電工與電子技術(shù)電子商務(wù)電子課件第一章 測(cè)量與測(cè)量系統(tǒng)ppt

1、電子課件第一章 測(cè)量與測(cè)量系統(tǒng)電氣與電子測(cè)量技術(shù)羅利文 lwluo電氣與電子測(cè)量技術(shù) 之 緒論課程目標(biāo)1. 養(yǎng)成誠(chéng)信、守時(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)求真的學(xué)習(xí)態(tài)度2. 掌握現(xiàn)代電氣測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成和基本特性，熟悉典型的電氣測(cè)量傳感器、互感器、調(diào)理電路和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器件的原理和特征。3. 具備設(shè)計(jì)和開發(fā)精密復(fù)雜的電氣測(cè)量裝置的能力4. 能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)手段和信息技術(shù)資源對(duì)復(fù)雜的電氣測(cè)量問題進(jìn)行分析和研究5. 通過團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作去解決復(fù)雜的電氣測(cè)量問題6. 具有終身學(xué)習(xí)的意識(shí)和自主學(xué)習(xí)的能力線上資源中國(guó)大學(xué)MOOC課程網(wǎng)站/course/SJTU-1003452005 課上互動(dòng)，課下發(fā)帖按時(shí)提交作業(yè)和測(cè)驗(yàn)T

2、his slide is static and does not animate.課前預(yù)習(xí)課程視頻和課件MOOC平臺(tái)：注冊(cè)個(gè)人信息：學(xué)校：上海交通大學(xué)昵稱：SJTU+學(xué)號(hào)+姓名： 例如：SJTU12345678張三郵箱：一定要注冊(cè)最常使用的郵箱，MOOC通知會(huì)發(fā)到這個(gè)郵箱。例如作業(yè)/考試的截止提交時(shí)間。完成注冊(cè)后，搜索上海交通大學(xué)電氣與電子測(cè)量技術(shù)MOOC，參加本課程的學(xué)習(xí)。參與中國(guó)大學(xué)MOOC線上教學(xué)成績(jī)構(gòu)成：線下期末考試：50%MOOC成績(jī)：30%（作業(yè)20%，互動(dòng)討論20%，考試60%）實(shí)驗(yàn)：20%日常生活中離不開測(cè)量構(gòu)思和設(shè)計(jì)了LIGO，從而證實(shí)了愛因斯坦1916年在廣義相對(duì)論中預(yù)言的

3、引力波的存在引力波與LIGO兩座LIGO天文臺(tái)2015年9月14日首次測(cè)量到的13億年前的一個(gè)雙黑洞碰撞合并事件發(fā)出的引力波GW150914圖片來(lái)自LIGO：以地球?yàn)樽烂娴募す飧缮鎯x當(dāng)引力波穿過地球時(shí)，地球附近的空間會(huì)隨著引力波的變化產(chǎn)生壓縮或拉伸，但這種變化非常微弱。如果兩個(gè)10倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞合并，發(fā)出的引力波只能使LIGO 4km的長(zhǎng)臂產(chǎn)生10-18m的變化。雙縫干涉實(shí)驗(yàn)Event Horizontal Telescope與黑洞照片從2017年4月5日起，天文學(xué)家動(dòng)用了遍布全球的9個(gè)毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，組成了一個(gè)“事件視覺望遠(yuǎn)鏡”。這9座射電望遠(yuǎn)鏡連續(xù)進(jìn)行了5天的聯(lián)合觀測(cè)，隨后又經(jīng)

