电气测量技术 第1章 基础知识

1电气测量技术申忠如等编著科学出版社2第1章测量与测量系统的基础知识1.1测量1.1.1测量与测量方法1.1.2测量过程1.1.3测量方法31.1.1测量与测量方法测量是认识客观事物,用数量描绘客观事物,进而掌握事物本质的手段。门捷列夫说：“没有测量，就没有科学”所谓测量,就是被测量和同类标准量进行比较的一个实验过程。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。4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。5测量的定义（狭义）：为确定被测对象的量值而进行的实验过程。例：电压表测电压，温度计测温度，………………测量结果的表示：两部分组成，测量单位和相适应的数字值。X={X}·x0X为测量结果，{X}为数字值，x0为测量单位6（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。7☆测量与计量测量与计量密切相关，但又有不同。1.计量是研究测量，保证测量统一和准确的科学。计量是一种特殊形式的测量，它把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否，并给出具有法律效力的《检定证书》。计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动，如单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监督管理、测量方法及其手段的研究等。例：计量活动和测量活动的区别……………82.计量与测量的关系计量的任务是确定测量结果的可靠性。计量是测量的基础和依据。没有计量，也谈不上测量。计量和测量相互配合，才能在国民经济各个领域发挥重要作用。计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作，它在工农业生产、科学技术、国防建设以及人民生活等各个方面起着技术保证和技术监督的作用。91.1.2测量过程测量包含三个重要因素：测量对象，测量方法，测量设备。被测对象测量人员测试仪器系统信息显示感知和识别10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。11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12在测量中还需注意测量环境的影响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。13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。14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。15测量仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：I组（高精度计量用仪器）：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（通用仪器）：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（野外、机载等仪器）：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。161.1.3测量方法1.按测量结果获得方式分：（1）直接测量：从仪表读数直接获得测量结果。（2）间接测量：由仪表读数按一定函数关系计算得到测量结果。当测量对象不便于测量，而与它有着确定的函数关系的另一个量便于测量时，我们可对后者进行直接测量，并进行数学推演，得到原始测量对象的相应量值，这样的测量方法即为间接测量。例如要在不断开电路的情况下，测定负载电阻中流过的电流。负载电阻RL已知，我们只要用电压表V测得RL两端的电压U，即可由公式I=U/RL算出负载中的电流。17（3）组合测量：混合应用直接测量和间接测量的方法。在测量两个及以上的未知数时，通过不同的测量条件得到一组方程组，求解得到测量结果。例如：测量某导体阻抗的温度系数，导体电阻R与温度T的函数关系为Rt=R20{1+α(t-20)+β(t-20)2}R20为20℃下的阻值，α，β为导体的温度系数，现求α，β可采用组合测量的方法，先测出R0，R20，R50建方程：Rt=R20{1+α(0-20)+β(0-20)2}-----（1）Rt=R20{1+α(50-20)+β(50-20)2}-----（2）从联立方程中可解出α，β222182.按测量读数的获得方式分：（1）直接测量法：直接测量是一个直接的比较过程，所测到的量值就是它最终所需要得到的被测量的值。直接测量从测量仪表直接得到测量结果，准确度一般或较低。19（2）比较测量法：差值法，零值法，替代法，特点为标准量直接参与测量，准确度较高。调零测量（零值法）调零测量法的原理是，将一个校对好的基准源与未知的被测量进行比较，并调节其中之一，使二量值的差为零，这样，从基准源的读数即可推算出被测量的值。以图为例，U为标准电压源，R1和R2是标准分压电阻，A为电流表。