电子测量原理第2版詹惠琴古天祥电子课件第1章

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1、电子测量原理,第 一 章,1,第1篇 电子测量总论及测量误差理论,第一部分电子测量总论，阐述测量学科的丰富内涵。在介绍测量、计量的基本概念的基础上，阐述了电子测量的意义、内容、特点及应用，重点讨论了电子测量原理及基本技术。 第二部分测量误差理论，包括测量误差、数据处理和不确定度评定三部分内容。,2,第1章 电子测量总论,11 概述 12 电子测量原理及基本技术 13 电子测量的分类 14 本书的体系结构及学习要点,3,111 测量的基本概念,1 测量的意义 （1）日常生活中处处离不开测量 （2）离开测量就不会有真正的科学,没有望远镜就没有天文学，没有显微镜就没有细胞学，没有指南针就没有航海事业

2、,4,111 测量的基本概念,1 测量的意义（续） （3）在现代化的工业生产中，处处离不开测量 测量是精细加工的基础，没有测量也就没有现代化的制造业。 生产水平越是高度发达，测量的规模就越大，需要的测量技术与仪器也越先进。 （4）在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量 比如航空航天领域，医学生物领域，农业、气象、环境、勘探等各学科,5,111 测量的基本概念,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.测量单位，即

3、：,6,111 测量的基本概念,2测量的定义（测量内涵） 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）,7,111 测量的基本概念,2测量的定义 （1）广义测量的定义 广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定级的测量。 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

4、维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、时序关系、空间分布及拓朴结构等。,8,111 测量的基本概念,测量是为了获取被测对象的信息而进行的实践过程。在这个过程中，人们借助专门的设备去感知和识别有关的信息，取得关于被测对象的属性和量值的信息，并以便于人们利用的形式表示出来。信息获取的基本原理如图11所示。,图11 测量的基本原理图,9,111 测量的基本概念,3测量的组成 （1）测量的基本要素 测量要有对象(测量的客体)，测量要由人(测量主体)来实施，测量需要专门的仪器设备(硬件)作工具，测量要有理论和方法(软件)作指导，测量总是在一个特定的环境中进行的。 因此，构成测量的基本要素是：被测

5、对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境。 如下图所示：,10,111 测量的基本概念,（1）测量的基本要素（续）,11,111 测量的基本概念,3测量的组成 （2）测量过程基本要素之间的互动关系 测量过程是测量的主体(测量人员)获取测量客体(被测对象)的量值信息的过程。 具体的整个过程如下图所示：,12,111 测量的基本概念,13,111 测量的基本概念,3测量的组成 （3）被测对象信息 狭义地讲，测量是量值的获取，被测对象是各种被测量，包括物理量、化学量、生物量等； 广义地讲，测量是信息的获取，被测对象是信息，信息反映了事物的运动的状态及其变化方式。,14,111 测量的基本概念,3

6、测量的组成 （4）测量仪器系统量具和仪器 测量需要借助专门的设备，这类设备包括量具、测量仪器、测量系统及附件等。 （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。,15,111 测量的基本概念,3测量的组成 （6）测量技术 测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测量技术。 （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。它包括温度、湿度、重力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量(工作电流、电压、频率、源阻抗、负载

7、阻抗、地磁场、雷电等)的数值、范围及其变化。,16,(补充）计量的基本概念,1计量的定义和意义 （1）计量的定义 一个被测量是否可以测量，必须满足两个基本的前提条件：被测量必须有明确的定义；测量标准必须建立，并被大家公认。 计量是实现单位统一、量值准确可靠的活动。 计量的三个主要特征是：统一性、准确性和法制性。 因此，也可以说计量学是研究测量、以实现单位统一和量值准确可靠的科学。 计量按具体内容可分为科学计量、法制计量、工程计量三个部分。,17,1计量的定义和意义 （2）计量与测量的关系 测量发展的客观需要才出现了计量，测量数据的准确可靠，需要计量予以保证，计量是测量的基础和依据，没有计量，也

8、谈不上测量。 测量又是计量联系实际应用的重要途径，可以说没有测量，计量也将失去价值。计量和测量相互配合，才能在国民经济中发挥重要作用。,18,(补充）计量的基本概念,1计量的定义和意义 （3）计量的意义 计量是研究测量的科学，是所有科学赖以发展的支撑。 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。,19,(补充）计量的基本概念,2计量标准和计量器具 （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量值，用作参考的计量器具(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。 具有的

9、特性是： 要根据严格科学理论定义，并符合或最接近测量单位定义所依据的基本原理。 要用当代最先进的科学技术、最高的加工工艺水平，并以最好的精确度和稳定度制作成计量器具，以保持计量特性长期不变。,20,(补充）计量的基本概念,2计量标准和计量器具 （2）计量器具按结构特点分类 计量器具按结构和功能可划分为实物器具、计量仪器和计量装置。 （3）计量器具按计量用途分类 按照技术特性及用途，计量器具可分为计量基准器具、计量标准器具(包括标准物质)和计量工作器具。,21,(补充）计量的基本概念,3量值的传递和溯源 （1）量值传递与量值溯源的定义 量值传递：是指通过对测量器具的检定或校准，将国家基准所复现的

