计量学基础课程课件4

1、主讲人:邓华夏计量学基础仪器的结构和组成仪器的结构和组成v仪器的总体构成及其计量链仪器的总体构成及其计量链v1 仪器的总体构成仪器的总体构成v仪器并没有很固定的构成模式。但是典型的计仪器并没有很固定的构成模式。但是典型的计量器具从总体构成来说量器具从总体构成来说,一般可以分为三个主要部一般可以分为三个主要部分。分。 计量对象输入部分中间变换部分输出部分观察者计量器具v计量器具的第一部分是输入部分（包括传感计量器具的第一部分是输入部分（包括传感器器,检测器或计量变换器）检测器或计量变换器）,它把被计量的信息转它把被计量的信息转变成便于下一步处理的信号。第二部分是中间变变成便于下一步处理的信号。第

2、二部分是中间变换部分（也称二次变换部分）换部分（也称二次变换部分）,它把输入部分出它把输入部分出来的信号进行放大来的信号进行放大,滤波滤波,调制解调调制解调,运算运算,分析或分析或其他二次变换其他二次变换,使之适合于输出的需要。使之适合于输出的需要。v 第三部分是输出部分（也称终端变换部分第三部分是输出部分（也称终端变换部分,包包括指示装置和记录装置）括指示装置和记录装置）,它将被计量的等效信它将被计量的等效信息提供给观察者或电子计算机。息提供给观察者或电子计算机。v在电计量仪器中在电计量仪器中,计量信号是该仪器内被计量计量信号是该仪器内被计量量的代表量的代表,常常把输入到仪器的信号称为激励常

3、常把输入到仪器的信号称为激励,把把仪器的输出信号称为响应。仪器的输出信号称为响应。 vv从计量器具的总体构成来看从计量器具的总体构成来看,可以认为它是包含许可以认为它是包含许多环节的计量链。计量链是计量仪器或计量装置中的多环节的计量链。计量链是计量仪器或计量装置中的一系列单元一系列单元,它们构成计量信号从输入到输出的通道它们构成计量信号从输入到输出的通道。例如由传声器。例如由传声器,衰减器衰减器,滤波器滤波器,放大器和电压表组成放大器和电压表组成的电声计量链。的电声计量链。v 用毫伏计作为指示机构或指示单元的热电温度计用毫伏计作为指示机构或指示单元的热电温度计,具有这样的计量链：具有这样的计量

4、链： 热电偶：热电偶： 热电温度计的计量链方框图 上面给出了串联式计量链,它比较简单明了。而在许多情况下,计量链是比较复杂的,不仅有串联,而且有并联,甚至还带有反馈。它是温度传感器,也是第一个变换单元,把温度T变换成电动势E； 闭合电路：它是中间变换单元,在电动势E的作用下产生电流I； 毫伏计的电磁系统： 它也是中间变换单元,把电流I变换成力偶M； 弹簧等：它是指示单元,把力偶M变换成观察者可以直接感受的温度。热 电 偶闭 合电 路毫 伏 计电 磁 系 统毫 伏 计指 示 机 构TEIMv 1 传感器和计量变换器传感器和计量变换器v 传感器是计量仪器或计量链中直接作用于被计量的量的元件。传感器

5、是计量仪器或计量链中直接作用于被计量的量的元件。v 有些被计量的量是不能直接计量或直接计量时准确度不高。比有些被计量的量是不能直接计量或直接计量时准确度不高。比如温度如温度,流量流量,加速度等量加速度等量,直接同它们的标准量进行比较是相当直接同它们的标准量进行比较是相当困难的困难的,因此需要传感器变换成易于处理因此需要传感器变换成易于处理,易于与标准量比较的易于与标准量比较的物理量物理量,如位移如位移,频率频率,电流电流,电阻电阻,电压等量。电压等量。v 计量变换器是提供与输入量有给定关系的输出量的计量器件。计量变换器是提供与输入量有给定关系的输出量的计量器件。在计量变换器中在计量变换器中,与

6、被计量的量直接作用的部分是它的传感部分与被计量的量直接作用的部分是它的传感部分或敏感部分。但有时传感部分与变换部分构成一个不可分的整或敏感部分。但有时传感部分与变换部分构成一个不可分的整体体,例如热电偶。所以例如热电偶。所以,计量变换器可以只是传感器计量变换器可以只是传感器,也可以包括也可以包括它们的附属计量线路。它们的附属计量线路。 输入部分输入部分v常用传感器有：常用传感器有： v （1） 电阻式传感器：把被计量的量的变化变换为电阻式传感器：把被计量的量的变化变换为电阻变化的传感器。它包括变阻式（或滑线电阻式）电阻变化的传感器。它包括变阻式（或滑线电阻式）和电阻应变式两类和电阻应变式两类,

7、后者根据应变计结构的不同又可后者根据应变计结构的不同又可分为丝式分为丝式,箔式和薄膜式三类。箔式和薄膜式三类。v （2） 电感式传感器：把被计量的量的变化变换为电感式传感器：把被计量的量的变化变换为自感或互感变化的传感器。它包括可变磁阻式自感或互感变化的传感器。它包括可变磁阻式,涡流涡流式和差动变压器式三类。式和差动变压器式三类。v （3） 电容式传感器：把被计量的量的变化变换为电容式传感器：把被计量的量的变化变换为电容变化的传感器。它包括极距变化型电容变化的传感器。它包括极距变化型,面积变化型面积变化型和介质变化型三类。和介质变化型三类。 传感器传感器v（4） 压电式传感器：利用一些晶体材料

