电气与电子测量技术——测量基本概念 (2)精.ppt

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1、电气与电子测量技术测量基本概念(2)1第1页，本讲稿共48页 教材和参考书目教材和参考书目1 电气与电子测量技术电气与电子测量技术 自编教材自编教材 电子工业出版社电子工业出版社 2现代测试技术与系统设计现代测试技术与系统设计 申忠如申忠如 西安交大出版社西安交大出版社3 电气测试技术电气测试技术 第第3版版 林德杰林德杰 机械工业出版社机械工业出版社4 现代检测技术与测试系统设计现代检测技术与测试系统设计 刘君华刘君华 西安交大出版社西安交大出版社5 电气测量电气测量 陈立周陈立周 机械工业出版社机械工业出版社其他：传感器和电气测量的相关书籍其他：传感器和电气测量的相关书籍2第2页，本讲稿共

2、48页课程目标课程目标 通通过过本本课课程程的的学学习习，了了解解电电气气和和电电子子测测量量技技术术的的基基本本概概念念、测测量量系系统统的的构构成成和和分分析析方方法法，掌掌握握常常用用测测量量系系统统的的工工作作原原理理及及动动静静态态特特性性，学学会会根根据据实实际际要要求求选选用用传传感感器器和和调调理理电电路路，掌掌握握建建立立电电气气测测量量系系统统的的原原则则与与方方法，并对电气测量技术的发展趋势有所了解。法，并对电气测量技术的发展趋势有所了解。3第3页，本讲稿共48页课程主要内容（课程主要内容（7个部分个部分）一一 测量基础知识（第测量基础知识（第1章）章）二二 误差基本理论

3、（第误差基本理论（第2章）章）三三 常用的传感器（第常用的传感器（第3章）章）四四 测量系统中的调理电路测量系统中的调理电路（第（第4章）章）五五 电气测量技术电气测量技术(第第5章章)六六 干扰与抑制干扰与抑制(第第8章）章）七七 试验（虚拟仪器，传感器实验等）试验（虚拟仪器，传感器实验等）(第第7章）章）4第4页，本讲稿共48页课程基本情况课程基本情况课时：课时：共共34学时学时 课堂授课课堂授课 28学时学时 试验试验 6学时学时考核成绩：考核成绩：平时平时 10（作业，课堂提问，考勤）（作业，课堂提问，考勤）实验实验 20(3次实验次实验)考试考试 70 习题、试验内容：习题、试验内容

4、：ftp:/202.120.36.175：3000/电气与电子测量技术电气与电子测量技术用户名，密码：用户名，密码：cljs5第5页，本讲稿共48页绪绪 论论6第6页，本讲稿共48页绪绪 论论测量地位和作用测量地位和作用测量仪器发展历程测量仪器发展历程7第7页，本讲稿共48页测量的地位和作用测量的地位和作用8第8页，本讲稿共48页测量在科学研究中作用测量在科学研究中作用门捷列夫门捷列夫 (1834-1907)(1834-1907)科学始于测量科学始于测量,没有测没有测量，便没有精密的科学。量，便没有精密的科学。9第9页，本讲稿共48页 信息技术包括测量技信息技术包括测量技术、计算机技术和通信术

5、、计算机技术和通信技术，技术，测量技术是信息技测量技术是信息技术的关键和基础。术的关键和基础。钱学森钱学森(1911-2009)(1911-2009)测量在科学研究中作用测量在科学研究中作用10第10页，本讲稿共48页日常生活中处处离不开测量日常生活中处处离不开测量 家用电器家用电器数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦(红外测距红外测距)数字体温计：温度测量数字体温计：温度测量自动感应灯：亮度测量自动感应灯：亮度测量空调、冰箱、电饭煲：温度测量空调、冰箱、电饭煲：温度测量医疗卫生医疗卫生电子血压计：压力检测电子血压计：压力检测 普通轿车：约安装几十到近百只测量传感器普通

6、轿车：约安装几十到近百只测量传感器.豪华轿车：测量传感器数量可多达二百余只豪华轿车：测量传感器数量可多达二百余只.汽车汽车11第11页，本讲稿共48页n农业生产中，需要丈量土地、衡量谷物，农业生产中，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；就产生了长度、面积、容积和重量的测量；n中国：秦始皇，商鞅变法，统一度量衡中国：秦始皇，商鞅变法，统一度量衡n现代化的工业生产中处处需要测量现代化的工业生产中处处需要测量n一架飞机中：一架飞机中：30003000个测量传感器；个测量传感器；n一个大型石油化工厂：一个大型石油化工厂：60006000个测量传感器；个测量传感器；n一个大型钢

