电气测量课件基础知识测感技术：电量和非电量的测量

1、,第1页,电子测量技术,第2页,课程简介,测感技术：电量和非电量的测量 三部分内容： 电子测量基础知识 电量测量 基本电参量测量 电子测量显示技术 线性系统测量 测量技术新进展（简介） 非电量测量 传感器的基础知识 结构型传感器 物性型传感器 其它传感器（超声波、微波、核辐射与红外传感器、热电式） 传感器应用技术 考核 期末成绩参考平时成绩（考勤、作业、实验、平时的小论文）,第3页,第1章 电子测量基础知识,教学内容： 测量的基本概念，计量的基本概念； 测量的误差的定义； 电子测量的基本方法和测量系统； 电子测量的实现技术和测量误差与数据处理。 教学要求： 了解测量与计量的内容、特点和意义； 掌握测量误差的基本概念； 了解电子测量的方法、特点和内容，了解电子测量的基本实现技术； 掌握测量误差的种类，系统误差、随机误差和粗大误差性质、产生的原因、判别与消除方法； 掌握测量结果的数据处理方法。,第4页,1.1 测量的基本原理,1.1.1 测量的基本概念 1 测量的意义 日常生活、生产中处处离不开测量 信息处理、传递的源头 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。 我国近代科

2、学落后与不重视“定量”有关,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,第6页,1.1.1 测量的基本概念 2. 测量的定义,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：,第7页,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。,1.1.1 测量的基本概念 2. 测量的定义,广义测量的定义：信息的感知和信息识别 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、定位的测量。 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。,第9页,1.1.1 测量的基本概念 3. 测量的基本构成,被测对象 、测量的主体 、测量技术、测量设备 、测量过程 、

3、测量环境,第10页,环境对测量的影响 A. 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或非常敏感，因此，原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行。 B. 环境对仪器系统的影响：环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，进而影响测量结果，造成测量误差。特别是某些测量器具的量程广、频段宽，而内部的元器件数目甚多，且对外界影响相当敏感，错综复杂的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题。 C. 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。 应对措施： 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。 恒温、恒湿、稳压和防震。 抗干扰、防噪声的措施，如接地、屏蔽、隔离、滤波等。 仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变化环境。,第11页,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

4、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。 I组高精度计量用仪器 II组通用仪器 III组野外、机载等仪器,1.1.1 测量的基本概念 4. 测试与检测,测试： 测试是测量与试验的总称，它包括定量的测量和定性的试验。 试验：是为了对被测对象的性能和结果进行观察而从事的某种实践活动。,检测： 检测包括检验和测量两方面的含义。检测包括定量内容，即检查被测量的量值是否处于某一范围内，以此来判断是否合格。,在实际生产中，检测不仅包括对产品的检验和测量，同时还包括对生产过程、运动状况和运动对象的检测,1.1.2 计量的基本概念,1. 计量的定义和意义 计量的意义： 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 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。 计量的三个主要特征： 统一性、准确性和

5、法制性。,1.1.2 计量的基本概念 2单位和单位制,根据定义而令系数为1的量称为单位。分为基本单位和导出单位 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。 1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI。 1984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。,英呎feet,第15页,国际单位制（SI）的组成 国际单位制基本单位 （ SI有7个基本单位 ）,第16页,国际单位制是由国际单位制单位、国际单位制词头和国际单位制的十进倍数单位三部分组成。 国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。国际单位制词头采用的是十进制词头，它是用来单位增大或缩小十进倍数，从 共有16个 例：5.4X10-9s=5.4ns,第17页,1.1.2 计量的基本概念 2测量基准（标准）,测量标准的定义： 为了定义、实现、保存和复现量的单位或一个及多个量值，用作参考的实物量具、测量仪器、参考物质或测量系统。,几个名词： 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。

6、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。 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。 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。,第18页,测量基准的权威性和相对性,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。 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1天内可达到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。,第19页,测量标准的传递,自上而下逐级传递,第20页,1.1.3 测量误差的基本概念,1.测量误差的定义 测量的目的: 获得被测量的真值。 真值: 在一定的时间和空间环

7、境条件下，被测量本身所具有的真实数值。 测量误差 : 所有测量结果都带有误差 。 从广州到北京的距离如何测？,第21页,1.1.3 测量误差的基本概念 2 测量误差的来源,（1）仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。 （2）影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。 （3）理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。 （4）人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。 例如：用滴定法测量粉末中CaO含量，称取定量的粉末，然后慢慢滴入酸溶液一直到变色（完全中和）为止，根据滴入溶液的数量确定CaO含量。这中间就会引入人为误差。 随着科技的发展，现在出现了X荧光分析仪，可以进行自动测试，就解决了人为误差。（讲述荧光分析仪的原理）,第23页,1.1.4 测量误差的表示方法,测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。 1.绝

8、对误差 （1）定义：由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差,实际应用中常用实际值A（高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值）来代替真值。 绝对误差：,有大小，又有符号和量纲,（2）修正值 与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值 测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。 被测量的实际值,第24页,1.1.4 测量误差的表示方法,2.相对误差 （1）相对真误差、实际相对误差、示值相对误差 相对真误差： 绝对误差与被测量的真值之比 实际相对误差： 用实际值A代替真值A0 示值相对误差： 用测量值X 代替实际值A,第25页,1.1.4 测量误差的表示方法,（2）满度相对误差（引用相对误差） 用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值下限值）之比来表示的相对误差，称为满度相对误差（或称引用相对误差）,仪表各量程内绝对误差的 最大值,我国电工仪表共分七级 ：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S% 测量点的最大相对误差 在使用这

9、类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。,第26页,1.1.4 测量误差的表示方法,例某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为0400mA和1.5级量程为0100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？,用1.5级量程为0100mA电流表测量100mA时的最大相对误差为,解：用0.5级量程为0400mA电流表测100mA时，最大相对误差为,第27页,1.1.4 测量误差的表示方法,（3）分贝误差相对误差的对数表示 分贝误差是用对数形式（分贝数）表示的一种相对误差，单位为分贝（dB）。 电压增益的测得值为 误差为 用对数表示为增益测得值的分贝值 分贝误差,第28页,1.1.5 减少误差的若干方法,微差法进行测量时，测量误差公式： X = s + x = s + ,相对误差为（作分母时， X 与s视为相等）： 前一项为标准量的相对误差，一般很小，测量仪器的误差对测量的影响被大大地削弱，,为了提高测量准确度，在比较中可采用各种减小测量误差的方法，如微差法、替代法、交换法。 1. 微差法,第29页,第30页,1.1.5 减少误差的若干方法,2.替代法 （1）替代偏转法（2）替代零示法 在测量条件不变的情况下，用一已知的标准量去替代未知的被测量，通过调整标准量而保持替代前后仪器的示值不变，于是标准量的值等于被测量值。,第31页,1.1.5 减少误差的若干方法,3.交换法 通过交换被测量和标准量的位置，从前后两次换位测量结果的处理中，削弱或消除系统误差。 特别适用于平衡对称结构的测量装置中，并通过交换法可检查其对称性是否良好。,第一次平衡 第二次平衡 上两式相乘、开方得：,第32页,1.2 电子测量方法与测量系统 1.2.1 电子测量的基本概念,

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