第5章测试与计量方法

1、第第5 5章章 测试与计量方法测试与计量方法 测试与计量方法确定测试方案和完成仪器设计工作所必须具备的重要手段之一。 测量问题的一般解决方法： 1. 模拟法，数字法； 2. 直接解决，转换解决(如常用的与传感器相结合的测量方法)：一般信号电、声、光信号； 3. 电量测量热、长度及机械测量。测试计量方法的重要性： 1. 测试计量方法与生产效率、效益等具有不可分割的联系。 2. 测量与计量仪器设计的三大基本要 素：物理原理、测量方法及工艺实现。 5 51 1 测试计量方法及其分类测试计量方法及其分类 “计量原理是计量方法的科学基础”。例如： 温度计量：热电效应； 电压计量：约瑟夫森效应； 速度计量

2、：多扑勒效应： 长度计量：光干涉原理等。 构成计量测试的重要基础，在广泛的范围内有重要的应用。 Background knowledge: 什么是约瑟夫森效应？什么是约瑟夫森效应？ 超导电性的本质究竟是什么？20世纪50年代获得了突破性的进展。美国物理学家巴丁、库珀和施里弗于1957年首先提出“BCS”理论的，理论核心是计算出导体中存在电子相互吸引从而形成一种共振态，即存在“电子对”。 1962年剑桥研究生约瑟夫森根据“BCS”理论预言，在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电流通过，即“电子对”能穿过薄绝缘层（隧道效应）；同时还产生一些特殊的现象，如电流通过薄绝缘层无需加电压，倘若加电压，电流反

3、而停止而产生高频振荡。这一超导物理现象称为“约瑟夫森效应”, 在美国贝尔实验室得到证实。 根据所加交流电频率可得到非常准确的物理常数。也可以利用该效应，做出非常灵敏的超导量子干涉仪（Superconducting Quantum Interference Device，简称SQUID）來测量极微弱磁场。 “约瑟夫森效应”有力的支持了“BCS理论”。因此。巴丁、库珀、施里弗荣获1972年诺贝尔物理奖。约瑟夫森则获得1973年度诺贝尔物理奖。 实验方案和仪器设计的一般要求： 1.充分考虑物理量自身的规律性特点； 2.具有提高测量精度，发现误差因素的合理 方法。 测试计量方法的选择要求： 1. 测量

4、精度； 2. 测量的量程范围； 3. 测量的响应时间； 4. 设计的方案或仪器造价等。 不同的测量方法产生不同的测量误差。优秀测量方法的特征是：从直接实验精度并不一定很高的实验结果中得到对被测量的高得多的测量精度。5 52 2 直接计量法和间接计量法直接计量法和间接计量法 一. 直接计量法不必对与被计量量有函数关系的其他量进行计量，而能直接得到被计量量值。用公式表示如下： A=X 式中，A 被计量的量值； X 由实验直接得出的结果。 这种测量方法的测量误差为： A=X 注意注意：即使用传感器线性地将被测量转换成电量进行测量，也应理解为直接计量法。 由于实验误差被100地转换为被测量的误差，直接

5、测量法的测量精度常常有限。 直接计量法优点： 1. 测量结果直接、方便； 2. 测试设备一般不复杂； 3. 大多数情况下其测量的范围可以很宽； 4. 一般不存在时间响应的问题。 直接计量法缺点： 1.测量精度比较有限。 例：用数字频串计测量频率。测试原理如下图。 标频晶器产生频率信号分频后产生准确的时基信号(如秒信号) 控制一个闸门。 被测信号经过该闸门后，由计数器计数。放大整形放大整形主阀门主阀门计数显示计数显示控制电路控制电路恒温晶振恒温晶振时基分频系统时基分频系统 二. 间接计量法通过对与被计量量有函数关系的其他量的计量，以得到被计量量值。用公式表示： A=F(X1，X2，X3， ，Xn

6、) 式中，A 被计量量值； X1，X2，X3 ，Xn直接计量量的量值。 间接计量法可以获得较高精度的测量结果，因此在高精度测试和计量中常被选用。 原因：测试结果的精度可以通过对相应函数关系式的分析得到。 5 53 3 基本计量法和定义计量法基本计量法和定义计量法 基本计量法通过对一些有关基本量的计量，以确定被计量量值的计量方法。 亦称其为“绝对计量法”。其实质为间接计量法的一种。 定义计量法根据量的单位定义计量该量的方法。既适用于基本单位也适用于导出单位。 定义计量法可能有多种方案和不同准确度。例如，按照新的米定义，可以用三种方法（时间法，频率法和波长法），以及多种激光辐射来复现； 又如伏特基

7、准，可以用饱和惠斯顿标准电池，也可以利用约瑟夫森效应来复现。54 直接比较计量法和替代计量法直接比较计量法和替代计量法 一. 直接比较计量法 将被计量量直接与已知的同一种量相比较。 直接比较计量法两个特点： 1. 相比较的两个量必须是同一种量； 2. 计量时必须用比较式计量器具。 由于许多误差分量在比较过程中与标准器同方向增减而相互抵消，从而能获得较高计量准确度。 二. 替代计量法用选定的且已知其值的同一种量替代被计量量并使作用于指示装置的效应相同的计量方法。 例如，在天平上用已知其质量的砝码替代被计量物体以求其质量，由此可消除天平的难于计算的不等臂性误差，从而提高计量测试精度。5 55 5

