第1章测量的基本概念汇总.ppt

电气测试技术,单位：自动化学院教师：祁伟联系方式箱：QW1_A163.COM,课程简介,测量基本概念，介绍测量的基本概念、技术方法，测量仪表基本结构性能。测量误差和数据处理，误差的来源、表示方法、测量数据的处理。信号时域测量、示波器等仪器的原理和工作特性。非电量的电测技术，各类传感器的介绍。微型化和智能化传感器数字化测量技术抗干扰技术,进度安排,共7次授课3月27日第1章测量的基本概念第2章测量误差及数据处理（15节）4月9日第2章测量误差及数据处理（68节）第3章信号的时域、频域与数据域测试技术4月10日第4章非电量的电测技术介绍16个传感器5月7日测验第5章微型化和智能化传感器5月8日第6章数字化测量技术5月21日前四章考试讲评第7章抗干扰技术5月22日总考试讲评,上课形式,理论+试题+讨论希望大家能开动大脑共同完成上课与自考任务,第1章测量的基本概念,第1章测量的基本概念,1.1测量的概念和定义1.2测量仪表的结构及其基本性能1.3测量仪表的输入输出特性1.4测量方法,1.1测量的概念和定义,在自然界中，对任何不同的研究对象，如要从数量方面对它进行研究和评价，都是通过测量代表其特性的物理量来实现的。1.1.1测量的基本方程测量是以同性质的标准量（也称为单位量）与被测量比较，并确定被测量对标准量的倍数。设被测量为，单位量为，测量结果的数值为：换算因数：例如：1安培1000毫安，1000就是换算因数。,测量结果测量数值.测量单位,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单位制和单位为了对同一被测量在不同的时间、地点进行测量，能得到相同的结果，必须采用公认的而且固定不变的单位。为了有利于各国之间的科学文化交流，测量单位的确定和统一是非常重要的。单位制的种类很多，由于国际单位制（代号SI）具有严格的统一性、突出的简明性与广泛的实用性，是生产、科研、文教、贸易和人民生活中广泛应用的统一单位。我国采用国际单位制及其单位。,英呎feet,英尺（0.3048m）在英文中的本意是“脚”。实际上，一英尺就是一个成年男子一只脚的长度。由于脚的长度因人而异，在使用时有必要规定一个标准的脚长。到了16世纪，德国人用了一个非常简单的方法解决此事。在一个礼拜日，让从教堂里走出来的16个男子站在一起，然后将其左脚的长度加在一起，除以16，求出一个平均的脚长。我们现在使用的英尺就这样诞生了。,国际计量委员会(CIPM)在1956年将经过21个国家同意的计量单位制草案命名为国际单位制，以国际通用符号SI来表示。1960年第11届国际计量大会(CGPM)正式通过了SI。随后一些国际组织，如国际法制计量组织(OIML)，国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)等也采用了国际单位制。,（一）国际单位制(SI)国际单位制由7个基本单位、两个辅助单位和19个具有专门名称的导出单位所组成。所有单位都各有一个主单位和十进倍数（十进分数）的词头组成。,7个基本单位定义如下：长度单位米(m)光在真空中于1299792458s时间所经过的距离(1983年第17届国际计量大会通过)。质量单位千克(kg)质量单位、等于国际千克原器的质量(1901年第3届国际计量大会规定)。国际单位制基本单位中唯一保留的实物基准。,3时间单位秒(s)我们所说的秒，其实就是铯-133原子跃迁振荡周经历的时间，这是年月召开的第十三届国际计时大会正式定义的。国际上规定，取年月日世界时零时零分零秒的瞬间作为原子时的起点。4.电流强度单位安培(A)一恒定电流，若保持在处于真空中相距1m的两无限长而截面可以忽略的平行直导线内，则此两导线之间产生的力在每米长度上等于2l0-7N(1948年第9届国际计量大会确定)。5.热力学温度单位开尔文(K)水的三相点热力学温度的1273.16(1967年第13届国际计量大会通过)。,6物质的量的单位摩尔(mol一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012kg碳-12的原子数目相等(1971年第14届国际计量大会决定增加的基本单位)。