8、的压压电式传感器：利用一些晶体材料的压电效应电效应,把力或压力的变化变换为电荷量变化把力或压力的变化变换为电荷量变化的传感器。压电晶体不但有纵向和横向的压电的传感器。压电晶体不但有纵向和横向的压电效应效应,而且还有剪切的压电效应而且还有剪切的压电效应,因而可作成不因而可作成不同支撑形式和受力状态的传感器同支撑形式和受力状态的传感器,在力在力,加速度加速度,超声及声纳等计量中得到了广泛的应用。这类超声及声纳等计量中得到了广泛的应用。这类传感器是一种高精度的先进的传感器传感器是一种高精度的先进的传感器,近年来近年来得到了越来越多的关注和发展。得到了越来越多的关注和发展。v （5） 压磁式传感器：利

9、用一些铁磁材料的压磁式传感器：利用一些铁磁材料的压磁效应压磁效应,把力或压力的变化变换为导磁率变把力或压力的变化变换为导磁率变化的传感器。利用其逆效应化的传感器。利用其逆效应,可以作成磁滞伸可以作成磁滞伸缩式传感器。缩式传感器。 v（6） 压阻式传感器：压阻式传感器： 利用半导体材料的压利用半导体材料的压阻效应阻效应,把压力的变化变换为电阻变化的传感把压力的变化变换为电阻变化的传感器。它可分为薄膜型器。它可分为薄膜型,结型和体型三类。结型和体型三类。v（7） 光电式传感器：光电式传感器： 利用光电效应把光通利用光电效应把光通量的变化变换为电量变化的传感器。可利用的量的变化变换为电量变化的传感器

10、。可利用的光电效应包括光电子发射效应（光电管光电效应包括光电子发射效应（光电管,光电光电倍增管等）倍增管等）,光导效应（光敏电阻光导效应（光敏电阻,光导管）和光导管）和光生伏打效应（光电池光生伏打效应（光电池,光敏晶体管）。光敏晶体管）。v（8） 振弦式传感器：利用振弦的固有频率与振弦式传感器：利用振弦的固有频率与张力之间的函数关系张力之间的函数关系,把力的变化变换为频率把力的变化变换为频率变化的传感器。激振方法可分为连续激发和间变化的传感器。激振方法可分为连续激发和间歇激发两类。歇激发两类。v（9） 霍尔传感器：利用一些半导体材料的霍霍尔传感器：利用一些半导体材料的霍尔效应尔效应,将被计量的

11、量的变化变换为霍尔电势将被计量的量的变化变换为霍尔电势变化的传感器。利用霍尔元件的磁阻效应可以变化的传感器。利用霍尔元件的磁阻效应可以作成磁阻式传感器。霍尔元件结构简单、体积作成磁阻式传感器。霍尔元件结构简单、体积小小,噪声小噪声小,频带宽频带宽,动态范围大动态范围大,有较广泛的应有较广泛的应用前景。用前景。 v（10） 陀螺传感器：陀螺传感器： 利用陀螺进动定理将利用陀螺进动定理将被计量的量的变化变换为电量变化的传感器。被计量的量的变化变换为电量变化的传感器。例如陀螺式称重传感器例如陀螺式称重传感器,角速度微分陀螺仪和积角速度微分陀螺仪和积分陀螺仪等。分陀螺仪等。v （11） 热电式传感器：

12、热电式传感器： 利用热电效应将温利用热电效应将温度的变化变换为电势变化的传感器。各种热电度的变化变换为电势变化的传感器。各种热电偶就是广泛应用的热电式传感器。偶就是广泛应用的热电式传感器。v （12） 磁电式传感器：磁电式传感器： 利用电磁感应定律利用电磁感应定律将转速的变化变换为感应电动势或其频率变化将转速的变化变换为感应电动势或其频率变化的传感器。它可分为可动线圈式和可动衔接式的传感器。它可分为可动线圈式和可动衔接式两类。两类。v v（13） 电离辐射式传感器：电离辐射式传感器： 利用电离辐射的利用电离辐射的穿透能力穿透能力,使气体电离并具有热效应和光电效使气体电离并具有热效应和光电效应应

13、,把被计量量（例如厚度）的变化变换为电把被计量量（例如厚度）的变化变换为电量变化的传感器。例如射线测厚仪。量变化的传感器。例如射线测厚仪。v（14） 约瑟夫森效应传感器：约瑟夫森效应传感器： 利用超导体的利用超导体的约瑟夫森效应约瑟夫森效应,把磁通量变换为周期变化的阻把磁通量变换为周期变化的阻抗抗,或把频率变换为电压的传感器。它包括约或把频率变换为电压的传感器。它包括约瑟夫森结和计量灵敏度极高的超导量子干涉器瑟夫森结和计量灵敏度极高的超导量子干涉器件（件（SQUID）,在监视电动势基准在监视电动势基准,直流电计直流电计量量,辐射计量辐射计量,磁学计量磁学计量,低温计量、重力计量低温计量、重力计

14、量,光频计量中有着广泛的应用。光频计量中有着广泛的应用。 v （15）光纤传感器：利用光在光纤中传播时其振幅（）光纤传感器：利用光在光纤中传播时其振幅（光强）光强）,相位相位,偏振态偏振态,模式等随被计量值变化而变化的性质模式等随被计量值变化而变化的性质而制成的传感器。它可分为功能型和非功能型而制成的传感器。它可分为功能型和非功能型,前者光纤既前者光纤既是敏感元件又是传光元件是敏感元件又是传光元件,后者则仅起传光作用。它也可分后者则仅起传光作用。它也可分为干涉型和非干涉型为干涉型和非干涉型,前者结构复杂前者结构复杂,其灵敏度其灵敏度,分辨力分辨力,线性线性均较后者好。用它们可以计量压力均较后者

15、好。用它们可以计量压力,温度温度,流速流速,转速转速,加速度加速度,位移位移,电流电流,磁场磁场,辐射等多种参量。辐射等多种参量。v3 主要的计量变换器主要的计量变换器v主要的计量变换器有热电偶主要的计量变换器有热电偶,电流互感器电流互感器,电动电动/气动变气动变换器换器,计量电桥等。计量电桥的应用极为广泛计量电桥等。计量电桥的应用极为广泛,它的功能是把它的功能是把来自传感器的电阻来自传感器的电阻,电容电容,电感等量的变化电感等量的变化,变换成电流或电变换成电流或电压的变化。压的变化。v按照激励电压（辅助能源）的性质按照激励电压（辅助能源）的性质,计量电桥可计量电桥可以分为直流电桥和交流电桥两

