测量的基本原理.ppt
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1、电子测量原理,课程简介,第一部分测量总论及误差理论,介绍测量的基本概念、技术方法及系统组成,误差理论和数据处理等。 第二部分基本电参量测量,包括频率、电压、阻抗等 第三部分时域测量,以示波器为背景介绍时域信号波形的采集、显示及应用技术。 第四部分频域测量,重点讨论频域中的信号频谱和网络性能的测量,介绍测量激励信号源的基本工作原理。 第五部分数域测量,介绍数字系统的基本测量原理和方法,包括数字信号的产生、逻辑分析、可测性设计及数字系统测试的典型实例。 第六部分测量系统集成,阐述组建测量系统的硬件平台、软件平台、总线标准、通信技术等。,本章阐述测量了学科的丰富内涵。 介绍测量、计量的基本概念,即它
2、们的意义、内容、特点及应用。 讨论测量原理、测量方法和测量系统中的共性问题。 分别从信息获取的广义概念和量值比较的狭义概念上,阐述测量的基本原理; 从实现测量原理的变换、比较、处理和显示等环节中,阐述电子测量的基本技术。,第1章 测量的基本原理,1.1 测量的基本概念,1.1.1 测量的意义 日常生活中处处离不开测量 科学的进步和发展离不开测量, 离开测量就不会有真正的科学。,没有望远镜就没有天文学,没有显微镜就没有细胞学,没有指南针就没有航海事业,1.1.1 测量的意义(续),生产发展离不开测量 农业社会中,需要丈量土地、衡量谷物,就产生了长度、面积、容积和重量的测量;掌握季节和节候,出现了
3、原始的时间测量器具,并有了天文测量。 现代化的工业生产中,处处离不开测量 例如,一个大型钢铁厂需要约2万个测量点 在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量 例如,每种新设计的飞机,需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能,通过风洞试验测定机身、机翼的受力和振动分布情况,以验证和改进设计。,1.1.2 测量的定义,1.狭义测量的定义 测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。 在测量过程中,人们借助专门的设备,把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较,取得用数值和单位共同表示的测量结果。,测量结果测量数值.测量单位,即:,1.1.2 测量的基本概念(续),测量的内涵 测量对象:被
4、测客体中的相应的量值信息; 测量目的:从被测对象取得一个定量的认识; 测量过程: 通过实验去认识对象的过程 测量方法:比较; A.直接比较 B.间接比较;C.需要测量仪器; 测量标准:同类已知单位。 测量结果:最终能表示给测量主体(人),1.1.2 测量的定义(续),被测物体的重量等于标准砝码的重量,被测物体的重量从度盘上读数,因为,弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。,1.1.2 测量的定义(续),2.广义测量的定义 广义地讲,测量不仅对被测的物理量进行定量的测量,而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。 测量的基本原理图,1.1.3 测量的组成,1.测量的基本要素 被
5、测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境,1.1.3 测量的组成(续),1.1.3 测量的基本要素(续),仪器以工作环境条件的不同要求分为三组: I组:良好的环境条件,温度+10+35oC,相对湿度80%(在35oC上),只允许有轻微的振动。 II组:一般的环境条件,温度10+40oC,相对湿度80%(在40oC上),允许一般的振动和冲击。 III组:恶劣的环境条件,温度40+55oC,相对湿度90%(在35oC上),允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动。 I组高精度计量用仪器 II组通用仪器 III组野外、机载等仪器,12 计量的基本概念,1.2.1 计量的定义和意义 为使在不同
6、的地方,用不同的手段测量同一量时,所得的结果一致,就要求统一的单位、基准、标准和测量器具。 1.计量的定义 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比较,以确定合格与否,并给出具有法律效力的检定证书。 计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。 计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。 计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动,如单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监督管理、测量方法及其手段的研究等。,1.2.1 计量的定义和意义(续),2.计量与测量的关系,测量发展的客观需要才出现了计量。 测量是计量应用的重要途径
7、。 没有测量,计量将失去价值 为了保证测量结果的准确性,必须定期对仪器进行检定和校准,这个过程就是计量。,计量的任务是确定测量结果的可靠性。 计量是测量的基础和依据。 没有计量,也谈不上测量。 计量和测量相互配合,才能在国民经济各个领域发挥重要作用。,计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作,它在工农业生产、科学技术、国防建设以及人民生活等各个方面起着技术保证和技术监督的作用。,122 单位和单位制,根据定义而令系数为1的量称为单位。 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比较的基础。,英呎feet,122 单位和单位制(续),1960年第十一届国际计量大会上正式通过