在使用摩时，应指明基本单元是原于、分子、离子、电子及其它粒子，或是这些粒子的特定组合。7发光强度单位坎德拉（cd）发出频率为540l012Hz单色辐射的光源在给定方向上的发光强度。而且在此方向上的幅射强度为(1683)wsr1979年第16届国际计量大会规定)。,我们都知道，世界标准时是以伦敦格林尼治天文台为中心设定的时间，所以也称格林尼治时间。格林尼治天文台就在本初子午线（0度经线）上，所以他使用中时区（0时区）的标准时间，称为格林尼治时间。那么北京时间是以北京在中心设定的标准时吗？,我国采用北京所在的东八时区的区时作为标准时间，称为北京时间。北京时间是东经120度经线的地方平太阳时，不是北京当地的平太阳时。北京的地理位置为东经116度21，因而它的地方平太阳时比北京时间晚约14分半钟。北京时间比世界标准时间早8小时。那么北京时间是在哪里进行计算和发布的呢？是来自陕西省蒲城县境内的国家授时中心。之所以选择这里，是考虑：陕中地处大陆腹地，离中国大地原点仅公里，发射的时间信号便于覆盖全国；当地地质构造稳定，授时中心因地震等灾难被毁坏的系数极小；由于其重要性，建立在内陆地区比较安全。年月，中国科学院国家授时中心建成。年月日，时间城开始向全国进行短波广播。半径达公里的范围内，人们第一次从收音机里听到日后耳熟能详的“嘀，刚才最后一响，是北京时间点整”。几乎没人知道，这全国统一的“北京时间”就是从这么荒僻的山区，这个神秘的大院播出的。,1.1.3测量仪表的基本功能测量过程实际上是能量的变换、传递、比较和显示的过程。测量仪表应具有变换、选择、比较和显示四种功能。变换功能变换是指把被测量按照一定的规律转变成便于传输或处理的另一种物理量的过程。选择功能测量仪表应具有选择有用信号，抑制其它一切无用信号的功能。比较功能要确定被测量对标准量的倍数，比较功能是必不可少的。显示功能显示功能是测量仪表的基本功能之一。,1.2测量仪表的结构及其基本性能,1.2.1仪表的基本性能评价仪表的品质指标是多方面的，作为仪表的基本性能，主要是衡量仪表测量能力的那些指标，如精确度、稳定性、测量范围、输入输出特性等。精确度（简称精度）说明精确度的指标有三个：精密度、准确度和精确度。精密度精密度表示仪表指示值的分散程度。准确度准确度是指仪表的指示值（简称示值）偏离被测量真正值的程度。精确度精确度是精密度和准确度的综合反映。,(1)精密度。指在一定的测量条件下进行多次测量时所得各测量结果之间的分散程度。精密度随机误差小例：某温度仪表精密度0.5，说明多次测量结果的分散程度不大于0.5。,(2)准确度。表示测量结果与真值的一致程度。例：某电压表准确度0.5V，说明该表的指示值偏离被测量不会大于0.5V。准确度系统误差小(3)精确度：精密度和准确度的综合反映。精密度、准确度中某一个高，另一个低都不能说精确度高！,例：射击打靶测量精度,例：射击打靶测量精度,不精密不准确,精密不准确,不精密准确,精密准确精确度高,稳定性稳定度稳定度是由于仪表内部某些随机变化的因素引起的。例如仪表内部某些因素作周期性变化、飘移或机械部分的摩擦力变化等引起仪表的示值变化。通常它以精密度的数值和时间长短一起来表示。稳定度=1.3mv/8h环境影响使用仪表时的周围环境（如室温、湿度、大气压、震动等）条件变化引起仪表示值变化，以及电源电压、波形、频率等工作条件变化引起仪表示值变化，统称为环境影响，用影响系数表示。,1.2.2测量仪表的结构测量仪表（测量系统、传感器等）由若干环节组成。根据各个环节（或变换元件）的联接方式不同，仪表就有不同的组成结构。直接变换型结构平衡变换型结构差动变换型结构,直接变换型结构直接变换型仪表由几个组成环节串联连接而成，信息的变换只沿一个方向进行，是一个开环系统，见图。设各组成环节的传递系数为，整个系统的传递系数为：,图1-2直接变换型结构,平衡变换型结构平衡变换型结构有两个变换回路，见图。由图可见，平衡变换型结构的仪表形成一个深度负反馈的闭环系统。,a)平衡变换型结构b)等效简化电路,图1-3平衡变换型结构,差动变换型结构差动变换型结构由、和三个回路组成，见图1-4。