16、种。直流电桥的优以分为直流电桥和交流电桥两种。直流电桥的优点是容易获得高稳定直流电源点是容易获得高稳定直流电源,电桥的平衡电路比电桥的平衡电路比较简单较简单,对传感器与计量仪器中间变换部分的连接对传感器与计量仪器中间变换部分的连接导线要求较低；缺点是在计量过程中前级引进的导线要求较低；缺点是在计量过程中前级引进的低频干扰和后接直流放大器的漂移都较难去除低频干扰和后接直流放大器的漂移都较难去除,这这就要求助于交流电桥。就要求助于交流电桥。v按桥臂的性质按桥臂的性质,计量电桥又可分为阻抗比率臂电计量电桥又可分为阻抗比率臂电桥和变压器比率臂电桥两种。目前广泛使用的是桥和变压器比率臂电桥两种。目前广泛

17、使用的是前者。由于后者的准确度前者。由于后者的准确度,灵敏度及稳定度较高灵敏度及稳定度较高,且且频率范围较宽频率范围较宽,发展也很快。发展也很快。 v中间变换部分中间变换部分v 中间变换部分的作用是对来自输入部分的中间变换部分的作用是对来自输入部分的信号进行中间变换信号进行中间变换,它包含处理信号的信号变它包含处理信号的信号变换器件和传输信号的信号传输器件（或传输线换器件和传输信号的信号传输器件（或传输线）。其中）。其中,信号变换器件可以由滤波器信号变换器件可以由滤波器,衰减器衰减器,放大器放大器,移相器移相器,运算分析器运算分析器,调制解调器以及模调制解调器以及模/数数,数数/模转换器等组成

18、。这部分内容在电子模转换器等组成。这部分内容在电子线路线路,信号处理信号处理,计算机应用等方面的书中有详计算机应用等方面的书中有详细的介绍细的介绍,这里不再重复叙述。这里不再重复叙述。 v 计量器具的输出部分计量器具的输出部分v 指示装置的概况与分类指示装置的概况与分类v 指示装置是计量器具中显示被计量值或其相关值的一套指示装置是计量器具中显示被计量值或其相关值的一套组件组件, 它往往是计量器具的终端。指示是显示的一种方式它往往是计量器具的终端。指示是显示的一种方式,它可以表示出量的大小和各个量之间的关系。表示的方法它可以表示出量的大小和各个量之间的关系。表示的方法通常有角度通常有角度,长度长

19、度,数字数字,文字文字,图形图形,图表图表,图像等。最早的指图像等。最早的指示装置是指针与刻度。进一步的发展就是采用直接显示出示装置是指针与刻度。进一步的发展就是采用直接显示出数字的机构或装置数字的机构或装置(例如数字式指示表例如数字式指示表)进行显示。对于复进行显示。对于复杂的信号则靠文字杂的信号则靠文字,图形和图像来指示。应用计算机后还可图形和图像来指示。应用计算机后还可以借助于屏幕直接显示出来以借助于屏幕直接显示出来,供观察和分析。因此供观察和分析。因此,指示装置指示装置既可以很简单既可以很简单,也可以很复杂。也可以很复杂。 v 指示装置提供示值的方式指示装置提供示值的方式,可以分为模拟

20、式可以分为模拟式,数字式数字式,半数半数字式三种。字式三种。v模拟式指示装置提供模拟示值。它采用主观读数方法模拟式指示装置提供模拟示值。它采用主观读数方法,所所以容易因观察者和观察位置的不同而造成视差。它的活动部以容易因观察者和观察位置的不同而造成视差。它的活动部分有迟滞现象分有迟滞现象,所以计量速度和准确度会受到一定的限制。所以计量速度和准确度会受到一定的限制。v 最常见的模拟式指示装置是模拟指示表最常见的模拟式指示装置是模拟指示表,一般可以分为机一般可以分为机电式和电子式两种。电式和电子式两种。v数字式指示装置提供数字示值。从原理上说它克服了由数字式指示装置提供数字示值。从原理上说它克服了

21、由模拟式指示装置的构造所决定的上述缺点和限制模拟式指示装置的构造所决定的上述缺点和限制,它还具有自它还具有自动调零动调零,自动极性选择和自动调换量程的可能。为了进行数字自动极性选择和自动调换量程的可能。为了进行数字式指示式指示,首先要把模拟量转换为以脉冲信号的频率或时间间隔首先要把模拟量转换为以脉冲信号的频率或时间间隔形式出现的数字量形式出现的数字量,然后用电子计数器进行显示。然后用电子计数器进行显示。 一些重要的概念一些重要的概念vv有关工作范围的特性有关工作范围的特性v1 示值示值v计量器具的示值是指计量器具所给出的量的值计量器具的示值是指计量器具所给出的量的值。示值可以是被测量。示值可以

22、是被测量,测量信号或用于计算被测量测量信号或用于计算被测量之值的其他量的值。对实物量具之值的其他量的值。对实物量具,示值就是它所标示值就是它所标出的值。示值随着被测量而变化。出的值。示值随着被测量而变化。 http:/ 标称值标称值 (nominal value)v标称值是计量器具上表明其特性或指导其标称值是计量器具上表明其特性或指导其使用的量值使用的量值,该值为修约值或近似值该值为修约值或近似值,如标在电如标在电压表表盘上的示值。标称值是固定的压表表盘上的示值。标称值是固定的,不随被不随被测量的变化而变化。测量的变化而变化。v3 标称范围标称范围(nominal range)v标称范围是计量

