理論篇

第1章 緒論

1.1 電子測量概述

1.1.1 測量與電子測量的定義

1.測量

測量是通過實驗方法對客觀世界獲取定量信息的過程。測量也是用數字語言來描述周圍世界，揭示客觀世界規律，進而改造世界的重要手段。測量的具體操作是將被測量與標準量相比較，以確定被測量與選定單位的比值。這個比值與所選單位結合起來，構成測得值。

2.電子測量

廣義來說，凡是利用電子技術進行的測量都是電子測量。狹義地說，電子測量是電子學中有關電的參量的測量。

1.1.2 電子測量的特點

與其他測量相比，電子測量具有以下幾個明顯的特點。

1）測量速度快

由于電子測量采用了電子技術，測量速度較快，這對于某些要求快速測量和實時測控的系統來說是非常重要的。例如，導彈的發射和運行過程的測控，工業生產上的“在線測量”等都需要快速的測量。

2）頻率測試范圍寬

測試范圍是指能檢測到的信號頻率的最小值和最大值的范圍。電子測量儀器可以檢測出非常寬的頻率范圍，除了測量直流電參量外，還可以測量交流電參量，其頻率范圍可低至10-4Hz，高至數THz（1THz=1012Hz，讀作太赫茲）。不同頻段的測量原理、方法和儀器可能不同。隨著電子技術的發展，電子元器件性能的提高，電子測量儀器的工作頻率也在不斷提高。

3）測量儀器的量程廣

要測量的電量大小往往相差很大，因而電子測量儀器必須具有寬廣的量程。量程是測量范圍的上、下限值之差或上、下限值之比。隨著電子測量技術的不斷發展，單臺測量儀器的量程可以達到很高。例如，高檔次的數字電壓表直接測量電阻值，由3×10-5Ω到3×108Ω，量程為1∶1013。較完善的電子計數式頻率計，其量程達1∶1017。

4）測量的精確度高

電子儀器的測量精確度可達到較高水平。長度測量的最高精確度達10-8量級，力學測量的最高精確度達10-9量級，而對頻率和時間的測量，由于采用了原子頻標作為基準，使測量的精確度可達到10-13～10-14量級。

5）易于實現遙控

電子測量可以通過各種類型的傳感器實現遙控、遙測。例如，對于遠距離、環境惡劣，以及人體不便接觸或無法達到的區域（如人造衛星、深海、核反應堆內等），可通過傳感器或通過電磁波、光輻射方式進行測量。

6）易于實現測量過程的自動化和測量儀器的智能化

電子測量的測量結果和它所需要的控制信號都是電信號，非常有利于直接或通過模/數轉換與計算機相連，實現自動記錄、數據運算和分析處理。計算機測試技術則更是充分利用計算機的優勢，在計算機上創建智能儀器和智能專家系統，大大增強了儀器的功能，降低了儀器的構建成本。

7）測量誤差較難處理

任何測量都不可避免會有誤差，如果不能準確地確定誤差或誤差范圍的大小，就無法衡量測量結果的準確程度及可靠性，從而也就失去了測量的意義和價值。電子測量儀器及被測對象所包含的各種元器件往往較多，因此，容易受各種外界因素（如環境溫度、濕度、電源電壓、外界電磁干擾等）的影響，而且測量儀器內部各元器件之間，測量儀器與被測電路之間均存在著寄生電容、電感、電導等不良影響。同時，實際測量時又難以獲得大量的采樣值，也就難以了解誤差的概率分布規律，使得誤差處理復雜化，難以控制、分析和處理各種測量誤差。

1.1.3 電子測量技術的常用術語

凡是應用電子技術制成的儀器統稱為電子儀器。而用于測量電磁參量的電子儀器稱為電子測量儀器。電子測量與電子儀器的常用名詞術語如下所述。

1）頻域測量

頻域測量主要研究被測量與頻率之間的關系。在頻域測量中基本不考慮時間因數，在測量過程中系統處于穩定狀態，故又稱穩態測量。例如，利用頻譜儀測量調幅波，可得到信號所含各頻率分量及其幅值。

