测量技术概述PPT学习教案

1、会计学1 测量技术概述测量技术概述PPT课件课件 第一节第一节 测量和测量方法测量和测量方法 一、测量的定义一、测量的定义 所谓测量就是人们借助专门的技术工具，通所谓测量就是人们借助专门的技术工具，通 过试验和对试验数据的分析计算，将被测量过试验和对试验数据的分析计算，将被测量x x0 0以以 测量单位测量单位U U的倍数的倍数显示出来的过程，即显示出来的过程，即 x x0 0 U U 测量的基本方程式测量的基本方程式 被测量被测量比比 值值 测量单测量单 位位 第1页/共43页 比值比值 称为被测量的真实数值，即真值。由称为被测量的真实数值，即真值。由 于测量误差的存在，被测量的真值于测量误

2、差的存在，被测量的真值 只能近似地只能近似地 等于其测量值等于其测量值x x，即上式变为，即上式变为x x0 0 xU xU。 测量单位是人们约定选取的固定同类量，它测量单位是人们约定选取的固定同类量，它 有明确的定义和名称，并令其数值为有明确的定义和名称，并令其数值为1 1。正因为单正因为单 位是一种约定，所以长期以来同一种量在不同的位是一种约定，所以长期以来同一种量在不同的 国家（或不同的地区）、在不同的时期存在着不国家（或不同的地区）、在不同的时期存在着不 同的单位。同的单位。 第2页/共43页 为便于生产、贸易与科技的往来，经过人们为便于生产、贸易与科技的往来，经过人们 的努力，终于在

3、世界上建立了若干统一的单位制。的努力，终于在世界上建立了若干统一的单位制。 其中由国际计量委员会（其中由国际计量委员会（CIPMCIPM）建议的）建议的“国际单国际单 位制位制”就是一种被各国认可并得到普遍使用的单就是一种被各国认可并得到普遍使用的单 位制。位制。 单位又包含基本单位（基本量的单位）和导单位又包含基本单位（基本量的单位）和导 出单位（由基本单位组合表示的单位）。出单位（由基本单位组合表示的单位）。 第3页/共43页 目前国际上使用的基本单位有目前国际上使用的基本单位有7 7个，即个，即 长度单位长度单位米（米（m m） 质量单位质量单位千克（千克（kgkg） 时间单位时间单位秒

4、（秒（s s） 电流单位电流单位安培（安培（A A） 热力学温度单位热力学温度单位开尔文（开尔文（K K） 光强度单位光强度单位坎德拉（坎德拉（cdcd） 物质量的单位物质量的单位摩尔（摩尔（molmol） 第4页/共43页 由于比值由于比值是被测量与测量单位的比值，因此，是被测量与测量单位的比值，因此， 当选用的测量单位不同时，比值当选用的测量单位不同时，比值也将发生改变。也将发生改变。 欲使测量结果有意义，测量必须满足下列要求。欲使测量结果有意义，测量必须满足下列要求。 应选择合理的测量方法。应选择合理的测量方法。 测量单位必须是稳定的，并且是国家法定测量单位必须是稳定的，并且是国家法定

5、或国际公认的。或国际公认的。 所用的测量工具必须足够准确，并事先经所用的测量工具必须足够准确，并事先经 过检定。过检定。 第5页/共43页 二、测量方法二、测量方法 测量方法是实现被测量与测量单位（亦称标测量方法是实现被测量与测量单位（亦称标 准量）比较的方法。测量方法有不同的分类。准量）比较的方法。测量方法有不同的分类。 1 1、按照获得测量结果的方法不同分类、按照获得测量结果的方法不同分类 1 1）直接测量）直接测量 将被测量直接与测量单位进行比较，或用预将被测量直接与测量单位进行比较，或用预 先标定好的测量仪器进行测量，从而直接求得被先标定好的测量仪器进行测量，从而直接求得被 测量数值的