4、過2年的數(shù)據(jù)分析才一睹黑洞M87*的真容。銀河系的中心黑洞M87*距離地球5500萬(wàn)光年電力工業(yè)中的測(cè)量發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集正泰數(shù)字化變電站的全域感知配電柜用電端的電能計(jì)量電氣測(cè)量技術(shù)已貫穿于發(fā)電、輸電、配電和用電的每一個(gè)環(huán)節(jié)。電力系統(tǒng)有功、無(wú)功調(diào)節(jié)、繼電保護(hù)、電能計(jì)量、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)都是建立在準(zhǔn)確可靠的測(cè)量基礎(chǔ)上，正因?yàn)槿绱?，電氣測(cè)量課程一直以來(lái)都是電氣工程類專業(yè)本科生的專業(yè)核心課程。常見的電氣測(cè)量的物理量常規(guī)的測(cè)量：溫度，力，位移和速度（振動(dòng)）高電壓和大電流的測(cè)量電磁式互感器電子式互感器功率的測(cè)量有功；無(wú)功涉及的物理現(xiàn)象：熱電效應(yīng)壓電效應(yīng)光電效應(yīng)霍爾效應(yīng) 測(cè)量?jī)x器的發(fā)展歷程 測(cè)量?jī)x器發(fā)展至今，

5、大致可分為五個(gè)階段第一代 模擬指針式儀表（上世紀(jì)50年代以前）基于電磁機(jī)械式機(jī)構(gòu)，測(cè)量結(jié)果是依靠偏轉(zhuǎn)指針顯示第二代 分立電子儀器（上世紀(jì)5、60年代）以電子管，晶體管為基礎(chǔ)采用了電子測(cè)量技術(shù)測(cè)量模擬信號(hào)第三代 數(shù)字式儀表（上世紀(jì)70年代）第四代 智能儀器（上世紀(jì)80年代）第五代 虛擬儀器以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用標(biāo)準(zhǔn)模塊化硬件和軟件來(lái)完成各種測(cè)量軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵， “軟件即儀器”內(nèi)部有微處理器和固化的軟件采用大規(guī)模集成電路功能固定，應(yīng)用不靈活將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以數(shù)字形式輸出與顯示出結(jié)果一般采用中規(guī)模集成電路測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)智能化虛擬化（VI）網(wǎng)絡(luò)化（Lot）微型化和集成化（MEMS

6、）軟測(cè)量技術(shù)電氣與電子測(cè)量技術(shù)第一章 測(cè)量及測(cè)量系統(tǒng)第一章 測(cè)量及測(cè)量系統(tǒng)1測(cè)量及測(cè)量方法2現(xiàn)代電氣測(cè)量系統(tǒng)的基本組成 3測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性4測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性5電氣測(cè)量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)1測(cè)量及測(cè)量方法2現(xiàn)代電氣測(cè)量系統(tǒng)的基本組成 3測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性4測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性5電氣測(cè)量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)量的定義人們借助測(cè)量?jī)x器，以某種特定的方法將被測(cè)量和參考基準(zhǔn)相比較，從而得到量化結(jié)果的實(shí)驗(yàn)過程 什么是測(cè)量？測(cè)量對(duì)象測(cè)量方法測(cè)量?jī)x器測(cè)量結(jié)果的正確表示：測(cè)量結(jié)果估計(jì)值不確定度 單位 ( P=95%)在多次重復(fù)測(cè)量中，估計(jì)值常常用平均值表示；不確定度與置信概率P有關(guān)測(cè)量結(jié)果中的單位建議

7、使用國(guó)際單位制SI三要素國(guó)際單位制的7個(gè)基本單位長(zhǎng)度：米 m時(shí)間：秒 S質(zhì)量：千克 kg電流：安培 A 溫度：開爾文 K物質(zhì)的量：摩爾 mol發(fā)光強(qiáng)度：坎德拉 cd若干導(dǎo)出單位例如：伏特，特斯拉，歐姆，法拉，庫(kù)倫，赫茲，牛頓，瓦特，焦耳，帕斯卡，韋伯，弧度等國(guó)際單位制SI2018 年11 月16 日，第26 屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過了關(guān)于修訂國(guó)際單位制( SI) 的1號(hào)決議，對(duì)SI的7個(gè)基本單位全部改為由物理常量定義。銫-133 原子不受干擾的基態(tài)的超精細(xì)躍遷頻率(Cs) =9 192 631 770 Hz；真空光速度c =299 792 458 m/s；普朗克常數(shù)h =6.626 070 1510

