測量的基本原理

1、測量的基本原理第1頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四對同學的要求課堂認真聽講。課下認真復習，并及時做課后習題。第2頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四課程簡介第一部分測量總論及誤差理論，介紹測量的基本概念、技術方法、系統(tǒng)組成等，誤差理論和數據處理等。第二部分基本電參量測量，包括頻率、電壓、阻抗等第三部分時域測量，以示波器為背景介紹時域信號波形的采集、顯示及應用技術。第四部分頻域測量，重點討論頻域中的信號頻譜和網絡性能的測量，介紹測量激勵信號源的基本工作原理。第五部分數域測量，介紹數字系統(tǒng)的基本測量原理和方法，包括數字信號的產生、邏輯分析、可測性設計

2、及數字系統(tǒng)測試的典型實例。第六部分測量系統(tǒng)集成，闡述組建測量系統(tǒng)的硬件平臺、軟件平臺、總線標準、通信技術等。第3頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.1 測量的基本概念1.1.1 測量的意義 日常生活中處處離不開測量科學的進步和發(fā)展離不開測量， 離開測量就不會有真正的科學。 沒有顯微鏡就沒有細胞學，沒有指南針就沒有航海事業(yè) 第4頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四 1.1.1 測量的意義（續(xù)）生產發(fā)展離不開測量 農業(yè)社會中，需要丈量土地、衡量谷物，就產生了長度、面積、容積和重量的測量；掌握季節(jié)和節(jié)候，出現了原始的時間測量器具，并有了天文測量?，F代化

3、的工業(yè)生產中，處處離不開測量 例如，一個大型鋼鐵廠需要約2萬個測量點在高新技術和國防現代化建設中則更是離不開測量例如，每種新設計的飛機，需要測試飛機高速飛行中受氣流沖擊作用下的性能，通過風洞試驗測定機身、機翼的受力和振動分布情況，以驗證和改進設計。第5頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.1.2 測量的定義 1.狹義測量的定義測量是為了確定被測對象的量值而進行的實驗過程。在測量過程中，人們借助專門的設備，把被測對象直接或間接地與同類已知單位進行比較，取得用數值和單位共同表示的測量結果。 測量結果測量數值.測量單位，即：第6頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20

4、分，星期四1.1.2 測量的定義（續(xù)）2.廣義測量的定義廣義地講，測量不僅對被測的物理量進行定量的測量，而且還包括對更廣泛的被測對象進行定性、定位的測量。例如故障診斷、無損探傷、遙感遙測、礦藏勘探、地震源測定、衛(wèi)星定位等。而測量結果也不僅僅是由量值和單位來表征的一維信息，還可以用二維或多維的圖形、圖像來顯示被測對象的屬性特征、空間分布、拓樸結構等。第7頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.1.3 測量的基本要素1.測量的基本要素 被測對象、測量儀器、測量技術、測量人員和測量環(huán)境 第8頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.1.3 測量的基本要素（續(xù)

5、）第9頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.1.3 測量的基本要素（續(xù)）環(huán)境對測量的影響A. 環(huán)境對被測對象的影響B(tài). 環(huán)境對儀器系統(tǒng)的影響C. 環(huán)境對測量人員的影響第10頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.1.3 測量的基本要素（續(xù)）應采取適當的控制措施，盡量減少由于環(huán)境影響而產生的誤差。恒溫、恒濕、穩(wěn)壓和防震。抗干擾、防噪聲的措施，如接地、屏蔽、隔離、濾波等。儀器應能盡量適應惡劣環(huán)境和大范圍變化環(huán)境。 第11頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.1.3 測量的基本要素（續(xù)）儀器以工作環(huán)境條件的不同要求分為三組：I組：

6、良好的環(huán)境條件，溫度+10+35oC，相對濕度80%（在35oC上），只允許有輕微的振動。II組：一般的環(huán)境條件，溫度10+40oC，相對濕度80%（在40oC上），允許一般的振動和沖擊。III組：惡劣的環(huán)境條件，溫度40+55oC，相對濕度90%（在35oC上），允許頻繁的搬動和運輸中受到較大的沖擊和振動。I組高精度計量用儀器II組通用儀器III組野外、機載等儀器第12頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.2電子測量系統(tǒng)中的干擾及其抑制干擾：在電子測量技術中，可把一切來自設備或系統(tǒng)外部的無關信號稱作干擾。噪聲：由系統(tǒng)內部產生的無關信號稱作噪聲，對技術指標合格并在規(guī)定條

