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1、第2章 测量方法与测量系统,21 电子测量的基本概念22 电子测量的对象信号与系统2.3 测量方法的分类概述 24 测量系统的静态特性2.5 测量系统的动态特性,一、电子测量的概念,1、定义从广义上说，电子测量是泛指以电子科学技术为手段而进行的测量，即以电子科技理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量。从狭义上讲，电子测量则是利用电子技术对电子学中有关的电量所进行的测量。,2、应用领域 电子测量不仅应用于电子领域，而且广泛地用于物理学、化学、光学、机械学、材料学、生物学和医学等科学领域，以及生产、国防、交通、商贸、农业、环保乃至日常生活中。,3、电子测量的特点,（1）测
2、量频率范围宽。被测信号的频率范围除测量直流外，测量交流信号的频率范围低至10-6Hz以下，高至THz（1THz=1012Hz）（2）量程范围宽。如数字万用表对电压测量由纳伏（nV）级至千伏（kV）级电压，量程达12个数量级（3）测量准确度高。例如，用电子测量方法对频率和时间进行测量时，由于采用原子频标和原子秒作为基准，可以使测量准确度达到10-1310-14的数量级。（4）测量速度快。因为电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作（5）易于实现遥测（6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化,4、电子测量的内容,电子测量的内容是：（1）按具体的测量对象来分类，包括下列电参数的测量电能量的测量
3、 包括各种频率及波形下的电压、电流、功率、电场强度等的测量。电路参数的测量 包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等的测量。电信号特征的测量 包括信号、频率、周期、时间、相位、调幅度、调频指数、失真度、噪音以及数字信号的逻辑状态等的测量。电子设备性能的测量 包括放大倍数、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声系数的测量。特性曲线的测量 包括幅频特性曲线、晶体管特性曲线等的测量和显示。,4 电子测量的内容（续）,（2）按基本的测量对象来看，电子测量是对电信号和电系统的测量：电子测量的基本对象是未知的信号与系统 电子测量的基本工具是已知的信号与系统 电子测量的基本工作机理是信号与系统的相
4、互作用,二、电子测量的对象信号与系统,1 信号的基本概念测量的目的是获取被测对象的信息，信息描述了被测对象的状态及其变化方式。信号就是信息的某种物理表现方式，信号是信息的载体，是物质，具备能量。同一个信息可以用不同的信号来运载，反之，同一种信号也可以运载不同的信息。,2、信号的特点是：信号是用变化着的物理量来表示信息的一种函数；信号中包含着信息，它是信息的载体，具有能量（有能源）。被测对象的信息感知阶段的任务，是要把信息变换成信号；信号不是信息本身，必须对信号进行测量后，才能从信号中提取出信息，这是电子测量的根本目的。,3、信号的分类,1.确定性信号和非确定性信号电子测量中被测信号大多是时间的
5、函数x(t)，按其性质不同可分类如下：确定性信号：在相同试验条件下，能够重复实现的信号。如：恒定（直流）信号；周期信号（简谐周期信号和复杂周期信号）；非周期信号（准周期信号和瞬变冲激信号）；非确定性（随机）信号：在相同试验条件下，不能够重复实现的信号。如：平稳随机信号；非平稳随机信号。,2.周期性信号与非周期性信号 3.连续信号与离散信号,4.时限信号和频限信号时限信号是指信号在时间的有限区间（t1，t2）内有定义、在区间之外信号值恒等于零的信号，称为时域有限信号。例如，矩形脉冲、正弦脉冲等。而周期信号、指数信号、随机信号等，则为时域无限信号。频限信号是指在频率域内只占据有限的带宽（f1f2）
