第1章仪器设计导论

1、仪器仪表创新设计2n参考书目：赵茂泰.电子测量仪器设计.华中科技大学出版社,2010版。张春林.机械创新设计.机械工业出版社,2011版。n总成绩平时成绩 30期末考试成绩 70n平时成绩出勤课堂发言3第1章 测量的基本原理n本章阐述测量学科的丰富内涵。n介绍测量、计量的基本概念，即它们的意义、内容、特点及应用。n讨论测量原理、测量方法和测量系统中的共性问题。n从实现测量原理的变换、比较、处理和显示等环节中，阐述电子测量的基本技术。41.1 测量的基本概念n1.1.1 测量的意义 日常生活中处处离不开测量科学的进步和发展离不开测量， 离开测量就不会有真正的科学。 n 没有望远镜就没有没有望远镜

2、就没有天文学，没有显微天文学，没有显微镜就没有细胞学，镜就没有细胞学，没有指南针就没有没有指南针就没有航海事业航海事业 51.1.1 测量的意义（续）生产发展离不开测量 农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了长度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，出现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。现代化的工业生产中，处处离不开测量. 例如，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。61.1.2 测量的定义 n1.狭义测量的

3、定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的一组操作。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已知单位进行比较，取得用数值和单位共 同 表 示 的 测 量 结 果 。 测量结果测量数值测量结果测量数值测量单位，测量单位，即：即：0 xxx71.1.2 测量的定义（续）n测量的内涵 测量对象：被测客体中的相应的量值信息；测量目的：从被测对象取得一个定量的认识；测量过程: 通过实验去认识对象的过程测量方法：比较；A.直接比较 B.间接比较；C.需要测量仪器；测量标准：同类已知单位。测量结果：最终能表示给测量主体（人）81.1.2 测量的定义（续）被测物体的重量等于标被测物体的重量

4、等于标准砝码的重量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比较的结果。上的刻度是事先与标准量比较的结果。91.1.2 测量的定义（续）n2.广义测量的定义广义地讲，测量是为了获取被测对象的信息而进行的实践过程。例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位等。而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。 广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息的感知和信息识别两个环节。 101.1.3 测量的组成n1.测量

5、的基本要素 被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境 对对象象属属性性影影响响影影响响影影响响测测量量策策略略、算算法法数数据据状状态态参参数数命命令令被被测测信信息息原原理理方方法法被被测测对对象象仪仪器器系系统统测测量量人人员员测测量量环环境境激激励励信信号号选选择择仪仪器器决决定定方方法法图图1 1- -3 3 测测量量的的基基本本要要素素111.1.3 测量的组成（续）n2.测量过程基本要素之间的互动关系论证阶段论证阶段 测量的主体（测量人员）根据测试任务的要求、被测对象的特点、属性，及现有仪器设备状况，拟定合理的测试方案。设计阶段设计阶段* 选择测试仪器，组建测试系统。* 制

6、定出测试策略（测量算法）和操作步骤（测试程序）实施阶段实施阶段* 对仪器和系统实施测试操作（发控制命令），按照逻辑和时序完成测量过程，取得测量数据;* 分析测量误差并显示测量出结果。 121.1.3 测量的组成（续）n3.3.被测对象被测对象信息信息广义的测量是信息的获取，信息反映了事物的运动的状态及其变化方式。信息又可分为自然信息和社会信息两大类。n4.4.测量仪器系统测量仪器系统量具和仪器量具和仪器测量仪器系统包括量具、测试仪器、测试系统及附件等n5.5.测量的主体测量的主体测量人员测量人员手动：由测量主体（测量人员）直接参与完成自动：测量主体交给智能设备（计算机等）完成，但测量策略、软件

7、算法、程序编写需由测量人员事先设计好。n6.6.测试技术测试技术测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测试技术。131.1.3 测量的组成（续）n7.7.测量环境测量环境n测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和。n测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。 141.1.3 测量的组成（续）n环境对测量的影响环境对测量的影响nA. 环境对被测对象的影响：某些被测对象客体（如器件、电路或系统）的性能特性对环境变化较为敏感。nB. 环境对仪器系统的影响：环

