电气与电子测量技术1.pdf

电气与电子测量技术电气与电子测量技术 课程目标 通过本课程的学习通过本课程的学习，了解电气和电子测量技术了解电气和电子测量技术 的基本概念的基本概念、测量系统的构成和分析方法测量系统的构成和分析方法，掌握掌握 常用测量系统的工作原理及动静态特性常用测量系统的工作原理及动静态特性，学会根学会根 据实际要求选用据实际要求选用传感器和调理电路传感器和调理电路，掌握建立基掌握建立基 本测量系统的原则与方法本测量系统的原则与方法，并对测量技术的发展并对测量技术的发展 趋势有所了解趋势有所了解。 绪绪 论论 绪 论 测量地位和作用测量地位和作用 测量仪器发展历程测量仪器发展历程 测量技术发展趋势测量技术发展趋势 测量的地位和作用测量的地位和作用 测量在科学研究中作用 测量技术测量技术 密切相关密切相关 科学研究和技术水平的提高科学研究和技术水平的提高 新的测量理论、方法和技术手段新的测量理论、方法和技术手段 科学研究科学研究 形成形成 推动实验研究和发展推动实验研究和发展 生产力的发展生产力的发展 没有测量就没有科学，测量是科学的基础；没有测量就没有科学，测量是科学的基础； 没有科学的进步也没有测试的发展没有科学的进步也没有测试的发展! ! 测量在科学研究中作用 门捷列夫门捷列夫 (1834(1834- -1907)1907) 科学始于测量科学始于测量, ,没有测量，没有测量， 便没有精密的科学。便没有精密的科学。 开尔文（1824-1907） 测量在科学研究中作用 当你能够测量你所关注的事当你能够测量你所关注的事 物，而且能够用数量来描述他的物，而且能够用数量来描述他的 时候，你就对其有所认识；当你时候，你就对其有所认识；当你 不能测量他，也不能将其量化的不能测量他，也不能将其量化的 时候，你对他的了解就是贫乏和时候，你对他的了解就是贫乏和 不深入的。不深入的。 为了纪念他在科学上的功绩，国际计量为了纪念他在科学上的功绩，国际计量 大会把热力学温标（即绝对温标）称为大会把热力学温标（即绝对温标）称为 开尔文（开氏）温标，热力学温度以开开尔文（开氏）温标，热力学温度以开 尔文为单位，是现在国际单位制中七个尔文为单位，是现在国际单位制中七个 基本单位之一。基本单位之一。 测量在科学研究中作用 物理学、化学、生物学、医学、天文学是建立在实物理学、化学、生物学、医学、天文学是建立在实 验基础上的科学；验基础上的科学； 对宇宙微弱辐射信号的测量对宇宙微弱辐射信号的测量 对能量转移的测量对能量转移的测量 对人体基因的测定和人体血液定量分析对人体基因的测定和人体血液定量分析 对蛋白质的反应测量对蛋白质的反应测量 对细胞结构的测量对细胞结构的测量 发现新天体发现新天体 发现新粒子发现新粒子 判明病变的根源判明病变的根源 了解胚胎的生长情况了解胚胎的生长情况 判断肌体是否发生疾病判断肌体是否发生疾病 电子信息科学给人类社会和国民经济带来电子信息科学给人类社会和国民经济带来 巨大的、广泛的、深刻的影响；巨大的、广泛的、深刻的影响； 现代信息科学技术的三大支柱：现代信息科学技术的三大支柱： 测试技术测试技术信息获取；信息获取； 通信技术通信技术信息传输；信息传输； 计算机技术计算机技术信息处理。信息处理。 测量在科学研究中作用 信息技术包括测量技信息技术包括测量技 术、计算机技术和通信术、计算机技术和通信 技术，技术，测量技术是信息测量技术是信息 技术的关键和基础。技术的关键和基础。 钱学森(1911-2009 ) 测量在科学研究中作用 测量在科学研究中作用 高新技术的研究更是离不开测量高新技术的研究更是离不开测量 火箭发动机从设计到样机试飞，中间要进行成百上千次试验火箭发动机从设计到样机试飞，中间要进行成百上千次试验 ，火箭发动机的地面试车台就是一套完整的综合测量系统。，火箭发动机的地面试车台就是一套完整的综合测量系统。 航天飞行中需要检测的参数有：飞行参数、导航参数、发动航天飞行中需要检测的参数有：飞行参数、导航参数、发动 机参数、座舱环境参数、航天员生理参数、飞行器结构参数机参数、座舱环境参数、航天员生理参数、飞行器结构参数 等等7 7大类大类50005000多个参数多个参数。 