8、国际单位制SI。 1984年2月国务院颁布了中华人民共和国法定计量单位,决定我国法定计量单位以国际单位制为基础。 SI有7个基本单位,122 单位和单位制(续),1.国际单位制(SI)的组成 国际单位制基本单位,122 单位和单位制(续),国际单位制是由国际单位制单位、国际单位制词头和国际单位制的十进倍数单位三部分组成。 国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。 例:5.4X10-9s=5.4ns,123 测量标准,1.基准 基准用来复现某一基本测量单位的量值,只用于鉴定各种量具的精度,不直接参加测量。 (1)一级基准,又称主基准和国家基准 具有最高水平的基准。一个国家只有一个。 (2)
9、二级基准,又称副基准 副基准的量值精度由主基准确定,用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对 (3)三级基准,又称工作基准 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精确度。,1.2.4 测量标准的权威性和相对性,1.标准的权威性 基准的理论定义最严格的、制作工艺技术最先进。 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。 从现代科学的观点来看,最好的基准是原子基准。 2.标准的相对性 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 例:以太阳为基准,时间测量的精确度1天内可达到1秒钟。而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过1秒
10、。,1.2.5 测量标准的传递,自上而下逐级传递,13 测量误差的基本概念,1.3.1 测量误差的定义 测量的目的: 获得被测量的真值。 真值: 在一定的时间和空间环境条件下,被测量本身所具有的真实数值。 测量误差 : 所有测量结果都带有误差 。,1.3.2 测量误差的来源,(1)仪器误差:由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善,以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。 (2)影响误差:由于各种环境因素(温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等)与测量要求的条件不一致而引起的误差。 (3)理论误差和方法误差:由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。 (4)人
11、身误差:由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因,而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。 (5)测量对象变化误差:测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准确,如引起动态误差等。,1.3.3 测量误差的表示方法,测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。 1.绝对误差 (1)定义:由测量所得到的被测量值与其真值之差,称为绝对误差,实际应用中常用实际值A(高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值)来代替真值。 绝对误差:,有大小,又有符号和量纲,1.3.3 测量误差的表示方法(续),(2)修正值 与绝对误差的绝对值大小相等,但符号相
12、反的量值,称为修正值 测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出,修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。 被测量的实际值,1.3.3 测量误差的表示方法(续),2.相对误差 一个量的准确程度,不仅与它的绝对误差的大小,而且与这个量本身的大小有关。 例:测量足球场的长度和成都市到绵阳市的距离,若绝对误差都为1米,测量的准确程度是否相同? (1)相对真误差、实际相对误差、示值相对误差 相对误差:绝对误差与被测量的真值之比 相对误差是两个有相同量纲的量的比值,只有大小和符号,没有单位。,1.3.3 测量误差的表示方法(续),实际相对误差: 用实际值A代替真值A0 示值相对误差: 用测量值X
13、 代替实际值A,1.3.3 测量误差的表示方法(续),(2)满度相对误差(引用相对误差) 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(上限值下限值)之比来表示的相对误差,称为满度相对误差(或称引用相对误差),仪表各量程内绝对误差的 最大值,1.3.3 测量误差的表示方法(续),电工仪表就是按引用误差 之值进行分级的。是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差 我国电工仪表共分七级:0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5及5.0。如果仪表为S级,则说明该仪表的最大引用误差不超过S% 测量点的最大相对误差 在使用这类仪表测量时,应选择适当的量程,使示值尽可能接近于满度值,指针
14、最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。,1.3.3 测量误差的表示方法(续),例1-3 某待测电流约为100mA,现有0.5级量程为0400mA和1.5级量程为0100mA的两个电流表,问用哪一个电流表测量较好?,用1.5级量程为0100mA电流表测量100mA时的最大相对误差为,解:用0.5级量程为0400mA电流表测100mA时,最大相对误差为,1.3.3 测量误差的表示方法(续),(3)分贝误差相对误差的对数表示 分贝误差是用对数形式(分贝数)表示的一种相对误差,单位为分贝(dB)。 电压增益的测得值为 误差为 用对数表示为增益测得值的分贝值 分贝误差,1.4 测量信息的获取原理,本