8、境可能直接或间接地影响到仪器系统本身的某个工作特性。nC. 环境对测量人员的影响：高温、严寒、潮湿、闷气、嘈杂、照明不适当等不良工作环境，会对测量人员的身心产生不良影响，从而引起不同程度的人身误差乃至差错。151.1.3 测量的组成（续）n应采取适当的控制措施，尽量减少由于环境影响而产生的误差。n恒温、恒湿、稳压和防震。n抗干扰、防噪声的措施，如接地、屏蔽、隔离、滤波等。n仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变化环境。 161.1.3 测量的组成（续）n仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：I组：良好的环境条件，温度+10+35oC，相对湿度80%（在35oC

9、上），只允许有轻微的振动。II组：一般的环境条件，温度10+40oC，相对湿度80%（在40oC上），允许一般的振动和冲击。III组：恶劣的环境条件，温度40+55oC，相对湿度90%（在35oC上），允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动。nI组高精度计量用仪器nII组通用仪器nIII组野外、机载等仪器THE END17 1.2 计量的基本概念n1.2.1 1.2.1 计量的定义和意义计量的定义和意义为使在不同的地方，用不同的手段测量同一量时，所得的结果一致，就要求统一的单位、基准、标准和测量器具。 n1.1.计量的定义计量的定义计量是一种特殊形式的测量，它把被测量与国家计量部门作为基准

10、或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否，并给出具有法律效力的检定证书。计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。n计量的三个主要特征是计量的三个主要特征是统一性统一性、准确性准确性和和法制性法制性。计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动，如单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监督管理、测量方法及其手段的研究等。181.2.2 单位和单位制n根据定义而令系数为1的量称为单位。例：克、米、秒等n单位是表征测量结果的重要组成部分，又是对两个同类量值进行比较的基础。191.2.2 单位和单位制（续）n1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI (In

11、ternational System of Units)。 n1984年2月国务院颁布了中华人民共和国法定计量单位，决定我国法定计量单位以国际单位制为基础。nSI有7个基本单位201.2.2 单位和单位制（续）n1.国际单位制（SI）的组成国际单位制基本单位 211.2.2 单位和单位制（续）n国际单位制是由国际单位制单位国际单位制单位、国际单位制词头国际单位制词头两部分组成。n国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。 例：5.4X10-9s=5.4ns 单位词头221.2.3 基准和标准n1.基准基准用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。n(1)一级

12、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。n(2)二级基准，又称副基准副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对 n(3)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精确度。231.2.3 基准和标准（续）2.2.标准标准n根据工作基准复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。n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。n按精度高低又分为一级标准、二级标准和三级标准。n通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检定，确定其量值的精确度大小。n除标准器具外，还有标准物

13、质。 241.2.3 基准和标准（续）n3.3.几个术语几个术语n（1）计量器具：凡是能用以直接或间接测出被测对象量值的量具、计量仪器和计量装置都统称为计量器具。计量器具按作用可分为计量基准、计量标准和工作计量器具三类。n（2）计量标准器具：准确度低于计量基准，用于检定计量标准或工作计量器具的计量器具。n（3）工作计量器具：工作岗位上使用，不用于进行量值传递，而是直接用来测量被测对象量值的计量器具。251.2.3 基准和标准（续）基准和标准（续）n（4）比对：在规定条件下，对相同准确度等级的同类基准、标准或工作计量器之间的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性。n（5）检定：是用高一等级准确度

14、的计量器具对低一等级的计量器具进行比较，以达到全面评定被检计量器具的计量性能是否合格的目的。一般要求计量标准的准确度为被检者的1/3到1/10。n（6）校准：校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较，以确定被校计量器具的示值误差（有时也包括确定被校器具的其他计量性能）的全部工作。261.2.4 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理论定义最严格的、制作工艺技术最先进。 原器基准自身也会随时间、地点、环境条件而变化，甚至会损坏，会失传。从现代科学的观点来看，最好的基准是原子基准。2.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 271.

