测量的基本原理课件.ppt

1、 主讲教师：温主讲教师：温 泉泉 博士博士 基基础础模拟与数字电路模拟与数字电路信号与系统信号与系统微机及接口微机及接口综综合合应应用用电子电子计算机计算机通信与控制通信与控制特特点点综合性强综合性强应用面广应用面广实践性突出实践性突出电子测量原理电子测量原理着重讨论测量技术与方法，误差分析和实际应用着重讨论测量技术与方法，误差分析和实际应用基于系统方框级基于系统方框级电子测量仪器电子测量仪器着重研究电子仪器及系统的设计与制造等工程实现技术着重研究电子仪器及系统的设计与制造等工程实现技术基于电路结构级基于电路结构级原理：基础原理：基础误差：提升误差：提升应用：归宿应用：归宿第第1章章 测量的基

2、本原理测量的基本原理现代信息科学技术的三大支柱现代信息科学技术的三大支柱信息获取技术信息获取技术测试技术测试技术信息传输技术信息传输技术通信技术通信技术信息处理技术信息处理技术计算机技术计算机技术没有获取到信息，传输就是无源之水，处理更是无没有获取到信息，传输就是无源之水，处理更是无本之木本之木科学是从测量开始的，科学是从测量开始的，没有测量就没有科学，没有测量就没有科学，至少没有精确的科学、真正的科学至少没有精确的科学、真正的科学 中国首个火星探测器荧火一号中国首个火星探测器荧火一号 计量测试技术落后，计量测试技术落后，国家的一切都要落后国家的一切都要落后测量的量值可表示为测量的量值可表示为

3、0 xxx量量：人们把事物（现象或状态、物体或物质等）可定性区别和定量确：人们把事物（现象或状态、物体或物质等）可定性区别和定量确定的属性，称之为（可测量的）量。定的属性，称之为（可测量的）量。量值量值：一般是由一个数值乘以测量单位所表示的特定量的大小，它是一个要一般是由一个数值乘以测量单位所表示的特定量的大小，它是一个要用数值和单位共同表示的量，即量值用数值和单位共同表示的量，即量值=数值数值 X 单位单位（量的）数值（量的）数值：它是在量值表示中用以单位相乘的数字。数值：它是在量值表示中用以单位相乘的数字。数值=量值量值/单位单位 （测量）单位（测量）单位：为了定量表示同种量的大小，人们共

4、同约定的一个特定参考量，为了定量表示同种量的大小，人们共同约定的一个特定参考量，它有名称、符号和定义，其数值为它有名称、符号和定义，其数值为1。“数值等于数值等于1的量的量”定义为单位定义为单位i被测量被测量：是指作为测量对象（测量客体）的特定量：是指作为测量对象（测量客体）的特定量测量结果：测量结果：是指通过测量所得到的赋予被测量的量值是指通过测量所得到的赋予被测量的量值图11 测量的比较原理(a)天平直接比较（b）弹簧称间接比较被测物体的重量等于标被测物体的重量等于标准砝码的重量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

5、先与标准量进行比较的结果上的刻度是事先与标准量进行比较的结果信息信息事物（系统）的运动状态及其变化方事物（系统）的运动状态及其变化方式式被测对象测量人员测试仪器系统信 息显 示感知和识别图图1-2 测量的基本原理图测量的基本原理图对对象象属属性性影影响响影影响响影影响响测测量量策策略略、算算法法数数据据状状态态参参数数命命令令被被测测信信息息原原理理方方法法被被测测对对象象仪仪器器系系统统测测量量人人员员测测量量环环境境激激励励信信号号选选择择仪仪器器决决定定方方法法图图1 1-3 3 测测量量的的基基本本要要素素执执行行测测量量操操作作测测试试数数据据处处理理测测量量结结果果显显示示结结 束

6、束设设置置仪仪器器工工作作参参数数实实施施阶阶段段被被测测对对象象设设计计阶阶段段测测量量任任务务要要求求组组建建测测量量系系统统需需 求求 分分 析析拟拟定定测测量量方方案案现现有有仪仪器器设设备备选选用用测测量量仪仪器器（测测试试硬硬件件平平台台）决决定定测测量量技技术术（测测试试软软件件平平台台）完完成成仪仪器器互互连连拟拟定定测测量量步步骤骤开开 始始论论证证阶阶段段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：I 组组：良好的环境条件良好的环境条件，温度+10+35oc，相对湿度80%(在35oc上)，只允许有轻微的振动。II 组组：一般的环境条件一般的

