電子測(cè)量?jī)x器研究及測(cè)量誤差分析

殷長(zhǎng)城 陳懿 臧振坤 周宇航 安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院

引言

按照我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類標(biāo)準(zhǔn)，儀器儀表大行業(yè)包括儀器儀表及計(jì)量器具等20多個(gè)專業(yè)類別，即工業(yè)自動(dòng)化儀表、電工儀器儀表、光學(xué)儀器、計(jì)時(shí)儀器、導(dǎo)航制導(dǎo)儀器、分析儀器、試驗(yàn)機(jī)、實(shí)驗(yàn)室儀器、通用儀器儀表元器件、農(nóng)林牧漁儀器儀表、地質(zhì)地震儀器、氣象海洋及水文天文儀器、核儀器、醫(yī)療儀器及設(shè)備、電子測(cè)量?jī)x器、傳遞標(biāo)準(zhǔn)用計(jì)量?jī)x器、衡器、船用儀表、汽車(chē)用儀表及其它通用儀器儀表等。按產(chǎn)品的主要服務(wù)對(duì)象和領(lǐng)域分，通常把儀器儀表大行業(yè)概括為生產(chǎn)過(guò)程測(cè)量控制儀表及系統(tǒng)、科學(xué)測(cè)試儀器、專用儀器儀表、儀表材料和元器件四大類。

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(mén)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。

2 電子測(cè)量?jī)x器的技術(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(guò)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。

(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(guò)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(pán)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。

(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?？煽啃允侵竷x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，正常條件，額定工作條件等。

(6）響應(yīng)特性

一般說(shuō)來(lái)，儀器的響應(yīng)特性是指輸出的某個(gè)特征量與其輸入的某個(gè)特征量之間的響應(yīng)關(guān)系或驅(qū)動(dòng)量與被驅(qū)動(dòng)量之間的關(guān)系。例如峰值檢波器的響應(yīng)特性為檢波器輸出的平均值約等于交流輸入信號(hào)的峰值。

(7）輸入特性與輸出特性

輸入特性主要包括測(cè)量?jī)x器的輸入阻抗、輸入形式等。輸出特性主要包括測(cè)量結(jié)果的指示方式、輸出電平、輸出阻抗、輸出形式等。

3 測(cè)量誤差

測(cè)量的目的是得到被測(cè)量的真實(shí)結(jié)果，即真值，但由于人們對(duì)客觀規(guī)律認(rèn)識(shí)的局限性，不可能得到被測(cè)量的真值。測(cè)量值與被測(cè)量真值之間的差異稱為測(cè)量誤差。

測(cè)量誤差的表示方法有三種：絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和容許誤差。

測(cè)量所得的測(cè)量值x與真值A(chǔ)0之差稱為絕對(duì)誤差，用Δx表示，即：

式中，x稱為被測(cè)量的給出值、示值或測(cè)量值，習(xí)慣上統(tǒng)稱為示值；A0稱為被測(cè)量的真值。注意示值和儀器的讀數(shù)是有區(qū)別的，讀數(shù)是從儀器刻度盤(pán)、顯示器等讀數(shù)裝置上直接讀到的數(shù)字，而示值則是由儀器刻度盤(pán)、顯示器上的讀數(shù)經(jīng)換算而成的。

真值A(chǔ)0是一個(gè)理想的概念，實(shí)際上是不可能得到的，通常用高一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)儀器或計(jì)量器具所測(cè)得的測(cè)量值A(chǔ)來(lái)代替，A稱為被測(cè)量的實(shí)際值。

絕對(duì)誤差的計(jì)算式為：

絕對(duì)誤差的正負(fù)號(hào)表示測(cè)量值偏離實(shí)際值的方向，即偏大或偏小。絕對(duì)誤差的大小則反映出測(cè)量值偏離實(shí)際值的程度。

修正值與絕對(duì)誤差大小相等、符號(hào)相反的量值，稱為修正值，用C表示，即

修正值通常是在用高一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)測(cè)量?jī)x器校準(zhǔn)時(shí)給出的。當(dāng)?shù)玫綔y(cè)量值x后，要對(duì)測(cè)量值x進(jìn)行修正得出被測(cè)量的實(shí)際值，即：

修正值有時(shí)給出的方式不一定是具體數(shù)值，也可能是一條曲線或一張表格，和絕對(duì)誤差一樣都有大小、符號(hào)及量綱。

4 結(jié)論

本文主要討論了電子測(cè)量的基本知識(shí)，簡(jiǎn)要介紹了電子測(cè)量?jī)x器的分類和技術(shù)指標(biāo)。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(guò)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。