第二章-测量系统(1)

第二章测量系统测量系统及其静、动态特性第二章测量系统2.1概述2.1.1测量系统的组成传感器：将被测特征量转换成电量信号信号调理：将传感器所得的信号进行放大、滤波、调制和解调等处理，转变为适合传输或后续处理的信号信号分析处理：将调理后的信号送入计算机或微处理器做进一步的分析处理，如小波变换、频谱分析等结果显示打印记录：将测量所得的信息变换成易于理解的形式输出被测对象被测量传感器信号调理单元信号分析处理单元结果输出显示记录激励装置反馈控制4测量原理：测量的科学基础长度测量：光干涉原理速度测量：多普勒效应测量方法：按类别叙述的实现被测量和标准量相比较的策略或方法接触测量和非接触测量直接测量和间接测量绝对测量与相对测量在线测量和离线测量原位测量和离位测量静态测量和动态测量2.1.2测量原理、方法接触测量和非接触测量5LEDExtenderandCollimatingLensLong-working-distanceObjectiveReferenceMirrorPolariodApertureStopBeamSplitterZoomLensFrameGrabberDigitalCCDCameraNano-PositionerControllerNano-PositionerMicro-DeviceLong-working-distanceObjectiveXYZPrecisionPositioningStagesPositioningStagesController①传感器（测头）是否与被测对象接触微型三坐标测头干涉法测量表面形貌STM的基本结构（非接触式测量）探针形变检测方式–AFM(接触式测量)直接测量和间接测量8微悬臂梁和微泵谐振频率的自由衰减法测试纳米线材料的力学特性测量被测量的获取方式原子力显微镜弯曲法测量杨氏模量振动法测量杨氏模量绝对测量与相对测量9被测量和标准量的比较方法纳米测量机量块比较仪在线测量和离线测量10原位测量和离位测量“线”：生产线“位”：工位静态测量和动态测量11-0.35-0.3-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.15050100150200250300350400MotionPhase/°In-planedisplacementD/μmYaxismotionXaxismotion被测量是否随时间变化一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置12常用的涡流探头＋前置器加速度传感器力传感器智能式压力变送器2.1.3传感器对（传感器输出的）信号进行变换、隔离、滤波、放大、驱动等，以便进一步传输和处理13B&K测量放大器2525•放大、自动量程•低通和高通滤波器（用户自定义）•通道：1•输入电荷量：≤104pC•增益：1-1000mV/pC•输出：±5V滤波单元高阻输入、低阻输出规范输出2.1.4信号调理对来自信号调理环节的信号，进行各种运算、分析，并输出结果14模拟信号处理运算：微分、积分、对数数字信号处理信号量化编程处理：信号分析2.1.5信号分析处理以观察者易于识别的形式来显示测量的结果，或者将测量结果存储152.1.6显示记录举例：测速系统方框图16含噪声电压信号去噪处理积分处理放大处理第二章测量系统2.2测量系统的特性2.2.1测量系统的输出—输入特性18测量系统的输出—输入特性是测量系统的最基本传递特性，系统的各种性能指标都是根据其输出和输入的对应关系来描述的静态特性：当被测量不随时间的变化而变化或变化十分缓慢（准静态）时，输出和输入量之间的关系动态特性：当被测量是瞬态值或随时间的变化值时，系统的输出信号（响应）和输入信号（激励）之间的关系h(t)H(t)x(t)X(t)y(t)Y(t)输入系统输出2.2.2测量系统的静态特性19测量范围、量程灵敏度、分辨力线性度重复性、稳定性测量误差准确度测量不确定度测量范围与量程20标称示值区间（nominalindicationinterval），简称标称区间（nominalinterval）：当测量仪器或测量系统调节到特定位置时获得并用于指明该位置的、化整或近似的极限示值所界定的一组量值。标称示值区间通常以它的最小和最大量值表示，例如100V~200V。在某些领域，此术语也称“标称范围（nominalrange）”。标称量值（nominalquantityvalue），简称标称值：测量仪器或测量系统特征量的经化整的值或近似值，以便为适当使用提供指导。标在标准电阻器上的标称量值：100Ω标在单刻度量杯上的量值：1000mL盐酸溶液HCl的物质的量浓度：0.1mol/L恒温箱的温度为-20℃[标称示值区间的]量程（span）：标称示值区间的两极限量值之差的绝对值，主要用于计算测量系统的引用误差。例：对从-10V~+10V的标称示值区间，其标称示值区间的量程为20V。测量区间（measuringinterval），又称工作区间（workinginterval）：在规定条件下，由具有一定的测量不确定度的测量仪器或测量系统能够测量出的一组同类量的量值。在某些领域，此术语也称“测量范围（measuringrange）或工作范围（workingrange）”。测量区间要小于等于标称区间。测量范围与量程灵敏度、分辨力22灵敏度（sensitivity）：测量系统的示值变化除以相应被测量的量值变化所得的商对于线性系统，灵敏度与输入量的大小无关，是常数，可用测量仪器在稳态下输出增量与输入变化量之比来表示，即拟合直线的斜率；对于非线性误差较大的测量仪器，灵敏度与输入量的大小有关，应该用仪器输出量对输入量的导数来表示，或用某一较小输入量区域的拟合直线斜率表示。[显示装置的]分辨力（resolution）：能有效辨别的显示示值间的最小差值测量仪器可处于不工作状态通常模拟式显示装置的分辨力为标尺分度值的一半，数字式显示装置的分辨力为末位数字的一个数码分辨力or分辨率？