6、方法，称直接测量法。测量数值的方法，称直接测量法。 第6页/共43页 直接测量法又分为直读法和比较法两种。直接测量法又分为直读法和比较法两种。 （1 1）直读法）直读法 直接从测量表上读得结果，如从压力计、温直接从测量表上读得结果，如从压力计、温 度计上直接读得压力值和温度值。度计上直接读得压力值和温度值。 （2 2）比较法）比较法 不直接从测量仪表上读得测量结果，而是与不直接从测量仪表上读得测量结果，而是与 某一已知量或标准量具进行比较。某一已知量或标准量具进行比较。 测量过程比较麻烦，但测量仪表本身的误差测量过程比较麻烦，但测量仪表本身的误差 以及其他某些误差往往在测量过程中抵消，故测以及

7、其他某些误差往往在测量过程中抵消，故测 量精度一般比直读法高。量精度一般比直读法高。 第7页/共43页 比较法又分以下比较法又分以下3 3种方法：种方法： 零值法：零值法：使被测量对仪表的影响被同类的已使被测量对仪表的影响被同类的已 知量的影响相抵消，则被测量等于已知量。知量的影响相抵消，则被测量等于已知量。如惠如惠 斯登电桥测量电阻就是一个典型例子。斯登电桥测量电阻就是一个典型例子。 差值法：差值法：从仪表上直接读出两量之差值即为从仪表上直接读出两量之差值即为 所求之量。所求之量。如如U U型液柱式差压计测量介质的压差。型液柱式差压计测量介质的压差。 替代法：替代法：用已知量代替被测量，使两

8、者对仪用已知量代替被测量，使两者对仪 表的影响相等，则被测量等于已知量。表的影响相等，则被测量等于已知量。如光学高如光学高 温计测量温度。温计测量温度。 第8页/共43页 2 2）间接测量）间接测量 通过直接测量与被测量有确定函数关系的各通过直接测量与被测量有确定函数关系的各 变量，然后将测得的数值代入函数关系式进行计变量，然后将测得的数值代入函数关系式进行计 算，从而求得测量值的方法。算，从而求得测量值的方法。如电功率的测量。如电功率的测量。 间接测量费时费事，常在下列情况下使用：间接测量费时费事，常在下列情况下使用： 直接测量不方便，或间接测量的结果较直接测量直接测量不方便，或间接测量的结

9、果较直接测量 更为准确，或缺少直接测量仪器等。更为准确，或缺少直接测量仪器等。 第9页/共43页 3 3）组合测量）组合测量 当某项测量结果需用多个未知参数表达时，当某项测量结果需用多个未知参数表达时， 可通过改变测量条件进行多次测量，根据测量量可通过改变测量条件进行多次测量，根据测量量 与未知参数间的函数关系列出方程组并求解，进与未知参数间的函数关系列出方程组并求解，进 而得到未知量。而得到未知量。 如电阻器电阻温度系数的测量，如电阻器电阻温度系数的测量，已知电阻器已知电阻器 阻值阻值R Rt t与温度与温度t t满足关系满足关系 2 20)20()20(ttRRt 可通过联立方程组求解温度

10、系数。可通过联立方程组求解温度系数。 第10页/共43页 2 2、按照测量状态及条件分类、按照测量状态及条件分类 1 1）按等精度和非等精度分类）按等精度和非等精度分类 在实验中，按测量条件是否改变，可以分成在实验中，按测量条件是否改变，可以分成 等精度测量和非等精度测量。等精度测量和非等精度测量。 在完全相同条件（测量者、仪器、测量方法、在完全相同条件（测量者、仪器、测量方法、 环境等）下进行一系列重复测量称为等精度测量。环境等）下进行一系列重复测量称为等精度测量。 反之，在多次测量中测量条件不尽相同，则反之，在多次测量中测量条件不尽相同，则 称测量为非等精度测量。称测量为非等精度测量。 第

