测量基础(2015内部培训技巧第一讲)

1、测量基础VFEVFEA. 什么是测量？B.测量的特点C.认识正弦波D. 测量的表达E.测量的手段目录 CONTENTSVFE什么是测量？人类认知世界的途径1VFEVFE什么是测量？1通俗描述测量是人类认知世界的途径。没有测量，就没有科学！门捷列夫2科学描述测量是依据某种，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出描述。同一个事物，往往有多个特征值，找到这些特征值并对其进行量化，就是测量。比如，幅值、频率、相位都是正弦电压信号的特征值，得到量化的幅值、或频率、或相位的过程就是测量。VFE什么是测量？某些事物可以用有限的特征值完整表达，某些事物不能用有限的特征值完整表达。例如：正弦信号可以采用幅值、频

2、率和相位三个特征值完整表达。方波可以用峰值、谷值、占空比，相位四个特征值完整表达。性别、年龄、身高、体重、三围都是人的特征值，但是，我们不能用有限的特征值完整的描述一个人。3注意事项VFE测量的特点有误差、有局限2VFEVFE测量的特点1测量总是有误差误差反映测量结果与真值的差异。客观世界中，真值不可能准确知道，测量总是有误差，不同的只是误差的大小而已。与电测量相关的物理量中，时间频率的测量误差可以做到很小：我国的100MHz的铯原子喷泉时间频率基准装置： 510-15 ，即：634万亿年误差小于1秒。1MHz以下交流电压基准装置：（3300）10-6 （k=3）100kHz以下交流电流基准装

3、置：（7100）10-6（k=3）40Hz15000Hz以下交流功率基准：（35）10-5 （k=3）514所交流功率表标准装置（工频）的误差： （12）10-4 （k=3） 。2测量五要素观测者、被测对象、测量仪器、测量方法、测量条件上述五个要素都会影响测量结果VFE测量的特点一般而言，某次测量只关注信号的部分特征。一般仪表也只能显示被测信号的部分特征值。对于数字化的电测仪表而言，合理的带宽，遵循采样定理，并将被测信号采样样本保存显得尤其重要。因为，通过这些样本，可以计算出该信号的任意特征值。数字样本是大数据时代的基础数据。3测量一般只求取有限特征值许多模拟仪表内部包含运算放大器，运算放大器

4、的主要作用就是运算。数字仪表几乎所有测量结果都需要经过简单的或复杂的运算获取。4测量与运算有时并无本质区别VFE测量的特点由于测量误差的存在，测量总是有局限的。从大信号中分离出小信号的误差较大，误差大到一定程度，测量失去意义。同理，测量很难区别两个差异非常小的信号。例如：高精度的谐波分析仪器，也很难准确测量含量非常小的谐波。因此，当谐波含量较小时，国标规定谐波分析仪器的精度采用绝对误差与基波的比例标称。例如：方波拥有无限带宽，而测量仪器的带宽总是有限的。所以，我们在示波器上看到的高频方波总是没有那么方！测量的局限性还受限于人们对被测信号的认知程度和当前技术水平。例如：二瓦计法可以准确测量三相三

5、线电路的三相电压、三相电流及三相功率。但是，若该系统存在漏电现象，此时，运算获得的那一相电流就是不准确的。5测量是有局限的VFE认识正弦波基本单元3VFEVFE正弦波上述动画清晰的描述了正弦波与圆周运动有内在联系。显然，用圆形旋转磁场可以产生正弦波。具体方法是将一个绕组摆放在圆形旋转磁场中，绕组将感应出正弦波电压，这就是同步发电机的工作原理。同步发电机转子通过直流电流，产生的是幅值恒定的磁场，转子旋转，产生圆形旋转磁场，该磁场切割定子绕组，定子绕组感应出正弦电压。正弦波的定义：VFE正弦波若有一个系统，输入正弦波，输出的还是正弦波，并且频率不变，改变的只是幅值和相位，这个系统称为线性系统！线性