分辨力（resolution）：smallestchangeinaquantitybeingmeasuredthatcausesaperceptiblechangeinthecorrespondingindicationNOTEResolutioncandependon,forexample,noise(internalorexternal)orfriction.Itmayalsodependonthevalueofaquantitybeingmeasured.引起相应示值产生可觉察到的变化的被测量的最小变化。【注】分辨力可能与诸如噪声（内部的或外部的）或摩擦有关，也可能与被测量值有关。23JCGM200:2008，Internationalvocabularyofmetrology—Basicandgeneralconceptsandassociatedterms(VIM)分辨率：有效区域内水平和垂直方向上的像素数（国标GB18910.1）。对于测量系统或仪器，分辨率和有效分辨率应属于禁止使用的名词术语线性度线性度是表征测量仪器输出—输入特性曲线与拟合直线之间接近或偏离程度的指标，称为该测量仪器的“非线性误差”或“线性度”通常用量程内输入—输出特性曲线与拟合直线的输出量最大偏差的绝对值与满量程输出值之比来表示线性度静态测量系统的非线性一般采用参数变换法、分段线性插值法和曲线拟合法进行线性校正24max100%LFSeY测量重复性、复现性、中间精密度重复性测量条件repeatabilityconditionofmeasurement：相同测量程序、相同操作者、相同测量系统、相同操作条件和相同地点，并在短时间内对同一或相类似的被测对象重复测量的一组测量条件测量重复性measurementrepeatability：在一组重复性测量条件下的测量精密度复现性测量条件reproducibilityconditionofmeasurement：不同地点、不同操作者、不同测量系统，对同一或相类似被测对象重复测量的一组测量条件测量复现性measurementreproducibility：在复现性测量条件下的测量精密度中间精密度测量条件intermediateprecisionconditionofmeasurement：除了相同测量程序、相同地点，以及在一个较长时间内对同一或相类似被测对象重复测量的一组测量条件外，还可包括涉及改变的其它条件改变可包括新的校准、校准器、操作者和测量系统中间测量精密度intermediatemeasurementprecision：在一组中间精密度测量条件下的测量精密度25稳定性、漂移稳定性（stability）：测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。用计量特性变化到某个规定的量所经过的时间间隔表示；用特性在规定时间间隔内发生的变化表示。漂移（drift）：由于测量仪器计量特性的变化引起的示值在一段时间内的连续或增量变化温度、压力、湿度，仪器本身性能的不稳定26回程误差回程误差是指在相同条件下，测量仪器正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间，输出－输入曲线的不重合程度这种现象称为迟滞，往往是由磁性材料的磁滞、弹性材料的变形迟滞、机械结构的摩擦及间隙等原因引起的测量时输入量要增大和减小各一次，再将两测量结果算术平均来减小回程误差的影响27100%hhFSeY0xyhYFSx1测量误差[测量]误差（error[ofmeasurement]）测得的量值减去参考量值。1、测量误差的概念在以下两种情况下均可使用：①当涉及存在单个参考量值，如果测得值的测量不确定度可忽略的测量标准进行校准，或约定量值给定时，测量误差是已知的；②假设被测量使用唯一的真值或范围可忽略的一组真值表征时，测量误差是未知的。2、测量误差不应与出现的错误或过失相混淆。相对误差（relativeerror）测量误差除以被测量的真值相对误差只有大小和符号，而无量纲，一般用百分数来表示当被测量值相差较大时，用相对误差才能进行有效的测量水平比较28示值误差、最大允许误差、引用误差29示值误差（errorofindication）：测量仪器示值与对应输入量的参考量值之差就实物量具而言，示值就是赋予它的值最大允许测量误差（maximumpermissiblemeasurementerrors），简称最大允许误差，又称误差限（limitoferror）：对给定的测量仪器或测量系统，由规范或规程所允许的，相对于已知参考量值的测量误差的极限值。引用误差（fiducialerror）：测量仪器或测量系统的误差除以仪器的特定值该特定值一般称为引用值，例如，可以是测量仪器的量程或标称范围的上限（此时可称为满量程误差）。测量仪器的准确度（accuracyofameasuringinstrument）定义：测量仪器给出接近于真值的响应的能力准确度是个定性的概念，不给出有数字的量值测量仪器准确度是表征其品质和特性的最主要的性能如何定量来描述？准确度等级accuracyclass在规定工作条件下，符合规定的计量要求，使测量误差或仪器不确定度保持在规定极限内的测量仪器或测量系统的等别或级别。注：1、准确度等级通常用约定采用的数字或符号表示。2、准确度等级也适用于实物量具。例：（1）电工测量指示仪表分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0等七级，指的是该仪器满量程的引用误差；（2）百分表分为0，1，2级，这是以示值最大允许误差来确定30误差（测量仪器）举例（1）示值误差：被检电流表的示值I为40A，用标准电流表检定，其电流实际值为41A，那么示值40A的误差＝40－41＝－1A示值误差：JJG30-2002《通用卡尺检定规程》31误差（测量仪器）举例（2）引用误差：一台标