测试技术自身的现代化。 ,测试技术与现代化生产和科学技术相互渗透、 相互作用的密切关系, 使它成为一门十分活跃的技术学科, 测试技术几乎涉及到人类的一切活动领域中, 在人类的活动中发挥着愈来愈大的作用。,从另一方面看, 现代化生产和科学技术的发展也不,2. 测试系统的组成,测试的基本任务是获取有用信息, 而信息又蕴涵在某些随时间或空间变化的物理量(信号)中。 因此, 首先要检测出被测对象所呈现的有关信号, 再加以处理, 最后将结果提交给观察者或其他信息处理与控制装置。为了实现对上述信号的获取、处理和控制工作, 人们一般通过构建相应的测试系统来完成。一般来讲, 测试系统由传感器、调理变换装置、信号传输装置和显示记录装置等部分组成, 分别完成信息的获取、变换处理、传输和显示等功能, 当然其中还包括电源等不可缺少的部分。 图1,-,1给出了基本测试系统的组成框图。,2. 测试系统的组成,图 1,-,1 基本测试系统的组成框图,图 1-1 基本测试系统的组成框图,1) 被测对象,被测对象是测试系统信息的来源, 它决定着整个测试系统的构成形式。 被测对象的形式往往是千变万化的, 因此便构成了不同的测试系统。比如被测对象可能与力、位移、速度、加速度、 压力、流量、温度等某一个或某些参数有关, 则相应的测试系统就必须具有完成相关参数检测的功能。 ,2) 传感器,传感器是把被测量(如物理量、化学量)转换成电信号输出的器件。显然, 传感器是测试系统与被测对象直接发生联系的环节, 传感器能否正常地将被测量输出、传感器性能的好坏、传感器选,用的是否恰当等因素直接关系到测试系统的性能。测试系统获取信息的质量往往是由传感器的性能一次性确定的, 因为测试系统的其他环节无法添加新的测试信息并且不易消除传感器所引入的误差。,1) 被测对象,目前传感器的形式多样， 工作原理也不尽相同, 但是一般运用比较多的传感器按照其工作原理的不同可以分为电阻式、电容式、电感式、压电式、热电式、光电式、磁电式等, 至于实际使用中采用哪种类型则必须根据系统要求来选定。, 3) 调理变换装置,调理变换装置的作用是将传感器的输出信号进行调理(包括量程选择, 阻抗匹配, 信号放大、缩小等), 将其转换成易于测量的电压或电流信号, 并进行相应的处理变换。 ,调理变换装置的种类和结构是由传感器的类型决定的, 不同的传感器所要求配用的测量电路经常具有自己的特色。一般而言, 调理变换装置较多考虑选用电桥、放大器、滤波器、调制器、解调器、运算器、阻抗变换器等器件来组成。 ,目前传感器的形式多样， 工作原理也不尽相同,4) 信号传输装置,信号传输装置用来实现将信号按照某种特定的格式传输, 比如采用某种总线标准或者进行某种格式的变换。 ,5) 结果显示装置,结果显示装置是测试人员和测试系统联系的主要环节之一, 主要作用是使人们了解测试数值的大小或变化的过程。常用的显示装置一般包括实时信号分析仪、电子计算机、笔式记录仪、示波器、磁带记录仪、半导体存储器等。,4) 信号传输装置,1.1.2 计量,计量是利用比较标准的各类量具、 仪器仪表, 对测量设备定期进行检验和校准, 以确保测量结果的准确性、可靠性和统一性的过程。计量可认为是测量的特殊形式。在计量过程中,认为所使用的量具和仪器是标准的, 用它们来校准、 检定受检量具和仪器设备, 以保证使用受检量具仪器进行测量时所获得的测量结果的可靠性。计量是测量的基础和依据。,1.1.2 计量,计量具有准确性、一致性、法制性和原始性的特点。计量结果必须包含被计量的值和量值的误差范围(准确性)。 计量误差是计量结果与被计量的量的真值之间的差异。