计量学基础课程课件4

1、主讲人:邓华夏计量学基础量块的使用量块的使用v2)2)量块的中心长度：是指量块一个测量面的中心量块的中心长度：是指量块一个测量面的中心到与其相对的另一测量面之间的垂直距离，用符到与其相对的另一测量面之间的垂直距离，用符号号L L表示。表示。3)3)量块的标称长度：是指两相互平行的测量面之量块的标称长度：是指两相互平行的测量面之间的距离，即量块的工作长度，用符号间的距离，即量块的工作长度，用符号l l表示。表示。v4)4)量块长度的实测值：是指用一定的方法，量块长度的实测值：是指用一定的方法，v对量块长度进行测量所得到的量值。对量块长度进行测量所得到的量值。5)5)量块的长度变动量：是指量块任意

2、点长度中的量块的长度变动量：是指量块任意点长度中的最大长度最大长度LmaxLmax与最小长度与最小长度LminLmin之差的绝对值，用之差的绝对值，用符号符号LvLv表示。表示。6)6)量块的长度偏差：是指量块的实测值与其标称量块的长度偏差：是指量块的实测值与其标称值之差，简称偏差值之差，简称偏差量块的使用量块的使用量块及有关量块的长度和偏差 量块的使用量块的使用图2-3量块测量面的示意图当量块标称尺寸l 6mm时，刻有数字的表面为上测量面；当l 6mm时，刻有数字的表面的右侧面为上测量面，相对的另一面为下测量面。量块的使用量块的使用2.2.量块的研合性与选用原则量块的研合性与选用原则 所谓研

3、合性，是指量块的一个测量面与另一量所谓研合性，是指量块的一个测量面与另一量块的测量面或另一经精密加工的类似的平面，块的测量面或另一经精密加工的类似的平面，通过分子吸力作用而粘合的性能。利用这一特通过分子吸力作用而粘合的性能。利用这一特性，把量块研合在一起，便可以组成所需要的性，把量块研合在一起，便可以组成所需要的各种尺寸。各种尺寸。 量块一般是成套生产的，国标将量块制定了量块一般是成套生产的，国标将量块制定了17种套别，套别是按量块数量的多少来划分的。种套别，套别是按量块数量的多少来划分的。比如比如91块一套，块一套，83块一套，块一套，6块一套，块一套，5块一块一套等（如下表所示）套等（如下

4、表所示） 量块的使用规则量块的使用规则v在使用组合量块时，为了减小量块组合的累积误在使用组合量块时，为了减小量块组合的累积误差，应尽量减少使用的块数，一般不超过差，应尽量减少使用的块数，一般不超过4545块。块。为了迅速选择量块，应根据所需尺寸的最后一位为了迅速选择量块，应根据所需尺寸的最后一位数字选择量块，每选一块至少减少所需尺寸的一数字选择量块，每选一块至少减少所需尺寸的一位小数。位小数。v 例例1 1：从：从8383块一套的量块中选取尺寸为块一套的量块中选取尺寸为38.93538.935mmmm量块组，其选取方量块组，其选取方法为：法为：v 38.935 38.935v ）1.005 1

5、.005 第一块量块尺寸为第一块量块尺寸为1.0051.005mmmmv 37.93 37.93v ）1.43 1.43 第二块量块尺寸为第二块量块尺寸为1.431.43mmmmv 36.5 36.5v ）6.5 6.5 第三块量块尺寸为第三块量块尺寸为6.56.5mm mm v v 30 30 第四块量块尺寸为第四块量块尺寸为3030mmmmv 例如，从例如，从91块一套的量块中选取尺寸为块一套的量块中选取尺寸为36.745mm的量的量块组，选取方法为：块组，选取方法为：v 36.745 所需尺寸所需尺寸v 1.005 第一块量块尺寸第一块量块尺寸 35.74 1.24 第二块量块尺寸第二块