10、单位量值，通过各等级计量标准传递到计量工作器具，以保证对被测对象量值的准确一致。 量值溯源：是指通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准(通常是与国家测量标准或国际测量标准)联系起来的特性。,22,(补充）计量的基本概念,3量值的传递和溯源 （2）国家溯源等级图（国家计量检定系统表） 国家溯源等级图内容包括：测量设备或基准、标准的名称、测量范围、准确度等级、测量不确定度或最大允许误差、检定方法或手段。检定方法(测量方法)进行测量时所用的按类别叙述的一组操作逻辑次序（比较方法和手段），如替代法、微差法、零位法、直接测量法、间接测量法、组合测量法。一般

11、按相应的计量检定规程中规定的方法来进行。 溯源等级图如下图所示：,23,(补充）计量的基本概念,24,3量值传递与量值溯源的区别 表1-1 量值溯源与量值传递的区别,25,(补充）计量的基本概念,112 电子测量的意义 它的优势表现在： （1）具有极快的速度 （2）具有极精细的分辨能力和很宽的作用范围 （3）极有利于信息传递 （4）极为灵活的变换技术，有利于信息的获取 （5）巨大的信息处理能力,26,113 电子测量的特点 电子测量具有以下几个明显的特点： （1）测量频率范围宽 （2）量程范围宽 （3）测量准确度高 （4）测量速度快 （5）易于实现遥测 （6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器

12、智能化,27,114 电子测量的定义 从广义上说，电子测量是泛指以电子科学技术为手段对信号和系统进行的测量，即以电子科学技术理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对信号和电系统进行的测量。 从狭义上讲，电子测量则是利用电子技术对电子学中有关的电量和非电量所进行的测量。 电子测量的基本对象和基本工具都是电信号和电系统。,28,1电子测量的基本对象是未知的信号与系统 2基本工具是已知的信号与系统 3基本工作机理是信号与系统的相互作用 一个系统与其输入、输出之间的关系可用下图表示，三者之间一般有如下的几种关系： 已知系统的传递特性 和输出量 ，来推知系统的输入量。 已知系统的输入量 和输出量 ，求

13、系统的传递特性 。 若已知输入量 和系统的传递特性 ，则可综合出系统的输出量 。,29,12 电子测量原理及基本技术,121 测量的量值比较原理 狭义测量最基本的原理是比较，测量是通过量值比较来取得一个定量的认识。在测量中进行量值比较采用的两种基本方法：直接比较法和间接比较法。,30,天平和弹簧秤分别是两种方法的典型代表，其原理可以用左右两图来说明,图a 天平直接比较,图b 弹簧秤间接比较,12 电子测量原理及基本技术,1. 间接比较法 间接比较法是电子测量技术及仪器中最常用的一种原理方法，它的实现原理基于两种技术：变换和比较。 （1）变换 电子测量中常常把被测的未知量经过一系列的变换后，最后

14、变换成人(测量主体)能直接感知的一种量值表示形式，例如以指示器的偏转角(或位移)或显示的数码,31,12 电子测量原理及基本技术,1. 间接比较法 （2）比较 被测量与标准量的比较，是把被测量与标准量各自单独地通过上述的变换过程，分别变换成输出的显示量后，人们根据各自显示的读数值进行比较。 首先，对标准量测量，以确定仪器变换系数S的刻度值，这个过程叫做标定或校准； 然后，再对未知量测量，并从已标定的刻度上读取测量结果。,32,12 电子测量原理及基本技术,1. 间接比较法 （2）比较 1）标定（输入标准量） 如果是线性的，即 令 令 故变换系数,33,12 电子测量原理及基本技术,1. 间接比

15、较法 （2）比较 2）测量（输入未知量） 设被测量为 则， 或者写成,34,12 电子测量原理及基本技术,2. 电子测量中的变换技术 （1）量值变换 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量进行测量。 （2）频率变换 频率变换的方式很多，常用的有检波、斩波、变频、倍频、分频、取样等。 （3）波形变换 整形、限幅、微分、波形合成等波形变换广泛用于电子测量技术中。,35,12 电子测量原理及基本技术,2. 电子测量中的变换技术 （4）电参量变换 在电子测量中，常将被测参量作必要的变换以便于进行测量，参量变换形式很多，常见的有A/V/ 变换、V/F及F/V

16、变换、V/T及T/V变换、A/D及D/A变换、网络参数变换等。 （5）非电参量变换 非电变换是泛指其他多种形式的非电物理量与电学量之间的变换。 非电参数变换就是能量形式的变换，传感器就是能量变换器，一般分为参量变换器及电势变换器两大类。,36,12 电子测量原理及基本技术,3. 直接比较法 （1）直接比较测量原理 1）组成结构 被测量与标准量直接进行比较的原理，如下图所示。它是一个双输入通道对称的差动式结构，其中包括： 一个具有比较功能的电路，比较结果由输出状态表示。 一个与被测量同类的可变标准量参与比较。,37,12 电子测量原理及基本技术,3. 直接比较法 （1）直接比较测量原理 2）比较方式 比较功能可由运算功能来实