电子测量技术基础知识.docx
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电子测量技术基础知识
课题：
第1章电子测量与仪器的基础知识
课时分配：
四课时
教学目的要求：
1.明确电子测量的意义、内容、特点和分类。
2.了解电子测量仪器的分类和技术指标。
3.掌握测量误差的表示方法有:
绝对误差、相对误差和容许误差。
4.明确测量误差按照性质分为系统误差、随机误差和粗大误差。
5.明确测量误差的来源是多方面的。
6.明确测量结果常用有效数字来表示，应根据实际情况，遵循有效数字位数取舍和有效数字舍入规则进行。
7.了解为了测得准确的结果，一般要进行多次测量，多次测量的算术平均值即测量值。
数据处理过程中得到的不确定度具有测量误差的含义，是测量误差的极限值。
不确定度越大，置信度越高，丢失真实数据的可能性越小。
教学重点：
1.电子测量的意义、内容、特点和分类。
2.电子测量仪器的分类和技术指标。
3.测量误差的表示方法
4.测量误差的来源分析
5.有效数字及有效数字位数取舍和有效数字舍入规则。
6.测量数据的处理
教学难点：
1.测量误差的表示方法与分类
2.测量误差的来源分析
3.有效数字的处理
教学方法：
演讲法、问题教学法、设计教学法、小组研讨法、辩论法、座谈研讨等
教学过程
导入新课：
测量是应用电子技术常常遇到的问题，本课程以生产实践中普遍使用的通用仪器为典型仪器，介绍测量方法和技术。
新课内容：
1.1电子测量概述
1.1.1电子测量的意义及内容
1.电子测量的意义
测量的目的就是取得用数值和单位共同表示的被测量的结果，是人们借助于专门的设备，依据一定的理论，通过实验的方法将被测量与已知同类标准量进行比较而取得测量结果。
被测量的结果必须是带有单位的有理数，例如，某测量结果为9.3V是正确的，而测得的结果为9.3或
是错误的。
广义的电子测量是指利用电子技术进行的测量。
狭义的电子测量是指对电子技术中各种电参量所进行的测量。
2.电子测量的内容
狭义电子测量的内容主要包括：
（1）能量的测量
能量的测量指的是对电流、电压、功率、电场强度等参量的测量。
（2）电路参数的测量
电路参数的测量指的是对电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、损耗率等参量的测量。
（3）信号特性的测量
信号特性的测量指的是对频率、周期、时间、相位、调制系数、失真度等参量的测量。
（4）电子设备性能的测量
电子设备性能的测量指的是对通频带、选择性、放大倍数、衰减量、灵敏度、信噪比等参量的测量。
（5）特性曲线的测量
特性曲线的测量指的是对幅频特性、相频特性、器件特性等特性曲线的测量。
上述各种参量中，频率、时间、电压、相位、阻抗等是基本参量，其他的为派生参量，基本参量的测量是派生参量测量的基础。
电压测量是最基本、最重要的测量内容。
非电量的测量属于广义电子测量的内容，可以通过传感器将非电量变换为电量后进行测量。
本书主要讨论狭义电子测量内容。
1.1.2电子测量的特点
电子测量技术及电子测量仪器的应用十分广泛、发展十分迅速，对科学技术的发展起着巨大的推动作用，从某个意义来说，电子测量水平代表着一个国家的科技水平的高低。
这是因为电子测量有着其他测量无法相比的众多优点。
其特点如下：
（1）频率范围宽
电子测量的频率范围几乎可以覆盖整个电磁频谱。
从直流一直可达100GHz以上。
随着电子技术的发展，目前还在向着更宽频段乃至全频段发展。
（2）量程广
量程是指测量范围的上限值和下限值之差。
电子测量仪器具有相当宽的量程。
如一台高灵敏度的数字电压表，可测出10nV至1kV以上的电压，量程达11个数量级；而数字式频率计的量程甚至可达17个数量级以上。
（3）精确度高
电子测量的精确度比其他测量方法要精确的多，特别是对频率和时间的测量，精确度可达到10-13～10-14量级，是目前物理量测量中最精确的测量方法。
