现代测试技术课件第1章测量技术基础.ppt

第1章 测量技术基础知识 课程基本情况 本章主要内容： 1. 测量单位及单位制； 2. 测量和计量的区别； 3. 计量器具的基本概念及主要特征； 4. 电学和磁学量具； 1.1 测量与测量方法分类 1.测量的概念 （1）定义：测量是被测量与同类标准量比较的一个实验过程。 在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或 间接地与同类标准量进行比较，取得用数值和单位共同表示的 测量结果。 （2）测量结果表示： 测量结果测量数值测量单位，即： （1）按测量结果的获得方式分为 直接测量: 从仪表（仪器）的读数直接获取测量结果 的方法。 特点：测量过程简单、迅速。 间接测量：由仪表（仪器）读数，按照一定的函数关 系（公式）计算获取测量结果的方法。 特点：测量过程复杂、费时。 组合测量：在测量两个或两个以上相关的未知数时， 改变测量条件而获得一组方程组，求取测量结果的方 法。 2. 测量方法分类 1.1 测量与测量方法分类 (2) 按测量读数的获得方式分为 直读测量法：从仪器（仪表）直接获取读数。 特点：过程简单，一般来说准确度较低。 比较测量法：把被测量与同类的标准量进行比 较，根据比较的结果推算（计算）出读数。 典型的比较测量法：差值(微差)法、零值法、替代法。 特点：标准量直接参与，测量准确度高；测量 设备较贵，过程复杂。 1.1 测量与测量方法分类 (3) 按测量性质分为 时域测量：（瞬态测量）以时间为主要研究对 象，主要测量被测量随时间的变化的规律。 例：脉冲信号的上升沿、下降沿、脉宽等的测量。 频域测量：（稳态测量）以频率为主要研究对 象，主要测量被测量随频率的变化的规律。 例：信号频谱的测量等。 数据域测量：（逻辑量测量）以数字电路的逻 辑状态为主要研究对象。 例：测量数字电路的逻辑状态、时序等。 1.1 测量与测量方法分类 1.2 测量单位及单位制 1. 单位：有明确定义和名称并命其数值为1的固定量； 2. 单位制：由基本单位与导出单位共同组成的一个完整 的单位体系 3. 国际单位制 u 基本量与基本单位：少数相互独立的并可通 过其组合定义其他所有物理量被称为“基本量” 。这些量的单位被称为“基本单位”。 u 导出量与导出单位：由基本量通过定义推导 出的其他所有物理量被称为“导出量”。导出量 的单位被称为“导出单位”。 SI（国际单位制）中的基本单位、符 号以及定义 量的 名称 单位名 称 单位 符号 定义 质量千克kg千克等于“国际千克原型”的质量（国际千克原型由铂铱 合金制造而成，被严密的保管于巴黎）。 1901年 时间秒s秒等于铯133原子基态的两个超精细能级间跃迁所对应 的辐射的9 192 631 770个周期所持续的时间。 1967年 长度米m 米是光在真空中传播一秒的长度的1/299 792 458 。1983年 热力学温度开尔 文 K 开尔文等于水三相点热力学温度的1/273.16 。1967年 电流安培A1安培的恒定电流，如果使其通过处于真空中的、相距1 米的、无限长的、圆截面可以忽略的两条平行直导线， 则两导线之间产生的力在每米长度上等于210-7牛顿。 1954年 发光 强度 坎德 拉 cd坎德拉定义为频率等于5401012Hz的单色辐射光源（黄 绿色可见光），在某给定方向上的发光强度，在该方向 上的辐射度为1/683瓦特每球面度（W/sr）。 1979年 物质 的量 摩尔mol摩尔是一个系统中的物质的量，该系统中所包含的基本 微粒数与0.012kg的C-12中的原子数目相等。 1971年 SI 导出单位 SI 辅助单位 SI词头 4. 我国的法定计量单位 国务院于1984年2月27日发布命令，明确规 定我国的法定计量单位包括： 1) 国际单位制单位； 2) 国家选定的非国际单位制单位； 3) 以上单位构成的组合形式的单位。 国家选定的非国际单位制单位 1.3.1 什么是计量 计量是指实现单位统一、量值准确可靠的活动。 计量属于测量，源于测量，而又严于一般测量， 它涉及整个测量领域，并按法律规定，对测量起着指 导、监督、保证的作用。