11、11页/共43页 2 2）按动态（瞬变）和稳态分类）按动态（瞬变）和稳态分类 如果被测物理量的值不随时间变化或随时间如果被测物理量的值不随时间变化或随时间 变化极其缓慢，则称这些数为稳态参数。变化极其缓慢，则称这些数为稳态参数。 若在测量过程中被测量随时间变化明显，则若在测量过程中被测量随时间变化明显，则 这种测量称为动态测量。这种测量称为动态测量。 相对于稳态测量，动态参数测量更为困难。相对于稳态测量，动态参数测量更为困难。 不仅在于动态参数本身的变化是复杂的，而且对不仅在于动态参数本身的变化是复杂的，而且对 测量系统的要求更高，不仅要考虑测量系统静态测量系统的要求更高，不仅要考虑测量系统静

12、态 特性，还要关注测量系统动态响应要求。特性，还要关注测量系统动态响应要求。 第12页/共43页 3 3）按测量点不同分类）按测量点不同分类 在工程测量中，对某些参数只要测量一个点在工程测量中，对某些参数只要测量一个点 即可表示整个平面或空间的物理状态，称为点参即可表示整个平面或空间的物理状态，称为点参 数测量。数测量。 有些量是以空间或平面不均匀分布，必须进有些量是以空间或平面不均匀分布，必须进 行多点测量，称为场测量。行多点测量，称为场测量。 4 4）模拟测量与数字测量系统）模拟测量与数字测量系统 第13页/共43页 第二节第二节 测量系统组测量系统组 成成 一、感受元件部分一、感受元件部

13、分 二、转换和处理部分二、转换和处理部分 三、显示和记录部分三、显示和记录部分 第14页/共43页 第二节第二节 测量系统组成测量系统组成 一般来说，为了测量某一被测量的值，根据一般来说，为了测量某一被测量的值，根据 测量的精度要求，将若干测量设备（包括测量仪测量的精度要求，将若干测量设备（包括测量仪 表、装置、元件及辅助设备等）按照一定的方式表、装置、元件及辅助设备等）按照一定的方式 连接起来，这种连接组合即构成了一种测量系统。连接起来，这种连接组合即构成了一种测量系统。 测量系统都是为一定的测量目的与要求而设测量系统都是为一定的测量目的与要求而设 计的。因此，测量的目的与要求不同，所使用的

14、计的。因此，测量的目的与要求不同，所使用的 仪表也会有悬殊的差别。仪表也会有悬殊的差别。 第15页/共43页 就测量过程中测量系统各部分不同的作用看，就测量过程中测量系统各部分不同的作用看， 一般测量系统都可由四个部分组成。一般测量系统都可由四个部分组成。 1 1、感受元件部分（敏感元件）、感受元件部分（敏感元件） 感受元件与被测对象直接发生联系，接收来感受元件与被测对象直接发生联系，接收来 自被测介质的能量，并将其产生一个以某种方式自被测介质的能量，并将其产生一个以某种方式 与被测量有关的输出信号。与被测量有关的输出信号。 感受元件包含两个必不可少的功能，即拾取感受元件包含两个必不可少的功能

15、，即拾取 信息和把拾取到的信息进行变换。信息和把拾取到的信息进行变换。 第16页/共43页 感受元件输出的信号一般是随被测信号变化感受元件输出的信号一般是随被测信号变化 的另一种物理变量如位移、压差、电压等。变换的另一种物理变量如位移、压差、电压等。变换 有以下两种方式：有以下两种方式： （1 1）非电信号的变换：非电信号的变换：如水银温度计中的水如水银温度计中的水 银将温度信号转换为水银柱位移信号。银将温度信号转换为水银柱位移信号。 （2 2）电信号的转换：电信号的转换：如热电偶温度传感器将如热电偶温度传感器将 温度信号转换为温度信号转换为mvmv信号。信号。 第17页/共43页 一般对感受