8、微差计量法和符合计量法微差计量法和符合计量法一. 微差计量法 微差计量法将被计量量与同它的量值只有微小差别的同一种已知量相比较，并计量出这两个量值之差。 由于两个相比较的量处于相同条件下，因此，各个影响量引起的误差分量可自动作局部抵消或基本上全部抵消，从而提高了计量准确度。 微差计量法的误差来源： 1. 标准器本身的误差； 2. 比较仪的示值误差。 设被测量为X，和它相近的标准量为B，被测量与标准量之微差为A，A的数值可由指示仪表读出，则 X=B+A 因为 又由于A B，所以A+BB ， 故测量误差为：AAxABABxAxBxxAAxABBxx B/B 标准量的相对误差，一般很小； (A/X)

9、(A/A) 指示仪表的相对误差(A/A)与系数(A/X)的积。 由于相对微差(A/X) 1，因此指示仪表误差对测量结果的影响被大大削弱，测量精度得以提高。二符合计量法二符合计量法 符合计量法用观察某些标记或信号相符合的方法，来计量出被计量值与作为比较标准用的同一种已知量值之间微小差值。 例如，用游标卡尺计量零件尺寸就利用了符合计量法。 零示法是符合计量法的一个典型特例。 核心机理：被测量对指示器的作用 标准量对指示器的作用 零示法优点：可消除指示器不准所造成的系统误差。 例如：电子/电磁测量中的各种电桥法。 用零示法测量未知电压时，测量精度只取决于标准直流电压的精度、检流计的灵敏度以及电阻分压

10、器的指示精度。G+Ux-RR1R2E+U-用零示法测量未知电压的电路原理图用零示法测量未知电压的电路原理图 5 56 6 补偿计量法和调换（交换）计量法补偿计量法和调换（交换）计量法 一. 补偿计量法使一次计量中包含正向误差，而在另一次计量中包含负向误差，则计量结果中的大部分误差能互相补偿而抵消，又可称为“正反向计量量法”。 例如，如在电学计量中，为消除热电势带来的系统误差，常常改变计量仪器的电流方向。用公式可表示为： I=(I+i)+(I-i)/2 二. 调换（交换）计量法其原理如下：先将被计量物体与已知量值A的同种物体进行比较，使之平衡，建立平衡方程： AL1=XL2 (1) 然后，将被计

11、量物体放在这个已知量值的地方，再与B进行比较，再次平衡后，建立平衡方程：。 XL1=BL2 (2) 从而求得被测量X为： (3) 这种方法专用于在天平上计量质量，可以消除由于两臂不等长所带来的系统误差。ABX 5 57 7 中介源测试计量法中介源测试计量法( (中介源法中介源法) )1概述 当直接用标准量来测量被测量，或为提高测量精度及使测量在某些方面规范化有一定的困难时，可采用一个与两比对量特性相同但在数值上有一定差别的中介量。通过用中介量作为桥梁与两比对量分别比对，就可以得到被测量的值。 由于中介源对称地作用于两个测量通道，其自身所有噪声等误差常在最后测量结果中被全部或一部分抵消掉，对测量

12、结果的影响很小 。 中介源法适用的几种场合： (1) 用高精度仪器检测低精度仪器，又缺乏高精度标准源时，使用一般精度的源作为中介源，用两台仪器同时测量它就得到低精度仪器的误差。高精度仪器高精度仪器低精度仪器低精度仪器中介源中介源 测量过程分析：测量过程分析： 设：高精度仪器读数A1A0+Xc1； 低精度仪器的读数A2A0+Xc2+X 。 其中，X 低精度仪器的误差； Xc1，Xc2 中介源在两台仪器中引起的误差； A0 在这种测量中可认为是真值的高精度仪 器的测量读数。 当Xc1和Xc2相当时，有： X=A2A1 当Xc1A0时，被测仪器的相对误差是1120AAAAX (2) 当两个具有相同标

13、称值的源进行比对时，用中介源与两个比对源分别产生的差值进行比对，从而获得较高精度的计量测试结果。 标准源标准源中介源中介源被测源被测源比对设备比对设备Ac1-A0Ac2-Ax=Ac2-A0-X结论：结论：凡借助于同类型的源作为中介实现两比对信号或设备比对的方法都可称做中介源法。5 58 8 静态计量和动态计量静态计量和动态计量静态计量（静态量计量）在计量期间其值可认为是恒定量的计量；动态计量（动态量计量）量的瞬时值以及需要时它随时间的变化量的确定。静态量不随时间而变的，其计量结果往往可以用计量器具的一个示值来表示；动态量在计量期间随时间而变化，计量结果可用动态过程或动态曲线来表示，因此动态计量又可称为过程计量。 例如，砝码、量块、标准电池、容量、硬度、光强等计量均属于静态计量，而管道中的压力、温度、流量以及振动、冲击力等计量为动态计