8、34 Js；基本電荷e =1.602 176 63410 19 C；玻耳茲曼常數(shù)k =1.380 64910 23 J /K；阿伏加德羅常數(shù)NA=6 02214076 10 23 mol -1頻率為5401012 Hz 的單色輻射的光視效能 Kcd=683 lm/W。國(guó)際單位制SI基本單位的新定義（2019年5月20日實(shí)施）基本單位定義定義轉(zhuǎn)換式秒（s）當(dāng)銫頻率( Cs) ，也就是銫-133 原子不受干擾的基態(tài)超精細(xì)躍遷頻率以單位Hz 即s1 表示時(shí)，將其固定數(shù)值取為9192631770來(lái)定義秒。1s= 9192631770/( Cs)米（m）當(dāng)真空中光速c 以單位m/s 表示時(shí)，將其固定數(shù)值

9、取為299 792 458 來(lái)定義米，其中秒用( Cs) 定義。1米是1/299792458秒的時(shí)間間隔內(nèi)光在真空中行程的長(zhǎng)度千克（kg）當(dāng)普朗克常數(shù)h 以單位Js 即kgm2s-1表示時(shí)，將其固定數(shù)值取為6.626 070151034 來(lái)定義千克，其中米和秒用c和( Cs) 定義。1kg = (h/6.626070151034 )m2s = 1.475 5211040h( Cs) /c安培（A）電流單位A。當(dāng)基本電荷e 以單位C 即As 表示時(shí)，將其固定數(shù)值取為1.6021766341019來(lái)定義安培，其中秒用( Cs) 定義。開爾文（K）當(dāng)玻耳茲曼常數(shù)k 以單位JK-1 即kgm2s-2K

10、-1表示時(shí)，將其固定數(shù)值取為1.380 64910-23 來(lái)定義開爾文，其中千克、米和秒用h、c 和( Cs) 定義。1K = ( 1380649 10-23 /k) kgm2s-2= 2.266665( Cs) h /k摩爾（mol）1 摩爾精確包含6.022140761023 個(gè)基本單元。該數(shù)稱為阿伏加德羅數(shù)，為以單位mol-1表示的阿伏加德羅常數(shù)NA的固定數(shù)值。1mol = 6.022140761023 /NA坎德拉（cd）當(dāng)頻率為5401012 Hz 的單色輻射的光視效能Kcd以單位lmW-1即cdsrW-1或cdsrkg-1m-2s3表示時(shí)，將其固定數(shù)值取為683 來(lái)定義坎德拉，其中

11、千克、米、秒分別用h、c 和( Cs) 定義。1cd = ( Kcd /683) kgm2s-3sr-1= 2.614 8301010( Cs) 2h Kcd 基本功能給出測(cè)量示值提供參考基準(zhǔn)與被測(cè)量相比較模擬儀表：用標(biāo)準(zhǔn)量標(biāo)定過的刻度數(shù)字儀表：最常見的參考基準(zhǔn)測(cè)量電壓電流：參考電壓測(cè)量電阻：標(biāo)準(zhǔn)電阻測(cè)量電容：標(biāo)準(zhǔn)電容測(cè)量要素之測(cè)量?jī)x器 基本要求準(zhǔn)確：誤差小精密：不確定度?。ǚ稚⑿孕。┛煽浚嚎傻染戎貜?fù)靈敏： 例如LIGO需要檢測(cè)出4km激光臂發(fā)生了10-18m量級(jí)的應(yīng)變（質(zhì)量直徑的千分之一）參考基準(zhǔn)的準(zhǔn)確程度直接決定測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度的上限！AD623是一款儀表放大器（差分放大器的一種）AD77

