第1章 测量与测量系统的基础知识

1、第第1章章 测量与测量系统的基础知识测量与测量系统的基础知识第第1章章 测量与测量系统的基础知识测量与测量系统的基础知识课程基本情况课程基本情况本章主要内容：本章主要内容： 1. 测量单位及单位制；测量单位及单位制； 2. 测量和计量的区别；测量和计量的区别； 3. 计量器具的基本概念及主要特征；计量器具的基本概念及主要特征； 4. 电学和磁学量具；电学和磁学量具；1.1 测量与测量方法分类测量与测量方法分类1.测量的概念测量的概念（1）定义：定义：测量是被测量与同类标准量比较的一个实验过程。 在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类标准量进行比较，取得用数值和单位共同表

2、示的测量结果。（2）测量结果表示：测量结果表示： 测量结果测量结果 测量数值测量数值 测量单位，测量单位，即：即：0 xxx（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: 从仪表（仪器）的读数直接获取测量结果的方法。 特点：测量过程简单、迅速。间接测量：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。 特点：测量过程复杂、费时。组合测量：在测量两个或两个以上相关的未知数时，改变测量条件而获得一组方程组，求取测量结果的方法。2. 测量方法分类测量方法分类1.1 测量与测量方法分类测量与测量方法分类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

3、量法：从仪器（仪表）直接获取读数。特点：过程简单，一般来说准确度较低。比较测量法：把被测量与同类的标准量进行比较，根据比较的结果推算（计算）出读数。 典型的比较测量法：差值(微差)法、零值法、替代法。 特点：标准量直接参与，测量准确度高；测量设备较贵，过程复杂。1.1 测量与测量方法分类测量与测量方法分类3.按测量性质分为按测量性质分为时域测量：（瞬态测量）以时间为主要研究对象，主要测量被测量随时间的变化的规律。 例：脉冲信号的上升沿、下降沿、脉宽等的测量。频域测量：（稳态测量）以频率为主要研究对象，主要测量被测量随频率的变化的规律。 例：信号频谱的测量等。数据域测量：（逻辑量测量）以数字电路

4、的逻辑状态为主要研究对象。 例：测量数字电路的逻辑状态、时序等。1.1 测量与测量方法分类测量与测量方法分类1.2 测量单位及单位制测量单位及单位制1. 单位：单位：有明确定义和名称并命其数值为1的固定量；2. 单位制单位制：由基本单位与导出单位共同组成的一个完整的单位体系3. 国际单位制国际单位制单单导单国际单辅单词头单进数进数单SI基本位SI位SI出位位制SI助位SISI位的十倍和十分位u 基本量与基本单位：基本量与基本单位：少数相互独立的并可通过其组合定义其他所有物理量被称为“基本量”。这些量的单位被称为“基本单位”。 u 导出量与导出单位：导出量与导出单位：由基本量通过定义推导出的其他

5、所有物理量被称为“导出量”。导出量的单位被称为“导出单位”。 国际单位制基本单位国际单位制基本单位 SI 导出单位导出单位SI SI 辅助单位辅助单位 SISI词头词头4. 我国的法定计量单位我国的法定计量单位 国务院于国务院于1984年年2月月27日发布命令，明确规日发布命令，明确规定我国的法定计量单位包括：定我国的法定计量单位包括： 1) 国际单位制单位； 2) 国家选定的非国际单位制单位； 3) 以上单位构成的组合形式的单位。国家选定的非国际单位制单位 1.3.1 什么是计量什么是计量 计量计量是指实现单位统一、量值准确可靠的活动。是指实现单位统一、量值准确可靠的活动。 计量属于测量，源

6、于测量，而又严于一般测量，计量属于测量，源于测量，而又严于一般测量，它涉及整个测量领域，并按法律规定，对测量起着指它涉及整个测量领域，并按法律规定，对测量起着指导、监督、保证的作用。计量与其它测量一样，是人导、监督、保证的作用。计量与其它测量一样，是人们理论联系实际，认识自然、改造自然的方法和手段。们理论联系实际，认识自然、改造自然的方法和手段。是科技、经济和社会发展中必不可少的一项重要的技是科技、经济和社会发展中必不可少的一项重要的技术基础。术基础。 计量的特点：计量的特点：准确性、一致性、溯源性和法制性准确性、一致性、溯源性和法制性 1.3 计量及计量器具计量及计量器具是一种自下而上是一种

