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電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)內(nèi)容教學(xué)
在實(shí)際測(cè)量工作中，由于外界條件、儀器本身和觀測(cè)者技術(shù)水平等的不同，必然導(dǎo)致對(duì)同一測(cè)量對(duì)象進(jìn)行的若干次測(cè)量所得到的結(jié)果彼此不同，或在各觀測(cè)值與其理論值之間仍存在差異。
電子測(cè)量與儀器的基礎(chǔ)知識(shí)
教學(xué)目的要求：
1.明確電子測(cè)量的意義、內(nèi)容、特點(diǎn)和分類。
2.了解電子測(cè)量?jī)x器的分類和技術(shù)指標(biāo)。
3.掌握測(cè)量誤差的表示方法有:絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和容許誤差。
4.明確測(cè)量誤差按照性質(zhì)分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。
5.明確測(cè)量誤差的來源是多方面的。
6.明確測(cè)量結(jié)果常用有效數(shù)字來表示，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，遵循有效數(shù)字位數(shù)取舍和有效數(shù)字舍入規(guī)則進(jìn)行。
7.了解為了測(cè)得準(zhǔn)確的結(jié)果，一般要進(jìn)行多次測(cè)量，多次測(cè)量的算術(shù)平均值即測(cè)量值。數(shù)據(jù)處理過程中得到的不確定度具有測(cè)量誤差的含義，是測(cè)量誤差的極限值。不確定度越大，置信度越高，丟失真實(shí)數(shù)據(jù)的可能性越小。
教學(xué)重點(diǎn)：
1.電子測(cè)量的意義、內(nèi)容、特點(diǎn)和分類。
2.電子測(cè)量?jī)x器的分類和技術(shù)指標(biāo)。
3.測(cè)量誤差的表示方法
4.測(cè)量誤差的來源分析
5.有效數(shù)字及有效數(shù)字位數(shù)取舍和有效數(shù)字舍入規(guī)則。
6.測(cè)量數(shù)據(jù)的處理
教學(xué)難點(diǎn)：
1.測(cè)量誤差的表示方法與分類
2.測(cè)量誤差的來源分析
3.有效數(shù)字的處理
教學(xué)方法：
演講法、問題教學(xué)法、設(shè)計(jì)教學(xué)法、小組研討法、辯論法、座談研討等
教學(xué)過程
導(dǎo)入新課：
測(cè)量是應(yīng)用電子技術(shù)常常遇到的問題，本課程以生產(chǎn)實(shí)踐中普遍使用的通用儀器為典型儀器，介紹測(cè)量方法和技術(shù)。
新課內(nèi)容：
1.1電子測(cè)量概述
1.1.1電子測(cè)量的意義及內(nèi)容
1. 電子測(cè)量的意義
測(cè)量的目的就是取得用數(shù)值和單位共同表示的被測(cè)量的結(jié)果，是人們借助于專門的設(shè)備，依據(jù)一定的理論，通過實(shí)驗(yàn)的方法將被測(cè)量與已知同類標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較而取得測(cè)量結(jié)果。被測(cè)量的結(jié)果必須是帶有單位的有理數(shù)，例如，某測(cè)量結(jié)果為9.3V是正確的，而測(cè)得的結(jié)
19V果為9.3或3是錯(cuò)誤的。
廣義的電子測(cè)量是指利用電子技術(shù)進(jìn)行的測(cè)量。狹義的電子測(cè)量是指對(duì)電子技術(shù)中各種電參量所進(jìn)行的測(cè)量。
2.電子測(cè)量的內(nèi)容
狹義電子測(cè)量的內(nèi)容主要包括：
�。�1）能量的測(cè)量
能量的測(cè)量指的是對(duì)電流、電壓、功率、電場(chǎng)強(qiáng)度等參量的測(cè)量。
�。�2）電路參數(shù)的測(cè)量
