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第一章测量与测量系统的基础知识1、测量1）测量：就是被测量和同类标准量进行比较的一个实验过程。2）测量结果：测量结果由两部分组成，即测量单位和与此测量单位相适应的数字值，一般表达式为：测量结果={测量数值}测量单位，该式通常称为测量的基本方程式。3）测量的三要素：测量对象，测量方法，测量设备。4）测量过程三阶段：准备阶段，测量阶段，数据处理阶段。5）测量方法的分类：①按测量结果的获取方法分类直接测量（电压表测电压，温度计测温度），间接测量（伏安法测电阻），组合测量（电阻的温度系数测量）②按测量读数的获取方法分类直读测量法，比较测量法③按测量性质分类时域测量，频域测量，数据域测量2、测量单位1）测量单位：测量单位是以定量表示同类量而约定采用的特定值。这个特定值的量值，其数值等于1，其量值大小是约定的，或用法令形式规定的。2）单位体系构成：由基本单位和导出单位构成，这一单位体系的集合称之为单位制3）国际单位制①构成：国际单位制：SI单位：SI基本单位7个SI导出单位19个SI辅助单位2个SI词头——SI单位的十进倍数和十进分数单位16个②SI基本单位米（m），秒（s），千克（kg），安[培]（A），开[尔文]（K），摩[尔]（mol），凯[德拉]（cd）③SI导出单位赫[兹]（Hz），牛[顿](N），帕[斯卡]（Pa），焦[耳]（J），瓦[特]（W），库[仑]（C），伏[特]（V），法[拉]（F），欧[姆]（Ω），西[门子]（S），韦[伯]（Wb），特[拉斯]（T），亨[利]（H），摄氏度（℃），流[明]（lm），勒[克斯]（lx）④SI辅助单位弧度（rad），球面度（sr）⑤SI词头1024尧[它]（Y），1021泽[它]（Z），1018艾[克萨]（E），1015拍[它]（P），1012太[拉]（T），109吉[咖]（G），106兆（M），103千（k），102百（h），101十（da），10-1分（d），10-2厘（c），10-3毫（m），10-6微（μ）10-9纳[诺]（n），10-12皮[可]（p），10-15飞[母托]（f），10-18阿[托]（a）*注：词头永远不准单独使用，质量单位（kg）是唯一带有词头的单位名称，但kg并不是倍数单位而是SI单位。3、计量器具1）计量器具：计量器具是计量仪器、量具、计量物质及计量装置的总称。2）电学计量常用的工作量具：标准电池，标准电阻，标准电容，标准电感。3）基准电压源基准电压源的最重要的性能是准确性和稳定性。目前广泛应用的基准电压源有齐纳二极管和集成电压基准。4）标准电阻标准电阻通常有四个接线端，C，C’是电流端钮，供接入电路构成电流通路用，P，P’是电位端钮，仅供测量电阻两端电压用。制作标准电阻的最佳材料：锰铜电阻丝5）标准电感标准电感通常有绝缘铜导线在大理石或陶瓷框架上绕制而成。第二章测量误差及其分析1、测量误差的几个名词术语1）真值：标准物理量与给定的特定量的定义一致的量值。真值是客观存在，但是不可测量的。经常使用“约定真值”和“相对真值”来代替真值。约定真值是按照国际公认的单位定义，利用科学技术发展的最高水平所复现的单位基准。相对真实也叫实际值，是在满足规定准确度时用来代替真实使用的值。2）误差公理：一切测量都具有误差，误差自始至终存在于所有科学试验的过程中。3）准确度：是测量结果中系统误差和随机误差的综合，表示测量结果与真值的一致程度。准确度涉及到真值，由于真值的不“可知性”，所以它是一个定性的概念，而不能用定量表达。2、测量误差的分类1）测量误差一般按其性质分为系统误差、随机误差和粗大误差2）系统误差概念：系统误差是在重复性条件下，对同一物理量的无限多次测量结果的平均值减该被测量的真值。性质：大小，方向恒定不变或按一定规律变化，可预知、可修正。3）随机误差概念：随机误差是测量示值减去在重复条件下同一被测量无限多次测量的平均值。性质：误差是随记的、可变的，不可预知、不可修正，但可用统计学方法处理。4）粗大误差概念：粗大误差是明显超出了规定条件下预期的误差，它是统计异常值。