7、自下而上 的追溯，的追溯，可通过检定、校准、比可通过检定、校准、比对、测试等形式，将测对、测试等形式，将测量结果与计量基准相联量结果与计量基准相联系，以保证被测量值的系，以保证被测量值的统一和准确。统一和准确。 SISI（国际单位制）中的基本单位、（国际单位制）中的基本单位、符号以及定义符号以及定义量的名称单位名称 单位符号定义质量千克kg千克等于“国际千克原型”的质量（国际千克原型由铂铱合金制造而成，被严密的保管于巴黎）。1901年时间秒s秒等于铯133原子基态的两个超精细能级间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周期所持续的时间。1967年长度米m 米是光在真空中传播一秒的长度的

8、1/299 792 458 。1983年热力学温度开尔文K 开尔文等于水三相点热力学温度的1/273.16 。1967年电流安培A1安培的恒定电流，如果使其通过处于真空中的、相距1米的、无限长的、圆截面可以忽略的两条平行直导线，则两导线之间产生的力在每米长度上等于210-7牛顿。1954年发光强度坎德拉cd坎德拉定义为频率等于5401012Hz的单色辐射光源（黄绿色可见光），在某给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射度为1/683瓦特每球面度（W/sr）。1979年物质的量摩尔mol摩尔是一个系统中的物质的量，该系统中所包含的基本微粒数与0.012kg的C-12中的原子数目相等。1971年1.

9、3 计量及计量器具计量及计量器具1.3.2 计量器具的基本概念计量器具的基本概念 1. 量具的概念：量具的概念： 以固定形式复现量值的计量器具。 作用：维持单位统一，保证量值准确地传递。 2. 量具的分类：量具的分类： 按自身准确度由高到低：基准、标准、工作量具计量计量器具器具计量仪器计量仪器计量量具计量量具计量物质计量物质计量装置计量装置计量工作的物质基础计量工作的物质基础千克是质量单位，等于国际千克原器的质量。“千克”是通过千克原器来复现的。国际千克原器就是国际质量标准(基准)，全世界只有一个，它是用90%铂和10%铱合金精心制成的形状为高 度和直径均为39毫米的圆柱体，铂铱合金的密度为2

10、1.5克/厘米3，它被放在多层玻璃罩内。“千克”的实现就是用这个国际质量标准(基准)也即这一实物 量具:国际千克原器，它很稳定地保存“千克”量值近100年，其质量的变化约为50微克，相对变化量为510-8。在1983年第17届国际计量大会上将“米”定义为:光在真空中于(1/299792458)秒时间间隔内所经路径的长度。国际计量委员会推荐新定义的米 可以通过时间法、频率法和辐射法来实现。这些方法都是建立在光速是常数的基础上。在辐射法方面，1993年国际计量委员会推荐了8种稳频激光器辐射的标准 谱线频率(波长)值，作为复现“米”定义的国际标准。目前常用的是碘吸收633纳米氦氖稳频激光器，它的复现

11、性可达110-11。这种激光器以米定义为基础，实现、保存或复现了长度单位量值。 1.3.3 基准和标准基准和标准1.基准基准 用现代科学技术水平所能达到的最高准确度来复现和保存计量单位的计量器具。只用于鉴定各种量具的准确度，不直接参加测量。 (1) 一级基准一级基准，又称主基准和国家基准。具有最高水平的基准。 一 个国家只有一个。 (2)二级基准二级基准，又称副基准. 基准的量值准确度由主基准确定，代 替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对 。 (3)三级基准，三级基准，又称工作基准。工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递，用以检定下属计量标准量具的准确度。2.标准标准u 根据工作基准复