日常生活中处处离不开测量 家用电器：家用电器： 数码相机、数码摄像机：自数码相机、数码摄像机：自 动对焦动对焦( (红外测距红外测距) ) 数字体温计：温度测量（接触式和非接触式）数字体温计：温度测量（接触式和非接触式） 自动感应灯：亮度测量自动感应灯：亮度测量 空调、冰箱、电饭煲：温度测量空调、冰箱、电饭煲：温度测量 医疗卫生：医疗卫生： 电子血压计：压力检测电子血压计：压力检测 血糖测试仪、胆固醇检测仪：离子测量血糖测试仪、胆固醇检测仪：离子测量 普通轿车：约安装几十到近百只测量传感器普通轿车：约安装几十到近百只测量传感器. . 豪华轿车：测量传感器数量可多达二百余只豪华轿车：测量传感器数量可多达二百余只. . 汽车测量传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容汽车测量传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就 产生了长度、面积、容积和重量的测量；掌产生了长度、面积、容积和重量的测量；掌 握季节和节候，出现了原始的时间测量器具握季节和节候，出现了原始的时间测量器具 ，并有了天文测量。，并有了天文测量。 现代化的工业生产中处处需要测量现代化的工业生产中处处需要测量 一架飞机中：一架飞机中：30003000个测量传感器；个测量传感器； 一个大型石油化工厂：一个大型石油化工厂：60006000个测量传感器；个测量传感器； 一个大型钢铁厂：一个大型钢铁厂：2000020000个测量传感器。个测量传感器。 测量在工农业生产中的应用 测量在电力行业中的应用 电厂发电机组：电厂发电机组： 检测参数：检测参数： 电气量电气量-电压、电流、功率因电压、电流、功率因 数、频率、谐波、相角等，数、频率、谐波、相角等， 非电量发电机振动、温度、非电量发电机振动、温度、 压力、流量、液位、压力、流量、液位、 声音等声音等 30005000个测量传感器个测量传感器 电网运行：电网运行： 成千上万个电气量测量传感器成千上万个电气量测量传感器 测量仪器的发展测量仪器的发展 测量仪器发展至今大致可分为测量仪器发展至今大致可分为五个阶段五个阶段。 第一代第一代 模拟指针式仪表模拟指针式仪表 （上世纪（上世纪50年代以前）年代以前） 基于电磁机械式机构，基于电磁机械式机构， 测量结果是依靠指针显示测量结果是依靠指针显示 测量仪器的发展历程 第二代第二代 分立电子仪器分立电子仪器 （上世纪（上世纪5、60年代）年代） 测量仪器的发展历程 以以电子管，晶体管电子管，晶体管为基础为基础 采用了电子测量技术测量模采用了电子测量技术测量模 拟信号拟信号 测量仪器的发展历程 一般采用中规模的集成电路一般采用中规模的集成电路 (通常含逻辑门数为通常含逻辑门数为10门门99门门 或含元件数或含元件数100个个999个个) 第三代第三代 数字式仪表数字式仪表 （上世纪（上世纪70年代）年代） 将模拟信号转化为数字信号，以数字将模拟信号转化为数字信号，以数字 形式输出与显示出结果形式输出与显示出结果 第四代第四代 智能仪器智能仪器 （上世纪（上世纪80年代）年代） 内部有内部有微处理器微处理器，可以进行自动测量和数，可以进行自动测量和数 据处理。据处理。 采用大规模集成电路采用大规模集成电路 主要由主要由硬件硬件与与固化的软件固化的软件组成组成 主要问题是功能固定，应用不灵活主要问题是功能固定，应用不灵活 测量仪器的发展历程 第五代第五代 虚拟仪器虚拟仪器 以以计算机计算机技术为基础，是测量技术新技术为基础，是测量技术新 的革命。的革命。 利用高性能的利用高性能的标准模块化硬件标准模块化硬件和高效和高效 灵活的灵活的软件软件来完成各种测试和测量的来完成各种测试和测量的 应用。应用。 