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1、第1章电子测量基本知识第1页，本讲稿共73页 任课老师：程立新办公地点：SB408、SB312联系电话：18921037968Q Q：634983936第2页，本讲稿共73页我们能做到安全整洁第3页，本讲稿共73页课程标准解读第4页，本讲稿共73页 会用XX仪器进行XX测量进行XX测量需要XX仪器第5页，本讲稿共73页第1章 电子测量与仪器基本概念1.1 电子测量技术简介1.2 电子测量误差及其消除方法1.3 电工仪表分类1.4 电子测量仪器分类1.5 有效数字处理规则1.6 工程上最大误差的估计*习 题 第6页，本讲稿共73页要点：1.掌握电子测量、测量误差、误差分析和电子测量仪器的基本概念
2、;2.掌握电子测量中误差的产生和处理方法；3.电子测量中的干扰及抑制，电子仪器接地的概念。第7页，本讲稿共73页难点：1.电子测量仪器的误差分析；2.电子测量中的干扰及抑制方法。第8页，本讲稿共73页一、测量 (1)测量是用实验的方法准确地获取被测参数的数值。(2)测量是把标准量与被测量比较的过程。(3)现代工业生产中用到测量上的成本约占整个生产成本的20%-30%。1.1 1.1 电子测量技术简介电子测量技术简介第9页，本讲稿共73页(4)实验科学推动了自然科学的发展，“没没有测量就没有科学有测量就没有科学”。(5)通过测量可以揭示客观世界规律，用数字语言描述世界进而改造世界。第10页，本讲
3、稿共73页(1)电子测量：以电子技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为手段，对未知的电量或非电量进行测量。(2)电子测量的基本内容：电能量电能量：包括电压、电流、功率和场强之类的电量。电信号参数电信号参数：包括频率、周期、相位、失真度等参数。电路参数电路参数：电阻、电容、电感、电抗、品质因数等。电路性能电路性能：增益、衰减、灵敏度、幅频特性等参数。半导体器件半导体器件的测量。的测量。二、电子测量二、电子测量二、电子测量二、电子测量 第11页，本讲稿共73页三、电子测量的特点三、电子测量的特点1.1.测量频率范围宽测量频率范围宽 低端：10-410-5Hz到直流。高端：300GHZ（毫米波段上限
4、）甚至更高。（1GHZ=103MHZ=106KHZ=109HZ）第12页，本讲稿共73页 2 2量程广量程广 所测电量的大小往往相差很大，因而仪器必须具有宽广的量程。第13页，本讲稿共73页3 3测量准确度高测量准确度高 电子仪器的测量准确度可达到较高的水平。由于在电子仪器中采用性能越来越高的微处理器、DSP（数字信号处理）芯片，对测量结果进行各种数据处理，使测量误差减小，测量精确度进一步得到提高。人造卫星的控制和遥测系统，如果测量不准确，使最后一级火箭的速度产生千分之二的相对误差，卫星就会偏离预定轨道100公里。射程8千公里的洲际导弹，若航向有0。003度误差，将偏离目标5-8公里。第14页
5、，本讲稿共73页 4 4测量速度快测量速度快 由于电子测量是采用电子技术来实现的，因而测量速度快，这对某些要求快速测量和实时测控的系统来说是很重要的。防空导弹飞行时间通常在1分左右，地面制导系统每秒要测量几百个角坐标数据，几千个距离坐标数据。第15页，本讲稿共73页5 5易于实现测量过程自动化及遥控测量易于实现测量过程自动化及遥控测量 由于现代仪器都带有标准程控接口，在各仪器之间、仪器与计算机之间能方便地用标准总线连接起来组成自动测试系统，在计算机的控制下，自动执行测量、数据处理及记录等操作，省却了烦琐的人工操作。第16页，本讲稿共73页6 6易于实现仪器小型化易于实现仪器小型化 随着微电子器
