计量学基础课程课件

计量学基础课程课件第一页，共42页。主讲人:第二页，共42页。2)量块的中心长度：是指量块一个测量面的中心到与其相对的另一测量面之间的垂直距离，用符号L表示。

3)量块的标称长度：是指两相互平行的测量面之间的距离，即量块的工作长度，用符号l表示。4)量块长度的实测值：是指用一定的方法，对量块长度进行测量所得到的量值。

5)量块的长度变动量：是指量块任意点长度中的最大长度Lmax与最小长度Lmin之差的绝对值，用符号Lv表示。

6)量块的长度偏差：是指量块的实测值与其标称值之差，简称偏差第三页，共42页。量块及有关量块的长度和偏差

第四页，共42页。图2-3量块测量面的示意图当量块标称尺寸l﹤6mm时，刻有数字的表面为上测量面；当l≧6mm时，刻有数字的表面的右侧面为上测量面，相对的另一面为下测量面。第五页，共42页。2.量块的研合性与选用原则所谓研合性，是指量块的一个测量面与另一量块的测量面或另一经精密加工的类似的平面，通过分子吸力作用而粘合的性能。利用这一特性，把量块研合在一起，便可以组成所需要的各种尺寸。量块一般是成套生产的，国标将量块制定了17种套别，套别是按量块数量的多少来划分的。比如91块一套，83块一套，6块一套，5块一套等（如下表所示）

第六页，共42页。第七页，共42页。在使用组合量块时，为了减小量块组合的累积误差，应尽量减少使用的块数，一般不超过4∽5块。为了迅速选择量块，应根据所需尺寸的最后一位数字选择量块，每选一块至少减少所需尺寸的一位小数。第八页，共42页。第九页，共42页。例1：从83块一套的量块中选取尺寸为38.935mm量块组，其选取方法为：38.935─）1.005第一块量块尺寸为1.005mm37.93─）1.43第二块量块尺寸为1.43mm36.5─）6.5第三块量块尺寸为6.5mm

30

第四块量块尺寸为30mm第十页，共42页。第十一页，共42页。例如，从91块一套的量块中选取尺寸为36.745mm的量块组，选取方法为：36.745…………所需尺寸

－1.005

…………第一块量块尺寸35.74

－1.24

…………第二块量块尺寸34.5

－4.5

…………第三块量块尺寸30.0…………第四块量块尺寸第十二页，共42页。返回为扩大量块的应用范围，可采用量块附件，量块附件中有夹持器和各种量爪。量块及附件装配后，可用于测量外径、内径或精密划线。第十三页，共42页。注意：量块的组合方法及原则组合原则1）量块块数尽可能少，一般不超过3~5块。2）必须从同一套量块中选取，决不能在两套或两套以上的量块中混选。3）组合时，不能将测量面与非测量面相研合。4）组合时，下测量面一律朝下。第十四页，共42页。

有关工作范围的特性1．示值 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,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,示值就是它所标出的值。示值随着被测量而变化。全国科学技术名词委员会第十五页，共42页。 2．标称值(nominalvalue) 标称值是计量器具上表明其特性或指导其使用的量值,该值为修约值或近似值,如标在电压表表盘上的示值。标称值是固定的,不随被测量的变化而变化。

3．标称范围(nominalrange) 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。标称范围通常用计量器具的上限和下限表明,如果下限为零,标称范围一般只用上限表明。

第十六页，共42页。 4．测量范围 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,与测量设备的最大允许误差有关。在标称范围内,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,也就是说,只有在这一部分测量的值,其准确度才符合要求,因此,有时又把测量范围称为工作范围。 第十七页，共42页。5．量程(span)

量程［英文等价术语］

span［术语定义(汉语)］

测量范围上限值与下限值之差。第十八页，共42页。有关响应方面的特性

1．响应特性 在特定条件下,激励与对应响应之间的关系就是计量器具的响应特性。这种关系可以用数学等式,数值表或图形来表示。当激励是关于时间的函数时,传递函数是响应特性的一种表示形式。

第十九页，共42页。2．灵敏度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。对于带刻度指示器的器具,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感器的主要指标之一。3．鉴别力 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,称为鉴别力。这种激励变化应缓慢而单调地进行。第二十页，共42页。

4．分辨力分辨力是指显示装置能有效辨别的最小的示值差。5．死区 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。

6．响应时间 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是响应时间。第二十一页，共42页。

有关性能方面的特性

1．漂移 漂移是指计量器具计量特性的缓慢变化。

2．稳定性 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,稳定性是对时间而言的。第二十二页，共42页。 3．重复性 重复性是指在相同条件下,重复测量同一个被测量,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。

4．可靠性 可靠性是指计量器具在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。表示计量器具可靠性的定量指标,可以用其极限工作条件下的平均无故障工作时间来表示,这个指标越高,说明可靠性越好。第二十三页，共42页。

