第1章 测量的基础知识(1)教学课件 高教版 中职工程测试与信息处理（第2版）.ppt

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1、学习要求1.测量的基本方法及分类测量的基本方法及分类;2.标准量及其传递方法标准量及其传递方法;3.非电量电测系统的组成非电量电测系统的组成;4.测量具有普遍科学意义的条件。测量具有普遍科学意义的条件。1.1 测量的基本方法测量的基本方法 测测量量的的最最基基本本形形式式是是比比较较，即即将将待待测测的的未未知知量量和和预预定定的的标标准准作作比比较较。由由测测量量所所得得到到的的被被测测对对象象的的量量值值表表示示为为数数值值和和计计量量单单位位的的乘乘积积。测测量量可可分分为为直直接接测测量量、间间接接测测量量、组组合合测量及软测量。测量及软测量。1.1 测量的基本方法测量的基本方法(续续

2、)1.1.1 1.1.1 直接测量直接测量1 1、定义：无需经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到、定义：无需经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到 被测量值的测量为直接测量。被测量值的测量为直接测量。2 2、分类：可分为两种：、分类：可分为两种：直接比较直接比较和和间接比较间接比较。直接比较直接比较 1 1）定义：直接把被测物理量和标准作比）定义：直接把被测物理量和标准作比 较的测量方法称为直接比较。较的测量方法称为直接比较。2 2）举例）举例 用米尺测量物体长度用米尺测量物体长度 测量导体的电阻测量导体的电阻1.1 测量的基本方法测量的基本方法(续续)间接比较间接比较 1 1）定义）定

3、义 利用仪器仪表利用仪器仪表统称之为测量系统统称之为测量系统把原始形态的待测把原始形态的待测物理量的变化变换成与之保持已知函数关系的另一种物理量的物理量的变化变换成与之保持已知函数关系的另一种物理量的变化，并以人的感官所能接受的形式，在测量系统的输出端显变化，并以人的感官所能接受的形式，在测量系统的输出端显示出来。示出来。2 2）举例）举例水银温度计测体温水银温度计测体温弹簧测力弹簧测力 1.1 测量的基本方法测量的基本方法(续续)1.1.2 1.1.2 间接测量间接测量1 1）定义：）定义：间接测量是在直接测量的基础上，根据已知的间接测量是在直接测量的基础上，根据已知的函数关系，计算出所要测

4、量的物理量的大小。函数关系，计算出所要测量的物理量的大小。2 2）特点）特点 被测物理量不能用现有仪表直接测量得到，需被测物理量不能用现有仪表直接测量得到，需通过数学关系计算得到。通过数学关系计算得到。如：在如：在 中，欲测量中，欲测量y,y,首先测量首先测量x x1 1,x x2 2,x x3 3,才能得到才能得到举例举例用线圈靶测弹丸速度用线圈靶测弹丸速度 一般，尽可能地不采用间接测量，因为它的准确度往往不如直接测量高，但是，有时所要测的物理量本身就是根据数学关系定义的，没有比较的标准可供使用（如冲量、马赫数等），或者没有能够探测所要测量的物理量的仪器，在这些场合，就不得不采用间接测量了。

5、1.1 测量的基本方法测量的基本方法(续续)1.1.3 1.1.3 组合测量组合测量1 1）定义）定义 将直接测量值或间接测量值与被测量值之间按已知关系组合将直接测量值或间接测量值与被测量值之间按已知关系组合成一组方程（函数关系），通过解方程组得到被测值的方法。成一组方程（函数关系），通过解方程组得到被测值的方法。2 2）特点）特点 组合测量实质是间接测量的推广，其目的就是在不提高计组合测量实质是间接测量的推广，其目的就是在不提高计量仪器准确度的情况下，提高被测量值的准确度。量仪器准确度的情况下，提高被测量值的准确度。举例分别对线段和10倍的线段进行直接测量。测得结果分别为，即有可得 ，明显比