6、件集成度的不断提高，可编程器件及ASIC电路的采用，电子仪器正向 着小型化发展。特别是随着模块式仪器系统的采用，把多个仪器模块连同计算机装入一个机葙内组成自动测试系统，使之更为紧凑。这对某些场合，如军事、航空等领域的使用是有重要意义的。第17页，本讲稿共73页1991年1月21日10点爱国者拦截飞毛腿利雅得利雅得第18页，本讲稿共73页1991年1月21日10点，一枚飞毛腿B式地-地战术弹道导弹从伊拉克中部地区发射升空，很快就穿过大气层，进入攻击沙特阿拉伯首都利雅得的飞行弹道。16秒钟以后，一颗300多公里高空的美国DSP导弹预警卫星紧急报警，带有红外扫描器的红外望远镜开始跟踪“飞毛腿”导弹的
7、喷焰，同时用高分辨率可见光电视摄像机进行跟踪拍摄，并实时将导弹的飞行轨迹和飞行速度、方向、弹道倾角及位置等数据向地面站传送。第19页，本讲稿共73页设在澳大利亚的美国空间指挥基地和设在本土的美国航空航天司令部同时接收到导弹预警卫星发送的飞毛腿导弹弹道参数，经地面站计算之后，迅速将飞毛腿导弹的飞行弹道和弹着点发往沙特的爱国者导弹发射阵地。阵地指挥控制中心立即命令多功能相控阵雷达开机，搜索、捕获、跟踪、识别来袭导弹，结果，在100多公里处发现目标。第20页，本讲稿共73页根据相控阵雷达所测得的数据，经与卫星提供的数据进行相关比较和精确计算后，将拦截“飞毛腿”的最佳飞行弹道预置给计算机并生成操纵程序
8、，输入“爱国者”导弹的制导系统（此时，飞毛腿导弹无法感知已被美军跟踪，也无法改变自己的弹道，只能按既定轨迹飞行）。第21页，本讲稿共73页指挥中心送出发射指令，“爱国者”导弹以38倾角升空。同时，地面相控阵雷达继续追踪飞行中的“爱国者“和“飞毛腿”，并根据实飞状况适时发出指令，修正飞行轨迹。当”爱国者”进入末段飞行时，其弹上半主动“自动寻的头”开始工作，并实时将它所捕捉到的“飞毛腿”弹道参数反馈给地面指控中心。指控中心根据接收到的相对角偏差数据，经精确计算后，将修正指令反馈给“爱国者”。“爱国者”按照精确计算的拦截弹道接近“飞毛腿”，当“飞毛腿”闯入“爱国者”20米杀伤半径之内时，弹上的无线电
9、近炸引信即引爆破片杀伤式战斗部，击中目标。上述过程1分钟。这一天，伊拉克发射了10枚飞毛腿，有9枚遭拦截，成功率达90。第22页，本讲稿共73页1 1、直接测量法、直接测量法 直接得到被测量值的测量方法。四、测量方法四、测量方法第23页，本讲稿共73页 2 2、比较测量法、比较测量法（1）零值法：利用电桥测电阻，检流计P读数为零时可由公式求得，仪表误差不影响测量结果准确度；（2）微差法：通过测量已知量与被测量的差值，求得被测量;（用电位差计测电池电动势）（3）替代法：被测量和已知量先后按入同一测量装量，两次测量中测量装量的状态不变，被测量与已知量相等。第24页，本讲稿共73页 3 3、间接测量
10、法、间接测量法通过对与被测量有函数关系的其他量进行测量才能得到被测量值的测量方法。如测量电阻两端的电压和流过电阻的电流，再有欧姆定律算出电阻值。间接测量法的误差较大。第25页，本讲稿共73页1.2 1.2 电子测量误差及其消除方法电子测量误差及其消除方法一、测量误差分类一、测量误差分类1 1、系统误差、系统误差在规定的测量条件下对某一物理量进行重复测量，若误差值保持恒定或按某种确切的规律变化，这种误差为系统误差。第26页，本讲稿共73页（1）基本误差基本误差：在规定条件下（温度，湿度，放置，外磁场等）由于仪表本身结构不完善而产生的固有误差。（摩擦，刻度不准，轴承间隙）（2）附加误差附加误差，指
11、偏离规定的使用条件而形成的误差。系统误差的产生原因：第27页，本讲稿共73页2、随机误差（偶然误差）在规定条件下，对某一物理量进行重复测量，误差值发生不规则的变化。第28页，本讲稿共73页由粗心疏忽而造成的测量误差。3、粗大误差第29页，本讲稿共73页二、电子测量误差的表示方法二、电子测量误差的表示方法：1 1、绝对误差、绝对误差绝对误差是测量值Y与被测量的真值A0之间的差即：Y=Y-AoAo无法得到，常用较高级仪表的指示值A代Ao第30页，本讲稿共73页例：普通电流表测一电流为0.78mA，精密检 流计测得值为0.76mA 绝对误差Y=Y-A =0.78-0.76=0.02mA Y=Y-A实
