《测量的基本原理》PPT课件.ppt

测试技术基础B主讲教师 温泉博士 基础 模拟与数字电路 信号与系统 微机及接口 电子测量原理着重讨论测量技术与方法 误差分析和实际应用基于系统方框级 电子测量仪器着重研究电子仪器及系统的设计与制造等工程实现技术基于电路结构级 原理 基础 误差 提升 应用 归宿 学时安排 理论28学时 实验4学时第1章 测量的基本原理3学时第2章 测量方法与测量系统3学时第4章 时间与频率的测量5学时第5章 电压测量4学时第6章 阻抗测量4学时第7章 信号波形测量5学时第12章 测试系统集成技术4学时两个实验4学时 本章阐述测量学科的丰富内涵介绍测量 计量的基本概念 即它们的意义 内容 特点及应用讨论测量原理 测量方法和测量系统中的共性问题分别从信息获取的广义概念和量值比较的狭义概念上 阐述测量的基本原理从实现测量原理的变换 比较 处理和显示等环节中 阐述电子测量的基本技术 第1章测量的基本原理 1 1测量的基本概念 1 1 1测量的意义日常生活中处处离不开测量科学更加离不开测量 现代信息科学技术的三大支柱信息获取技术 测试技术信息传输技术 通信技术信息处理技术 计算机技术 没有获取到信息 传输就是无源之水 处理更是无本之木 科学的进步和发展离不开测量 离开测量就不会有真正的科学 科学是从测量开始的 没有测量就没有科学 至少没有精确的科学 真正的科学 中国首个火星探测器荧火一号 计量测试技术落后 国家的一切都要落后 1 1 2测量的定义 1 狭义测量的定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的一组操作在进行这组操作的过程中 人们借助专门的设备 把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较 取得用数值和单位共同表示的测量结果 测量的量值可表示为 量 人们把事物 现象或状态 物体或物质等 可定性区别和定量确定的属性 称之为 可测量的 量 量值 一般是由一个数值乘以测量单位所表示的特定量的大小 它是一个要用数值和单位共同表示的量 即量值 数值X单位 量的 数值 它是在量值表示中用以单位相乘的数字 数值 量值 单位 测量 单位 为了定量表示同种量的大小 人们共同约定的一个特定参考量 它有名称 符号和定义 其数值为1 数值等于1的量 定义为单位i 被测量 是指作为测量对象 测量客体 的特定量 测量结果 是指通过测量所得到的赋予被测量的量值 测量的内涵 测量目的是对被测对象取得一个定量的认识 一组操作 是一个实验过程 说明了测量的实践性 测量就是比较 直接比较和间接比较 需要同类已知单位作标准 最终能表示给测量主体 人 被测物体的重量等于标准砝码的重量 被测物体的重量从度盘上读数 因为 弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果 1 1 2测量的定义 续 2 广义测量的定义测量是为了获取被测对象的信息而进行的实践过程 信息事物 系统 的运动状态及其变化方式 图1 2测量的基本原理图 1 1 3测量的组成 测量过程 基本要素之间的互动关系 1 1 3测量的组成 续 3 被测对象 信息狭义的测量是量值的获取 广义的测量是信息的获取信息又可分为自然信息和社会信息两大类4 测量仪器系统 量具和仪器测量仪器系统包括量具 测试仪器 测试系统及附件等5 测量的主体 测量人员手动 由测量主体 测量人员 直接参与完成自动 测量主体交给智能设备 计算机等 完成 但测量策略 软件算法 程序编写需由测量人员事先设计好6 测量技术测量中所采用的原理 方法和技术措施 总称为测量技术 测量的基本要素 续 7 测量环境测量环境是指测量过程中人员 对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和测量环境包括温度 湿度 力场 电磁场 辐射 化学气雾和粉尘 霉菌以及有关电磁量 工作电压 源阻抗 负载阻抗 地磁场 雷电等 的数值 范围及其变化 仪器以工作环境条件的不同要求分为三组 I组 良好的环境条件 温度 10 35oc 相对湿度80 在35oc上 只允许有轻微的振动 II组 一般的环境条件 温度 10 40oc 相对湿度80 在40oc上 允许一般的振动和冲击 III组 恶劣的环境条件 温度 40 55oc 相对湿度90 在35oc上 允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动 I 高精度计量用仪器II 通用仪器III 野外 机载等仪器 1 1 4测试和检测 定量定性定级 测试 测量和试验的总称 它包含了测量和试验的全部内容 既包括定量的测量 也包含定性的试验本书中 测试 和 测量 不加区分而互相通用 检测 