7、铁厂：一个大型钢铁厂：2000020000个测量传感器。个测量传感器。测量在工农业生产中的应用测量在工农业生产中的应用12第12页，本讲稿共48页测量在电力行业中的应用测量在电力行业中的应用电厂发电机组：电厂发电机组：检测参数：检测参数：电气量电气量-电压、电流、功率因数、电压、电流、功率因数、频率、谐波、相角等，频率、谐波、相角等，非电量发电机振动、温度、压力、非电量发电机振动、温度、压力、流量、液位、流量、液位、声音等声音等30005000个测量传感器个测量传感器电网运行：电网运行：成千上万个电气量测量传感器成千上万个电气量测量传感器13第13页，本讲稿共48页智能电网n传统电网升级换代传

8、统电网升级换代（安全、可靠、高效、大量接纳（安全、可靠、高效、大量接纳新能源、用户互动等）新能源、用户互动等）n欧洲和美国均提出各自发展智欧洲和美国均提出各自发展智能电网的目标和路线图能电网的目标和路线图n国家电网公司和南方电网公司国家电网公司和南方电网公司均提出了全面建设智能电网的均提出了全面建设智能电网的发展规划发展规划14第14页，本讲稿共48页智能电网目标nIBM：利用利用传感器传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控，把获得的数据通过网络系统进行收集、整合，通过对数据的时监控，把获得的数据通过网络系统进行收集、整

9、合，通过对数据的分析、挖掘，达到对电网运行的优化管理分析、挖掘，达到对电网运行的优化管理n埃森哲：利用利用传感传感、嵌入式处理器、数字通信等技术，使电网可观测（监测电、嵌入式处理器、数字通信等技术，使电网可观测（监测电网所有元件的状态网所有元件的状态)、可控制（控制电网所有元件的状态）、自动化、可控制（控制电网所有元件的状态）、自动化（可自适应并实现自愈）（可自适应并实现自愈）n我国国家电网公司我国国家电网公司 以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电 网为基础，将现代先进的网为基础，将现代先进的传感测量技术传感测量技术、通讯

10、技术、信息技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。15第15页，本讲稿共48页智能变压器16第16页，本讲稿共48页测量仪器的发展测量仪器的发展17第17页，本讲稿共48页 测量仪器发展至今大致可分为测量仪器发展至今大致可分为五个阶段五个阶段。n第一代第一代 模拟指针式仪表模拟指针式仪表（上世纪（上世纪50年代以前）年代以前）n基于电磁机械式机构，基于电磁机械式机构，测量结果是依靠指针显示测量结果是依靠指针显示测量仪器的发展历程测量仪器的发展历程18第18页，本讲稿共48页 n第二代第二代 分立电

11、子仪器分立电子仪器 （上世纪（上世纪5、60年代）年代）测量仪器的发展历程测量仪器的发展历程n以以电子管，晶体管电子管，晶体管为基础为基础n采用了电子测量技术测量模拟信号采用了电子测量技术测量模拟信号19第19页，本讲稿共48页测量仪器的发展历程测量仪器的发展历程n 一般采用中规模的集成电路一般采用中规模的集成电路n第三代第三代 数字式仪表数字式仪表（上世纪（上世纪70年代）年代）n将模拟信号转化为数字信号，以数字将模拟信号转化为数字信号，以数字形式输出与显示出结果形式输出与显示出结果20第20页，本讲稿共48页v第四代第四代 智能仪器智能仪器 （上世纪（上世纪80年代）年代）l内部有内部有微

12、处理器微处理器，可以进行自动测量和，可以进行自动测量和数据处理。数据处理。l采用大规模集成电路采用大规模集成电路l主要由主要由硬件硬件与与固化的软件固化的软件组成组成l主要问题是功能固定，应用不灵活主要问题是功能固定，应用不灵活测量仪器的发展历程测量仪器的发展历程21第21页，本讲稿共48页n第五代第五代 虚拟仪器虚拟仪器n以以计算机计算机技术为基础，是测量技技术为基础，是测量技术新的革命。术新的革命。n利用高性能的利用高性能的标准模块化硬件标准模块化硬件和高和高效灵活的效灵活的软件软件来完成各种测试和测来完成各种测试和测量的应用。量的应用。n软件是虚拟仪器的关键，软件是虚拟仪器的关键，“软件

13、即软件即仪器仪器”（不同的软件构成不同的仪器）（不同的软件构成不同的仪器）测量仪器的发展历程测量仪器的发展历程22第22页，本讲稿共48页第一章第一章 测量的基础知识测量的基础知识23第23页，本讲稿共48页第一章第一章 测量基础知识测量基础知识n测量的基本概念测量的基本概念n测量方法测量方法n现代测量系统的组成现代测量系统的组成n静态特性静态特性n动态特性动态特性24第24页，本讲稿共48页测量的基本概念测量的基本概念25第25页，本讲稿共48页测量概念和定义测量概念和定义n测测量量：人人们们借借助助专专门门的的设设备备，将将被被测测量量量量和和同同类类标标准准量量进进行行比比较，较，得到测