性质：明显偏离真值，应剔除。3、数据的舍入规则。小于5舍去。大于5进1。等于5则应用偶数法则，末位是偶数，则末位不变；末位是奇数，则末位增加1补：有效数字：所有准确数字和一位欠准确数字。4、系统误差的消除1）从产生系统误差的来源上消除（减弱或消除系统误差的最基本方法）①选择高准确度等级的仪器设备②使仪器设备工作在其规定的工作条件下③选择合适的测量方法④提高测量人员的测量素质2）利用修正方法来消除（即利用修正值）3）利用特殊的测量方法消除：替代法，差值法，正负误差补偿法，对称观测法，迭代自校法5、随机误差的处理1）随机误差一般工程测量中，系统误差远大于随机误差；在精密测量中，系统误差可以忽略。2）随机误差统计特性：总体服从统计学规律，具有有界性，单峰性，对称性，抵偿性。3）随机变量的两个重要特征参数：数学期望和方差（标准偏差）。数学期望体现了随机变量分布中心的位置，而方差反映了随机变量对分布中心的离散程度。第三章测量系统的基本特性1、静态特性：测量系统的输入为不随时间变化的恒定信号，测量系统输入与输出之间呈现的关系就是静态特性。动态特性：测量系统的输入为随时间变化的信号，测量系统输入与输出之间呈现的关系就是动态特性。2、系统的静态特性1）零位（点）：当输入家为零时，即x=0，测量系统的输出量不为零的数值。y=S0+S1x+S2x2+…可得零位值y=S0，零位值应从测量结果中设法消除。2）灵敏度：描述测量系统对输入量变化反应的能力。通常由测量系统的输出变化量Δy与引起该输出量变化的输入变化量Δx之比值S来表征。3）分辨率（又称灵敏度阈）：它表征测量系统有效辨别输入量最小变化量的能力。4）量程（又称满度值）：表征测量系统能够承受最大输入量的能力。3、静态系统的质量指标1）迟滞：表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大（正行程）或由大小到（反行程）两者静态特性不一致的程度。2）重复性：表征测量系统输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，静态特性不一致的程度。3）线性度（又称非线性误差）：表示测量系统静态特性对选定拟合直线的接近程度。4）准确度：测量系统的准确度，俗称精度，一般用准确度等级指数来表征或用不确定度来表征。5）可靠性：一台装置的可靠性是指装置可在规定的时期内及在保持其运行指标不超限的情况下执行其功能的性能。可靠性指标：①平均无故障时间MTBF（MeanTimeBetweenFailurs）在标准工作条件下不间断地工作，直到发生故障而失去工作能力的时间称作无故障时间。如果取若干次（或若干仪器）无故障时间求平均值，则为平均无故障时间，它表示相邻两次故障间隔时间的平均值。②可信任概率P③故障率或失效率它是MTBF的倒数④有效度或失效率6）稳定性和影响系数7）输入电阻与输出电阻4、常见测量系统的数字模型1）一阶系统的特征参数：τ——时间常数2）二阶系统的特征参数：ω0——固有角频率ζ0——阻尼比第四章现代测控系统集成基础1、温度传感器1）常用的温度传感器有：热电阻型和热电偶型两种2）热电阻型温度传感器：工作原理是利用金属导体或半导体的电阻值随温度变化的特性，制成测量温度的传感器。目前最广泛应用的热电阻：金属热电阻，热敏电阻3）热电偶型温度传感器：热电偶型温度传感器利用热电效应将被测物理量（温度）直接转换为电势，属于一种能量转换型传感器，是一种应用非常广泛的测温传感器热电偶基本定律：①匀质导体定律：由一种匀质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不能产生热电势②中间导体定律：当热电偶回路中插入第三种导体C时，只要导体C两端的温度相同，热电偶回路热电势的大小和方向都不变③中间温度定律：两端温度为Tn，Tc的热电偶的热电势等于同种热电偶在两端温度分别为Tn，Tm和Tm，Tc时的两个热电偶热电势之和，Tm和Tn和Tc之间的任一温度热电偶常用冷端补偿法：0℃恒温法（通常有两种：冰水混合物或半导体制冷器），冷端温度实时测量计算修正法，补偿导线法2、电阻式压力传感器1）电阻式压力传感器分类：应变式电阻压力传感器，压敏式电阻压力传感器2）应变式电阻压力传感器：应变式电阻压力传感器又称应变片。