理论篇

第1章 绪论

1.1 电子测量概述

1.1.1 测量与电子测量的定义

1.测量

测量是通过实验方法对客观世界获取定量信息的过程。测量也是用数字语言来描述周围世界，揭示客观世界规律，进而改造世界的重要手段。测量的具体操作是将被测量与标准量相比较，以确定被测量与选定单位的比值。这个比值与所选单位结合起来，构成测得值。

2.电子测量

广义来说，凡是利用电子技术进行的测量都是电子测量。狭义地说，电子测量是电子学中有关电的参量的测量。

1.1.2 电子测量的特点

与其他测量相比，电子测量具有以下几个明显的特点。

1）测量速度快

由于电子测量采用了电子技术，测量速度较快，这对于某些要求快速测量和实时测控的系统来说是非常重要的。例如，导弹的发射和运行过程的测控，工业生产上的“在线测量”等都需要快速的测量。

2）频率测试范围宽

测试范围是指能检测到的信号频率的最小值和最大值的范围。电子测量仪器可以检测出非常宽的频率范围，除了测量直流电参量外，还可以测量交流电参量，其频率范围可低至10-4Hz，高至数THz（1THz=1012Hz，读作太赫兹）。不同频段的测量原理、方法和仪器可能不同。随着电子技术的发展，电子元器件性能的提高，电子测量仪器的工作频率也在不断提高。

3）测量仪器的量程广

要测量的电量大小往往相差很大，因而电子测量仪器必须具有宽广的量程。量程是测量范围的上、下限值之差或上、下限值之比。随着电子测量技术的不断发展，单台测量仪器的量程可以达到很高。例如，高档次的数字电压表直接测量电阻值，由3×10-5Ω到3×108Ω，量程为1∶1013。较完善的电子计数式频率计，其量程达1∶1017。

4）测量的精确度高

电子仪器的测量精确度可达到较高水平。长度测量的最高精确度达10-8量级，力学测量的最高精确度达10-9量级，而对频率和时间的测量，由于采用了原子频标作为基准，使测量的精确度可达到10-13～10-14量级。

5）易于实现遥控

电子测量可以通过各种类型的传感器实现遥控、遥测。例如，对于远距离、环境恶劣，以及人体不便接触或无法达到的区域（如人造卫星、深海、核反应堆内等），可通过传感器或通过电磁波、光辐射方式进行测量。

6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器的智能化

电子测量的测量结果和它所需要的控制信号都是电信号，非常有利于直接或通过模/数转换与计算机相连，实现自动记录、数据运算和分析处理。计算机测试技术则更是充分利用计算机的优势，在计算机上创建智能仪器和智能专家系统，大大增强了仪器的功能，降低了仪器的构建成本。

7）测量误差较难处理

任何测量都不可避免会有误差，如果不能准确地确定误差或误差范围的大小，就无法衡量测量结果的准确程度及可靠性，从而也就失去了测量的意义和价值。电子测量仪器及被测对象所包含的各种元器件往往较多，因此，容易受各种外界因素（如环境温度、湿度、电源电压、外界电磁干扰等）的影响，而且测量仪器内部各元器件之间，测量仪器与被测电路之间均存在着寄生电容、电感、电导等不良影响。同时，实际测量时又难以获得大量的采样值，也就难以了解误差的概率分布规律，使得误差处理复杂化，难以控制、分析和处理各种测量误差。

1.1.3 电子测量技术的常用术语

凡是应用电子技术制成的仪器统称为电子仪器。而用于测量电磁参量的电子仪器称为电子测量仪器。电子测量与电子仪器的常用名词术语如下所述。

1）频域测量

频域测量主要研究被测量与频率之间的关系。在频域测量中基本不考虑时间因数，在测量过程中系统处于稳定状态，故又称稳态测量。例如，利用频谱仪测量调幅波，可得到信号所含各频率分量及其幅值。