12、际应用公式为：测量值实际值（高级仪表指示值）第31页，本讲稿共73页2 2、相对误差、相对误差绝对误差与测量真值之比为相对误差。r=Y/Ao100%由于实际值与真值相差不大，故常用实际值A代A。r=Y/A100%例题1.1；1.2第32页，本讲稿共73页（1 1）零示法）零示法 零示法是在测量中，把待测量与已知标准量相 比较，当二者的效应互相抵消时，零示器示值 为零，此时已知标准量的数值就是被测量的数值。三、测量误差的消除方法三、测量误差的消除方法1 1、系统误差的消除方法、系统误差的消除方法xSP图1-8第33页，本讲稿共73页零示法原理，如图1-8，图中x为被测量，s为同类可调节已知标准量
13、，P为零示器。零示器的种类有检流计、电流表、电压表、示波器、调谐指示器、耳机等，只要零示器的灵敏度足够高，测量的准确度基本上等于标准量的准确度，而与零示器的准确度无关，从而可消除由于零示器不准带来的系统误差。第34页，本讲稿共73页PR1R2RsEsUsUx+-+-ID 图1-9 电位差计是采用零示法的典型例子，图1-9是电位差计的原理图。其中Es，为标准电压源，Rs为标准电阻，Ux为待测电压，P为零示器，一般用检流计。第35页，本讲稿共73页PR1R2RsEsUsUx+-+-ID 调Rs使ID0，则被测电压UxUs，即第36页，本讲稿共73页由上式可以看出，被测量Ux的数值仅与标准电压源Es
14、及标准电阻R2、Rl有关，只要标准量的准确度很高，被测量的测量准确度也就很高。零示法广泛用于阻抗测量(各类电桥)、电压测量(电位差计及数字电压表)、频率测量(拍频法、差频法)及其他参数的测量中。第37页，本讲稿共73页 替代法又称置换法。它是在测量条件不变的情况下，用一标准已知量去替代待测量，通过调整标准量而使仪器的示值不变，于是标准量的值即等于被测量值。由于替代前后整个测量系统及仪器示值均未改变，因此测量中的恒定系差对测量结果不产生影响，测量准确度主要取决于标准已知量的准确度及指示器灵敏度。（2 2）替代法）替代法第38页，本讲稿共73页ER1R2R3RxRs 图1-10 替代法测量电阻P
15、P第39页，本讲稿共73页图1-10是替代法在精密电阻电桥中的应用实例。首先接入未知电阻Rx，调节电桥使之平衡，此时有:由于R1、R2、R3都有误差，若利用它们的标称值来计算Rx，则Rx也带有误差，即:第40页，本讲稿共73页进一步计算，得到:比较得到:为了消除上述误差，现用可变标准电阻Rs代替Rx，并在保持 R1、R2、R3 不变的情形下通过调节Rs，使电桥重新平衡，因而得到:第41页，本讲稿共73页 可见：测量误差Rx，仅决定于标准电阻的误差Rs，而与R1、R2、R3 的误差无关。第42页，本讲稿共73页(3)(3)补偿法补偿法 补偿法相当于部分替代法或不完全替代法。下面以补偿法测电容为例
16、说明这种测量方法。图1-11为测量原理图，其中u为高频信号源，L为电感，C0为分布电容，Cx为待测电容。首先调节电容Cs使电路谐振，此时标准电容为Cs1 1,接入Cx重调标准电容Cs再使电路谐振，此时标准电容为Cs2 2。第43页，本讲稿共73页图1-11 补偿法测电容第44页，本讲稿共73页由图(1-11)，容易得到不接入Cx时:接入Cx后有:比较两式得到:可见，被测电容Cx仅与标准电容有关，而与测量准确度无关。第45页，本讲稿共73页（4）对照法对照法又叫交换法。适于在对称的测量装置中用来检查其对称性是否良好，或从两次测量结果的处理中，消弱或消除系统误差。（5）微差法微差法又叫虚零法或差值
17、比较法，实质上是一种不彻底的零示法。（6）交叉读数法交叉读数法是上述对照法的一种特殊形式。第46页，本讲稿共73页2 2、随机误差的消除方法、随机误差的消除方法：（1）随机误差的特点：*绝对值有界*绝对值小的误差出现机会多与绝对值大的误差。*正负误差分布对称。（2）随机误差较小（与系统误差比）通常不考虑，精密测量时系统误差已解决才予以考虑。第47页，本讲稿共73页（3）算术平均值原理 对同一个量值作一系列等精度独立测量，其测量列中的全部测量值的算术平均值是最可靠的测量结果，称为算术平均值原理。设被测量的真值为,其等精度测量值为x1,x2,xn，则其算术平均值为：进行多次测量求均值可消除测量系统