工作原理：在外力F作用下，金属丝产生机械变形，其电阻值由此发生变化。3）压阻式电阻压力传感器：根据半导体材料的压阻效应制成的4）压阻式压力传感器的特点：高频响，高灵敏度，小体积5）压力传感器常用调理电路：电桥电路3、保持采样电路1）保持采样器的作用A/D转换器在对其模拟输入信号进行数字信号转换总是需要一定的完成时间。这样A/D转换器完成一次转换期间，其输入模拟信号应当维持不变或缓慢变化，变化范围不超出A/D转换器的一个量化值，否则将会引起A/D转化器的输出不稳定，甚至不能正常工作。采样保持器的作用就是捕获模拟输入量在采样时刻的数值，且将该数值维持不变送入A/D转换器输入口，维持时间至少大于A/D转换器的转换时间。2）采样保持器的主要参数①孔径时间TAP在保持命令发出后，到逻辑输入控制的开关完全断开所需要的时间称为孔径时间。由于该时间的存在，采样时间被延长了。②孔径时间的不定性③捕捉时间④保持电压的下降速率4、热点效应将两种不同材料的金属导体A、B串接成一个闭合回路。当两个结点处于不同温度即T≠T0时，导体在回路中产生热电势和相应的热电流，这一现象称为热电效应或称温差电效应。第五章虚拟仪器及开发语言1、虚拟仪器的通用仪器硬件平台构成方式：虚拟仪器由计算机、仪器硬件和应用软件三部分组成。其中计算机和仪器硬件又合称为通用仪器硬件平台。构成方式：1）PC-DAQ系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系统。2）GPIB系统是以GPIB标准总线仪器与计算机仪器硬件平台组成的测试系统。3）VXI系统是以VXI标准总线仪器与计算机仪器硬件平台组成的测试系统。4）串口系统是以Serial标准总线仪器与计算机仪器硬件平台组成的测试系统。5）现场总线系统是以Fieldbus标准总线仪器与计算机仪器硬件平台组成的测试系统。2、虚拟仪器的特点1）在通用硬件平台确定的基础上，用软件取代传统仪器中由硬件完成的功能2）仪器的功能是用户根据需要又软件来定义，而不是事先有厂家定义好的3）仪器性能的该进和更新往往只需在原有通用硬件平台的基础上，进行相关软件的设计更新，而不需购买新的仪器4）研制周期较传统仪器大为缩短5）模拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可在网络及其他周边设备互联第六章信号分析与处理1、周期信号频谱的特点：1）离散性频谱由频率离散而不连续的谱线组成，称为离散频谱或线谱2）谐波性各次谐波分量的频率都是基波频率ω0的整数倍，且相邻谐波的频率间隔为ω03）收敛性指谱线幅度n→∞而衰减到零，因此具有收敛性或衰减性2、频谱混叠1）频谱混叠：假设连续信号y(t)的最高频率为Fmax，则当fs2Fmax时，频谱图中高频与低频部分发生重叠，这种现象称之为频谱混叠。一旦发生频谱混叠，信号复原时将丢失原始信号中的高频信息。反之，当采样频率fs≥2Fmax时，频谱则不会发生混叠。2）频谱混叠抑制措施——采样定理为了保证采样后的信号能真是地保留原始模拟信号的信息，采样信号的频率必须至少为原始信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。3、频谱泄露1）频谱泄露：被分析信号往往是非时限的，但在对信号进行DFT计算时，所处理的信号都是有限长的，这时需要对信号进行截短。经矩形窗函数截短后信号的频谱就是将窗函数的频谱沿频域轴搬移±ω0。这样，信号x(t)经截短后，其频谱由原来分别在±ω0处的一根线谱变成了中心频率分别在±ω0处的两个sinc函数的叠加。原来全部能量集中在±f0处，现在分散到全部频率轴上，这种现象称为“泄露”2）频谱泄露抑制措施①增大采样长度加大矩形窗宽度可以使泄露减小，但无限加宽窗口等于不截短，因此不能无限加宽窗口来减小泄露。②合理选择窗函数③合理选择截取长度4、栅栏效应1