计量基准是指用最先进的科学技术和工艺水平, 以最高的准确度和稳定性建立起来的专门用以规定、保持和复现物理量计量单位的特殊量具或仪器装置等。计量单位的统一是量值统一的前提, 计量结果应该不随所使用的计量器具和计量人员的变化而超出误差范围。就一个国家而言, 所有的量值都归结到国家标准上; 就世界而言, 量值应该归结到国际标准上, 以免造成技术和应用上的混乱。 ,计量器具是计量仪器、量具、计量物质及装置的总称, 是计量工作的物质技术基础。,计量具有准确性、一致性、法制性和原始性的特点,1.2.1 电子测量的内容,电子测量可分为以下几个方面：,(1) 电磁能量测量。电磁能量测量包括电压、电流、功率、电场强度、磁场强度、功率通量密度等的测量。 ,(2) 信号特性测量。信号特性测量包括波形、周期、相位、失真度、调幅度、调频指数及数字信号的逻辑状态等的测量。 ,(3) 网络特性测量。 网络特性测量包括频率特性、传输系数、反射系数、电压驻波比以及其他网络参数等的测量。,1.2 电子测量,1.2.1 电子测量的内容1.2 电子测量,(4) 电路元器件参数测量。电路元器件参数测量包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数及电子器件参数等的测量。 ,(5) 电子设备的性能测量。 电子设备的性能测量包括增益、 衰减、灵敏度、频率特性、噪声指数等的测量。常用的测量仪器有波形分析仪、示波器、噪声测试仪、扫频仪等。 ,(6) 非电量的测量。非电量的测量包括温度、位移、压力、速度、重量、流量、物面高度、物质成分等的测量。 ,(4) 电路元器件参数测量。电路元器件参数测量,在航空航天领域的测控系统中, 最重要的是弹道和轨道的测量以及对航天器上各设备工作状态的测量。这些测量一般是通过无线电(或光)跟踪测量(遥测)系统来完成的。弹道的测量主要是对高速运动空间目标的角度的跟踪与测量、距离和速度的测量等; 对航天器设备工作状态的测量在航天器研制过程中用得较多, 主要是对信号波形和工作转换状态的测量。它与一般的电子测量有所不同, 主要有以下特点: ,(1) 采用遥测技术。 通过无线电或光测设备, 对航天器的轨道或各个主要设备的特征状态进行测量。 ,在航空航天领域的测控系统中, 最重要的是弹道和,(2) 作用距离远。如美国深空测控网DSN, 由于采用大口径、 高功率、低噪声天线, 低噪声接收, 大功率发射机及先进的信号处理等技术, 其作用距离可达4.610,8,km, 可实现对月球、行星及星际之间目标的探测。 ,(3) 实时性强。使用测试系统或仪器设备对航天器进行测量的主要目的之一就是对其实施控制或制导。最常见的情况就是对其稳定跟踪后, 要连续输出测距、测角、测速数据, 并可根据事前获取的标校数据对测量值进行实时修正, 以得到实时、高精度的测量数据。,(2) 作用距离远。如美国深空测控网DSN,1.2.2 电子测量的特点,1. 测量频率范围宽,电子测量的频率范围包括了从10,-6,Hz以下到10,12,Hz以上极宽的范围。实际使用中通常是根据不同的工作频段, 采用不同的测量原理和使用不同的测量仪器。 ,2. 量程宽,量程是测量范围的最大值和最小值之差或上、下限值之比。 电子测量的另一个特点是一些被测对象的量值大小相差悬殊, 例如, 从地面上接收到的宇宙飞船自外空发来的信号功率, 低至10,-14,W数量级, 而远程雷达发射的脉冲功率, 可高达10,8,W以上, 两者之比为110,22,。一般情况下, 使用同一台仪器、同一种测量方法是难以覆盖如此宽广的量程的。 