18、可能出现的随机误进行多次测量求均值可消除测量系统可能出现的随机误差。差。可以证明，测量平均值的方差比总体方差小n倍，即：第48页，本讲稿共73页测量平均值的标准差比总体测量值的标准差小倍。方差的估计值 标准差估计值（实验标准差）第49页，本讲稿共73页3 3、粗大误差的剔除方法、粗大误差的剔除方法去除剩余误差大于3倍均方根误差的测量值。第50页，本讲稿共73页1.3 1.3 电工仪表的分类电工仪表的分类一、指示仪表一、指示仪表被测电磁量 角位移电流、电压、功率1、按准确度等级分类 0.10.20.51.01.52.55.0七个等级。第51页，本讲稿共73页3、按外壳防护性能分类（七种）普通、防
19、尘、防水等4、按仪表防外界磁场，电场性能分类 四个等级5、按读数装置的结构方式 指针式、光指示式、振簧式、数字转盘式（数字式）2、按使用环境条件分类：A；A1；B；B1；C A B C 温 度 0-+40 -20+50 -40+60相对湿度 85%以下 85%以下 95%以下 第52页，本讲稿共73页6、按用途分：安装式、可携式7、按作用原理分：磁电式；电磁式；电动式；感应式；静电式。二、数字仪表采用数字技术，由微处理器控制，自动选择量程，自动存储结果，自动数据处理补偿三、比较仪表直流电桥，交流电桥第53页，本讲稿共73页1.4 1.4 电子测量仪器分类电子测量仪器分类1 1、测量电信号的仪器
20、、测量电信号的仪器(1)时域测试仪器 观察和测试信号的时基波形（示波器）；测量电信号的频率、周期、相位及时间间隔（通用计数器、频率计等）；测量失真度及调制度等。第54页，本讲稿共73页(2)频域测试仪器该类仪器用于测量信号的频谱、功率谱、相位噪声功率谱等，典型仪器有频谱分析仪、信号分析仪等。第55页，本讲稿共73页2 2、测量电子元器件及电路网络参数的仪器、测量电子元器件及电路网络参数的仪器这类仪器包括：（）测量电阻、电容、电感、阻抗、导纳及Q值等电子元件参数的仪器。（）测量半导体分立器件、模拟集成电路及数字集成电路等电子器件特性的仪器。第56页，本讲稿共73页 3 3、数据域测试仪器、数据域
21、测试仪器 这些仪器所测试的是各种数据，主要是二进制数据流。它们所关心的是信号在特定时刻的状态“”和“”，这些特定时刻包括时钟、读写、输入输出、选通及芯片选择等信号的有效沿。因此，用数据域测试仪器测试数字系统的数据时，除了输入被测数据流外，还应输入选通信号，以正确选通输入数据流。数据域测试的另一个特点是输入通道数多，例如，当测试微型计算机的地址或数据总线时可多达32或64路。该类仪器还有丰富的显示、触发及跟踪等功能。第57页，本讲稿共73页1有效数字1.5 1.5 有效数字处理规则由于含有误差，所以测量数据及由测量数据计算出来的算术平均值等都是近似值。通常就从误差的观点来定义近似值的有效数字。若
22、末位数字是个位，则包含的绝对误差值不大于0.5，若末位是十位，则包含的绝对误差值不大于5，对于其绝对误差不大于末位数字一半的数，从它左边第一个不为零的数字起，到右面最后一个数字(包括零)止，都叫做有效数字。第58页，本讲稿共73页例如：3.1416 五位有效数字，极限(绝对)误差 0000053.142 四位有效数字，极限误差0.00058700 四位有效数字，极限误差0.587102 二位有效数字，极限误差0.51020.087 二位有效数字，极限误差0.00050.807 三位有效数字，极限误差0.0005 第59页，本讲稿共73页对测量结果中的多余有效数字，应按下面的舍入规则进行：以保留