15、2.4 测量基准的权威性和相对性（续）测量基准的权威性和相对性（续）281.2.5 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 THE END291.3 电子测量中的基本实现技术1.量值变换n量

16、值是指电压、电流、功率、阻抗、时间等电参量的幅值大小。n量值变换即指把它们的幅值按比例地增大或缩小。n把量值处于难以测量的边缘状态（太小或太大）的被测量，按某一已知比值变换为量值适中的同样参量进行测量。n通过量值变换，可增加测量范围，提高测量分辨力和精度。1.3.1 电子测量中的变换技术301.3.1 电子测量中的变换技术(续）n2.2.频率变换频率变换（1）检波：交流电压变成直流电压 常用磁电式电表，它只能测量直流，交流信号必须检波成直流信号来测量 （2）斩波：把一个直流电压调制成交流电压，经过交流放大，然后再把交流电压通过反调制（解调）还原为直流电压的过程。 斩波的作用是对微弱的直流电压进

17、行高稳定放大。31n（3）变频（混频）进行频率的加减运算。获得很宽的频率覆盖范围。获得高增益，提高测量仪器的灵敏度。实现中频或低频替代，以提高测量精度。实现频率的精密测量。 1.3.1 电子测量中的变换技术(续）32n倍频器是频率综合技术中的乘法器。n差频倍增法 n用倍频法减小测量误差。 利用电子计数进行频率测量时，1误差将决定测量误差。若KHz，1的相对误差为10-3，如果先对进行103倍的锁相倍频后测量，则该项误差可降为10-6。()xsxsmfmfm ffm f 1.3.1 电子测量中的变换技术(续）33n（5 5）分频）分频分频是于对信号频率进行除法运算n（6 6）频率合成）频率合成频

18、率合成是把一个（或少量几个）高稳晶振频率源经过一系列综合的加、减、乘、除四则运算，可作为随意调节频率的高精度信号源。n（7 7）取样技术）取样技术取样门电路将高频信号进行取样变换，使之以低频形式复现出来。它可以把频率上限扩展到几GHz甚至几十GHz。1.3.1 电子测量中的变换技术(续）34n3.波形变换n（1）整形 将任意形状的波形变成规则的脉冲波形。例如，用于电子计数器的输入通道中。n（2）限幅 把信号波形幅度限制在一定范围内n（3）微分 由矩形脉冲形成一个窄脉冲。在电子计数器、取样示波器、广谱信号源中广泛使用。n（4）合成 多种波形叠加成复杂波形。例如合成CRT显示的视频信号波形。n（5

19、）变换 方波变成三角波或正弦波，三角波变成正弦波或方波，正弦波变成方波或三角波等。波形变换技术广泛用于多波形函数发生器中。 1.3.1 电子测量中的变换技术(续）354. 4. 参量变换参量变换 为了便于测量将被测参量作必要的变换。n（1）AV变换电流、电压、电阻之间的变换多用表中采用的AV变换，包括交流/直流（AC/DC）、电流/电压（I/V）和电阻/电压（/V）的转换，实现了交、直流电压、电流、电阻等多种测量功能。n（2）V/F变换模拟直流电压转换为频率n（3）V/T变换模拟直流电压转换成时间 n（4）网络参数的变换1.3.1 电子测量中的变换技术(续）36n5.能量变换 能量变换是泛指其

20、他多种形式的物理量与电学量之间的变换。传感器就是能量变换器，即从非电量变换成电量n6.模/数和数/模变换1.3.1 电子测量中的变换技术(续）37n例 试以数字多用表测量交流电流为例，阐述变换技术在电子测量中的应用。n交流电流/交流电压的变换；交流电压/直流电压的变换；直流电压的幅值变换；模拟/数字的变换；BCD码/七段码的码制变换；显示器件的电/光转换。I/VAC/DC放放大大或或衰衰减减A/DBCD/七七段段码码数数码码显显示示i1.3.1 电子测量中的变换技术(续）38：一个工件伤痕检测系统使用的变换技术机械量信息到光信号；光信号变换成电信号；电信号被放大，进行了幅度变换；对电信号比较、

21、校正的处理后抽取出了有关伤痕的有用信息；电信号到光信号的变换。 伤伤痕痕比比较较校校正正显显示示工工件件光光源源光光信信号号电电信信号号滤滤光光片片透透镜镜固固体体图图像像传传感感器器放放大大标标准准样样板板1.3.1 电子测量中的变换技术(续）391.3.2 电子测量中的比较技术1.比较的基本概念被测量为x、标准量为s、比较电路输出为y。当xs时，y=YH当x=s 时，y出现一个跃变信号被测量被测量标准量标准量xs比比较较电电路路yyHyL0ysx40n（1）比较的基本类型（按功能分）：n标量比较它只识别两个同类的未知量是否相等，例如两个炉子温度是否相等。n矢量比较它识别一组同类的未知量的相