但是随着电子测量技术的不断发展, 单台测量仪器的量程也可以达到很宽。,1.2.2 电子测量的特点,3. 测量精度高,电子测量仪器的精确度一般比其他测量仪器高很多。 特别是对频率和时间的测量, 由于采用原子频标作为基准, 使误差减小到10,-13,10,-14,数量级, 这是目前人类在测量精确度方面达到的最高标准。例如在GPS系统中就采用了铯原子钟。 ,电子仪器的精确度高, 正是它在现代科技领域得到广泛应用的重要原因。例如发射导弹、火箭或人造卫星, 需要高精度的自动控制系统和遥测系统。如果测量控制不准, 末级火箭速度有千分之二的相对误差, 卫星就会偏离轨道近百千米。在导弹上, 起爆时机有千分之一的相对误差, 就不能有效杀伤目标。,3. 测量精度高,4. 响应时间短、测量速度快,一般来讲, 测量的响应时间短, 它的测量速度就快。其中, 模拟电路的响应速度比时序数字电路的响应速度快, 但模拟式的读数装置(电表指针)的响应速度比数字式的读数装置(数字显示器)的响应速度慢。另外, 响应时间、测量速度还和测量原理有关。 可以想象, 如果没有快速、自动地测量与控制, 像导弹、卫星等航天器的发射、控制与精确制导就是不可能的。 ,5. 可进行遥测,由于电子测量依据的是电子的运动和电磁波的传播, 因此可以将现场各种待测量转换成易于传输的电信号, 用有线或无线的方式传送到测试控制台(终端), 从而实现遥测和遥控。 这使得对那些远距离的、高速运动的或其他人们难以接近地方的信号测量成为可能, 比如像卫星、 飞船这类航天器的发射与运行状态的测量与控制。,4. 响应时间短、测量速度快,6. 易于实现测试智能化和自动化,电子测量作为电子科学一个活跃的分支, 电子科学的每一项进步, 都非常迅速地在其领域中得到体现。随着电子计算机, 尤其是功耗低、体积小、处理速度快、可靠性高的微型计算机的出现, 给电子测量理论、技术和设备带来了新的革命。比如微处理器出现于1971年, 而在1972年就出现了使用微处理器的自动电容电桥。现在, 已有大量带微处理器的电子测量仪器面世, 许多仪器还带有一些标准仪器接口(如GPIB、 RS 、,-,232、 USB等), 可以方便地与其他辅件构成功能完善的自动测试系统, 从而使得某些测量或测试过程能够在程序控制下自动进行, 并具有一定智能功能, 比如对误差的自动处理、对干扰的补偿等。,6. 易于实现测试智能化和自动化,1.2.3 电子测量的方法,一个物理量的测量, 可以通过不同的方法实现。要得到比较令人信服的测量结果, 就必须进行方法的选择, 而所测量方法选择的正确与否, 不仅直接关系到测量结果的可信赖程度, 也关系到测量工作的经济性和可行性。不当或错误的测量方法, 除了得不到正确的测量结果外, 甚至会损坏测量仪器和被测量设备。,在这里特别要强调的就是有了先进、精密的测量仪器设备, 并不等于就一定能获得准确的测量结果, 而不精密的测量仪器设备, 也未必不能得到准确的测量结果。实际使用中, 我们必须根据不同的测量对象、测量要求和测量条件, 选择正确的测量方法、合适的测量仪器构成实际测量系统, 再进行正确、细心的操作, 才能得到理想的测量结果。,1.2.3 电子测量的方法,1. 按测量手段分类,按测量手段分类， 可以将测量分为以下几种：,(1) 直接测量。 直接测量法是用事先标定好的测量仪表直接读取被测量量值的方法。比如用电压表测量电压, 用电桥法测量电阻阻值, 用计数式频率计测量频率, 用温度计测量温度等。直接测量简单迅速, 是工程测量中广泛应用的测量方法。 ,直接测量又可以分为绝对测量和相对测量两种方式, 其中绝对测量是采用仪器、设备、手段测量被测量, 直接得到被测量量值, 其特点是测量简单、直观、明了, 但测量精度不高。相对测量是将被测量直接与基准量比较, 得到偏差值, 其特点是精度高，但测量复杂、成本高、要求高。, 1. 按测量手段分类,以测量某一物体长度为例, 采用绝对测量(如图1,-,2(a)所示)是直接用测量工具, 比如刻度尺测量出其长度; 而作为相对测量(如图1,-,2(b)所示), 则是把该物体与某一基准相比较, 然后用某一测微工具测量出二者之间的偏差, 最终由基准量和偏差得到测量值。,(2) 间接测量。当被测量由于某种原因不能直接测量时, 可以通过直接测量与被测量之间的函数关系(可以是公式、曲线或表格等), 间接得到被测量量值。例如测量电阻WTBXR上消耗的直流功率P, 可以通过直接测量电压U和电流I, 而后根据函数关系P=UI, 经过计算间接获得功耗P。 ,间接测量费时费事, 常在下列情况下使用: 直接测量不方便, 间接测量的结果较直接测量更为准确, 缺少直接测量仪器等。,以测量某一物体长度为例, 采用绝对测量(如图,图 1,-,2 绝对测量和相对测量示意图,(a,) 绝对测量; (b) 相对测量,图 1-2 绝对测量和相对测量示意图,(3) 组合测量。当某项测量结果需要用多个未知参数表达时, 可通过改变测量条件进行多次测量, 根据函数关系列出方程组并求解, 从而得到未知量的值, 这种测量方式称为组合测量。在较复杂的测量过程中, 经常要用到组合测量法, 列出较多的方程。 组合测量法比较复杂, 测量时间长, 但精度较高, 一般用于科学试验中。,(3) 组合测量。当某项测量结果需要用多个未,2. 按测量回路分类,按照测量回路的不同, 我们可以把测量分为开环测量和反馈测量两种类型。开环测量如图1,-,3(a)所示, 它是直接对输出量,y,实施测量, 具有简单、直观、明了, 但测量精度不高的特点。反馈测量如图1,-,3(b)所示, 它所测量的输出量,y,反馈作用于输入量x, 具有精度高、复杂、成本高、要求高的特点。,2. 按测量回路分类,图 1,-,3 开环测量和反馈测量示意图,图 1-3 开环测量和反馈测量示意图,3. 按测量方式分类,按测量方式分类，测量可分为以下几种：,(1) 直读式测量法。,直读式测量法是根据仪表的读数来判断被测量值的大小, 直接读取被测量数值的测量方法。直读法测量的过程简单, 操作容易, 读数迅速, 但其测量精度不高。 ,(2) 零位式测量法。,零位式测量法又称做零示法或平衡式测量法。 测量时用被测量与标准量相比较(因此也称之为比较测量法), 用指零仪表(零示器)指示被测量与标准量相等(平衡), 从而获得被测量。 ,3. 按测量方式分类,(3) 微差式测量法。将偏差式测量法和零位式测量法相结合, 即可构成微差式测量法。它是一种通过测量待测量与标准量之差(通常很小)间接来得到待测量量值的测量方法。,和零位式测量法相比, 微差式测量法可以省去反复调节标准量大小去寻求平衡的步骤, 因此, 微差式测量法兼有偏差式测量法的测量速度快和零位式测量法测量准确度高的优点。微差式测量法除在实验室中用作精密测量外, 还广泛地应用在生产线控制参数的测量上。 ,(4) 替代式测量法。替代式测量是将被测量与已知量先后两次接入同一测量装置, 如果两次测量中测量装置的工作状态能保持相同, 则认为替代前接在装置上的待测量与替代后的已知标准量数值完全相同。 当然要做到完全替代, 已知标准量最好是连续可调的, 这样才能在替代时通过调节使测量装置的工作状态保持不变。,(3) 微差式测量法。