第5章測試與計量方法

1、第第5 5章章 測試與計量方法測試與計量方法 測試與計量方法確定測試方案和完成儀器設(shè)計工作所必須具備的重要手段之一。 測量問題的一般解決方法： 1. 模擬法，數(shù)字法； 2. 直接解決，轉(zhuǎn)換解決(如常用的與傳感器相結(jié)合的測量方法)：一般信號電、聲、光信號； 3. 電量測量熱、長度及機(jī)械測量。測試計量方法的重要性： 1. 測試計量方法與生產(chǎn)效率、效益等具有不可分割的聯(lián)系。 2. 測量與計量儀器設(shè)計的三大基本要 素：物理原理、測量方法及工藝實現(xiàn)。 5 51 1 測試計量方法及其分類測試計量方法及其分類 “計量原理是計量方法的科學(xué)基礎(chǔ)”。例如： 溫度計量：熱電效應(yīng)； 電壓計量：約瑟夫森效應(yīng)； 速度計量

2、：多撲勒效應(yīng)： 長度計量：光干涉原理等。 構(gòu)成計量測試的重要基礎(chǔ)，在廣泛的范圍內(nèi)有重要的應(yīng)用。 Background knowledge: 什么是約瑟夫森效應(yīng)？什么是約瑟夫森效應(yīng)？ 超導(dǎo)電性的本質(zhì)究竟是什么？20世紀(jì)50年代獲得了突破性的進(jìn)展。美國物理學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗于1957年首先提出“BCS”理論的，理論核心是計算出導(dǎo)體中存在電子相互吸引從而形成一種共振態(tài)，即存在“電子對”。 1962年劍橋研究生約瑟夫森根據(jù)“BCS”理論預(yù)言，在薄絕緣層隔開的兩種超導(dǎo)材料之間有電流通過，即“電子對”能穿過薄絕緣層（隧道效應(yīng)）；同時還產(chǎn)生一些特殊的現(xiàn)象，如電流通過薄絕緣層無需加電壓，倘若加電壓，電流反

3、而停止而產(chǎn)生高頻振蕩。這一超導(dǎo)物理現(xiàn)象稱為“約瑟夫森效應(yīng)”, 在美國貝爾實驗室得到證實。 根據(jù)所加交流電頻率可得到非常準(zhǔn)確的物理常數(shù)。也可以利用該效應(yīng)，做出非常靈敏的超導(dǎo)量子干涉儀（Superconducting Quantum Interference Device，簡稱SQUID）來測量極微弱磁場。 “約瑟夫森效應(yīng)”有力的支持了“BCS理論”。因此。巴丁、庫珀、施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎。約瑟夫森則獲得1973年度諾貝爾物理獎。 實驗方案和儀器設(shè)計的一般要求： 1.充分考慮物理量自身的規(guī)律性特點； 2.具有提高測量精度，發(fā)現(xiàn)誤差因素的合理 方法。 測試計量方法的選擇要求： 1. 測量

4、精度； 2. 測量的量程范圍； 3. 測量的響應(yīng)時間； 4. 設(shè)計的方案或儀器造價等。 不同的測量方法產(chǎn)生不同的測量誤差。優(yōu)秀測量方法的特征是：從直接實驗精度并不一定很高的實驗結(jié)果中得到對被測量的高得多的測量精度。5 52 2 直接計量法和間接計量法直接計量法和間接計量法 一. 直接計量法不必對與被計量量有函數(shù)關(guān)系的其他量進(jìn)行計量，而能直接得到被計量量值。用公式表示如下： A=X 式中，A 被計量的量值； X 由實驗直接得出的結(jié)果。 這種測量方法的測量誤差為： A=X 注意注意：即使用傳感器線性地將被測量轉(zhuǎn)換成電量進(jìn)行測量，也應(yīng)理解為直接計量法。 由于實驗誤差被100地轉(zhuǎn)換為被測量的誤差，直接

