第5章 测试与计量方法PPT演示幻灯片

第5章测试和测量方法，5.1测试测量方法及其分类5.2直接测量方法和间接测量方法5.3基本测量方法和规定测量方法5.4直接比较测量方法和替代测量方法5.5差分测量方法和符合测量方法5.6补偿测量方法和交换测量方法5.7中间源测试测量方法5.8静态测量方法和动态测量方法5.9其他测量方法5.10练习，1，5.1测试和测量方法及其分类。在测试和测量过程中，应根据不同的特性和精度要求，应用相应的测量原理，采用不同的测量方法，选择不同的量或相同的量与不同的量。说“测量原理是测量方法的科学基础”。如温度测量中的热电效应、电压测量中的约瑟夫森效应、速度测量中的多普勒效应和长度测量中的光学干涉原理。这些都是基于相应的物理和化学特性测量。一方面，不同物理量的测量应结合自身的规律性特点，另一方面，也有类似的方法来提高测量精度和寻找误差因素。这两个方面的结合可以产生测量不同量的实验方案和仪器设计的总体思路。因此，掌握常用的测量方法是测量不同物理量和广义设计仪器的基础之一。在掌握这些测量方法的基础上，类比可以在广泛的仪器设计中发挥关键作用。因此，本节介绍的是不同量的测量和仪器设计中存在的共同内容之一。这些测试和测量方法是该领域最基本的方法，在测试和测量工作以及仪器设计中必须掌握。测量方法的选择需要考虑测量精度、测量范围、测量响应时间以及设计方案或仪器成本。采用不同的测量方法，实验结果中包含的误差分量与测量误差之间的关系并不完全相同。考虑到测量的高精度，通常希望从直接实验精度不一定很高的实验结果中获得更高的测量精度。直接测量法和间接测量法“不需要测量与被测量量有函数关系的其他量，但可以直接获得被测量量”称为“直接测量法”。换句话说，测量结果可以通过实验操作直接获得，并且可以由以下公式表示： A=X (5.2.1) 公式，其中A是测量值；x是从实验中直接获得的结果。将测量量线性转换成电量或传感器显示的数字量的方法可以理解为基于等式(5.2.1)的直接测量方法。的测量方法的测量误差是a=x(5 . 2 . 2)，5，从这个公式可以看出，实验结果中的误差100%转化为测量的测量误差，这就是为什么这种方法的测量精度往往不太高的原因。当直接比较和测量时，测量仪器直接给出测量值。为了消除高精度测量或测试时测量结果中包含的系统误差，需要进行补充测量来确定冲击量的值。尽管如此，这种测量仍然是直接测量。直接测量是最明显、应用最广泛的测量方法。通过这种方法获得的测量结果非常直接和方便，所使用的设备不一定非常复杂，并且在大多数情况下测量范围可以非常宽，并且不存在时间响应问题。然而，在大多数情况下，获得的测量精度不一定是最高的。在测量和仪器的设计中，经常会存在这样的矛盾，有时获得高的测量精度必须以测量时间响应或测量范围为代价。因此，测量方案的选择应该在许多方面加以考虑和折衷。直接测量方法的一个典型例子是mea当基础信号为1时，计数结果严格等于测量信号的频率值。图5.2.1使用直接测量法的数字频率计，8。测量与被测量量有函数关系的其他量以获得被测量量的测量方法称为间接测量方法。测量值可由以下公式确定：A=F(X1，X2，X3，)(5.2.3) 公式，其中A为测量值；X1、X2和X3是可直接测量的量。间接计量在计量中具有特殊意义，主要用于推导单位值的递推，如压力、流量、速度、重力加速度、功率等。在一些测量仪器中，测量值通常是通过测量中间量并计算得到的，因此精度可能更高。因此，间接测量常用于高精度测试和测量。通过分析相应的函数关系，可以提高精度。也就是说，必须首先建立测量量和每个中间量之间的数学模型，以发现中间量值对测量精度的贡献。例如，在频率标准比较中，直接频率测量法的精度不高。然而，由于当两个比较频率信号的频率值非常接近时完成了频率标准比较，所以测量信号的相对频率差可以通过使用公式 (5.2.4) ，10，来计算，并且随着比较时间的延长可以获得高测量精度。在等式(5.2.4)中，T是两个信号之间的相位差变化量，是该变化发生所需的时间。