測量的基本原理課件

1、 基基礎(chǔ)礎(chǔ)模擬與數(shù)字電路模擬與數(shù)字電路信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)微機及接口微機及接口綜綜合合應(yīng)應(yīng)用用電子電子計算機計算機通信與控制通信與控制特特點點綜合性強綜合性強應(yīng)用面廣應(yīng)用面廣實踐性突出實踐性突出電子測量原理電子測量原理著重討論測量技術(shù)與方法，誤差分析和實際應(yīng)用著重討論測量技術(shù)與方法，誤差分析和實際應(yīng)用基于系統(tǒng)方框級基于系統(tǒng)方框級電子測量儀器電子測量儀器著重研究電子儀器及系統(tǒng)的設(shè)計與制造等工程實現(xiàn)技術(shù)著重研究電子儀器及系統(tǒng)的設(shè)計與制造等工程實現(xiàn)技術(shù)基于電路結(jié)構(gòu)級基于電路結(jié)構(gòu)級原理：基礎(chǔ)原理：基礎(chǔ)誤差：提升誤差：提升應(yīng)用：歸宿應(yīng)用：歸宿第第1章章 測量的基本原理測量的基本原理現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的三大

2、支柱現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)的三大支柱信息獲取技術(shù)信息獲取技術(shù)測試技術(shù)測試技術(shù)信息傳輸技術(shù)信息傳輸技術(shù)通信技術(shù)通信技術(shù)信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)計算機技術(shù)計算機技術(shù)沒有獲取到信息，傳輸就是無源之水，處理更是無沒有獲取到信息，傳輸就是無源之水，處理更是無本之木本之木科學(xué)是從測量開始的，科學(xué)是從測量開始的，沒有測量就沒有科學(xué)，沒有測量就沒有科學(xué)，至少沒有精確的科學(xué)、真正的科學(xué)至少沒有精確的科學(xué)、真正的科學(xué) 中國首個火星探測器熒火一號中國首個火星探測器熒火一號 計量測試技術(shù)落后，計量測試技術(shù)落后，國家的一切都要落后國家的一切都要落后測量的量值可表示為測量的量值可表示為0 xxx量量：人們把事物（現(xiàn)象或狀態(tài)、物

3、體或物質(zhì)等）可定性區(qū)別和定量確：人們把事物（現(xiàn)象或狀態(tài)、物體或物質(zhì)等）可定性區(qū)別和定量確定的屬性，稱之為（可測量的）量。定的屬性，稱之為（可測量的）量。量值量值：一般是由一個數(shù)值乘以測量單位所表示的特定量的大小，它是一個要一般是由一個數(shù)值乘以測量單位所表示的特定量的大小，它是一個要用數(shù)值和單位共同表示的量，即量值用數(shù)值和單位共同表示的量，即量值=數(shù)值數(shù)值 X 單位單位（量的）數(shù)值（量的）數(shù)值：它是在量值表示中用以單位相乘的數(shù)字。數(shù)值：它是在量值表示中用以單位相乘的數(shù)字。數(shù)值=量值量值/單位單位 （測量）單位（測量）單位：為了定量表示同種量的大小，人們共同約定的一個特定參考量，為了定量表示同種量

4、的大小，人們共同約定的一個特定參考量，它有名稱、符號和定義，其數(shù)值為它有名稱、符號和定義，其數(shù)值為1?！皵?shù)值等于數(shù)值等于1的量的量”定義為單位定義為單位i被測量被測量：是指作為測量對象（測量客體）的特定量：是指作為測量對象（測量客體）的特定量測量結(jié)果：測量結(jié)果：是指通過測量所得到的賦予被測量的量值是指通過測量所得到的賦予被測量的量值圖11 測量的比較原理(a) 天平直接比較（b）彈簧稱間接比較被測物體的重量等于標(biāo)被測物體的重量等于標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重量準(zhǔn)砝碼的重量被測物體的重量從度盤上讀數(shù)，因為，彈簧秤度盤被測物體的重量從度盤上讀數(shù)，因為，彈簧秤度盤上的刻度是事先與標(biāo)準(zhǔn)量進行比較的結(jié)果上的刻度是事先與

