1.1 現代電子信息系統

概括地講，凡是可以完成一個特定功能的完整的電子裝置都可以稱為電子系統，大到航天飛機的測控系統，小到電子計時器。現代電子信息系統是以新型智能電子元器件為核心，通過電子設計自動化（EDA）技術設計完成的具備外界環境信息感知、信號處理、信號傳輸和顯示輸出等功能的電子系統。外界環境信息的感知包括電量和非電量的測量。在早期，非電量的測量多采用非電測量方法，如用尺子測量長度，用秤稱重等。隨著科學技術的發展，早期的測量方法已不能滿足社會發展的要求。現在非電量的測量大部分是用電測量的方法去完成，其中的關鍵技術就是如何將非電量轉換成電量，即傳感器技術（或稱敏感技術）。

測量是人類對自然界各種現象及實體取得量化觀念的一種認識過程，包括電量測量和非電量測量。

1.1.1 電量測量技術

電量測量是指對電量及電路元件參數的測量。通常按被測信號的頻率特性將電量測量分為直流測量和交流測量。直流測量參數通常包括直流電壓U、直流電流I、功率P、電阻R。交流測量參數通常包括交流電壓u、電流i、有功功率P、無功功率Q、視在功率S、電能W、功率因數cos?、相位?、頻率f、交流阻抗Z、電容C和電感L等。

電量測量指示儀表要想將被測量變換為指針的角位移，就需要一個能夠在被測量作用下引起指針偏轉的機構，該機構稱為測量機構。一般測量機構中能夠直接通過的電流較小，須通過一定的測量電路將被測量變換為測量機構能夠接受的中間量，起這種作用的電路稱為測量電路。

測量機構是電量測量指示儀表的核心，它可將與被測量呈一定函數關系的中間量變換為活動部分的角位移，并能準確而迅速地指示出被測量的大小。因此，測量機構應由驅動裝置、控制裝置、阻尼裝置和指示裝置組成。

1.1.2 非電量測量技術

非電量測量就是指通過傳感器將非電量轉換成電量（電流I或電壓U），再通過測量電量（電流I或電壓U）的方法和措施呈現出非電量的數值。非電量無論是在種類上還是在數量上都比電量和磁量多。在科學技術研究及工業生產應用的過程中，對非電量往往不僅要進行測量，而且要對其進行控制、變換、傳輸、顯示、記錄、存儲等。

1.非電量的分類

非電量涉及機械、熱工、化學、光學和聲學等不同領域，這些量有大有小、有強有弱；有些不隨時間而變化，有些隨時間而變化；有些是標量，有些是矢量；有些是離散的，有些是連續的。總體來說，非電量主要可歸納為以下四類。