将偏差式测量法和零位式,4. 按被测量的性质分类,如果按被测量的性质来区分, 测量过程还可以作如下分类:,(1) 时域测量。,时域测量也叫做瞬态测量, 它主要用来测量被测量随时间的变化规律。 例如用示波器观察正弦信号的周期、频率、幅度等参数以及将其施加于某一电路后的输出响应等。 ,(2) 频域测量。,频域测量也称为稳态测量, 主要目的是获取待测量与频率之间的关系, 如用频谱分析仪分析信号的频谱, 测量放大器的幅频特性、相频特性等。,4. 按被测量的性质分类,(3) 数据域测量。 数据域测量也称为逻辑量测量。,它是随着数字电路的飞速发展而发展起来的, 主要是用逻辑分析仪、逻辑笔等设备对数字量或数字电路的逻辑状态及逻辑功能、可能的故障类型和故障状态进行测量。数据域测量可以同时观察多条数据通道上的逻辑状态, 也可以显示某条数据线上的时序波形, 还可以借助计算机分析大规模集成电路芯片的逻辑功能等。由于当前集成电路技术的发展, 使得数字电路的测量靠单纯人工测量越来越难以完成, 因此其发展的趋势是倾向于测量的智能化和自动化。可以肯定, 随着微电子技术的发展需要, 数,据域测量技术必将得到更大的发展。 ,(3) 数据域测量。 数据域测量也称为逻辑量,(4) 统计测量。,统计测量又叫做随机测量, 主要是对各类噪声信号进行动态测量和统计分析, 这是一项较新的测量技术, 尤其在通信领域有着广泛的应用。 ,除了上述几种常见的分类方法外, 还有其他一些分类方法。 比如, 按照对测量精度的要求可以分为精密测量和工程测量; 按照测量时测量者对测量过程的干预程度分为自动测量和非自动测量; 按照被测量与测量结果获取地点的关系分为本地(原位)测量和远地测量(遥测)、接触测量和非接触测量; 按照被测量的属性分为电量测量和非电量测量等。,(4) 统计测量。,5. 测量方法的选择原则,测量的方法形式多样, 而测量的对象又是千差万别, 因此合理、科学的选择测量方法就显得尤为重要。一般在具体选择测量方法时, 要综合考虑下列主要因素: , 被测量本身的特性。, 所要求的测量准确度。, 测量环境。, 现有测量设备等。 ,在此基础上, 还要选择合适的测量仪器和正确的测量方法。 前面已经讲过, 正确可靠的测量结果的获得, 要依据测量方法和测量仪器的正确选择、正确操作和测量数据的正确处理。否则, 即便使用价值昂贵的精密仪器设备, 也不一定能够得到准确的结果, 甚至可能损坏测量仪器和被测设备。,5. 测量方法的选择原则,1.3 测量仪器,测量仪器是测量者用来对被测对象取得“度”或“量”信息的器具, 它能够将被测量转换成可供直接观察的指示值或等效的信息。测量仪器一般包括各类指示仪器、比较仪器、记录仪器、 传感器和变送器等。利用电子技术对各种待测量进行测量的设备, 统称为电子测量仪器。为了能够正确地选择测量方法、使用测量仪器和估价测量结果, 本节将对电子测量仪器的主要功能、分类及其主要性能指标等做一些概括介绍。,1.3 测量仪器,1.3.1 电子测量仪器的主要功能,电子测量仪器一般具有物理量的变换、信号的传输和测量结果的显示等三种最基本的功能。 ,1. 变换功能,电压、电流等电学量的测量, 是通过测量各种电效应的方式实现的。比如作为模拟式仪表最基本构成单元的动圈式检流计(电流表), 就是将流过线圈的电流强度, 转化成与之成正比的扭矩而使仪表指针偏转到距离初始位置一个角度, 根据此偏转角度的大小(通过刻度盘上的刻度获得)得到被测电流的大小, 这就是一种基本的变换功能。