电子测量第一章

1、电子测量第一章测量的基本原理1、测量测量的意义的意义n一个事物如果不能对其进行数一个事物如果不能对其进行数学描述，那么我们将所知甚少。学描述，那么我们将所知甚少。n数据获取数据获取2、测量的定义、测量的定义3、测量的基本原理、测量的基本原理n测量的基本原理是比较。测量的基本原理是比较。n未知量与已知量比较。未知量与已知量比较。n直接比较和间接比较直接比较和间接比较3.13.1基于差值示零的直接比较法基于差值示零的直接比较法n基本原理基本原理3.13.1基于差值示零的直接比较法基于差值示零的直接比较法(b) 对称桥式结构(b) 对称桥式结构s sx激励源激励源y=0y=02r1r当当 时，时，

2、12rxsr 12rr xs 3.13.1基于差值示零的直接比较法基于差值示零的直接比较法K1K2减法比较或减法比较或比例比较比例比较K3变换变换变换变换变换变换指示器指示器 uxusy0 0 xs（a) 双通道对称输入结构（a) 双通道对称输入结构mu或n组成结构组成结构3.13.1基于差值示零的直接比较法基于差值示零的直接比较法n特点精度高、速度低特点精度高、速度低n特点特点3.23.2基于比例变换的间接比较法基于比例变换的间接比较法n特点精度低、速度快特点精度低、速度快3.23.2基于比例变换的间接比较法基于比例变换的间接比较法（a a) ) 测测零零点点值值非非电电电电变变换换 K1主

3、主体体电电非非电电变变换换 K3电电电电变变换换 K2传传感感器器变变换换电电路路显显示示器器（b b) ) 测测标标准准量量非非电电电电变变换换 K1主主体体电电非非电电变变换换 K3电电电电变变换换 K2传传感感器器变变换换电电路路显显示示器器（c c) ) 测测未未知知量量非非电电电电变变换换 K1主主体体电电非非电电变变换换 K3电电电电变变换换 K2传传感感器器变变换换电电路路显显示示器器0 x0ysyxysx xxs3.33.3减少误差的复合式比较法减少误差的复合式比较法n微差法微差法3.33.3减少误差的复合式比较法减少误差的复合式比较法0- v+ vxsn微差法微差法优点：测量

4、优点：测量速度快和测速度快和测量准确度高。量准确度高。 3.33.3减少误差的复合式比较法减少误差的复合式比较法 替代法的测量原理 替代法的测量原理xs0 0-v-v+v+v2 2K KK K1 1（b) 零示法（b) 零示法(a) 偏转法(a) 偏转法xs0 0-v-v+v+v2 2K KK K1 1r rn替代法替代法3.33.3减少误差的复合式比较法减少误差的复合式比较法第一次平衡第一次平衡 第二次平衡第二次平衡 上两式相乘、开方得：上两式相乘、开方得：12121()2xWWWWW11 2xW lWl 22 1xW lW l (a) 天平称重(a) 天平称重xWW1l1l2xWW2l1l

5、23.33.3减少误差的复合式比较法减少误差的复合式比较法12121()2xssssRRRRRn在电桥中采用交换法测电阻在电桥中采用交换法测电阻4 4、国际单位制、基准和计量、国际单位制、基准和计量n测量的基本原理是比较，是未知测量的基本原理是比较，是未知量和已知量的比较。量和已知量的比较。n什么是已知量什么是已知量n系数为系数为1 1的量称为单位。的量称为单位。n单位是表征测量结果的重要组成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部分，又是对两个同类量值进行比较的基础。比较的基础。4.14.1单位制单位制4.14.1国际单位制国际单位制n国际单位制（国际单位制（SI SI）的