5、標(biāo)準(zhǔn)量進行比較的結(jié)果信息信息事物（系統(tǒng)）的運動狀態(tài)及其變化方事物（系統(tǒng)）的運動狀態(tài)及其變化方式式被測對象測量人員測試儀器系統(tǒng)信 息顯 示感知和識別圖圖1-2 測量的基本原理圖測量的基本原理圖對對象象屬屬性性影影響響影影響響影影響響測測量量策策略略、算算法法數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)狀狀態(tài)態(tài)參參數(shù)數(shù)命命令令被被測測信信息息原原理理方方法法被被測測對對象象儀儀器器系系統(tǒng)統(tǒng)測測量量人人員員測測量量環(huán)環(huán)境境激激勵勵信信號號選選擇擇儀儀器器決決定定方方法法圖圖1 1- -3 3 測測量量的的基基本本要要素素執(zhí)執(zhí)行行測測量量操操作作測測試試數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)處處理理測測量量結(jié)結(jié)果果顯顯示示結(jié)結(jié) 束束設(shè)設(shè)置置儀儀器器工工作作參參數(shù)數(shù)實

6、實施施階階段段被被測測對對象象設(shè)設(shè)計計階階段段測測量量任任務(wù)務(wù)要要求求組組建建測測量量系系統(tǒng)統(tǒng)需需 求求 分分 析析擬擬定定測測量量方方案案現(xiàn)現(xiàn)有有儀儀器器設(shè)設(shè)備備選選用用測測量量儀儀器器（測測試試硬硬件件平平臺臺）決決定定測測量量技技術(shù)術(shù)（測測試試軟軟件件平平臺臺）完完成成儀儀器器互互連連擬擬定定測測量量步步驟驟開開 始始論論證證階階段段儀器以工作環(huán)境條件的不同要求分為三組：儀器以工作環(huán)境條件的不同要求分為三組：I 組組： 良好的環(huán)境條件良好的環(huán)境條件，溫度+10+35oc，相對濕度80%(在35oc上)， 只允許有輕微的振動。II 組組：一般的環(huán)境條件一般的環(huán)境條件，溫度-10+40oc，

7、相對濕度80%(在40oc上)， 允許一般的振動和沖擊。III 組組：惡劣的環(huán)境條件惡劣的環(huán)境條件，溫度-40+55oc，相對濕度90%(在35oc上)， 允許頻繁的搬動和運輸中受到較大的沖擊和振動。I 高精度計量用儀器高精度計量用儀器II 通用儀器通用儀器III 野外、機載等儀器野外、機載等儀器1.1.4 測試和檢測測試和檢測 定量定量 定性定性 定級定級測試測試: 測量和試驗的總稱測量和試驗的總稱,它包含了測量和試驗的全部內(nèi)容它包含了測量和試驗的全部內(nèi)容,既包括定量的測量既包括定量的測量,也包含定性的試驗也包含定性的試驗 本書中本書中”測試測試”和和”測量測量”不加區(qū)分而互相通用不加區(qū)分而

8、互相通用 檢測檢測: 包括檢驗和測量兩方面的含義包括檢驗和測量兩方面的含義測量發(fā)展的客觀需要才出現(xiàn)了測量發(fā)展的客觀需要才出現(xiàn)了計量計量測量是計量應(yīng)用的重要途徑測量是計量應(yīng)用的重要途徑?jīng)]有測量，計量將失去價值沒有測量，計量將失去價值為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須定期對儀器進行檢定和校必須定期對儀器進行檢定和校準(zhǔn)，這個過程就是計量準(zhǔn)，這個過程就是計量u計量的任務(wù)是確定測量結(jié)計量的任務(wù)是確定測量結(jié)果的可靠性果的可靠性u計量是測量的基礎(chǔ)和依據(jù)計量是測量的基礎(chǔ)和依據(jù)u沒有計量，也談不上測量沒有計量，也談不上測量u計量和測量相互配合，才計量和測量相互配合，才能在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域發(fā)

9、揮能在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用重要作用u計量工作是國民經(jīng)濟中一項極為重要的技術(shù)基礎(chǔ)工作，計量工作是國民經(jīng)濟中一項極為重要的技術(shù)基礎(chǔ)工作，它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)、國防建設(shè)以及人民生活等它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)、國防建設(shè)以及人民生活等各個方面起著技術(shù)保證和技術(shù)監(jiān)督的作用各個方面起著技術(shù)保證和技術(shù)監(jiān)督的作用量的名稱量的名稱單位名稱單位名稱單位符號單位符號長度長度米米m質(zhì)量質(zhì)量千克千克kg時間時間秒秒s電流電流安安培培A熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度開開爾文爾文K物質(zhì)的量物質(zhì)的量摩摩爾爾mol發(fā)光強度發(fā)光強度坎坎德拉德拉cd 1948年 第9屆國際計量大會 1960年 第11屆國際計量大會 1984年 國

