1、第2章 测量方法与测量系统,21 电子测量的基本原理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(简介),2.1 电子测量的基本概念,2.1.1 电子测量的意义20世纪30年代，便开始了测量科学与电子科学的结合，产生了电子测量技术 处理信息最有效、最成功的是电子科学技术 具有极快的速度 具有极精细的分辨能力，很宽的作用范围。 极有利于信息传递 极为灵活的变换技术。 巨大的信息处理能力,2.1.2 电子测量的特点,（1）测量频率范围宽。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（1TH
2、z=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,2.1.3 电子测量的内容,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
3、对电子学中有关的电量所进行的测量。,2.1.3 电子测量的内容（续）,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 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。,2.1.3 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
4、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互作用,2.2 电子测量的对象信号与系统,2.2.1 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。,2.2.2 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。非确定性（随机）信号：在相同试验条件下，不能够重复实
5、现的信号。2.周期性信号与非周期性信号 3.连续信号与离散信号 4.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,2.2.3 系统的基本概念,信号的产生、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。从一般意义讲，系统是由若干相互依赖、相互作用的事物组合而成的具有特定功能的整体。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。,2.2.3 系统的基本概念（续）,2.系统的内部结构测量系统的外部特性是由其内部参数也即系统本身的固有属性决定。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,2
6、.2.4 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、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,2.2.4 被测系统的分类（续）,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
7、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。,2.3 测量方法的分类概述,2.3.1 直接测量与间接测量2.3.2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,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
8、系数、衰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。,2.3.3 现代测试系统的组成,1.集中式多路测试系统,2.分布式多路测量系统,（a）网络化测量系统 （b）无线电遥测系统,2.3.4 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3.随机测量技术：测量噪声信号和使用随机信号源对噪声的研究使用概率统计方法：（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
9、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；4.数字测量技术：测量数字系统的功能和故障诊断,2.4 现代测试系统的静态特性,2.1 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，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
10、.4.2 测量系统的静态特性指标,1.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。 2.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,非线性,2.4.2 测量系统的静态特性指标（续）,（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 （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。,2.4.2 测量系统的静态特性指标（续）,3.静态特性的质量指标（1）迟
11、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）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,2.4.2 测量系统的静态特性指标（续）,（3）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用不确定度来表征：在规定条件下系统或装置用于测量时所得测量结果的不确定度。 （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。
12、,2.5 测量系统的动态特性2.5.1 测试系统动态特性的描述数学模型,1.微分方程(时域)2.传递函数(复频域)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。Y(S)=H(S)X(S) 3.频率响应函数(频域)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 Y(j)=H(j)X(j)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。,2.5.1 测试系统动态特性的描述数学模型（续）,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频特性输出、输入正弦信号的相位差随频率的变化,2.5.2测试系统的动态特性参数,常见测量系统的数学模型一阶系统,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)初始条件不为零的一阶系统，其阶跃响应为,0.95A,