6、 直接测量具有更高的测量精度。1.1测量的基本方法测量的基本方法(续续)1.4.1 软测量1）定义 软测量技术（Soft Sensor Technology）就是利用易测过程变量与难以直接测量的待测过程变量之间的数学关系，通过数学计算和方法估计，在测定易测量的基础上实现对待测过程变量的测量。1.1 测量的基本方法测量的基本方法(续续)2 2）特点）特点 软测量技术出现在近年来的过程控制及检测领域，软测量技术出现在近年来的过程控制及检测领域，其实质也是基于间接测量的思想。软测量是在成熟的其实质也是基于间接测量的思想。软测量是在成熟的硬件基础上，以计算机技术为核心，通过模型运算处硬件基础上，以计算

7、机技术为核心，通过模型运算处理而完成的，以软测量技术为基础的软仪表，具有通理而完成的，以软测量技术为基础的软仪表，具有通用性好、灵活性强、适用范围宽等优点。软测量技术用性好、灵活性强、适用范围宽等优点。软测量技术的关键是建立表征辅助变量（易测过程变量）与主导的关键是建立表征辅助变量（易测过程变量）与主导变量（难以直接测量的待测过程变量）之间数学关系变量（难以直接测量的待测过程变量）之间数学关系的软测量模型。按建立软测量的数学模型的方法不同的软测量模型。按建立软测量的数学模型的方法不同可将软测量技术分为：机理建模、回归分析、状态估可将软测量技术分为：机理建模、回归分析、状态估计和辨识、模式识别、

8、人工神经网络、模糊数学、相计和辨识、模式识别、人工神经网络、模糊数学、相关分析、过程层析成像、非线性处理技术等。关分析、过程层析成像、非线性处理技术等。1.1 测量的基本方法测量的基本方法(续续)3)3)应用应用 如对于辅助变量较少的情况，常采用多元线如对于辅助变量较少的情况，常采用多元线性回归中的逐步回归技术可获得较好的软测量数性回归中的逐步回归技术可获得较好的软测量数学模型。对于辅助变量较多的情况，通常要借助学模型。对于辅助变量较多的情况，通常要借助机理分析，首先获得模型各变量组合的大致框架，机理分析，首先获得模型各变量组合的大致框架，然后再采用逐步回归方法获得软测量模型等方法。然后再采用

9、逐步回归方法获得软测量模型等方法。1.2 标准量及其传递标准量及其传递 为使测量结果具有普遍的科学意义，为使测量结果具有普遍的科学意义，测量必须具备以下两个条件：首先用作测量必须具备以下两个条件：首先用作比较的标准必须是精确已知的，得到公比较的标准必须是精确已知的，得到公认的；其次，进行比较的测量系统必须认的；其次，进行比较的测量系统必须工作稳定，经得起检验。工作稳定，经得起检验。1.2.1 SI的构成 为了求得国际上的统一，国际计量会议建立了统一的“国际单位制”（International System of Unit）,简称SI制。SI由SI单位和SI 单位的倍数单位构成。SI单位是国际单

10、位制中由基本单位和导出单位构成一贯单位制的那些单位，SI导出单位又包括SI辅助单位在内的具有专门名称的SI导出单位和具有组合形式的导出单位。为表述方便，SI规定了七个基本单位。SI导出单位是用基本单位以代数形式表示的单位。其中采用基本单位的乘除运算符号来表示的单位称为组合单位。如速度的SI单位为 。在SI的导出单位中，规定了具有国际计量大会通过的专门名称和符号，如能量的单位通常用焦耳（J）来代替牛顿米（）。用SI基本单位和具有专门名称的SI导出单位和SI辅助单位以代数形式表示的单位称为组合形式的SI导出单位。SI单位的倍数单位包括SI单位的十进制倍数和分数单位，如 称为兆（M）。SI单位的倍数

11、单位不能单独使用。1.2.2 SI基本单位 国际单位规定七个基本单位：米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉、摩尔。米 长度单位，单位符号为m。1884年曾规定1米等于保存在巴黎国际标准计量局内的铂铱合金棒上两根细线在0时的距离。1960年第十一次国际计量会议重新规定，1米等于真空中氪-86（Kr-86）在2p10和5d5能级间跃迁时辐射的桔红光的波长的1,650,763.73倍。1983年新基准定义1米是光在真空中（1/299,792,458）s时间内运动的距离。规定英制长度单位和SI制长度单位之间的换算关系为 1英寸=2.54厘米 （1-1）千克（公斤）质量单位，单位符号为kg。1889年规定