14、量结果的一个过程。得到测量结果的一个过程。26第26页，本讲稿共48页单位n有明确定义和名称并命其数值为有明确定义和名称并命其数值为1 1的固定量；的固定量；n单位量值大小是单位量值大小是约定或法定约定或法定的的英呎feetfeet1 米（米（1790年，法国政府规定：通过巴黎地球子午线长度的年，法国政府规定：通过巴黎地球子午线长度的4千万分子千万分子1）（1983年，国际计量大会：年，国际计量大会：光在真空中光在真空中1s时间内传播距离的时间内传播距离的1/299792485）27第27页，本讲稿共48页 由基本单位与导出单位共同组成的一个完整由基本单位与导出单位共同组成的一个完整的单位体系

15、。的单位体系。n 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过其组合定义其他所有物理量被称为“基本量基本量”。这些量的单位被称为。这些量的单位被称为“基本单位基本单位”。n 导出量与导出单位：导出量与导出单位：由基本量通过物理法则由基本量通过物理法则推导出的其他所有物理量被称为推导出的其他所有物理量被称为“导出量导出量”。导出量的单位被称为导出量的单位被称为“导出单位导出单位”。单位制单位制28第28页，本讲稿共48页国际单位制国际单位制(SI)长度长度 质量质量 时间时间 电流电流 热力学温度热力学温度 物质的量物质的量 光量

16、光量kg-千克标准原器千克标准原器(实物单位实物单位)m-光在真空中光在真空中1s时间内传播距离的时间内传播距离的1/299792485SI 基本单位基本单位：（m）（kg）（s）（A）（K）（mol）（cd）A-无限长导线恒定电流，每米长度相互作用力无限长导线恒定电流，每米长度相互作用力2x10-7NK-水三相点热力学温度水三相点热力学温度1/273.16mol-微观粒子的数量微观粒子的数量千克原器千克原器29第29页，本讲稿共48页SI导出单位30第30页，本讲稿共48页测量方法分类测量方法分类31第31页，本讲稿共48页测量方法分类按测量结果获得方法分为按测量结果获得方法分为:n 直接测

17、量直接测量n 间接测量间接测量n 组合测量组合测量32第32页，本讲稿共48页直接测量直接测量n 从测量仪表直接获取测量结果。从测量仪表直接获取测量结果。测量结果：测量结果：20.1 mm33第33页，本讲稿共48页直接测量按测量读数方式分为直接测量按测量读数方式分为n直读测量法直读测量法 从仪器（仪表）读数直接获取测量结果。从仪器（仪表）读数直接获取测量结果。特点：过程简单特点：过程简单 、迅速、直观、明了、迅速、直观、明了,一般来说准确度较低一般来说准确度较低。n比较测量法比较测量法 将被测量直接与标准量比较，根据比较结果获得测量值。将被测量直接与标准量比较，根据比较结果获得测量值。典型：

18、替代法，零位法，微差法。典型：替代法，零位法，微差法。特点：特点：n标准量直接参与，测量准确度高；标准量直接参与，测量准确度高；n测量设备较贵，过程复杂。测量设备较贵，过程复杂。34第34页，本讲稿共48页典型的比较测量方法替代法典型的比较测量方法替代法方法：方法：在相同条件下，将被测量与已知标准量先后置于同一测量装置中，在相同条件下，将被测量与已知标准量先后置于同一测量装置中，若先后两次测量装置都处于相同状态，可认为被测量等于已知量。若先后两次测量装置都处于相同状态，可认为被测量等于已知量。ERx+IARN特点：特点：n 不受测量系统内部结构误差的影响，可获得比较高的测量精度。不受测量系统内

19、部结构误差的影响，可获得比较高的测量精度。n 测量过程较复杂，花费时间较长。测量过程较复杂，花费时间较长。E+IA替代法测电阻替代法测电阻35第35页，本讲稿共48页典型的比较测量方法零位典型的比较测量方法零位(零值零值)法法方法：方法：利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，根利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值。据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值。特点：特点：n 测量过程比较复杂，在测量时，要进行平衡操作，花费时间长测量过程比较复杂，在测量时，要进行平衡操作，花费时间长天平测质量天平测质量36第36页，

