1、现代测试技术及应用,-电子测量原理,序：,现代测试技术及应用课程是信息工程专业的主干课程和工科其它专业的技术基础课程，具有较强的工程性及应用性，它综合了电子技术、计算机、信号处理、通信、控制等前沿技术。其目标是培养学生掌握现代测试技术理论及应用实践，强调培养学生综合运用交叉学科的知识，来分析和解决实际工程中测试问题的能力。 本课程重点突出电子测量（试）的基本理论和测试方法，同时也反映国内外最新技术。难点是误差理论、信号频谱分析、测试系统集成。,需要前修课程知识点：模拟、数字电子技术、 信号与系统、数字信号处理（DSP）、接口及总线技术、 EDA技术等。如信息处理中的波形测试，通信系统性能及参数
2、的测试（数字/移动通信中高速误码率测试）。,现代测试技术及应用作为校级精品课程，在课程体系、教学内容、实践性教学方面经历了几次重大改革、使它们更趋完善合理。加强基础、拓宽知识面，构建合理知识体系，优化课程结构。对课程内容 “电子测量原理”为基础，体系结构以测量方法为线索，以误差分析来提升，以实际应用为归宿。分以下六部分，如下图所示。,课程体系结构,本章阐述了测量学科的丰富内涵。介绍测量、计量的基本概念，即它们的意义、内容、特点及应用。讨论测量原理、测量方法和测量系统中的共性问题。分别从信息获取的广义概念和量值比较的狭义概念上，阐述测量的基本原理；从实现测量原理的变换、比较、处理和显示等环节中，
3、阐述电子测量的基本技术。,第1章 测量的基本原理,1.1 测量的基本概念,1.1.1 测量的意义 日常生活中处处离不开测量科学的进步和发展离不开测量， 离开测量就不会有真正的科学。,没有望远镜就没有天文学，没有显微镜就没有细胞学，没有指南针就没有航海事业,1.1.1 测量的意义（续）,生产发展及现代化的工业生产中，处处离不开测量. 例如，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。,1.1.2 测量的定义,1.狭义测量的定义测量
4、是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。,测量结果测量数值.测量单位，即：,1.1.2 测量的定义（续）,被测物体的重量等于标准砝码的重量,被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。,1.1.2 测量的定义（续）,2.广义测量的定义：测量是指为了获得对被测对象信息而进行的实验过程。广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定
5、位等。而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。,1.1.3 测量的基本要素,1.测量的基本要素被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境,图1-2 原理框图,1.1.3 测量的基本要素（续）,1.1.3 测量的基本要素（续）,2.被测对象信息广义的测量是信息的获取，信息反映了事物的运动的状态及其变化方式。信息又可分为自然信息和社会信息两大类。3.测量仪器系统量具和仪器 4.测量的主体测量人员 5.测试技术测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测试技术。,1.1.3 测量的基本要素（续）,6.测量环
6、境测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和。测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。,1.1.3 测量的基本要素（续）,环境对测量的影响A. 环境对被测对象的影响.B. 环境对仪器系统的影响.C. 环境对测量人员的影响：高温、严寒、潮湿、闷气、嘈杂、照明不适当等不良工作环境，会对测量人员的身心产生不良影响，从而引起不同程度的人身误差乃至差错。,12 计量的基本概念,1.2.1 计量的定义和意义为使在不同的地方，用不同的手段测量同一量时，所得的结果一致，就
7、要求统一的单位、基准、标准和测量器具。 1.计量的定义计量是一种特殊形式的测量，它把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否，并给出具有法律效力的检定证书。计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。,1.2.1 计量的定义和意义（续）,2.计量与测量的关系,测量发展的客观需要才出现了计量。测量是计量应用的重要途径。没有测量，计量将失去价值为了保证测量结果的准确性，必须定期对仪器进行检定和校准，这个过程就是计量。,计量的任务是确定测量结果的可靠性。计量是测量的基础和依据。没有计量，也谈不上测量。,122 单
8、位和单位制,根据定义而令系数为1的量称为单位。单位是表征测量结果的重要组成部分， 又是对两个同类量值进行比较的基础。,英呎feet,122 单位和单位制（续）,1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI。 1984年2月国务院颁布了中华人民共和国法定计量单位，决定我国法定计量单位以国际单位制为基础。SI有7个基本单位,122 单位和单位制（续）,国际单位制（SI）的组成国际单位制基本单位,13 测量误差的基本概念,1.3.1 测量误差的定义测量的目的: 获得被测量的真值。真值: 在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。 测量误差 :所有测量结果都带有误差 。,1.