電路參數(shù)的測(cè)量指的是對(duì)電阻、電感、電容、阻抗、品質(zhì)因數(shù)、損耗率等參量的測(cè)量。
�。�3）信號(hào)特性的測(cè)量
信號(hào)特性的測(cè)量指的是對(duì)頻率、周期、時(shí)間、相位、調(diào)制系數(shù)、失真度等參量的測(cè)量。
�。�4）電子設(shè)備性能的測(cè)量
電子設(shè)備性能的測(cè)量指的是對(duì)通頻帶、選擇性、放大倍數(shù)、衰減量、靈敏度、信噪比等參量的測(cè)量。
�。�5）特性曲線的測(cè)量
特性曲線的測(cè)量指的是對(duì)幅頻特性、相頻特性、器件特性等特性曲線的測(cè)量。
上述各種參量中，頻率、時(shí)間、電壓、相位、阻抗等是基本參量，其他的為派生參量，基本參量的測(cè)量是派生參量測(cè)量的基礎(chǔ)。電壓測(cè)量是最基本、最重要的測(cè)量?jī)?nèi)容。
非電量的測(cè)量屬于廣義電子測(cè)量的內(nèi)容，可以通過傳感器將非電量變換為電量后進(jìn)行測(cè)量。本書主要討論狹義電子測(cè)量?jī)?nèi)容。
1.1.2電子測(cè)量的特點(diǎn)
電子測(cè)量技術(shù)及電子測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用十分廣泛、發(fā)展十分迅速，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用，從某個(gè)意義來說，電子測(cè)量水平代表著一個(gè)國(guó)家的科技水平的高低。這是因?yàn)殡娮訙y(cè)量有著其他測(cè)量無法相比的眾多優(yōu)點(diǎn)。其特點(diǎn)如下：
（1）頻率范圍寬
電子測(cè)量的頻率范圍幾乎可以覆蓋整個(gè)電磁頻譜。從直流一直可達(dá)100GHz以上。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前還在向著更寬頻段乃至全頻段發(fā)展。
�。�2）量程廣
量程是指測(cè)量范圍的上限值和下限值之差。電子測(cè)量?jī)x器具有相當(dāng)寬的量程。如一臺(tái)高靈敏度的數(shù)字電壓表，可測(cè)出10nV至1kV以上的電壓，量程達(dá)11個(gè)數(shù)量級(jí)；而數(shù)字式頻率計(jì)的量程甚至可達(dá)17個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
�。�3）精確度高
電子測(cè)量的精確度比其他測(cè)量方法要精確的多，特別是對(duì)頻率和時(shí)間的測(cè)量，精確度可達(dá)到10～10量級(jí)，是目前物理量測(cè)量中最精確的測(cè)量方法。
�。�4）測(cè)量速度快
電子測(cè)量是通過電磁波的傳播和電子的運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行工作的，因而可實(shí)現(xiàn)高速度測(cè)量。
�。�5）便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控
電子測(cè)量可以通過有線或無線系統(tǒng)把測(cè)量?jī)x器或儀器的傳感器深入到人體不便于或無法進(jìn)入的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行遙測(cè)遙控，這是電子測(cè)量的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。
（6）易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程自動(dòng)化
大規(guī)模集成電路和微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為電子測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合提供了有利條件，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程的自動(dòng)化與智能化。