6、、在这一带宽之外信号值恒等于零的信号，称为频域有限信号。,（5）信号的时间特性和频率特性时间特性：反映在信号随时间变化的波形上，包括信号出现时间的先后、持续时间的长短、重复周期的大小、随时间变化速率的快慢、幅度的大小等等。频率特性：一个复杂信号可以分解成许多不同频率的正弦分量，即具有一定的频率成分。将各个正弦分量的幅度和相位分别按频率高低依次排列就成为频谱。信号的频谱包含了信号的全部信息。（6）信号的空间分布结构 许多信号，既具有时间特性、也还具有空间特性例如描述大气压随海拔高度变化的信号，其自变量表示海拔高度；描述飞机机翼上应变分布的信号，其自变量表示结构尺寸；,4 系统的基本概念,信号的产
7、生、传输、处理、存储和再现都需要一定的物理装置，这种装置通常就称为系统。（1）系统的外部特性即系统的输入与输出之间的关系或系统的功能。,（2）系统的内部结构测量系统的外部特性是由系统本身的固有属性决定。,RLC串联电路的微分方程，先列出KVL方程,系统模型指系统物理特性的数学抽象，即以数学表达式或具有理想特性的符号组合图形来表征系统的输入-输出特性,(3)被测系统的分类,1.单输入/输出与多输入/输出系统 2.线性系统与非线性系统 线性系统满足两个基本条件：叠加原理。系统的响应与输入信号的作用无关。线性系统对任意输入的响应都可用傅氏变换表示。输出信号的频谱函数为 线性系统具有频率保持性。测量、
8、分析或比较线性系统在正弦信号激励下的响应，就可以对系统的各种电气特性作出全面的评价,3.即时系统与动态系统即时系统（瞬时系统或无记忆系统）：系统在任何时刻t的输出都只与该时刻的输入有关；动态系统（存储系统或有记忆系统）：在时刻t的输出不仅与该时刻的输入有关，而且还与该时刻以前或以后的输入有关。记忆系统的输入输出关系是一般是微分或差分方程。4.模拟系统与数字系统 模拟系统是分析和处理模拟信号的系统，数字系统是分析和处理脉冲与数字信号的系统。,三、测量方法的分类概述,1 直接测量与间接测量（1）直接测量用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值。（2）间接测量对与未知待测量y有确切函数关系的
9、其他变量x（或n个变量）进行直接测量，然后再通过函数，计算出待测量y。（3）组合测量,2 有源参量与无源参量的测量,被测对象可按有源量或无源量划分为两大类 1）有源量的测量2）无源量的测量,3.电子测量仪器的功能结构 被测对象的有源与无源特性决定了测量系统的组成方法和功能结构 信号特性参量为常见的有源量，主要包含信号的电压与功率、频率与波长、周期与时间、波形与频谱等；电压表、电流表、功率计、频率计、示波器、频谱仪、逻辑分析仪等仪器不含激励信号源系统特性参数为常见的无源量，包括集总与分布参数系统的特性，例如，电阻、电感、电容、品质因数、阻抗、导纳、介电常数、导磁率、驻波比、反射系数、散射系数、衰
10、减以及单位阶跃响应或单位冲激（脉冲）响应与传递函数等。RLC测试仪、阻抗分析仪、网络分析仪、频率特性测试仪（扫频仪）、晶体管特性图示仪等仪器，均包含有激励信号源。,4 频域、时域、数域及随机域测量,1）频域测量技术：幅值和相位随频率的变化（1）正弦波点频法（2）正弦波扫频法 2）时域测量技术：幅值随时间的变化测试信号是脉冲、方波及阶跃信号3）频域测量和时域测量比较频域测量和时域测量是测量线性系统性能的两种方法，是从两个不同的角度去观测同一个被测对象，其结果应该是一致的。从理论上讲，时域函数的付里叶变换就是频域函数，而频域函数的付里叶逆变换也就是时域函数。,4）随机测量技术：测量噪声信号和使用随