计量与其它测量一样，是人 们理论联系实际，认识自然、改造自然的方法和手段 。是科技、经济和社会发展中必不可少的一项重要的 技术基础。 计量的特点：准确性、一致性、溯源性和法制性 1.3 计量及计量器具 是一种自下而上 的追溯 ，可通过检定、校准、 比对、测试等形式，将 测量结果与计量基准相 联系，以保证被测量值 的统一和准确。 1.3 计量及计量器具 1.3.2 计量器具的基本概念 1. 量具的概念： 以固定形式复现量值的计量器具。 作用：维持单位统一，保证量值准确地传递。 2. 量具的分类： 按自身准确度由高到低：基准、标准、工作量具 计量 器具 计量仪器 计量量具 计量物质 计量装置 计量工作的物质基础 千克是质量单位，等于国际千克原器的质量。“ 千克”是通过千克原器来复现的。国际千克原器 就是国际质量标准(基准)，全世界只有一个， 它是用90%铂和10%铱合金精心制成的形状为高 度和直径均为39毫米的圆柱体，铂铱合金的密 度为21.5克/厘米3，它被放在多层玻璃罩内。“ 千克”的实现就是用这个国际质量标准(基准)也 即这一实物 量具:国际千克原器，它很稳定地 保存“千克”量值近100年，其质量的变化约为50 微克，相对变化量为510-8。 在1983年第17届国际计量大会上将“米”定义为:光在真空中 于(1/299792458)秒时间间隔内所经路径的长度。国际计量 委员会推荐新定义的米 可以通过时间法、频率法和辐射法 来实现。这些方法都是建立在光速是常数的基础上。在辐射 法方面，1993年国际计量委员会推荐了8种稳频激光器辐射 的标准 谱线频率(波长)值，作为复现“米”定义的国际标准 。目前常用的是碘吸收633纳米氦氖稳频激光器，它的复现 性可达110-11。这种激光器以米定义为基础，实现、保存 或复现了长度单位量值。 1.3.3 基准和标准 1.基准 用现代科学技术水平所能达到的最高准确度来复现和保存 计量单位的计量器具。只用于鉴定各种量具的准确度，不直接 参加测量。 (1) 一级基准，又称主基准和国家基准。具有最高水平的基准。 一 个国家只有一个。 (2)二级基准，又称副基准. 基准的量值准确度由主基准确定，代 替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对 。 (3)三级基准，又称工作基准。工作基准用来直接向下属标准量 具进行量值传递，用以检定下属计量标准量具的准确度。 2.标准 u 根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的 计量标准量具或仪器，简称标准。 u 计量标准的准确度等级在工作基准之下，工作计 量器具之上。 u 按准确度高低又分为一级标准、二级标准和三级 标准。 u 通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检 定，确定其量值的准确度大小。 1.3.4 测量基准的权威性和相对性 1.基准的权威性 u 基准的理论定义最严格的、制作工艺技术最先进。 u 从现代科学的观点来看，最好的基准是自然基准。 自然基准是根据物质粒子运动的恒定性、通过原子常数的测 定而建立起来的基准。目前实现电学自然基准的途径为：根据交 流约瑟夫逊效应建立电压基准；根据质子回旋磁比p建立电流基 准；根据克里青效应建立欧姆基准。 2.基准的相对性 一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科学水平。 其自身会随时间、地点、环境条件而变化，甚至损坏。 例：以太阳为基准，时间测量的精确度1天内可达到1秒钟。而 目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过1秒。 1.3.5 测量标准的传递 自上而下逐级传递 1.4 电学量具 1. 标准电池： 温度特性是 标准电池的最主要 的特性。标准电池 的等级是按年电动 势变化率划分的。 