软件是虚拟仪器的关键，软件是虚拟仪器的关键， “软件即软件即 仪器仪器” （不同的软件构成不同的仪器）（不同的软件构成不同的仪器） 测量仪器的发展历程 测量技术的发展趋势测量技术的发展趋势 测量技术的发展趋势 智能化智能化 虚拟化虚拟化 网络化网络化 微型化和集成化微型化和集成化 软测量技术软测量技术 第一章第一章 电气测量技术的基础知识电气测量技术的基础知识 第一章 测量基础知识 测量方法的分类测量方法的分类 现代电气测量系统的基本组成现代电气测量系统的基本组成 测量系统的静态特性测量系统的静态特性 测量系统的动态特性测量系统的动态特性 电气测量系统的主要技术指标电气测量系统的主要技术指标 测量方法的分类测量方法的分类 测量与测量结果 测量的定义：测量的定义： 测量测量是为了是为了确定被测对象的量值确定被测对象的量值而进行的实验过程而进行的实验过程。 测量过程：测量过程：人们借助人们借助专门的设备专门的设备，将将被测量量被测量量和和同类标准量同类标准量进行进行比较比较 ，得到测量结果的一个过程得到测量结果的一个过程。 图11 测量的比较原理 (a) 天平直接比较（b）弹簧称间接比较 根据同类标准量的参与比较的方式不同分为： 被测物体的重量等被测物体的重量等 于标准砝码的重量于标准砝码的重量 被测物体的重量从度盘上读数被测物体的重量从度盘上读数，因为因为， 弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量 进行比较的结果进行比较的结果。 标准量直接参与测量标准量直接参与测量 标准量间接参与测量标准量间接参与测量 测量与测量结果 注意注意1：必要时给出误差范围。：必要时给出误差范围。 注意注意2：同一量值测量结果选用不同的测量单位，则测量数值不同。：同一量值测量结果选用不同的测量单位，则测量数值不同。 例：例：25=77 =77 测量结果测量结果 测量数值测量数值 测量单位，即：测量单位，即： 0 xxx 测量方法分类 1 1. . 按测量结果的获得方式分为按测量结果的获得方式分为 直接测量直接测量、间接测量间接测量、组合测量组合测量 2. 2. 按测量读数的获得方式分为按测量读数的获得方式分为 直读测量法直读测量法、比较测量法比较测量法 3. 3. 按测量性质分为按测量性质分为 时域测量时域测量、频域测量频域测量、数据域测量数据域测量 直接测量 从测量仪表直接获取测量结果。从测量仪表直接获取测量结果。 特点：测量过程简单、迅速。特点：测量过程简单、迅速。 测量结果：测量结果：20.1 mm 间接测量 如测导线的电阻率如测导线的电阻率（单位长度、单位截面的某种物（单位长度、单位截面的某种物 质的电阻）质的电阻） ： 由仪表（仪器）读数按照一定的函数关系（公式）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。计算获取测量结果的方法。 适用于被测量量无法或不便直接测量。适用于被测量量无法或不便直接测量。 2 S 4 RR d ll 特点：测量过程复杂、费时。特点：测量过程复杂、费时。 组合测量（联立测量） 如测量热电阻温度系数：如测量热电阻温度系数： 在应用仪表进行测量时，若被测物理量必须经过在应用仪表进行测量时，若被测物理量必须经过 求解联立方程组求解联立方程组，才能得到最后结果，则称这样的测，才能得到最后结果，则称这样的测 量为组合测量（联立测量）。量为组合测量（联立测量）。 Rt1R0（1At1Bt12） Rt2R0（1At2Bt22） 参数参数A，B RtR0（1AtBt2） 注意注意1：同一物理量可以有不同的测量方法同一物理量可以有不同的测量方法 如测电阻方法：如测电阻方法： 万用表万用表 (直接测量）直接测量） 伏安法（伏安法（RU/I)（间接测量）（间接测量） 注意注意2：间接测量误差由多个测量量合成。间接测量误差由多个测量量合成。 根据测量读数方式分类 直读测量直读测量 从仪器（仪表）直接获取读数。从仪器（仪表）直接获取读数。 特点：过程简单特点：过程简单 、直观直观、明了明了, 一般来说准确度较低一般来说准确度较低。 比较测量比较测量 将被测量直接与标准量比较，根据比较结果获得测量值。将被测量直接与标准量比较，根据比较结果获得测量值。 典型：替代法，比较法，微差法。典型：替代法，比较法，微差法。 