测量时，通过调节R1和R2的比例，使电流表指示为零，这时212RRRUUx＋－U待测电压源＋－R1R2AUx20如图所示采用间接测量法，流过电流表的电流为IA，则被测电压为Ux=IAR，测量结果的好坏和电流表的技术等级有着直接的联系。A待测电压源＋－IARUx21替代法:例：替代法测量电阻………….特点：标准量直接参与，测量准确度高，但设备较贵，过程复杂。其他还有交换法，补偿法等223.按测量性质分：（1）时域测量：测量被测量随时间的变化规律。（2）频域测量：测量被测量随频率的变化规律。（3）数据域测量：逻辑量测量。231.2测量单位及测量基准要使测量准确可靠，必须要有统一的计量单位，即必须建立一个统一的标准。1.2.1单位及单位制根据定义而令系数为1的量称为单位。单位是表征测量结果的重要组成部分，又是对两个同类量值进行比较的基础。241.国际单位制（SI）1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI。1984年2月国务院颁布了《中华人民共和国法定计量单位》，决定我国法定计量单位以国际单位制为基础。SI有7个基本单位SI基本单位SI单位SI导出单位国际单位制SI辅助单位SI词头-----SI单位的十进倍数和十进分数SI基本单位的名称，符号，定义表1-125国际单位制基本单位26(3)以下是最常用的国际单位制的导出量：频率，基本单位为赫兹（Hz）;功率，基本单位为瓦特（W）;电荷量，基本单位为库仑（C）;电位，基本单位为伏特（V）;电容，基本单位为法拉（F）;电阻，基本单位为欧姆（Ω）;电导，基本单位为西门子（S）;磁通量，基本单位为韦伯（Wb）;磁通量密度，基本单位为特斯拉（T）;电感，基本单位为亨利（H）。等共16个27国际单位制是由国际单位制单位、国际单位制词头和国际单位制的十进倍数单位三部分组成。国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。例：5.4X10-9s=5.4ns281.2.2电学量具1.量具的基本概念：以固定形式复现量值的计量器具，作用为维持单位的统一，保证量值准确传递。（1）基准：用现代科学技术能达到的最高准确度来复现和保存计量单位的计量器具。基准用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。(1)一级基准，又称主基准和国家基准具有最高水平的基准。一个国家只有一个。(2)二级基准，又称副基准副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对(3)三级基准，又称工作基准工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递，用以检定下属计量标准量具的精确度。29（2）.标准根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准量具或仪器，简称标准。检定用计量器具。计量标准的准确度等级在工作基准之下，工作计量器具之上。按精度高低又分为一级标准、二级标准和三级标准。通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检定，确定其量值的精确度大小。除标准器具外，还有标准物质。（3）.工作量具：日常测量中使用的计量器具，标准电池，标准电阻等。30几个术语（1）计量器具：凡是能用以直接或间接测出被测对象量值的量具、计量仪器和计量装置都统称为计量器具。计量器具按作用可分为计量基准、计量标准和工作计量器具三类。（2）计量标准器具：准确度低于计量基准，用于检定计量标准或工作计量器具的计量器具。（3）工作计量器具：工作岗位上使用，不用于进行量值传递，而是直接用来测量被测对象量值的计量器具。31（4）比对：在规定条件下，对相同准确度等级的同类基准、标准或工作计量器之间的量值进行比较，其目的是考核量值的一致性。（5）检定：是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较，以达到全面评定被检计量器具的计量性能是否合格的目的。一般要求计量标准的准确度为被检者的1/3到1/10。（6）校准：校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标准相比较，以确定被校计量器具的示值误差（有时也包括确定被校器具的其他计量性能）的全部工作。（7）量值的传递：指一个物理量单位通过各级基准、标准及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量仪器、量具，以保证量值统一的全过程。32☆测量基准的权威性和相对性1.基准的权威性基准的理论定义最严格、制作工艺技术最先进。原器基准自身也会随时间、地点、环境条件而变化，甚至会损坏，会失传。从现代科学的观点来看，最好的基准是原子基准。2.基准的相对性一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科学水平例：以太阳为基准，时间测量的精确度1天内可达到1秒钟。而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过1秒。33☆测量标准的传递中国计量院中国测试院国家标物中心授权基准实验室大区国家计量中心省级计量所市（地）计量所分站县（区）计量所工矿企业、商店、研究院所、医院、学校等国防计量中