6、组成）的组成4.14.1国际单位制国际单位制n国际单位制国际单位制是由国际单位制是由国际单位制单位单位、国际单位制、国际单位制词词头头和国际单位制的和国际单位制的十进倍数十进倍数单位三部分组成单位三部分组成4.14.1国际单位制国际单位制n国际单位制由国际计量大会确定。国际单位制由国际计量大会确定。n19601960年第十一届国际计量大会上正年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制式通过国际单位制SI SI。n19841984年年2 2月国务院颁布了月国务院颁布了中华人民中华人民共和国法定计量单位共和国法定计量单位，决定我国，决定我国法定计量单位以国际单位制为基础。法定计量单位以国际单位制为

7、基础。4.24.2基准和计量基准和计量n什么是计量什么是计量n如何建立建立单位如何建立建立单位.1基准基准n基准基准用来用来复现复现某一基本测量某一基本测量单位单位的的量值量值，只用于鉴定各种量具的，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量精度，不直接参加测量。.1基准基准n(1)(1)一级基准一级基准，又称主基准和国家基准，又称主基准和国家基准n具有最高水平的基准。一个国家只有一个。具有最高水平的基准。一个国家只有一个。n(2)(2)二级基准二级基准，又称副基准，又称副基准n副基准的量值精度由主基准确定，用以代替副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准向下

8、传递或代替主基准参加国际比对主基准向下传递或代替主基准参加国际比对 n(3)(3)三级基准三级基准，又称工作基准，又称工作基准n工作基准用来直接向下属标准量具进行量值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传递，用以检定下属计量标准量具的.1基准基准基准的权威性基准的权威性n基准的理论定义最严格的、制作工艺技基准的理论定义最严格的、制作工艺技术最先进。术最先进。 n原器基准自身也会随时间、地点、环境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。条件而变化，甚至会损坏，会失传。n从现代科学的观点来看，最好的基准是从现代科学的观点来

9、看，最好的基准是原子基准。原子基准。基准的相对性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 。.1基准基准.1基准基准.2计量计量n如何保障基准的准确性如何保障基准的准确性n计量的目的计量的目的n为使在不同的地方，用不同的手为使在不同的地方，用不同的手段测量同一量时，所得的结果一段测量同一量时，所得的结果一致，就要求致，就要求统一的单位、基准、统一的单位、基准、标准和测量器具标准和测量器具.2计量计量n计量的定义计量的定义n计量是利用计量是利用技术技术和和法制法

10、制手段实现手段实现单位统一单位统一和和量量值准确值准确可靠的测量。可靠的测量。n计量是一种特殊形式的测量，它把被测量与国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，以确定比较，以确定合格与否合格与否，并给出具有法律效力，并给出具有法律效力的的检定证书检定证书。n计量的三个主要特征是计量的三个主要特征是统一性、准确性统一性、准确性和和法制法制性性。.2计量计量u计量的任务是确定计量的任务是确定测量结测量结果的可靠性。果的可靠性。u计量是测量的基础和依据。计量是测量的基础和依据。u没有计量，也谈不上测

11、量。没有计量，也谈不上测量。u计量和测量相互配合，才计量和测量相互配合，才能在国民经济各个领域发挥能在国民经济各个领域发挥重要作用。重要作用。测量发展的客观需要才出现测量发展的客观需要才出现了计量。了计量。测量是计量应用的重要途径。测量是计量应用的重要途径。没有测量，计量将失去价值没有测量，计量将失去价值为了保证测量结果的准确性，为了保证测量结果的准确性，必须定期对仪器进行检定和必须定期对仪器进行检定和校准，这个过程就是计量。校准，这个过程就是计量。4.34.3测量基准的传递测量基准的传递中国计中国计量院量院中国测中国测试院试院国家标国家标物中心物中心授权基准授权基准实验室实验室大区国家计量中

12、心大区国家计量中心省级计量所省级计量所市（地）计量所市（地）计量所分分站站县（区）计量所县（区）计量所工矿企业、商店、研究院工矿企业、商店、研究院所、医院、学校等所、医院、学校等国国防防计计量量中中心心行行业业计计量量中中心心国国家家专专业业计计量量站站国家国家标准标准级级级级级级工作工作标准标准自上而下自上而下逐级传递逐级传递 4.34.3测量基准的传递测量基准的传递n根据工作基准复现出不同等级的便于经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，简称常使用的计量标准量具或仪器，简称标标准准。n计量标准的准确度等级在工作基准之下，计量标准的准确度等级在工作基准之下，工作计量器