6、量块尺寸 34.5 4.5 第三块量块尺寸第三块量块尺寸 30.0 第四块量块尺寸第四块量块尺寸 返回为扩大量块的应用范围，可采用量块附件，量块附件中有夹持器和各种量爪。量块及附件装配后，可用于测量外径、内径或精密划线。v注意：量块的组合方法及原则注意：量块的组合方法及原则v 组合原则组合原则 v1）量块块数尽可能少，一般不超过）量块块数尽可能少，一般不超过35块。块。v2）必须从同一套量块中选取，决不能在两套或两）必须从同一套量块中选取，决不能在两套或两套以上的量块中混选。套以上的量块中混选。v3）组合时，不能将测量面与非测量面相研合。）组合时，不能将测量面与非测量面相研合。v4）组合时，下

7、测量面一律朝下）组合时，下测量面一律朝下。 一些重要的概念一些重要的概念vv有关工作范围的特性有关工作范围的特性v1 示值示值v计量器具的示值是指计量器具所给出的量的值计量器具的示值是指计量器具所给出的量的值。示值可以是被测量。示值可以是被测量,测量信号或用于计算被测量测量信号或用于计算被测量之值的其他量的值。对实物量具之值的其他量的值。对实物量具,示值就是它所标示值就是它所标出的值。示值随着被测量而变化。出的值。示值随着被测量而变化。 http:/ 标称值标称值 (nominal value)v标称值是计量器具上表明其特性或指导其标称值是计量器具上表明其特性或指导其使用的量值使用的量值,该值

8、为修约值或近似值该值为修约值或近似值,如标在电如标在电压表表盘上的示值。标称值是固定的压表表盘上的示值。标称值是固定的,不随被不随被测量的变化而变化。测量的变化而变化。v3 标称范围标称范围(nominal range)v标称范围是计量器具的操纵器件调到特定标称范围是计量器具的操纵器件调到特定位置时可得到的示值范围。标称范围通常用计位置时可得到的示值范围。标称范围通常用计量器具的上限和下限表明量器具的上限和下限表明,如果下限为零如果下限为零,标称标称范围一般只用上限表明。范围一般只用上限表明。vv4 测量范围测量范围v测量范围是计量器具的误差处在规定极限测量范围是计量器具的误差处在规定极限内的

9、一组被测量的值内的一组被测量的值,与测量设备的最大允许误与测量设备的最大允许误差有关。在标称范围内差有关。在标称范围内,测量设备的误差处于最测量设备的误差处于最大允许误差内的那一部分范围才是测量范围大允许误差内的那一部分范围才是测量范围,也也就是说就是说,只有在这一部分测量的值只有在这一部分测量的值,其准确度才其准确度才符合要求符合要求,因此因此,有时又把测量范围称为工作范有时又把测量范围称为工作范围。围。 v5 量程量程(span) 量程量程 英文等价术语英文等价术语 span 术语定义术语定义(汉语汉语) 测量范围上限值与下限值之差。测量范围上限值与下限值之差。 v有关响应方面的特性有关响

10、应方面的特性v1 响应特性响应特性v在特定条件下在特定条件下,激励与对应响应之间的关系激励与对应响应之间的关系就是计量器具的响应特性。这种关系可以用数就是计量器具的响应特性。这种关系可以用数学等式学等式,数值表或图形来表示。当激励是关于数值表或图形来表示。当激励是关于时间的函数时时间的函数时,传递函数是响应特性的一种表传递函数是响应特性的一种表示形式。示形式。2 灵敏度灵敏度 灵敏度是计量器具响应的变化与引起该灵敏度是计量器具响应的变化与引起该变化的激励值（被计量值）的变化之比。对变化的激励值（被计量值）的变化之比。对于带刻度指示器的器具于带刻度指示器的器具,通常以分度长度与通常以分度长度与其

11、值之比作为灵敏度。灵敏度指标是考察传其值之比作为灵敏度。灵敏度指标是考察传感器的主要指标之一。感器的主要指标之一。3 鉴别力鉴别力使器具的响应产生可以察觉的变化的使器具的响应产生可以察觉的变化的激励值（被计量值）的最小变化量激励值（被计量值）的最小变化量,称为鉴称为鉴别力。这种激励变化应缓慢而单调地进行。别力。这种激励变化应缓慢而单调地进行。 v 4 分辨力分辨力v分辨力是指显示装置能有效辨别的最小的示值差。分辨力是指显示装置能有效辨别的最小的示值差。 5 死区死区v计量器具的死区指的是不致引起计量器具响应发计量器具的死区指的是不致引起计量器具响应发生变化的激励双向变动的最大区间。生变化的激励