10、務(wù)院頒布中華人民共和國法定計量單位因數(shù)因數(shù)詞頭名稱詞頭名稱符號符號英文英文中文中文109giga吉吉G106Mega兆兆M103kilo千千K10-3milli毫毫m10-6micro微微u10-9nano納納n10-12pico皮皮p定義基本測量單位和制作體現(xiàn)其量值的標(biāo)準(zhǔn)器是兩件有聯(lián)系定義基本測量單位和制作體現(xiàn)其量值的標(biāo)準(zhǔn)器是兩件有聯(lián)系而又有區(qū)別的事，前者依據(jù)嚴(yán)格的科學(xué)理論，后者要靠先進而又有區(qū)別的事，前者依據(jù)嚴(yán)格的科學(xué)理論，后者要靠先進的制作技術(shù)。的制作技術(shù)。分級：分級：主標(biāo)準(zhǔn)（一級標(biāo)準(zhǔn)）主標(biāo)準(zhǔn)（一級標(biāo)準(zhǔn)）副標(biāo)準(zhǔn)（二級標(biāo)準(zhǔn)）副標(biāo)準(zhǔn)（二級標(biāo)準(zhǔn)）工作標(biāo)準(zhǔn)（三級標(biāo)準(zhǔn)）工作標(biāo)準(zhǔn)（三級標(biāo)準(zhǔn)）我國通過

11、與多個國家進行科技合作，成功研發(fā)出銫原子噴泉鐘，我國通過與多個國家進行科技合作，成功研發(fā)出銫原子噴泉鐘，使我國時間頻率基準(zhǔn)的精度從使我國時間頻率基準(zhǔn)的精度從3030萬年不差萬年不差1 1秒秒提高到提高到600600萬年不差萬年不差1 1秒秒，標(biāo)志著我國時間頻率基準(zhǔn)研究進入世界先進行列標(biāo)志著我國時間頻率基準(zhǔn)研究進入世界先進行列 2007-1-4 人民政協(xié)報人民政協(xié)報美國科羅拉多州博爾德的國家標(biāo)準(zhǔn)和美國科羅拉多州博爾德的國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（技術(shù)研究所（NIST）1999年建成年建成 價值約為價值約為65萬美元萬美元，在在2000萬年內(nèi)萬年內(nèi)，它既不會少它既不會少1秒也不會多秒也不會多1秒秒NIS

12、T F-1 原子鐘原子鐘 1915.8 2011. 11Norman F. Ramsey1989年諾貝爾獎年諾貝爾獎米標(biāo)準(zhǔn)原器是米標(biāo)準(zhǔn)原器是19世紀(jì)前世紀(jì)前的國際標(biāo)準(zhǔn)器，現(xiàn)在的的國際標(biāo)準(zhǔn)器，現(xiàn)在的長度單位定義為長度單位定義為光用光用1/299 792 458秒在秒在真空中傳播的長度真空中傳播的長度中中國國計計量量院院中中國國測測試試院院國國家家標(biāo)標(biāo)物物中中心心授授權(quán)權(quán)基基準(zhǔn)準(zhǔn)實實驗驗室室大大區(qū)區(qū)國國家家計計量量中中心心省省級級計計量量所所市市（地地）計計量量所所分分站站縣縣（區(qū)區(qū)）計計量量所所工工礦礦企企業(yè)業(yè)、商商店店、研研究究院院所所、醫(yī)醫(yī)院院、學(xué)學(xué)校校等等國國防防計計量量中中心心行行業(yè)業(yè)計

13、計量量中中心心國國家家專專業(yè)業(yè)計計量量站站國國家家標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)級級級級級級工工作作標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)自上而下逐級傳遞自上而下逐級傳遞 圖圖1-5 量值傳遞和溯源體系及計量技術(shù)機構(gòu)示意圖量值傳遞和溯源體系及計量技術(shù)機構(gòu)示意圖1.3 測量誤差的基本概念測量誤差的基本概念1.3.1 測量誤差定義測量誤差定義1.3.2 測量誤差的來源測量誤差的來源 儀器誤差儀器誤差 影響誤差影響誤差 方法誤差方法誤差 人身誤差人身誤差 測量對象變化誤差測量對象變化誤差1.3.3 測量誤差的表示方法測量誤差的表示方法 絕對誤差絕對誤差 相對誤差相對誤差全信息全信息語義信息語義信息語用信息語用信息語法信息語法信息測測量量客客體體客客體

