測量技術(shù)概述方案

第一節(jié)測量的基本概念

第二節(jié)測量系統(tǒng)組成

第一章測量技術(shù)概述第三節(jié)測量儀器的主要性能指標(biāo)第四節(jié)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)測試技術(shù)與系統(tǒng)簡述第一節(jié)測量的基本概念一、測量的定義二、測量過程及變換三、測量方法四、測量方法的選擇原則第一節(jié)測量和測量方法一、測量的定義

所謂測量就是人們借助專門的技術(shù)工具，通過試驗(yàn)和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，將被測量x0以測量單位U的倍數(shù)μ顯示出來的過程，即

x0＝μU

——測量的基本方程式

被測量比值測量單位

比值μ

稱為被測量的真實(shí)數(shù)值，即真值。由于測量誤差的存在，被測量的真值μ

只能近似地等于其測量值x，即上式變?yōu)閤0≈xU。

測量單位是人們約定選取的固定同類量，它有明確的定義和名稱，并令其數(shù)值為1。正因?yàn)閱挝皇且环N約定，所以長期以來同一種量在不同的國家（或不同的地區(qū)）、在不同的時(shí)期存在著不同的單位。

為便于生產(chǎn)、貿(mào)易與科技的往來，經(jīng)過人們的努力，終于在世界上建立了若干統(tǒng)一的單位制。其中由國際計(jì)量委員會(huì)（CIPM）建議的“國際單位制”就是一種被各國認(rèn)可并得到普遍使用的單位制。

單位又包含基本單位（基本量的單位）和導(dǎo)出單位（由基本單位組合表示的單位）。

目前國際上使用的基本單位有7個(gè)，即

長度單位——米（m）質(zhì)量單位——千克（kg）時(shí)間單位——秒（s）電流單位——安培（A）熱力學(xué)溫度單位——開爾文（K）光強(qiáng)度單位——坎德拉（cd）物質(zhì)量的單位——摩爾（mol）

由于比值μ是被測量與測量單位的比值，因此，當(dāng)選用的測量單位不同時(shí)，比值μ也將發(fā)生改變。欲使測量結(jié)果有意義，測量必須滿足下列要求。

⑴應(yīng)選擇合理的測量方法。⑵測量單位必須是穩(wěn)定的，并且是國家法定或國際公認(rèn)的。⑶所用的測量工具必須足夠準(zhǔn)確，并事先經(jīng)過檢定。

二、測量方法

測量方法是實(shí)現(xiàn)被測量與測量單位（亦稱標(biāo)準(zhǔn)量）比較的方法。測量方法有不同的分類。

1、按照獲得測量結(jié)果的方法不同分類

1）直接測量

將被測量直接與測量單位進(jìn)行比較，或用預(yù)先標(biāo)定好的測量儀器進(jìn)行測量，從而直接求得被測量數(shù)值的方法，稱直接測量法。

直接測量法又分為直讀法和比較法兩種。

（1）直讀法

直接從測量表上讀得結(jié)果，如從壓力計(jì)、溫度計(jì)上直接讀得壓力值和溫度值。

（2）比較法

不直接從測量儀表上讀得測量結(jié)果，而是與某一已知量或標(biāo)準(zhǔn)量具進(jìn)行比較。

測量過程比較麻煩，但測量儀表本身的誤差以及其他某些誤差往往在測量過程中抵消，故測量精度一般比直讀法高。

比較法又分以下3種方法：零值法：使被測量對(duì)儀表的影響被同類的已知量的影響相抵消，則被測量等于已知量。如惠斯登電橋測量電阻就是一個(gè)典型例子。

差值法：從儀表上直接讀出兩量之差值即為所求之量。如U型液柱式差壓計(jì)測量介質(zhì)的壓差。替代法：用已知量代替被測量，使兩者對(duì)儀表的影響相等，則被測量等于已知量。如光學(xué)高溫計(jì)測量溫度。

2）間接測量

通過直接測量與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的各變量，然后將測得的數(shù)值代入函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，從而求得測量值的方法。如電功率的測量。

間接測量費(fèi)時(shí)費(fèi)事，常在下列情況下使用：直接測量不方便，或間接測量的結(jié)果較直接測量更為準(zhǔn)確，或缺少直接測量儀器等。