13、具之上。工作计量器具之上。n按精度高低又分为一级标准、二级标准按精度高低又分为一级标准、二级标准和三级标准。和三级标准。4.34.3测量基准的传递测量基准的传递n计量标准器具：计量标准器具：准确度低于计量基准，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用于检定计量标准或工作计量器具的计量器具。量器具。n计量器具：计量器具：凡是能用以直接或间接测出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、计量标准和工作计用可分为计量基准、计量标准和工作计量器具三类。

14、量器具三类。4.34.3测量基准的传递测量基准的传递n工作计量器具：工作计量器具：工作岗位上使用，不用工作岗位上使用，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。测对象量值的计量器具。n检定：检定： 是用高一等级准确度的计量器具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。一般否合格的目的。一般要求计量标准的准要求计量标准的准确度为被检者的确度为被检者的1/31/3到到1/101/10。4.34.3测量基准的传递测

15、量基准的传递n校准：校准： 校准是指被校的计量器具与高一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。校器具的其他计量性能）的全部工作。n比对：比对： 在规定条件下，对在规定条件下，对相同准确度等相同准确度等级级的同类基准、标准或工作计量器之间的同类基准、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的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性一致性。5 5、测量的基本要素、测量的基本要素被测对象测量人员测试仪器系统信 息显 示感知和识别n

16、被测对象、测量仪器、测量技术、被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境测量人员和测量环境5.15.1测量的环境影响测量的环境影响n测量环境是指测量过程中人员、对象和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仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和件的总和n测量环境包括温度、湿度、力场、电磁测量环境包括温度、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、范围阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。及其变化。5.15.1测量

17、的环境影响测量的环境影响nA. A. 环境对被测对象的影响：环境对被测对象的影响：某些被测对某些被测对象客体（如器件、电路或系统）的性能象客体（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，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。或额定工作条件下进行。5.15.1测量的环境影响测量的环境影响nB. B. 环境对仪器系统的影响：环境对仪器系统的影响：环境可能直环境可能直接或间接地影响到仪器系统本身的某个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，造成测工作特性，进而影响测量结果，造

18、成测量误差。特别是某些测量器具的量程广、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量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题。严重问题。5.15.1测量的环境影响测量的环境影响nC. C. 环境对测量人员的影响：环境对测量人员的影响：高温、严寒、高温、严寒、潮湿、闷气、嘈杂、照明不适当等不良潮湿、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良影响，

19、从而引起不同程度的人身误差乃至差错。乃至差错。5.15.1测量的环境影响测量的环境影响n应应采取适当的控制措施采取适当的控制措施，尽量减少由于，尽量减少由于环境影响而产生的误差。环境影响而产生的误差。n恒温、恒湿、稳压和防震。恒温、恒湿、稳压和防震。n抗干扰、防噪声的措施，如接地、屏蔽、抗干扰、防噪声的措施，如接地、屏蔽、隔离、滤波等。隔离、滤波等。n仪器应能仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变尽量适应恶劣环境和大范围变化环境化环境。 5.15.1测量的环境影响测量的环境影响n仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：nI I组：组：良好的环境条件良好的环境条件

20、，温度，温度+10+10+35+35o oC C，相，相对湿度对湿度80%80%，只允许有轻微的振动。，只允许有轻微的振动。nII II组：组：一般的环境条件一般的环境条件，温度，温度1010+40+40o oC C，相对湿度相对湿度80%80%（在（在4040o oC C上），允许一般的振上），允许一般的振动和冲击。动和冲击。nIIIIII组：组：恶劣的环境条件恶劣的环境条件，温度，温度4040+55+55o oC C，相对湿度相对湿度90%90%（在（在3535o oC C上），允许频繁的搬上），允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动。动和运输中受到较大的冲击和振动。5.25.2测量结