16、元件有以下要求：一般对感受元件有以下要求： （1 1）感受元件的输入与输出应有确定的单值）感受元件的输入与输出应有确定的单值 函数关系。函数关系。 （2 2）感受元件应只对被测量的变化敏感，而）感受元件应只对被测量的变化敏感，而 对其他一切非被测的输入信号不敏感。对其他一切非被测的输入信号不敏感。 （3 3）感受元件应该不影响或尽量少影响被测）感受元件应该不影响或尽量少影响被测 介质的状态。介质的状态。 （4 4）它必须随被侧参数的变化而发生相应内）它必须随被侧参数的变化而发生相应内 部变化。部变化。 第18页/共43页 2 2、转换和处理部分、转换和处理部分 根据感受部分和显示部分的需要，将

17、感受元根据感受部分和显示部分的需要，将感受元 件输出的信号转换成显示部分易于接收的信号。件输出的信号转换成显示部分易于接收的信号。 对不同的测量系统，转换和处理一般有两种对不同的测量系统，转换和处理一般有两种 形式：形式： （1 1）非电量的转换：非电量的转换：弹簧管压力计的测量。弹簧管压力计的测量。 （2 2）电量的转换与处理：电量的转换与处理：热电阻配动圈仪表热电阻配动圈仪表 测量温度。测量温度。 第19页/共43页 3 3、显示和记录部分、显示和记录部分 这部分的功能是把被测量的信息显示出来。这部分的功能是把被测量的信息显示出来。 显示分模拟显示和数字显示。显示分模拟显示和数字显示。 模

18、拟显示一般是指指针式仪表、示波器等。模拟显示一般是指指针式仪表、示波器等。 数字显示器常用的是数字电压表、数字频率数字显示器常用的是数字电压表、数字频率 计等。计等。 微机的微机的CRTCRT显示既能显示模拟信号（如波形、显示既能显示模拟信号（如波形、 图形等），也能显示数字信号和文字。图形等），也能显示数字信号和文字。 第20页/共43页 4 4、信号传输部分、信号传输部分 对于整个测量系统，需要把信号从感受部分对于整个测量系统，需要把信号从感受部分 传输到转换和处理部分，最后传输到显示部分。传输到转换和处理部分，最后传输到显示部分。 这之间的信号传输一般是以这之间的信号传输一般是以导线、导

19、管、光导纤导线、导管、光导纤 维、无线电通讯维、无线电通讯等形式联结各个部分，从而完成等形式联结各个部分，从而完成 一个完整的测试系统。一个完整的测试系统。 第21页/共43页 第四节第四节 测量仪器的主要性能指标测量仪器的主要性能指标 一、测量系统基本静态特性一、测量系统基本静态特性 一般情况下，测量系统的基本静态特性可以一般情况下，测量系统的基本静态特性可以 用下述的代数方程来描述：用下述的代数方程来描述： n i n iinxaaaaxaay xx 1 2 0210 0a 1a 式中：式中：y为输出量；为输出量；x为系统输入量；为系统输入量； 为零位输为零位输 出；出； 为系统灵敏度；为

20、系统灵敏度； 为非线性项的待定为非线性项的待定 系数，系数，i=1,2, n。 naa,2 第22页/共43页 020naaa 对于理想测量系统，要求其静态特性曲线应对于理想测量系统，要求其静态特性曲线应 该是线性的，在这种情况下，该是线性的，在这种情况下， ， 由此得到由此得到 。xay1 第23页/共43页 二、测量系统的静态性能指标二、测量系统的静态性能指标 仪表的质量，可以用它的技术性能指标来衡仪表的质量，可以用它的技术性能指标来衡 量，选择和使用检测仪表，也要用技术性能指标量，选择和使用检测仪表，也要用技术性能指标 作依据，因此需要了解仪表的技术性能指标。作依据，因此需要了解仪表的技

21、术性能指标。 1、量程、量程 测量系统所能给出的被测量值的集合称为测测量系统所能给出的被测量值的集合称为测 量范围。量范围。其能测量的最大输入量和最小输入量分其能测量的最大输入量和最小输入量分 别称为测量上限和测量下限。别称为测量上限和测量下限。测量上限和测量下测量上限和测量下 限代数差的模称为测量系统的量程。限代数差的模称为测量系统的量程。 第24页/共43页 2、仪表的基本误差、仪表的基本误差 仪表的基本误差是指在规定的技术条件下仪表的基本误差是指在规定的技术条件下 （所有影响量在规定值范围内），仪表全量程指（所有影响量在规定值范围内），仪表全量程指 示值中的最大引用相对误差，即示值中的最