12、双向变动的最大区间。v 6 响应时间响应时间v激励受到规定突变的瞬间与响应达到并保持其最激励受到规定突变的瞬间与响应达到并保持其最终稳定性在规定极限内的瞬间两者之间的时间间隔就终稳定性在规定极限内的瞬间两者之间的时间间隔就是响应时间。是响应时间。 v有关性能方面的特性有关性能方面的特性 v1 漂移漂移v漂移是指计量器具计量特性的缓慢变化。漂移是指计量器具计量特性的缓慢变化。v2稳定性稳定性v 计量器具保持其计量特性随时间恒定的能计量器具保持其计量特性随时间恒定的能力称为计量器具的稳定性。通常力称为计量器具的稳定性。通常, 稳定性是对稳定性是对时间而言的。时间而言的。v3 重复性重复性v重复性是

13、指在相同条件下重复性是指在相同条件下,重复测量同一个重复测量同一个被测量被测量,计量器具提供相近示值的能力。重复计量器具提供相近示值的能力。重复性可以用测量结果的分散性定量来表示。性可以用测量结果的分散性定量来表示。v4 可靠性可靠性v 可靠性是指计量器具在规定条件下和规定可靠性是指计量器具在规定条件下和规定时间内时间内,完成规定功能的能力。表示计量器具完成规定功能的能力。表示计量器具可靠性的定量指标可靠性的定量指标,可以用其极限工作条件下可以用其极限工作条件下的平均无故障工作时间来表示的平均无故障工作时间来表示,这个指标越高这个指标越高,说明可靠性越好。说明可靠性越好。 v1 准确度准确度v

14、准确度指计量器具给出接近于真值的响应能准确度指计量器具给出接近于真值的响应能力。在实际应用中力。在实际应用中,常以测量不确定度常以测量不确定度,准确度等准确度等级或最大允许误差来定量表示。级或最大允许误差来定量表示。v 2 准确度等级准确度等级v准确度等级是符合一定的计量要求准确度等级是符合一定的计量要求,使误差保使误差保持在规定极限以内的计量器具的等别持在规定极限以内的计量器具的等别,级别。这级别。这也是计量器具最具概括性的特征也是计量器具最具概括性的特征,综合反映了计综合反映了计量器具的基本误差和附加误差的极限值以及其他量器具的基本误差和附加误差的极限值以及其他影响测量准确度的特性值。影响

15、测量准确度的特性值。 v3 测量精度测量精度v测量精度是测量结果的可信程度或不确定度测量精度是测量结果的可信程度或不确定度, 一般以计量值与被计量量的实际值之间的一般以计量值与被计量量的实际值之间的 偏差偏差范围来表示。范围来表示。 4 最大允许误差最大允许误差v对给定计量器具对给定计量器具,规范规范,规程等所允许的误差极规程等所允许的误差极限值为最大允许误差限值为最大允许误差,有时也称为计量器具的允许有时也称为计量器具的允许误差限。误差限。25专业内涵性能指标评价 误差指标：精度和准度仪器的结构和组成仪器的结构和组成v仪器的总体构成及其计量链仪器的总体构成及其计量链v1 仪器的总体构成仪器的

16、总体构成v仪器并没有很固定的构成模式。但是典型的计仪器并没有很固定的构成模式。但是典型的计量器具从总体构成来说量器具从总体构成来说,一般可以分为三个主要部一般可以分为三个主要部分。分。 计量对象输入部分中间变换部分输出部分观察者计量器具v计量器具的第一部分是输入部分（包括传感计量器具的第一部分是输入部分（包括传感器器,检测器或计量变换器）检测器或计量变换器）,它把被计量的信息转它把被计量的信息转变成便于下一步处理的信号。第二部分是中间变变成便于下一步处理的信号。第二部分是中间变换部分（也称二次变换部分）换部分（也称二次变换部分）,它把输入部分出它把输入部分出来的信号进行放大来的信号进行放大,滤