2）時域測量

時域測量主要研究被測量與時間之間的關系。由于時域測量研究系統的瞬變過程，故又稱瞬態測量。例如，用示波器觀測信號波形與參數及動態和暫態過程等。

3）數據域測量

數據域測量主要研究數據流中數據或狀態與變量事件的關系。數據域測量主要應用于數字電路、微機系統的測試和故障診斷。例如，利用邏輯分析儀觀測觸發字條件下的數據過程。

4）測試

測試是測量和試驗（包含控制過程）全過程的總稱。利用微機和多種精密可控儀器組成的自動測試系統就是現代測試的典型范例。

5）正弦測試技術

正弦測試技術是利用正弦信號作為系統的激勵信號，從而對系統的參量與特性進行測試的技術。頻域測量的主要測試技術就是正弦測試技術，例如，電路參數測量，以及系統的增益、衰減、相位差、失真、諧波分析和頻率特性的測量等。

6）脈沖測試技術

脈沖測試技術利用階躍脈沖或方波信號作為系統的激勵信號，對系統參量和特性進行測試的技術。

7）噪聲測量

噪聲測量是研究噪聲參量和在噪聲背景下信號的測量。噪聲測量包含噪聲本身參量（或稱統計特性）的測量；利用已知特性的噪聲信號作為激勵信號，對系統特性的測量；在噪聲背景下信號的精確檢測與估計三個方面。

8）噪聲測試技術

噪聲測試技術是利用已知參量的噪聲信號或偽隨機測試信號激勵被測系統，對系統特性進行測試的技術。由于噪聲可視為含有無窮多個不同頻率、相位、幅度的正弦波的集合，因此，用噪聲激勵系統相當于給系統加無窮多個測試正弦信號，所以，可以直接給出系統的動態測試系統。

9）技術測量

技術測量是在生產中使用各種量具和儀器，使用正確的測量和檢驗方法，測量的結果只給出誤差不超過多少，或是否合格，而不給出具體測量值與誤差的一種實用測量。

1.1.4 電子測量的內容

電子測量的內容是相當廣泛的，主要包括以下內容。

1）電能量的測量

其參數包括電流、電壓、功率、電場強度、電磁干擾及噪聲等。

2）電子元件和電路參數的測量

其參數包括電阻、電容、電感、阻抗、品質因數、介質損耗、介電常數及磁導率等。

3）電信號特性的測量

其參數包括頻率、周期、時間、相位、波形參數、脈沖參數、調制參數、頻譜、失真度、信/噪比、數字信號的邏輯狀態等。

4）電子電路性能的測量

其參數包括增益或衰減、頻率特性、靈敏度、分辨力、噪聲系數、反射系數、晶體管的β值等。

在上述各種電參數中，頻率、時間、電壓、相位、阻抗是基本的電參量，其他許多派生參數的測量都是以它們為基礎進行的。

1.2 計量與標準

1.計量學與計量工作者

計量是為了保證量值的統一和準確一致的一種測量。計量學是一種處理測量的科學。校準機構常稱為計量實驗室，主要從事校準業務的人員稱為“計量工作者”。

2.標準

標準可分為測量標準、參考標準、工作標準、實物標準、固有標準、協議標準和行業認可標準等。

測量標準是用來校準測量和測試設備或其他測量標準的計量器具。

參考標準是在校準機構中提供的用于特定測量功能的最高水平測量標準。通常指由外部機構校準的標準。大多數參考標準的應用局限于本地的最高校準水平。

工作標準（有時又稱傳遞標準）是其特性由直接比較或通過校準鏈針對參考標準加以確定的測量標準。儀表校準就是工作標準的一種常見類型。

實物標準是由物理實體表現的測量標準。實物標準的常見例子包括電阻、電容、電感和電壓標準。

固有標準是不需要外部校準的測量標準。例如，碘穩定的氦-氖激光長度標準和銫束頻率標準。

協議標準是指沒有對基本測量單位明確溯源性而被廣泛接受的實物或過程。行業認可標準是被業界完全接受的協議標準。

1.3 校準

校準是將精度為未知和未經驗定的某個測量設備與具有已知特性的標準測量設備進行比較的過程。校準的目的是要確保測量設備工作在其制造商規定的極限容差范圍內、確定測量設備的特性或確保測量設備具有完成其預定任務所需的精度。

