电磁测量技术12章

电子测量原理-技术开篇张珊珊电子与信息工程学院电子信息工程系2015版个人经历1988.10.1出生于黑龙江省哈尔滨市2002.9-2005.7黑龙江省大庆市实验中学2005.9-2009.7哈尔滨工业大学航天学院电子科学与技术专业学士2009.9-2014.7南开大学现代光学研究所光学专业博士2014.7天津工业大学电子与信息工程学院电子信息工程系认识教材讲授和考核方法总学时：45，理论33，实验12。上课时间：每周五8:20—10:00，二教A409；双周三14:00—15:40，二教A213；从第四周开始双周的周三为实验课。考试环节：闭卷考试，卷面成绩占总成绩的70%，实验占总成绩的20%，平时成绩占10%。1.1测量的基本概念1.1.1测量的意义日常生活中处处离不开测量科学的进步和发展离不开测量，离开测量就不会有真正的科学。没有望远镜就没有天文学，没有显微镜就没有细胞学，没有指南针就没有航海事业1.1.1测量的意义（续）生产发展离不开测量农业社会中，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，处处离不开测量例如，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。没有测量就没有科学——门捷列夫诺贝尔物理奖，化学奖中1/4属于测试方法和测试仪器的创新。“两弹一星”的成功，没有测试仪器是不可能的。大规模集成电路的生产成本中，测量成本已超过50%1.1.1测量的意义（续）著名科学家钱学森院士明确指出：信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术。测量技术对信息进行采集和处理，是信息技术的源头，是关键中的关键。”1.1.1测量的意义（续）王大珩院士说：“计量测试和仪器仪表技术就是信息技术的组成部分，而且是不可或缺的重要组成部分”。作为对信息进行采集、测量、处理和控制的重要基础手段和设备，广泛应用于国民经济各行各业。”两弹一星元勋王大珩中国科学院院士，中国工程院院士。我国现代光学技术及光学工程的开拓者和奠基人之一。1999年荣获“两弹一星功勋奖章”。1.1.1测量的意义（续）1.1.2测量的定义1.狭义测量的定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。测量结果＝测量数值.测量单位，即：0}{xxx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1.1.2测量的定义（续）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。1.1.2测量的定义（续）2.广义测量的定义广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位等。而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息的感知和信息识别两个环节。1.1.3测量的基本要素1.测量的基本要素被测对象测量人员测试仪器系统信息显示感知和识别被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境1.1.3测量的基本要素（续）对象属性影响影响影响测量策略、算法数据状态参数命令被测信息原理方法被测对象仪器系统测量人员测量环境激励信号选择仪器决定方法图1-3测量的基本要素1.1.3测量的基本要素（续）2.测量过程——基本要素之间的互动关系•论证阶段测量的主体（测量人员）根据测试任务的要求、被测对象的特点、属性，及现有仪器设备状况，拟定合理的测试方案。•设计阶段*选择测试仪器，组建测试系统。*制定出测试策略（测量算法）和操作步骤（测试程序）•实施阶段*对仪器和系统实施测试操作（发控制命令），按照逻辑和时序完成测量过程，取得测量数据;*分析测量误差并显示测量出结果。1.1.3测量的基本要素（续）执行测量操作测试数据处理测量结果显示结束设置仪器工作参数实施阶段被测对象设计阶段测量任务要求组建测量系统需求分析拟定测量方案现有仪器设备选用测量仪器（测试硬件平台）决定测量技术（测试软件平台）完成仪器互连拟定测量步骤开始论证阶段1.1.3测量的基本要素（续）3.被测对象——信息•广义的测量是信息的获取，信息反映了事物的运动的状态及其变化方式。信息又可分为自然信息和社会信息两大类。4.测量仪器系统——量具和仪器•测量仪器系统包括量具、测试仪器、测试系统及附件等5.测量的主体——测量人员•手动：由测量主体（测量人员）直接参与完成•自动：测量主体交给智能设备（计算机等）完成，但测量策略、软件算法、程序编写需由测量人员事先设计好。6.测试技术•测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测试技术。7.测量环境•测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和。•测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。1.1.3测量的基本要素（续）1.1.3测量的基本要素（续）环境对测量的影响•A.环境对被测对象的影响：某些被测对象客体（如器件、电路或系统）的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感，因此，原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行。•B.环境对仪器系统的影响：环境可能直接或间接地影响到仪器系统本身的某个工作特性，进而影响测量结果，造成测量误差。特别是某些测量器具的量程广、频段宽，而内部的元器件数目甚多，且对外界影响相当敏感，错综复杂的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题。•C.环境对测量人员的影响：高温、严寒、潮湿、闷气、嘈杂、照明不适当等不良工作环境，会对测量人员的身心产生不良影响，从而引起不同程度的人身误差乃至差错。