計量學基礎(chǔ)課程課件

計量學基礎(chǔ)課程課件第一頁，共42頁。主講人:第二頁，共42頁。2)量塊的中心長度：是指量塊一個測量面的中心到與其相對的另一測量面之間的垂直距離，用符號L表示。

3)量塊的標稱長度：是指兩相互平行的測量面之間的距離，即量塊的工作長度，用符號l表示。4)量塊長度的實測值：是指用一定的方法，對量塊長度進行測量所得到的量值。

5)量塊的長度變動量：是指量塊任意點長度中的最大長度Lmax與最小長度Lmin之差的絕對值，用符號Lv表示。

6)量塊的長度偏差：是指量塊的實測值與其標稱值之差，簡稱偏差第三頁，共42頁。量塊及有關(guān)量塊的長度和偏差

第四頁，共42頁。圖2-3量塊測量面的示意圖當量塊標稱尺寸l﹤6mm時，刻有數(shù)字的表面為上測量面；當l≧6mm時，刻有數(shù)字的表面的右側(cè)面為上測量面，相對的另一面為下測量面。第五頁，共42頁。2.量塊的研合性與選用原則所謂研合性，是指量塊的一個測量面與另一量塊的測量面或另一經(jīng)精密加工的類似的平面，通過分子吸力作用而粘合的性能。利用這一特性，把量塊研合在一起，便可以組成所需要的各種尺寸。量塊一般是成套生產(chǎn)的，國標將量塊制定了17種套別，套別是按量塊數(shù)量的多少來劃分的。比如91塊一套，83塊一套，6塊一套，5塊一套等（如下表所示）

第六頁，共42頁。第七頁，共42頁。在使用組合量塊時，為了減小量塊組合的累積誤差，應盡量減少使用的塊數(shù)，一般不超過4∽5塊。為了迅速選擇量塊，應根據(jù)所需尺寸的最后一位數(shù)字選擇量塊，每選一塊至少減少所需尺寸的一位小數(shù)。第八頁，共42頁。第九頁，共42頁。例1：從83塊一套的量塊中選取尺寸為38.935mm量塊組，其選取方法為：38.935─）1.005第一塊量塊尺寸為1.005mm37.93─）1.43第二塊量塊尺寸為1.43mm36.5─）6.5第三塊量塊尺寸為6.5mm

30

第四塊量塊尺寸為30mm第十頁，共42頁。第十一頁，共42頁。例如，從91塊一套的量塊中選取尺寸為36.745mm的量塊組，選取方法為：36.745…………所需尺寸

－1.005

…………第一塊量塊尺寸35.74

－1.24

…………第二塊量塊尺寸34.5

－4.5

…………第三塊量塊尺寸30.0…………第四塊量塊尺寸第十二頁，共42頁。返回為擴大量塊的應用范圍，可采用量塊附件，量塊附件中有夾持器和各種量爪。量塊及附件裝配后，可用于測量外徑、內(nèi)徑或精密劃線。第十三頁，共42頁。注意：量塊的組合方法及原則組合原則1）量塊塊數(shù)盡可能少，一般不超過3~5塊。2）必須從同一套量塊中選取，決不能在兩套或兩套以上的量塊中混選。3）組合時，不能將測量面與非測量面相研合。4）組合時，下測量面一律朝下。第十四頁，共42頁。

有關(guān)工作范圍的特性1．示值 計量器具的示值是指計量器具所給出的量的值。示值可以是被測量,測量信號或用于計算被測量之值的其他量的值。對實物量具,示值就是它所標出的值。示值隨著被測量而變化。全國科學技術(shù)名詞委員會第十五頁，共42頁。 2．標稱值(nominalvalue) 標稱值是計量器具上表明其特性或指導其使用的量值,該值為修約值或近似值,如標在電壓表表盤上的示值。標稱值是固定的,不隨被測量的變化而變化。

