第1章 测量技术基础.ppt

第第1章章 测量技术基础知识测量技术基础知识课程基本情况课程基本情况本章主要内容：本章主要内容：1.测量单位及单位制；测量单位及单位制；2.测量和计量的区别；测量和计量的区别；3.计量器具的基本概念及主要特征；计量器具的基本概念及主要特征；4.电学和磁学量具；电学和磁学量具；1.1 测量与测量方法分类测量与测量方法分类1.测量的概念测量的概念（1）定义：定义：测量是被测量与同类标准量比较的一个实验过程。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标准量进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。（2）测量结果表示：测量结果表示：测量结果测量结果 测量数值测量数值 测量单位，测量单位，即：即：（1）按测量结果的获得方式分为按测量结果的获得方式分为直接测量:从仪表（仪器）的读数直接获取测量结果的方法。特点：测量过程简单、迅速。间接测量：由仪表（仪器）读数，按照一定的函数关系（公式）计算获取测量结果的方法。特点：测量过程复杂、费时。组合测量：在测量两个或两个以上相关的未知数时，改变测量条件而获得一组方程组，求取测量结果的方法。2.测量方法分类测量方法分类1.1 测量与测量方法分类测量与测量方法分类2.按测量读数的获得方式分为按测量读数的获得方式分为直读测量法：从仪器（仪表）直接获取读数。特点：过程简单，一般来说准确度较低。比较测量法：把被测量与同类的标准量进行比较，根据比较的结果推算（计算）出读数。典型的比较测量法：差值(微差)法、零值法、替代法。特点：标准量直接参与，测量准确度高；测量设备较贵，过程复杂。1.1 测量与测量方法分类测量与测量方法分类3.按测量性质分为按测量性质分为时域测量：（瞬态测量）以时间为主要研究对象，主要测量被测量随时间的变化的规律。例：脉冲信号的上升沿、下降沿、脉宽等的测量。频域测量：（稳态测量）以频率为主要研究对象，主要测量被测量随频率的变化的规律。例：信号频谱的测量等。数据域测量：（逻辑量测量）以数字电路的逻辑状态为主要研究对象。例：测量数字电路的逻辑状态、时序等。1.1 测量与测量方法分类测量与测量方法分类1.2 测量单位及单位制测量单位及单位制1.单位：单位：有明确定义和名称并命其数值为1的固定量；2.单位制单位制：由基本单位与导出单位共同组成的一个完整的单位体系3.国际单位制国际单位制u 基本量与基本单位：基本量与基本单位：少数相互独立的并可通过其组合定义其他所有物理量被称为“基本量”。这些量的单位被称为“基本单位”。u 导出量与导出单位：导出量与导出单位：由基本量通过定义推导出的其他所有物理量被称为“导出量”。导出量的单位被称为“导出单位”。国际单位制基本单位国际单位制基本单位 SI 导出单位导出单位SI SI 辅助单位辅助单位 SISI词头词头4.我国的法定计量单位我国的法定计量单位 国务院于国务院于1984年年2月月27日发布命令，明确规日发布命令，明确规定我国的法定计量单位包括：定我国的法定计量单位包括：1)国际单位制单位；2)国家选定的非国际单位制单位；3)以上单位构成的组合形式的单位。国家选定的非国际单位制单位1.3 计量器具计量器具1.3.1 计量器具的基本概念计量器具的基本概念 1.量具的概念：量具的概念：以固定形式复现量值的计量器具。作用：维持单位统一，保证量值准确地传递。2.量具的分类：量具的分类：（1）按形式分：单值量具、多值量具、成套量具（2）按自身准确度高低：基准、标准、工作量具计量计量器具器具计量仪器计量仪器计量量具计量量具计量物质计量物质计量装置计量装置计量工作的物质基础计量工作的物质基础1.3.2 基准和标准基准和标准1.基准基准 用现代科学技术水平所能达到的最高准确度来复现和保存计量单位的计量器具。只用于鉴定各种量具的准确度，不直接参加测量.。(1)一一级级基基准准，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)二二级级基基准准，又称副基准.基准的量值准确度由主基准确定，代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对。