7、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 组组：恶劣的环境条件恶劣的环境条件，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 高精度计量用仪器高精度计量用仪器II 通用仪器通用仪器III 野外、机载等仪器野外、机载等仪器1.1.4 测试和检测测试和检测 定量定量 定性定性 定级定级测试测试:测量和试验的总称测量和试验的总称,它包含了测量和试验的全部内容它包含了测量和试验的全部内容,既包括定量的测量既包括定量的测量,也包含定性的试验也包含定性的试验 本书中本书中”测试测试”和和”测量测量”不

8、加区分而互相通用不加区分而互相通用 检测检测:包括检验和测量两方面的含义包括检验和测量两方面的含义测量发展的客观需要才出现了测量发展的客观需要才出现了计量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校必须定期对仪器进行检定和校准，这个过程就是计量准，这个过程就是计量u计量的任务是确定测量结计量的任务是确定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，

9、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u计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作，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各个方面起着技术保证和技术监督的作用量的名称量的名称单位名称单位名称单位符号单位符号长度长度米米m质量质量千克千克kg时间时间秒秒s电流电流安安培培A热力学温度热力学温度开开尔文尔文K物质的量物质的量摩摩尔尔mol发光强度发光强度坎坎德拉德拉cd 1948年 第9届国际计量大会 1960年 第11届国际

10、计量大会 1984年 国务院颁布中华人民共和国法定计量单位因数因数词头名称词头名称符号符号英文英文中文中文109giga吉吉G106Mega兆兆M103kilo千千K10-3milli毫毫m10-6micro微微u10-9nano纳纳n10-12pico皮皮p定义基本测量单位和制作体现其量值的标准器是两件有联系定义基本测量单位和制作体现其量值的标准器是两件有联系而又有区别的事，前者依据严格的科学理论，后者要靠先进而又有区别的事，前者依据严格的科学理论，后者要靠先进的制作技术。的制作技术。分级：分级：主标准（一级标准）主标准（一级标准）副标准（二级标准）副标准（二级标准）工作标准（三级标准）工作

11、标准（三级标准）我国通过与多个国家进行科技合作，成功研发出铯原子喷泉钟，我国通过与多个国家进行科技合作，成功研发出铯原子喷泉钟，使我国时间频率基准的精度从使我国时间频率基准的精度从3030万年不差万年不差1 1秒秒提高到提高到600600万年不差万年不差1 1秒秒，标志着我国时间频率基准研究进入世界先进行列标志着我国时间频率基准研究进入世界先进行列 2007-1-4 人民政协报人民政协报美国科罗拉多州博尔德的国家标准和美国科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所（技术研究所（NIST）1999年建成年建成 价值约为价值约为65万美元万美元，在在2000万年内万年内，它既不会少它既不会少1秒也不会

12、多秒也不会多1秒秒NIST F-1 原子钟原子钟 1915.8 2011.11Norman F.Ramsey1989年诺贝尔奖年诺贝尔奖米标准原器是米标准原器是19世纪前世纪前的国际标准器，现在的的国际标准器，现在的长度单位定义为长度单位定义为光用光用1/299 792 458秒在秒在真空中传播的长度真空中传播的长度中中国国计计量量院院中中国国测测试试院院国国家家标标物物中中心心授授权权基基准准实实验验室室大大区区国国家家计计量量中中心心省省级级计计量量所所市市（地地）计计量量所所分分站站县县（区区）计计量量所所工工矿矿企企业业、商商店店、研研究究院院所所、医医院院、学学校校等等国国防防计计量

13、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国家家标标准准级级级级级级工工作作标标准准自上而下逐级传递自上而下逐级传递 图图1-5 量值传递和溯源体系及计量技术机构示意图量值传递和溯源体系及计量技术机构示意图1.3 测量误差的基本概念测量误差的基本概念1.3.1 测量误差定义测量误差定义1.3.2 测量误差的来源测量误差的来源 仪器误差仪器误差 影响误差影响误差 方法误差方法误差 人身误差人身误差 测量对象变化误差测量对象变化误差1.3.3 测量误差的表示方法测量误差的表示方法 绝对误差绝对误差 相对误差相对误差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测