22、大引用相对误差，即 %100 max A x j 式中式中 Xmax 仪表全量程指示值中的最大绝仪表全量程指示值中的最大绝 对误差值。对误差值。 第25页/共43页 3、仪表的准确度（精度）等级、仪表的准确度（精度）等级 根据仪表设计和制造的需要，厂家对出厂的根据仪表设计和制造的需要，厂家对出厂的 仪表规定了其基本误差不得超过某一允许值，这仪表规定了其基本误差不得超过某一允许值，这 个规定的允许值称为仪表的允许误差。个规定的允许值称为仪表的允许误差。 仪表允许误差的大小表明了保证该仪表的示仪表允许误差的大小表明了保证该仪表的示 值所能达到的精确程度。因此，值所能达到的精确程度。因此，一般仪表的

23、精度一般仪表的精度 等级就是按国家统一规定的允许误差大小来划分等级就是按国家统一规定的允许误差大小来划分 的，即用仪表允许误差去掉百分号后的数字表示的，即用仪表允许误差去掉百分号后的数字表示 仪表的准确度等级。仪表的准确度等级。 第26页/共43页 例如，精度等级为例如，精度等级为0.5级的仪表，其允许误级的仪表，其允许误 差为差为 0.5，即该仪表各点示值的绝对误差均，即该仪表各点示值的绝对误差均 不得超过仪表量程的不得超过仪表量程的 0.5。 我国仪表工业目前采用的准确度等级序列为：我国仪表工业目前采用的准确度等级序列为： 0.005、0.01、0.02、0.04、0.05、0.1、0.2

24、、0.5、 1.0、1.5、2.5、4.0、5.0。 对确定了准确度等级的仪表，测量值绝对误对确定了准确度等级的仪表，测量值绝对误 差最大值与该仪表量程有关，因此仪表量程不能差最大值与该仪表量程有关，因此仪表量程不能 选择过大。选择过大。 第27页/共43页 仪表的选用原则：仪表的选用原则： 假设仪表的精度等级为假设仪表的精度等级为s，仪表的量程为，仪表的量程为0 xn，测量点为，测量点为x，则仪表在，则仪表在x点邻近处的示值误差点邻近处的示值误差 为：为： %sxn绝对误差 %s x xn 相对误差 一般一般x xn，因此，因此x越接近越接近xn，测量准确度越高，测量准确度越高， 即被测量越

25、靠近测量上限，测量相对误差越小。即被测量越靠近测量上限，测量相对误差越小。 第28页/共43页 第29页/共43页 测量的正确度、精密度、准确度、不确定度测量的正确度、精密度、准确度、不确定度 1 1）正确度）正确度 在等精度条件下对同一被测量进行多次测量，在等精度条件下对同一被测量进行多次测量， 测量值偏离真值的程度称正确度。测量值偏离真值的程度称正确度。一般可由系统误一般可由系统误 差的大小来表征。系统误差大，测量正确度低。差的大小来表征。系统误差大，测量正确度低。 2 2）精密度）精密度 在等精度条件下对同一被测量进行多次测量，在等精度条件下对同一被测量进行多次测量， 测量值重复一致的程

26、度称精密度。测量值重复一致的程度称精密度。一般可由随机误一般可由随机误 差的大小来表征。随机误差大，测量正确度低。差的大小来表征。随机误差大，测量正确度低。 第30页/共43页 3 3）准确度）准确度 准确度是随机误差和系统误差的综合反映，同准确度是随机误差和系统误差的综合反映，同 样也是正确度和精密度的综合反映，表示测量结果样也是正确度和精密度的综合反映，表示测量结果 与真值的一致程度。准确度高意味者正确度和精密与真值的一致程度。准确度高意味者正确度和精密 度都好。度都好。 图图15 正确度、精密度、准确度之间的关系正确度、精密度、准确度之间的关系 第31页/共43页 4、仪表的变差（恒定度