23、器具的操纵器件调到特定标称范围是计量器具的操纵器件调到特定位置时可得到的示值范围。标称范围通常用计位置时可得到的示值范围。标称范围通常用计量器具的上限和下限表明量器具的上限和下限表明,如果下限为零如果下限为零,标称标称范围一般只用上限表明。范围一般只用上限表明。vv4 测量范围测量范围v测量范围是计量器具的误差处在规定极限测量范围是计量器具的误差处在规定极限内的一组被测量的值内的一组被测量的值,与测量设备的最大允许误与测量设备的最大允许误差有关。在标称范围内差有关。在标称范围内,测量设备的误差处于最测量设备的误差处于最大允许误差内的那一部分范围才是测量范围大允许误差内的那一部分范围才是测量范围

24、,也也就是说就是说,只有在这一部分测量的值只有在这一部分测量的值,其准确度才其准确度才符合要求符合要求,因此因此,有时又把测量范围称为工作范有时又把测量范围称为工作范围。围。 v5 量程量程(span) 量程量程 英文等价术语英文等价术语 span 术语定义术语定义(汉语汉语) 测量范围上限值与下限值之差。测量范围上限值与下限值之差。 v有关响应方面的特性有关响应方面的特性v1 响应特性响应特性v在特定条件下在特定条件下,激励与对应响应之间的关系激励与对应响应之间的关系就是计量器具的响应特性。这种关系可以用数就是计量器具的响应特性。这种关系可以用数学等式学等式,数值表或图形来表示。当激励是关于

25、数值表或图形来表示。当激励是关于时间的函数时时间的函数时,传递函数是响应特性的一种表传递函数是响应特性的一种表示形式。示形式。2 灵敏度灵敏度 灵敏度是计量器具响应的变化与引起该灵敏度是计量器具响应的变化与引起该变化的激励值（被计量值）的变化之比。对变化的激励值（被计量值）的变化之比。对于带刻度指示器的器具于带刻度指示器的器具,通常以分度长度与通常以分度长度与其值之比作为灵敏度。灵敏度指标是考察传其值之比作为灵敏度。灵敏度指标是考察传感器的主要指标之一。感器的主要指标之一。3 鉴别力鉴别力使器具的响应产生可以察觉的变化的使器具的响应产生可以察觉的变化的激励值（被计量值）的最小变化量激励值（被计

26、量值）的最小变化量,称为鉴称为鉴别力。这种激励变化应缓慢而单调地进行。别力。这种激励变化应缓慢而单调地进行。 v 4 分辨力分辨力v分辨力是指显示装置能有效辨别的最小的示值差。分辨力是指显示装置能有效辨别的最小的示值差。 5 死区死区v计量器具的死区指的是不致引起计量器具响应发计量器具的死区指的是不致引起计量器具响应发生变化的激励双向变动的最大区间。生变化的激励双向变动的最大区间。v 6 响应时间响应时间v激励受到规定突变的瞬间与响应达到并保持其最激励受到规定突变的瞬间与响应达到并保持其最终稳定性在规定极限内的瞬间两者之间的时间间隔就终稳定性在规定极限内的瞬间两者之间的时间间隔就是响应时间。是

27、响应时间。 v有关性能方面的特性有关性能方面的特性 v1 漂移漂移v漂移是指计量器具计量特性的缓慢变化。漂移是指计量器具计量特性的缓慢变化。v2稳定性稳定性v 计量器具保持其计量特性随时间恒定的能计量器具保持其计量特性随时间恒定的能力称为计量器具的稳定性。通常力称为计量器具的稳定性。通常, 稳定性是对稳定性是对时间而言的。时间而言的。v3 重复性重复性v重复性是指在相同条件下重复性是指在相同条件下,重复测量同一个重复测量同一个被测量被测量,计量器具提供相近示值的能力。重复计量器具提供相近示值的能力。重复性可以用测量结果的分散性定量来表示。性可以用测量结果的分散性定量来表示。v4 可靠性可靠性v

28、 可靠性是指计量器具在规定条件下和规定可靠性是指计量器具在规定条件下和规定时间内时间内,完成规定功能的能力。表示计量器具完成规定功能的能力。表示计量器具可靠性的定量指标可靠性的定量指标,可以用其极限工作条件下可以用其极限工作条件下的平均无故障工作时间来表示的平均无故障工作时间来表示,这个指标越高这个指标越高,说明可靠性越好。说明可靠性越好。 v1 准确度准确度v准确度指计量器具给出接近于真值的响应能准确度指计量器具给出接近于真值的响应能力。在实际应用中力。在实际应用中,常以测量不确定度常以测量不确定度,准确度等准确度等级或最大允许误差来定量表示。级或最大允许误差来定量表示。v 2 准确度等级准

29、确度等级v准确度等级是符合一定的计量要求准确度等级是符合一定的计量要求,使误差保使误差保持在规定极限以内的计量器具的等别持在规定极限以内的计量器具的等别,级别。这级别。这也是计量器具最具概括性的特征也是计量器具最具概括性的特征,综合反映了计综合反映了计量器具的基本误差和附加误差的极限值以及其他量器具的基本误差和附加误差的极限值以及其他影响测量准确度的特性值。影响测量准确度的特性值。 v3 测量精度测量精度v测量精度是测量结果的可信程度或不确定度测量精度是测量结果的可信程度或不确定度, 一般以计量值与被计量量的实际值之间的一般以计量值与被计量量的实际值之间的 偏差偏差范围来表示。范围来表示。 4

30、 最大允许误差最大允许误差v对给定计量器具对给定计量器具,规范规范,规程等所允许的误差极规程等所允许的误差极限值为最大允许误差限值为最大允许误差,有时也称为计量器具的允许有时也称为计量器具的允许误差限。误差限。29专业内涵性能指标评价 误差指标：精度和准度直接测量直接测量间接测量间接测量绝对测量绝对测量 相对（比较）测量相对（比较）测量测试与计量方法测试与计量方法单项测量单项测量综合测量综合测量在线测量在线测量离线测量离线测量接触测量接触测量非接触测量非接触测量等精度测量等精度测量 不等精度测量不等精度测量在测量过程中，计量器具的测头与被在测量过程中，计量器具的测头与被测零件处于相对静止状态，