包括检验和测量两方面的含义 1 2计量的基本概念 1 2 1计量的定义和意义1 计量的定义计量是利用技术和法制手段实施的一种特殊形式的测量 即把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较 以确定合格与否 并给出具有法律效力的 检定证书 计量的三个主要特征是统一性 准确性和法制性 计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动 如单位的统一 基准和标准的建立 进行量值传递 计量监督管理 测量方法及其手段的研究等 1 2 1计量的定义和意义 续 2 计量与测量的关系 测量发展的客观需要才出现了计量测量是计量应用的重要途径没有测量 计量将失去价值为了保证测量结果的准确性 必须定期对仪器进行检定和校准 这个过程就是计量 计量的任务是确定测量结果的可靠性计量是测量的基础和依据没有计量 也谈不上测量计量和测量相互配合 才能在国民经济各个领域发挥重要作用 计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作 它在工农业生产 科学技术 国防建设以及人民生活等各个方面起着技术保证和技术监督的作用 1 2 2单位和单位制 根据定义而令系数为1的量称为单位单位是表征测量结果的重要组成部分 又是对两个同类量值进行比较的基础基本单位 导出单位 单位制 1 2 2单位和单位制 续 1 国际单位制 SI 的组成国际单位制基本单位 1948年第9届国际计量大会1960年第11届国际计量大会1984年国务院颁布 中华人民共和国法定计量单位 1 2 2单位和单位制 续 国际单位制词头采用十进制词头 表示使单位增大或缩小的十进倍数例 5 4X10 9s 5 4ns 1 2 3测量标准 1 标准 或基准 的定义为了定义 实现 保存或复现量的单位或 一个或多个量值 用作参考的计量设备 实物量具 测量仪器 参考物质或测量系统 称之为标准或基准 定义基本测量单位和制作体现其量值的标准器是两件有联系而又有区别的事 前者依据严格的科学理论 后者要靠先进的制作技术 1 2 3基准和标准 续 2 测量标准的分类 分级分类 国际标准国家标准参照标准作证标准标准器具标准物质 分级 主标准 一级标准 副标准 二级标准 工作标准 三级标准 1 2 3基准和标准 续 3 几个术语 1 计量器具 凡是能用以直接或间接测出被测对象量值的量具 计量仪器和计量装置都统称为计量器具 计量器具按作用可分为计量基准 计量标准和工作计量器具三类 2 计量标准器具 准确度低于计量基准 用于检定计量标准或工作计量器具的计量器具 3 工作计量器具 工作岗位上使用 不用于进行量值传递 而是直接用来测量被测对象量值的计量器具 1 2 3基准和标准 续 4 比对 在规定条件下 对相同准确度等级的同类基准 标准或工作计量器之间的量值进行比较 其目的是考核量值的一致性 5 检定 是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较 以达到全面评定被检计量器具的计量性能是否合格的目的 一般要求计量标准的准确度为被检者的1 3到1 10 6 校准 校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较 以确定被校计量器具的示值误差 有时也包括确定被校器具的其他计量性能 的全部工作 7 量值的传递 指一个物理量单位通过各级基准 标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量仪器 量具 以保证量值统一的全过程 8 量值的溯源性 1 2 4测量标准的权威性和相对性 1 标准的权威性标准的理论定义最严格的 制作工艺技术最先进原器标准自身也会随时间 地点 环境条件而变化 甚至会损坏 会失传从现代科学的观点来看 最好的标准是原子标准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例 以太阳为基准 时间测量的精确度可达到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 我国通过与多个国家进行科技合作 成功研发出铯原子喷泉钟 使我国时间频率基准的精度从30万年不差1秒提高到600万年不差1秒 标志着我国时间频率基准研究进入世界先进行列2007 1 4人民政协报 美国科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所 NIST 1999年建成价值约为65万美元 在2000万年内 它既不会少1秒也不会多1秒 NISTF 1原子钟 1915 8 2011 11NormanF Ramsey1989年诺贝尔奖 