20、本讲稿共48页典型的比较测量方法微差典型的比较测量方法微差(偏差偏差)法法方法：方法：被被测量测量值与标准量大体平衡，值与标准量大体平衡，将被测的未知量与已知的标将被测的未知量与已知的标准量进行比较，并准量进行比较，并取得被测量与标准量差值取得被测量与标准量差值。特点：特点：n测量精度高测量精度高n反应快，特别适用于在线控制参数的检测反应快，特别适用于在线控制参数的检测基准量：基准量：20.00 mm测量值：测量值：+0.08 mm结结 果：果：20.08 mm37第37页，本讲稿共48页间接测量间接测量如测导线的电阻率如测导线的电阻率（单位长度、单位截面的某种物质的电阻）单位长度、单位截面的

21、某种物质的电阻）：n 由仪表（仪器）读数按照一定的函数关系（公式）计算由仪表（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。获取测量结果的方法。特点：测量过程复杂、费时。特点：测量过程复杂、费时。38第38页，本讲稿共48页组合测量（联立测量）组合测量（联立测量）如测量热电阻温度系数如测量热电阻温度系数：在应用仪表进行测量时，若被测物理量必须经过在应用仪表进行测量时，若被测物理量必须经过求解联求解联立方程组立方程组，才能得到最后结果，则称这样的测量为组合测，才能得到最后结果，则称这样的测量为组合测量（联立测量）。量（联立测量）。Rt1R0（1At1Bt12）Rt2R0（1At2B

22、t22）参数参数A，BRtR0（1AtBt2）39第39页，本讲稿共48页注意注意1：同一物理量可以有不同的测量方法同一物理量可以有不同的测量方法如测电阻方法：如测电阻方法：万用表万用表(直接测量）直接测量）伏安法（伏安法（RU/I)（间接测量）（间接测量）注意注意2：间接测量误差由多个测量量合成。间接测量误差由多个测量量合成。40第40页，本讲稿共48页时时域域测测量量：（瞬瞬态态测测量量）以以时时间间为为主主要要研研究究对对象象，主主要要测测量量被被测量随时间的变化的规律。测量随时间的变化的规律。例：用示波器测量脉冲信号的上升沿、下降沿、脉宽等。例：用示波器测量脉冲信号的上升沿、下降沿、脉

23、宽等。频频域域测测量量：（稳稳态态测测量量）以以频频率率为为主主要要研研究究对对象象，主主要要测测量被测量随频率的变化的规律。量被测量随频率的变化的规律。例：频谱分析仪测量信号的频谱。例：频谱分析仪测量信号的频谱。数数据据域域测测量量：（逻逻辑辑量量测测量量）以以数数字字电电路路的的逻逻辑辑状状态态为为主主要要研究对象。研究对象。例：逻辑分析仪测量数字电路的逻辑状态、时序等。例：逻辑分析仪测量数字电路的逻辑状态、时序等。根据测量性质分类根据测量性质分类41第41页，本讲稿共48页 接触式测量接触式测量与与非接触式测量非接触式测量；根据是否与被测介质接触分类根据是否与被测介质接触分类红外测温红外

24、测温接触式测温接触式测温42第42页，本讲稿共48页 静态测量静态测量与与 动态测量动态测量根据被测量变化快慢分类根据被测量变化快慢分类电压波动电压波动手持式电压表手持式电压表43第43页，本讲稿共48页n在线测量在线测量与与离线测量离线测量根据测量对象是否工作分类根据测量对象是否工作分类电力变压器在线监测系统电力变压器在线监测系统（测量油中气体和微水含量）（测量油中气体和微水含量）电力变压器油气相色谱仪电力变压器油气相色谱仪44第44页，本讲稿共48页现代电气测量系统的基本组成现代电气测量系统的基本组成第45页，本讲稿共48页现代电气测量系统的组成现代电气测量系统的组成第46页，本讲稿共48

25、页平台结构一平台结构一以单片机（或专用芯片以单片机（或专用芯片,如如DSP）为核心的单机系统。）为核心的单机系统。第47页，本讲稿共48页平台结构二平台结构二以以PC为核心的应用扩展电气测量系统为核心的应用扩展电气测量系统 传感器传感器1 1信号调理信号调理数数据据采采集集卡卡计计算算机机显示显示处理处理通信通信控制控制被测量被测量X X1 1传感器传感器2 2信号调理信号调理被测量被测量X X2 2传感器传感器n n信号调理信号调理被测量被测量X Xn n被测量被测量X X电气参量电气参量非电气参量非电气参量开关量开关量获取信号获取信号信号变换信号变换预滤波预滤波A/DA/D转换转换多路转换多路转换信号分析、信号分析、处理处理现代测量系统方框图现代测量系统方框图48第48页，本讲稿共48页