1.1.3测量的基本要素（续）应采取适当的控制措施，尽量减少由于环境影响而产生的误差。恒温、恒湿、稳压和防震。抗干扰、防噪声的措施，如接地、屏蔽、隔离、滤波等。仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变化环境。1.1.3测量的基本要素（续）仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：I组：良好的环境条件，温度+10～+35oC，相对湿度80%（在35oC上），只允许有轻微的振动。II组：一般的环境条件，温度－10～+40oC，相对湿度80%（在40oC上），允许一般的振动和冲击。III组：恶劣的环境条件，温度－40～+55oC，相对湿度90%（在35oC上），允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动。I组——高精度计量用仪器II组——通用仪器III组——野外、机载等仪器1.2测量误差的基本概念1.2.1测量误差的定义测量的目的:获得被测量的真值。真值:在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。测量误差:所有测量结果都带有误差。Axx1.2.2测量误差的来源（1）仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。（2）影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。（3）理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。（4）人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。（5）测量对象变化误差：测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准确，如引起动态误差等。1.2.3测量误差的表示方法测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。1.绝对误差(1)定义：由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差0AxxxxA实际应用中常用实际值A（高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值）来代替真值。绝对误差：x有大小，又有符号和量纲1.2.3测量误差的表示方法（续）（2）修正值与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。被测量的实际值xAxCCxA1.2.3测量误差的表示方法（续）2.相对误差一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。例：测量足球场的长度和成都市到绵阳市的距离，若绝对误差都为1米，测量的准确程度是否相同？(1)相对真误差、实际相对误差、示值相对误差•相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。0100%xA1.2.3测量误差的表示方法（续）•实际相对误差：用实际值A代替真值A0•示值相对误差：用测量值X代替实际值A100%AxA100%xxx1.2.3测量误差的表示方法（续）（2）满度相对误差（引用相对误差）用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值－下限值）之比来表示的相对误差，称为满度相对误差（或称引用相对误差）100%mmmxx0mx||mx||mxAxAmxA仪表各量程内绝对误差的最大值mmmxx1.2.3测量误差的表示方法（续）电工仪表就是按引用误差之值进行分级的。是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S%测量点的最大相对误差在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。m%mxxSx1.2.3测量误差的表示方法（续）[例1-3]某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为0～400mA和1.5级量程为0～100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？2100%1.5%1.5%100mxxSx用1.5级量程为0～100mA电流表测量100mA时的最大相对误差为1400%0.5%2%100mxxsx解：用0.5级量程为0～400mA电流表测100mA时，最大相对误差为1.2.3测量误差的表示方法（续）（3）分贝误差——相对误差的对数表示•分贝误差是用对数形式（分贝数）表示的一种相对误差，单位为分贝（dB）。电压增益的测得值为误差为用对数表示为增益测得值的分贝值分贝误差oxiVAV20lg()xxGAdB20lg(1)dBAAAAAx1.2.3测量误差的表示方法（续）1.3测量的基本原理y1y2y电量变换（测量电路）信宿点非电逆变换（显示器）被测量x信源点非电变换（传感器）y1=f1(x)221()yfy32()yfy测量最基本的原理是比较，比较是认识和区别被测对象的一种重要方法。测量是通过比较来取得一个定量的认识1.3.1基于比例变换的间接比较法（偏转法）1.比例变换的原理（1）三种类型的子变换：A321[()]()yfffxfx1.3.1基于比例变换的间接比较法（续）例：弹簧秤是偏转法直读式仪器的一个简单例子。被测重物放在弹簧秤上，把物体的重量变成弹簧的弹性形变。然后，形变带动机械式仪表的指针成比例的偏转，指示出被测物体的重量。直读式电压表（2）实现结构由于故：式中K1K3K2xu2u3yu1y1y2y3信源点信宿点)(111uxKy)(2122uyKy)(3233uyKyy321123{[()]}yKKKxuuuKxu1