测量的基本原理解析课件

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1、测 试 技 术 基 础 王 波,学时安排：理论28学时、实验4学时 第1章： 测量的基本原理 3学时 第2章： 测量方法与测量系统 3学时 第4章： 时间与频率的测量 5学时 第5章： 电压测量 4学时 第6章： 阻抗测量 4学时 第7章： 信号波形测量 5学时 第12章：测试系统集成技术 4学时 两个实验 4学时,基 础,模拟与数字电路,信号与系统,微机及接口,本章阐述测量学科的丰富内涵 介绍测量、计量的基本概念，即它们的意义、内容、特点及应用 讨论测量原理、测量方法和测量系统中的共性问题 分别从信息获取的广义概念和量值比较的狭义概念上，阐述测量的基本原理 从实现测量原理的变换、比较、处理和

2、显示等环节中，阐述电子测量的基本技术,第1章 测量的基本原理,1.1 测量的基本概念,1.1.1 测量的意义 日常生活中处处离不开测量 科学更加离不开测量,现代信息科学技术的三大支柱 信息获取技术测试技术 信息传输技术通信技术 信息处理技术计算机技术,没有获取到信息，传输就是无源之水，处理更是无 本之木,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,1.1.2 测量的定义,1.狭义测量的定义 测量是为了确定被测对象的量值而进行的一组操作 在进行这组操作的过程中，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,测量的量值可表示为,

3、量：人们把事物（现象或状态、物体或物质等）可定性区别和定量确定的属性，称之为（可测量的）量。,量值：一般是由一个数值乘以测量单位所表示的特定量的大小，它是一个要 用数值和单位共同表示的量，即量值=数值 X 单位,（量的）数值：它是在量值表示中用以单位相乘的数字。数值=量值/单位,（测量）单位：为了定量表示同种量的大小，人们共同约定的一个特定参考量， 它有名称、符号和定义，其数值为1。“数值等于1的量”定义为单位i,被测量：是指作为测量对象（测量客体）的特定量,测量结果：是指通过测量所得到的赋予被测量的量值,测量的内涵 测量目的是对被测对象取得一个定量的认识 “一组操作”是一个实验过程,说明了测

4、量的实践性 测量就是比较: 直接比较和间接比较 需要同类已知单位作标准 最终能表示给测量主体（人）,被测物体的重量等于标准砝码的重量,被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果,1.1.2 测量的定义（续）,2. 广义测量的定义 测量是为了获取被测对象的信息而进行的实践过程,信息 事物（系统）的运动状态及其变化方式,图1-2 测量的基本原理图,1.1.3 测量的组成,测量过程基本要素之间的互动关系,1.1.3 测量的组成（续）,3.被测对象信息 狭义的测量是量值的获取,广义的测量是信息的获取 信息又可分为自然信息和社会信息两大类 4.测量仪器系统量具和仪器

5、 测量仪器系统包括量具、测试仪器、测试系统及附件等 5.测量的主体测量人员 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、软件算法、程序编写需由测量人员事先设计好 6.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,测量的基本要素（续）,7.测量环境 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 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,1.1.4 测试和检测,定量 定性 定级,测试: 测量和试

6、验的总称,它包含了测量和试验的全部内容,既包括定量的测量,也包含定性的试验 本书中”测试”和”测量”不加区分而互相通用,检测: 包括检验和测量两方面的含义,1.2 计量的基本概念,1.2.1 计量的定义和意义 1.计量的定义 计量是利用技术和法制手段实施的一种特殊形式的测量，即把被测量与国家计量部门作为基准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 计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。 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,1.2.1 计量的定义和意义（续）,2

7、.计量与测量的关系,测量发展的客观需要才出现了计量 测量是计量应用的重要途径 没有测量，计量将失去价值 为了保证测量结果的准确性，必须定期对仪器进行检定和校准，这个过程就是计量,计量的任务是确定测量结果的可靠性 计量是测量的基础和依据 没有计量，也谈不上测量 计量和测量相互配合，才能在国民经济各个领域发挥重要作用,计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作，它在工农业生产、科学技术、国防建设以及人民生活等各个方面起着技术保证和技术监督的作用,1.2.2 单位和单位制,根据定义而令系数为1的量称为单位 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 基本单位、导出单位、

8、单位制,122 单位和单位制（续）,1.国际单位制（SI）的组成 国际单位制基本单位,122 单位和单位制（续）,国际单位制词头采用十进制词头, 表示使单位增大或缩小的十进倍数 例：5.4X10-9s=5.4ns,1.2.3 测量标准,1.标准（或基准）的定义 为了定义、实现、保存或复现量的单位或（一个或多个量值），用作参考的计量设备（实物量具、测量仪器、参考物质或测量系统），称之为标准或基准,定义基本测量单位和制作体现其量值的标准器是两件有联系 而又有区别的事，前者依据严格的科学理论，后者要靠先进 的制作技术。,1.2.3 基准和标准（续）,2.测量标准的分类、分级 分类： 国际标准 国家标

9、准 参照标准 作证标准 标准器具 标准物质,分级： 主标准（一级标准） 副标准（二级标准） 工作标准（三级标准）,123 基准和标准（续）,3.几个术语 （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 （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 （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,123 基准和标准（续）,（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

