電子測量與計(jì)量的基本概念1.1測量與電子測量1.2電子測量的內(nèi)容和特點(diǎn)1.3電子測量方法的分類1.4電子測量儀器的功能、分類和主要性能指標(biāo)1.5計(jì)量的基本概念小結(jié)1.1測量與電子測量

1.1.1測量

測量是通過實(shí)驗(yàn)方法對客觀事物取得數(shù)量信息的過程。人們通過對客觀事物的大量觀察和測量形成定性和定量的認(rèn)識，歸納總結(jié)，建立起各種定理和定律，而后又通過測量來驗(yàn)證這些認(rèn)識、定理和定律是否符合實(shí)際情況，經(jīng)過如此反復(fù)實(shí)踐，逐步認(rèn)識事物的客觀規(guī)律，并用以解釋和改造世界。因此可以說，測量是人類認(rèn)識和改造世界的一種不可或缺的手段。1.1.2電子測量

電子測量是以電子技術(shù)理論為依據(jù)、以電子測量儀器為手段，對電量和非電量進(jìn)行測量的一種測量技術(shù)。在對非電量進(jìn)行測量時(shí)，先通過各種傳感器將非電量轉(zhuǎn)換為電量，然后再實(shí)現(xiàn)對非電量的測量。1.2電子測量的內(nèi)容和特點(diǎn)

1.2.1電子測量的內(nèi)容

1.電能量測量

電能量測量包括對各種頻率、波形下的電壓、電流、功率等的測量。

2.電信號特性測量

電信號特性測量可分為時(shí)域、頻域和數(shù)據(jù)域特性測量，具體包括對波形、頻率、周期、相位、失真度、調(diào)幅度、調(diào)頻指數(shù)、群遲延、信號帶寬以及數(shù)字信號的邏輯狀態(tài)等的測量。

3.電路元件參數(shù)測量

電路元件參數(shù)測量包括對電阻、電感、電容、阻抗、品質(zhì)因數(shù)及電子器件參數(shù)等的測量。

4.電子設(shè)備的性能測量

電子設(shè)備的性能測量包括對增益、衰減、靈敏度、頻率特性、噪聲指數(shù)等的測量。圖1.1-1自動(dòng)過程控制系統(tǒng)中非電量的測量1.2.2電子測量的特點(diǎn)

(1)測量頻率范圍寬。

(2)測量量程寬。

(3)測量準(zhǔn)確度高低相差懸殊。

(4)測量速度快。

(5)可以進(jìn)行遙測。

(6)易于實(shí)現(xiàn)測試智能化和測試自動(dòng)化。

(7)影響因素眾多，誤差處理復(fù)雜。1.3電子測量方法的分類

1.測量方法的分類

測量方法的分類形式有多種，下面介紹幾種常見的分類方法。

1)按測量過程分類

(1)直接測量。

直接測量是指直接從測量儀表的讀數(shù)獲取被測量量值的方法，比如用電壓表測量晶體管的工作電壓，用歐姆表測量電阻阻值，用計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測量頻率等。(2)間接測量。

間接測量是利用直接測量的量與被測量之間的函數(shù)關(guān)

系(可以是公式、曲線或表格等)間接得到被測量量值的測量方法。(3)組合測量。當(dāng)某項(xiàng)測量結(jié)果需用多個(gè)未知參數(shù)表達(dá)時(shí)，可通過改變測量條件進(jìn)行多次測量，根據(jù)測量量與未知參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系列出方程組并求解，進(jìn)而得到未知量，這種測量方法稱為組合測量。一個(gè)典型的例子是電阻器的溫度系數(shù)的測量。已知電阻器阻值Rt與溫度t間滿足關(guān)系：

Rt=R20+α(t－20)+β(t－20)2(1.3-1)式中，R20為t=20℃時(shí)的電阻值，一般為已知量；α、β為電阻的溫度系數(shù)；t為環(huán)境溫度。為了獲得α、β值，可以在兩個(gè)不同的溫度t1、t2(t1、t2可由溫度計(jì)直接測得)下測得相應(yīng)的兩個(gè)電阻值Rt1、Rt2，代入式(1.3-1)得到聯(lián)立方程：

(1.3-2)2)按測量方式分類

(1)偏差式測量法。在測量過程中，用儀器儀表指針的位移(偏差)表示被測量大小的測量方法稱為偏差式測量法，例如使用萬用表測量電壓、電流等。(2)零位式測量法。零位式測量法又稱作零示法或平衡式測量法。測量時(shí)將被測量與標(biāo)準(zhǔn)量相比較(因此也把這

種方法稱作比較測量法)，用指零儀表(零示器)指示被測量與標(biāo)準(zhǔn)量相等(平衡)，從而獲得被測量。利用惠斯登電橋測量電阻(或電容、電感)是這種方法的一個(gè)典型例子，如圖1.3-1所示。圖1.3-1利用惠斯登電橋測量電阻示意圖當(dāng)電橋平衡時(shí)，可以得到：

(1.3-3)