27、）、仪表的变差（恒定度） 在规定的条件下，用同一仪表对被测量进行在规定的条件下，用同一仪表对被测量进行 正、反行程的测量，即采用单方向逐渐增大和逐正、反行程的测量，即采用单方向逐渐增大和逐 渐减小被测量的方法，使仪表从不同的方向反映渐减小被测量的方法，使仪表从不同的方向反映 同一被测量的示值。同一被测量的示值。对某一测量点所得到的正、对某一测量点所得到的正、 反行程两次示值之差称为该测量点上的迟滞差值。反行程两次示值之差称为该测量点上的迟滞差值。 正行程：正行程：测量系统的输入量从量程下限增至量程的上测量系统的输入量从量程下限增至量程的上 限的测量过程。限的测量过程。 反行程：反行程：测量系统

28、的输入量从量程上限减少至量程的测量系统的输入量从量程上限减少至量程的 下限的测量过程下限的测量过程。 第32页/共43页 变差用全量程中最大的迟滞差值变差用全量程中最大的迟滞差值yHmax与满与满 量程输出值之比的百分数量程输出值之比的百分数 表示：表示： %100 max FS H H y y y 变差是由于系统内部部件存在着变差是由于系统内部部件存在着 摩擦、间隙等原因而造成死区所致。摩擦、间隙等原因而造成死区所致。 它是反映精密度的一个指标。它是反映精密度的一个指标。 第33页/共43页 5、仪表的灵敏限（分辨力）、仪表的灵敏限（分辨力） 仪表响应输入量微小变化的能力称为仪表的仪表响应输

29、入量微小变化的能力称为仪表的 分辨力。分辨力是指能引起仪表指示器发生可见分辨力。分辨力是指能引起仪表指示器发生可见 变化的被测量的最小变化量。变化的被测量的最小变化量。 仪表的分辨力不足将引起分辨误差，即在被仪表的分辨力不足将引起分辨误差，即在被 测量变化到到某一数值时，仪表示值仍不变化，测量变化到到某一数值时，仪表示值仍不变化， 这个不能引起输出变化的的输入信号的最大幅度，这个不能引起输出变化的的输入信号的最大幅度， 称为仪表的不灵敏区（或死区）。称为仪表的不灵敏区（或死区）。 第34页/共43页 问：某测量范围是问：某测量范围是0100MPa的压力表，其满的压力表，其满 量程时指针转角为量

30、程时指针转角为270度，它的灵敏度是多少？度，它的灵敏度是多少？ 2.7度度 /MPa 第35页/共43页 分辨力与灵敏度都与仪表的量程有关，并和分辨力与灵敏度都与仪表的量程有关，并和 仪表的精度等级相适应。仪表的精度等级相适应。一般仪表的分辨力不大一般仪表的分辨力不大 于仪表允许绝对误差的二分之一。于仪表允许绝对误差的二分之一。 7、线性度、线性度 在理想情况下，测量系统的输出与输入之间在理想情况下，测量系统的输出与输入之间 关系是一条直线，而实际是一条曲线。该曲线通关系是一条直线，而实际是一条曲线。该曲线通 过静态校准获得，故也称为校准曲线。过静态校准获得，故也称为校准曲线。测量系统测量系统 的线性度就是衡量这条校准曲线和理论直线不吻的线性度就是衡量这条校准曲线和理论直线不吻 合程度的，常以相对误差形式表示。合程度的，常以相对误差形式表示。 第36页/共43页 线性度用全量程范线性度用全量程范 围内测量系统实际校准曲围内测量系统实际校准曲 线和线性理论曲线之间的线和线性理论曲线之间的 最大偏差绝对值与该系统最大偏差绝对值与该系统 满量程输出值之比值的百满量程输出值之比值的百 分数来表征，为分数来表征，为 %100 max FSy L Ln 仪表的线性示意图