2）时域测量

时域测量主要研究被测量与时间之间的关系。由于时域测量研究系统的瞬变过程，故又称瞬态测量。例如，用示波器观测信号波形与参数及动态和暂态过程等。

3）数据域测量

数据域测量主要研究数据流中数据或状态与变量事件的关系。数据域测量主要应用于数字电路、微机系统的测试和故障诊断。例如，利用逻辑分析仪观测触发字条件下的数据过程。

4）测试

测试是测量和试验（包含控制过程）全过程的总称。利用微机和多种精密可控仪器组成的自动测试系统就是现代测试的典型范例。

5）正弦测试技术

正弦测试技术是利用正弦信号作为系统的激励信号，从而对系统的参量与特性进行测试的技术。频域测量的主要测试技术就是正弦测试技术，例如，电路参数测量，以及系统的增益、衰减、相位差、失真、谐波分析和频率特性的测量等。

6）脉冲测试技术

脉冲测试技术利用阶跃脉冲或方波信号作为系统的激励信号，对系统参量和特性进行测试的技术。

7）噪声测量

噪声测量是研究噪声参量和在噪声背景下信号的测量。噪声测量包含噪声本身参量（或称统计特性）的测量；利用已知特性的噪声信号作为激励信号，对系统特性的测量；在噪声背景下信号的精确检测与估计三个方面。

8）噪声测试技术

噪声测试技术是利用已知参量的噪声信号或伪随机测试信号激励被测系统，对系统特性进行测试的技术。由于噪声可视为含有无穷多个不同频率、相位、幅度的正弦波的集合，因此，用噪声激励系统相当于给系统加无穷多个测试正弦信号，所以，可以直接给出系统的动态测试系统。

9）技术测量

技术测量是在生产中使用各种量具和仪器，使用正确的测量和检验方法，测量的结果只给出误差不超过多少，或是否合格，而不给出具体测量值与误差的一种实用测量。

1.1.4 电子测量的内容

电子测量的内容是相当广泛的，主要包括以下内容。

1）电能量的测量

其参数包括电流、电压、功率、电场强度、电磁干扰及噪声等。

2）电子元件和电路参数的测量

其参数包括电阻、电容、电感、阻抗、品质因数、介质损耗、介电常数及磁导率等。

3）电信号特性的测量

其参数包括频率、周期、时间、相位、波形参数、脉冲参数、调制参数、频谱、失真度、信/噪比、数字信号的逻辑状态等。

4）电子电路性能的测量

其参数包括增益或衰减、频率特性、灵敏度、分辨力、噪声系数、反射系数、晶体管的β值等。

在上述各种电参数中，频率、时间、电压、相位、阻抗是基本的电参量，其他许多派生参数的测量都是以它们为基础进行的。

1.2 计量与标准

1.计量学与计量工作者

计量是为了保证量值的统一和准确一致的一种测量。计量学是一种处理测量的科学。校准机构常称为计量实验室，主要从事校准业务的人员称为“计量工作者”。

2.标准

标准可分为测量标准、参考标准、工作标准、实物标准、固有标准、协议标准和行业认可标准等。

测量标准是用来校准测量和测试设备或其他测量标准的计量器具。

参考标准是在校准机构中提供的用于特定测量功能的最高水平测量标准。通常指由外部机构校准的标准。大多数参考标准的应用局限于本地的最高校准水平。

工作标准（有时又称传递标准）是其特性由直接比较或通过校准链针对参考标准加以确定的测量标准。仪表校准就是工作标准的一种常见类型。

实物标准是由物理实体表现的测量标准。实物标准的常见例子包括电阻、电容、电感和电压标准。

固有标准是不需要外部校准的测量标准。例如，碘稳定的氦-氖激光长度标准和铯束频率标准。

协议标准是指没有对基本测量单位明确溯源性而被广泛接受的实物或过程。行业认可标准是被业界完全接受的协议标准。

1.3 校准

校准是将精度为未知和未经验定的某个测量设备与具有已知特性的标准测量设备进行比较的过程。校准的目的是要确保测量设备工作在其制造商规定的极限容差范围内、确定测量设备的特性或确保测量设备具有完成其预定任务所需的精度。

