电气与电子测量技术1

电气与电子测量技术课程目标通过本课程的学习，了解电气和电子测量技术的基本概念、测量系统的构成和分析方法，掌握常用测量系统的工作原理及动静态特性，学会根据实际要求选用传感器和调理电路，掌握建立基本测量系统的原则与方法，并对测量技术的发展趋势有所了解。绪论绪论测量地位和作用测量仪器发展历程测量技术发展趋势测量的地位和作用测量在科学研究中作用测量技术密切相关科学研究和技术水平的提高新的测量理论、方法和技术手段科学研究形成推动实验研究和发展生产力的发展没有测量就没有科学，测量是科学的基础；没有科学的进步也没有测试的发展!测量在科学研究中作用门捷列夫(1834-1907)科学始于测量,没有测量，便没有精密的科学。开尔文（1824-1907）测量在科学研究中作用当你能够测量你所关注的事物，而且能够用数量来描述他的时候，你就对其有所认识；当你不能测量他，也不能将其量化的时候，你对他的了解就是贫乏和不深入的。为了纪念他在科学上的功绩，国际计量大会把热力学温标（即绝对温标）称为开尔文（开氏）温标，热力学温度以开尔文为单位，是现在国际单位制中七个基本单位之一。测量在科学研究中作用物理学、化学、生物学、医学、天文学是建立在实验基础上的科学；对宇宙微弱辐射信号的测量对能量转移的测量对人体基因的测定和人体血液定量分析对蛋白质的反应测量对细胞结构的测量发现新天体发现新粒子判明病变的根源了解胚胎的生长情况判断肌体是否发生疾病电子信息科学给人类社会和国民经济带来巨大的、广泛的、深刻的影响；现代信息科学技术的三大支柱：测试技术——信息获取；通信技术——信息传输；计算机技术——信息处理。测量在科学研究中作用信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术，测量技术是信息技术的关键和基础。钱学森(1911-2009)测量在科学研究中作用测量在科学研究中作用高新技术的研究更是离不开测量火箭发动机从设计到样机试飞，中间要进行成百上千次试验，火箭发动机的地面试车台就是一套完整的综合测量系统。航天飞行中需要检测的参数有：飞行参数、导航参数、发动机参数、座舱环境参数、航天员生理参数、飞行器结构参数等7大类5000多个参数。日常生活中处处离不开测量家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦(红外测距)数字体温计：温度测量（接触式和非接触式）自动感应灯：亮度测量空调、冰箱、电饭煲：温度测量医疗卫生：电子血压计：压力检测血糖测试仪、胆固醇检测仪：离子测量普通轿车：约安装几十到近百只测量传感器.豪华轿车：测量传感器数量可多达二百余只.汽车测量传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了长度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，出现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。现代化的工业生产中处处需要测量一架飞机中：3000个测量传感器；一个大型石油化工厂：6000个测量传感器；一个大型钢铁厂：20000个测量传感器。测量在工农业生产中的应用测量在电力行业中的应用电厂发电机组：检测参数：电气量---电压、电流、功率因数、频率、谐波、相角等，非电量－发电机振动、温度、压力、流量、液位、声音等3000－5000个测量传感器电网运行：成千上万个电气量测量传感器测量仪器的发展测量仪器发展至今．大致可分为五个阶段。第一代模拟指针式仪表（上世纪50年代以前）基于电磁机械式机构，测量结果是依靠指针显示测量仪器的发展历程第二代分立电子仪器（上世纪5、60年代）测量仪器的发展历程以电子管，晶体管为基础采用了电子测量技术测量模拟信号测量仪器的发展历程一般采用中规模的集成电路(通常含逻辑门数为10门～99门或含元件数100个～999个)第三代数字式仪表（上世纪70年代）将模拟信号转化为数字信号，以数字形式输出与显示出结果第四代智能仪器（上世纪80年代）内部有微处理器，可以进行自动测量和数据处理。