7、件下使用的電子測量儀器可以不考慮其噪聲影響。第13頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.2.1干擾的主要來源電子測量系統(tǒng)干擾主要來源有三個：1、空間干擾空間干擾主要是指電磁場在線路、導線、殼體上的輻射、吸收和調制。干擾來自測量系統(tǒng)的內部或外部，任一線路、導線、殼體等在空間均同時存在輻射、吸收與調制（1）天電干擾（2）工頻干擾（3）氣體電離干擾第14頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四2、測量過程通道干擾 長線傳輸是這種干擾的主要因素3、供電系統(tǒng)的干擾第15頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.2.2干擾的一般傳輸途徑兩大類：

8、寄生耦合、電磁輻射1、寄生耦合（1）公共阻抗耦合（2）分布電容耦合（3）分布電感耦合2、電磁輻射當測量系統(tǒng)的頻率較高時，較長的信號傳輸線、控制線、輸入及輸出線等，均會呈現出一定的天線效應。它們不僅會將測試信號輻射出去，構成非正常通道，而且也會吸收其他非正常通道輻射來的測試信號及干擾信號第16頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.2.3干擾的抑制方法由于干擾的來源和傳輸途徑都很復雜，在測試過程中，應根據具體情況采取相應措施加以抑制，下面介紹幾種常見的方法：1、避免或減小干擾源的影響2、合理設計地線3、減少公共耦合電源內阻的影響4、減少傳輸通道長線的影響5、減少分布參數的影

9、響第17頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四計量的基本概念自學第18頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四13 測量誤差的基本概念1.3.1 測量誤差的定義測量的目的: 獲得被測量的真值。真值: 在一定的時間和空間環(huán)境條件下，被測量本身所具有的真實數值。 測量誤差 :所有測量結果都帶有誤差 。第19頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.3.2 測量誤差的來源 （1）儀器誤差：由于測量儀器及其附件的設計、制造、檢定等不完善，以及儀器使用過程中老化、磨損、疲勞等因素而使儀器帶有的誤差。（2）影響誤差：由于各種環(huán)境因素（溫度、濕度、振

10、動、電源電壓、電磁場等）與測量要求的條件不一致而引起的誤差。（3）理論誤差和方法誤差：由于測量原理、近似公式、測量方法不合理而造成的誤差。（4）人身誤差：由于測量人員感官的分辨能力、反應速度、視覺疲勞、固有習慣、缺乏責任心等原因，而在測量中使用操作不當、現象判斷出錯或數據讀取疏失等而引起的誤差。（5）測量對象變化誤差：測量過程中由于測量對象變化而使得測量值不準確，如引起動態(tài)誤差等。第20頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.3.3 測量誤差的表示方法 測量誤差有絕對誤差和相對誤差兩種表示方法。1.絕對誤差（1）定義： 由測量所得到的被測量值與其真值之差，稱為絕對誤差 實

11、際應用中常用實際值A（高一級以上的測量儀器或計量器具測量所得之值）來代替真值。絕對誤差： 有大小，又有符號和量綱第21頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）（2）修正值與絕對誤差的絕對值大小相等，但符號相反的量值，稱為修正值測量儀器的修正值可以通過上一級標準的檢定給出，修正值可以是數值表格、曲線或函數表達式等形式。被測量的實際值第22頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）2.相對誤差測量一個量的準確程度，不僅與它的絕對誤差的大小，而且與這個量本身的大小有關。（1）相對真誤差、實際相對

12、誤差、示值相對誤差相對誤差：絕對誤差與被測量的真值之比相對誤差是兩個有相同量綱的量的比值，只有大小和符號，沒有單位。第23頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）實際相對誤差： 用實際值A代替真值A0 示值相對誤差： 用測量值X 代替實際值A第24頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）（2）滿度相對誤差（引用相對誤差）用測量儀器在一個量程范圍內出現的最大絕對誤差與該量程值（上限值下限值）之比來表示的相對誤差，稱為滿度相對誤差（或稱引用相對誤差）儀表各量程內絕對誤差的 最大值 第25頁，

13、共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）電工儀表就是按引用誤差 之值進行分級的。是儀表在工作條件下不應超過的最大引用相對誤差我國電工儀表共分七級：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果儀表為S級，則說明該儀表的最大引用誤差不超過S% 測量點的最大相對誤差在使用這類儀表測量時，應選擇適當的量程，使示值盡可能接近于滿度值，指針最好能偏轉在不小于滿度值2/3以上的區(qū)域。 第26頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）例1-3 某待測電流約為100mA，現有0.5級量程為040