1．准确度 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,常以测量不确定度,准确度等级或最大允许误差来定量表示。

2．准确度等级 准确度等级是符合一定的计量要求,使误差保持在规定极限以内的计量器具的等别,级别。这也是计量器具最具概括性的特征,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影响测量准确度的特性值。第二十四页，共42页。

3．测量精度 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

偏差范围来表示。

4．最大允许误差 对给定计量器具,规范,规程等所允许的误差极限值为最大允许误差,有时也称为计量器具的允许误差限。第二十五页，共42页。26误差指标：精度和准度第二十六页，共42页。

仪器的总体构成及其计量链

1．仪器的总体构成 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,一般可以分为三个主要部分。第二十七页，共42页。

计量器具的第一部分是输入部分（包括传感器,检测器或计量变换器）,它把被计量的信息转变成便于下一步处理的信号。第二部分是中间变换部分（也称二次变换部分）,它把输入部分出来的信号进行放大,滤波,调制解调,运算,分析或其他二次变换,使之适合于输出的需要。

第三部分是输出部分（也称终端变换部分,包括指示装置和记录装置）,它将被计量的等效信息提供给观察者或电子计算机。 在电计量仪器中,计量信号是该仪器内被计量量的代表,常常把输入到仪器的信号称为激励,把仪器的输出信号称为响应。第二十八页，共42页。

从计量器具的总体构成来看,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一系列单元,它们构成计量信号从输入到输出的通道。例如由传声器,衰减器,滤波器,放大器和电压表组成的电声计量链。 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：①热电偶：第二十九页，共42页。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；②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；③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；④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α。第三十页，共42页。

1．传感器和计量变换器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。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,流量,加速度等量,直接同它们的标准量进行比较是相当困难的,因此需要传感器变换成易于处理,易于与标准量比较的物理量,如位移,频率,电流,电阻,电压等量。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,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体,例如热电偶。所以,计量变换器可以只是传感器,也可以包括它们的附属计量线路。第三十一页，共42页。

常用传感器有：（1）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）和电阻应变式两类,后者根据应变计结构的不同又可分为丝式,箔式和薄膜式三类。（2）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,涡流式和差动变压器式三类。（3）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,面积变化型和介质变化型三类。第三十二页，共42页。（4）压电式传感器：利用一些晶体材料的压电效应,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效应,而且还有剪切的压电效应,因而可作成不同支撑形式和受力状态的传感器,在力,加速度,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,近年来得到了越来越多的关注和发展。（5）压磁式传感器：利用一些铁磁材料的压磁效应,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,可以作成磁滞伸缩式传感器。第三十三页，共42页。（6）压阻式传感器：利用半导体材料的压阻效应,把压力的变化变换为电阻变化的传感器。它可分为薄膜型,结型和体型三类。（7）光电式传感器：利用光电效应把光通量的变化变换为电量变化的传感器。可利用的光电效应包括光电子发射效应（光电管,光电倍增管等）,光导效应（光敏电阻,光导管）和光生伏打效应（光电池,光敏晶体管）。

第三十四页，共42页。（8）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,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歇激发两类。（9）霍尔传感器：利用一些半导体材料的霍尔效应,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作成磁阻式传感器。霍尔元件结构简单、体积小,噪声小,频带宽,动态范围大,有较广泛的应用前景。第三十五页，共42页。

（10）陀螺传感器：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。例如陀螺式称重传感器,角速度微分陀螺仪和积分陀螺仪等。 （11）热电式传感器：利用热电效应将温度的变化变换为电势变化的传感器。各种热电偶就是广泛应用的热电式传感器。 （12）磁电式传感器：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的传感器。它可分为可动线圈式和可动衔接式两类。

第三十六页，共42页。（13）电离辐射式传感器：利用电离辐射的穿透能力,使气体电离并具有热效应和光电效应,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。（14）约瑟夫森效应传感器：利用超导体的约瑟夫森效应,把磁通量变换为周期变化的阻抗,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件（SQUID）,在监视电动势基准,直流电计量,辐射计量,磁学计量,低温计量、重力计量,光频计量中有着广泛的应用。第三十七页，共42页。

（15）光纤传感器：利用光在光纤中传播时其振幅（光强）,相位,偏振态,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,前者光纤既是敏感元件又是传光元件,后者则仅起传光作用。它也可分为干涉型和非干涉型,前者结构复杂,其灵敏度,分辨力,线性均较后者好。用它们可以计量压力,温度,流速,转速,加速度,位移,电流,磁场,辐射等多种参量。

3．主要的计量变换器 主要的计量变换器有热电偶,电流互感器,电动/气动变换器,计量电桥等。计量电桥的应用极为广泛,它的功能是把来自传感器的电阻,电容,电感等量的变化,变换成电流或电压的变化。第三十八页，共42页。

按照激励电压（辅助能源）的性质,计量电桥可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,电桥的平衡电路比较简单,对