徐志良电气检测技术课件

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1、我国法定的计量单位n计量学的特点是：准确性、一致性、可溯源性 和法制性。准确性、一致性、可溯源性体现在 测量单位的定义、复现、比对和传递，而法制 性则体现在各个国家使用的计量单位均以立法 进行规约。n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）由以上单位构成的组合形式的单位。1国家选定的非国际单位制单位量的名称 单单位名称 单单位符号换换算关系和说说明 时时 间间分min1min=60s（小）时时h1h=60min=3600s天（日）d1d=24h=86400s平面角（角）秒(”)1 ” =(/648000)rad（角）分( )1()=60(”)= (/10

2、800)rad度()1=60()= (/180)rad旋转转速度转转每分r/min1 r/min=(1/60)r/s长长度海里nmile1nmile=1852m2量的名称 单单位名称 单单位符号换换算关系和说说明速度节节kn1kn=1nmile/h质质量吨t1t = kg原子质质量 单单位u1u=1.6605655kg 体积积升L(l) 1L=1d =能电电子伏eV1ev = 1.6021892 J 级级差分贝贝dB线线密度特（克斯 ）tex1tex = 1g / km国家选定的非国际单位制单位(续)3三、测量仪表的基本功能n测量实际上是能量的变换、传递和比较 的过程(如：水银温度计测温时，温

3、度的 变化被变换成玻璃管内水银柱的热膨胀 位移，而温度的标准量为玻璃管上的刻 度，这样被测的温度值和标准量都被变 换成线位移，两者比较后即可得到被测 温度的数值)。n由此可见，各种测量仪表一般都应具有 变换、选择、比较、显示等四种功能。 41、变换功能n变换是指把被测物理量按一定的规律转 变成另一物理量的过程，它们之间的输 入输出函数关系如下式：n式中： 为输出， 为被测物理量；F5n当变换前后，输出与输入之间成简单比 例关系，如 ，其中 当为常数 时，此时，变换元件的这种输入输出关 系被称之为线性关系。比如，放大器就 可以看成是一种线性变换元件，而且放 大器的输入输出为相同的物理量，即为 同

4、类量的变换，因此放大器是一种特殊 的线性变换元件。62、选择功能n在实际系统中，除了有用信号外，还有 许多其他的影响系数(也可以被认为是干 扰信号)如 、 、 ，这些干扰信号 都会不同程度的影响着输出，我们就要 在有用信号与影响因素( 干扰信号 ) 、 、 之间，选择出有用信号，它 们之间的输入输出关系如下式：7n一般而言，我们不希望 、 、 ， 等因素对 输出产生影响，因此，我们采 用一定的器件、电路来选择有用信号，抑 制其他一切无用的干扰信号。F8n比如：滤波器n采用低通滤波器，在选择合适的参数后，就可 以将大部分的高频噪声进行极大的衰减，而低 频有用信号则可以无衰减(放大)的通过低通滤

5、波器。n因此，对一些特定的干扰信号，我们可以设计 一些特定的电路来降低或减少这些干扰信号对 测量结果的影响。n选择功能是测量仪表的重要功能之一，仪表性 能的优劣都与其选择功能密切相关。93、比较功能n由前述的测量的基本方程 可以看 出，通常被测物理量应与某一标准量作 比较后才进行读数，如温度计事先标定 好一系列刻度后，所测的实际温度值与 事先标定好的温度比较就可以得到实际 温度值。104、显示功能n测量的一个目的就是将测量结果显示给 观测者，因此，一般而言，测量系统或 测量仪表通常都留有人机接口。在数字 化测量中，测量结果通常可以通过液晶 显示LCD、数码管LED、或者通过直接 打印等方式显示