（4）测量速度快
电子测量是通过电磁波的传播和电子的运动来进行工作的，因而可实现高速度测量。
（5）便于实现遥测遥控
电子测量可以通过有线或无线系统把测量仪器或仪器的传感器深入到人体不便于或无法进入的区域内进行遥测遥控，这是电子测量的一个突出优点。
（6）易于实现测量过程自动化
大规模集成电路和微型计算机的应用为电子测量技术与计算机技术的结合提供了有利条件，从而实现测量过程的自动化与智能化。
1.1.3电子测量方法
测量结果可以通过不同的测量方法来取得。
电子测量的方法有很多种，如直接测量、间接测量与组合测量等。
（1）直接测量
直接测量是指借助于测量仪器等设备可以直接获得测量结果的测量方法，例如用电压表测电压等。
（2）间接测量
间接测量是指对几个与被测量有确定函数关系的物理量进行直接测量，然后通过公式计算或查表等求出被测量的测量。
伏安法测量电阻R的方法即属于间接测量法，它是先测出流过电阻的电流I及电阻两端的电压V后，再利用公式来测量电阻值R。
（3）组合测量
组合测量是建立在直接测量和间接测量基础上的测量方法，无法通过直接测量或间接测量得出被测量的结果，需要改变测量条件进行多次测量，然后按被测量与有关未知量间的函数关系组成联立方程组，求解方程组得出有关未知量，最后将未知量代入函数式而得出测量结果。
例如测量在任意环境温度t°C时某电阻的阻值，已知任意温度下电阻阻值的计算式为：
Rt=R20+α（t-20）+β（t-20）2
式中，Rt、R20分别为环境温度为t°C、20°C时的电阻值；α、β为电阻温度系数，α、β与R20均为不受温度影响的未知量。
显然，可以利用直接测量或间接测量的方法测出某温度下电阻阻值，而以直接测量或间接测量法测出任意温度下电阻阻值是不现实的。
如果改变测试温度，分别测出三种不同测试温度下的电阻值，带入上述公式，求解由此得到的联立方程组得出未知量α、β、R20后，带入上式即可得出任意温度下电阻阻值。
电子测量的方法还有很多，如人工测量和自动测量；动态测量和静态测量；精密测量和工程测量；低频测量、高频测量和超高频测量；模拟测量（分为时域测量和频域测量）和数据域测量等等。
测量时应对被测量的物理特性、测量允许时间、测量精度要求以及经费情况等方面进行综合考虑，结合现有的仪器、设备条件，择优选取合适的测量方法。
1.2电子测量仪器的基本知识
1.2.1电子测量仪器的分类
测量中用到的各种电子仪表、电子仪器及辅助设备统称为电子测量仪器。
电子测量仪器种类繁多，主要包括通用仪器和专用仪器两大类。
专用仪器是为特定目的专门设计制作的，适于特定对象的测量。
通用仪器是指应用面广、灵活性好的测量仪器。
按照仪器功能，通用电子测量仪器分为以下几类：
（1）信号发生器（信号源）
信号发生器是在电子测量中提供符合一定技术要求的电信号产生仪器，如正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器、随机信号发生器等。
（2）电压测量仪器
电压测量仪器是用于测量信号电压的仪器，如低频毫伏表、高频毫伏表、数字电压表等。
（3）示波器
示波器是用于显示信号波形的仪器，如通用示波器、取样示波器、记忆存储示波器等。
（4）频率测量仪器
频率测量仪器是用于测量信号频率、周期等的仪器，如指针式、数字式频率计等。
（5）电路参数测量仪器
电路参数测量仪器是用于测量电阻、电感、晶体管放大倍数等电路参数的仪器，如电桥、Q表、晶体管特性图示仪等。
（6）信号分析仪器
信号分析仪器是用于测量信号非线性失真度、信号频谱特性等的仪器，如失真度测试仪、频谱仪等。
（7）模拟电路特性测试仪
模拟电路特性测试仪是用于分析模拟电路幅频特性、噪声特性等的仪器，如扫频仪、噪声系数测试仪等。
（8）数字电路特性测试仪
数字电路特性测试仪是用于分析数字电路逻辑特性等的仪器，如逻辑分析仪、特征分析仪等，是数据域测量不可缺少的仪器。
