1.1 现代电子信息系统

概括地讲，凡是可以完成一个特定功能的完整的电子装置都可以称为电子系统，大到航天飞机的测控系统，小到电子计时器。现代电子信息系统是以新型智能电子元器件为核心，通过电子设计自动化（EDA）技术设计完成的具备外界环境信息感知、信号处理、信号传输和显示输出等功能的电子系统。外界环境信息的感知包括电量和非电量的测量。在早期，非电量的测量多采用非电测量方法，如用尺子测量长度，用秤称重等。随着科学技术的发展，早期的测量方法已不能满足社会发展的要求。现在非电量的测量大部分是用电测量的方法去完成，其中的关键技术就是如何将非电量转换成电量，即传感器技术（或称敏感技术）。

测量是人类对自然界各种现象及实体取得量化观念的一种认识过程，包括电量测量和非电量测量。

1.1.1 电量测量技术

电量测量是指对电量及电路元件参数的测量。通常按被测信号的频率特性将电量测量分为直流测量和交流测量。直流测量参数通常包括直流电压U、直流电流I、功率P、电阻R。交流测量参数通常包括交流电压u、电流i、有功功率P、无功功率Q、视在功率S、电能W、功率因数cosϕ、相位ϕ、频率f、交流阻抗Z、电容C和电感L等。

电量测量指示仪表要想将被测量变换为指针的角位移，就需要一个能够在被测量作用下引起指针偏转的机构，该机构称为测量机构。一般测量机构中能够直接通过的电流较小，须通过一定的测量电路将被测量变换为测量机构能够接受的中间量，起这种作用的电路称为测量电路。

测量机构是电量测量指示仪表的核心，它可将与被测量呈一定函数关系的中间量变换为活动部分的角位移，并能准确而迅速地指示出被测量的大小。因此，测量机构应由驱动装置、控制装置、阻尼装置和指示装置组成。

1.1.2 非电量测量技术

非电量测量就是指通过传感器将非电量转换成电量（电流I或电压U），再通过测量电量（电流I或电压U）的方法和措施呈现出非电量的数值。非电量无论是在种类上还是在数量上都比电量和磁量多。在科学技术研究及工业生产应用的过程中，对非电量往往不仅要进行测量，而且要对其进行控制、变换、传输、显示、记录、存储等。

1.非电量的分类

非电量涉及机械、热工、化学、光学和声学等不同领域，这些量有大有小、有强有弱；有些不随时间而变化，有些随时间而变化；有些是标量，有些是矢量；有些是离散的，有些是连续的。总体来说，非电量主要可归纳为以下四类。

（1）热工量：温度、热量、比热、热流、热分布；压力、压强、压差、真空度；流量、流速、风速；物位、液位、界面等。

（2）机械量：位移、尺寸、形状、形变；力、应力、力矩、扭矩；重量、质量；转速、线速度；振动、加速度、噪声。

（3）物理和成分量：气、液体化学成分、酸碱度、盐度、浓度、黏度、硬度；密度、比重。

（4）状态量：颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏等。

2.非电量测量的分类

非电量测量依据探测转换原理的不同而有不同的分类方法。归纳起来，它可分为以下几类。

（1）电磁检测，包括以下几类。

①电阻式：电位计式、应变片式、压阻式。

②电感式：自感式、互感式（差动变压器）、电涡流式、压磁式、感应同步器。

③电容式：电容式、容栅式。

④磁电式：磁电感应式、磁栅式、磁敏式（霍尔式）。

⑤热电式：热电偶、热电阻、热敏电阻。

⑥压电式：正压电式、声表面波式。

⑦谐振式：振弦式、振筒式、振片式。

（2）光学检测，包括光电式、激光式、红外线式、光栅式、光导纤维式、光学编码器式等。

（3）超声波检测。

（4）同位素检测。

（5）微波检测。

（6）电化学检测。

1.1.3 现代电子信息系统组成

一个完整的现代电子信息系统一般包括信息的获取、转换、显示和处理等几个部分，其原理框图如图1.1.1所示。

传感器用于从被测对象获取有用的信息，它是一种能感应被测参量功能的转换元件（或装置），能将光、磁、热、力、超声、气体、射线和酶等物理学、化学、光学、生物学的非电量转换成与之有对应关系或容易精确处理的电量和其他形式的信号。对于一个测量任务来说，第一步便是能够有效地从被测对象取得能用于测量的信息，因此传感器在整个现代电子信息系统中的作用十分重要。

对于不同的被测物理量要采用不同的传感器。例如，在测量物体的振动时，可以采用磁电式传感器，将物体振动的位移或振动速度通过电磁感应原理转换成电压变化量。从传感器出来的信号往往具有光、机、电等多种形式，而且混杂有各种有害的干扰和噪声。信号调理就是对从传感器所输出的信号进行转换、匹配、放大、滤波、隔离屏蔽、重放、调制解调、模拟和数字计算等进一步的加工和处理，最终希望获取能便于传输、显示和记录，以及可做后续处理的信号。例如，传感器为电参量式的，即被测信号的变化引起传感器的电阻、电感或电容等参数的变化，传感器输出为电路参数R、L、C，则应通过基本转换电路将其转换为容易测量的电量（如电压、电流或电荷等）。如果被测模拟量要通过计算机处理，则必须把模拟量转化为相应的数字量，此工作由模数（A/D）转换电路来完成。若需推动控制系统的执行元件或模拟显示、记录仪器，则要将计算机处理输出的数字信号转换成模拟信号，即进行必要的数模（D/A）转换，此工作由数模转换电路来完成。数据显示和记录是指将经信号调理部分处理过的信号用便于人们观察和分析的介质和手段进行记录或显示。

常用的显示方式有三种：模拟显示、数字显示和图形显示。模拟显示就是利用表头指针的偏转角度的大小来显示读数，常用的有毫伏表、毫安表、微安表等指示器。数字显示就是用数字形式来显示读数，实际上是一只专用的数字电压表、数字电流表或数字频率计。图形显示是指通过屏幕显示读数或被测参数变化的曲线。在测量过程中有时不仅要读出被测参数的数值，还要了解它的变化过程，特别是动态过程的变化。动态过程的变化根本无法用显示仪表指示，因此就需要将信号送至记录仪进行自动记录。常用的自动记录仪有笔式记录仪（如电平记录仪、x-y函数记录仪等）、光线示波器、磁带记录仪、电传打字机等。对于动态信号的测量过程，有时需要对测得的信号数值加以分析和进行数据处理，如对复杂波形要进行频谱分析和运算。属于信号处理的仪器有频谱分析仪、波形分析仪、实时信号分析仪、快速傅里叶变换仪、逻辑分析仪等。

智能处理器在测量中的应用使现代电子信息系统产生了极大的飞跃，极大地提高了系统的信息处理能力。例如，计算机数据采集系统、智能数据采集系统及虚拟设备技术等都是计算机技术在测量系统中应用的结果。测量数据的微机处理，不仅可以对信号进行分析、判断、推理，产生控制量，还可以用数字、图表显示测量结果。如果在微机中采用多媒体技术，可以使测量结果的显示更逼真。

现代电子信息系统是用来感知被测信号的，被测信号在经系统的加工和处理之后以不同的形式在系统的输出端输出。系统的输出信号应该真实地反映原始被感知信号，这样的测量过程被称为“精确测量”或“不失真测量”。信号调理是现代电子系统信息链（感知—调理—传输—后处理）中实现“不失真测量”的关键环节。