差动变换型仪表的灵敏度较高。,图1-4差动变换型结构,1.3测量仪表的输入输出特性,1.3.1静态特性及其性能指标静态特性在测量过程中，当输入信号不随时间变化（）或者随时间变化很缓慢时，输出信号与输入信号之间的函数关系称为仪表的静态特性。仪表的静态特性可用高阶多项式代数方程表示：式中，为输入信号；为输出信号；为零位输出或零点迁移量；为仪表的灵敏度；为非线性项的待定系数。,1、理想特性,输入输出曲线是经过坐标原点的直线灵敏度,2、具有零点迁移的线性特性,输入输出曲线是在纵轴上的截距为y0的直线，相当于把仪表零点迁移到y0处。,3、只含奇次方非线性特性,y(x)=-y(-x)输入输出曲线对原点对称在原点附近相当范围内是线性的。这种特性仪表，在输入量x相当大的范围内具有相当宽的近似线性范围。,4、只含偶次方非线性特性,输入输出曲线不对称。因为没对称性，其线性范围较窄。一般仪表设计很少采用这种特性。,静态性能指标表征仪表静态特性的指标有灵敏度、线性度、重复性和滞环四个指标。1.灵敏度灵敏度是指测量仪表在稳态下，输出的变化量对输入变化量之比，即：（1-10）它是仪表静态特性曲线上各点的斜率。测量仪表的灵敏度可分为三种情况：（1）灵敏度为常数；（2）灵敏度随被测量的增加而增加；（3）灵敏度随被测量的增加而减小；,灵敏度为常数；,灵敏度k随被测量输入量增加而减小,灵敏度k随被测量增加而增加,由于输入、输出的变化量一般都具有量纲，所以灵敏度也是有量纲。输入为电压（V）；输出量为标尺上的位移(格)：k的单位：格/V如果输入和输出量是同类量则此时k理解为放大倍数。灵敏度比放大倍数有更广泛的含义。,2.线性度线性度是指仪表的实际静态特性曲线偏离其理论拟合直的程度。由下图可见，仪表非线性误差的大小与理论拟合直线有关，对同一条静态特性曲线，若理论拟合直线不同，计算所得的非线性误差会差别很大。,图1-5不同理论拟合直线所对应的线性度(a)理论线性度(b)端基线性度,几种理论拟合直线的方法：理论线性度、端基线性度、和最小二乘法性度等；最小二乘法线性度的拟合精度最高，但其计算也最烦琐，在测试数据较多时，最好用计算机进行计算。,（1）理论线性度(绝对线性度)表示实际输出曲线与理论曲线之间的偏差程度。选通过零点与满量程输出点所作的直线为参考直线。,（2）端基线性度(端点线性度),以测量设备多次实测之零输入所得平均值点与满量程输出平均值点所联成的直线为参考直线。,拟和方法简单直观，应用较广泛；但精度较低。,（3）最小二乘法线性度,拟和直线：,设实际标准测量点有n个，对应输出量为y，第i个校准数据与拟和直线对应值之间残差：,拟和原则：,k=b=,在具有等精度的多次测量中求最可靠值时，是当各测定值的残值的残差平方和为最小时，所求得的值，也就是说，把所有校准点数据都标在坐标图上，用最小二乘法拟合的直线，其校准点与对应的拟合直线上的点之间的残差平方和为最小。最小二乘法有严格的数学依据，尽管计算繁杂，但所得到的拟合直线精密度高，即误差小。书P8例1,例1-1,有一只压力传感器的标定数据见下表，求其最小二乘法线性度和灵敏度,例1-1,解：最小二乘法拟合直线的方程式为,首先根据已知条件利用1-14、1-15计算出k、b,带入1-12即可算出最小二乘法拟合直线的方程。,将各输入量代入上式可得理论拟合直线各点的数值,依次找出传感器输入与输出校准值与上述拟合直线相应点的偏差,由表可见最大偏差,压力传感器的灵敏度用输入量和输出量的测量范围之比来表示,3.滞环滞环表示仪表的正向（上升）和反向（下降）特性曲线的不一致程度，用滞环误差来表示，见图1-6。滞环误差主要由于仪表内部的弹性元件、磁性元件和机械部件的摩擦、间隙以及积尘等原因而产生。,图1-6滞环误差,4重复性,测量设备在相同工作条件下输入量按同一个方向多次重复测量，所得的特性曲线的不一致的程度。重复误差：用多次量程中最大重复差值与量程输出值之比的百分数表示：,1.3.2测量仪表的动态特性当输入量是时间的函数时，仪表的输出量与输入量之间的函数关系称为仪表的动态特性。任何仪表都有时间常数和时延，可用一阶或二阶加时延环节的特性来描述仪表的动态特性。