10、较，其目的是考核量值的一致性。 （5）检定： 是用高一等级准确度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。 （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。 （7）量值的传递： 指一个物理量单位通过各级基准、标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量仪器、量具，以保证量值统一的全过程。 （8）量值的溯源性,1.2.4 测量标准的权威性和相对性,1.标准的权威性 标准的理论定义最严格的、制

11、作工艺技术最先进 原器标准自身也会随时间、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，最好的标准是原子标准 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 例：以太阳为基准，时间测量的精确度可达到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,我国通过与多个国家进行科技合作，成功研发出铯原子喷泉钟， 使我国时间频率基准的精度从30万年不差1秒提高到600万年不差1秒， 标志着我国时间频率基准研究进入世界先进行列 2007-1-4 人民政协报,美国科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所（NIST） 1999年建成 价值约为65万美元， 在20

12、00万年内， 它既不会少1秒也不会多1秒,NIST F-1 原子钟,1.2.5 测量标准的传递,自上而下逐级传递,图1-5 量值传递和溯源体系及计量技术机构示意图,1.3 测量误差的基本概念,1.4 测量信息的获取原理,本节中将主要阐述以下基本问题： 信息的含义是什么？ 为什么信息可以被获取？ 信息获取是怎样的过程？ 信息获取过程中采用了哪些基本方法？ 这些方法的实现途径是什么？ 信息获取的限制因素及其克服措施是什么？ 测量是研究如何获取被测对象 信息的一门科学,1.4.1 信息的概念,1客体的实有的信息客观信息 某事物客体所具有的信息，是指该客观存在的事物的运动状态及其变化方式的自我表述或自

13、我显示。 客体论的信息是一种客观的存在，不以主体的存在与否为转移，或者无论是否被其主体感受到，都丝毫不影响它的“自我表述”或“自我显示”。 任何事物都具有一定的内部结构，同时处在一定的环境之中，正是这种内部结构和外部环境两者综合作用，决定了事物的具体运动状态和状态变化方式。 但在有时人们很难了解事物的内部结构状况，这时就只能把它看作一个“黑箱”，并通过它的外部联系（如输入/输出关系等外部行为）的状态及其变化方式来获得信息。,1.4.1 信息的概念（续）,2主体认识论的信息主观信息 是指主体所感知或表述的关于该事物的运动状态及其变化方式，及有关的形式、含义和效用。 主体认识论层次的信息的内涵比客

14、体论层次信息丰富得多。这是因为作为认识的主体： （1）具有感觉的能力，能够感觉到信息的外在形式。 （2）具有理解能力，能够理解信息的内在含义。 （3）具有目的性，因而能够判断信息对其目的而言的价值。,1.4.1 信息的概念（续）,3.全信息是同时考虑了事物运动状态及其变化方式的外在形式、内在含义和效用价值的主体认识论层次信息。 4实在信息、先验信息、实得信息,1.4.2 测量信息获取的原理框图,1.4.3 信息的感知,1感知的基本原理 信息感知的基本机制在于要有某种组织或器官能够灵敏地感受到被测对象运动的状态及其变化的方式 信息感知，是感知事物运动的状态及其变化方式，其实质是把客体论层次的信息

15、转换为主体认识论层次的语法信息,1.4.3 信息的感知,2感知的基本技术传感器与敏感器 测量的第一个环节是信息的感知。 传感器是感知各种非电信息并把非电量转换为电量输出的器件或装置，它是非电系统与电系统之间的接口，本质上是完成信息载体的转换。 传感器根据转换的效应可分为物理型、化学型和生物型三大类。 例：热敏电阻把被测温度的变化转换为电阻的变化。,风力参数传感器,地震检波器,反射式光敏传感器,磁、气、力敏传感器,超声 传感器,1.4.4 信息的识别,1识别的基本原理 识别是把感知的语法信息（信号形式）转换成人们能够理解的语义信息 识别（分类）的基本原理是形式特征的比较。由于信息的类别不同，其形

16、式特征也不相同，因此，理论上信息总是可以分辨（识别）的 识别的原则是：相似而认同，相异而拒斥 由于识别环境存在固有干扰，待识别的信息天然不理想，理论方法不完备和信息类别相似性的表达不完善，因此，无论怎样精巧地设计信息识别系统，完全无差错的识别是不现实的（误差存在的绝对性）,1.4.3 信息的识别,2识别的基本技术 为了把语法信息（信号）转换人们能够理解的语义信息，须使用信号的比较、变换、处理和显示技术。 （1）比较用已知量和未知量比较。 （2）变换某些被测量不便于直接比较，无法直接观测而采用了变换。为了获得更高的识别分辨力和精度、更快的速度、更宽的量程而采用变换技术。 例如，雷达测量飞机的距离，采用了把距离变换成时间，通过直接测量电脉冲来回传输的时间来测得距离。 （3）信息处理泛指为了各种目的而对信息所进行的变换和加工。 （4）显示原理显示的基本功能是把人眼不可见的信息转化成为可见的信息,各种测量系统中对处理功能的需求可能很不