14、體信信息息比比較較標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)處處理理顯顯示示規(guī)規(guī)范范化化信信號號語語法法信信息息量量化化信信息息可可見見信信息息信信息息識識別別語語義義信信息息處處理理語語用用信信息息測測量量人人員員目目標(biāo)標(biāo)信信息息激激勵勵傳傳感感語語法法信信息息變變換換信信號號信信息息感感知知圖圖 1-6 測量測量(信息獲取信息獲取)原理圖原理圖信信息息感感知知主主體體認(rèn)認(rèn)識識論論信信息息（語語法法信信息息）客客體體層層次次的的信信息息（信信號號）yx圖圖1-7 信息感知原理框圖信息感知原理框圖風(fēng)力參數(shù)風(fēng)力參數(shù)傳感器傳感器地震檢波器地震檢波器反射式光反射式光敏傳感器敏傳感器磁、氣、力磁、氣、力敏傳感器敏傳感器超聲超聲傳感器傳

15、感器檢檢 波波放放大大u顯顯 示示被被 測測 對對 象象測測 量量 人人 員員圖圖 1-8 交流電壓表原理圖交流電壓表原理圖溫溫度度壓壓力力流流量量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速水水位位傳傳感感器器1u1信信號號調(diào)調(diào)理理U1傳傳感感器器2u2信信號號調(diào)調(diào)理理U2傳傳感感器器3u3信信號號調(diào)調(diào)理理U3傳傳感感器器4u4信信號號調(diào)調(diào)理理U4傳傳感感器器5u5信信號號調(diào)調(diào)理理U5多多功功能能切切換換開開關(guān)關(guān)S/HA/D計計算算機機數(shù)數(shù)碼碼管管CRT顯顯示示打打印印機機繪繪圖圖儀儀輸輸出出設(shè)設(shè)備備數(shù)數(shù)字字I/OD/A模模擬擬信信號號輸輸出出圖圖1-9 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖目目的的知知識識庫庫理理解解與與分分

16、析析信信息息選選擇擇決決策策語語法法信信息息全全信信息息(3) 智能化處理智能化處理機器智能機器智能人所賦予機器的一種智能人所賦予機器的一種智能智能包含信息、知識、策略和行為四個要素，具有獲取有智能包含信息、知識、策略和行為四個要素，具有獲取有用信息、由信息生成知識（認(rèn)識）、由知識和目的生成策用信息、由信息生成知識（認(rèn)識）、由知識和目的生成策略（決策）以及實施策略取得效果（施效）等四個方面的略（決策）以及實施策略取得效果（施效）等四個方面的能力。能力。圖圖1-10 學(xué)習(xí)與決策環(huán)節(jié)的模型學(xué)習(xí)與決策環(huán)節(jié)的模型y1y2y電電量量變變換換（測測量量電電路路）信信宿宿點點非非電電逆逆變變換換（顯顯示示器

17、器）被被測測量量 x信信源源點點非非電電變變換換（傳傳感感器器）y1=f1(x)221( )yf y 32( )yf y A321 ( )( )yfff xf x圖圖1-11 偏轉(zhuǎn)法偏轉(zhuǎn)法(直讀法直讀法)測量原理測量原理直讀式直讀式電壓表電壓表 圖圖1-12 偏轉(zhuǎn)法偏轉(zhuǎn)法(間接法間接法) 直讀式彈簧稱和直讀式電壓表直讀式彈簧稱和直讀式電壓表（a) 測零點值（a) 測零點值非電電變換非電電變換 K1主體主體電非電變換電非電變換 K3電電變換電電變換 K2傳感器傳感器變換電路變換電路顯示器顯示器（b) 測標(biāo)準(zhǔn)量（b) 測標(biāo)準(zhǔn)量非電電變換非電電變換 K1主體主體電非電變換電非電變換 K3電電變換電電

18、變換 K2傳感器傳感器變換電路變換電路顯示器顯示器（c) 測未知量（c) 測未知量非電電變換非電電變換 K1主體主體電非電變換電非電變換 K3電電變換電電變換 K2傳感器傳感器變換電路變換電路顯示器顯示器0 x0ysyxysx xxs圖圖1-14 間接比較法的過程間接比較法的過程xsy比較電路比較電路被測量被測量標(biāo)準(zhǔn)量標(biāo)準(zhǔn)量圖圖1-15 量值比較原理圖量值比較原理圖xs 圖圖1-16 直接比較直接比較(零示法零示法)原理圖原理圖K1K2減減法法比比較較或或比比例例比比較較K3變變換換變變換換變變換換指指示示器器 uxusy0 0 xs（a a) ) 雙雙通通道道對對稱稱輸輸入入結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)mu或 當(dāng)當(dāng) 則則skkx1212kk x s (b) 對稱橋式結(jié)構(gòu)(b) 對稱橋式結(jié)構(gòu)s sx激勵源激勵源y=0y=02r1r當(dāng)當(dāng) 時，時， 12rxsr 12rr xs I/VAC/DC放放大大或或衰衰減減A/DBCD/七七段段碼碼數(shù)