11、机信号源噪声是一种与时间因素有关的随机变量，对噪声的研究使用概率统计方法 主要包括下述三个内容：（1）噪声信号统计特性的测量，如时域中的均值、均方根性，频域中的频谱密度函数、功率谱密度函数等；（2）将已知特性的噪声作激励源对被测系统进行统计性测量，研究被测系统的特性；（3）在背景噪声信号不可忽略时对信号、特别是微弱信号的精确测量。,5）数字测量技术：测量数字系统的功能和故障诊断 对数字系统进行测量的基本方法是：在输入端加激励信号，观察由此产生的输出响应，并与预期的正确结果进行比较，一致则表示系统正常；不一致则表示系统有故障。,LSI测试系统的简化框图,5 静态、稳态和动态测量,1)静态测量与动
12、态测量的基本概念静态测量：对不随时间变化的（静止的）物理量进行的测量动态测量：对随时间不断变化的物理量进行的测量。在电子测量中常见的动态信号有两种：幅值随时间变化的信号：频率随时间变化的信号：,2)静态、稳态和动态测量的基本方法静态（直流）测试技术测量原理、方法、手段最简单，测量过程不受时间限制，测量系统的输出与输入二者之间有着简单的一一对应的关系和理想的特性，而测量精度也最高。稳态（交流）测试技术：正弦测试技术 定义说明：用幅值随时间按正弦规律变化的电信号（最简单的周期性信号）作被测系统的激励，然后观测在此激励下的输出响应，以频率为变量对被测线性系统进行测量。用途：正弦测试技术可以测线性系统
13、的稳态参数，线性系统的稳态参量是指系统的阻抗、增益或损耗、相移、群延迟和非线性失真度，以及这些参量随频率变化的情况,动态（脉冲）测试技术，自然界存在大量瞬变冲激的物理现象，如力学中的爆炸、冲击、碰撞等，电学中的放电、闪电、雷击等，对这类随时间瞬变对象进行测量，称为动态测量和瞬态测量。瞬态测试技术应用类型：一种是测量有源量，测量幅值随时间呈非周期形变化（突变、瞬变）的电信号；另一种是测量无源量，是以最典型的脉冲或阶跃信号作被测系统的激励，观察系统的输出响应（随时间的变化关系），即研究被测系统的瞬态特性。,四、测试系统的静态特性,1、测试系统的静态特性和动态特性概述测量系统(广义)指单台的测量仪器
14、，和由多台仪器及设备等组成的完整测试系统，也可指组成测量系统中的某一环节或单元。测量系统的基本特性可由其输入、输出的关系来表征，它是测量系统所呈现出的外部特性，并由其内部参数也即系统本身的固有属性所决定。测量系统的基本特性可分为两类：一类被测量是静止不变或变化极缓慢的情况，此时工作在静止状态下的测量系统，其输入与输出量间的函数关系，称为测量系统的静态特性；另一类是被测量不断变化的情况，此时，工作在动态下的测量系统其输入量与输出量间的函数关系称为测量系统的动态特性。,2.静态特性的数学模型不线性时：,获得静态特性的方法：对一个测量系统进行标定或定期进行校准。即在规定的标准工作条件下（规定的温度范
15、围、大气压力、湿度等），由高精度的标准发生器给出一系列数值已知的、准确的、不随时间变化的输入量xj，用高精度测量仪器测定被校测量系统对应输出量yj,得到由(xj,yj)数值列出的数表、绘制曲线或求得数学表达式，即为被校准的测量系统的输出与输入的关系，亦称之为静态特性。,非线性,3.静态特性的基本参数（1）零位（零点）当输入量为零x=0时，测量 系统的输出量不为零的数值零位值为 零位值应设法从测量结果中消除。例如可以通过测量系统的调零机构或者由软件扣除。,（2）灵敏度是描述测量系统对输入量变化反应的能力。灵敏度：当静态特性为一直线时，直线的斜率即为灵敏度，且为一常数,例：实验室常用的电表是磁电式
16、的，它的构造是一个可转动的线圈装在永久磁铁的磁场中，当电流通过游丝流经线圈时，因电流和磁场的相互作用，线圈克服游丝的反抗力矩偏转一个角度，在磁感强度，线圈面积、线圈匝数和游丝强度一定时，电流的大小与线圈偏转的角度成正比，我们以指针满偏时电流Ig的大小看作电表的灵敏度，满偏电流愈小灵敏度愈高，表头满偏电流一般为10微安到几百毫安。,多级测量系统的灵敏度若测量系统是由灵敏度分别为S1，S2，S3等多个相互独立的环节组成时，测量系统的总灵敏度S为,差压变送器可分为敏感元件、杠杆系统、电磁反馈机构以及高频位移检测放大器四个部分，如图所示。敏感元件的作用是将差压转换成力，以便和电磁反馈力进行比较；杠杆系