对非电量的测量, 更需将各种非电物理量如压力、位移、温度、湿度、亮度、颜色、物质成分等, 通过各种对,1.3.1 电子测量仪器的主要功能,之敏感的敏感元件(通常称为传感器), 转换成与之相关的电压、 电流等, 而后再通过对电压、电流的测量, 得到被测物理量的大小。随着测量技术的发展和需要, 现在往往将传感器、放大电路及其他有关部分构成独立的单元电路, 将被测量转换成模拟的标准电信号, 送往测量和处理装置, 这样的单元电路常称为变送器, 它是现代测量系统中极为重要的组成部分。特别是在近几年, 随着传感器技术、集成电路技术、信息处理技术的发展, 还出现了数字传感器, 它能直接将各种非电量转换为频率信号(准数字量)或数字信号, 这使得我们构建自动测试系统更为方便。,之敏感的敏感元件(通常称为传感器), 转换成与之相关的电压、,2. 传输功能,信号一旦检测出来后就要通过一定方式将其显示给控制者, 因此, 对于测量仪器的另一个必不可少的功能就是传输功能。 传输的过程要涉及到对信号的变换和处理(如电压变换、信号匹配等), 同时根据用户需要可能还要对传输的信号格式做出相应处理。比如在遥测遥控等系统中, 现场测量结果需经过较长距离的传输才能送到测试终端和控制台。不管采用有线的还是无线的方式, 传输过程中造成的信号失真和外界干扰等问题都会存在, 所以必须通过变送器对其做相应处理。 由此可见, 此类测量仪器的传输功能是一个必须认真对待和处理的问题。,2. 传输功能,3. 显示功能,我们进行测量的最终目的是要将测量结果以某种有效的方式显示出来。因此, 任何测量仪器都必须具备一定的显示功能。 比如模拟式仪表通过指针在仪表刻度盘上的位置不同而显示不同的,测量结果, 数字式仪表通过数码管、 液晶或阴极射线管直接以数字形式显示测量结果。作为测量仪器其常用的显示装置一般包括实时信号分析仪、电子计算机、笔式记录仪、示波器、磁带记录仪、半导体存储器等。除此之外, 一些先进的仪器如智能仪器等还具有数据记录、处理及自检、自校、报警提示等功能。,3. 显示功能,1.3.2 电子测量仪器的分类,电子测量仪器有多种分类方法, 按工作原理可以分为模拟式和数字式两大类。 前者是指具有连续特性并与同类模拟量相比较的仪器; 后者是指通过模数转换把连续性的被测量变成数字量, 再显示结果的仪器。习惯上, 按功能对电子测量仪器进行分类, 大致可分为以下几类:,(1) 波形显示仪器。 波形显示仪器主要包括各类示波器、逻辑分析仪等。这类仪器有一般波形显示仪器(如单踪示波器、多踪示波器、多扫描示波器等), 用于超高频显示的取样示波器, 具有波形记忆功能的记忆示波器和数字存储示波器等。 ,(2) 电路参数测量仪器。 电路参数测量仪器主要包括各类电桥、Q表、RLC测试仪、晶体管和集成电路参数测试仪等。 ,1.3.2 电子测量仪器的分类,(3) 频率、时间、相位测量仪器。这类仪器主要包括电子计数式频率计、石英钟、数字式相位计、波长计等。 ,(4) 信号分析仪器。 信号分析仪器主要包括失真度仪、谐波分析仪、频谱分析仪等。 ,(5) 模拟电路特性测试仪器。模拟电路特性测试仪器主要包括扫频仪、噪声系数测试仪、网络特性分析仪等。 ,(6) 数字电路特性测试仪器。数字电路特性测试仪器主要指逻辑分析仪。这类仪器内部多带有微处理器或通过接口总线与外部计算机相连, 是数据域测量中不可缺少的设备。 ,(7) 测试用信号源。测试用信号源包括各类低频和高频信号发生器、脉冲信号发生器、函数发生器、扫频和噪声信号发生器等。 由于它们的主要功能是作为测试用信号源, 因此也叫供给量仪器。,(3) 频率、时间、相位测量仪器。这类仪器主要,1.3.3 电子测量仪器的主要性能指标,1. 