12、以保存在巴黎国际标准计量局内的高度和直径均为39mm的铂铱合金圆柱体-国际公斤原器为质量标准。质量标准可保持（12）的准确度。规定英制质量单位与SI制质量单位之间的换算关系为 1磅=453.59237克 （1-2）秒 时间单位，单位符号为s。规定以英国格林威治1899年12月31日正午算起的回归年的1/31,556,925.9747为1秒。但该标准的建立需要依靠天文观测，使用起来不方便，1967年第十三次国际计量会议上规定1秒为铯-133（Cs-133）原子基态的两个超精细能级之间跃迁所产生的辐射周期的9,192,631,770倍的持续时间。该标准的准确度可达3 。安培 电流强度单位，单位符号

13、为A。真空中两根相距1米的无限长的圆截面极小的平行直导线内通以恒定的电流，使这两根导线之间每米长度产生的力等于210-7牛顿，这个恒定电流就是1安培。它由电流天平（安培天平）来实现。开尔文 热力学温度单位，单位符号为K。是水的三相点（即水的固、液、气三相共存的温度）的热力学温度的1/273.15。热力学温标是建立在热力学第二定律的基础上的，它和工作介质的性质无关，因此是一种理想的温标。热力学温标因绝对零度无法达到而难以实现，故又规定用国际温标来复制温度基准。国际温标由基准点、基准温度计和补插公式三部分组成。它选择一些纯净物质和平衡态温度作为温标的基准点，1968年国际温标共规定了十一个基准点，

14、然后又规定了在不同温度区间中使用的基准温度计和插值公式。例如，在冰点（0）和锑点（630.5）之间，采用纯铂电阻温度计为基准温度计，在这个温度区间内各中间点的温度，用纯铂电阻温度计按下式计算：Rt=R0(1+At+Bt2)(1-3)式(1-3)中，R0、A和B三个常数，通过冰点（0）、汽点（100）、硫点（444.600）来测定。摄氏温标是工程上通用的温标。摄氏温度和国际温标间的换算关系为 （）(1-4)（K）(1-5)式（1-4）、式（1-5）中，t为摄氏温度，T为国际温标。坎德拉 发光强度单位，单位符号为cd。规定1坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出为的频率5401012Hz

15、的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为（1/683）W/sr。摩尔 物质量的单位，单位符号为mol。规定构成物质系统的结构粒子数目和0.012kg 碳12中的原子数目相等时，这个系统的物质的量为1摩尔。使用这个单位时，应指明结构粒子，它们可是原子、分子、离子、电子、光子及其他粒子，或是这些粒子的特定组合。在国际单位制中，其它物理量的单位可通过与基本单位相联系的物理关系来定。例如，速度单位用物理方程 来定义，若长度l和时间t的单位分别为米和秒，并令k=1，得速度单位（ms-1）。1977年5月17日，国务院发布中华人民共和国计量管理条例规定：“国家基准计量仪器是实现全国量值统一的基本依据，由中华人

16、民共和国标准计量局(简称国家计量局)根据生产建设的需要组织研究和建立，经国家鉴定合格后使用”。1984年2月27日国务院又发布了统一实行法定计量单位的命令，进一步统一我国的计量单位，颁布了中华人民共和国计量单位。1993年12月27日国家技术监督局参照先进的国际单位制，结合我国的实际情况发布了新的国家标准GB3100GB310293量和单位。为适应全国各地区、各部门生产建设和科学研究的需要，除国家标准计量局管理的国家计量基准器外，还要根据不同等级的准确度建立各级计量标准器及日常使用的工作标准器。例如温度测量，除国家标准计量局遵照国际温标规定，建立一套温度基准（包括基准温度计和定点分度装置）作为