采用大规模集成电路主要由硬件与固化的软件组成主要问题是功能固定，应用不灵活测量仪器的发展历程第五代虚拟仪器以计算机技术为基础，是测量技术新的革命。利用高性能的标准模块化硬件和高效灵活的软件来完成各种测试和测量的应用。软件是虚拟仪器的关键，“软件即仪器”（不同的软件构成不同的仪器）测量仪器的发展历程测量技术的发展趋势测量技术的发展趋势智能化虚拟化网络化微型化和集成化软测量技术第一章电气测量技术的基础知识第一章测量基础知识测量方法的分类现代电气测量系统的基本组成测量系统的静态特性测量系统的动态特性电气测量系统的主要技术指标测量方法的分类测量与测量结果测量的定义：•测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。•测量过程：人们借助专门的设备，将被测量量和同类标准量进行比较，得到测量结果的一个过程。图1－1测量的比较原理(a)天平直接比较（b）弹簧称间接比较根据同类标准量的参与比较的方式不同分为：被测物体的重量等于标准砝码的重量被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。标准量直接参与测量标准量间接参与测量测量与测量结果注意1：必要时给出误差范围。注意2：同一量值测量结果选用不同的测量单位，则测量数值不同。例：25℃=77℉测量结果＝{测量数值}＋测量单位，即：0}{xxx测量方法分类1.按测量结果的获得方式分为直接测量、间接测量、组合测量2.按测量读数的获得方式分为直读测量法、比较测量法3.按测量性质分为时域测量、频域测量、数据域测量直接测量•从测量仪表直接获取测量结果。特点：测量过程简单、迅速。测量结果：20.1mm间接测量如测导线的电阻率ρ（单位长度、单位截面的某种物质的电阻）：由仪表（仪器）读数按照一定的函数关系（公式）计算获取测量结果的方法。适用于被测量量无法或不便直接测量。2S4RRdll特点：测量过程复杂、费时。组合测量（联立测量）如测量热电阻温度系数：在应用仪表进行测量时，若被测物理量必须经过求解联立方程组，才能得到最后结果，则称这样的测量为组合测量（联立测量）。Rt1＝R0（1＋At1＋Bt12）Rt2＝R0（1＋At2＋Bt22）参数A，BRt＝R0（1＋At＋Bt2）注意1：同一物理量可以有不同的测量方法如测电阻方法：万用表(直接测量）伏安法（R＝U/I)（间接测量）注意2：间接测量误差由多个测量量合成。根据测量读数方式分类直读测量从仪器（仪表）直接获取读数。特点：过程简单、直观、明了,一般来说准确度较低。比较测量将被测量直接与标准量比较，根据比较结果获得测量值。典型：替代法，比较法，微差法。特点：标准量直接参与，测量准确度高；测量设备较贵，过程复杂。典型的比较测量方法－替代法方法：在相同条件下，将被测量与已知标准量先后置于同一测量装置中，若先后两次测量装置都处于相同状态，可认为被测量等于已知量。ERx+–IARN特点：•不受测量系统内部结构误差的影响，可获得比较高的测量精度。•测量过程较复杂，花费时间较长。E+–IA替代法测电阻典型的比较测量方法－零位(零值)法方法：利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值。特点：•测量过程比较复杂，在测量时，要进行平衡操作，花费时间长天平测质量典型的比较测量方法－微差(偏差)法方法：被测量值与标准量大体平衡，将被测的未知量与已知的标准量进行比较，并取得被测量与标准量差值。特点：•测量精度高•反应快，特别适用于在线控制参数的检测基准量：20.00mm测量值：+0.08mm结果：20.08mm时域测量：（瞬态测量）以时间为主要研究对象，主要测量被测量随时间的变化的规律。例：用示波器测量脉冲信号的上升沿、下降沿、脉宽等。频域测量：（稳态测量）以频率为主要研究对象，主要测量被测量随频率的变化的规律。