测量的基本原理PPT课件.ppt
电子测量原理,测控教研室,课程简介,第一部分测量总论及误差理论，介绍测量的基本概念、技术方法及系统组成，误差理论和数据处理等。第二部分基本电参量测量，包括频率、电压、阻抗等第三部分时域测量，以示波器为背景介绍时域信号波形的采集、显示及应用技术。第四部分频域测量，重点讨论频域中的信号频谱和网络性能的测量，介绍测量激励信号源的基本工作原理。第五部分数域测量，介绍数字系统的基本测量原理和方法，包括数字信号的产生、逻辑分析、可测性设计及数字系统测试的典型实例。第六部分测量系统集成，阐述组建测量系统的硬件平台、软件平台、总线标准、通信技术等。,本章阐述测量了学科的丰富内涵。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的进步和发展离不开测量，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,1.1.1 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。,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：,1.1.2 测量的基本概念（续）,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）,1.1.2 测量的定义（续）,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。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。,1.1.3 测量的基本要素,1.测量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,1.1.3 测量的基本要素（续）,1.1.3 测量的基本要素（续）,2.测量过程基本要素之间的互动关系论证阶段: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*选择测试仪器，组建测试系统。*制定出测试策略（测量算法）和操作步骤（测试程序）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。,1.1.3 测量的基本要素（续）,1.1.3 测量的基本要素（续）,3.被测对象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。4.测量仪器系统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。,1.1.3 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。,1.1.3 测量的基本要素（续）,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。,1.1.3 测量的基本要素（续）,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。,1.1.3 测量的基本要素（续）,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,1.1.3 测量的基本要素（续）,12 计量的基本概念,1.2.1 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。1.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.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。,122 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。,英呎feet,122 单位和单位制（续）,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。SI有7个基本单位,2023/11/3,24,可编辑,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。例：5.4X10-9s=5.4ns,123 基准和标准,1.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。(1)一级基准，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。(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(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。,123 基准和标准（续）,2.标准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。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。按精度高低又分为一级标准、二级标准和三级标准。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。除标准器具外，还有标准物质。,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。,1.2.4 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 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。,1.2.4 测量基准的权威性和相对性（续）,1.2.5 测量标准的传递,自上而下逐级传递,13 测量误差的基本概念,1.3.1 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。,1.3.2 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。（5）测量对象变化误差：测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准确，如引起动态误差等。,1.3.3 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,1.3.3 测量误差的表示方法（续）,（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,1.3.3 测量误差的表示方法（续）,2.相对误差一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。例：测量足球场的长度和成都市到绵阳市的距离，若绝对误差都为1米，测量的准确程度是否相同？（1）相对真误差、实际相对误差、示值相对误差相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。,1.3.3 测量误差的表示方法（续）,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,1.3.3 测量误差的表示方法（续）,（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,1.3.3 测量误差的表示方法（续）,电工仪表就是按引用误差 之值进行分级的。是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差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。,1.3.3 测量误差的表示方法（续）,例1-3 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,1.3.4 减少误差的复合式比较,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、对照法。（1）微差法在零示法中，要仔细调节标准量S 使之与未知量x相等，这通常很费时间，有时甚至不可能做到，微差法：标准量S与被测量x相差了一微小量，再用仪器测出，即求得待测量x,1.3.4 减少误差的复合式比较（续）,2.替代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。,1.3.4 减少误差的复合式比较（续）,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：,1.3.5 减少误差的复合式比较（续）,例：在电桥中采用交换法测电阻,2023/11/3,47,可编辑,