14、测量量客客体体客客体体信信息息比比较较标标准准处处理理显显示示规规范范化化信信号号语语法法信信息息量量化化信信息息可可见见信信息息信信息息识识别别语语义义信信息息处处理理语语用用信信息息测测量量人人员员目目标标信信息息激激励励传传感感语语法法信信息息变变换换信信号号信信息息感感知知图图 1-6 测量测量(信息获取信息获取)原理图原理图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）yx图图1-7 信息感知原理框图信息感知原理框图风力参数风力参数传感器传感器地震检波器地震检波器反射式光反射式光敏传感器敏传感器磁、气、力磁、气、力敏传感器

15、敏传感器超声超声传感器传感器检检 波波放放大大u显显 示示被被 测测 对对 象象测测 量量 人人 员员图图 1-8 交流电压表原理图交流电压表原理图温温度度压压力力流流量量转转速速水水位位传传感感器器1u1信信号号调调理理U1传传感感器器2u2信信号号调调理理U2传传感感器器3u3信信号号调调理理U3传传感感器器4u4信信号号调调理理U4传传感感器器5u5信信号号调调理理U5多多功功能能切切换换开开关关S/HA/D计计算算机机数数码码管管CRT显显示示打打印印机机绘绘图图仪仪输输出出设设备备数数字字I/OD/A模模拟拟信信号号输输出出图图1-9 数据采集系统原理图数据采集系统原理图目目的的知知

16、识识库库理理解解与与分分析析信信息息选选择择决决策策语语法法信信息息全全信信息息(3)智能化处理智能化处理机器智能机器智能人所赋予机器的一种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）等四个方面的略（决策）以及实施策略取得效果（施效）等四个方面的能力。能力。图图1-10 学习与决策环节的模型学习与决策环节的模型y1y2y电电量量变变换换（测测量量电电路路）信信宿宿点点非非电电逆

17、逆变变换换（显显示示器器）被被测测量量 x信信源源点点非非电电变变换换（传传感感器器）y1=f1(x)221()yf y 32()yf y 测量是通过比较来取得一个定量的认识测量是通过比较来取得一个定量的认识 A321()()yfff xf x图图1-11 偏转法偏转法(直读法直读法)测量原理测量原理直读式直读式电压表电压表 图图1-12 偏转法偏转法(间接法间接法)直读式弹簧称和直读式电压表直读式弹簧称和直读式电压表（a)测零点值（a)测零点值非电电变换非电电变换 K1主体主体电非电变换电非电变换 K3电电变换电电变换 K2传感器传感器变换电路变换电路显示器显示器（b)测标准量（b)测标准量

18、非电电变换非电电变换 K1主体主体电非电变换电非电变换 K3电电变换电电变换 K2传感器传感器变换电路变换电路显示器显示器（c)测未知量（c)测未知量非电电变换非电电变换 K1主体主体电非电变换电非电变换 K3电电变换电电变换 K2传感器传感器变换电路变换电路显示器显示器0 x0ysyxysx xxs图图1-14 间接比较法的过程间接比较法的过程xsy比较电路比较电路被测量被测量标准量标准量图图1-15 量值比较原理图量值比较原理图xs 图图1-16 直接比较直接比较(零示法零示法)原理图原理图K1K2减减法法比比较较或或比比例例比比较较K3变变换换变变换换变变换换指指示示器器 uxusy0

19、0 xs（a a)双双通通道道对对称称输输入入结结构构mu或 当当 则则skkx1212kk x s(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，12rxsr 12rr xs I/VAC/DC放放大大或或衰衰减减A/DBCD/七七段段码码数数码码显显示示i被测量被测量标准量标准量xs比比较较电电路路yyHyL0ysx（a a）比例臂电桥）比例臂电桥 （b b）有源电桥）有源电桥 （c c）电压电桥）电压电桥 （d d）电流电桥）电流电桥R-S 触触发发器器tAtBQS RtBtAT 模 拟 乘法器 积分器 开方器 放大器 2()u t 201()Tu t dtT 201()Tu t dtT Uo x 201()TUut dtT图图 1-31 动圈式仪表的分度盘示例和内部结构动圈式仪表的分度盘示例和内部结构(a)分度盘示例（直流电流表）分度盘示例（直流电流表）(b)动圈式仪表的结构动圈式仪表的结构