米标准原器是19世纪前的国际标准器 现在的长度单位定义为光用1 299792458秒在真空中传播的长度 1 2 5测量标准的传递 自上而下逐级传递 图1 5量值传递和溯源体系及计量技术机构示意图 1 3测量误差的基本概念 1 3 1测量误差定义 1 3 2测量误差的来源仪器误差影响误差方法误差人身误差测量对象变化误差 1 3 3测量误差的表示方法绝对误差相对误差 1 4测量信息的获取原理 本节中将主要阐述以下基本问题 信息的含义是什么 为什么信息可以被获取 信息获取是怎样的过程 信息获取过程中采用了哪些基本方法 这些方法的实现途径是什么 信息获取的限制因素及其克服措施是什么 测量是研究如何获取被测对象信息的一门科学 1 4 1信息的概念 1 客体的实有的信息 客观信息某事物客体所具有的信息 是指该客观存在的事物的运动状态及其变化方式的自我表述或自我显示 客体论的信息是一种客观的存在 不以主体的存在与否为转移 或者无论是否被其主体感受到 都丝毫不影响它的 自我表述 或 自我显示 任何事物都具有一定的内部结构 同时处在一定的环境之中 正是这种内部结构和外部环境两者综合作用 决定了事物的具体运动状态和状态变化方式 但在有时人们很难了解事物的内部结构状况 这时就只能把它看作一个 黑箱 并通过它的外部联系 如输入 输出关系等外部行为 的状态及其变化方式来获得信息 1 4 1信息的概念 续 2 主体认识论的信息 主观信息是指主体所感知或表述的关于该事物的运动状态及其变化方式 及有关的形式 含义和效用 主体认识论层次的信息的内涵比客体论层次信息丰富得多 这是因为作为认识的主体 1 具有感觉的能力 能够感觉到信息的外在形式 2 具有理解能力 能够理解信息的内在含义 3 具有目的性 因而能够判断信息对其目的而言的价值 1 4 1信息的概念 续 3 全信息 是同时考虑了事物运动状态及其变化方式的外在形式 内在含义和效用价值的主体认识论层次信息 4 实在信息 先验信息 实得信息 1 4 2测量信息获取的原理框图 图1 6测量 信息获取 原理图 1 4 3信息的感知 1 感知的基本原理信息感知的基本机制在于要有某种组织或器官能够灵敏地感受到被测对象运动的状态及其变化的方式信息感知 是感知事物运动的状态及其变化方式 其实质是把客体论层次的信息转换为主体认识论层次的语法信息 图1 7信息感知原理框图 1 4 3信息的感知 2 感知的基本技术 传感器与敏感器测量的第一个环节是信息的感知 传感器是感知各种非电信息并把非电量转换为电量输出的器件或装置 它是非电系统与电系统之间的接口 本质上是完成信息载体的转换 传感器根据转换的效应可分为物理型 化学型和生物型三大类 例 热敏电阻把被测温度的变化转换为电阻的变化 风力参数传感器 地震检波器 反射式光敏传感器 磁 气 力敏传感器 超声传感器 1 4 4信息的识别 1 识别的基本原理识别是把感知的语法信息 信号形式 转换成人们能够理解的语义信息识别 分类 的基本原理是形式特征的比较 由于信息的类别不同 其形式特征也不相同 因此 理论上信息总是可以分辨 识别 的识别的原则是 相似而认同 相异而拒斥由于识别环境存在固有干扰 待识别的信息天然不理想 理论方法不完备和信息类别相似性的表达不完善 因此 无论怎样精巧地设计信息识别系统 完全无差错的识别是不现实的 误差存在的绝对性 1 4 3信息的识别 2 识别的基本技术为了把语法信息 信号 转换人们能够理解的语义信息 须使用信号的比较 变换 处理和显示技术 1 比较 用已知量和未知量比较 2 变换 某些被测量不便于直接比较 无法直接观测而采用了变换 为了获得更高的识别分辨力和精度 更快的速度 更宽的量程而采用变换技术 例如 雷达测量飞机的距离 采用了把距离变换成时间 通过直接测量电脉冲来回传输的时间来测得距离 3 信息处理 泛指为了各种目的而对信息所进行的变换和加工 4 显示原理 显示的基本功能是把人眼不可见的信息转化成为可见的信息 各种测量系统中对处理功能的需求可能很不同 处理内容和复杂程度差异也很大 处理的方法也可能很不一样 1 人工处理方式例 一个模拟式的交流电压表的原理框图 它测量交流电压的有效值 工作原理是被测交流电压经峰值检波器变换成直流电压 AC DC电压变换 然后经直流电压放大 幅度变换 和电压转换为电流输出 电压 电流变换 去驱动电表指针偏转 电压 指针偏转换变换 图1 8交流电压表原理图 2 自动化方式 图1 9数据采集系统原理图 3 智能化处理机器智能 人所赋予机器的一种智能智能包含信息 知识 策略和行为四个要素 具有获取有用信息 由信息生成知识 认识 由知识和目的生成策略 决策 以及实施策略取得效果 施效 等四个方面的能力 图1 10学习与决策环节的模型 1 5测量的量值比较原理 测量最基本的原理是比较 比较是认识和区别被测对象的一种重要方法 