(3)三三级级基基准准，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准确度。2.标准标准u 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，简称标准。u 计量标准的准确度等级在工作基准之下，工作计 量器具之上。u 按准确度高低又分为一级标准、二级标准和三级 标准。u 通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检 定，确定其量值的准确度大小。1.3.3 测量基准的权威性和相对性测量基准的权威性和相对性1.基准的权威性基准的权威性u基准的理论定义最严格的、制作工艺技术最先进。u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。u从现代科学的观点来看，最好的基准是自然基准。自然基准是根据物质粒子运动的恒定性、通过原原子子常常数数的的测测定定而建立起来的基准。目前实现电学自然基准的途径为：根据交流约瑟夫逊效应建立电压基准；根据质子回旋磁比p建立电流基准；根据克里青效应建立欧姆基准。2.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。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。1.3.4 测量标准的传递测量标准的传递自上而下逐级传递自上而下逐级传递 1.4 电学量具电学量具1.标准电池：标准电池：温温度度特特性性是是标标准准电电池池的的最最主主要要的的特特性性。标标准准电电池池的的等等级级是是按按年年电电动动势变化率势变化率划分的划分的。标准电池的主要技术指标标准电池的主要技术指标 等等级级指数指数2020 C C电动势检电动势检定定值值/V/V一年期一年期间电动势间电动势允允许变许变化范化范围围/V V内阻内阻值值/从从到到新生新生产产使用中使用中0 0.00020002级级1.01859001.01859001.01868001.01868002 27007000 0.00050005级级1.01859001.01859001.01868001.01868005 57007000 0.001001级级1.0185901.0185901.0186801.0186801010700700150015000 0.005005级级1.018551.018551.018681.018685050700700200020000 0.005005级级（不（不饱饱和）和）1.018801.018801.019301.0193050505005000 0.0101级级1.018551.018551.018681.01868100100700700300030000 0.0101级级（不（不饱饱和）和）1.018801.018801.019301.01930100100500500300030000 0.0202级级（不（不饱饱和）和）10.18610.18610.19610.196200200500500300030001.4 电学量具电学量具标准电池使用时应注意：标准电池使用时应注意：使用和存放的温度应符合有关要求；使用和存放的温度应符合有关要求；通入或流出的电流不得大于各级标准电通入或流出的电流不得大于各级标准电池规定的数值；池规定的数值；极性不能接反；极性不能接反；不能用普通的电压表或万用表测量标准不能用普通的电压表或万用表测量标准电池的电动势；电池的电动势；1.4 电学量具电学量具2.基准电压源基准电压源u基准电压源最重要的性能是其准确性和稳定性；准确性一般通过激光校准工艺保证其允许误差（“时漂”）；稳定度即随时间和温度的变化维持基准电压稳定的能力（“温 漂”）。u目前广泛应用的基准电压源有齐纳二极管和集成电压基准。1.4 电学量具电学量具3.