（1）熱工量：溫度、熱量、比熱、熱流、熱分布；壓力、壓強、壓差、真空度；流量、流速、風速；物位、液位、界面等。

（2）機械量：位移、尺寸、形狀、形變；力、應力、力矩、扭矩；重量、質量；轉速、線速度；振動、加速度、噪聲。

（3）物理和成分量：氣、液體化學成分、酸堿度、鹽度、濃度、黏度、硬度；密度、比重。

（4）狀態量：顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏等。

2.非電量測量的分類

非電量測量依據探測轉換原理的不同而有不同的分類方法。歸納起來，它可分為以下幾類。

（1）電磁檢測，包括以下幾類。

①電阻式：電位計式、應變片式、壓阻式。

②電感式：自感式、互感式（差動變壓器）、電渦流式、壓磁式、感應同步器。

③電容式：電容式、容柵式。

④磁電式：磁電感應式、磁柵式、磁敏式（霍爾式）。

⑤熱電式：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻。

⑥壓電式：正壓電式、聲表面波式。

⑦諧振式：振弦式、振筒式、振片式。

（2）光學檢測，包括光電式、激光式、紅外線式、光柵式、光導纖維式、光學編碼器式等。

（3）超聲波檢測。

（4）同位素檢測。

（5）微波檢測。

（6）電化學檢測。

1.1.3 現代電子信息系統組成

一個完整的現代電子信息系統一般包括信息的獲取、轉換、顯示和處理等幾個部分，其原理框圖如圖1.1.1所示。

傳感器用于從被測對象獲取有用的信息，它是一種能感應被測參量功能的轉換元件（或裝置），能將光、磁、熱、力、超聲、氣體、射線和酶等物理學、化學、光學、生物學的非電量轉換成與之有對應關系或容易精確處理的電量和其他形式的信號。對于一個測量任務來說，第一步便是能夠有效地從被測對象取得能用于測量的信息，因此傳感器在整個現代電子信息系統中的作用十分重要。

對于不同的被測物理量要采用不同的傳感器。例如，在測量物體的振動時，可以采用磁電式傳感器，將物體振動的位移或振動速度通過電磁感應原理轉換成電壓變化量。從傳感器出來的信號往往具有光、機、電等多種形式，而且混雜有各種有害的干擾和噪聲。信號調理就是對從傳感器所輸出的信號進行轉換、匹配、放大、濾波、隔離屏蔽、重放、調制解調、模擬和數字計算等進一步的加工和處理，最終希望獲取能便于傳輸、顯示和記錄，以及可做后續處理的信號。例如，傳感器為電參量式的，即被測信號的變化引起傳感器的電阻、電感或電容等參數的變化，傳感器輸出為電路參數R、L、C，則應通過基本轉換電路將其轉換為容易測量的電量（如電壓、電流或電荷等）。如果被測模擬量要通過計算機處理，則必須把模擬量轉化為相應的數字量，此工作由模數（A/D）轉換電路來完成。若需推動控制系統的執行元件或模擬顯示、記錄儀器，則要將計算機處理輸出的數字信號轉換成模擬信號，即進行必要的數模（D/A）轉換，此工作由數模轉換電路來完成。數據顯示和記錄是指將經信號調理部分處理過的信號用便于人們觀察和分析的介質和手段進行記錄或顯示。

常用的顯示方式有三種：模擬顯示、數字顯示和圖形顯示。模擬顯示就是利用表頭指針的偏轉角度的大小來顯示讀數，常用的有毫伏表、毫安表、微安表等指示器。數字顯示就是用數字形式來顯示讀數，實際上是一只專用的數字電壓表、數字電流表或數字頻率計。圖形顯示是指通過屏幕顯示讀數或被測參數變化的曲線。在測量過程中有時不僅要讀出被測參數的數值，還要了解它的變化過程，特別是動態過程的變化。動態過程的變化根本無法用顯示儀表指示，因此就需要將信號送至記錄儀進行自動記錄。常用的自動記錄儀有筆式記錄儀（如電平記錄儀、x-y函數記錄儀等）、光線示波器、磁帶記錄儀、電傳打字機等。對于動態信號的測量過程，有時需要對測得的信號數值加以分析和進行數據處理，如對復雜波形要進行頻譜分析和運算。屬于信號處理的儀器有頻譜分析儀、波形分析儀、實時信號分析儀、快速傅里葉變換儀、邏輯分析儀等。

智能處理器在測量中的應用使現代電子信息系統產生了極大的飛躍，極大地提高了系統的信息處理能力。例如，計算機數據采集系統、智能數據采集系統及虛擬設備技術等都是計算機技術在測量系統中應用的結果。測量數據的微機處理，不僅可以對信號進行分析、判斷、推理，產生控制量，還可以用數字、圖表顯示測量結果。如果在微機中采用多媒體技術，可以使測量結果的顯示更逼真。

現代電子信息系統是用來感知被測信號的，被測信號在經系統的加工和處理之后以不同的形式在系統的輸出端輸出。系統的輸出信號應該真實地反映原始被感知信號，這樣的測量過程被稱為“精確測量”或“不失真測量”。信號調理是現代電子系統信息鏈（感知—調理—傳輸—后處理）中實現“不失真測量”的關鍵環節。