31、被测量的测零件处于相对静止状态，被测量的量值是固定的。量值是固定的。静态测量静态测量动态测量动态测量在测量过程中，计量器具的测头与被在测量过程中，计量器具的测头与被测零件处于相对运动状态，被测量的测零件处于相对运动状态，被测量的量值是变化的。量值是变化的。34 测试计量方法及其分类测试计量方法及其分类 v在测试和计量过程中，在测试和计量过程中， 不同的量或不同量值不同的量或不同量值的同一种量，都应该根据其特点和准确度要求，的同一种量，都应该根据其特点和准确度要求，应用相应的计量原理，应用相应的计量原理， 选用不同的计量方法。选用不同的计量方法。 v“计量原理是计量方法的科学基础计量原理是计量方

32、法的科学基础”。如温度。如温度计量中的热电效应，电压计量中的约瑟夫森效应计量中的热电效应，电压计量中的约瑟夫森效应，速度计量中的多卜勒效应以及长度计量中的光，速度计量中的多卜勒效应以及长度计量中的光干涉原理等。干涉原理等。 这些都是基于被测量的相应物理及这些都是基于被测量的相应物理及化学特性的。化学特性的。 v不同物理量的计量一方面要和不同物理量自身不同物理量的计量一方面要和不同物理量自身的规律性特点结合，的规律性特点结合， 而另一方面又存在着相似的而另一方面又存在着相似的提高测量精度，提高测量精度， 发现误差因素的方法。发现误差因素的方法。 这两方面这两方面的结合就能够产生对不同量进行测量的

33、实验方案和的结合就能够产生对不同量进行测量的实验方案和仪器设计的总体思想。仪器设计的总体思想。 因此掌握共性的测试计量因此掌握共性的测试计量方法是在广义角度上完成不同物理量的测量和仪器方法是在广义角度上完成不同物理量的测量和仪器设计的基础之一。设计的基础之一。 在掌握这些测试计量方法的基在掌握这些测试计量方法的基础上举一反三就能够在广泛的仪器设计中发挥关键础上举一反三就能够在广泛的仪器设计中发挥关键的作用。的作用。 所以本节所介绍的就是存在于不同量的所以本节所介绍的就是存在于不同量的测量及仪器设计方面的共性内容之一。测量及仪器设计方面的共性内容之一。 这些测试这些测试计量方法都是本领域中最基本

34、的方法，计量方法都是本领域中最基本的方法， 是从事测是从事测试计量工作和仪器设计所必须掌握的。试计量工作和仪器设计所必须掌握的。 v测试计量方法的选择要求从测量精度、测试计量方法的选择要求从测量精度、 测量的量程范围、测量的量程范围、 测量的响应时间以及所要设计测量的响应时间以及所要设计的方案或仪器造价等多方面来考虑。的方案或仪器造价等多方面来考虑。 v采用不同的测量方法，采用不同的测量方法， 由实验结果中所由实验结果中所包含的误差成分与对被测量的测量误差的关系是包含的误差成分与对被测量的测量误差的关系是不会完全一样的。不会完全一样的。 从测量的高精度考虑，从测量的高精度考虑， 常常常常希望从

35、直接实验精度并不一定很高的实验结果中希望从直接实验精度并不一定很高的实验结果中得到对被测量的高得多的测量精度。得到对被测量的高得多的测量精度。 直接计量法和间接计量法直接计量法和间接计量法 v“不必对与被计量量有函数关系的其他量进行不必对与被计量量有函数关系的其他量进行计量，而能直接得到被计量量值的计量方法计量，而能直接得到被计量量值的计量方法”称称为为“直接计量法直接计量法”。也就是说，计量结果可由实。也就是说，计量结果可由实验操作直接获得，可用公式表示如下：验操作直接获得，可用公式表示如下：v A=X 式中，式中， A为被计量的量值；为被计量的量值；X为由实验直接得出为由实验直接得出的结果

36、。用传感器线性地将被测量转换成电量或的结果。用传感器线性地将被测量转换成电量或数字量显示的方法可以理解为直接计量法。数字量显示的方法可以理解为直接计量法。 v 这种测量方法的测量误差为这种测量方法的测量误差为v A=Xv从该式可以看出，实验结果中的误差被从该式可以看出，实验结果中的误差被100%地转地转换为对被测量的测量误差，这就是这种方法的测量精度常换为对被测量的测量误差，这就是这种方法的测量精度常常并不太高的原因。常并不太高的原因。 v 在进行直接比较计量时，计量器具直接给出被计量的在进行直接比较计量时，计量器具直接给出被计量的量值。量值。 在进行高精度计量或测试时，为了能对计量结果中在进

37、行高精度计量或测试时，为了能对计量结果中所含的系统误差加以消除，需要作补充计量来确定影响量所含的系统误差加以消除，需要作补充计量来确定影响量的值。的值。 v即使这样，这类计量仍属直接计量法。直接计量法是即使这样，这类计量仍属直接计量法。直接计量法是特征最明显且采用最多的一种测试计量方法。这种方法所特征最明显且采用最多的一种测试计量方法。这种方法所获得的测量结果很直接、方便，使用的设备不一定很复杂获得的测量结果很直接、方便，使用的设备不一定很复杂，而且在大多数情况下其测量的范围可以很宽，而且在大多数情况下其测量的范围可以很宽， 还不存在还不存在时间响应的问题。时间响应的问题。v但是在大多数情况下