3．標稱范圍(nominalrange) 標稱范圍是計量器具的操縱器件調(diào)到特定位置時可得到的示值范圍。標稱范圍通常用計量器具的上限和下限表明,如果下限為零,標稱范圍一般只用上限表明。

第十六頁，共42頁。 4．測量范圍 測量范圍是計量器具的誤差處在規(guī)定極限內(nèi)的一組被測量的值,與測量設(shè)備的最大允許誤差有關(guān)。在標稱范圍內(nèi),測量設(shè)備的誤差處于最大允許誤差內(nèi)的那一部分范圍才是測量范圍,也就是說,只有在這一部分測量的值,其準確度才符合要求,因此,有時又把測量范圍稱為工作范圍。 第十七頁，共42頁。5．量程(span)

量程［英文等價術(shù)語］

span［術(shù)語定義(漢語)］

測量范圍上限值與下限值之差。第十八頁，共42頁。有關(guān)響應方面的特性

1．響應特性 在特定條件下,激勵與對應響應之間的關(guān)系就是計量器具的響應特性。這種關(guān)系可以用數(shù)學等式,數(shù)值表或圖形來表示。當激勵是關(guān)于時間的函數(shù)時,傳遞函數(shù)是響應特性的一種表示形式。

第十九頁，共42頁。2．靈敏度靈敏度是計量器具響應的變化與引起該變化的激勵值（被計量值）的變化之比。對于帶刻度指示器的器具,通常以分度長度與其值之比作為靈敏度。靈敏度指標是考察傳感器的主要指標之一。3．鑒別力 使器具的響應產(chǎn)生可以察覺的變化的激勵值（被計量值）的最小變化量,稱為鑒別力。這種激勵變化應緩慢而單調(diào)地進行。第二十頁，共42頁。

4．分辨力分辨力是指顯示裝置能有效辨別的最小的示值差。5．死區(qū) 計量器具的死區(qū)指的是不致引起計量器具響應發(fā)生變化的激勵雙向變動的最大區(qū)間。

6．響應時間 激勵受到規(guī)定突變的瞬間與響應達到并保持其最終穩(wěn)定性在規(guī)定極限內(nèi)的瞬間兩者之間的時間間隔就是響應時間。第二十一頁，共42頁。

有關(guān)性能方面的特性

1．漂移 漂移是指計量器具計量特性的緩慢變化。

2．穩(wěn)定性 計量器具保持其計量特性隨時間恒定的能力稱為計量器具的穩(wěn)定性。通常,穩(wěn)定性是對時間而言的。第二十二頁，共42頁。 3．重復性 重復性是指在相同條件下,重復測量同一個被測量,計量器具提供相近示值的能力。重復性可以用測量結(jié)果的分散性定量來表示。

4．可靠性 可靠性是指計量器具在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力。表示計量器具可靠性的定量指標,可以用其極限工作條件下的平均無故障工作時間來表示,這個指標越高,說明可靠性越好。第二十三頁，共42頁。

1．準確度 準確度指計量器具給出接近于真值的響應能力。在實際應用中,常以測量不確定度,準確度等級或最大允許誤差來定量表示。

2．準確度等級 準確度等級是符合一定的計量要求,使誤差保持在規(guī)定極限以內(nèi)的計量器具的等別,級別。這也是計量器具最具概括性的特征,綜合反映了計量器具的基本誤差和附加誤差的極限值以及其他影響測量準確度的特性值。第二十四頁，共42頁。

3．測量精度 測量精度是測量結(jié)果的可信程度或不確定度,一般以計量值與被計量量的實際值之間的

偏差范圍來表示。

4．最大允許誤差 對給定計量器具,規(guī)范,規(guī)程等所允許的誤差極限值為最大允許誤差,有時也稱為計量器具的允許誤差限。第二十五頁，共42頁。26誤差指標：精度和準度第二十六頁，共42頁。