17、全国温度最高标准外，还设立了一级和二级标准温度计，逐级比较检定，把量值传递到工作温度计，使全国温度计示值都一致，以得到统一的温度测量。对于各个导出单位，我国也建立了相应的测量标准，如力的标准、加速度标准等。这些量的标准制定和建立及量值的传递，是进行准确测量的基础，对实际测量具有重大意义。1.3 非电量电测系统的组成非电量电测系统的组成 现代测量技术的一个显著特点是采用非电量的电测法。现代测量技术的一个显著特点是采用非电量的电测法。即首先将输入物理量转换成电量，然后再进行必要的调节、即首先将输入物理量转换成电量，然后再进行必要的调节、转换、运算，最后以适当的形式输出。这一转换过程决定转换、运算，

18、最后以适当的形式输出。这一转换过程决定了测量系统的组成。只有对测试系统有一个完整的了解，了测量系统的组成。只有对测试系统有一个完整的了解，才能按照实际需要设计或搭配出一个有效的测试系统，以才能按照实际需要设计或搭配出一个有效的测试系统，以解决实际测试课题。另一个特点是采用计算机作为测量系解决实际测试课题。另一个特点是采用计算机作为测量系统的核心器件，具有数据处理，信号分析及显示功能。统的核心器件，具有数据处理，信号分析及显示功能。按照信号传递方式来分，常用的测试系统可分为模拟按照信号传递方式来分，常用的测试系统可分为模拟式测试系统和数字式测试系统。式测试系统和数字式测试系统。如图如图1-1所示

19、，一个完整的测试系统包括以下几部分：所示，一个完整的测试系统包括以下几部分：传感器、信号变换与测量电路、显示与记录器及数据处理传感器、信号变换与测量电路、显示与记录器及数据处理器、打印机等外围设备。此外还有传感器标定设备、电源器、打印机等外围设备。此外还有传感器标定设备、电源和校准设备等都是附属部分，不属于测试系统主体范围内，和校准设备等都是附属部分，不属于测试系统主体范围内，数据处理器与打印机也按具体情况的需要而添置。数据处理器与打印机也按具体情况的需要而添置。指示仪器记录仪器数据处理仪器打印机传感器测量电路电量被测非电量电量图1-1测试系统的组成现对上述各组成部分扼要介绍如下：1）传感器传

20、感器是整个测试系统实现测试与自动控制（包括遥感、遥测和遥控）的首要关键环节，它的作用是将被测非电量转换成便于放大、记录的电量。在工业生产的自控过程中，几乎全靠各种传感器对瞬息变化的众多参数信息进行准确、可靠、及时的采集（捕获），以达到对生产过程按预定工艺要求进行随时监控，使设备和生产系统处于最佳的正常运转状态，从而保证生产的高效率和高质量。因此，在国内外人们对传感器的重要作用已有充分认识，投入了大量的人力与物力从事研究与开发性能优良、测试原理新颖的传感器。敏感元件非电量电量传感元件被测传感器是整个测试系统中采集信息的首要环节，所以有时称传感器为测试系统的一次仪表，其余部分为二次仪表或三次仪表。

21、作为一次仪表的传感器往往又由两个基本环节组成，如图1-2所示。敏感元件非电量电量传感元件被测非电量图1-2 传感器的组成敏感元件（或称预变换器，也统称弹性敏感元件）非电量到电量的变换时，有时需利用弹性敏感元件，先将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量（例如应变或位移），然后再利用传感元件，将这种非电量变换成电量。弹性敏感元件是传感器的心脏部分，在电测技术中占有极为重要的地位。它常由金属或非金属材料做成，当承受外力作用时，它会产生弹性变形；当去除外力后，弹性变形消失并能完全恢复其原来的尺寸和形状。传感元件 凡是能将感受到的非电量（如力、压力、温度梯度等）直接变换为电量的器件称为传感元