21、果的表示测量结果的表示n测量的目的测量的目的: : 获得被测量的获得被测量的真值真值n一定的时间和空间环境条件下，被测量一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的本身所具有的真实数值真实数值。n测量的结果表示测量的结果表示n测量结果测量结果=测量数值测量数值+ +可信范围（单位）可信范围（单位）.1测量误差的定义测量误差的定义n测量结果的可信程度测量结果的可信程度-测量误差测量误差Axxn所有测量结果都有误差所有测量结果都有误差n误差来源误差来源n仪器误差、环境影响误差、理论方法误仪器误差、环境影响误差、理论方法误差、人为误差、被测对象变化误差差、人为误差、被测对象变化误差

22、n1 1、绝对误差、绝对误差n测量值与真值之差，称为绝对误差测量值与真值之差，称为绝对误差.2测量误差的表达方法测量误差的表达方法0Axxx有大小，又有符号和量纲有大小，又有符号和量纲n如何获取真值如何获取真值n理论真值或理论真值或高一级计量仪器测量替代值高一级计量仪器测量替代值.2测量误差的表达方法测量误差的表达方法n2 2、相对误差、相对误差n绝对误差与被测量的真值之比绝对误差与被测量的真值之比0100%xA n相对误差是两个有相同量纲的量的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，值，只有大小和符号，没有单位。没有单位。.1测量

23、误差的表达方法测量误差的表达方法n3 3、满度相对误差（引用相对误差）、满度相对误差（引用相对误差）n用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与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之比称为满度相对误差。该量程值之比称为满度相对误差。100%mmmxx n我国电工仪表满度相对误差采用分级表示方法。共分我国电工仪表满度相对误差采用分级表示方法。共分七级：七级：0.10.1、0.20.2、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.52.5、5.05.0n量程选择被测量应当量程选择被测量应当不小于满度值的不小于满度值的2/32/3。6 6测量仪器技术条件及误差的表示方法测量仪

24、器技术条件及误差的表示方法n技术条件技术条件n技术条件是规定仪器的用途、工作特性、技术条件是规定仪器的用途、工作特性、工作条件，以及运输、贮存条件的技术工作条件，以及运输、贮存条件的技术文件。文件。n它既是设计制造厂商的产品标准，也是它既是设计制造厂商的产品标准，也是用户正确使用和维护仪器的重要依据。用户正确使用和维护仪器的重要依据。6 6测量仪器技术条件及误差的表示方法测量仪器技术条件及误差的表示方法n测量仪器的用途测量仪器的用途：是研制或使用仪器的目的，：是研制或使用仪器的目的，它决定了仪器的功能，同时与仪器的工作条件、它决定了仪器的功能，同时与仪器的工作条件、工作特性等密切相关。工作特性

25、等密切相关。n测量仪器的工作特性测量仪器的工作特性：是用：是用数值数值、公差公差范围等范围等来表征仪器性能的量值，习惯上又称为技术指来表征仪器性能的量值，习惯上又称为技术指标。它分为电气工作特性和一般工作特性两类。标。它分为电气工作特性和一般工作特性两类。n测量仪器的工作条件分为：测量仪器的工作条件分为： 基准基准、额定额定和和极限极限三种。三种。6 6测量仪器技术条件及误差的表示方法测量仪器技术条件及误差的表示方法n测量仪器的误差测量仪器的误差n测量仪器的测量仪器的容许误差容许误差可用工作误差、固有误可用工作误差、固有误差、影响误差、稳定误差等来描述。差、影响误差、稳定误差等来描述。n为了保