14、0mA和1.5級量程為0100mA的兩個電流表，問用哪一個電流表測量較好？用1.5級量程為0100mA電流表測量100mA時的最大相對誤差為解：用0.5級量程為0400mA電流表測100mA時，最大相對誤差為第27頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.3.3 測量誤差的表示方法（續(xù)）（3）分貝誤差相對誤差的對數表示分貝誤差是用對數形式（分貝數）表示的一種相對誤差，單位為分貝（dB）。 電壓增益的測得值為 誤差為用對數表示為增益測得值的分貝值分貝誤差 第28頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4 電子測量中的基本實現技術1.4.1 電子測量中的變

15、換技術1.量值變換量值是指電壓、電流、功率、阻抗、時間等電參量的幅值大小。量值變換即把它們的幅值按比例地增大或縮小。原因：某些被測量不便于直接比較，或者無法直接測量為了獲取更高分辨力和精度，或更寬的量程種類：信號衰減或放大：使信號變換到測量系統(tǒng)的范圍內阻抗變換：在負載和傳輸線路中加入雙口網絡第29頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四電子測量中的變換技術(續(xù)）2.頻率變換（1）檢波：交流電壓變成直流電壓 常用磁電式電表，它只能測量直流，交流信號必須檢波成直流信號來測量 （2）斬波：把一個直流電壓調制成交流電壓，經過交流放大，然后再把交流電壓通過反調制（解調）還原為直流電壓的

16、過程。 斬波的作用是對微弱的直流電壓進行放大 第30頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四電子測量中的變換技術(續(xù)）（3）變頻（混頻）（4）倍頻（5）分頻（6）頻率合成（7）取樣技術：取樣門電路將高頻信號進行取樣變換，使之以低頻形式復現出來第31頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四電子測量中的變換技術(續(xù)）3.波形變換（1）整形 將任意形狀的波形變成規(guī)則的脈沖波形，例如，用于電子計數器的輸入通道中。（2）限幅 把信號波形幅度限制在一定范圍內（3）微分 由矩形脈沖形成一個窄脈沖。在電子計數器、取樣示波器、廣譜信號源中廣泛使用。（4）合成 多種波形疊加成復

17、雜波形。例如合成CRT顯示的視頻信號波形。（5）變換 方波變成三角波或正弦波，三角波變成正弦波或方波，正弦波變成方波或三角波等。波形變換技術廣泛用于多波形函數發(fā)生器中。 第32頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四電子測量中的變換技術(續(xù)）4）參量變換（1）AV變換電流、電壓、電阻之間的變換多用表中采用的AV變換，包括交流/直流（AC/DC）、電流/電壓（I/V）和電阻/電壓（/V）的轉換，實現了交、直流電壓、電流、電阻等多種測量功能。（2）V/F變換模擬直流電壓轉換為頻率（3）V/T變換模擬直流電壓轉換成時間 （4）網絡參數的變換第33頁，共55頁，2022年，5月20日

18、，12點20分，星期四電子測量中的變換技術(續(xù)）5.能量變換 能量變換是泛指多種形式的物理量與電學量之間的變換。傳感器就是能量變換器，即從非電量變換成電量一般分為參量變換器及電勢變換器兩大類：參量變換器是將各種物理量變換成電阻、電感、電容或磁導率等。電勢變換器是將各種物理量變換成電勢、電流等電量的變換器在顯示器中，把電量變換成非電量機械量、光學量等。如指針的偏轉、發(fā)光的數碼、字符和圖像等。6.模/數和數/模變換第34頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.2 電子測量中的比較技術1.比較的基本概念被測量為x、標準量為s、比較電路輸出為y。當xs時，y=YH當x=s 時

19、，y出現一個躍變信號第35頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.2 電子測量中的比較技術(續(xù))（1）比較的基本類型（按功能分）：標量比較矢量比較差值比較比值比較量化比較第36頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.2 電子測量中的比較技術(續(xù))2.電壓比較電平比較、差值型比較、比例型比較舉例：電平比較兩個模擬電壓的大小的比較可以用電壓比較器來實現的 第37頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.2 電子測量中的比較技術(續(xù))3.阻抗比較檢測微小量，或對阻抗類電參量進行直接比較電橋電路具有靈敏度高、測量范圍寬，溫度補

20、償容易實現，測量電路的零點調節(jié)方便。（a）比例臂電橋 （b）有源電橋 （c）電壓電橋 （d）電流電橋第38頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.2 電子測量中的比較技術(續(xù))4.頻率（時間）比較典型舉例：時間差值比較用R-S觸發(fā)器可實現時差的比較 第39頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.3 電子測量中的處理技術電子測量中的處理技術主要分為模擬運算電路和數字運算電路兩大類 ，以模擬電子技術和數字電子技術為基礎 第40頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.3 電子測量中的處理技術(續(xù))1. 基本模擬運算運算放大