22、对大小，并按照由大到小（或由小到大）的顺序排列起来。n差值比较利用具有减法运算功能的比较电路，取出两个未知量之间的间隔大小（差值），并对差值进行比较。n比值比较它选择某个点作为参考点，将每次测量值除以参考值，确定它们的相对大小。例如，在一组测量值中以最大测量值作参考，得到测量值以百分数表示。n量化比较被测未知量与标准单位量比较，确定它是该单位的若干倍或是若干分之一。A/D转换器是基于量化比较的典型部件。1.3.2 电子测量中的比较技术41（2）电子测量中的典型比较方法n差值运算比较差值运算比较 A零示法：若测量过程中调节标准量s，使y=0（电路平衡、指示器为零）时，则x=s；B偏转法：若测量过

23、程中选择接近x的s，指示器测出微小差值y，则x=s+y（微差法）n比例运算比较比例运算比较 y=x/sy=x/sA零示法：若调节标准量S，使y=1（电路平衡，指示器为1），则x=sB. 偏转法：若固定S值，指示器测出y值，则x=y.s0-v+vxsx xs s1.3.2 电子测量中的比较技术422.2.电压比较电压比较（1）电平比较两个模拟电压的大小的比较是用电压比较器来实现的 （a）差差动动型型 （b）求求和和型型 （c）比比较较特特性性_+uxusuo_+uxus比比较较器器uousux0 xsuu12xsRuuR 1.3.2 电子测量中的比较技术43n（2）差值型比较采用能输出模拟差值电

24、压的减法运算放大器。实现减法运算功能的方法也有差动型比较和求和型比较两种。n（3）比例型比较具有除法或比例运算功能的电路或部件，也可完成被测量与标准量的比较。例如，双积分式A/D转换器中，被测电压与标准电压之间具有如下关系：21xsTUUT1.3.2 电子测量中的比较技术443.阻抗比较电桥电路具有对称差动的电路结构，是一种电量天平，可以十分方便地实现差值检测和比例比较的功能。电桥电路具有灵敏度高、测量范围宽，温度补偿容易实现，测量电路的零点调节方便。（a a）比例臂电桥）比例臂电桥 （b b）有源电桥）有源电桥 （c c）电压电桥）电压电桥 （d d）电流电桥）电流电桥3124ZZZZ112

25、2sxZUNUNZ1.3.2 电子测量中的比较技术45n例. 比例运算比较（半桥）电路 UsaRsRxbUo+_xossRURUoxssURRU1.3.2 电子测量中的比较技术46n4.频率（时间）比较时间差值比较：用R-S触发器可实现时差的比较 R-S 触触发发器器tAtBQS RtBtAT 1.3.2 电子测量中的比较技术47n差频比较： 混频器可以实现两个频率的减法运算，还可利用差频比较法测量频率。比例比较：测频率 fx=Nfs ；测周期 Tx=NTS混频器混频器fAfBF=f -fF=f -fA BA B被测频率被测频率标准频率标准频率混频混频器器Ffxfs零差指示零差指示=fx- f

26、s1.3.2 电子测量中的比较技术48n5. 相位比较使用鉴相器（1）用乘法器或相敏检波器鉴相cos2xmsmoKU UuKxyuxusuo=ux us+_1.3.2 电子测量中的比较技术49（2）脉冲与数字式鉴相器 n触发器构成的脉冲鉴相器:RS触发器或D触发器n数字式鉴相器:由相位比较器（9个与非门）和电荷泵组成6. 数字比较 二进制的数N1和N2加于异或门的输入端，即可进行比较数字比较器数字比较器数数字字比比较较器器N1N1N2N2Q Q1.3.2 电子测量中的比较技术50n信号运算与处理是电子测量中的基本技术n浅层的信息处理基本上属于对信息的形式化关系所作的变换或处理，仅仅利用了语法信息的因素。例如，在测量交流电压的平均值、峰值、有效值时，需要对信号进行加、减、乘、除、平方、开方、平均、取绝对值、峰值等运算与处理。n深层信息处理（特别是直接与优化、决策、认知等相联系的信息处理）的目的是为了要从原始信息中获得相关的“知识” n运算电路分为模拟运算电路和数字运算电路两大类 1.3.3 电子测量中的处理技术511. 基本模拟运算运算放大器辅之以不同的电路元件，可以组成诸如比例、加减、微分、积分、对数、指数