测量时应根据测量要求，参考被测量与测量仪器的有关指标，结合现有测量条件及经济状况，尽量选用功能相符、使用方便的仪器。
1.2.2电子测量仪器的主要技术指标
电子测量仪器的技术指标主要包括频率范围、准确度、量程与分辨力、稳定性和可靠性、环境条件、响应特性以及输入输出特性等。
（1）频率范围
频率范围是指能保证仪器其他指标正常工作的有效频率范围。
（2）准确度
测量准确度又称为测量精度，它描述的是由于测量结果在测量过程中受各种因素的影响而产生的与被测量真实值间的差异程度，即测量误差。
测量准确度通常以容许误差或不确定度的形式给出。
不确定度是指在对测量数据进行处理的过程中，为了避免丢失真实数据而人为扩大的测量误差，由于它在一定程度上能反映出测量数据的可信程度而得名，不确定度的数值越大，丢失真实数据的可能性越小，即可信度越高。
容许误差是为了描述测量仪器的测量准确度而规定的，利用仪器进行测量时，允许仪器产生的最大误差。
（3）量程与分辨力
量程是指测量仪器的测量范围。
分辨力是指通过仪器所能直接反映出的被测量变化的最小值，即指针式仪表刻度盘标尺上最小刻度代表的被测量大小或数字仪表最低位的“1”所表示的被测量大小。
同一仪器不同量程的分辨力不同，通常以仪器最小量程的分辨力（最高分辨力）作为仪器的分辨力。
（4）稳定性与可靠性
稳定性是指在一定的工作条件下，在规定时间内，仪器保持指示值或供给值不变的能力。
可靠性是指仪器在规定的条件下，完成规定功能的可能性，是反映仪器是否耐用的一种综合性和统计性质量指标。
（5）环境条件
环境条件即保证测量仪器正常工作的工作环境，例如基准工作条件，正常工作条件，额定工作条件等。
（6）响应特性
一般说来，仪器的响应特性是指输出的某个特征量与其输入的某个特征量之间的响应关系或驱动量与被驱动量之间的关系。
例如峰值检波器的响应特性为检波器输出的平均值
约等于交流输入信号的峰值
。
（7）输入特性与输出特性
输入特性主要包括测量仪器的输入阻抗、输入形式等。
输出特性主要包括测量结果的指示方式、输出电平、输出阻抗、输出形式等。
1.2.3电子测量仪器的误差
电子测量仪器的误差是指由于受测量仪器等因素的影响而产生的测量误差，是误差的主要来源，也是电子测量仪器的一项重要质量指标，主要包括以下几种：
（1）固有误差
固有误差是指在基准工作条件（见表1-1）下，由于仪器本身而产生的容许误差。
它大致反映了仪器的最高测量精度，通常用于仪器误差的检验和对比。
（2）基本误差
基本误差是指在正常工作条件（见表1-2）下由于仪器方面而产生的容许误差与基准工作条件相比，仪器在正常工作条件下的工作环境较差。
（3）工作误差
工作误差是指在仪器额定工作条件下，在任一点上求得的仪器某项特性的误差。
额定工作条件包括仪器本身的全部使用范围和全部外部工作条件，是仪器不利工作环境条件的组合，产生的误差最大，通常以极限形式给出。
工作误差包括仪器固有误差（或基本误差）及各种因素共同作用的总效应，在说明书中必须给出，固有误差则可视情况给出。
（4）影响误差
影响误差用于表明某一项影响量（即影响因素）对仪器测量误差的影响。
例如温度误差、频率误差等。
一般在某一影响量对测量影响比较大时才给出，它是一种误差的极限。
（5）稳定误差
稳定误差是仪器标称值在其他影响量和影响特性保持恒定的情况下，在规定时间内产生的误差极限。
习惯上以相对误差形式给出或者注明最长连续工作时间。
1.3测量误差的基本概念
测量的目的是得到被测量的真实结果，即真值，但由于人们对客观规律认识的局限性，不可能得到被测量的真值。
测量值与被测量真值之间的差异称为测量误差。
1.3.1测量误差的表示方法
测量误差的表示方法有三种：
绝对误差、相对误差和容许误差。
1.绝对误差
（1）定义测量所得的测量值x与真值
之差称为绝对误差，用Δx表示，
即