儀器的總體構(gòu)成及其計量鏈

1．儀器的總體構(gòu)成 儀器并沒有很固定的構(gòu)成模式。但是典型的計量器具從總體構(gòu)成來說,一般可以分為三個主要部分。第二十七頁，共42頁。

計量器具的第一部分是輸入部分（包括傳感器,檢測器或計量變換器）,它把被計量的信息轉(zhuǎn)變成便于下一步處理的信號。第二部分是中間變換部分（也稱二次變換部分）,它把輸入部分出來的信號進行放大,濾波,調(diào)制解調(diào),運算,分析或其他二次變換,使之適合于輸出的需要。

第三部分是輸出部分（也稱終端變換部分,包括指示裝置和記錄裝置）,它將被計量的等效信息提供給觀察者或電子計算機。 在電計量儀器中,計量信號是該儀器內(nèi)被計量量的代表,常常把輸入到儀器的信號稱為激勵,把儀器的輸出信號稱為響應。第二十八頁，共42頁。

從計量器具的總體構(gòu)成來看,可以認為它是包含許多環(huán)節(jié)的計量鏈。計量鏈是計量儀器或計量裝置中的一系列單元,它們構(gòu)成計量信號從輸入到輸出的通道。例如由傳聲器,衰減器,濾波器,放大器和電壓表組成的電聲計量鏈。 用毫伏計作為指示機構(gòu)或指示單元的熱電溫度計,具有這樣的計量鏈：①熱電偶：第二十九頁，共42頁。熱電溫度計的計量鏈方框圖

上面給出了串聯(lián)式計量鏈,它比較簡單明了。而在許多情況下,計量鏈是比較復雜的,不僅有串聯(lián),而且有并聯(lián),甚至還帶有反饋。它是溫度傳感器,也是第一個變換單元,把溫度T變換成電動勢E；②閉合電路：它是中間變換單元,在電動勢E的作用下產(chǎn)生電流I；③毫伏計的電磁系統(tǒng)：它也是中間變換單元,把電流I變換成力偶M；④彈簧等：它是指示單元,把力偶M變換成觀察者可以直接感受的溫度α。第三十頁，共42頁。

1．傳感器和計量變換器傳感器是計量儀器或計量鏈中直接作用于被計量的量的元件。有些被計量的量是不能直接計量或直接計量時準確度不高。比如溫度,流量,加速度等量,直接同它們的標準量進行比較是相當困難的,因此需要傳感器變換成易于處理,易于與標準量比較的物理量,如位移,頻率,電流,電阻,電壓等量。計量變換器是提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的計量器件。在計量變換器中,與被計量的量直接作用的部分是它的傳感部分或敏感部分。但有時傳感部分與變換部分構(gòu)成一個不可分的整體,例如熱電偶。所以,計量變換器可以只是傳感器,也可以包括它們的附屬計量線路。第三十一頁，共42頁。

常用傳感器有：（1）電阻式傳感器：把被計量的量的變化變換為電阻變化的傳感器。它包括變阻式（或滑線電阻式）和電阻應變式兩類,后者根據(jù)應變計結(jié)構(gòu)的不同又可分為絲式,箔式和薄膜式三類。（2）電感式傳感器：把被計量的量的變化變換為自感或互感變化的傳感器。它包括可變磁阻式,渦流式和差動變壓器式三類。（3）電容式傳感器：把被計量的量的變化變換為電容變化的傳感器。它包括極距變化型,面積變化型和介質(zhì)變化型三類。第三十二頁，共42頁。（4）壓電式傳感器：利用一些晶體材料的壓電效應,把力或壓力的變化變換為電荷量變化的傳感器。壓電晶體不但有縱向和橫向的壓電效應,而且還有剪切的壓電效應,因而可作成不同支撐形式和受力狀態(tài)的傳感器,在力,加速度,超聲及聲納等計量中得到了廣泛的應用。這類傳感器是一種高精度的先進的傳感器,近年來得到了越來越多的關(guān)注和發(fā)展。（5）壓磁式傳感器：利用一些鐵磁材料的壓磁效應,把力或壓力的變化變換為導磁率變化的傳感器。利用其逆效應,可以作成磁滯伸縮式傳感器。第三十三頁，共42頁。（6）壓阻式傳感器：利用半導體材料的壓阻效應,把壓力的變化變換為電阻變化的傳感器。它可分為薄膜型,結(jié)型和體型三類。（7）光電式傳感器：利用光電效應把光通量的變化變換為電量變化的傳感器?？衫玫墓怆娦ü怆娮影l(fā)射效應（光電管,光電倍增管等）,光導效應（光敏電阻,光導管）和光生伏打效應（光電池,光敏晶體管）。