12、76是一款A(yù)DC思考題：Q1：理解直接測(cè)量的本質(zhì)是什么？Q2: 理解測(cè)量?jī)x器必須具備的的基本功能？數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)舉例測(cè)量系統(tǒng)的模擬前端AFE（Analog Frontier End）測(cè)量要素之測(cè)量方法按測(cè)量結(jié)果的獲得方式直接測(cè)量間接測(cè)量按被測(cè)量所處狀態(tài)穩(wěn)態(tài)測(cè)量暫態(tài)測(cè)量按設(shè)備在線與否在線測(cè)量離線測(cè)量測(cè)量方法的選取原則：科學(xué)，合理，方便測(cè)量方法的分類：沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以得到不同的分類結(jié)果還可以有更多最期待以中國(guó)人名字命名的測(cè)量方法被寫進(jìn)教科書！按測(cè)量結(jié)果的獲得方式分類 直接測(cè)量直接讀取測(cè)量結(jié)果測(cè)量過程簡(jiǎn)單、快速 間接測(cè)量按照一定的函數(shù)關(guān)系計(jì)算獲取測(cè)量結(jié)果的方法適用于被測(cè)量量

13、無(wú)法或不便直接測(cè)量的情形利用伏安法測(cè)量燈泡的電阻和功率按被測(cè)量所處狀態(tài)穩(wěn)態(tài)測(cè)量被測(cè)量處于穩(wěn)態(tài)過程考察儀表的靜態(tài)特性例：用數(shù)字式萬(wàn)用表測(cè)量電阻的阻值、交流電源的電壓等。暫態(tài)測(cè)量被測(cè)量處于暫態(tài)過程考察儀表的動(dòng)態(tài)特性例：用示波器測(cè)量沖擊雷電波，故障錄波等在線測(cè)量與離線測(cè)量電力變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（測(cè)量油中氣體和微水含量）電力變壓器油氣相色譜儀Q： 在線測(cè)量or離線測(cè)量？用數(shù)字式萬(wàn)用表或精密RLC電橋去測(cè)量電阻、電容或電感接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量接觸式測(cè)溫紅外測(cè)溫測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)1測(cè)量及測(cè)量方法2現(xiàn)代電氣測(cè)量系統(tǒng)的基本組成 3測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性4測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性5電氣測(cè)量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)現(xiàn)代數(shù)字化測(cè)量系

14、統(tǒng)的基本組成傳感器 G1(s)信號(hào)調(diào)理G2(s)模數(shù)轉(zhuǎn)化G3(s)計(jì)算機(jī)G4(s)顯示結(jié)果系統(tǒng)性能與每個(gè)環(huán)節(jié)有關(guān)系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)：G(S)=G1(S) G2(S) G3(S) G4(S)系統(tǒng)可以包括所有環(huán)節(jié)，也可以只是其中一個(gè)環(huán)節(jié)測(cè)量系統(tǒng)的特性參數(shù)：(JJF 1001-2011通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)與定義中共列出32項(xiàng))線性度、靈敏度、分辨力、準(zhǔn)確度等級(jí)、測(cè)量不確定度、零點(diǎn)、響應(yīng)時(shí)間、量程、測(cè)量范圍、動(dòng)態(tài)范圍、最大允許誤差、引用誤差A(yù)DI電能計(jì)量AFE芯片ADE9000信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集DSP傳感器顯示結(jié)果電流互感器羅氏線圈測(cè)量電能質(zhì)量分析測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)1測(cè)量及測(cè)量方法2現(xiàn)代電氣測(cè)量系統(tǒng)的基本組成 3測(cè)量系

15、統(tǒng)的靜態(tài)特性4測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性5電氣測(cè)量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性又稱“刻度特性”、 “標(biāo)定曲線” 理想測(cè)量系統(tǒng)線性特性 y =S0+S1xS0 零位； S1靈敏度實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)非線性特性 y =S0+S1x+S2x2+ 式中S0，S1，S2，Sn常量 VS靜態(tài)特性是在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工作條件下獲得的測(cè)量系統(tǒng)XiYi用高精度信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一系列不隨時(shí)間變化的輸入量高精度測(cè)量?jī)x器測(cè)量輸出 數(shù)表標(biāo)定曲線數(shù)學(xué)表達(dá)式靜態(tài)特性靜態(tài)特性的獲得及其表示形式 擬合公式固有特性記錄得到一系列的(Xi,Yi)工作條件：指包括溫度、濕度、大氣壓力、電源電壓等所有可能影響測(cè)量結(jié)果的因數(shù) 靜態(tài)特性的基本特征參數(shù)

