任务1 知识引领——电子测量的基本知识

知识1.1 电子测量及内容

测量是以确定被测量值为目的的工作过程。在这一过程中需要借助专门的设备，将被测量与选作单位的同类标准量进行比较，从而取得用数值和单位共同表示的测量结果。

电子测量是测量学的一个重要分支，在电子测量过程中，以电子技术理论为依据，以电子测量仪器为手段，对各种电量、电信号、电路特性和元器件参数进行测量，还可以通过传感器对各种非电量进行测量，电子测量主要包括以下内容。

1.电能量测量

电能量测量包括各种电量的电压、电流、电功率、电场强度等的测量。

2.电信号特性测量

电信号特性测量包括信号的频率、周期、相位、频谱、失真度、调制度、信噪比、逻辑状态等的测量。

3.元器件参数测量

元器件参数测量包括电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管、集成电路等元器件的参数测量。

4.电路性能测量

电路性能测量包括增益、衰减、灵敏度、通频带、频率特性、噪声系数等性能的测量。

5.特性曲线显示测量

特性曲线显示测量包括信号的波形、频谱、逻辑关系；电路或系统的幅频特性曲线；元器件参数的特性曲线等的显示测量。

知识1.2 电子测量的特点

电子测量技术与电子测量仪器的应用非常广泛，与其他测量方法和测量仪器相比有着无法比拟的众多优点，其主要特点如下。

1.频率范围宽

在电子测量中对电信号的测量，其频率覆盖范围极宽，除直流外，可从10-6～1012Hz。但不是同一台仪器能在这样宽的频率范围内工作。在不同的频率范围内，电子测量所依据的原理、采用的测量方法和使用的测量仪器也各不相同。随着电子技术的发展，单台仪器所覆盖的频率范围在不断扩大。

2.量程范围宽

量程是指测量范围的上、下限值之差。在电子测量中，被测量的量值大小相差很大，量程可达1012～1016量级，因而要求测量仪器具有足够宽的测量范围。

3.测量准确度高

电子测量的准确度比其他测量都高，但对于不同参数的测量，测量结果的准确度是不一样的，有些参数的测量准确度可以很高，而有些参数的测量准确度较低。其中频率和时间测量准确度可达到10-13量级，这是目前在测量准确度方面达到的最高指标。

4.测量速度快

由于电子测量是利用电子测量仪器完成的，因此其工作速度很高，几乎等同于电子运动和电磁波的传播速度，使得电子测量无论在测量速度，还是在测量结果的处理速度上，是其他测量方法不可比拟的。

5.便于实现遥测

电子测量可以把测量仪器或与它连接的传感器放到人类自身无法到达或不便长期停留的地方进行测量。通过传感器把现场所需测量的量转换成易于传输的电信号，用有线或无线的方式传送到测量控制中心，从而实现遥测和遥控。

6.可实现测量自动化

随着电子技术的迅速发展，特别是计算机技术的广泛应用，使电子测量仪器和设备呈现出崭新的局面。现在许多电子测量仪器都具备与外界交换信息的功能，从而可构成功能完善的自动测量系统，实现测量自动化。

知识1.3 电子测量的基本方法

测量的过程实际上是一个比较的过程。测量的任务就是通过实验的方法，将被测量（未知量）与已知标准量进行比较，以获得被测量的值。一个电参数的测量，可通过不同的测量方法来实现，测量方法选择的正确与否，直接关系到测量结果的准确度，也关系到测量工作的经济性和可行性。对于各种测量方法，可从不同角度进行分类。

1.按测量手段分类

按测量手段可分为直接测量、间接测量和组合测量。

（1）直接测量

不需经过任何计算，直接由测量仪器的读数获取被测量的值，这种测量方法称为直接测量。例如用电压表和电流表测量电压和电流、用欧姆表测量电阻等。直接测量的优点是测出的量值就是被测量本身的值，测量过程简单迅速，是工程测量中广泛应用的测量方法。缺点是受仪器基本误差的限制，测量准确度不高。

（2）间接测量

根据被测量和其他量的函数关系，先通过直接测量得到其他量，然后按函数关系式计算出被测量的值，这种测量方法称为间接测量。例如，用伏安法测量电阻或测量电功率、用测量电阻上的电压来得到电流等。间接测量的手续较多，当被测量不便于直接测量或缺少直接测量仪器时，可以采用间接测量的方法。

（3）组合测量

如果被测量与多个未知量有关，那么一次测量无法求得被测量的值，此时可通过改变测量条件进行多次测量，根据被测量与未知量的函数关系列出方程组来求解，进而得到被测量值，这种测量方法称为组合测量。组合测量的操作手续复杂，花费时间较长，多用于科学实验或一些特殊场合。

2.按测量方式分类

按测量方式分类可分为偏差式测量、零位式测量与微差式测量。

（1）偏差式测量

用仪表指针偏转的大小（即偏差）来确定被测量的值，这种测量方法称为偏差式测量。例如用指针式电压表和电流表测量电压和电流等。偏差式测量仪表的刻度事先用标准器具进行分度。在测量时，按照仪表指针在标尺上的示值，读出被测量的值。偏差式测量的优点是测量过程简单迅速，是工程测量中广泛应用的测量方法，其缺点是测量准确度较低。

（2）零位式测量

将被测量与已知标准量在比较仪器中进行比较，用指零仪表指示仪器的平衡状态，在指零仪表指零时，被测量与已知标准量相等，由已知标准量确定被测量的值，这种测量方法称为零位式测量。例如，用直流电桥测量电阻、用电位差计测量电动势等。零位式测量的优点是可以获得很高的测量精度，缺点是已知标准量必须连续可调，仪器造价高，测量过程用时较长，不适于测量变化较快的量。

（3）微差式测量

先将被测量与同其量值只有微小差值的已知标准量进行比较，再用偏差式测量法测量此差值，由此确定被测量的值，这种测量方法称为微差式测量。设X为被测量，N为标准量，Δ为二者之差，则X=N+Δ。例如用不平衡电桥测量电阻的变化量、电压的比较测量等。微差式测量适用于被测量变化较快、变化范围相对较小的场合，其优点是不需要调整标准量，测量速度快，测量精度高，特别适用于在线实时测量。

3.按测量性质分类

按测量性质可分为时域测量、频域测量和数据域测量。

（1）时域测量

时域测量用于测量交流电压、交流电流等随时间变化的量。对其稳态值、有效值，可用电压表、电流表等测量；对其瞬时值，可通过示波器观测其幅值随时间变化的关系。

（2）频域测量

频域测量用于测量信号所包含的频率分量、电路或系统的频率特性。通过频域测量可得出信号的频谱曲线、电路的频率特性曲线，以分析被测量幅值与频率之间的关系。

（3）数据域测量

数据域测量是指对数字量进行的测量。用具有多个输入通道的逻辑分析仪，可同时观测多位并行数据。如观测微处理器地址线、数据线上的信号，既可显示多路信号的时序波形，也可用“0”、“1”表示其逻辑状态。