误差公式为(5 . 2 . 5)，11，公式右侧的第二项是误差的二次分量。只要两个相位比较频率源的频率值相对接近，并且适当考虑采样周期的测量或控制精度，与第一项相比，误差可以忽略。公式右边的第一项是误差的主要部分。从方程(5.2.5)可以看出，频率测量精度随着相位比较时间的延长和相位差测量精度的提高而提高。在这里直接测量的中间量是T=T2-T1和，其中T是相位差(时间间隔)，是T改变所需的时间。的范围可以从秒、分、小时到天。对于高精度频率源，T通常以微秒或纳秒为单位变化。两个信号的频率差不同，T的变化范围也不同。测量分辨率随相位比较信号的频率值而变化。例如，当比较频率为10兆赫兹的相位时，两个信号之间的相位差在0到0到100毫微秒之间。如果可以获得100n s(t)的1%的分辨率，则f/F0的精度相对较高(例如，110-9/秒、310-13/小时以及大约110-14/天等)。)可以获得。这是一种仅通过一般直接频率测量方法难以实现的精度。这种情况下的仪器不一定复杂，但它应该满足某些要求。通过对上述相位比较法的分析，我们也可以看出建立相应的数学模型和分析不同测量目的的测量方法的重要性。通过这样的分析，可以确定实际测量精度、直接测量对象以及简化仪器及其设计的方法。图5.2.2显示了相位比较法测频仪的框图。可以看出，这种设备的复杂性并不比直接计数和测量频率的仪器更复杂。用相位比较法得到的相位差比较结果示意图如图5.2.3所示。图5.2.2相位比较法测频装置框图，图15，图5.2.3相位差比较结果示意图，图16，对一些间接测量方法和直接测量方法的特点进行了综合分析，可以看出有时必须牺牲测量范围才能获得高精度。例如，使用计数器直接测量频率，尽管测量精度相对较低，但是测量的频率范围仅受计数速度的限制，并且频率范围宽。但是，当在的“通过测量某些相关的基本量来确定测量值的测量方法”被称为“基本测量方法”，有些书也称之为“绝对测量方法”。根据定义，基本测量方法实际上是间接测量方法之一。“按单位计量数量的方法”被称为“定义计量的方法”。这是一种根据计量单位的定义再现其值的方法，适用于基本单位和派生单位。应该注意的是，递归单元的定义并不完全局限于建立一个基准，它可以有不同精度的各种方法和结果。例如，根据大米的新定义，它可以通过三种方法和各种激光辐射来复制。另一个例子是电压基准，它可以通过饱和惠斯顿标准电池或约瑟夫森效应再现。在实际测量中，最有代表性的是根据欧姆定律中电阻与电压、电流的关系式R=U/I，通过电压、电流的测量和计算得到相应的电阻值。直接比较测量法和替代测量法，即直接比较测量量和相同已知量的测量方法，称为直接比较测量法。这种方法广泛用于计量和工程测试。这种方法有两个特点：首先，比较的两个量必须是相同的量。第二，测量时必须使用比较测量仪器。因此，许多误差分量由于在与标准具相同的方向上增加或减少而相互抵消，从而实现更高的测量精度。为了创造可以相互比较的条件，通常需要限制两个比较量的数值范围(例如，这些量彼此接近或具有一定的比例关系)，这也是限制直接比较测量的随机性和范围的一个因素。“替代测量方法”是指一种测量方法，该方法用相同的选定量代替测量的量，该选定量的值是已知的，并且对指示装置具有相同的效果。例如，使用已知质量的砝码代替天平上的被测物体的“poulter”方法是一种典型的替代测量方法。这里提到的“对指示装置的影响”可以理解为仪器的指示值。因此，重量的质量就是被测物体的质量，并且消除了由于天平的不平衡臂而导致的不容易计算的误差。替代法也广泛应用于电子测量。在测量条件不变的情况下，用标准已知量代替被测量，并调整标准量使仪器的指示值相同，使测量值等于标准量的相应标称值。由于在更换过程中测量电路和仪器的工作条件和指示值保持不变，测量中恒定的系统误差不会影响测量结果。测量精度主要取决于已知标准量的精度和指示仪器的灵敏度。在这方面，最典型的例子是当热电偶用作交流电压测量中的转换装置时，DC-交流替代测量方法。