38、，得到的测量精度并不一定是最但是在大多数情况下，得到的测量精度并不一定是最高的。高的。 在测量和仪器的设计中，常常存在这样的矛盾，在测量和仪器的设计中，常常存在这样的矛盾，有时取得高的测量精度要以牺牲测量的时间响应或者测量有时取得高的测量精度要以牺牲测量的时间响应或者测量的范围为代价。因此，测量方案的选择要进行多方面考虑的范围为代价。因此，测量方案的选择要进行多方面考虑和折中。和折中。 v直接计量法的典型例子是用数字频率计测量频率。直接计量法的典型例子是用数字频率计测量频率。 在图在图5.2.1所示的频率计方框图中，把标频晶体振荡器所所示的频率计方框图中，把标频晶体振荡器所产生的准确和稳定的频

39、率信号分频产生准确的时基信号（产生的准确和稳定的频率信号分频产生准确的时基信号（如秒信号），并用它控制一个闸门。被测信号经过该闸门如秒信号），并用它控制一个闸门。被测信号经过该闸门后，由计数器计数。当时基信号为后，由计数器计数。当时基信号为1s时，所计数的结果时，所计数的结果就严格等于被测信号的频率值。就严格等于被测信号的频率值。 图5.2.1 使用直接计量法的数字频率计放 大 整 形主 闸 门计 数 显 示控 制 电 路时 基 分 频系 统恒 温 晶 振A输 入v “通过对与被计量量有函数关系的其他量的计量，通过对与被计量量有函数关系的其他量的计量， 以得以得到被计量量值的计量方法到被计量量

40、值的计量方法”称为称为“间接计量法间接计量法”。 被计量值被计量值可由下式求出：可由下式求出： vA=F（ X1， X2， X3, ）v式中，式中， A为被计量的量值；为被计量的量值； X1， X2， X3为可直接计量为可直接计量的量值。的量值。 v 间接计量法在计量学中有着特别重要的意义，间接计量法在计量学中有着特别重要的意义， 主要用于主要用于导出单位，导出单位， 如压力、流量、速度、重力加速度、功率等量的如压力、流量、速度、重力加速度、功率等量的单位量值的复现。单位量值的复现。 v在一些测量仪器中也常常通过中间量的测量，并经过计算在一些测量仪器中也常常通过中间量的测量，并经过计算而得到被

41、测量的值，这样获得的精度可能会更高一些。因此间而得到被测量的值，这样获得的精度可能会更高一些。因此间接计量法在高精度测试和计量中常被选用。接计量法在高精度测试和计量中常被选用。v对于精度的提高情况可以通过对相应函数关系式对于精度的提高情况可以通过对相应函数关系式的分析得到。也就是说，首先要建立被测量与各中间的分析得到。也就是说，首先要建立被测量与各中间量之间的数学模型，以发现中间量的值对被测量精度量之间的数学模型，以发现中间量的值对被测量精度的贡献。的贡献。 v比如在频标比对中，比如在频标比对中， 直接测频法的精度不高。直接测频法的精度不高。 但但是由于频标比对都是在两比对频率信号频率值很接近

42、是由于频标比对都是在两比对频率信号频率值很接近的情况下来完成测量工作的，的情况下来完成测量工作的， 所以通过频标信号间相所以通过频标信号间相位差变化量的测量可以用公式位差变化量的测量可以用公式v Tffv比相法测量频率的仪器方框图如图比相法测量频率的仪器方框图如图5.2.2所示。所示。 可以看到，可以看到， 这种设备的复杂程度并不这种设备的复杂程度并不比直接进行计数测频的仪器复杂。比直接进行计数测频的仪器复杂。 v用比相法获得的相位差比对结果的示意图用比相法获得的相位差比对结果的示意图如图如图5.2.3所示。所示。 图5.2.2 比相法测量频率的仪器方框图 放大整形鉴相双稳态v(t)低通滤波器

43、长图记录仪放大整形F1F2f1f2v图5.2.3 相位差比对结果的示意图Tv算出被测信号的相对频差，并且随着比对算出被测信号的相对频差，并且随着比对时间的延伸而获得很高的测量精度。时间的延伸而获得很高的测量精度。 T是两是两信号之间的相位差变化量，信号之间的相位差变化量，是发生该变化所是发生该变化所用的时间。用的时间。 其误差公式是其误差公式是 ffTTTff)()(2v式中的右边第二项是误差的次要成分。式中的右边第二项是误差的次要成分。 只要两比相只要两比相频率源的频率值比较接近，频率源的频率值比较接近， 并适当照顾到对采样周期并适当照顾到对采样周期的的测量或控制精度，测量或控制精度， 则该

44、项误差与第一项相比就可以忽略则该项误差与第一项相比就可以忽略不计。不计。 该式右边的第一项是误差的主要成分。该式右边的第一项是误差的主要成分。 从式（从式（5.2.5）中可以看出，）中可以看出， 测频的精度随着比相时间的延长测频的精度随着比相时间的延长， 以及对相位差测试精度的提高而提高。以及对相位差测试精度的提高而提高。 v这里直接被测的中间量是这里直接被测的中间量是T =T2-T1及及，其中，其中T是是相位差（时间间隔），而相位差（时间间隔），而是发生是发生T变化所用的时间。变化所用的时间。可以从秒、分、小时直至天。而对高精度频率源，可以从秒、分、小时直至天。而对高精度频率源，T的的变化范

45、围常常是微秒或纳秒。变化范围常常是微秒或纳秒。 v两信号间的频差不一样，两信号间的频差不一样，T的变化范围也不一的变化范围也不一样；样； 比相信号频率值的高低不同，比相信号频率值的高低不同， 测量的分辨率也不一测量的分辨率也不一样。样。 如在如在10MHz的频率下比相时，的频率下比相时， 两信号间相位差两信号间相位差变化范围为变化范围为0100 ns。如果能获得对。如果能获得对100ns的的1%的的分辨率分辨率(T)， 就能够获得对就能够获得对f/f0的相当高的精度的相当高的精度（如（如110-9/秒、秒、 310-13/小时和约小时和约110-14/天等）。天等）。 这是只用一般直接测频的方