精确度,精确度是指测量仪器的读数或测量结果与被测量真值接近的程度, 也称为精度。它是表明测量误差大小泛指性的广义词汇。 一般来说，精度高, 表明误差小; 精度低, 表明误差大。进一步分析随机误差和系统误差, 精度又包含以下两部分内容:,(1) 准确度。准确度是精确度的一个重要组成部分。 它反映系统误差的大小, 表明测量仪器设备有规则的偏离真值的程度。,1.3.3 电子测量仪器的主要性能指标,(2) 精密度。精密度说明测量仪器设备指示值的分散程度, 反映测量仪器随机误差的大小。也就是说, 对某一稳定的被测量对象, 使用同一设备, 在同一测量条件下连续多次进行测量时, 得到的测量结果的分散程度。精密度高, 意味着随机误差小, 测量结果的重复性好。比如某电压表的精密度为0.1 V, 即表示用它对同一电压进行测量时, 得到的各次测量值的分散程度不大于0.1 V。 测量时, 其结果的分散程度一般用标准偏差或者用或然误差0.674来表示。 ,对于一个测量结果, 精密度高的准确度不一定高。 而准确度高的精密度也不一定高, 可以用图1,-,4所示的打靶的例子来说明。 ,(2) 精密度。精密度说明测量仪器设备指示值,图 1,-,4 用射击比喻测量,图 1-4 用射击比喻测量,2. 灵敏度,灵敏度表示测量仪表对被测量变化的敏感程度, 可以定义为测量仪器输入变化所引起的输出变化量y与输入变化量x之比。也就是说, 测量仪器的灵敏度是单位输入变化量所引起,的输出量的变化。灵敏度用S来表示, 可以用下式计算:,2. 灵敏度,3. 稳定性,稳定性通常用稳定度和影响量两个参数来表征。 ,稳定度也称稳定误差, 是指在规定的时间区间, 其他外界条件恒定不变的情况下, 仪表示值变化的大小。造成这种示值变化的原因主要是仪器内部各元器件的特性、参数不稳定和老化等因素。稳定度可用示值绝对变化量与时间一起表示。例如某数字电压表的稳定度应为(0.08%,U,m,0.003,U,x,)/(8h), 其含义是在8小时内, 测量同一电压, 在外界条件维持不变的情况下, 电压表的示值可能发生0.08%,U,m,0.003,U,x,的上下波动, 其中,U,m,为该量程满度值,U,x,为示值。稳定度也可用示值的相对变化率与时间一起表示。 例如国产XFC-6标准信号发生器, 在220 V电源电压和20环境温度下, 频率稳定度小于或等于210,-4,/(10 min); XD6B超低频信号发生器, 正弦波幅度稳定度小于或等于0.3%/(1 h)等。,3. 稳定性,由于电源电压、频率、环境温度、湿度、气压、振动等外界条件变化而造成仪表示值的变化量, 称为影响量或影响误差, 一般用示值偏差和引起该偏差的影响量来一起表示。如EE1610晶体振荡器在环境温度从10变化到35时, 频率漂移小于或等于110,-9,等。,由于电源电压、频率、环境温度、湿度、气压、振动,4. 输入阻抗与输出阻抗,输入阻抗是指仪表在输出端接有额定负载时, 输入端所表现出来的阻抗。输入阻抗的大小将决定信号源的衰减程度, 输入阻抗越大, 则衰减越小, 所以一般应选择输入阻抗大一些的仪表。, 输出阻抗是指仪表在接入信号源的情况下, 输出端所表现出来的阻抗。 输出阻抗大意味着把仪表或传感器看成信号源时, 信号源具有很大的内阻。这样, 在仪表输出端接上负载后(如二次仪表)其信号衰减较大, 会产生较大的负载误差。 因此, 一般要求仪表或传感器的输出阻抗要小。,4. 输入阻抗与输出阻抗,5. 线性度,线性度是测量仪表输入、输出特性之一, 表示仪表的输出量(示值)随输入量(被测量)变化的规律。