第三十四頁，共42頁。（8）振弦式傳感器：利用振弦的固有頻率與張力之間的函數(shù)關(guān)系,把力的變化變換為頻率變化的傳感器。激振方法可分為連續(xù)激發(fā)和間歇激發(fā)兩類。（9）霍爾傳感器：利用一些半導體材料的霍爾效應,將被計量的量的變化變換為霍爾電勢變化的傳感器。利用霍爾元件的磁阻效應可以作成磁阻式傳感器?；魻栐Y(jié)構(gòu)簡單、體積小,噪聲小,頻帶寬,動態(tài)范圍大,有較廣泛的應用前景。第三十五頁，共42頁。

（10）陀螺傳感器：利用陀螺進動定理將被計量的量的變化變換為電量變化的傳感器。例如陀螺式稱重傳感器,角速度微分陀螺儀和積分陀螺儀等。 （11）熱電式傳感器：利用熱電效應將溫度的變化變換為電勢變化的傳感器。各種熱電偶就是廣泛應用的熱電式傳感器。 （12）磁電式傳感器：利用電磁感應定律將轉(zhuǎn)速的變化變換為感應電動勢或其頻率變化的傳感器。它可分為可動線圈式和可動銜接式兩類。

第三十六頁，共42頁。（13）電離輻射式傳感器：利用電離輻射的穿透能力,使氣體電離并具有熱效應和光電效應,把被計量量（例如厚度）的變化變換為電量變化的傳感器。例如射線測厚儀。（14）約瑟夫森效應傳感器：利用超導體的約瑟夫森效應,把磁通量變換為周期變化的阻抗,或把頻率變換為電壓的傳感器。它包括約瑟夫森結(jié)和計量靈敏度極高的超導量子干涉器件（SQUID）,在監(jiān)視電動勢基準,直流電計量,輻射計量,磁學計量,低溫計量、重力計量,光頻計量中有著廣泛的應用。第三十七頁，共42頁。

（15）光纖傳感器：利用光在光纖中傳播時其振幅（光強）,相位,偏振態(tài),模式等隨被計量值變化而變化的性質(zhì)而制成的傳感器。它可分為功能型和非功能型,前者光纖既是敏感元件又是傳光元件,后者則僅起傳光作用。它也可分為干涉型和非干涉型,前者結(jié)構(gòu)復雜,其靈敏度,分辨力,線性均較后者好。用它們可以計量壓力,溫度,流速,轉(zhuǎn)速,加速度,位移,電流,磁場,輻射等多種參量。

3．主要的計量變換器 主要的計量變換器有熱電偶,電流互感器,電動/氣動變換器,計量電橋等。計量電橋的應用極為廣泛,它的功能是把來自傳感器的電阻,電容,電感等量的變化,變換成電流或電壓的變化。第三十八頁，共42頁。

按照激勵電壓（輔助能源）的性質(zhì),計量電橋可以分為直流電橋和交流電橋兩種。直流電橋的優(yōu)點是容易獲得高穩(wěn)定直流電源,電橋的平衡電路比較簡單,對