式中，x称为被测量的给出值、示值或测量值，习惯上统称为示值；A0称为被测量的真值。
注意示值和仪器的读数是有区别的，读数是从仪器刻度盘、显示器等读数装置上直接读到的数字，而示值则是由仪器刻度盘、显示器上的读数经换算而成的。
真值A0是一个理想的概念，实际上是不可能得到的，通常用高一级标准仪器或计量器具所测得的测量值A来代替，A称为被测量的实际值。
绝对误差的计算式为：
（1-1）
绝对误差的正负号表示测量值偏离实际值的方向，即偏大或偏小。
绝对误差的大小则反映出测量值偏离实际值的程度。
（2）修正值与绝对误差大小相等、符号相反的量值，称为修正值，用C表示，即
（1-2）
修正值通常是在用高一级标准仪器对测量仪器校准时给出的。
当得到测量值x后，要对测量值x进行修正得出被测量的实际值，即
A=C+Δx（1-3）
修正值有时给出的方式不一定是具体数值，也可能是一条曲线或一张表格，和绝对误差一样都有大小、符号及量纲。
2.相对误差
虽然绝对误差可以说明测量结果偏离实际值的情况，但不能确切反映测量结果偏离真实值的程度，为了克服绝对误差的这一不足，通常采用相对误差的形式来表示。
相对误差包括实际相对误差、示值相对误差和满度相对误差。
（1）实际相对误差绝对误差Δx与实际值A之比，称为实际相对误差，用表示：
（1-4）
（2）示值相对误差绝对误差Δx与测量值x之比，称为示值相对误差，用
示：
（1-5）
（3）满度相对误差绝对误差Δx与仪器满度值xm之比，称为满度相对误差或引用相对误差，用表示。
它是为了计算和划分电工仪表的准确度等级而引入的相对误差，其计算式为：
（1-6）
指针式电工仪表的准确度等级通常分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0共七级，分别表示仪表满度相对误差所不超过的百分比。
如某型万用表面板上的“～5.0”，表示该型万用表测量交流量时的满度相对误差为±5.0%，在无标准仪表比对的情况下，是不可能确定测量值偏离方向的，所以应带有“±”号。
由式（1-6）计算出的绝对误差是用该仪表测量时可能产生的最大误差，实际测量绝对误差Δx应满足：
Δx≤xmγm（1-7）
（1-8）
可见，对于同一仪表，所选量程不同，可能产生的最大绝对误差也不同。
而当仪表准确度等级选定后，测量值越接近满度值时，测量相对误差越小，测量越准确。
因此，一般情况下应尽量使指针处在仪表满度值的三分之二以上区域。
但该结论只适用于正向线性刻度的一般电工仪表。
对于万用表电阻挡等这样的非线性刻度电工仪表，应尽量使指针处于满度值的1/2左右的区域。
相对误差只有大小和符号，没有单位。
[例1-1]已知用电压表校准万用表时测得的两个电压值分别是100V、50V，而用万用表测得的值分别是90V、40V，求两次测量的绝对误差、修正值、实际相对误差分别是多少？
解：
根据题意知，UA1=100V，UA2=50V，Ux1=90V，Ux2=40V。
第一次测量：
△U1=90V－100V=－10V
C1=－ΔU1=10V
γA1=ΔU/UA1×100%=-10V/100V×100%=-10%
第二次测量：
△U2=40V－50V=－10V
C2=－ΔU2=10V
γA2=ΔU2/UA2×100%=-10V/50V×100%=-20%<γA1
由此可见，第一次测量要比第二次测量准确。
由于被测量的实际值是确定的，所以绝对误差的计算式中只有“－”，而无“±”。
[例1-2]如果要测量一个40V左右的电压，现有两块电压表，其中一块量程为50V、1.5级，另一块量程为100V、1.0级，问应选用哪一块表测量比较合适？
解：
根据题意，因为要测量的是同一个被测量，故只要比较两块表测量时产生的绝对误差即可。
第一块电压表测量的绝对误差为：
△U1≤50V×（±1.5%）=±0.75V
第二块电压表测量的绝对误差为：
△U2≤100V×（±1.0%）=±1.0V＞△U1