5、測量法的測量精度常常有限。 直接計量法優(yōu)點： 1. 測量結(jié)果直接、方便； 2. 測試設(shè)備一般不復(fù)雜； 3. 大多數(shù)情況下其測量的范圍可以很寬； 4. 一般不存在時間響應(yīng)的問題。 直接計量法缺點： 1.測量精度比較有限。 例：用數(shù)字頻串計測量頻率。測試原理如下圖。 標(biāo)頻晶器產(chǎn)生頻率信號分頻后產(chǎn)生準(zhǔn)確的時基信號(如秒信號) 控制一個閘門。 被測信號經(jīng)過該閘門后，由計數(shù)器計數(shù)。放大整形放大整形主閥門主閥門計數(shù)顯示計數(shù)顯示控制電路控制電路恒溫晶振恒溫晶振時基分頻系統(tǒng)時基分頻系統(tǒng) 二. 間接計量法通過對與被計量量有函數(shù)關(guān)系的其他量的計量，以得到被計量量值。用公式表示： A=F(X1，X2，X3， ，Xn

6、) 式中，A 被計量量值； X1，X2，X3 ，Xn直接計量量的量值。 間接計量法可以獲得較高精度的測量結(jié)果，因此在高精度測試和計量中常被選用。 原因：測試結(jié)果的精度可以通過對相應(yīng)函數(shù)關(guān)系式的分析得到。 5 53 3 基本計量法和定義計量法基本計量法和定義計量法 基本計量法通過對一些有關(guān)基本量的計量，以確定被計量量值的計量方法。 亦稱其為“絕對計量法”。其實質(zhì)為間接計量法的一種。 定義計量法根據(jù)量的單位定義計量該量的方法。既適用于基本單位也適用于導(dǎo)出單位。 定義計量法可能有多種方案和不同準(zhǔn)確度。例如，按照新的米定義，可以用三種方法（時間法，頻率法和波長法），以及多種激光輻射來復(fù)現(xiàn)； 又如伏特基

7、準(zhǔn)，可以用飽和惠斯頓標(biāo)準(zhǔn)電池，也可以利用約瑟夫森效應(yīng)來復(fù)現(xiàn)。54 直接比較計量法和替代計量法直接比較計量法和替代計量法 一. 直接比較計量法 將被計量量直接與已知的同一種量相比較。 直接比較計量法兩個特點： 1. 相比較的兩個量必須是同一種量； 2. 計量時必須用比較式計量器具。 由于許多誤差分量在比較過程中與標(biāo)準(zhǔn)器同方向增減而相互抵消，從而能獲得較高計量準(zhǔn)確度。 二. 替代計量法用選定的且已知其值的同一種量替代被計量量并使作用于指示裝置的效應(yīng)相同的計量方法。 例如，在天平上用已知其質(zhì)量的砝碼替代被計量物體以求其質(zhì)量，由此可消除天平的難于計算的不等臂性誤差，從而提高計量測試精度。5 55 5

8、微差計量法和符合計量法微差計量法和符合計量法一. 微差計量法 微差計量法將被計量量與同它的量值只有微小差別的同一種已知量相比較，并計量出這兩個量值之差。 由于兩個相比較的量處于相同條件下，因此，各個影響量引起的誤差分量可自動作局部抵消或基本上全部抵消，從而提高了計量準(zhǔn)確度。 微差計量法的誤差來源： 1. 標(biāo)準(zhǔn)器本身的誤差； 2. 比較儀的示值誤差。 設(shè)被測量為X，和它相近的標(biāo)準(zhǔn)量為B，被測量與標(biāo)準(zhǔn)量之微差為A，A的數(shù)值可由指示儀表讀出，則 X=B+A 因為 又由于A B，所以A+BB ， 故測量誤差為：AAxABABxAxBxxAAxABBxx B/B 標(biāo)準(zhǔn)量的相對誤差，一般很??； (A/X)

9、(A/A) 指示儀表的相對誤差(A/A)與系數(shù)(A/X)的積。 由于相對微差(A/X) 1，因此指示儀表誤差對測量結(jié)果的影響被大大削弱，測量精度得以提高。二符合計量法二符合計量法 符合計量法用觀察某些標(biāo)記或信號相符合的方法，來計量出被計量值與作為比較標(biāo)準(zhǔn)用的同一種已知量值之間微小差值。 例如，用游標(biāo)卡尺計量零件尺寸就利用了符合計量法。 零示法是符合計量法的一個典型特例。 核心機(jī)理：被測量對指示器的作用 標(biāo)準(zhǔn)量對指示器的作用 零示法優(yōu)點：可消除指示器不準(zhǔn)所造成的系統(tǒng)誤差。 例如：電子/電磁測量中的各種電橋法。 用零示法測量未知電壓時，測量精度只取決于標(biāo)準(zhǔn)直流電壓的精度、檢流計的靈敏度以及電阻分壓