12、现出不同等级的便于经常使用的 计量标准量具或仪器，简称标准。u 计量标准的准确度等级在工作基准之下，工作计 量器具之上。u 按准确度高低又分为一级标准、二级标准和三级 标准。u 通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检 定，确定其量值的准确度大小。1.3.4 测量基准的权威性和相对性测量基准的权威性和相对性1.基准的权威性基准的权威性u 基准的理论定义最严格的、制作工艺技术最先进。基准的理论定义最严格的、制作工艺技术最先进。u 从现代科学的观点来看，最好的基准是自然基准。从现代科学的观点来看，最好的基准是自然基准。 自然基准是根据物质粒子运动的恒定性、通过原子常数的测原子常数的测定定而建立起来

13、的基准。目前实现电学自然基准的途径为：根据交流约瑟夫逊效应建立电压基准；根据质子回旋磁比p建立电流基准；根据克里青效应建立欧姆基准。2.基准的相对性基准的相对性 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。其自身会随时间、地点、环境条件而变化，甚至损坏。例：以太阳为基准，时间测量的精确度1天内可达到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。1.3.5 测量标准的传递测量标准的传递中中 国国 计计量量 院院中中 国国 测测试试 院院国国 家家 标标物物 中中 心心授授 权权 基基 准准实实 验验 室室大大 区区 国国 家家 计计 量量 中中 心心省省 级级 计计 量量

14、所所市市 （ 地地 ） 计计 量量 所所分分站站县县 （ 区区 ） 计计 量量 所所工工 矿矿 企企 业业 、 商商 店店 、 研研 究究 院院所所 、 医医 院院 、 学学 校校 等等国国防防计计量量中中心心行行业业计计量量中中心心国国家家专专业业计计量量站站国国 家家标标 准准级级级级级级工工 作作标标 准准自上而下逐级传递自上而下逐级传递 1.4 电学量具电学量具1. 标准电池：标准电池： 温度特性是温度特性是标准电池的最主要标准电池的最主要的特性。的特性。标准电池标准电池的等级是的等级是按年电动按年电动势变化率势变化率划分的划分的。玻璃在此封结硫酸镉饱和溶液硫酸金属晶体镉汞合金汞正极负

15、极图1-1 标准电池的结构标准电池的主要技术指标标准电池的主要技术指标 等级指数等级指数2020 C C电动势检定值电动势检定值/V/V一年期间电动势一年期间电动势允许变化范围允许变化范围/ / V V内阻值内阻值/ / 从从到到新生产新生产使用中使用中0.0.00020002级级1.01859001.01859001.01868001.01868002 27007000.0.00050005级级1.01859001.01859001.01868001.01868005 57007000.0.001001级级1.0185901.0185901.0186801.01868010107007001

16、50015000.0.005005级级1.018551.018551.018681.018685050700700200020000.0.005005级（不饱和）级（不饱和）1.018801.018801.019301.0193050505005000.0.0101级级1.018551.018551.018681.01868100100700700300030000.0.0101级（不饱和）级（不饱和）1.018801.018801.019301.01930100100500500300030000.0.0202级（不饱和）级（不饱和）10.18610.18610.19610.19620020

17、0500500300030001.4 电学量具电学量具标准电池使用时应注意：标准电池使用时应注意：v使用和存放的温度应符合有关要求；使用和存放的温度应符合有关要求；v通入或流出的电流不得大于各级标准电通入或流出的电流不得大于各级标准电池规定的数值；池规定的数值；v极性不能接反；极性不能接反；v不能用普通的电压表或万用表测量标准不能用普通的电压表或万用表测量标准电池的电动势；电池的电动势；1.4 电学量具电学量具2. 基准电压源基准电压源u基准电压源最重要的性能是其准确性和稳定性； 准确性一般通过激光校准工艺保证其允许误差（“时漂”）； 稳定度即随时间和温度的变化维持基准电压稳定的能力（“温 漂