通常是先大致調(diào)整比率R1/R2，再調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)電阻R4，直至電橋平衡，充當(dāng)零示器的檢流計(jì)PA指示為零，此時(shí)即可根據(jù)式(1.3-3)由比率和R4值得到被測電阻Rx值。(3)微差式測量法。偏差式測量法和零位式測量法相結(jié)合，構(gòu)成微差式測量法。該法通過測量待測量與標(biāo)準(zhǔn)量

之差(通常該差值很小)來得到待測量的值，如圖1.3-2所示。圖1.3-2微差式測量法示意圖圖1.3-3用微差式測量法測量直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度3)按被測量的性質(zhì)分類

如果按被測量的性質(zhì)，測量還可以作如下分類。

(1)時(shí)域測量。

(2)頻域測量。

(3)數(shù)據(jù)域測量。

(4)隨機(jī)測量。

2.測量方法的選擇原則

在選擇測量方法時(shí)，要綜合考慮下列主要因素：

①被測量本身的特性；

②所要求的測量準(zhǔn)確度；

③測量環(huán)境；

④現(xiàn)有測量設(shè)備等。

在此基礎(chǔ)上，選擇合適的測量儀器和正確的測量方法?！纠?.3-1】若直接用萬用表R×1電阻擋測量晶體管發(fā)射結(jié)結(jié)電阻，則由于限流電阻過小而使基極注入電流很大，很容易將晶體管損壞。所以，不能用此方法測量晶體管發(fā)

射結(jié)結(jié)電阻或二極管正向電阻?！纠?.3-2】圖1.3-4表示的是用電壓表測量高內(nèi)阻電路端電壓的例子。不難看到，電壓表內(nèi)阻的大小將直接影響到測量結(jié)果，這種影響通常稱作電壓表的負(fù)載效應(yīng)。圖中虛

線框內(nèi)表示放大器輸出端等效電路，RV表示測量用實(shí)際電壓表內(nèi)阻。忽略其他因素，不難算出：當(dāng)用內(nèi)阻RV=10MΩ的數(shù)字電壓表測量時(shí)，電壓為圖1.3-4實(shí)際電壓表內(nèi)阻的影響相對誤差為

當(dāng)改用內(nèi)阻RV=120kΩ的萬用表電壓擋測量時(shí)，電壓為相對誤差為

可見，這種情況下應(yīng)選用內(nèi)阻盡可能大的電壓表，否則造成的儀器誤差是很大的。有時(shí)測量儀表負(fù)載效應(yīng)的存在會過大地改變被測電路的工作狀態(tài)，此時(shí)的測量結(jié)果將失去實(shí)際意義。1.4電子測量儀器的功能、分類和

主要性能指標(biāo)

1.4.1測量儀器的功能

1.變換功能

2.傳輸功能

3.顯示功能1.4.2測量儀器的分類

1.電平測量儀器

2.電路參數(shù)測量儀器

3.頻率、時(shí)間、相位測量儀器

4.波形測量儀器

5.信號分析儀器

6.模擬電路特性測試儀器

7.數(shù)字電路特性測試儀器

8.測試用信號源1.4.3測量儀器的主要性能指標(biāo)

1.精度

1)精密度(δ)

精密度表明儀表指示值的分散性，表示在同一測量條件下對同一被測量進(jìn)行多次測量時(shí)，得到的測量結(jié)果的分散程度。

2)正確度(ε)

正確度表明儀表指示值與真值的接近程度。3)準(zhǔn)確度(τ)

準(zhǔn)確度是精密度和正確度的綜合反映。準(zhǔn)確度高，說明精密度和正確度都高，也就意味著系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差都小，致使最終測量結(jié)果的可信度也高。圖1.4-1用射擊打靶說明測量

2.穩(wěn)定性

穩(wěn)定性通常用穩(wěn)定度和影響量兩個(gè)參數(shù)來表征。

穩(wěn)定度也稱穩(wěn)定誤差，是指在規(guī)定的時(shí)間區(qū)間，其他外界條件恒定不變的情況下，儀器示值變化的大小。

3.輸入阻抗

前面(例1.3-2)曾提到測量儀表的輸入阻抗對測量結(jié)果的影響。電壓表、示波器等儀表在測量時(shí)并接于待測電路兩端，如圖1.4-2所示。圖1.4-2測量儀表的負(fù)載效應(yīng)

4.靈敏度

靈敏度表示測量儀表對被測量變化的敏感程度，一般定義為測量儀表指示值(指針的偏轉(zhuǎn)角度、數(shù)碼的變化、位移的大小等)增量Δy與被測量增量Δx之比。

5.線性度

線性度是測量儀表的輸入、輸出特性之一，表示儀表的輸出量(示值)隨輸入量(被測量)變化的規(guī)律。若儀表的輸出為y，輸入為x，則兩者關(guān)系用函數(shù)y=f(x)表示。如果y=f(x)為

y－x平面上過原點(diǎn)的直線，則稱之為線性刻度特性，否則稱為非線性刻度特性。由于各類測量儀器的原理各異，因此不同的測量儀器可能呈現(xiàn)不同的刻度特性。例如，常用萬用表的電阻擋具有上凸的非線性刻度特性，而數(shù)字電壓表具有線性刻度特性，分別如圖1.4-3(a)、(b)所示。圖1.4-3常用萬用表的電阻擋和數(shù)字電壓表的刻度特性曲線