校准类型包括两个基本校准类型，即报告型校准和极限容差型校准。

1.3.1 校准要求

当用户要求用测量设备取得的数据有一定的置信度时，就应特别重视仪器的校准。大多数测量设备既要求初始校准，又要求周期校准，以维持所要求的精度。许多电子测试设备制造商都提供了为维持规定性能所需的校准之间时间间隔的建议。

实际上，许多测量设备的拥有者或用户只在他们感到故障明显并需要修理时，才将设备送交后续校准。例行校准通常只在有关规定的强迫下才能执行。由于用户不情愿接受校准服务，故往往需要监督和强制执行制度，以保证规定得到具体落实。

1.3.2 校准方法

校准是将标准仪器与测试仪器进行比较的过程。完成这一比较有以下两个基本方法：直接比较和间接比较。

1.直接比较校准

直接比较校准的基本方法如图1.1所示，其中，仪表或发生器是测试仪器，所需的标准是相对的。若测试仪器是一个仪表，则需要一台标准发生器。若测试仪器是一台发生器，则需要一个标准仪表。变换器的校准既需要发生器标准，又需要仪表标准。

当测试仪器是仪表时，发生器将已知激励加到仪表上。仪表指示与已知发生器电平之比可以确定仪表误差的数值大小。通过标准值的确定性，以及测试仪器的分辨率和重复性，就可以简单地得出测量的不确定度。如果要验证极限容差，可以将记录下的标称值的偏差同容许的性能极限比较。若记录下的偏差超过容许量，仪器便认为是超出容差。当测试仪器是发生器而标准仪器是仪表时，可以相反方式应用同一原理。

2.间接比较

间接比较是将标准与类似测试仪器进行比较的校准方法。换句话说，就是将标准仪表与测试仪表进行比较，将标准发生器与测试发生器进行比较，以及将标准变换器与测试变换器进行比较。

若测试仪器是仪表，则将同一激励同时加到测试仪表和标准仪表上，校准测试包括将测试仪表的指示与标准仪表的指示相比较。除在比较过程中信号源激励必须具有所需的稳定度之外，其实际大小并不重要。

1.4 仪器技术指标与校准测试

可供用户用来确定测量的精度的途径是制造商的技术指标和校准，这些内容在数据报告单上都可以找到。若已实施了极限容差校准，则仪器技术指标便是进行不确定度分析的唯一可利用的手段。在涉及校准的地方，仪器技术指标便是测试要求的依据。仪器的技术指标可以分为以下四类。

（1）非实用性指标。这是指为购买者所关心但不影响测量功能的一些指标，如仪器的尺寸和质量。

（2）评估指标。这是指在购买之前可能需要一次性证实的一些指标，如温度和湿度性能特性。

（3）软指标。这是指可测量但不认为是关键指标或通过对其他功能进行性能测试可以间接检定的一些指标，如输入阻抗。

（4）硬指标。这是要求进行周期检定的一些指标，如精度、线性、漂移等。

对于一个校准方案，主要的质量控制工作要求有以下两点。

（1）必须有文件记录，说明按照规定的标准进行了哪些测试及待定的极限容差。

（2）设备用户要明确哪些性能特性是校准过程不进行检定的。

尽管测量设备类型之间存在差异，但校准性能测试通常包括以下内容。

（1）对于设备的每个工作范围和每项功能，在接近设备的满量程的某一电平上的基本精度或灵敏度。若设备是一台交流测量设备，测试便在选定的参考频率上进行。

（2）在至少一个量程上针对整个量程的线性测试。所需的线性测试次数取决于仪器类型、极限容差和设备的应用。

（3）在整个使用的频率范围（交流测量仪器）内，针对基本精度和灵敏度的频率响应测试。