17、统把两个力之差转换成位置偏差；高频位移检测放大器相当于传感器和放大器；电磁反馈机构即为反向传感器。,图 力平衡式差压变进器框图,（3）分辨力又称灵敏度阈，它表征测量系统有效辨别输入量最小变化量的能力。对模拟式测量系统，其分辨力一般为最小分度值的1/21/5。对具有数字显示器的测量系统，其分辨力是当最小有效数字增加一个字时相应示值的改变量，也即相当于一个分度值。对于一般测量仪表的要求是：灵敏度应该大而分辨力应该小.,（4）测量范围、量程测量范围测量系统所能测量到的最小被测量（输入量）与最大被测量（输入量）之间的范围。量程测量系统测量范围的上限值与下限值之差的模即称为量程。量程又称满度值，表征测量
18、系统能够承受最大输入量的能力。例如一温度测量系统的测量范围是60+1200C，那么它的量程为1800C,3.静态特性的质量指标（1）迟滞亦称“滞后”或“回差”，表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大（正行程）或由大小到（反行程）两者静态特性不一致的程度。,（2）重复性表征测量系统输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，静态特性不一致的程度重复性是指标定值的分散性，是一种随机误差，可以根据标准偏差来计算 S子样标准偏差；K置信因子。,总体：在统计学中，对于所考察的对象的全体，称为总体（或母体）。个体：组成总体的每个单元。样本（子样）：自总体中随机抽取的一组测量值（自总体中随机抽取的一部分个体
19、）。样本容量：样品中所包含个体的数目，用n表示。,n测量次数,总体标准偏差（无限次测量）,样本标准偏差（有限次测量）,（n1）自由度,置信度（P）：表示的是测定值落在 范围内的概率,范围内的概率,（3）线性度测量系统的输出输入关系应当具有直线特性，线性度（又称非线性误差）说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离其拟合直线的程度选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也就不同,（4）准确度测量系统的准确度，俗称精度用准确度等级指数来表征：准确度等级指数a的百分数a%所表示的相对值是代表允许误差的大小 准确度等级是指符合一定的计量要求，使误差保持在规定极限以内的测量仪器的等别、级别。a满度相对误差（引
20、用相对误差）根据国家规定，准确度等级为七级，即01、02、05、10、15、25、50级简化表示：一些国家标准未规定准确度等级指数的产品说明书中，常用“精度”作为一项技术指标来表征该产品的准确程度。通常精度A由线性度、滞环和重复性之和得出,（5）可靠性装置在规定的时期内及在保持其运行指标不超限的情况下执行其功能的性能。反映产品是否耐用的一项综合指标。平均无故障时间MTBF在标准工作条件下不间断地工作，直到发生故障而失去工作能力的时间称作为无故障时间。故障率或失效率平均无故障时间MTBFF的倒数。有效度或可用度,(6)输入电阻与输出电阻输入电阻与输出电阻值对于组成测量系统的各环节而言甚为重要。前
21、一环节的输出电阻R01相当于后面环节的信号源内阻，所以输出电阻理想值应为零。后一环节的输入电阻Ri2相当于前面环节的负载；输入电阻理想值为无穷大。,4、电子测量仪器的技术条件及误差的表示方法1）技术条件是规定仪器的用途、工作特性、工作条件，以及运输、贮存条件的技术文件。所以，它既是设计制造厂商的产品标准，也是用户正确使用和维护仪器的重要依据。2）工作特性及仪器误差测量仪器的工作特性（技术指标）包括误差；稳定性；分辨力；有效范围（量程）；测试速率；可靠性 等为了保证测量仪器示值的准确，仪器出厂前必须由检验部门对误差指标进行检验。在使用期间，必须定期进行校准检定，凡各项误差指标在容许误差范围之内，