6、给观测者。在模拟化测 量中，测量结果用指针式表头、指针式 记录仪等方式显示给观测者。11第二节 测量仪表的结构和基本性能n一、仪表的基本性能仪表性能优劣的评价：以各种指标作为评价依据。评价仪表测量能力的主要指标：1、精确度2、稳定性3、测量范围4、输入输出(I/O)特性等。12(一) 精确度（精度）精确度指标的表述内容：精密度、准确度和精确度。1、精密度 表明仪表指示值(测量值)的分散程度。指标的特点：1) 对某一稳定的被测物理量，用同一台测量仪表， 由同一个测量者用同一精细程度，短时间(保证被测 物理量不发生改变)内连续重复测量多次，其测量结 果(示值)的分散程度；2) 愈小，表明测量愈精密

7、，其精密度愈高；例：某温度仪表的精密度为：0.5，说明该仪表多次 测量结果之间的分散程度不大于0.5。132、准确度表明仪表的指示值(测量值)偏离被测物 理量真实值的程度。例：某电压表的准确度为0.5V，表明该电 压表所测量得到的示值电压值与被测电压的 实际值之间的偏差不会大于0.5V。 愈小， 准确度愈高。143、精确度(精度)精确度是精密度和准确度的综合反映。 在最简单的场合可取二者的代数和，即精确度高说明精密度和准确度都高。只 有当精密度和准确度两者都高时，才可认为 测量精度高 。15说明：例：用电压表测量一个真实值为1.50V的电压，获得 6个测量结果，分别为：1.58V、1.56V、

8、1.48V、 1.51V、1.46V、1.52V，假设这6个测量结果都符 合各种测量的要求，此时认为该电压表：精密度 V；准确度 V。注： 1、精密度表明：测量数据之间的分散程度；2、准确度表明：测量值与真实值之间的偏离 程度； 16精密度：概念：重复测量时，测量结果的分散性准确度：精确度：(精度)性质：测量结果与真值的接近程度，系统误差的影响程度表述：随机误差的标准差 ( standard deviation )性质：系统误差和随机误差综合影响程度表述：平均值与真值的偏差 ( deviation )表述：不确定度 ( uncertainty )工程表示：引用误差，最大允许误差相对于仪表测量范

9、围的百分数0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 5.0 七级17精度 ：测量结果与真值吻合程度定性概念测 量 精 度 举 例不精密（随机误差大）准确（系统误差小）精密（随机误差小）不准确（系统误差大）不精密（随机误差大）不准确（系统误差大）精密（随机误差小）准确（系统误差小）18(二) 稳定性表征仪表表征仪表示值稳定性示值稳定性的指标：的指标：1 1、时间上的稳定性，以、时间上的稳定性，以稳定度稳定度表示；表示；2 2、仪表外部环境和工作条件变化所引起的、仪表外部环境和工作条件变化所引起的 指示值不稳定，以各种指示值不稳定，以各种影响系数影响系数来表示。来表示。191、稳

10、定度特点：由仪表内部的随机变动的因素引起(自身的某些因素)。具体表现：1)、仪表内部的某些因素作周期性变动引起仪表的指 示值变化；2)、各种漂移引起仪表的指示值变化(如温度漂移)；3)、机械部分的摩擦力变化引起仪表的指示值变化。4)、以精密度的数值和时间长短一起表示。例：电压波动，在8h内引起指示值变化1.3mV，则可写成 稳定度：202、环境影响环境影响的表现：1)、使用仪表时的周围环境，如室温、大气压、振 动等外部状态变化引起仪表指示值的变化；2)、电源电压、波形、频率等工作条件变化引起仪 表指示值变化， 环境影响的表示方法：用各种影响系数来表示； 例： 温度系数：由温度变化而引起的测量示

11、值变化；电压系数：由电源电压变化而引起的测量示值变化 ； 例：集成运放的温漂抑制方法：信号的检测电路中，需设计专门的补偿电路来减小 或减弱这种外界环境对测量结果的影响。 21二、测量仪表的结构测量系统的构成特点：1)、仪表(系统、电路)一般由若干个环节组 成；2)、各组成环节的连接方式的不同，构成不 同的组成结构。测量仪表的基本结构：1)、直接变换型结构2)、平衡变换型结构3)、差动变换结构 221、直接变换型结构(串联结构)结构如图：图中：x为待测的信号，y为输出信号，ui(i=1 n)为各 种干扰信号；ki(i=1 n)各环节的传递系数。结构特点：1、系统由n个组成环节串接而成；2、信息单