1.1.3電子測(cè)量方法
測(cè)量結(jié)果可以通過不同的測(cè)量方法來取得。電子測(cè)量的方法有很多種，如直接測(cè)量、間接測(cè)量與組合測(cè)量等。
�。�1）直接測(cè)量
直接測(cè)量是指借助于測(cè)量?jī)x器等設(shè)備可以直接獲得測(cè)量結(jié)果的測(cè)量方法，例如用電壓表測(cè)電壓等。
�。�2）間接測(cè)量
間接測(cè)量是指對(duì)幾個(gè)與被測(cè)量有確定函數(shù)關(guān)系的物理量進(jìn)行直接測(cè)量，然后通過公式計(jì)算或查表等求出被測(cè)量的測(cè)量。伏安法測(cè)量電阻R的方法即屬于間接測(cè)量法，它是先測(cè)出流過電阻的電流I及電阻兩端的電壓V后，再利用公式來測(cè)量電阻值R。
�。�3）組合測(cè)量
組合測(cè)量是建立在直接測(cè)量和間接測(cè)量基礎(chǔ)上的測(cè)量方法，無法通過直接測(cè)量或間接測(cè)量得出被測(cè)量的結(jié)果，需要改變測(cè)量條件進(jìn)行多次測(cè)量，然后按被測(cè)量與有關(guān)未知量間的函數(shù)關(guān)系組成聯(lián)立方程組，求解方程組得出有關(guān)未知量，最后將未知量代入函數(shù)式而得出測(cè)量結(jié)果。例如測(cè)量在任意環(huán)境溫度t°C時(shí)某電阻的阻值，已知任意溫度下電阻阻值的計(jì)算式為： -13-14
Rt=R20+α(t-20)+β(t-20)2
式中，Rt、R20分別為環(huán)境溫度為t°C、20°C時(shí)的電阻值；α、β為電阻溫度系數(shù)，α、β與R20均為不受溫度影響的未知量。
顯然，可以利用直接測(cè)量或間接測(cè)量的方法測(cè)出某溫度下電阻阻值，而以直接測(cè)量或間
接測(cè)量法測(cè)出任意溫度下電阻阻值是不現(xiàn)實(shí)的。如果改變測(cè)試溫度，分別測(cè)出三種不同測(cè)試溫度下的電阻值，帶入上述公式，求解由此得到的聯(lián)立方程組得出未知量α、β、R20后，帶入上式即可得出任意溫度下電阻阻值。
電子測(cè)量的方法還有很多，如人工測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量；動(dòng)態(tài)測(cè)量和靜態(tài)測(cè)量；精密測(cè)量和工程測(cè)量；低頻測(cè)量、高頻測(cè)量和超高頻測(cè)量；模擬測(cè)量（分為時(shí)域測(cè)量和頻域測(cè)量）和數(shù)據(jù)域測(cè)量等等。
測(cè)量時(shí)應(yīng)對(duì)被測(cè)量的物理特性、測(cè)量允許時(shí)間、測(cè)量精度要求以及經(jīng)費(fèi)情況等方面進(jìn)行綜合考慮，結(jié)合現(xiàn)有的儀器、設(shè)備條件，擇優(yōu)選取合適的測(cè)量方法。
1.2電子測(cè)量?jī)x器的基本知識(shí)
1.2.1電子測(cè)量?jī)x器的分類
測(cè)量中用到的各種電子儀表、電子儀器及輔助設(shè)備統(tǒng)稱為電子測(cè)量?jī)x器。電子測(cè)量?jī)x器種類繁多，主要包括通用儀器和專用儀器兩大類。專用儀器是為特定目的專門設(shè)計(jì)制作的，適于特定對(duì)象的測(cè)量。通用儀器是指應(yīng)用面廣、靈活性好的測(cè)量?jī)x器。
按照儀器功能，通用電子測(cè)量?jī)x器分為以下幾類：
�。�1）信號(hào)發(fā)生器（信號(hào)源）
信號(hào)發(fā)生器是在電子測(cè)量中提供符合一定技術(shù)要求的電信號(hào)產(chǎn)生儀器，如正弦信號(hào)發(fā)生器、脈沖信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等。
（2）電壓測(cè)量?jī)x器
電壓測(cè)量?jī)x器是用于測(cè)量信號(hào)電壓的儀器，如低頻毫伏表、高頻毫伏表、數(shù)字電壓表等。
（3）示波器