17、波滤波,调制解调调制解调,运算运算,分析或分析或其他二次变换其他二次变换,使之适合于输出的需要。使之适合于输出的需要。v 第三部分是输出部分（也称终端变换部分第三部分是输出部分（也称终端变换部分,包包括指示装置和记录装置）括指示装置和记录装置）,它将被计量的等效信它将被计量的等效信息提供给观察者或电子计算机。息提供给观察者或电子计算机。v在电计量仪器中在电计量仪器中,计量信号是该仪器内被计量计量信号是该仪器内被计量量的代表量的代表,常常把输入到仪器的信号称为激励常常把输入到仪器的信号称为激励,把把仪器的输出信号称为响应。仪器的输出信号称为响应。 vv从计量器具的总体构成来看从计量器具的总体构成

18、来看,可以认为它是包含许可以认为它是包含许多环节的计量链。计量链是计量仪器或计量装置中的多环节的计量链。计量链是计量仪器或计量装置中的一系列单元一系列单元,它们构成计量信号从输入到输出的通道它们构成计量信号从输入到输出的通道。例如由传声器。例如由传声器,衰减器衰减器,滤波器滤波器,放大器和电压表组成放大器和电压表组成的电声计量链。的电声计量链。v 用毫伏计作为指示机构或指示单元的热电温度计用毫伏计作为指示机构或指示单元的热电温度计,具有这样的计量链：具有这样的计量链： 热电偶：热电偶： 热电温度计的计量链方框图 上面给出了串联式计量链,它比较简单明了。而在许多情况下,计量链是比较复杂的,不仅有

19、串联,而且有并联,甚至还带有反馈。它是温度传感器,也是第一个变换单元,把温度T变换成电动势E； 闭合电路：它是中间变换单元,在电动势E的作用下产生电流I； 毫伏计的电磁系统： 它也是中间变换单元,把电流I变换成力偶M； 弹簧等：它是指示单元,把力偶M变换成观察者可以直接感受的温度。热 电 偶闭 合电 路毫 伏 计电 磁 系 统毫 伏 计指 示 机 构TEIMv 1 传感器和计量变换器传感器和计量变换器v 传感器是计量仪器或计量链中直接作用于被计量的量的元件。传感器是计量仪器或计量链中直接作用于被计量的量的元件。v 有些被计量的量是不能直接计量或直接计量时准确度不高。比有些被计量的量是不能直接计

20、量或直接计量时准确度不高。比如温度如温度,流量流量,加速度等量加速度等量,直接同它们的标准量进行比较是相当直接同它们的标准量进行比较是相当困难的困难的,因此需要传感器变换成易于处理因此需要传感器变换成易于处理,易于与标准量比较的易于与标准量比较的物理量物理量,如位移如位移,频率频率,电流电流,电阻电阻,电压等量。电压等量。v 计量变换器是提供与输入量有给定关系的输出量的计量器件。计量变换器是提供与输入量有给定关系的输出量的计量器件。在计量变换器中在计量变换器中,与被计量的量直接作用的部分是它的传感部分与被计量的量直接作用的部分是它的传感部分或敏感部分。但有时传感部分与变换部分构成一个不可分的整

21、或敏感部分。但有时传感部分与变换部分构成一个不可分的整体体,例如热电偶。所以例如热电偶。所以,计量变换器可以只是传感器计量变换器可以只是传感器,也可以包括也可以包括它们的附属计量线路。它们的附属计量线路。 输入部分输入部分v常用传感器有：常用传感器有： v （1） 电阻式传感器：把被计量的量的变化变换为电阻式传感器：把被计量的量的变化变换为电阻变化的传感器。它包括变阻式（或滑线电阻式）电阻变化的传感器。它包括变阻式（或滑线电阻式）和电阻应变式两类和电阻应变式两类,后者根据应变计结构的不同又可后者根据应变计结构的不同又可分为丝式分为丝式,箔式和薄膜式三类。箔式和薄膜式三类。v （2） 电感式传感

22、器：把被计量的量的变化变换为电感式传感器：把被计量的量的变化变换为自感或互感变化的传感器。它包括可变磁阻式自感或互感变化的传感器。它包括可变磁阻式,涡流涡流式和差动变压器式三类。式和差动变压器式三类。v （3） 电容式传感器：把被计量的量的变化变换为电容式传感器：把被计量的量的变化变换为电容变化的传感器。它包括极距变化型电容变化的传感器。它包括极距变化型,面积变化型面积变化型和介质变化型三类。和介质变化型三类。 传感器传感器v（4） 压电式传感器：利用一些晶体材料的压压电式传感器：利用一些晶体材料的压电效应电效应,把力或压力的变化变换为电荷量变化把力或压力的变化变换为电荷量变化的传感器。压电晶