46、法难以达到的精度。这是只用一般直接测频的方法难以达到的精度。 这种情况下的仪器并不一定复杂，这种情况下的仪器并不一定复杂， 但应该符合一定要求。但应该符合一定要求。 从对上述比相法的分析中，从对上述比相法的分析中， 也可以看到对于不同测量目的也可以看到对于不同测量目的的测量方法确立其相应数学模型并进行分析的重要性。通的测量方法确立其相应数学模型并进行分析的重要性。通过这样的分析可以确定实际可获得的测量精度、过这样的分析可以确定实际可获得的测量精度、 直接测量直接测量对象、对象、 简化仪器及其设计的途径等。简化仪器及其设计的途径等。 v全面分析某些间接测量方法和直接测量方法全面分析某些间接测量方

47、法和直接测量方法的特点，的特点， 也可以看到有时候高精度的获得要牺也可以看到有时候高精度的获得要牺牲测量范围。比如，用计数器直接测频，牲测量范围。比如，用计数器直接测频， 虽然虽然测量精度比较低，但是测量的频率范围只受计数测量精度比较低，但是测量的频率范围只受计数速度的限制，且是宽频率范围的。但是，用了间速度的限制，且是宽频率范围的。但是，用了间接比相法测量时，精度得到了大幅度的提高，而接比相法测量时，精度得到了大幅度的提高，而比对只能在同频或者频率关系成倍数的情况下进比对只能在同频或者频率关系成倍数的情况下进行。行。 基本计量法和定义计量法基本计量法和定义计量法 v关于计量方法的选择也可以通

48、过对被计量量值的定义及关于计量方法的选择也可以通过对被计量量值的定义及它与一些有关基本量间的联系来确定。它与一些有关基本量间的联系来确定。 v “通过对一些有关基本量的计量，通过对一些有关基本量的计量， 以确定被计量量值的计以确定被计量量值的计量方法量方法”称为称为“基本计量法基本计量法”， 有些书中也称其为有些书中也称其为“绝对绝对计量法计量法”。 由定义可知，由定义可知， 基本计量法实为间接计量法的一基本计量法实为间接计量法的一种。种。 v“根据量的单位定义计量该量的方法根据量的单位定义计量该量的方法”称为称为“定义计量定义计量法法”。 这是按计量单位的定义复现其量值的一类方法，适这是按计

49、量单位的定义复现其量值的一类方法，适用于基本单位和导出单位。应该注意的是，按定义复现单位用于基本单位和导出单位。应该注意的是，按定义复现单位并不完全局限于建立基准，它可能有多种方法和不同准确度并不完全局限于建立基准，它可能有多种方法和不同准确度的结果。的结果。v例如例如, 按照新的米定义，可以用三种方法、按照新的米定义，可以用三种方法、多种激光辐射来复现；又如伏特基准，可以用多种激光辐射来复现；又如伏特基准，可以用饱和惠斯顿标准电池，也可以利用约瑟夫森效饱和惠斯顿标准电池，也可以利用约瑟夫森效应来复现。实际测量中，最有代表性的是根据应来复现。实际测量中，最有代表性的是根据欧姆定律中电阻和电压及

50、电流之间的关系欧姆定律中电阻和电压及电流之间的关系R=U/I， 通过电压和电流的测量计算获得对通过电压和电流的测量计算获得对应的电阻值。应的电阻值。 直接比较计量法和替代计量法直接比较计量法和替代计量法 v“将被计量量直接与已知的同一种量相比较的计量方法将被计量量直接与已知的同一种量相比较的计量方法”被称为被称为“直接比较计量法直接比较计量法”。 v 这种方法在计量和工程测试中被普遍应用。这种方法这种方法在计量和工程测试中被普遍应用。这种方法有两个特点有两个特点: 一是相比较的两个量必须是同一种量；二是一是相比较的两个量必须是同一种量；二是计量时必须用比较式计量器具。计量时必须用比较式计量器具

51、。 因此，因此， 许多误差分量由许多误差分量由于与标准器同方向增减而相互抵消，从而能获得较高的计于与标准器同方向增减而相互抵消，从而能获得较高的计量准确度。要创造能相互比较的条件，常常需要限制两比量准确度。要创造能相互比较的条件，常常需要限制两比较量的数值范围（如量值接近或成一定的比例关系等），较量的数值范围（如量值接近或成一定的比例关系等），这也是直接比较计量法在测量的随意性和范围方面受到限这也是直接比较计量法在测量的随意性和范围方面受到限制的因素。制的因素。 v“用选定的且已知其值的同一种量替代被计量量，用选定的且已知其值的同一种量替代被计量量， 并并使作用于指示装置的效应相同的计量方法使

52、作用于指示装置的效应相同的计量方法”称为称为“替代计替代计量法量法”。例如，在天平上用已知其质量的砝码替代被计量。例如，在天平上用已知其质量的砝码替代被计量物体，以求其质量的物体，以求其质量的“波尔特波尔特”法为典型的替代计量法。法为典型的替代计量法。这里所说的这里所说的“作用于指示装置的效应作用于指示装置的效应”可以理解为仪器的可以理解为仪器的示值。因此，砝码的质量就是被计量物体的质量，示值。因此，砝码的质量就是被计量物体的质量， 而且消而且消除了由于天平的不等臂性所带来的一般不容易计算的误差除了由于天平的不等臂性所带来的一般不容易计算的误差。 v在电子测量中替代法也有广泛的应用。在电子测量