16、靈敏度給系統(tǒng)的輸入施加一個(gè)微小增量x，引起系統(tǒng)輸出發(fā)生了微量變化y，則靈敏度為： 或若測(cè)量系統(tǒng)的輸入/輸出同量綱時(shí)，則常用“放大倍數(shù)”一詞代替“靈敏度”。 線性度系統(tǒng)的輸入輸出之間保持線性關(guān)系一種度量。 線性度定量反映標(biāo)定曲線偏離其擬合直線的程度線性度=擬合直線標(biāo)定曲線分辨力= AFS/(2n-1)； AFS：滿量程值（Full Scale）分辨率 =1/(2n-1)靜態(tài)特性的基本特征參數(shù) 零位輸入為零時(shí)測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)到的測(cè)量值。零位值可以非零。理想的零位應(yīng)該是一個(gè)常數(shù)實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中由于放大器、ADC存在輸入失調(diào)，會(huì)導(dǎo)致零位偏移零位溫漂：由于半導(dǎo)體特性與溫度有關(guān)，零位的偏移量還會(huì)隨溫度變化而漂移

17、分辨力（Resolution）與分辨率分辨力是指測(cè)量系統(tǒng)能夠分辨的最小輸入變化的絕對(duì)量分辨率則是分辨力相對(duì)于滿量程的百分比分辨率不是測(cè)量精度或準(zhǔn)確度等級(jí)在數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)中的分辨力就是一個(gè)字（1個(gè)LSB），刻度標(biāo)尺的分辨力常取半個(gè)最小刻度回程誤差表征測(cè)量系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)，輸入遞增變化（由小變大）中的標(biāo)定曲線和遞減變化（由大變小）中的標(biāo)定曲線二者靜態(tài)特征不一致的程度。 靜態(tài)特性的基本特征參數(shù) 回程誤差=靜態(tài)特性的基本特征參數(shù) 量程測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)稱范圍的上下限之差的模例如：溫度計(jì)的下限 -30，上限50，則其量程為： 50 -（-30）=80動(dòng)態(tài)范圍是指測(cè)量系統(tǒng)所能測(cè)量的最強(qiáng)輸入與最弱輸入之比，常常用

18、分貝數(shù)來(lái)表示。例如：某頻譜分析儀最弱輸入信號(hào)1mV，最強(qiáng)輸入信號(hào)10V，則其動(dòng)態(tài)范圍就是： 20lg10/0.001=80dB測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)1測(cè)量及測(cè)量方法2現(xiàn)代電氣測(cè)量系統(tǒng)的基本組成 3測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性4測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性5電氣測(cè)量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性定義 輸入信號(hào)x(t)是隨時(shí)間變化的情況下，測(cè)量系統(tǒng)的輸入輸出之間的特性； 動(dòng)態(tài)特性反映測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力；動(dòng)態(tài)特性的描述時(shí) 域： 微分方程復(fù)頻域： 傳遞函數(shù)頻 域： 頻率特性一階測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性水銀體溫計(jì)的時(shí)間常數(shù)？一階測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域特征參數(shù)時(shí)間常數(shù)T系統(tǒng)輸出從初始零狀態(tài)上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2% 所需時(shí)間一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)非周期型按指數(shù)規(guī)律上升并趨于飽和幅頻特性相頻特性一階系統(tǒng)的頻率特性 時(shí)間常數(shù) k 直流放大倍數(shù)1. 微分方程2. 傳遞函數(shù)3. 頻率特性一階測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的頻域特征參數(shù)轉(zhuǎn)折頻率0： 0= 1/ A(0)= -0.707或-3dB(0)=-45 (k =1)例題: 用一時(shí)間常數(shù)