12、向流动；3、系统是一个开环系统；4、系统的传递函数为各环节传递系数乘积 。23结构抗干扰能力：1)、各个环节中不可避免的会引入一些干扰信号 ui(i=1 n) ；2)、干扰信号将会无衰减的反映给输出信号；3)、结构对组成系统的各个环节的精度要求都很高 ；4)、各个环节都需具有良好的选择性，否则，仪表 的稳定性就较差，精度也不会太高。 242、平衡变换型结构(反馈结构)结构特点：由正向变换回路和 反向变换回路两个变换回路构成，结构如图示：图中：x为待测的信号，y为输出信号；ki为正向变换回路各环节的传递系数；i为反向变换回路各环节的传递系数；25前题：平衡变换结构的正向变换回路和反向变换回 路都

13、可单独看成为一个直接变换型结构。正向变换回路总的传递系数为： 反向变换回路总的传递系数为： 简化图如图：结构简化：261、系统为负反馈闭环结构，其输入输出关 系方程为：当系统满足下式时 ，该结构为 深度负反馈系统(大部分的测量系统，该条 件成立)，可得该结构的输入输出关系方程 为：2、输出量与正向变换回路各个组成环节的 性能无关，正向回路中的干扰不会影响输出 量；结构抗干扰特点：27n3、反向回路中引进的干扰会影响输出；n4、通常正向环节由系统测量特点决定， 反向环节人为引进，结构不会太复杂， 环节也不会很多，合理选取和设计反向 环节，就可保证测量系统获得较高的稳 定性及测量精度。283、差动

14、变换结构差动变换结构如图：差动变换结构特点：1)、系统一般由三个回路组成，设传递系数为 ：k1、k2、k3；2)、三个回路都可是前述的直接变换型结构或 平衡变换型结构；3)、 k1、k2回路组成结构完全相同，保持系统 结构上的对称性。图中，各信号的定义同前。29结构抗干扰性能分析：1、被测信号x以+x和-x分别作用于 k1 、k2回路，得到k1 、k2回路的输出分 别为y1 = k1x ， y2 = -k2x ，这儿，由结 构对称得：k1 = k2=k 2、系统输出为： y = k3 ( y1-y2) = k3 ( k1 ( x + u1 ) - k2 ( -x + u2 ) )= 2k3 k

15、 x + k3 k ( u1 - u2 )303、k1、k2为完全对称结构，显然所受干扰也相 同，即有：u1 = u2 ； 4、系统最终输出为：y = K x （其中K=2k3 k ） 5、差动结构的灵敏度比较高(体现在K，比单结 构回路提高一倍)； 6、抗干扰能力强(k1 、k2回路受干扰相等，不影 响输出)； 7、 k3回路中引入的干扰会影响输出量，不过只 要合理地设计，就可保证系统较高的精度。 31小结：上述三种测量电路的结构，贯穿整个 测量电路的设计中，一般而言， 测量电 路就是这三种结构中的一种或几种的综 合。32第三节 测量仪表的输入输出(I/O)特性 测量系统根据输入信号(被测信

16、号)是否随时间 变化分为：1、静态特性：输入信号不随时间变化； 当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为 静态特性；2、动态特性：输入信号随时间变化； 当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动 态特性。33n传感器输出与输入关系可用微分方程来 描述。理论上，将微分方程中的一阶及 以上的微分项取为零时，即得到静态特 性。因此，传感器的静态特性只是动态 特性的一个特例。34n实际上传感器的静态特性要包括非线性 和随机性等因素，如果把这些因素都引 入微分方程将使问题复杂化。为避免 这种情况，总是把静态特性和动态特性 分开考虑。35n传感器的输出与输入具有确定的对应关 系最好呈线性关系。但一般情况下，输 出输入不会符合所要求的线性关系，同 时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和 松动等各种因素以及外界条件的影响， 使输出输入对应关系的唯