22、仪器视为合格。,3）测量仪器误差表示以量程（满度值）的百分数（即满度误差，引用误差）的形式，给出仪器的准确度等级（或称精度等级）s。以读数误差和满度误差的形式，给出仪器容许误差或基本误差，此时仪器误差为：,a为读数误差，又称固有误差b为满度误差，又称工作误差,五、测量系统的动态特性1）测量系统的特性用数学模型来描述，主要有三种形式：时域中的微分方程；复频域中的传递函数；频域中的频率特性。1.微分方程,2.传递函数为简化运算，通常采用拉普拉斯变换来研究线性微分方程。传递函数其表达式为在初始条件为零时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。,传递函数有以下特点：H(S)和输入x(t)无关，它
23、只反映测量系统本身固有的特性H(S)反映系统的响应特性，包含瞬态、稳态的时间响应和频率响应的全部信息，而与具体的物理结构无关。不同的物理系统可以有相同的传递函数。传递函数与微分方程等价。,3.频率响应函数 对于稳定的常系数线性系统，可用傅里叶变换代替拉氏变换频率特性是在初始条件为零的情况下，输出的傅里叶变换和输入的傅里叶变换之比 从物理意义上说，通过傅里叶变换可把满足一定条件的任意信号分解成不同频率的正弦信号之和。频率响应函数在频率域中反映一个系统对正弦输入的稳态响应，故又称其为正弦传递函数,（1）幅频特性和相频特性幅频特性当输入正弦信号的频率改变时，输出、输入正弦信号的振幅之比随频率的变化相
24、频特性输出、输入正弦信号的相位差随频率的变化,常见测量系统的数学模型1.一阶系统：凡是可用一阶微分方程描述的系统称一阶系统。,幅频特性：,相频特性：,时间常数,一阶系统的阶跃响应特性与特性参数 当系统输入阶跃信号x(t)时,响应为y(t),0.95A,2.二阶系统的数学模型微分方程 为系统固有角频率，为阻尼比 传递函数 频率特性,二阶系统的频率特性,幅频特性,相频特性,二阶系统的阶跃响应,测量系统的动态特性可用动态性能指标进行评价。可采用两种方法：采用阶跃信号作为系统输入量，获得系统对阶跃响应的过渡过程曲线与在时域中描述系统动态特性的指标；采用正弦信号作为系统输入量，获得系统的频率响应特性与在
25、频域中描述系统动态特性的指标。,2.测量系统的动态性能指标的测定包括静态标定和动态标定动态特性指标的实验测量方法有时域测定法和频域测定法。时域法一般是通过测量测试系统对单位阶跃信号的响应来确定其动态特性参数利用正弦激励，可得到系统的幅频特性，求出一阶系统时间常数、二阶系统的固有频率和阻尼比,本章小结,本章根据电子测量的基本对象信号与系统的特点，系统地阐述了电子测量的基本方法。为了实现对各种类型物理量的测量，可采用直接测量、间接测量和组合测量方法；为了测量有源的电能量和无源的电参量，可分别采用有源测量和无源测量方法；为了适应对被测对象的多源信息的测量，特别是对空间位置高度分散的多源信息的测量，可采用集中式或分布式的多路测量；当需要了解被测对象的时域或频域特性，或者测量随机信号和数字系统时，可采用时域、频域、随机域和数域测量；根据信号随时间变化的特点，相应地有静态、稳态和动态测量。,本章小结,测量系统的基本特性：（1）静态特性、（2）动态特性。典型的动态测量的信号：（1）脉冲瞬变的信号用于时域测试，得到阶跃响应（2）扫频的正弦信号用于频域测试，得到频率特性测量系统的静态特性：零位、灵敏度、分辨力、测量范围、迟滞、重复性、线性度、稳定性、可靠性等获得测量系统动态特性的方法：有时域测定法和频域测定法。,