18、”） 。u目前广泛应用的基准电压源有齐纳二极管和集成电压基准。1.4 电学量具电学量具3. 标准电阻：标准电阻：u 制作材料：制作材料： 锰铜电阻丝锰铜电阻丝，是一种铜、锰、镍的合金材料，具有以下特点：，是一种铜、锰、镍的合金材料，具有以下特点：v在工作温度下，电阻温度系数小；在工作温度下，电阻温度系数小；v与铜的接触电势小；与铜的接触电势小；v有很高的电阻系数；有很高的电阻系数；v年稳定性好；年稳定性好；v有较好的机械加工性能有较好的机械加工性能。u 四端接线法四端接线法 1.4 电学量具电学量具u 标准电阻使用时应注意：标准电阻使用时应注意：v不允许超过规定的额定功率；不允许超过规定的额定

19、功率；v环境温度不允许超过规定的界限，也不允许剧烈波动；环境温度不允许超过规定的界限，也不允许剧烈波动；v在一定频率下使用；在一定频率下使用；v铭牌上给定的是环境温度为铭牌上给定的是环境温度为2020 C C时的电阻值，若在其它温度时的电阻值，若在其它温度下使用，标准电阻的阻值需要按相关公式计算下使用，标准电阻的阻值需要按相关公式计算 。1.4 电学量具电学量具4. 标准电感：标准电感： 通常是由通常是由绝缘铜导线在大理石或陶瓷框架上绝缘铜导线在大理石或陶瓷框架上绕制而成。绕制而成。标准电感有自感和互感两种，在电磁测标准电感有自感和互感两种，在电磁测量中，作为电感的标准量具，也常在材料磁特性测

20、量量中，作为电感的标准量具，也常在材料磁特性测量中作为磁通的标准量具。中作为磁通的标准量具。标准电感使用时应注意：标准电感使用时应注意：v不能超过标准电感的额定电流；不能超过标准电感的额定电流；v在规定的频率范围内使用；在规定的频率范围内使用；v标准电感附近不能有铁磁物质和干扰磁场。标准电感附近不能有铁磁物质和干扰磁场。 1.4 电学量具电学量具5. 标准电容：标准电容： 标准电容包括标准空气电容器和标准云母电容器。标准电容包括标准空气电容器和标准云母电容器。 三个端钮三个端钮A、B、P。P为屏蔽端钮，和金属屏蔽罩连接。使用时为屏蔽端钮，和金属屏蔽罩连接。使用时通常使通常使P的电位为零或固定某

21、一数值上，这样的电位为零或固定某一数值上，这样A、B两端对屏蔽两端对屏蔽层的分布电容层的分布电容CAP、CBP和和P端对地的分布电容端对地的分布电容CP0均为固定值，均为固定值，在测量中可设法消除它们的影响。在测量中可设法消除它们的影响。1.4 电学量具电学量具1.5 磁学量具磁学量具u磁量具分类：磁量具分类：磁通量具、磁感应强度量具、磁距磁通量具、磁感应强度量具、磁距量具。量具。u磁感应强度或磁场强度量具：磁感应强度或磁场强度量具：有永久磁铁和通电有永久磁铁和通电线圈两种形式。用永久磁铁或电磁铁作为磁感应线圈两种形式。用永久磁铁或电磁铁作为磁感应量具，一般都由质子核磁共振仪来校准磁感应强量具

22、，一般都由质子核磁共振仪来校准磁感应强度度B0B0的量值，其误差为的量值，其误差为 0 0 001%001% 0 0 01%01%。u亥姆霍兹线圈是弱磁场量具基准，一般在亥姆霍兹线圈是弱磁场量具基准，一般在1 1 10-10-8 8 1 1 10-3 T10-3 T范围内。单层绕组的亥姆霍兹线圈其范围内。单层绕组的亥姆霍兹线圈其场强的计算与实际场强的误差为场强的计算与实际场强的误差为 0 0 001%001%。1.5 磁学量具磁学量具1.标准磁体标准磁体u标准磁体采用高性能的永磁材料制造，具有长期的稳定性， 标准磁体可以稳定的使用在0-70之间，温度系数为-0.03%/，温度系数为负数。标准磁体的外壳采用高磁导率的材料制成，它能有效的防护外界磁场的干