若仪表的输出为,y, 输入为,x, 两者关系用函数,y,f,(,x,)表示, 如果,y,f,(,x,)为y,-,x平面上过原点的直线, 则称之为线性刻度特性, 否则称为非线性刻度特性。由于各类测量仪器的原理各异, 因此不同的测量仪器可能呈现不同的刻度特性。如常用的万用表的电阻挡, 具有上凸的非线性刻度特性；而数字电压表, 具有线性刻度特性.仪器的线性度可用线性误差来表示, 如SR46双线示波器垂直系统的幅度线性误差小于或等于5,%,。 ,5. 线性度,6. 动态特性,测量仪表的动态特性表示仪表的输出响应随输入变化的能力。例如模拟电压表由于动圈式表头指针惯性、轴承摩擦、空气阻尼等因素的作用, 使得仪表的指针不能瞬间稳定在固定值上。 又如示波器的垂直偏转系统, 由于输入电容等因素的影响, 造成输出波形对输入信号的滞后与畸变, 示波器的瞬态响应就表示了这种仪器的动态特性。 ,最后指出, 上述测量仪器的几个特性, 是就一般而论, 并非所有仪器都用上述特性加以考核。有些测量仪器除了上述指标特性外, 还有其他技术要求, 这些具体问题都将在后面有关章节中加以说明。 ,6. 动态特性,1.3.4 电子测量仪器的发展,1. 模拟式仪器,模拟式仪器的基本结构采用电磁机械式, 它借助于仪器仪表指针来显示测量结果。 例如指针式万用表等。,1.3.4 电子测量仪器的发展,2. 数字式仪器,数字式仪器是将模拟信号的测量转化为数字测量信号, 并以数字方式输出测量结果的仪器, 它又可分为模数转换式和脉冲计数式两种。 例如, 利用模数转换器和数字显示器就可以构成数字式电压表; 利用数字式传感器输出的数码或脉冲数与数字显示器相连可以构成脉冲计数式仪器。 数字式仪器目前使用比较普遍, 具有快速响应能力和较高准确度。,2. 数字式仪器,3. 智能化仪器,智能化仪器也称为微机化仪器, 它是把微处理器和通用标准接口总线(GPIB)引入到仪器仪表中的电子测量仪器。 这种仪器具备通用的测试功能, 可以单独使用, 也可以通过GPIB接口作为可程控仪器组建自动测试系统。 这类仪器与传统的仪器相比增加了新的功能和特点。例如, 具有自动调零、量程自动转换、多点快速测量、自动修正误差、数据处理等功能。,3. 智能化仪器,4.虚拟仪器,虚拟仪器(VI, Virtual Instruments)是通过各种与检测技术相关的软件和硬件与工业计算机相结合, 用于替代传统概念的仪器设备, 或者利用软件和硬件与传统仪器设备相连接, 通过通信方式采集、 分析、 显示数据, 监控测试过程、 生产过程的仪器备。 它是检测技术、 计算机技术和通信技术相结合的产物。 ,虚拟仪器是在计算机的显示器上虚拟了传统仪器面板的计算机化的仪器, 它尽可能多地将原来由硬件电路完成的信号调理和信号处理的功能, 替代为计算机来完成。 这种硬件功能的软件化是虚拟仪器的一大特征。自虚拟仪器概念提出来后, 以软件代替硬件, 以图形代替代码, 以组态代替编程, 以虚拟仪器代替真实仪器, 使得组建自动测试系统的技术得到迅速发展。,4.虚拟仪器,思考与练习题,1. 什么是测量? 什么是测试? 两者之间有什么异同?,2. 简述测试系统的构成以及各部分的作用。,3. 测量和计量有什么不同之处?,4. 按不同的分类方式， 电子测量的基本方法有哪些?,5. 简述直读法、零位法和微差法的特点，并结合实际各举一两个应用实例。,6. 按照测量的性质分类， 测量过程可以划分为哪几种类型?,7. 在设计具体的测量方案时，测量方法的选择应考虑什么因素?,8. 测量仪器有哪些基本功能?,9. 通过参阅一些相关资料，试总结现代测试技术的发展趋势。,思考与练习题,