22、件（或称变换元件）。例如应变计、压电晶体、压磁式器件、光电元件及热电偶等。传感元件是利用各种物理效应或化学效应等原理制成的。因此，新的物理或化学效应被发现并应用到测试技术中，则将使传感元件的品种日趋丰富，性能更加优良。但应指出，并不是所有的传感器都包括敏感元件和传感元件两部分。有时在机电量变换过程中，不需要进行预变换这一步，例如热敏电阻、光电器件等。另外一些传感器，敏感元件与传感元件合二为一，如固态压阻式压力传感器等。2）中间变换与测量电路中间变换与测量电路依测量任务的不同而有很大的伸缩性。在简单的测量中可完全省略，将传感器的输出直接进行显示或记录。在一般的测量中信号的转换（放大、调制解调、滤

23、波等）是不可缺少的，可能包括多台仪器。复杂的测量往往借助于计算机进行数据处理。如果是远距离测量，则数据传输系统是不可少的。3）显示与记录仪器显示与记录仪器的作用是把中间变换与测量电路送来的电压或电流信号不失真地显示和记录出来。若按记录方式分，可分为模拟式记录器和数字式记录器两大类。模拟式记录器记录的是一条或一组曲线。它们有：自动平衡式记录仪、笔录仪、XY记录仪、模拟数据磁带记录器、电子示波器照相系统、机械扫描示波器、记忆示波器以及带有扫描变换器（ScanConuerter）的波形记录器等。数字式记录器记录的是一组数字或代码。它们有：穿孔机、数字打印机、瞬态波形记录器等。此外，数据处理器、打印机

24、、绘图仪是上述测试系统的延伸部分。它能对测试系统输出的信号作进一步处理，以便使所需的信号更为明确化。在实际的测量工作中，测量系统的构成是多种多样的。它可能只包括一、二种测量仪器，也可能包括多种测量仪器，而且测量仪器本身也可能相当复杂。可以将微型计算机直接用于测量系统中，也可以在测量现场先将测量信号记录下来，再用计算机进行分析处理。测试系统也可分为模拟测试系统和数字测试系统。在模拟测试系统中，如图1-3所示。传感器中间处理器指示或记录装置被测量压力p滤波器压力计积分电路放大器示波器图1-3模拟测试系统组成被测量（如动态压力、位移及加速度等）都是随时间连续变化的量，经测试系统变换后输出的一般仍是连

25、续变化的电压或电流，能直观地反映出被测量的大小和极性。这种随时间而连续变化的量统称为模拟量。模拟测试系统的优点是价格低、直观性强、灵活而简易；缺点是精度较低。在如图1-4所示的数字式测试系统中，其工作信号的变化，在时间上是不连续的，是发生在一系列离散的瞬间；另一特点是信号数值的大小和增减变化都是采用数字的形式。这种系统的优点是能够排除人为读数误差，所以读数精确，并可与数字电子计算机直接联机，实现数据处理自动化。模拟测试系统测得的模拟信号经模（A）/数（D）转换器变换为相应的数字信号后，既可直接输出显示，也可与数字记录器或数字电子计算机联机，对输出信号作进一步处理。数字电子计算机打印机绘图仪磁带

26、机 压力p传感器 中间处理器图1-4数字测试系统组成 压力p传感器 中间处理器 压力p传感器 中间处理器若要以最佳方案完成测试任务，就应该对传感器、信号变换与调理电路以及显示与记录器（有时还包括数据处理器、打印机等外围设备）的整套测试系统作全面、综合考虑。例如，若要测量一个快速变化的瞬态压力，若压力变化时间只有几个ms或几十个s时，则整套测试系统必须有足够的动态响应，才能保持足够的测试精度。当选用传感器时，要尽量提高传感器的固有频率，但这样做会降低传感器的灵敏度，这时就需要考虑配用高增益、性能稳定、具有足够频宽的放大器。宁可不追求高灵敏度的传感器而首先保证整个测试系统具有足够的工作频带的方法，应该说是合理的。1-11-1欲使测量系统具有普遍科学意义的条欲使测量系统具有普遍科学意义的条件是什么件是什么？1-21-2举例说明直接测量和间接测量的主要举例说明直接测量和间接测量的主要区别是什么区别是什么？1-31-3一般测量系统应分为哪几个环节，分一般测量系统应分为哪几个环节，分别说明其作用。别说明其作用。1-41-4非电量电测法的基本思想是什么？非电量电测法的基本思想是什么？习题习题