53、中替代法也有广泛的应用。 在测量条件不在测量条件不变的情况下，变的情况下， 用一个标准已知量替代被测量，用一个标准已知量替代被测量， 并调整标并调整标准量使仪器的示值相同，准量使仪器的示值相同， 于是被测量就等于标准量的相应于是被测量就等于标准量的相应标称值。标称值。 v因为在替代过程中，测量电路和仪器的工作状因为在替代过程中，测量电路和仪器的工作状态及示值均保持不变，态及示值均保持不变， 故测量中的恒定系统误差故测量中的恒定系统误差对测量结果不产生影响。对测量结果不产生影响。 测量精度主要取决于已测量精度主要取决于已知标准量的正确度及指示仪器的灵敏度。知标准量的正确度及指示仪器的灵敏度。 v

54、这方面最典型的例子是在交流电压测量中以热这方面最典型的例子是在交流电压测量中以热电偶作为转换器件时的直流对交流的替代法计量。电偶作为转换器件时的直流对交流的替代法计量。 这可以消除对交流或交流转换信号指示器的误差。这可以消除对交流或交流转换信号指示器的误差。 由于热电偶的输出电势只与热丝吸收的功率有关，由于热电偶的输出电势只与热丝吸收的功率有关， 而与低频频率无关，而与低频频率无关， 当同一热电偶对一低频电压当同一热电偶对一低频电压和一直流电压的输出电势相相同时，和一直流电压的输出电势相相同时， 直流电压值直流电压值就准确地等于被测交流电压的有效值。就准确地等于被测交流电压的有效值。 而直流电

55、而直流电压值可以通过直流数字电压表准确地测得。压值可以通过直流数字电压表准确地测得。 v用替代法常常可以实现对一些难以直接测量用替代法常常可以实现对一些难以直接测量的量值的高精度测量。在测量系统中，主要是用的量值的高精度测量。在测量系统中，主要是用一个便于高精度测量的量和被测量公用一个终端一个便于高精度测量的量和被测量公用一个终端检测和显示通道。对该通道并不提出精度等方面检测和显示通道。对该通道并不提出精度等方面的高要求。它的作用是能够严格等同地显示出两的高要求。它的作用是能够严格等同地显示出两个有一致终端效果量值的数值。为了做到这一点个有一致终端效果量值的数值。为了做到这一点，就要求在这个终

56、端通道中两个信号的量值是相，就要求在这个终端通道中两个信号的量值是相同性质的，而且又为了以更高的分辨率给出两个同性质的，而且又为了以更高的分辨率给出两个量的同一替代效果，终端显示器的灵敏度也应该量的同一替代效果，终端显示器的灵敏度也应该尽可能地高。为了能够公用同样的终端通道，两尽可能地高。为了能够公用同样的终端通道，两路信号必须有向该通道进行信号转换到同一性的路信号必须有向该通道进行信号转换到同一性的器件或装置。器件或装置。 v这种装置或者是针对两路信号，或者是仅仅针对被测信这种装置或者是针对两路信号，或者是仅仅针对被测信号的。号的。 为了实现这样的转换，一些特殊的器件，为了实现这样的转换，一

57、些特殊的器件， 尤其是针尤其是针对不同被测量的转换器件必须能够掌握。以下，通过实际对不同被测量的转换器件必须能够掌握。以下，通过实际的替代法的应用实例来说明这种方法对于其他方法所不易的替代法的应用实例来说明这种方法对于其他方法所不易获得高精度的精密测量，获得高精度的精密测量， 以及系统中各部分对测量的影响以及系统中各部分对测量的影响。v替代法的典型应用是用能够高精度测量的直流信号替代替代法的典型应用是用能够高精度测量的直流信号替代交流信号来实现对交流量有效值的高精度测量。为了实现交流信号来实现对交流量有效值的高精度测量。为了实现替代，就必须实现同一性的转换。也就是，能够把交直流替代，就必须实现

58、同一性的转换。也就是，能够把交直流信号转换成相应于它们有效值的量，信号转换成相应于它们有效值的量， 通过对该量的检测求通过对该量的检测求出被测量。出被测量。 这里，这里， 热效应转换使用方便、热效应转换使用方便、 准确度高，获准确度高，获得了普遍应用。得了普遍应用。 应用这种效应做成的转换器件是热电偶。应用这种效应做成的转换器件是热电偶。 图5.4.1 真空单元热电偶 加热丝导流丝导流丝真空玻璃泡热电偶输出端v 图图5.4.1所示的是一种常用的真空单元热电偶。所示的是一种常用的真空单元热电偶。 实际计量时实际计量时， 轮流将交流电流及直流电流通入加热丝。轮流将交流电流及直流电流通入加热丝。 如

59、果在这两种如果在这两种情况下热电偶输出的热电势相等，情况下热电偶输出的热电势相等， 就认为加热丝的发热量相就认为加热丝的发热量相同，同， 即交流电流的有效值等于直流电流的数值。即交流电流的有效值等于直流电流的数值。 因此，因此， 只只要计量出直流电流，要计量出直流电流， 就可得出相当的交流电流的有效值。就可得出相当的交流电流的有效值。 在计量交流电压的有效值时，在计量交流电压的有效值时， 可用电阻元件将交流电压转换可用电阻元件将交流电压转换成交流电流后再计量。成交流电流后再计量。 v 加热丝的额定电流约为数十毫安，而且只有在接近额定值时加热丝的额定电流约为数十毫安，而且只有在接近额定值时才能得

60、到较好的效果。为了使热电偶适用于计量不同量值的才能得到较好的效果。为了使热电偶适用于计量不同量值的电流和电压，需用电阻分流器、分压器或感应耦合比例器件电流和电压，需用电阻分流器、分压器或感应耦合比例器件扩展热电偶的量限。一般常将热电偶和扩展量程的附件组装扩展热电偶的量限。一般常将热电偶和扩展量程的附件组装在一起，在一起， 组成热电比较仪。其不确定度为组成热电比较仪。其不确定度为10-410-5。 v 在电子计量中的低频电压的频段一般覆盖在电子计量中的低频电压的频段一般覆盖从几赫兹到从几赫兹到1 MHz左右的频率范围。左右的频率范围。 在这个在这个频段内用真空热电偶作转换元件的交直流转换频段内用