23、数字的末位为单位，它后面的数字若大于0.5个单位，末位进l；小于0.5个单位，末位不变；恰为0.5个单位，则末位为奇数时加1，末位为偶数时不变，即使末位凑成偶数。简单概括为“小于小于5 5舍，大于舍，大于5 5入，等于入，等于5 5时采取偶数时采取偶数法则法则”。2.多余数字的舍入规则第60页，本讲稿共73页例1 将下列数字保留到小数点后一位：l234，l236，l235，l245。解：1234 l23 (45，进一)l235 l24 (3是奇数，5入1)1245 124 (4是偶数，5舍)例2 用一台0.5级电压表100V量程档测量电压，电压表指示值为85.35V，试确定有效位数。解：该表在
24、100V档最大绝对误差第61页，本讲稿共73页故：电压值为85V第62页，本讲稿共73页精度：实测结果与真值接近的程度。准确度系统误差大小程度 精密度随机误差大小程度 精确度系统与随机误差综合结果 随机误差很小，一般工程测量常予忽略，只考虑系统误差（准确度）。1.6 1.6 工程上最大误差的估计工程上最大误差的估计*一、直接测量方式的最大误差一、直接测量方式的最大误差第63页，本讲稿共73页若最大引用误差为rm，准确度等级为K，则有：直测时可能出现的最大绝对误差和最大相对误差：可见：可能出现的相对误差与准确度等级K，仪表上限Am和实测值Ax有关。第64页，本讲稿共73页Y=X1+X2+X3；X
25、1、X2、X3 为三个中间量YY的绝对误差X1、X2、X3为X1、X2、X3的绝对误差。则有：二、间接测量方式的最大误差1、被测量y为n个量之和当各个量的相对误差为同一符号时为最大相对误差。第65页，本讲稿共73页例：测一支路为15A r1=2%二支路为25A r2=3%求总电流最大相对误差。X1=15；X2=25=15/402%+25/403%=2.63%第66页，本讲稿共73页2、被测量y为n个之差设Y为X1和X2之差 Y=X1-X2 可见：最大相对误差既与中间量产生的相对误差有关，又与两个量差值有关（r1r2）差值越小，误差越大。此法尽量少用。3、被测量y为n个量之积或商第67页，本讲稿
26、共73页例：求通过测量振荡回路电感L和电容C，间接计算所形成的最大相对误差。已知测L的相对误差为1%，测C的相对误差为0.5%第68页，本讲稿共73页1智能仪器有哪些特点？（）（使用计算机技术、微处理器、测试自动化、用软件代替硬件、自诊断）2有几种测量方式：（）（直接测量、间接测量、组合测量）有几种测量方法：直读法 （具体仪表组成）比较法（零值法、较差法、替代法）3电工仪表准确度等级是如何划分的？（）（按仪表的引用误差分为0.1,0.25.0七个等级）4、系统误差：（定义、原因）（）5、随机误差：（定义、原因）（）6、过失误差：（定义、原因）（）第第1 1章章 习题习题第69页，本讲稿共73页
27、7、测量误差有几种表示方法？（）绝对误差：X=AX-A0真值 =AX-A（高级仪表指示值）相对误差：（A-高级仪表指示值）或=(示值相对误差)满度相对误差：8、系统误差的消除方法有几种？（）（1）零示法 可消除由指零仪不准带来的误差（2）替代法（3）补偿法（4）对照法（交换法）第70页，本讲稿共73页9、若测量110V电压，要求测量结果相对误差不超过1.0%，问选用量程250V的电压表至少几级？解：根据题意：解出：可选0.2级电压表第71页，本讲稿共73页10、某电阻支路的电流为1A，电阻两端电压为50V,用间接测量法测量电阻消耗的功率，要求测量结果的绝对误差不超过0.8W，已知电压表为0.5级，量程100V,若选用量程为2A的电流表至少几级？解：根据题意：电流表至少为0.2级第72页，本讲稿共73页11、量程10V的电压表原来的准确度等级为0.5级，检定时得到的数据如下表，试判断现在的准确度等级。被检表读数：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10标准表读数：0 0.93 1.97 2.95 3.94 4.99 6.02 7.03 8.04 9.02 10解：根据检定结果，最大绝对误差为：0.07V，而K%10V(量程）=max，K%=0.7%目前，该电压表为1级。第73页，本讲稿共73页