21、器輔之以不同的電路元件，可以組成諸如比例、加減、微分、積分、對數、指數和乘除等電路 （1）四則運算電路 第41頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.3 電子測量中的處理技術(續(xù))指數和對數運算電路則是利用二極管的電流與其端電壓在一定條件下存在的指數關系來實現。第42頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.3 電子測量中的處理技術(續(xù))乘法運算或除法運算：模擬乘法器：是新型集成器件，是利用晶體管的非線性特性。 第43頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.3 電子測量中的處理技術(續(xù))（2）積分和微分電路運算放大器外

22、接電感和電容等儲能元件，則利用電路在時域中的過渡過程可形成積分電路和微分電路；利用其頻域特性則可構成形形色色的濾波電路 第44頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.3 電子測量中的處理技術(續(xù))（3）有源濾波器 按照頻譜分析的觀點，任何信號都是一些不同幅度和不同頻率的正弦信號的組合。在被測信號中，除了有用的頻率成分之外，往往不可避免地含有一些無用噪聲的頻率成分。濾波器的功能就是利用其頻率特性來保留有用的頻率成分，削弱或消除無用的頻率成分，即具有信號分離的功能。分為低通、高通、帶通和帶阻等不同濾波器。第45頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.

23、6.3 電子測量中的處理技術(續(xù))例 運算與處理功能在電壓測量中的應用。計算公式第一級為模擬乘法器，完成被測電壓的平方運算；第二級為積分器，完成平均運算；第三級為開方器，完成開平方根的運算；最后一級為放大器，按一定比例放大的直流輸出電壓去驅動電表使電表，按被測電壓的有效值進行線性刻度。第46頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.3 電子測量中的處理技術(續(xù))2.數字計算與數字信號處理基于數字邏輯電路的硬件方式：利用現有的各種數字邏輯門、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、計數器、全加器等，以及各種CPLD、FPGA等可編程邏輯，組成各種數字邏輯的運算與控制單元?；谖⑻幚砥骱臀?/p>

24、型計算機的嵌入式系統(tǒng)的軟件方式：通過軟件編程，可完成各種數字與邏輯的運算。它不僅能完成常用的數學運算，而且能實現統(tǒng)計運算、FFT運算等。運算功能強、精度高、速度快、靈活性及抗干擾性強。再加之微機和單片機的邏輯運算與控制功能，實現現代測試儀器系統(tǒng)的智能化、自動化、虛擬化和網絡化。第47頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.3 電子測量中的處理技術(續(xù))（1）數字信號處理（DSP）的基本內容廣義來說，數字信號處理是研究用數字方法對信號進行分析、變換、運算、濾波、檢測、估計、增強、壓縮、調制、解調以及快速算法的一門技術學科。狹義來說也有人認為：數字信號處理主要是研究有關數

25、字濾波技術：把信號的有效信號提取出來，抑制（削弱或濾除）干擾或噪聲的一種處理。離散變換快速算法：FFT頻譜分析方法: 主要使用頻譜分析儀和信號分析儀信號處理包括時域和頻域處理。時域處理中最典型的是波形分析，示波器就是最常用的儀器。信號頻域處理主要指濾波，主要使用頻譜分析儀和信號分析儀第48頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.3 電子測量中的處理技術(續(xù))（2）數字信號處理的應用 測試信號處理 語音信號處理語音的識別、理解、合成、增強、數據壓縮 圖像信號處理圖像壓縮、解壓、增強、恢復、分割、識別、編碼和重建振動信號處理 地球物理信號處理 為了探測地下深處所儲藏的石油

26、和天然氣以及其他礦藏，通常采用地震勘探方法來探測地層結構和巖性。即在一選定的地點施加人為的激震，如用爆炸方法產生一振動波向地下傳播，遇到地層分界面即產生反射波，在距離振源一定遠的地方放置一列傳感器，接收到達地面的反射波。從反射波的延遲時間和強度來判斷地層的深度和結構。 生物醫(yī)學信號處理 第49頁，共55頁，2022年，5月20日，12點20分，星期四1.4.4 電子測量中的顯示技術測量結果必須通過顯示器件把各種電信號轉換成人們五官可直接感知的機械運動、數字、文字、圖形、圖像等形式的信號顯示出來 1.指示式儀表（1）指示式電工儀表的分類用指針的偏轉來表示電量的儀表稱為指示式電工儀表。按工作原理分類，可分為動圈式、動鐵式、電動式、熱電式、靜電式、整流式和感應式等。按準確度等級分類，可分為0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0等共7級。按用途分類，可分為電流表、電壓表、功率表、電能表