電子測量技術基礎內容教學

　　在實際測量工作中，由于外界條件、儀器本身和觀測者技術水平等的不同，必然導致對同一測量對象進行的若干次測量所得到的結果彼此不同，或在各觀測值與其理論值之間仍存在差異。

　　電子測量與儀器的基礎知識

　　教學目的要求：

　　1.明確電子測量的意義、內容、特點和分類。

　　2.了解電子測量儀器的分類和技術指標。

　　3.掌握測量誤差的表示方法有:絕對誤差、相對誤差和容許誤差。

　　4.明確測量誤差按照性質分為系統誤差、隨機誤差和粗大誤差。

　　5.明確測量誤差的來源是多方面的。

　　6.明確測量結果常用有效數字來表示，應根據實際情況，遵循有效數字位數取舍和有效數字舍入規則進行。

　　7.了解為了測得準確的結果，一般要進行多次測量，多次測量的算術平均值即測量值。數據處理過程中得到的不確定度具有測量誤差的含義，是測量誤差的極限值。不確定度越大，置信度越高，丟失真實數據的可能性越小。

　　教學重點：

　　1.電子測量的意義、內容、特點和分類。

　　2.電子測量儀器的分類和技術指標。

　　3.測量誤差的表示方法

　　4.測量誤差的來源分析

　　5.有效數字及有效數字位數取舍和有效數字舍入規則。

　　6.測量數據的處理

　　教學難點：

　　1.測量誤差的表示方法與分類

　　2.測量誤差的來源分析

　　3.有效數字的處理

　　教學方法：

　　演講法、問題教學法、設計教學法、小組研討法、辯論法、座談研討等

　　教學過程

　　導入新課：

　　測量是應用電子技術常常遇到的問題，本課程以生產實踐中普遍使用的通用儀器為典型儀器，介紹測量方法和技術。

　　新課內容：

　　1.1電子測量概述

　　1.1.1電子測量的意義及內容

　　1. 電子測量的意義

　　測量的目的就是取得用數值和單位共同表示的被測量的結果，是人們借助于專門的設備，依據一定的理論，通過實驗的方法將被測量與已知同類標準量進行比較而取得測量結果。被測量的結果必須是帶有單位的有理數，例如，某測量結果為9.3V是正確的，而測得的結

　　19V果為9.3或3是錯誤的。

　　廣義的電子測量是指利用電子技術進行的測量。狹義的電子測量是指對電子技術中各種電參量所進行的測量。

　　2.電子測量的內容

　　狹義電子測量的內容主要包括：

　　（1）能量的測量

　　能量的測量指的是對電流、電壓、功率、電場強度等參量的測量。

　　（2）電路參數的測量

　　電路參數的測量指的是對電阻、電感、電容、阻抗、品質因數、損耗率等參量的測量。

　　（3）信號特性的測量

　　信號特性的測量指的是對頻率、周期、時間、相位、調制系數、失真度等參量的測量。

　　（4）電子設備性能的測量

　　電子設備性能的測量指的是對通頻帶、選擇性、放大倍數、衰減量、靈敏度、信噪比等參量的測量。

　　（5）特性曲線的測量

　　特性曲線的測量指的是對幅頻特性、相頻特性、器件特性等特性曲線的測量。

　　上述各種參量中，頻率、時間、電壓、相位、阻抗等是基本參量，其他的為派生參量，基本參量的測量是派生參量測量的基礎。電壓測量是最基本、最重要的測量內容。

　　非電量的測量屬于廣義電子測量的內容，可以通過傳感器將非電量變換為電量后進行測量。本書主要討論狹義電子測量內容。

　　1.1.2電子測量的特點

　　電子測量技術及電子測量儀器的應用十分廣泛、發展十分迅速，對科學技術的發展起著巨大的推動作用，從某個意義來說，電子測量水平代表著一個國家的科技水平的高低。這是因為電子測量有著其他測量無法相比的眾多優點。其特點如下：

　　（1）頻率范圍寬

　　電子測量的頻率范圍幾乎可以覆蓋整個電磁頻譜。從直流一直可達100GHz以上。隨著電子技術的發展，目前還在向著更寬頻段乃至全頻段發展。

　　（2）量程廣

　　量程是指測量范圍的上限值和下限值之差。電子測量儀器具有相當寬的量程。如一臺高靈敏度的數字電壓表，可測出10nV至1kV以上的電壓，量程達11個數量級；而數字式頻率計的量程甚至可達17個數量級以上。

　　（3）精確度高

　　電子測量的精確度比其他測量方法要精確的多，特別是對頻率和時間的測量，精確度可達到10～10量級，是目前物理量測量中最精確的測量方法。

　　（4）測量速度快

　　電子測量是通過電磁波的傳播和電子的運動來進行工作的，因而可實現高速度測量。

　　（5）便于實現遙測遙控

　　電子測量可以通過有線或無線系統把測量儀器或儀器的傳感器深入到人體不便于或無法進入的區域內進行遙測遙控，這是電子測量的一個突出優點。

　　（6）易于實現測量過程自動化

　　大規模集成電路和微型計算機的應用為電子測量技術與計算機技術的結合提供了有利條件，從而實現測量過程的自動化與智能化。

　　1.1.3電子測量方法

　　測量結果可以通過不同的測量方法來取得。電子測量的方法有很多種，如直接測量、間接測量與組合測量等。

　　（1）直接測量

　　直接測量是指借助于測量儀器等設備可以直接獲得測量結果的測量方法，例如用電壓表測電壓等。

　　（2）間接測量

　　間接測量是指對幾個與被測量有確定函數關系的物理量進行直接測量，然后通過公式計算或查表等求出被測量的測量。伏安法測量電阻R的方法即屬于間接測量法，它是先測出流過電阻的電流I及電阻兩端的電壓V后，再利用公式來測量電阻值R。

