電子測量儀器研究及測量誤差分析

殷長城 陳懿 臧振坤 周宇航 安徽工程大學機械與汽車工程學院

引言

按照我國國民經濟行業(yè)分類標準，儀器儀表大行業(yè)包括儀器儀表及計量器具等20多個專業(yè)類別，即工業(yè)自動化儀表、電工儀器儀表、光學儀器、計時儀器、導航制導儀器、分析儀器、試驗機、實驗室儀器、通用儀器儀表元器件、農林牧漁儀器儀表、地質地震儀器、氣象海洋及水文天文儀器、核儀器、醫(yī)療儀器及設備、電子測量儀器、傳遞標準用計量儀器、衡器、船用儀表、汽車用儀表及其它通用儀器儀表等。按產品的主要服務對象和領域分，通常把儀器儀表大行業(yè)概括為生產過程測量控制儀表及系統(tǒng)、科學測試儀器、專用儀器儀表、儀表材料和元器件四大類。

1 電子測量儀器的分類

測量中用到的各種電子儀表、電子儀器及輔助設備統(tǒng)稱為電子測量儀器。電子測量儀器種類繁多，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計制作的，適于特定對象的測量。通用儀器是指應用面廣、靈活性好的測量儀器。

按照儀器功能，通用電子測量儀器分為以下幾類：

(1）信號發(fā)生器（信號源）

信號發(fā)生器是在電子測量中提供符合一定技術要求的電信號產生儀器，如正弦信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、函數信號發(fā)生器、隨機信號發(fā)生器等。

(2）電壓測量儀器

電壓測量儀器是用于測量信號電壓的儀器，如低頻毫伏表、高頻毫伏表、數字電壓表等。

(3）示波器

示波器是用于顯示信號波形的儀器，如通用示波器、取樣示波器、記憶存儲示波器等。

(4）頻率測量儀器

頻率測量儀器是用于測量信號頻率、周期等的儀器，如指針式、數字式頻率計等。

(5）電路參數測量儀器

電路參數測量儀器是用于測量電阻、電感、晶體管放大倍數等電路參數的儀器，如電橋、Q表、晶體管特性圖示儀等。

(6）信號分析儀器

信號分析儀器是用于測量信號非線性失真度、信號頻譜特性等的儀器，如失真度測試儀、頻譜儀等。

(7）模擬電路特性測試儀

模擬電路特性測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、噪聲系數測試儀等。

(8）數字電路特性測試儀

數字電路特性測試儀是用于分析數字電路邏輯特性等的儀器，如邏輯分析儀、特征分析儀等，是數據域測量不可缺少的儀器。 測量時應根據測量要求，參考被測量與測量儀器的有關指標，結合現(xiàn)有測量條件及經濟狀況，盡量選用功能相符、使用方便的儀器。

2 電子測量儀器的技術指標

電子測量儀器的技術指標主要包括頻率范圍、準確度、量程與分辨力、穩(wěn)定性和可靠性、環(huán)境條件、響應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正常工作的有效頻率范圍。

(2）準確度

測量準確度又稱為測量精度，它描述的是由于測量結果在測量過程中受各種因素的影響而產生的與被測量真實值間的差異程度，即測量誤差。

(3）量程與分辨力

量程是指測量儀器的測量范圍。分辨力是指通過儀器所能直接反映出的被測量變化的最小值，即指針式儀表刻度盤標尺上最小刻度代表的被測量大小或數字儀表最低位的“1”所表示的被測量大小。

(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)定時間內，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)計性質量指標。

(5）環(huán)境條件

環(huán)境條件即保證測量儀器正常工作的工作環(huán)境，例如基準工作條件，正常條件，額定工作條件等。

(6）響應特性

一般說來，儀器的響應特性是指輸出的某個特征量與其輸入的某個特征量之間的響應關系或驅動量與被驅動量之間的關系。例如峰值檢波器的響應特性為檢波器輸出的平均值約等于交流輸入信號的峰值。

(7）輸入特性與輸出特性

輸入特性主要包括測量儀器的輸入阻抗、輸入形式等。輸出特性主要包括測量結果的指示方式、輸出電平、輸出阻抗、輸出形式等。

3 測量誤差

測量的目的是得到被測量的真實結果，即真值，但由于人們對客觀規(guī)律認識的局限性，不可能得到被測量的真值。測量值與被測量真值之間的差異稱為測量誤差。

測量誤差的表示方法有三種：絕對誤差、相對誤差和容許誤差。

測量所得的測量值x與真值A0之差稱為絕對誤差，用Δx表示，即：

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

真值A0是一個理想的概念，實際上是不可能得到的，通常用高一級標準儀器或計量器具所測得的測量值A來代替，A稱為被測量的實際值。

絕對誤差的計算式為：

絕對誤差的正負號表示測量值偏離實際值的方向，即偏大或偏小。絕對誤差的大小則反映出測量值偏離實際值的程度。

修正值與絕對誤差大小相等、符號相反的量值，稱為修正值，用C表示，即

修正值通常是在用高一級標準儀器對測量儀器校準時給出的。當得到測量值x后，要對測量值x進行修正得出被測量的實際值，即：

修正值有時給出的方式不一定是具體數值，也可能是一條曲線或一張表格，和絕對誤差一樣都有大小、符號及量綱。

4 結論

本文主要討論了電子測量的基本知識，簡要介紹了電子測量儀器的分類和技術指標。為了測得準確的結果，一般要進行多次測量，多次測量的算術平均值即測量值。數據處理過程中得到的不確定度具有測量誤差的含義，是測量誤差的極限值。不確定度越大，置信度越高，丟失真實數據的可能性越小。