15、节中将主要阐述以下基本问题: 信息的含义是什么? 为什么信息可以被获取? 信息获取是怎样的过程? 信息获取过程中采用了哪些基本方法? 这些方法的实现途径是什么? 信息获取的限制因素及其克服措施是什么? 测量是研究获取被测对象 信息的一门科学。,1.4.1 信息的概念,1客体的实有的信息客观信息 某事物客体所具有的信息,是指该客观存在的事物的运动状态及其变化方式的自我表述或自我显示。 客体论的信息是一种客观的存在,不以主体的存在与否为转移,或者无论是否被其主体感受到,都丝毫不影响它的“自我表述”或“自我显示”。 任何事物都具有一定的内部结构,同时处在一定的环境之中,正是这种内部结构和外部环境两者
16、综合作用,决定了事物的具体运动状态和状态变化方式。 但在有时人们很难了解事物的内部结构状况,这时就只能把它看作一个“黑箱”,并通过它的外部联系(如输入/输出关系等外部行为)的状态及其变化方式来获得信息。,1.4.1 信息的概念(续),2主体认识论的信息主观信息 是指主体所感知或表述的关于该事物的运动状态及其变化方式,及有关的形式、含义和效用。 主体认识论层次的信息的内涵比客体论层次信息丰富得多。这是因为作为认识的主体: (1)具有感觉的能力,能够感觉到信息的外在形式。 (2)具有理解能力,能够理解信息的内在含义。 (3)具有目的性,因而能够判断信息对其目的而言的价值。,1.4.1 信息的概念(
17、续),3.全信息是同时考虑了事物运动状态及其变化方式的外在形式、内在含义和效用价值的主体认识论层次信息。 4实在信息、先验信息、实得信息,1.4.2 信息的感知,1感知的基本原理 信息感知的基本机制在于要有某种组织或器官能够灵敏地感受到被测对象运动的状态及其变化的方式 。 信息感知,是感知事物运动的状态及其变化方式,其实质是把客体论层次的信息转换为主体认识论层次的语法信息,1.4.2 信息的感知,2感知的基本技术传感器与敏感器 测量的第一个环节是信息的感知。 传感器是感知各种非电信息并把非电量转换为电量输出的器件或装置,它是非电系统与电系统之间的接口,本质上是完成信息载体的转换。 传感器根据转
18、换的效应可分为物理型、化学型和生物型三大类。 例:热敏电阻把被测温度的变化转换为电阻的变化。,1.4.3 信息的识别,1识别的基本原理 (1)识别是把感知的语法信息(信号形式)转换成人们能够理解的语义信息。 (2)识别(分类)的基本原理是形式特征的比较。由于信息的类别不同,其形式特征也不相同,因此,理论上信息总是可以分辨(识别)的。 (3)识别的原则是:相似而认同,相异而拒斥。 (4)由于识别环境存在固有干扰,待识别的信息天然不理想,理论方法不完备和信息类别相似性的表达不完善,因此,无论怎样精巧地设计信息识别系统,完全无差错的识别是不现实的(误差存在的绝对性)。,1.4.3 信息的识别,2识别
19、的基本技术 为了把语法信息(信号)转换人们能够理解的语义信息,须使用信号的比较、变换、处理和显示技术。 (1)比较用已知量和未知量比较。 (2)变换某些被测量不便于直接比较,无法直接观测而采用了变换。为了获得更高的识别分辨力和精度、更快的速度、更宽的量程而采用变换技术。 例如,雷达测量飞机的距离,采用了把距离变换成时间,通过直接测量电脉冲来回传输的时间来测得距离。 (3)信息处理泛指为了各种目的而对信息所进行的变换和加工。 (4)显示原理显示的基本功能是把人眼不可见的信息转化成为可见的信息,1.4.3 信息的识别(续),1.4.3 信息的识别(续),(1)人工处理方式 例:一个模拟式的交流电压
20、表的原理框图,它测量交流电压的有效值。 工作原理是被测交流电压经峰值检波器变换成直流电压(AC-DC电压变换),然后经直流电压放大(幅度变换)和电压转换为电流输出(电压-电流变换),去驱动电表指针偏转(电压-指针偏转换变换)。,1.4.3 信息的识别(续),(2)自动化方式,1.4.3 信息的识别(续),(3)智能化处理 机器智能人所赋予机器的一种智能。 智能包含信息、知识、策略和行为四个要素,具有获取有用信息、由信息生成知识(认识)、由知识和目的生成策略(决策)以及实施策略取得效果(施效)等四个方面的能力。,1.5 测量的间接比较与直接比较原理,测量最基本的原理是比较,比较是认识和区别被测对
21、象的一种重要方法。测量是通过比较来取得一个定量的认识 1.5.1 基于比例变换的间接比较法(偏转法) 1.比例变换的原理 (1)三种类型的子变换:,A,1.5.1 基于比例变换的间接比较法(续),例:弹簧秤是偏转法直读式仪器的一个简单例子。被测重物放在弹簧秤上,把物体的重量变成弹簧的弹性形变。然后,形变带动机械式仪表的指针成比例的偏转,指示出被测物体的重量。,直读式电压表,1.5.1 基于比例变换的间接比较法(续),(2)实现结构 由于 故: 式中,1.5.1 基于比例变换的间接比较法(续),(2)间接比较方法 : 步骤为校准 测量,1.5.2 基于差值示零的直接比较法,1.差值检测原理: 被
22、测量与标准量直接进行比较 需要一个具有比较功能的电路,要求比较的范围宽、灵敏度和分辨力高; 需要一个与被测量同类的可变标准量参与比较,要求标准量准确且可细微调节。 比较功能可由运算功能来实现 有两种方式: 差值运算比较 比例运算比较,1.5.2 基于差值示零的直接比较法,2. 差值示零的平衡调节 (1)零示法原理:,1.5.2 基于差值示零的直接比较法(续),(2)实现平衡调节的结构,当 则,1.5.2 基于差值示零的直接比较法(续),对称差动的桥式结构,当 时,,1.5.3 减少误差的复合式比较,为了提高测量准确度,在比较中可采用各种减小测量误差的方法,如微差法、替代法、对照法。 (1)微差
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