校準類型包括兩個基本校準類型，即報告型校準和極限容差型校準。

1.3.1 校準要求

當用戶要求用測量設備取得的數據有一定的置信度時，就應特別重視儀器的校準。大多數測量設備既要求初始校準，又要求周期校準，以維持所要求的精度。許多電子測試設備制造商都提供了為維持規定性能所需的校準之間時間間隔的建議。

實際上，許多測量設備的擁有者或用戶只在他們感到故障明顯并需要修理時，才將設備送交后續校準。例行校準通常只在有關規定的強迫下才能執行。由于用戶不情愿接受校準服務，故往往需要監督和強制執行制度，以保證規定得到具體落實。

1.3.2 校準方法

校準是將標準儀器與測試儀器進行比較的過程。完成這一比較有以下兩個基本方法：直接比較和間接比較。

1.直接比較校準

直接比較校準的基本方法如圖1.1所示，其中，儀表或發生器是測試儀器，所需的標準是相對的。若測試儀器是一個儀表，則需要一臺標準發生器。若測試儀器是一臺發生器，則需要一個標準儀表。變換器的校準既需要發生器標準，又需要儀表標準。

當測試儀器是儀表時，發生器將已知激勵加到儀表上。儀表指示與已知發生器電平之比可以確定儀表誤差的數值大小。通過標準值的確定性，以及測試儀器的分辨率和重復性，就可以簡單地得出測量的不確定度。如果要驗證極限容差，可以將記錄下的標稱值的偏差同容許的性能極限比較。若記錄下的偏差超過容許量，儀器便認為是超出容差。當測試儀器是發生器而標準儀器是儀表時，可以相反方式應用同一原理。

2.間接比較

間接比較是將標準與類似測試儀器進行比較的校準方法。換句話說，就是將標準儀表與測試儀表進行比較，將標準發生器與測試發生器進行比較，以及將標準變換器與測試變換器進行比較。

若測試儀器是儀表，則將同一激勵同時加到測試儀表和標準儀表上，校準測試包括將測試儀表的指示與標準儀表的指示相比較。除在比較過程中信號源激勵必須具有所需的穩定度之外，其實際大小并不重要。

1.4 儀器技術指標與校準測試

可供用戶用來確定測量的精度的途徑是制造商的技術指標和校準，這些內容在數據報告單上都可以找到。若已實施了極限容差校準，則儀器技術指標便是進行不確定度分析的唯一可利用的手段。在涉及校準的地方，儀器技術指標便是測試要求的依據。儀器的技術指標可以分為以下四類。

（1）非實用性指標。這是指為購買者所關心但不影響測量功能的一些指標，如儀器的尺寸和質量。

（2）評估指標。這是指在購買之前可能需要一次性證實的一些指標，如溫度和濕度性能特性。

（3）軟指標。這是指可測量但不認為是關鍵指標或通過對其他功能進行性能測試可以間接檢定的一些指標，如輸入阻抗。

（4）硬指標。這是要求進行周期檢定的一些指標，如精度、線性、漂移等。

對于一個校準方案，主要的質量控制工作要求有以下兩點。

（1）必須有文件記錄，說明按照規定的標準進行了哪些測試及待定的極限容差。

（2）設備用戶要明確哪些性能特性是校準過程不進行檢定的。

盡管測量設備類型之間存在差異，但校準性能測試通常包括以下內容。

（1）對于設備的每個工作范圍和每項功能，在接近設備的滿量程的某一電平上的基本精度或靈敏度。若設備是一臺交流測量設備，測試便在選定的參考頻率上進行。

（2）在至少一個量程上針對整個量程的線性測試。所需的線性測試次數取決于儀器類型、極限容差和設備的應用。

（3）在整個使用的頻率范圍（交流測量儀器）內，針對基本精度和靈敏度的頻率響應測試。