　　（3）組合測量

　　組合測量是建立在直接測量和間接測量基礎上的測量方法，無法通過直接測量或間接測量得出被測量的結果，需要改變測量條件進行多次測量，然后按被測量與有關未知量間的函數關系組成聯立方程組，求解方程組得出有關未知量，最后將未知量代入函數式而得出測量結果。例如測量在任意環境溫度t°C時某電阻的阻值，已知任意溫度下電阻阻值的計算式為： -13-14

　　Rt=R20+α(t-20)+β(t-20)2

　　式中，Rt、R20分別為環境溫度為t°C、20°C時的電阻值；α、β為電阻溫度系數，α、β與R20均為不受溫度影響的未知量。

　　顯然，可以利用直接測量或間接測量的方法測出某溫度下電阻阻值，而以直接測量或間

　　接測量法測出任意溫度下電阻阻值是不現實的。如果改變測試溫度，分別測出三種不同測試溫度下的電阻值，帶入上述公式，求解由此得到的聯立方程組得出未知量α、β、R20后，帶入上式即可得出任意溫度下電阻阻值。

　　電子測量的方法還有很多，如人工測量和自動測量；動態測量和靜態測量；精密測量和工程測量；低頻測量、高頻測量和超高頻測量；模擬測量（分為時域測量和頻域測量）和數據域測量等等。

　　測量時應對被測量的物理特性、測量允許時間、測量精度要求以及經費情況等方面進行綜合考慮，結合現有的儀器、設備條件，擇優選取合適的測量方法。

　　1.2電子測量儀器的基本知識

　　1.2.1電子測量儀器的分類

　　測量中用到的各種電子儀表、電子儀器及輔助設備統稱為電子測量儀器。電子測量儀器種類繁多，主要包括通用儀器和專用儀器兩大類。專用儀器是為特定目的專門設計制作的，適于特定對象的測量。通用儀器是指應用面廣、靈活性好的測量儀器。

　　按照儀器功能，通用電子測量儀器分為以下幾類：

　　（1）信號發生器（信號源）

　　信號發生器是在電子測量中提供符合一定技術要求的電信號產生儀器，如正弦信號發生器、脈沖信號發生器、函數信號發生器、隨機信號發生器等。

　　（2）電壓測量儀器

　　電壓測量儀器是用于測量信號電壓的儀器，如低頻毫伏表、高頻毫伏表、數字電壓表等。

　　（3）示波器

　　示波器是用于顯示信號波形的儀器，如通用示波器、取樣示波器、記憶存儲示波器等。

　　（4）頻率測量儀器

　　頻率測量儀器是用于測量信號頻率、周期等的儀器，如指針式、數字式頻率計等。

　　（5）電路參數測量儀器

　　電路參數測量儀器是用于測量電阻、電感、晶體管放大倍數等電路參數的儀器，如電橋、Q表、晶體管特性圖示儀等。

　　（6）信號分析儀器

　　信號分析儀器是用于測量信號非線性失真度、信號頻譜特性等的儀器，如失真度測試儀、頻譜儀等。

　　（7）模擬電路特性測試儀

　　模擬電路特性測試儀是用于分析模擬電路幅頻特性、噪聲特性等的儀器，如掃頻儀、噪聲系數測試儀等。

　　（8）數字電路特性測試儀

　　數字電路特性測試儀是用于分析數字電路邏輯特性等的儀器，如邏輯分析儀、特征分析儀等，是數據域測量不可缺少的儀器。

　　測量時應根據測量要求，參考被測量與測量儀器的有關指標，結合現有測量條件及經濟狀況，盡量選用功能相符、使用方便的儀器。

　　1.2.2電子測量儀器的主要技術指標

　　電子測量儀器的技術指標主要包括頻率范圍、準確度、量程與分辨力、穩定性和可靠性、環境條件、響應特性以及輸入輸出特性等。

　　（1）頻率范圍

　　頻率范圍是指能保證儀器其他指標正常工作的有效頻率范圍。

　　（2）準確度

　　測量準確度又稱為測量精度，它描述的是由于測量結果在測量過程中受各種因素的影響而產生的與被測量真實值間的差異程度，即測量誤差。

　　測量準確度通常以容許誤差或不確定度的形式給出。不確定度是指在對測量數據進行處理的過程中，為了避免丟失真實數據而人為擴大的測量誤差，由于它在一定程度上能反映出測量數據的可信程度而得名，不確定度的數值越大，丟失真實數據的可能性越小，即可信度越高。容許誤差是為了描述測量儀器的測量準確度而規定的，利用儀器進行測量時，允許儀器產生的最大誤差。

　　（3）量程與分辨力

　　量程是指測量儀器的測量范圍。分辨力是指通過儀器所能直接反映出的被測量變化的最小值，即指針式儀表刻度盤標尺上最小刻度代表的被測量大小或數字儀表最低位的“1”所表示的被測量大小。同一儀器不同量程的分辨力不同，通常以儀器最小量程的分辨力（最高分辨力）作為儀器的分辨力。

　　（4）穩定性與可靠性

　　穩定性是指在一定的工作條件下，在規定時間內，儀器保持指示值或供給值不變的能力。可靠性是指儀器在規定的條件下，完成規定功能的可能性，是反映儀器是否耐用的一種綜合性和統計性質量指標。

　　（5）環境條件

　　環境條件即保證測量儀器正常工作的工作環境，例如基準工作條件，正常工作條件，額定工作條件等。

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