标准电阻：标准电阻：u 制作材料：制作材料：锰铜电阻丝锰铜电阻丝，是一种铜、锰、镍的合金材料，具有以下特点：，是一种铜、锰、镍的合金材料，具有以下特点：在工作温度下，电阻温度系数小；在工作温度下，电阻温度系数小；与铜的接触电势小；与铜的接触电势小；有很高的电阻系数；有很高的电阻系数；年稳定性好；年稳定性好；有较好的机械加工性能有较好的机械加工性能。u 四端接线法四端接线法 1.4 电学量具电学量具u 标准电阻使用时应注意：标准电阻使用时应注意：不允许超过规定的额定功率；不允许超过规定的额定功率；环境温度不允许超过规定的界限，也不允许剧烈波动；环境温度不允许超过规定的界限，也不允许剧烈波动；在一定频率下使用；在一定频率下使用；铭牌上给定的是环境温度为铭牌上给定的是环境温度为2020 C C时的电阻值，若在其它温度时的电阻值，若在其它温度下使用，标准电阻的阻值需要按相关公式计算下使用，标准电阻的阻值需要按相关公式计算 。1.4 电学量具电学量具4.标准电感：标准电感：通常是由通常是由绝缘铜导线在大理石或陶瓷框架上绝缘铜导线在大理石或陶瓷框架上绕制而成。绕制而成。标准电感有自感和互感两种，在电磁测标准电感有自感和互感两种，在电磁测量中，作为电感的标准量具，也常在材料磁特性测量量中，作为电感的标准量具，也常在材料磁特性测量中作为磁通的标准量具。中作为磁通的标准量具。标准电感使用时应注意：标准电感使用时应注意：不能超过标准电感的额定电流；不能超过标准电感的额定电流；在规定的频率范围内使用；在规定的频率范围内使用；标准电感附近不能有铁磁物质和干扰磁场。标准电感附近不能有铁磁物质和干扰磁场。1.4 电学量具电学量具5.标准电容：标准电容：标准电容包括标准空气电容器和标准云母电容器。标准电容包括标准空气电容器和标准云母电容器。三个端钮A、B、P。P为屏蔽端钮，和金属屏蔽罩连接。使用时通常使P的电位为零或固定某一数值上，这样A、B两端对屏蔽层的分布电容CAP、CBP和P端对地的分布电容CP0均为固定值，在测量中可设法消除它们的影响。1.4 电学量具电学量具1.5 磁学量具磁量具分类：磁通量具、磁感应强度量具、磁距量具。磁性材料的标准试样也是磁量具，它有一定的磁性能并有确定的精度。磁感应强度或磁场强度量具有永久磁铁和通电线圈两种形式。用永久磁铁或电磁铁作为磁感应量具，一般都由质子核磁共振仪来校准磁感应强度B0的量值，其误差为0001%001%。亥姆霍兹线圈是弱磁场量具基准，一般在110-8110-3T范围内。单层绕组的亥姆霍兹线圈其场强的计算与实际场强的误差为0001%。1.5 磁学量具1.标准磁体YCB标准磁体采用高性能的永磁材料制造，这些高品质的产品具有长期的稳定性，标准磁体可以稳定的使用在0-70之间，温度系数为-0.03%/，因为温度系数为负数，所以当温度上升的时候，磁场强度下降。标准磁体的外壳采用高磁导率的材料制成，它能有效的防护外界磁场的干扰影响，同时屏蔽了标准磁场对外界的磁场干扰影响。该产品可提供的标准磁体从1000高斯到20，000高斯，标准磁体的均匀性优于0.5%。YCB标准磁体适用于数字特斯拉计（高斯计）探头的单点校准，随时监测数字特斯拉计（高斯计）的工作状态是否正常，携带方便，使用简单。1.5 磁学量具2.标准线圈亥母霍兹线圈（亥母霍兹线圈（Helmholtz）用两个半径和匝数完全相同的线圈，将其同轴排列并令间距等于半径，这种线圈组合称为Helmholtz线圈。用它可以产生极微弱的磁场直至数百Gs的磁场。我公司专业设计和制作Helmholtz线圈，可根据用户提出的磁场强度，磁场均匀区及均匀度等级要求提出设计方案，可进行多维空间的设计，构思严谨计算精确，制作考就，已为大专院校，计量研究单位使用。磁场强度：当电流1A时，30G/25G/15G;磁场均匀性：0.5%在线圈一定的空间内。1.5 磁学量具3.磁通标准伏秒定标器磁通的量纲是伏特*秒，即电压与时间的乘积。也就是说可用电压脉冲对时间的积分等价“磁通”。“伏秒”定标器是一种对磁通计、电子积分器进行定标的精密校正器。作为定标器的本身校准问题也只是需要精密地测量时间及电压,因此在一般的实验室里就有条件能很好地完成对“伏秒”定标器的校准。所以它将在磁测领域中得到广泛的应用。1.5 磁学量具伏秒发生器产品举例：CB4伏秒发生器用来校准磁通量，可作为实验室校准设备。全集成化，校准速度快，操作方便。