标准电池的主要技术指标 等级级指数20C电动势检电动势检 定值值/V一年期间电动间电动 势势允许变许变 化范 围围/V 内阻值值/ 从到新生产产使用中 0.0002级级1.01859001.01868002700 0.0005级级1.01859001.01868005700 0.001级级1.0185901.018680107001500 0.005级级1.018551.01868507002000 0.005级级（不饱饱和）1.018801.0193050500 0.01级级1.018551.018681007003000 0.01级级（不饱饱和）1.018801.019301005003000 0.02级级（不饱饱和）10.18610.1962005003000 1.4 电学量具 标准电池使用时应注意： 使用和存放的温度应符合有关要求； 通入或流出的电流不得大于各级标准电 池规定的数值； 极性不能接反； 不能用普通的电压表或万用表测量标准 电池的电动势； 1.4 电学量具 2. 基准电压源 u基准电压源最重要的性能是其准确性和稳定性； 准确性一般通过激光校准工艺保证其允许误差（“时漂”）； 稳定度即随时间和温度的变化维持基准电压稳定的能力（“温 漂” ） 。 u目前广泛应用的基准电压源有齐纳二极管和集成 电压基准。 1.4 电学量具 3. 标准电阻： u 制作材料： 锰铜电阻丝，是一种铜、锰、镍的合金材料，具有以下特点： 在工作温度下，电阻温度系数小； 与铜的接触电势小； 有很高的电阻系数； 年稳定性好； 有较好的机械加工性能。 u 四端接线法 1.4 电学量具 u 标准电阻使用时应注意： 不允许超过规定的额定功率； 环境温度不允许超过规定的界限，也不允许剧烈波动； 在一定频率下使用； 铭牌上给定的是环境温度为20C时的电阻值，若在其它温度 下使用，标准电阻的阻值需要按相关公式计算 。 1.4 电学量具 1.4 电学量具 4. 标准电感： 通常是由绝缘铜导线在大理石或陶瓷框架上 绕制而成。标准电感有自感和互感两种，在电磁测 量中，作为电感的标准量具，也常在材料磁特性测量 中作为磁通的标准量具。 标准电感使用时应注意： 不能超过标准电感的额定电流； 在规定的频率范围内使用； 标准电感附近不能有铁磁物质和干扰磁场。 1.4 电学量具 5. 标准电容： 标准电容包括标准空气电容器和标准云母电容器。 三个端钮A、B、P。P为屏蔽端钮，和金属屏蔽罩连接。使用时 通常使P的电位为零或固定某一数值上，这样A、B两端对屏蔽 层的分布电容CAP、CBP和P端对地的分布电容CP0均为固定值， 在测量中可设法消除它们的影响。 1.4 电学量具 1.5 磁学量具 u磁量具分类：磁通量具、磁感应强度量具、磁距 量具。 u磁感应强度或磁场强度量具：有永久磁铁和通电 线圈两种形式。用永久磁铁或电磁铁作为磁感应 强度量具，一般都由质子核磁共振仪来校准磁感 应强度B0的量值，其误差为0001%001%。 u亥姆霍兹线圈是弱磁场量具基准，一般在110- 8110-3 T范围内。单层绕组的亥姆霍兹线圈其 场强的计算与实际场强的误差为0001%。 1.5 磁学量具 1.标准磁体 u标准磁体采用高性能的永磁材料制造，具有长 期的稳定性， 标准磁体可以稳定的使用在0- 70之间，温度系数为-0.03%/，温度系数为 负数。标准磁体的外壳采用高磁导率的材料制成 ，它能有效的防护外界磁场的干扰影响，同时屏 蔽了标准磁场对外界的磁场干扰影响。该产品可 提供的标准磁体从1000高斯到20，000高斯的磁 感应强度，标准磁体的均匀性优于0.5%。 u标准磁体适用于数字特斯拉计（高斯计）探头的单点校准， 随时监测数字特斯拉计（高斯计）的工作状态是否正常，携 带方便，使用简单。 1.5 磁学量具 2. 亥母霍兹线圈（Helmholtz） u 磁感应强度：10-5高斯几千高斯； u 磁场均匀性：千分之几。 u 应用：产生指定体积和均匀度的磁场，用户可以利用这个磁场来完成 各种实验。包括地球磁场的抵消、判定磁屏蔽效应、电子设备的磁化 系数、磁通门计和航海设备的校准、生物磁场的研究等等。 u 一个世纪之前德国科学家发明了亥姆霍兹线圈系 统，亥姆霍兹线圈可根据不同的应 用产生静态DC 或AC磁场。典型的单轴亥姆霍兹线圈是具有相同线 圈扎数，相同线圈绕制方式，线圈半径等于线圈间 距的两个线圈组成的。无论通入AC或DC电流，线 圈中间都会产生一定体积的均匀