23、体不但有纵向和横向的压电的传感器。压电晶体不但有纵向和横向的压电效应效应,而且还有剪切的压电效应而且还有剪切的压电效应,因而可作成不因而可作成不同支撑形式和受力状态的传感器同支撑形式和受力状态的传感器,在力在力,加速度加速度,超声及声纳等计量中得到了广泛的应用。这类超声及声纳等计量中得到了广泛的应用。这类传感器是一种高精度的先进的传感器传感器是一种高精度的先进的传感器,近年来近年来得到了越来越多的关注和发展。得到了越来越多的关注和发展。v （5） 压磁式传感器：利用一些铁磁材料的压磁式传感器：利用一些铁磁材料的压磁效应压磁效应,把力或压力的变化变换为导磁率变把力或压力的变化变换为导磁率变化的传

24、感器。利用其逆效应化的传感器。利用其逆效应,可以作成磁滞伸可以作成磁滞伸缩式传感器。缩式传感器。 v（6） 压阻式传感器：压阻式传感器： 利用半导体材料的压利用半导体材料的压阻效应阻效应,把压力的变化变换为电阻变化的传感把压力的变化变换为电阻变化的传感器。它可分为薄膜型器。它可分为薄膜型,结型和体型三类。结型和体型三类。v（7） 光电式传感器：光电式传感器： 利用光电效应把光通利用光电效应把光通量的变化变换为电量变化的传感器。可利用的量的变化变换为电量变化的传感器。可利用的光电效应包括光电子发射效应（光电管光电效应包括光电子发射效应（光电管,光电光电倍增管等）倍增管等）,光导效应（光敏电阻光导

25、效应（光敏电阻,光导管）和光导管）和光生伏打效应（光电池光生伏打效应（光电池,光敏晶体管）。光敏晶体管）。v（8） 振弦式传感器：利用振弦的固有频率与振弦式传感器：利用振弦的固有频率与张力之间的函数关系张力之间的函数关系,把力的变化变换为频率把力的变化变换为频率变化的传感器。激振方法可分为连续激发和间变化的传感器。激振方法可分为连续激发和间歇激发两类。歇激发两类。v（9） 霍尔传感器：利用一些半导体材料的霍霍尔传感器：利用一些半导体材料的霍尔效应尔效应,将被计量的量的变化变换为霍尔电势将被计量的量的变化变换为霍尔电势变化的传感器。利用霍尔元件的磁阻效应可以变化的传感器。利用霍尔元件的磁阻效应可

26、以作成磁阻式传感器。霍尔元件结构简单、体积作成磁阻式传感器。霍尔元件结构简单、体积小小,噪声小噪声小,频带宽频带宽,动态范围大动态范围大,有较广泛的应有较广泛的应用前景。用前景。 v（10） 陀螺传感器：陀螺传感器： 利用陀螺进动定理将利用陀螺进动定理将被计量的量的变化变换为电量变化的传感器。被计量的量的变化变换为电量变化的传感器。例如陀螺式称重传感器例如陀螺式称重传感器,角速度微分陀螺仪和积角速度微分陀螺仪和积分陀螺仪等。分陀螺仪等。v （11） 热电式传感器：热电式传感器： 利用热电效应将温利用热电效应将温度的变化变换为电势变化的传感器。各种热电度的变化变换为电势变化的传感器。各种热电偶就

27、是广泛应用的热电式传感器。偶就是广泛应用的热电式传感器。v （12） 磁电式传感器：磁电式传感器： 利用电磁感应定律利用电磁感应定律将转速的变化变换为感应电动势或其频率变化将转速的变化变换为感应电动势或其频率变化的传感器。它可分为可动线圈式和可动衔接式的传感器。它可分为可动线圈式和可动衔接式两类。两类。v v（13） 电离辐射式传感器：电离辐射式传感器： 利用电离辐射的利用电离辐射的穿透能力穿透能力,使气体电离并具有热效应和光电效使气体电离并具有热效应和光电效应应,把被计量量（例如厚度）的变化变换为电把被计量量（例如厚度）的变化变换为电量变化的传感器。例如射线测厚仪。量变化的传感器。例如射线测