例：频谱分析仪测量信号的频谱。数据域测量：（逻辑量测量）以数字电路的逻辑状态为主要研究对象。例：逻辑分析仪测量数字电路的逻辑状态、时序等。根据测量性质分类接触式测量与非接触式测量；根据是否与被测介质接触分类红外测温接触式测温静态测量与动态测量根据被测量变化快慢分类电压波动手持式电压表在线测量与离线测量根据测量对象是否工作分类电力变压器在线监测系统（测量油中气体和微水含量）电力变压器油气相色谱仪现代电气测量系统的基本组成数据采集部分数据处理部分数据分配部分数据采集部分数据处理部分数据分配部分数据采集部分可以细分为传感器部分、信号调节器部分和模数转换器模拟信号被馈送至执行装置或输出传感器。现代电气测量系统的基本结构从硬件平台结构来看可分为以下两种基本类型：一、以单片机（或专用芯片,如DSP）为核心的单机系统。接口电路传感器及调理电路A/DCPU扩展程序储存器扩展数据储存器外通信接口电路输出接口电路D/A仪器面板、键盘、显示等电量非电量电平开关量IEEE488RS-232CAN等等电平、开关量、打印机模拟量输出输入电路输出电路二、以PC为核心的应用扩展电气测量系统电量非电量电平开关量调理电路数据采集卡计算机显示屏幕数据处理数/模输出通讯接口网络口总线测量系统的静态特性测量系统的静态特性就是在静态测量情况下描述实际测量系统与理想线性时不变系统的接近程度。1110111101()()()()()()()()nnnnnnnnnnnndytdytdytaaaaytdtdtdtdxtdxtdxtbbbbxtdtdtdt测量系统的输入x(t)和输出y(t)都是不随时间变化的常量（或变化极慢，在所观察的时间间隔内可以忽略其变化而视为常量），因此测量系统输入和输出各微分项均为零，那么测量系统就变为：00byxSxa实际的测量系统并非理性的线性时不变系统，二者之间就存在差别。所以常用灵敏度、非线性度和回程误差等主要定量指标来表征实际的测量系统的静态特性。灵敏度——当系统的输入x有一个微笑增量△x时，将引起系统的输出y也发生相应的微量变化△y，则定义该系统的灵敏度为：ySx00byySxxa常数0limxydySxdx或或若测量系统的输入/输出同量纲时，则常用“放大倍数”一词代替“灵敏度”。非线性度——系统的输出/输入之间保持常值比例关系（线性关系）的一种度量。通常用实验的方法获取系统的输入/输出关系曲线，并称为“标定曲线”。由标定曲线采用拟合方法得到的输入/输出之间的线性关系，称为“拟合直线”。非线性度就是标定曲线偏离其拟合直线的程度A测量范围xiBixy标定曲线拟合曲线回程误差——表征测量系统在全量程范围内，输入递增变化（由小变大）中的标定曲线和递减变化（由大变小）中的标定曲线二者静态特征不一致的程度。Axixy2iy1ihiy回程误差=max100%hA测量系统的动态特性实际的测量系统总是被处理为线性时不变系统，而且总可以用上式所示的常系数线性微分方程来描述系统与输出/输入的关系。00()()()()()ststytedtYsHsXsxtedt为了研究和运算的方便，常通过拉普拉斯变化在复数域S中建立其相应的“传递函数”，并在频域中用传递函数的特殊形式——频率响应，在时域中用传递函数的拉普拉斯反变化——权函数。时域动态性能指标一阶测量设备，阶跃输入时的输出响应是非周期型57ty(t)63.2%86.5%95%98.2%99.3%0.63210T2T3T4T5T斜率=1/T时域动态性能指标⑴时间常数T。输出量上升到稳态值的63.2%所需要时间；⑵响应时间。输出量达到稳态值的某一允许误差范围内，并保持在此范围内所需最小时间；由于允许误差范围不相同时，响应时间不同，所以下标s表示不同的允许误差范围。例如允许误差为5%，则表示为。一阶测量时间与T的关系为：；；。可见时间常数越小，响应越快。⑶上升时间。测量设备输出响应值从5%（或10%）到达稳态值的95%（或90%），或从0上升到稳态值所需时间。⑷延迟时间。测量设备输出响应值从0上升到稳态值的50%所需时间。st0.1352tT