特点：特点： 标准量直接参与标准量直接参与，测量准确度高；测量准确度高； 测量设备较贵测量设备较贵，过程复杂过程复杂。 典型的比较测量方法替代法 方法：方法：在相同条件下，将被测量与已知标准量先后置于同一测量在相同条件下，将被测量与已知标准量先后置于同一测量 装置中，若先后两次测量装置都处于相同状态，可认为被测量等装置中，若先后两次测量装置都处于相同状态，可认为被测量等 于已知量。于已知量。 E Rx + I A RN 特点：特点： 不受测量系统内部结构误差的影响，可获得比较高的测量精度。不受测量系统内部结构误差的影响，可获得比较高的测量精度。 测量过程较复杂，花费时间较长。测量过程较复杂，花费时间较长。 E + I A 替代法测电阻替代法测电阻 典型的比较测量方法零位(零值)法 方法：方法：利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者 达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量 值。值。 特点：特点： 测量过程比较复杂，在测量时，要进行平衡操作，花费测量过程比较复杂，在测量时，要进行平衡操作，花费 时间长时间长 天平测质量天平测质量 典型的比较测量方法微差(偏差)法 方法：方法： 被被测量测量值与标准量大体平衡，值与标准量大体平衡，将被测的未知量与已知将被测的未知量与已知 的标准量进行比较，并的标准量进行比较，并取得被测量与标准量差值取得被测量与标准量差值。 特点：特点： 测量精度高测量精度高 反应快，特别适用于在线控制参数的检测反应快，特别适用于在线控制参数的检测 基准量：基准量：20.00 mm 测量值：测量值：+0.08 mm 结结果：果：20.08 mm 时域测量：时域测量：（瞬态测量瞬态测量）以时间为主要研究对象以时间为主要研究对象，主要测量被主要测量被 测量随时间的变化的规律测量随时间的变化的规律。 例：用示波器测量脉冲信号的上升沿例：用示波器测量脉冲信号的上升沿、下降沿下降沿、脉宽等脉宽等。 频域测量：频域测量：（稳态测量稳态测量）以频率为主要研究对象以频率为主要研究对象，主要测量被主要测量被 测量随频率的变化的规律测量随频率的变化的规律。 例：频谱分析仪测量信号的频谱例：频谱分析仪测量信号的频谱。 数据域测量：数据域测量：（逻辑量测量逻辑量测量）以数字电路的逻辑状态为主要研以数字电路的逻辑状态为主要研 究对象究对象。 例：逻辑分析仪测量数字电路的逻辑状态例：逻辑分析仪测量数字电路的逻辑状态、时序等时序等。 根据测量性质分类 接触式测量接触式测量与与非接触式测量非接触式测量； 根据是否与被测介质接触分类 红外测温红外测温 接触式测温接触式测温 静态测量静态测量与与 动态测量动态测量 根据被测量变化快慢分类 电压波动电压波动手持式电压表手持式电压表 在线测量在线测量与与离线测量离线测量 根据测量对象是否工作分类 电力变压器在线监测系统电力变压器在线监测系统 （测量油中气体和微水含量）（测量油中气体和微水含量） 电力变压器油气相色谱仪电力变压器油气相色谱仪 现代电气测量系统的基本组成现代电气测量系统的基本组成 数据采集部分 数据处理部分 数据分配部分 数据 采集 部分 数据 处理 部分 数据 分配 部分 数据采集部分可以细分为传感器部分、信号调节器部分和模数转换器 模拟信号被馈送至执行装置或输出传感器。 现代电气测量系统的基本结构从硬件平台结构来看可分为以下两种 基本类型： 一、以单片机（或专用芯片,如DSP）为核心的单机系统 。 接口电路 传感器及 调理电路 A/D CPU 扩展程序 储存器 扩展数据 储存器 外通信接口电路 输出接口电路 D/A 仪器面板、键 盘、显示等 电量 非电量 电平 开关量 IEEE488 RS-232 CAN等等 电平、开关 量、打印机 模拟量输出 输入电路 输出电路 二、以PC为核心的应用扩展电气测量系统 电量 非电量 电平 开关量 调 理 电 路 数 据 采 集 卡 计 算 机 显示屏幕 数据处理 数/模输出 通讯接口 网络口 总线 测量系统的静态特性测量系统的静态特性 测量系统的静态特性就是在静态测量情况下描述实际测量系统与理想 线性时不变系统的接近程度。 