9、3.2 测量误差的来源,（1）仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。（2）影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。（3）理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。（4）人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。（5）测量对象变化误差：测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准确，如引起动态误差等。,1.3.3 测量误
10、差的表示方法,测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。1.绝对误差（1）定义：由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差,实际应用中常用实际值A（高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值）来代替真值。绝对误差：,有大小，又有符号和量纲,1.3.3 测量误差的表示方法（续）,（2）修正值与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。被测量的实际值,1.3.3 测量误差的表示方法（续）,2.相对误差一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。例：测量足球场的长
11、度和成都市到绵阳市的距离，若绝对误差都为1米，测量的准确程度是否相同？（1）相对真误差、实际相对误差、示值相对误差相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。,1.3.3 测量误差的表示方法（续）,实际相对误差： 用实际值A代替真值A0 示值相对误差： 用测量值X 代替实际值A,1.3.3 测量误差的表示方法（续）,（2）满度相对误差（引用相对误差）用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值下限值）之比来表示的相对误差，称为满度相对误差（或称引用相对误差）,仪表各量程内绝对误差的 最大值,1.3.3 测量误差的表示方法（
12、续）,电工仪表就是按引用误差 之值进行分级的。rm是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S% 测量点的最大相对误差在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。,1.3.3 测量误差的表示方法（续）,例1-2 某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为0400mA和1.5级量程为0100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？,用1.5级量程为0100mA电流表测量100mA时的最大相对误差为
13、,解：用0.5级量程为0400mA电流表测100mA时，最大相对误差为,1.3.3 测量误差的表示方法（续）,（3）分贝误差相对误差的对数表示分贝误差是用对数形式（分贝数）表示的一种相对误差，单位为分贝（dB）。 电压增益的测得值为 误差为用对数表示为增益测得值的分贝值分贝误差,1.4 测量信息的获取原理,测量是研究获取被测对象 信息的一门科学。,1.4.1 信息的概念,客体的实有的信息客观信息某事物客体所具有的信息，是指该客观存在的事物的运动状态及其变化方式的自我表述或自我显示。,主体认识论的信息主观信息是指主体所感知或表述的关于该事物的运动状态及其变化方式，及有关的形式、含义和效用。主体认
14、识论层次的信息的内涵比客体论层次信息丰富得多,这是因为作为认识的主体。,1.4.2信息的获取原理,信息的的获取过程由信息的感知和识别两大环节组成,1感知的基本原理 信息感知，是感知事物运动的状态及其变化方式，其实质是把客体论层次的信息转换为主体认识论层次的语法信息,感知的基本技术传感器与敏感器,测量的第一个环节是信息的感知。传感器是感知各种非电信息并把非电量转换为电量输出的器件或装置，本质上是完成信息载体的转换。例：热敏电阻把被测温度的变化转换为电阻的变化。2. 信息的识别 为了把语法信息（信号）转换人们能够理解的语义信息，须使用信号的比较、变换、处理和显示技术。例如，雷达测量飞机的距离，采用
15、了把距离变换成时间，通过直接测量电脉冲来回传输的时间来测得距离。,1.5 测量的间接比较与直接比较原理,测量最基本的原理是比较，比较是认识和区别被测对象的一种重要方法。测量是通过比较来取得一个定量的认识 1.5.1 基于比例变换的间接比较法（偏转法）1.比例变换的原理三种类型的子变换：,A,1.5.1 基于比例变换的间接比较法（续）,2. 间接比较方法 ：步骤为校准 测量,1.5.2 基于差值示零的直接比较法,被测量与标准量直接进行比较差值示零的平衡调节零示法原理:,1.5.2 基于差值示零的直接比较法（续）,对称差动的桥式结构,当 时，,1.5.3 减少误差的复合式比较,为了提高测量准确度，
16、在比较中可采用各种减小测量误差的方法，如微差法、替代法、对照法。（1）微差法在零示法中，要仔细调节标准量S 使之与未知量x相等，这通常很费时间，有时甚至不可能做到。微差法：标准量S与被测量x相差了一微小 ，再用仪器测出 ，即求得待测量x,1.5.3 减少误差的复合式比较（续）,2.替代法在测量条件不变的情况下，用一已知的标准量去替代未知的被测量，通过调整标准量而保持替代前后仪器的示值不变，于是标准量的值等于被测量值。,3.交换法通过交换被测量和标准量的位置，从前后两次换位测量结果的处理中，削弱或消除系统误差。,1.5.3 减少误差的复合式比较（续）,例：在电桥中采用交换法测电阻,1.6 电子测
17、量中的基本实现技术电子测量中的变换技术,1.量值变换量值是指电压、电流、功率、阻抗、时间等电参量的幅值大小。(1)量值变换即指把它们的幅值按比例地增大或缩小。测量放大器,衰减器.（2）阻抗变换电子测量中，特别是在微波测量中，当将不匹配的负载与传输线连接时，或将特征阻抗不同的传输线进行连接时，信号传输中将产生强烈反射。,2.频率变换,（1）检波：交流电压变成直流电压 （2）斩波：把一个直流电压调制成交流电压，经过交流放大，然后再把交流电压通过反调制（解调）还原为直流电压的过程。 （3）变频（混频）进行频率的加减运算。获得很宽的频率覆盖范围。 （4）倍频倍频器是频率综合技术中的乘法器。,差频倍增法
18、,用倍频法减小测量误差。 （5）取样技术取样门电路将高频信号进行取样变换，使之以低频形式复现出来。3.波形变换-整形、限幅、微分、合成及变换 (方波变成三角波或正弦波). 4.参量变换（1）AV变换电流、电压、电阻之间的变换实现了交、直流电压、电流、电阻等多种测量功能。（2）V/F变换模拟直流电压转换为频率（3）V/T变换模拟直流电压转换成时间 （4）网络参数的变换,电子测量中的变换技术(续）,例 试以数字多用表测量交流电流为例，阐述变换技术在电子测量中的应用。交流电流/交流电压的变换；交流电压/直流电压的变换；直流电压的幅值变换；模拟/数字的变换；BCD码/七段码的码制变换；显示器件的电/光转换。,