答：
应选用第一块电压表测量。
3.容许误差
一般情况下，线性刻度电工仪表的指示装置对它的测量结果影响比较大，但因其指示装置构造的特殊性，使得无论测量值是多大，产生的误差总是比较均匀的，所以线性刻度电工仪表的准确度通常用满度相对误差来表示。
而对于结构较复杂的电子测量仪器来说，由某一部分产生极小的误差，就有可能由于累积或放大等原因而产生很大的误差，因此不能用满度相对误差而用容许误差来表示它的准确度等级。
容许误差又称为极限误差，是人为规定的某类仪器测量时不能超过的测量误差的极限值，可以用绝对误差、相对误差或二者的结合来表示。
例如某一数字电压表基本量程的误差为±0.006%（读数值）±0.0003V，它是用绝对误差和相对误差的结合来表示的。
1.3.2测量误差的来源
产生测量误差的原因是多方面的，主要来源包括：
（1）仪器误差
仪器误差是由于仪器本身及其附件的电气和机械性能不完善而引起的误差。
如由于仪器零点漂移、刻度非线性等引起的误差。
（2）使用误差
使用误差又称为操作误差，是由于安装、调节、使用不当等原因引起的误差。
如测量时由于阻抗不匹配等原因引起的误差。
（3）人身误差
人身误差是由于人为原因而引起的误差
，例如读错数据等。
（4）环境误差
环境误差又称为影响误差，是由于仪器
受到外界的温度、湿度、气压、震动等影响所产生的误差。
如数字电压表技术指标中常单独给出的温度影响误差。
（5）方法误差
方法误差又称为理论误差，是由于测量时使用的方法不完善、所依据的理论不严格等原
因引起的误差。
例如在图1.1中，由于电流表测得的电流还包括流过电压表内阻的电流，所
以电阻测量值要比电阻实际值小，由此产生的误差属于方法误差。
测量工作中，应对误差来源进行认真分析，采取相应的措施来减小误差源对测量结果的影响，提高测量准确度。
1.3.3测量误差的分类
根据测量误差的性质和特点，测量误差分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。
1.系统误差
（1）系统误差的定义
在规定的测量条件下，对同一量进行多次测量时，如果测量误差能够保持恒定或按某种规律变化，则这种误差称为系统误差或确定性误差，简称为系差，记为ε。
如电表零点不准，温度、湿度、电源电压变化等引起的误差。
（2）系统误差的分类
系统误差根据其性质特征的不同分为恒定系统误差和变值系统误差。
1恒定系统误差简称为恒定系差，误差的大小及符号在整个测量过程中始终保持恒定不变。
②变值系统误差简称为变值系差，误差的大小及符号在测量过程中会随测试的某一个或某几个因素按累进性规律、周期性规律或某一复杂规律等确定的函数规律变化。
具有累进性规律的变值系差称为累进性系差，图1.2（a）、图1.2（b）所示的累进性系差分别具有线性递增和线性递减的规律，n为测量次数。
具有周期性规律的变值系差称为周期性系差。
按某一复杂规律变化的变值系差称为按复杂规律变化的系差。
（3）系统误差与测量的关系
系统误差表明一个测量结果偏离真值或实际值的程度，即系统误差越小，测量准确度越高。
系统误差通常能够出现在最终的测量结果中。
（4）减小系统误差的方法
系统误差通常是那些对测量影响显著的因素产生的。
为了减小系统误差，在测量之前应尽量发现并消除可能产生系统误差的来源及其影响，测量中则应采用适当的方法，如零示法、替代法、交换法、微差法等，或引入修正值加以抵消或削弱。
①零示法是在测量中使被测量对指示仪表的作用与某已知的标准量对它的作用相互平衡，以使指示仪表示零，这时被测量等于已知的标准量。
该方法可以消除指示仪表不准而造成的误差。
例如天平称量物体质量，直流平衡电桥测量直流电阻等，图1.3为直流平衡电桥测量直流电阻的原理图。
②替代法即置换法，是在测量条件不变的情况下，用一个已知标准量去代替被测量，并调整标准量使仪器的示值不变，此种情况下，被测量等于调整后的标准量。