1 110 1 1 110 1 ( )( )( ) ( ) ( )( )( ) ( ) nn nn nn nn nn nn d y tdy tdy t aaaa y t dtdtdt d x tdx tdx t bbbb x t dtdtdt 测量系统的输入x(t)和输出y(t)都是不随时间变化的常量 （或变化极慢，在所观察的时间间隔内可以忽略其变化而 视为常量），因此测量系统输入和输出各微分项均为零， 那么测量系统就变为： 0 0 b yxS x a 实际的测量系统并非理性的线性时不变系统，二者之间就存在差 别。所以常用灵敏度灵敏度、非线性度非线性度和回程误差回程误差等主要定量指标来表征 实际的测量系统的静态特性。 灵敏度灵敏度当系统的输入x有一个微笑增量x时，将引起 系统的输出y也发生相应的微量变化y，则定义该系统的 灵敏度为： y S x 0 0 byy S xxa 常数 0 lim x ydy S xdx 或 或 若测量系统的输入/输出同量纲 时，则常用“放大倍数”一词代 替“灵敏度”。 非线性度非线性度系统的输出/输入之间保持常值比例关系（线性关 系）的一种度量。 通常用实验的方法获取系统的输入/输出关系曲线，并 称为“标定曲线标定曲线”。 由标定曲线采用拟合方法得到的输入/输出之间的线性 关系，称为“拟合直线拟合直线”。 非线性度就是标定曲线偏离其拟合直线的程度 A 测量范围 xi Bi x y 标定曲线 拟合曲线 回程误差回程误差表征测量系统在全量程范围内，输入递增变化（由小变大 ）中的标定曲线和递减变化（由大变小）中的标定曲线二者静态特征 不一致的程度。 A xi x y2i y1i hi y 回程误差= max 100% h A 测量系统的动态特性测量系统的动态特性 实际的测量系统总是被处理为线性时不变系统，而且总可以 用上式所示的常系数线性微分方程来描述系统与输出/输入的关 系。 0 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) st st y t edt Y s H s X s x t edt 为了研究和运算的方便，常通过拉普拉斯变化在 复数域S中建立其相应的“传递函数”，并在频域中 用传递函数的特殊形式频率响应，在时域中用传 递函数的拉普拉斯反变化权函数。 时域动态性能指标时域动态性能指标 一阶测量设备，阶跃输入时的输出响应是非周期 型 57 t y(t) 63.2% 86.5% 95% 98.2% 99.3% 0.632 1 0 T2T3T4T5T 斜率=1/T 时域动态性能指标 时间常数T。 输出量上升到稳态值的63.2%所需要时间； 响应时间。 输出量达到稳态值的某一允许误差范围内，并保持在此范围内 所需最小时间；由于允许误差范围不相同时，响应时间不同，所 以下标s表示不同的允许误差范围。例如允许误差为5%，则表示 为。一阶测量 时间 与T的关系为：； 。可见时间常数越小，响应越快。 上升时间。 测量设备输出响应值从5%（或10%）到达稳态值的95%（或90% ），或从0上升到稳态值所需时间。 延迟时间。 测量设备输出响应值从0上升到稳态值的50%所需时间。 s t 0.135 2tT 0.05 3tT 0.018 4tT0.05 t 时域动态性能指标时域动态性能指标 对于二阶测量设备： 传递函数中阻尼比（实际阻尼系统与临界阻尼系统之比） 1.1时按上述一阶测量系统的性能讨论即可 2.1时输出响应为衰减震荡曲线（见图），则除应讨论前述响应时间、上升 时间 、延迟时间等指标外，还需讨论峰值时间 （输出响应曲线达到第一个 峰值所需时间）与超调量（输出响应曲线的最大偏差与稳态值的百分比） 59 t y(t) 0 1 0.5 ts 0.9 0.1 tp tr td 允许误差 0.05或0.02 s t r td t p t 频域动态性能指标 频带宽。它是对数幅频特性曲线上幅值增益 不超过（例如）所对应的频率 范围。 工作频带（）。它是与给定的测量系统幅 值误差范围（例如）相对应的频率范 围