3）組合測量

當(dāng)某項(xiàng)測量結(jié)果需用多個(gè)未知參數(shù)表達(dá)時(shí)，可通過改變測量條件進(jìn)行多次測量，根據(jù)測量量與未知參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系列出方程組并求解，進(jìn)而得到未知量。

如電阻器電阻溫度系數(shù)的測量，已知電阻器阻值Rt與溫度t滿足關(guān)系可通過聯(lián)立方程組求解溫度系數(shù)。

2、按照測量狀態(tài)及條件分類

1）按等精度和非等精度分類

在實(shí)驗(yàn)中，按測量條件是否改變，可以分成等精度測量和非等精度測量。

在完全相同條件（測量者、儀器、測量方法、環(huán)境等）下進(jìn)行一系列重復(fù)測量稱為等精度測量。

反之，在多次測量中測量條件不盡相同，則稱測量為非等精度測量。2）按動(dòng)態(tài)（瞬變）和穩(wěn)態(tài)分類

如果被測物理量的值不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化極其緩慢，則稱這些數(shù)為穩(wěn)態(tài)參數(shù)。

若在測量過程中被測量隨時(shí)間變化明顯，則這種測量稱為動(dòng)態(tài)測量。

相對(duì)于穩(wěn)態(tài)測量，動(dòng)態(tài)參數(shù)測量更為困難。不僅在于動(dòng)態(tài)參數(shù)本身的變化是復(fù)雜的，而且對(duì)測量系統(tǒng)的要求更高，不僅要考慮測量系統(tǒng)靜態(tài)特性，還要關(guān)注測量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。3）按測量點(diǎn)不同分類

在工程測量中，對(duì)某些參數(shù)只要測量一個(gè)點(diǎn)即可表示整個(gè)平面或空間的物理狀態(tài)，稱為點(diǎn)參數(shù)測量。有些量是以空間或平面不均勻分布，必須進(jìn)行多點(diǎn)測量，稱為場測量。

4）模擬測量與數(shù)字測量系統(tǒng)第二節(jié)測量系統(tǒng)組成一、感受元件部分二、轉(zhuǎn)換和處理部分三、顯示和記錄部分第二節(jié)測量系統(tǒng)組成

一般來說，為了測量某一被測量的值，根據(jù)測量的精度要求，將若干測量設(shè)備（包括測量儀表、裝置、元件及輔助設(shè)備等）按照一定的方式連接起來，這種連接組合即構(gòu)成了一種測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)都是為一定的測量目的與要求而設(shè)計(jì)的。因此，測量的目的與要求不同，所使用的儀表也會(huì)有懸殊的差別。

就測量過程中測量系統(tǒng)各部分不同的作用看，一般測量系統(tǒng)都可由四個(gè)部分組成。

1、感受元件部分（敏感元件）

感受元件與被測對(duì)象直接發(fā)生聯(lián)系，接收來自被測介質(zhì)的能量，并將其產(chǎn)生一個(gè)以某種方式與被測量有關(guān)的輸出信號(hào)。

感受元件包含兩個(gè)必不可少的功能，即拾取信息和把拾取到的信息進(jìn)行變換。

感受元件輸出的信號(hào)一般是隨被測信號(hào)變化的另一種物理變量如位移、壓差、電壓等。變換有以下兩種方式：

（1）非電信號(hào)的變換：如水銀溫度計(jì)中的水銀將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為水銀柱位移信號(hào)。

（2）電信號(hào)的轉(zhuǎn)換：如熱電偶溫度傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為mv信號(hào)。

一般對(duì)感受元件有以下要求：

（1）感受元件的輸入與輸出應(yīng)有確定的單值函數(shù)關(guān)系。（2）感受元件應(yīng)只對(duì)被測量的變化敏感，而對(duì)其他一切非被測的輸入信號(hào)不敏感。（3）感受元件應(yīng)該不影響或盡量少影響被測介質(zhì)的狀態(tài)。（4）它必須隨被側(cè)參數(shù)的變化而發(fā)生相應(yīng)內(nèi)部變化。

2、轉(zhuǎn)換和處理部分

根據(jù)感受部分和顯示部分的需要，將感受元件輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成顯示部分易于接收的信號(hào)。