测量是通过比较来取得一个定量的认识1 5 1基于比例变换的间接比较法 偏转法 1 比例变换的原理 1 三种类型的子变换 A 图1 11偏转法 直读法 测量原理 1 5 1基于比例变换的间接比较法 续 例 弹簧秤是偏转法直读式仪器的一个简单例子 被测重物放在弹簧秤上 把物体的重量变成弹簧的弹性形变 然后 形变带动机械式仪表的指针成比例的偏转 指示出被测物体的重量 直读式电压表 图1 12偏转法 间接法 直读式弹簧称和直读式电压表 1 5 1基于比例变换的间接比较法 续 2 间接比较方法步骤为 校准 测量 图1 14间接比较法的过程 1 5 2基于差值示零的直接比较法 1 差值测量原理 被测量与标准量直接进行比较 需要一个具有比较功能的电路 要求比较的范围宽 灵敏度和分辨力高 需要一个与被测量同类的可变标准量参与比较 要求标准量准确且可细微调节 比较功能可由运算功能来实现有两种方式 1 差值运算比较 2 比例运算比较 图1 15量值比较原理图 1 5 2基于差值示零的直接比较法 2 差值示零的平衡调节 1 零示法原理 图1 16直接比较 零示法 原理图 1 5 2基于差值示零的直接比较法 续 2 实现平衡调节的结构 当则 1 5 2基于差值示零的直接比较法 续 对称差动的桥式结构 当时 1 6电子测量中的基本实现技术变换技术比较技术处理技术显示技术 1 6 1电子测量中的变换技术 1 量值变换信号放大与衰减阻抗变换 1 6 1电子测量中的变换技术 续 2 频率变换 1 检波 2 斩波 3 变频 4 倍频 5 分频 6 合成 7 取样 3 波形变换 1 整形 2 限幅 3 微分 4 合成 5 变换 4参量变换 1 AV 变换 2 V F变换 3 V T变换 4 网络参数的变换 1 6 1电子测量中的变换技术 续 5 能量变换能量变换是泛指其他多种形式的物理量与电学量之间的变换 传感器就是能量变换器 即从非电量变换成电量6 模 数和数 模变换 例 试以数字多用表测量交流电流为例 阐述变换技术在电子测量中的应用 交流电流 交流电压的变换 交流电压 直流电压的变换 直流电压的幅值变换 模拟 数字的变换 BCD码 七段码的码制变换 显示器件的电 光转换 1 6 2电子测量中的比较技术 1 比较的基本概念被测量为x 标准量为s 比较电路输出为y 当xs时 y YH当x s时 y出现一个跃变信号 1 6 2电子测量中的比较技术 续 1 比较的基本类型 标量比较 它只识别两个同类的未知量是否相等 例如两个炉子温度是否相等 矢量比较 它识别一组同类的未知量的相对大小 并按照由大到小 或由小到大 的顺序排列起来 差值比较 利用具有减法运算功能的比较电路 取出两个未知量之间的间隔大小 差值 并对差值进行比较 比值比较 它选择某个点作为参考点 将每次测量值除以参考值 确定它们的相对大小 例如 在一组测量值中以最大测量值作参考 得到测量值以百分数表示 量化比较 被测未知量与标准单位量比较 确定它是该单位的若干倍或是若干分之一 A D转换器是基于量化比较的典型部件 1 6 2电子测量中的比较技术 续 2 电压比较 1 电平比较 2 差值型比较 3 比例型比较 1 6 2电子测量中的比较技术 续 3 阻抗比较电桥电路具有对称差动的电路结构 是一种电量天平 可以十分方便地实现差值检测和比例比较的功能 电桥电路具有灵敏度高 测量范围宽 温度补偿容易实现 测量电路的零点调节方便 1 6 2电子测量中的比较技术 续 4 频率 时间 比较 时间差值比较 用R S触发器可实现时差的比较 1 6 2电子测量中的比较技术 续 5 相位比较 使用鉴相器6 数字比较 1 6 3电子测量中的处理技术 信号运算与处理是电子测量中的基本技术浅层的信息处理基本上属于对信息的形式化关系所作的变换或处理 仅仅利用了语法信息的因素 例如 在测量交流电压的平均值 峰值 有效值时 需要对信号进行加 减 乘 除 平方 开方 平均 取绝对值 峰值等运算与处理 深层信息处理 特别是直接与优化 决策 认知等相联系的信息处理 的目的是为了要从原始信息中获得相关的 知识 运算电路分为模拟运算电路和数字运算电路两大类 1 6 3电子测量中的处理技术 续 1 基本模拟运算运算放大器辅之以不同的电路元件 可以组成诸如比例 加减 微分 积分 对数 指数和乘除等电路 1 四则运算电路 2 积分和微分电路 3 有源滤波器 1 6 3电子测量中的处理技术 续 例1 7 举例说明运算与处理功能在电压测量中的应用 计算公式第一级为模拟乘法器 完成被测电压的平方运算 第二级为积分器 完成平均运算 第三级为开方器 完成开平方根的运算 最后一级为放大器 按一定比例放大的直流输出电压去驱动电表使电表 按被测电压的有效值进行线性刻度 1 6 3电子测量中的处理技术 续 2 数字计算与数字信号处理基于数字逻辑电