6.動(dòng)態(tài)特性

測量儀表的動(dòng)態(tài)特性表示儀表的輸出響應(yīng)隨輸入變化的能力。例如示波器的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，由于輸入電容等因素的影響造成了輸出波形對輸入信號的滯后與畸變，示波器的瞬態(tài)響應(yīng)就表示了這種儀器的動(dòng)態(tài)特性。1.5計(jì)量的基本概念

1.5.1計(jì)量

計(jì)量和測量是互有聯(lián)系又有區(qū)別的兩個(gè)概念。測量是通過實(shí)驗(yàn)手段對客觀事物取得定量信息的過程，也就是利用實(shí)驗(yàn)手段把待測量直接或間接地與另一個(gè)同類已知量進(jìn)行比較，從而得到待測量值的過程。1.5.2單位制

任何測量都要有一個(gè)統(tǒng)一的體現(xiàn)計(jì)量單位的量作為標(biāo)準(zhǔn)，這樣的量稱作計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)量單位是有明確定義和名稱并令其數(shù)值為1的固定的量，例如長度單位1米(m)，時(shí)間單位1秒(s)等。計(jì)量單位必須以嚴(yán)格的科學(xué)理論為依據(jù)進(jìn)行定義。1.5.3計(jì)量基準(zhǔn)

1.主基準(zhǔn)

主基準(zhǔn)是用來復(fù)現(xiàn)和保存計(jì)量單位、具有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所能達(dá)到的最高準(zhǔn)確度的計(jì)量器具，也稱作原始基準(zhǔn)。經(jīng)國家鑒定批準(zhǔn)，將其作為統(tǒng)一全國計(jì)量單位量值的最高依據(jù)。因此主基準(zhǔn)又稱國家基準(zhǔn)。

2.副基準(zhǔn)

副基準(zhǔn)是通過直接或間接與國家基準(zhǔn)比對，確定其量值并經(jīng)國家鑒定批準(zhǔn)的計(jì)量器具。它在全國作為復(fù)現(xiàn)計(jì)量單位的地位僅次于國家基準(zhǔn)，平時(shí)用來代替國家基準(zhǔn)使用。

3.工作基準(zhǔn)

工作基準(zhǔn)是經(jīng)與主基準(zhǔn)或副基準(zhǔn)校準(zhǔn)或比對，并經(jīng)國家鑒定批準(zhǔn)，實(shí)際用以檢定下屬計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量器具。它在全國作為復(fù)現(xiàn)計(jì)量單位的地位僅在主基準(zhǔn)和副基準(zhǔn)之下。設(shè)置工作基準(zhǔn)的目的是不使主基準(zhǔn)和副基準(zhǔn)因頻繁使用而喪失原有的準(zhǔn)確度。1.5.4量值的傳遞與跟蹤，檢定與比對

計(jì)量器具：復(fù)現(xiàn)量值或?qū)⒈粶y量轉(zhuǎn)換成可直接觀測的指示值或等效信息的量具、儀器、裝置。

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具：準(zhǔn)確度低于計(jì)量基準(zhǔn)，用于檢定計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或工作計(jì)量器具的計(jì)量器具。它可按其準(zhǔn)確度等級分類，如標(biāo)準(zhǔn)砝碼有一級、二級、三級、四級、五級之分。

工作計(jì)量器具：工作崗位上使用，不用于進(jìn)行量值傳遞而直接用來測量被測對象量值的計(jì)量器具。

比對：在規(guī)定條件下，對相同準(zhǔn)確度等級的同類基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)或工作計(jì)量器具之間的量值進(jìn)行比較，其目的是考核量值的一致性。

檢定：用高一等級準(zhǔn)確度的計(jì)量器具對低一等級的計(jì)量器具進(jìn)行比較，以達(dá)到全面評定被檢計(jì)量器具的計(jì)量性能是否合格的目的。一般要求計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度為被檢者的1/3~1/10。準(zhǔn)確度數(shù)值越小，準(zhǔn)確度越高，性能越好。

校準(zhǔn)：指被校的計(jì)量器具與高一等級的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)相比較，以確定被校計(jì)量器具的示值誤差(有時(shí)也包括確定被校器具的其他計(jì)量性能)的全部工作。一般而言，檢定要比校準(zhǔn)包括更廣泛的內(nèi)容。

量值的傳遞與跟蹤：指的是把一個(gè)物理量單位通過各級基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的輔助手段準(zhǔn)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(tǒng)一的全過程。小結(jié)

(1)電子測量的內(nèi)容：電能量測量、電信號特性測量、電路元器件參數(shù)測量、電子設(shè)備性能測量和非電量測量。

(2)電子測量的特點(diǎn)：測量頻率范圍寬；測量量程廣；測量準(zhǔn)確度高低相差懸殊；測量速度快；可實(shí)現(xiàn)遙測；易于實(shí)現(xiàn)測量智能化和自動(dòng)化；測量結(jié)果影響因素眾多，誤差分析困難。(3)