對(duì)不同的測量系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換和處理一般有兩種形式：

（1）非電量的轉(zhuǎn)換：彈簧管壓力計(jì)的測量。

（2）電量的轉(zhuǎn)換與處理：熱電阻配動(dòng)圈儀表測量溫度。

3、顯示和記錄部分

這部分的功能是把被測量的信息顯示出來。

顯示分模擬顯示和數(shù)字顯示。

模擬顯示一般是指指針式儀表、示波器等。

數(shù)字顯示器常用的是數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)等。

微機(jī)的CRT顯示既能顯示模擬信號(hào)（如波形、圖形等），也能顯示數(shù)字信號(hào)和文字。

4、信號(hào)傳輸部分

對(duì)于整個(gè)測量系統(tǒng)，需要把信號(hào)從感受部分傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換和處理部分，最后傳輸?shù)斤@示部分。這之間的信號(hào)傳輸一般是以導(dǎo)線、導(dǎo)管、光導(dǎo)纖維、無線電通訊等形式聯(lián)結(jié)各個(gè)部分，從而完成一個(gè)完整的測試系統(tǒng)。第四節(jié)

測量儀器的主要性能指標(biāo)一、測量系統(tǒng)基本靜態(tài)特性

一般情況下，測量系統(tǒng)的基本靜態(tài)特性可以用下述的代數(shù)方程來描述：

式中：y為輸出量；x為系統(tǒng)輸入量；為零位輸出；為系統(tǒng)靈敏度；為非線性項(xiàng)的待定系數(shù)，i=1,2,…n。

對(duì)于理想測量系統(tǒng)，要求其靜態(tài)特性曲線應(yīng)該是線性的，在這種情況下，，由此得到。

二、測量系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標(biāo)

儀表的質(zhì)量，可以用它的技術(shù)性能指標(biāo)來衡量，選擇和使用檢測儀表，也要用技術(shù)性能指標(biāo)作依據(jù)，因此需要了解儀表的技術(shù)性能指標(biāo)。

1、量程

測量系統(tǒng)所能給出的被測量值的集合稱為測量范圍。其能測量的最大輸入量和最小輸入量分別稱為測量上限和測量下限。測量上限和測量下限代數(shù)差的模稱為測量系統(tǒng)的量程。2、儀表的基本誤差

儀表的基本誤差是指在規(guī)定的技術(shù)條件下（所有影響量在規(guī)定值范圍內(nèi)），儀表全量程指示值中的最大引用相對(duì)誤差，即式中△Xmax——儀表全量程指示值中的最大絕對(duì)誤差值。

3、儀表的準(zhǔn)確度（精度）等級(jí)根據(jù)儀表設(shè)計(jì)和制造的需要，廠家對(duì)出廠的儀表規(guī)定了其基本誤差不得超過某一允許值，這個(gè)規(guī)定的允許值稱為儀表的允許誤差。

儀表允許誤差的大小表明了保證該儀表的示值所能達(dá)到的精確程度。因此，一般儀表的精度等級(jí)就是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小來劃分的，即用儀表允許誤差去掉百分號(hào)后的數(shù)字表示儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)。

例如，精度等級(jí)為0.5級(jí)的儀表，其允許誤差為±0.5％，即該儀表各點(diǎn)示值的絕對(duì)誤差均不得超過儀表量程的±0.5％。我國儀表工業(yè)目前采用的準(zhǔn)確度等級(jí)序列為：0.005、0.01、0.02、0.04、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0。

對(duì)確定了準(zhǔn)確度等級(jí)的儀表，測量值絕對(duì)誤差最大值與該儀表量程有關(guān)，因此儀表量程不能選擇過大。

儀表的選用原則：

假設(shè)儀表的精度等級(jí)為s，儀表的量程為0～xn，測量點(diǎn)為x，則儀表在x點(diǎn)鄰近處的示值誤差為：

一般x≤

xn，因此x越接近xn，測量準(zhǔn)確度越高，即被測量越靠近測量上限，測量相對(duì)誤差越小。

因此，儀表量程不能選擇過大，為保證實(shí)際測量的精確度及考慮到使用上的安全，一般檢測儀表的經(jīng)常工作點(diǎn)（測量示值）應(yīng)在儀表量程的2/3～3/4處，對(duì)壓力表應(yīng)有較大的安全系數(shù)，可經(jīng)常工作在儀表量程的1/2～2/3處。