26、证测量仪器示值的准确，仪器出厂前为了保证测量仪器示值的准确，仪器出厂前必须由检验部门对误差指标进行必须由检验部门对误差指标进行检验检验。n在使用期间，必须定期进行校准在使用期间，必须定期进行校准检定检定，凡各，凡各项误差指标在容许误差范围之内，仪器视为项误差指标在容许误差范围之内，仪器视为合格合格。6 6测量仪器技术条件及误差的表示方法测量仪器技术条件及误差的表示方法n工作误差工作误差，在额定，在额定工作条件工作条件下仪器误差的极限下仪器误差的极限值。值。n固有误差固有误差，在规定的一组影响量的，在规定的一组影响量的基准条件基准条件下下给出的误差给出的误差n影响误差，影响误差，一个影响量对仪器

27、测量误差的影响。一个影响量对仪器测量误差的影响。如温度误差、频率误差。它是当一个影响量在如温度误差、频率误差。它是当一个影响量在其额定范围内，而其它影响量和影响特性均处其额定范围内，而其它影响量和影响特性均处于基准条件时所测得的误差。于基准条件时所测得的误差。n稳定误差稳定误差是仪器的其他影响量恒定的情况下，是仪器的其他影响量恒定的情况下，仪器在仪器在规定时间内规定时间内产生的产生的误差极限误差极限。n测量仪器误差表示测量仪器误差表示n1 1、满度误差表示给出仪器的准确度等级、满度误差表示给出仪器的准确度等级6 6测量仪器技术条件及误差的表示方法测量仪器技术条件及误差的表示方法%mmmxxsx

28、 n2 2、读数误差读数误差+ +满度误差的形式，给出仪满度误差的形式，给出仪器容许误差。器容许误差。( %)mxaxbx 6 6测量仪器技术条件及误差的表示方法测量仪器技术条件及误差的表示方法6 6、广义测量、广义测量n获取被测对象的量值获取被测对象的量值-狭义测量狭义测量n广义测量广义测量n获取被测对象信息的一门科学。获取被测对象信息的一门科学。6.16.1信息的概念信息的概念n宇宙万物皆为信息宇宙万物皆为信息n信息是人对自然规律的认知和应用信息是人对自然规律的认知和应用n主观信息和客观信息主观信息和客观信息6.16.1信息的概念信息的概念n客观信息，客观信息，是指该客观存在的事物的运动状

29、态是指该客观存在的事物的运动状态及其变化方式。及其变化方式。n客体论的客体论的信息信息是一种是一种客观的存在客观的存在，不以主体的，不以主体的存在与否为转移，或者无论是否被其主体感受存在与否为转移，或者无论是否被其主体感受到，都丝毫不受影响。到，都丝毫不受影响。n任何事物都具有一定的内部结构，内部结构和任何事物都具有一定的内部结构，内部结构和外部环境两者综合作用，决定了事物的具体运外部环境两者综合作用，决定了事物的具体运动状态和状态变化方式。动状态和状态变化方式。 6.16.1信息的概念信息的概念n主观信息，主观信息，客观事物运动状态和变化方式的主客观事物运动状态和变化方式的主体感受和描述。体

30、感受和描述。n主体认识论的信息，具有丰富的内涵。主体认识论的信息，具有丰富的内涵。n主体具有感觉的能力，能够感觉到信息的外在主体具有感觉的能力，能够感觉到信息的外在形式。形式。n主体具有理解能力，能够理解信息的内在含义。主体具有理解能力，能够理解信息的内在含义。n主体具有目的性，因而能够判断信息对其目的主体具有目的性，因而能够判断信息对其目的而言的价值。而言的价值。6.26.2信息的描述信息的描述n信息的分层描述信息的分层描述全信息全信息语义信息语义信息语用信息语用信息语法信息语法信息6.36.3信息获取的基础信息获取的基础n信息获取的基础信息获取的基础-信息信息感知感知n人的五官和传感器人的五官和传感器信息感知信息感知主体认识论信息主体认识论信息（语法信息）（语法信息）客体层次的信息客体层次的信息（信号信号）yx6.46.4信息获取的基本原理信息获取的基本原理n信息获取的基本原理