6、系统还有一个特点，多个不同频率的正弦波叠加后施加于系统得到的输出等于这些正弦波独立施加于系统得到的输出的叠加！因此，线性系统只需要研究正弦信号的响应。线性系统是测控领域的重点研究对象。因为：线性系统是比较简单的系统，容易研究；许多非线性系统可以进行局部线性化；正弦信号是最基本的交流信号；正弦信号的任意阶微分或积分还是正弦信号！电磁波传播的过程就是反复的磁生电、电生磁的过程，磁生电时，产生的电场与磁场的微分成正比，而电生磁时，产生的磁场与电场的微分成正比，电磁波在传播过程中波形不变就是因为正弦信号的微分还是正弦信号！VFE测量的表达时域、频域4VFEVFE测量的表达1时域表达以时间为独立变量，描

7、述信号幅值随时间的变化特征，反映信号幅值与时间的关系。以时间为横坐标，信号幅值为纵坐标的波形图可直观的表述信号幅值与时间的关系。示波器就是这样的测量装置。只要把波形完整的存储下来，被测信号就算是完整的得以表达。VFE测量的表达1时域表达时间幅值VFE测量的表达1时域表达时间幅值Urms=220VUpk=311VT=20mSf=50Hz=225VFE测量的表达1时域表达)f2sin(2)(utUt幅值：U频率：f相位：正弦信号可由幅值、频率、相位三个基本特征值唯一决定。时域表达的特点：简单、直观！VFE测量的表达1时域表达0.95sin(t)+0.095sin(7t)0.95sin(t)-0.0

8、95sin(5t)时域角度，这两个信号很难区分！VFE测量的表达2频域表达法国数学家傅里叶发现，任何周期函数（绝对可加）都可用正弦函数和余弦函数的无穷级数（傅里叶级数）表示。客观世界中存在的绝大部分周期信号，都可以看作是一系列不同频率和相位的正弦信号的组合。这些正弦信号的频率都是原信号频率的整数倍。原信号频率对应的分量称为基波分量，而其余频率分量称为谐波分量。此外，还有一个直流分量，有时也称为零次谐波。（任意）周期信号通过傅里叶变换可以分解为直流分量、基波分量和各次谐波分量的组合。VFE测量的表达2频域表达频域表达非常清晰的表述了这两个信号的区别！VFE测量的表达2频域表达频域表达可以清晰的反

9、映信号的构成！非正弦信号通过：各次谐波幅值各次谐波频率各次谐波相位三组基本特征值完整表达。VFE测量的手段离散化、量化5VFEVFE测量的手段1、将电量或非电量变换为AD可接受的模拟量电信号变送2、将被模拟量电信号转变为数字信号AD3、对数字信号进行相关运算得到需要的特征值计算机测量就是求特征值。传统的仪器往往依据单一特征值进行设计，例如：电压表、频率表、相位表。也有可测量多个特征值的，如：万用表。新型的仪器应该是这样的：AnyWay的前端数字化仪器就是这样的仪器！VFE测量的手段1模拟信号与数字信号模拟信号是时间和幅值都是连续的信号。磁带中存储的是模拟信号。数字信号就是时间离散而幅值量化的信

10、号。CD中存储的是数字信号。VFE抽样测量的手段2模拟信号的数字化过程VFE时间连续、幅值连续的模拟信号通过抽样，得到离散时间序列测量的手段2模拟信号的数字化过程抽样VFE测量的手段2模拟信号的数字化过程量化与编码VFE量化有误差量化误差与分辨率有关编码一般采用二进制离散时间序列经过量化得到时间离散幅值量化的信号-数字信号测量的手段2模拟信号的数字化过程量化与编码VFE设想：如果抽样频率足够高，得到的数字信号绘制成实时波形就可以还原被测信号。问题：对于一段时间的模拟信号，至少要多少个点的数字样本才能真实再现原有的模拟信号？测量的手段2模拟信号的数字化过程VFE在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率（信号带宽）的2倍时，采样之后的数