这可以消除交流或交流转换信号指示器的错误。由于热电偶的输出电势只与热线吸收的功率有关，而与低频频率无关，当同一热电偶对低频电压和直流电压的输出电势相同时，DC电压值正好等于待测交流电压的有效值。DC电压值可以用DC数字电压表精确测量。，22，一些难以直接测量的量的高精度测量通常可以通过替换法来实现。在测量系统中，公共终端检测和显示通道主要用于方便高精度测量的量和被测量的量。在精度等方面对信道没有很高的要求。它的功能是精确而平等地显示两个具有一致终端效果值的值。为了实现这一点，要求该终端信道中的两个信号的幅度具有相同的性质，并且为了以更高的分辨率给出两个量的相同的替代效果，因此为了实现这种转换，必须掌握一些特殊的设备，特别是对于不同的被测转换设备。下面用实际替代法的应用实例来说明这种方法不容易通过其他方法获得高精度的测量，以及系统各部分对测量的影响。替代法的典型应用是用能够高精度测量的DC信号代替交流信号，实现交流量有效值的高精度测量。为了实现替代，必须实现身份的转换。也就是说，交流/DC信号可以被转换成对应于它们的有效值的量，并且可以通过检测这些量来获得测量值。这里，热效应转换使用方便且精度高，并且已经被广泛使用。应用这种效应制成的转换装置是热电偶。图5.4.1真空单元热电偶，图25和图5.4.1显示了一个普通的真空单元热电偶。在实际测量中，交流电和直流电交替流入电热丝。如果热电偶输出的热电势在两种情况下都相等，电热丝的热值被认为是相同的，即交流电流的有效值等于DC电流的值。因此，只要测量DC电流，就可以获得交流电流的等效有效值。当测量交流电压有效值时，电阻元件可用于在测量前将交流电压转换为交流电流。电热丝的额定电流约为几十毫安，只有在接近额定值时才能获得更好的效果。为了使热电偶适用于测量不同幅度的电流和电压，需要电阻分流器、分压器或电感耦合比例装置来扩大热电偶的幅度限制。通常，热电偶和用于扩大测量范围的附件组装在一起形成热电比较器。不确定度为10-4 10-5。电子计量中低频电压的频带通常覆盖几赫兹到大约1兆赫的频率范围。使用真空热电偶作为转换元件的交流/DC转换标准在该频段具有最高的精度。该热电偶的输出电位仅与热线吸收的功率有关，与低频频率无关。因此，低频电压和直流电压被相继施加到同一真空热电偶。如果其输出电势相等，则施加的两个电压也相等。原理如图5.4.2所示。图5.4.2低频电压标准示意图，图28。在低频电压标准中，影响精度的主要因素是热电偶制造工艺不完善，这会导致热电偶直流正反向误差、交流/DC转换误差和频率响应误差等。应采取相应的措施。在另一种测量交流电压和电流的方法中，只要求在交流和DC输入条件下测量真空热电偶的输出电势时严格相等，并且不要求高测量精度。因此，电位测量仪只需要高稳定性和一定范围的灵敏度。此时，测得的交流电流有效值相当于用于测量直流电流的DC数字电压或电流表。真正反映测量精度的是DC测量仪的精度。对于直接流量测量，可以获得比直接测量交流流量高得多的精度。这就是为什么这里的替代方法可以获得高精度。在射频到微波波段，衰减的直接测量非常困难。在这种情况下，替代方法起到了非常重要的作用。这里可以使用直接替代法和中频替代法。在各种代换方法中，中频代换方法是最重要的。其优点是测量范围大，精度高。因此，尽管该系统相对较大且操作复杂，但它仍然是目前使用最广泛的衰减测量方法。中频替代法的基本工作原理是通过外差混频将射频信号(被测衰减器的工作频率)线性改变为固定的中频信号。然后，要测量的衰减器被在中间工作的标准衰减器代替如果用截止衰减器作为标准衰减器，由于起始段(20 30)相当大的非线性，计量系统的测量范围将不可避免地缩小。并联替代法的系统相对复杂，多用途中频信号源与串联替代法相比也会产生新的误差，但它的适用范围比前者更广，所以应用更广泛。中频替代方法仅使用待测量的身份转换，将其转换成与替代量具有相同属性的量(中频)，并且通过在该量的背景下替代