因此，当仪表的输入量随时间变化很快时，其输出量跟不上输入量的变化而存在较大的偏差。仪表输出量随时间变化的曲线与输入量随同一时间变化的曲线之偏差称为仪表的动态误差。理论研究和实践表明，由于时间常数和时延引起仪表的动态误差是比较大的。为提高测量精度，减小动态误差，应根据被测信号的频率选择仪表的动态特性。,1.4测量方法,1.4.1概述测量方法的正确与否是十分重要的。要根据测量任务提出的精度要求和其它技术指标，认真进行分析和研究，找出切实可行的测量方法，选择合适的测量仪表、仪器或装置，然后进行测量。测量方法的分类是多种多样的。根据测量时被测量是否随时间变化可分为静态测量和动态测量；根据测量条件可分为等精度测量和非等精度测量；根据测量元件是否与被测介质接触可分为接触式测量和非接触式测量；根据测量方法来分为直线测量、间接测量和组合测量；根据测量方式来分可分为直读式测量、平衡式测量和微差式测量。下面根据后两种分类方法对测量方法进行研究。,1.4.2按测量方法分1.直接测量用预先按标准量标定好的仪表对被测量进行测量或用标准量直接与被测量进行比较。从而得出被测量之值，叫做直接测量。2.间接测量用直接测量方法测量几个与被测量有确切函数关系的物理量，然后通过函数关系式求出被测量之值，叫做间接测量。3.组合测量在测量中，使各个未知量以不同的形式组合（或改变测量条件来获得这种不同的组合），通过直接测量和间接测量所获得的数据，然后求解一组联合方程而求得被测量的数值，叫做组合测量。通常在实验室中使用。,直接测量法例如，电压表测电压，电子卡尺，用电桥测电阻等。,间接测量法,通过对被测量有函数关系的其它量的直接测量，通过函数关系得到被测量值的测量方法。例如，直接测出电阻的阻值及其两端的电压来确定流过该电阻的电流值，测量电阻率。,阿基米德测量皇冠的比重：V/m对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量。,何种情况采用间接测量？,一般，间接测量需要测量的量较多。测量和计算工作量较大，引起的误差因素也较多。但如果对测量误差进行分析并选择和确定具体的优化测量方法和在比较理想的条件下进行测量，测量结果的准确程度不一定低，有的甚至有较高的准确度。通常在实验室使用。直接测量不方便，例测量电流I，IU/R直接测量误差大缺乏直接测量仪器采用现有多参数综合测试仪，可使测量手续简化。,1.4.3按测量方式分1.直读式测量直读式测量是根据仪表（仪器）的读数来判断被测量的大小，而作为单位的标准量具并不参与比较。例：万用表测量电流、电压,1.4.3按测量方式分2.零位式测量零位式（又称补偿式或平衡式）测量法，在测量过程中，用已知的标准量直接与被测量比较，若有差值用零仪表来指示，当指零仪表指在零位时，说明被测量等于标准量，然后用标准量之值决定被测量之值。用这种测量方法进行测量，标准量具装在仪表内，在测量过程中，标准量直接与被测量进行比较。例如用电位差计测量被测电动势就是这种测量方法。,直流电位差计测量原理电位差计的简化电路见图1-8。图中，RP1调整工作电流用，是工作电源电动势，是标准电阻，是标准电池电动势，RP2是工作电位器，其阻值为，P是高灵敏度检零仪表。,图1-8直流电位差计原理图,直流电位差计测量原理,第一步：校准工作电流将开关K合在“N”的位置上，然后调节工作回路的电位器，使检流计P的指示为零，此时工作电流在标准电阻上的电压降与标准电池电势相等，因为为标准电动势，为标准电阻，两个都是已知标准值，所以此时的电流为仪表刻度的规定值。,直流电位差计测量原理,第二步：测量未知热电势工作电流校准以后，就可以将开关K合到“X”位置上，这时校准回路断开，测量回路接通，移动滑动触点A的位置，直至检流计也指示为零，此时便得：于是被测热电势得到准确的测定，即由A点位置来确定。,直流电位差计测量的特点,直流电位差计测量的特点：被测电动势用、和三个标准量来表示，而这三个标准量的精确度都可做得很高，故这种测量方法的测量精度高。读数时指零仪表P指零，说明指零仪表P支路电流。也就是说，读数时，不向被测电路吸取能量，不影响