28、厚仪。v（14） 约瑟夫森效应传感器：约瑟夫森效应传感器： 利用超导体的利用超导体的约瑟夫森效应约瑟夫森效应,把磁通量变换为周期变化的阻把磁通量变换为周期变化的阻抗抗,或把频率变换为电压的传感器。它包括约或把频率变换为电压的传感器。它包括约瑟夫森结和计量灵敏度极高的超导量子干涉器瑟夫森结和计量灵敏度极高的超导量子干涉器件（件（SQUID）,在监视电动势基准在监视电动势基准,直流电计直流电计量量,辐射计量辐射计量,磁学计量磁学计量,低温计量、重力计量低温计量、重力计量,光频计量中有着广泛的应用。光频计量中有着广泛的应用。 v （15）光纤传感器：利用光在光纤中传播时其振幅（）光纤传感器：利用光在

29、光纤中传播时其振幅（光强）光强）,相位相位,偏振态偏振态,模式等随被计量值变化而变化的性质模式等随被计量值变化而变化的性质而制成的传感器。它可分为功能型和非功能型而制成的传感器。它可分为功能型和非功能型,前者光纤既前者光纤既是敏感元件又是传光元件是敏感元件又是传光元件,后者则仅起传光作用。它也可分后者则仅起传光作用。它也可分为干涉型和非干涉型为干涉型和非干涉型,前者结构复杂前者结构复杂,其灵敏度其灵敏度,分辨力分辨力,线性线性均较后者好。用它们可以计量压力均较后者好。用它们可以计量压力,温度温度,流速流速,转速转速,加速度加速度,位移位移,电流电流,磁场磁场,辐射等多种参量。辐射等多种参量。v

30、3 主要的计量变换器主要的计量变换器v主要的计量变换器有热电偶主要的计量变换器有热电偶,电流互感器电流互感器,电动电动/气动变气动变换器换器,计量电桥等。计量电桥的应用极为广泛计量电桥等。计量电桥的应用极为广泛,它的功能是把它的功能是把来自传感器的电阻来自传感器的电阻,电容电容,电感等量的变化电感等量的变化,变换成电流或电变换成电流或电压的变化。压的变化。v按照激励电压（辅助能源）的性质按照激励电压（辅助能源）的性质,计量电桥可计量电桥可以分为直流电桥和交流电桥两种。直流电桥的优以分为直流电桥和交流电桥两种。直流电桥的优点是容易获得高稳定直流电源点是容易获得高稳定直流电源,电桥的平衡电路比电桥

31、的平衡电路比较简单较简单,对传感器与计量仪器中间变换部分的连接对传感器与计量仪器中间变换部分的连接导线要求较低；缺点是在计量过程中前级引进的导线要求较低；缺点是在计量过程中前级引进的低频干扰和后接直流放大器的漂移都较难去除低频干扰和后接直流放大器的漂移都较难去除,这这就要求助于交流电桥。就要求助于交流电桥。v按桥臂的性质按桥臂的性质,计量电桥又可分为阻抗比率臂电计量电桥又可分为阻抗比率臂电桥和变压器比率臂电桥两种。目前广泛使用的是桥和变压器比率臂电桥两种。目前广泛使用的是前者。由于后者的准确度前者。由于后者的准确度,灵敏度及稳定度较高灵敏度及稳定度较高,且且频率范围较宽频率范围较宽,发展也很快。发展也很快。 v中间变换部分中间变换部分v 中间变换部分的作用是对来自输入部分的中间变换部分的作用是对来自输入部分的信号进行中间变换信号进行中间变换,它包含处理信号的信号变它包含处理信号的信号变换器件和传输信号的信号传输器件（或传输线换器件和传输信号的信号传输器件（或传输线）。其中）。其中,信号变换器件可以由滤波器信号变换器件可以由滤波器,衰减器衰减器,放大器放大器,移相器移相器,运算分析器运算分析器,调制解调器以及模调制解调器以及模/数数,数数/模转换器等组成。这部分内容在电子模转换器等组成。这部分内容在电子线路线路,信号处理信号处理,计