例如在图1.3的测量中，先接入电阻Rx使电桥处于平衡（电流表指示为0）。
再将Rs替代Rx，调节Rs使电桥再次平衡，此时Rs与Rx相等。
由于在替代的过程中，仪器状态和示值都不变，所以仪器误差和其他造成系统误差的因素对测量结果基本不产生影响。
③交换法即对照法，是利用交换被测量在测量系统中的位置或测量方向等，设法使两次测量中，误差源对被测量的作用相反，取两次测量值的平均值作为测量结果。
交换法将大大削弱系统误差的影响，例如用旋转度盘读数时，分别将度盘向右旋转和向左旋转进行两次读数，并取读数的平均值作为最后结果，这样可以减小传动结构的机械间隙所产生的误差。
④微差法在一般测量中较少采用，本书不予讨论。
2.随机误差
随机误差又称为偶然误差，简称为随差，是指在一系列重复测量中，每次测量结果出现无规律随机变化的误差。
随机误差反映了测量结果的离散性，即随机误差越小，测量精密度越高。
随机误差主要由那些影响微弱、变化复杂而又互不相关的多种因素共同造成。
在足够多次测量中，随机误差服从一定的统计规律，即误差小的出现的概率高，误差大的出现的概率低，而且大小相等的正负误差出现的概率相等。
因此，采用多次测量求平均的方法可以削除或削弱随机误差。
一般认为，
只要测量次数足够多，随机误差的影响就足够小。
随机误差可以出现在单次测量结果中，而不能出现在最终结果中。
如果系差和随差都很小，则测量准确度和精密度都很高，称为测量精确度或精度很高。
3.粗大误差
粗大误差又称为过失误差或疏失误差，简称为粗差，是由于操作不当、测量失误等原因造成测量结果明显偏离实际值的误差。
测量时应耐心细致以免出现粗大误差，如果发现数据中有粗大误差，应予剔除。
1.4测量结果的表示及测量数据的处理
1.4.1测量结果的表示
测量结果一般以数字方式或图形方式表示。
图形方式可以在测量仪器的显示屏上直接显示出来，也可以通过对数据进行描点作图得到。
测量结果的数字表示方法有以下几种：
（1）测量值+不确定度
这是最常用的表示方法，特别适合表示最后测量结果。
例如R=40.67±0.5Ω，40.67Ω称为测量值，±0.5Ω称为不确定度，表示被测量实际值是处于40.17～41.17Ω区间的任意值，但不能确定具体数据。
不确定度和测量值都是在对一系列测量数据的处理过程中得到的。
（2）有效数字
有效数字是由第一种数字表示方法改写而成的，比较适合表示中间结果。
当未标明测量误差或分辨力时，有效数字的末位一般与不确定度第一个非零数字的前一位对齐，这是由不确定度的含义及“0.5误差原则”所决定的。
例如R=40.67±0.5Ω改写成有效数字为41Ω。
（3）有效数字+（1～2）位的安全数字
该方法是由前两种表示方法演变而成的，它比较适合表示中间结果或重要数据。
加安全数字可以减小由第一种方法改写成第二种方法时产生的误差对测量的影响。
该方法是在第二种表示方法确定出有效数字位数的基础上，根据需要向后多取1～2位安全数字，而多余数字应按照有效数字的舍入规则进行处理。
例如R=40.67±0.5Ω用有效数字+1位安全数字表示为40.7Ω，末位的7为安全数字；用有效数字+2位安全数字表示为40.67Ω，末尾的6、7为安全数字。
上述方法表示出的结果是测量报告值。
1.4.2有效数字的处理
有效数字的处理包括有效数字位数的取舍及有效数字的舍入。
1.有效数字及其位数的取舍
测量过程中，通常要在量程最小刻度的基础上多估读一位数字作为测量值的最后一位，此估读数字称为欠准数字。
欠准数字后的数字是无意义的，不必记入。
由此得出的示值是测量记录值，与测量报告值是不同的。
例如某型万用表直流50V量程的分辨力为1V，如果读出32.7V是恰当的，但不能读成32.73V，32.7V是测量记录值。
组成数据的每个必要数字称为有效数字，从第一个非零数字起向右
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