10、器的指示精度。G+Ux-RR1R2E+U-用零示法測量未知電壓的電路原理圖用零示法測量未知電壓的電路原理圖 5 56 6 補償計量法和調(diào)換（交換）計量法補償計量法和調(diào)換（交換）計量法 一. 補償計量法使一次計量中包含正向誤差，而在另一次計量中包含負(fù)向誤差，則計量結(jié)果中的大部分誤差能互相補償而抵消，又可稱為“正反向計量量法”。 例如，如在電學(xué)計量中，為消除熱電勢帶來的系統(tǒng)誤差，常常改變計量儀器的電流方向。用公式可表示為： I=(I+i)+(I-i)/2 二. 調(diào)換（交換）計量法其原理如下：先將被計量物體與已知量值A(chǔ)的同種物體進(jìn)行比較，使之平衡，建立平衡方程： AL1=XL2 (1) 然后，將被計

11、量物體放在這個已知量值的地方，再與B進(jìn)行比較，再次平衡后，建立平衡方程：。 XL1=BL2 (2) 從而求得被測量X為： (3) 這種方法專用于在天平上計量質(zhì)量，可以消除由于兩臂不等長所帶來的系統(tǒng)誤差。ABX 5 57 7 中介源測試計量法中介源測試計量法( (中介源法中介源法) )1概述 當(dāng)直接用標(biāo)準(zhǔn)量來測量被測量，或為提高測量精度及使測量在某些方面規(guī)范化有一定的困難時，可采用一個與兩比對量特性相同但在數(shù)值上有一定差別的中介量。通過用中介量作為橋梁與兩比對量分別比對，就可以得到被測量的值。 由于中介源對稱地作用于兩個測量通道，其自身所有噪聲等誤差常在最后測量結(jié)果中被全部或一部分抵消掉，對測量

12、結(jié)果的影響很小 。 中介源法適用的幾種場合： (1) 用高精度儀器檢測低精度儀器，又缺乏高精度標(biāo)準(zhǔn)源時，使用一般精度的源作為中介源，用兩臺儀器同時測量它就得到低精度儀器的誤差。高精度儀器高精度儀器低精度儀器低精度儀器中介源中介源 測量過程分析：測量過程分析： 設(shè)：高精度儀器讀數(shù)A1A0+Xc1； 低精度儀器的讀數(shù)A2A0+Xc2+X 。 其中，X 低精度儀器的誤差； Xc1，Xc2 中介源在兩臺儀器中引起的誤差； A0 在這種測量中可認(rèn)為是真值的高精度儀 器的測量讀數(shù)。 當(dāng)Xc1和Xc2相當(dāng)時，有： X=A2A1 當(dāng)Xc1A0時，被測儀器的相對誤差是1120AAAAX (2) 當(dāng)兩個具有相同標(biāo)

13、稱值的源進(jìn)行比對時，用中介源與兩個比對源分別產(chǎn)生的差值進(jìn)行比對，從而獲得較高精度的計量測試結(jié)果。 標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)準(zhǔn)源中介源中介源被測源被測源比對設(shè)備比對設(shè)備Ac1-A0Ac2-Ax=Ac2-A0-X結(jié)論：結(jié)論：凡借助于同類型的源作為中介實現(xiàn)兩比對信號或設(shè)備比對的方法都可稱做中介源法。5 58 8 靜態(tài)計量和動態(tài)計量靜態(tài)計量和動態(tài)計量靜態(tài)計量（靜態(tài)量計量）在計量期間其值可認(rèn)為是恒定量的計量；動態(tài)計量（動態(tài)量計量）量的瞬時值以及需要時它隨時間的變化量的確定。靜態(tài)量不隨時間而變的，其計量結(jié)果往往可以用計量器具的一個示值來表示；動態(tài)量在計量期間隨時間而變化，計量結(jié)果可用動態(tài)過程或動態(tài)曲線來表示，因此動態(tài)計量又可稱為過程計量。 例如，砝碼、量塊、標(biāo)準(zhǔn)電池、容量、硬度、光強(qiáng)等計量均屬于靜態(tài)計量，而管道中的壓力、溫度、流量以及振動、沖擊力等計量為動態(tài)計