測量的正確度、精密度、準(zhǔn)確度、不確定度

1）正確度

在等精度條件下對(duì)同一被測量進(jìn)行多次測量，測量值偏離真值的程度稱正確度。一般可由系統(tǒng)誤差的大小來表征。系統(tǒng)誤差大，測量正確度低。

2）精密度

在等精度條件下對(duì)同一被測量進(jìn)行多次測量，測量值重復(fù)一致的程度稱精密度。一般可由隨機(jī)誤差的大小來表征。隨機(jī)誤差大，測量正確度低。

3）準(zhǔn)確度

準(zhǔn)確度是隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的綜合反映，同樣也是正確度和精密度的綜合反映，表示測量結(jié)果與真值的一致程度。準(zhǔn)確度高意味者正確度和精密度都好。

圖1－5正確度、精密度、準(zhǔn)確度之間的關(guān)系

4、儀表的變差（恒定度）

在規(guī)定的條件下，用同一儀表對(duì)被測量進(jìn)行正、反行程的測量，即采用單方向逐漸增大和逐漸減小被測量的方法，使儀表從不同的方向反映同一被測量的示值。對(duì)某一測量點(diǎn)所得到的正、反行程兩次示值之差稱為該測量點(diǎn)上的遲滯差值。正行程：測量系統(tǒng)的輸入量從量程下限增至量程的上限的測量過程。反行程：測量系統(tǒng)的輸入量從量程上限減少至量程的下限的測量過程。

變差用全量程中最大的遲滯差值△yHmax與滿量程輸出值之比的百分?jǐn)?shù)表示：

變差是由于系統(tǒng)內(nèi)部部件存在著摩擦、間隙等原因而造成死區(qū)所致。它是反映精密度的一個(gè)指標(biāo)。

5、儀表的靈敏限（分辨力）

儀表響應(yīng)輸入量微小變化的能力稱為儀表的分辨力。分辨力是指能引起儀表指示器發(fā)生可見變化的被測量的最小變化量。

儀表的分辨力不足將引起分辨誤差，即在被測量變化到到某一數(shù)值時(shí)，儀表示值仍不變化，這個(gè)不能引起輸出變化的的輸入信號(hào)的最大幅度，稱為儀表的不靈敏區(qū)（或死區(qū)）。分辨力與靈敏度都與儀表的量程有關(guān)，并和儀表的精度等級(jí)相適應(yīng)。一般儀表的分辨力不大于儀表允許絕對(duì)誤差的二分之一。問：某測量范圍是0～100MPa的壓力表，其滿量程時(shí)指針轉(zhuǎn)角為270度，它的靈敏度是多少？2.7度/MPa

分辨力與靈敏度都與儀表的量程有關(guān)，并和儀表的精度等級(jí)相適應(yīng)。一般儀表的分辨力不大于儀表允許絕對(duì)誤差的二分之一。

7、線性度

在理想情況下，測量系統(tǒng)的輸出與輸入之間關(guān)系是一條直線，而實(shí)際是一條曲線。該曲線通過靜態(tài)校準(zhǔn)獲得，故也稱為校準(zhǔn)曲線。測量系統(tǒng)的線性度就是衡量這條校準(zhǔn)曲線和理論直線不吻合程度的，常以相對(duì)誤差形式表示。

線性度用全量程范圍內(nèi)測量系統(tǒng)實(shí)際校準(zhǔn)曲線和線性理論曲線之間的最大偏差絕對(duì)值與該系統(tǒng)滿量程輸出值之比值的百分?jǐn)?shù)來表征，為

儀表的線性示意圖（a）儀表輸入輸出實(shí)際特性曲線（b）理論特性曲線8、漂移

在一定的環(huán)境和工作條件下，測量系統(tǒng)的輸入量固定不變時(shí)，其輸出量卻發(fā)生變化，這種變化稱為漂移。

漂移往往是由于測量系統(tǒng)內(nèi)部溫度變化或零（元）件性能不穩(wěn)定