示波器是用于顯示信號(hào)波形的儀器，如通用示波器、取樣示波器、記憶存儲(chǔ)示波器等。
�。�4）頻率測(cè)量?jī)x器
頻率測(cè)量?jī)x器是用于測(cè)量信號(hào)頻率、周期等的儀器，如指針式、數(shù)字式頻率計(jì)等。
�。�5）電路參數(shù)測(cè)量?jī)x器
電路參數(shù)測(cè)量?jī)x器是用于測(cè)量電阻、電感、晶體管放大倍數(shù)等電路參數(shù)的儀器，如電橋、Q表、晶體管特性圖示儀等。
�。�6）信號(hào)分析儀器
信號(hào)分析儀器是用于測(cè)量信號(hào)非線性失真度、信號(hào)頻譜特性等的儀器，如失真度測(cè)試儀、頻譜儀等。
�。�7）模擬電路特性測(cè)試儀
模擬電路特性測(cè)試儀是用于分析模擬電路幅頻特性、噪聲特性等的儀器，如掃頻儀、噪聲系數(shù)測(cè)試儀等。
�。�8）數(shù)字電路特性測(cè)試儀
數(shù)字電路特性測(cè)試儀是用于分析數(shù)字電路邏輯特性等的儀器，如邏輯分析儀、特征分析儀等，是數(shù)據(jù)域測(cè)量不可缺少的儀器。
測(cè)量時(shí)應(yīng)根據(jù)測(cè)量要求，參考被測(cè)量與測(cè)量?jī)x器的有關(guān)指標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)有測(cè)量條件及經(jīng)濟(jì)狀況，盡量選用功能相符、使用方便的儀器。
1.2.2電子測(cè)量?jī)x器的主要技術(shù)指標(biāo)
電子測(cè)量?jī)x器的技術(shù)指標(biāo)主要包括頻率范圍、準(zhǔn)確度、量程與分辨力、穩(wěn)定性和可靠性、環(huán)境條件、響應(yīng)特性以及輸入輸出特性等。
�。�1）頻率范圍
頻率范圍是指能保證儀器其他指標(biāo)正常工作的有效頻率范圍。
�。�2）準(zhǔn)確度
測(cè)量準(zhǔn)確度又稱為測(cè)量精度，它描述的是由于測(cè)量結(jié)果在測(cè)量過程中受各種因素的影響而產(chǎn)生的與被測(cè)量真實(shí)值間的差異程度，即測(cè)量誤差。
測(cè)量準(zhǔn)確度通常以容許誤差或不確定度的形式給出。不確定度是指在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程中，為了避免丟失真實(shí)數(shù)據(jù)而人為擴(kuò)大的測(cè)量誤差，由于它在一定程度上能反映出測(cè)量數(shù)據(jù)的可信程度而得名，不確定度的數(shù)值越大，丟失真實(shí)數(shù)據(jù)的可能性越小，即可信度越高。容許誤差是為了描述測(cè)量?jī)x器的測(cè)量準(zhǔn)確度而規(guī)定的，利用儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，允許儀器產(chǎn)生的最大誤差。
（3）量程與分辨力
量程是指測(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍。分辨力是指通過儀器所能直接反映出的被測(cè)量變化的最小值，即指針式儀表刻度盤標(biāo)尺上最小刻度代表的被測(cè)量大小或數(shù)字儀表最低位的“1”所表示的被測(cè)量大小。同一儀器不同量程的分辨力不同，通常以儀器最小量程的分辨力（最高分辨力）作為儀器的分辨力。
�。�4）穩(wěn)定性與可靠性
穩(wěn)定性是指在一定的工作條件下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，儀器保持指示值或供給值不變的能力。可靠性是指儀器在規(guī)定的條件下，完成規(guī)定功能的可能性，是反映儀器是否耐用的一種綜合性和統(tǒng)計(jì)性質(zhì)量指標(biāo)。
�。�5）環(huán)境條件
環(huán)境條件即保證測(cè)量?jī)x器正常工作的工作環(huán)境，例如基準(zhǔn)工作條件，正常工作條件，額定工作條件等。
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