計(jì)量學(xué)基礎(chǔ)課程課件4

1、主講人:鄧華夏計(jì)量學(xué)基礎(chǔ)儀器的結(jié)構(gòu)和組成儀器的結(jié)構(gòu)和組成v儀器的總體構(gòu)成及其計(jì)量鏈儀器的總體構(gòu)成及其計(jì)量鏈v1 儀器的總體構(gòu)成儀器的總體構(gòu)成v儀器并沒(méi)有很固定的構(gòu)成模式。但是典型的計(jì)儀器并沒(méi)有很固定的構(gòu)成模式。但是典型的計(jì)量器具從總體構(gòu)成來(lái)說(shuō)量器具從總體構(gòu)成來(lái)說(shuō),一般可以分為三個(gè)主要部一般可以分為三個(gè)主要部分。分。 計(jì) 量 對(duì)象輸 入 部分中 間 變換 部 分輸 出 部分觀 察 者計(jì) 量 器 具v計(jì)量器具的第一部分是輸入部分（包括傳感計(jì)量器具的第一部分是輸入部分（包括傳感器器,檢測(cè)器或計(jì)量變換器）檢測(cè)器或計(jì)量變換器）,它把被計(jì)量的信息轉(zhuǎn)它把被計(jì)量的信息轉(zhuǎn)變成便于下一步處理的信號(hào)。第二部分是中間

2、變變成便于下一步處理的信號(hào)。第二部分是中間變換部分（也稱二次變換部分）換部分（也稱二次變換部分）,它把輸入部分出它把輸入部分出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大,濾波濾波,調(diào)制解調(diào)調(diào)制解調(diào),運(yùn)算運(yùn)算,分析或分析或其他二次變換其他二次變換,使之適合于輸出的需要。使之適合于輸出的需要。v 第三部分是輸出部分（也稱終端變換部分第三部分是輸出部分（也稱終端變換部分,包包括指示裝置和記錄裝置）括指示裝置和記錄裝置）,它將被計(jì)量的等效信它將被計(jì)量的等效信息提供給觀察者或電子計(jì)算機(jī)。息提供給觀察者或電子計(jì)算機(jī)。v在電計(jì)量?jī)x器中在電計(jì)量?jī)x器中,計(jì)量信號(hào)是該儀器內(nèi)被計(jì)量計(jì)量信號(hào)是該儀器內(nèi)被計(jì)量量的代表量的代表,常

3、常把輸入到儀器的信號(hào)稱為激勵(lì)常常把輸入到儀器的信號(hào)稱為激勵(lì),把把儀器的輸出信號(hào)稱為響應(yīng)。儀器的輸出信號(hào)稱為響應(yīng)。 vv從計(jì)量器具的總體構(gòu)成來(lái)看從計(jì)量器具的總體構(gòu)成來(lái)看,可以認(rèn)為它是包含許可以認(rèn)為它是包含許多環(huán)節(jié)的計(jì)量鏈。計(jì)量鏈?zhǔn)怯?jì)量?jī)x器或計(jì)量裝置中的多環(huán)節(jié)的計(jì)量鏈。計(jì)量鏈?zhǔn)怯?jì)量?jī)x器或計(jì)量裝置中的一系列單元一系列單元,它們構(gòu)成計(jì)量信號(hào)從輸入到輸出的通道它們構(gòu)成計(jì)量信號(hào)從輸入到輸出的通道。例如由傳聲器。例如由傳聲器,衰減器衰減器,濾波器濾波器,放大器和電壓表組成放大器和電壓表組成的電聲計(jì)量鏈。的電聲計(jì)量鏈。v 用毫伏計(jì)作為指示機(jī)構(gòu)或指示單元的熱電溫度計(jì)用毫伏計(jì)作為指示機(jī)構(gòu)或指示單元的熱電溫度計(jì),具

4、有這樣的計(jì)量鏈：具有這樣的計(jì)量鏈： 熱電偶：熱電偶： 熱電溫度計(jì)的計(jì)量鏈方框圖 上面給出了串聯(lián)式計(jì)量鏈,它比較簡(jiǎn)單明了。而在許多情況下,計(jì)量鏈?zhǔn)潜容^復(fù)雜的,不僅有串聯(lián),而且有并聯(lián),甚至還帶有反饋。它是溫度傳感器,也是第一個(gè)變換單元,把溫度T變換成電動(dòng)勢(shì)E； 閉合電路：它是中間變換單元,在電動(dòng)勢(shì)E的作用下產(chǎn)生電流I； 毫伏計(jì)的電磁系統(tǒng)： 它也是中間變換單元,把電流I變換成力偶M； 彈簧等：它是指示單元,把力偶M變換成觀察者可以直接感受的溫度。熱 電 偶閉 合電 路毫 伏 計(jì)電 磁 系 統(tǒng)毫 伏 計(jì)指 示 機(jī) 構(gòu)TEIMv 1 傳感器和計(jì)量變換器傳感器和計(jì)量變換器v 傳感器是計(jì)量?jī)x器或計(jì)量鏈中直接

5、作用于被計(jì)量的量的元件。傳感器是計(jì)量?jī)x器或計(jì)量鏈中直接作用于被計(jì)量的量的元件。v 有些被計(jì)量的量是不能直接計(jì)量或直接計(jì)量時(shí)準(zhǔn)確度不高。比有些被計(jì)量的量是不能直接計(jì)量或直接計(jì)量時(shí)準(zhǔn)確度不高。比如溫度如溫度,流量流量,加速度等量加速度等量,直接同它們的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較是相當(dāng)直接同它們的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較是相當(dāng)困難的困難的,因此需要傳感器變換成易于處理因此需要傳感器變換成易于處理,易于與標(biāo)準(zhǔn)量比較的易于與標(biāo)準(zhǔn)量比較的物理量物理量,如位移如位移,頻率頻率,電流電流,電阻電阻,電壓等量。電壓等量。v 計(jì)量變換器是提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的計(jì)量器件。計(jì)量變換器是提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的計(jì)量器件。在

6、計(jì)量變換器中在計(jì)量變換器中,與被計(jì)量的量直接作用的部分是它的傳感部分與被計(jì)量的量直接作用的部分是它的傳感部分或敏感部分。但有時(shí)傳感部分與變換部分構(gòu)成一個(gè)不可分的整或敏感部分。但有時(shí)傳感部分與變換部分構(gòu)成一個(gè)不可分的整體體,例如熱電偶。所以例如熱電偶。所以,計(jì)量變換器可以只是傳感器計(jì)量變換器可以只是傳感器,也可以包括也可以包括它們的附屬計(jì)量線路。它們的附屬計(jì)量線路。 輸入部分輸入部分v常用傳感器有：常用傳感器有： v （1） 電阻式傳感器：把被計(jì)量的量的變化變換為電阻式傳感器：把被計(jì)量的量的變化變換為電阻變化的傳感器。它包括變阻式（或滑線電阻式）電阻變化的傳感器。它包括變阻式（或滑線電阻式）和電

7、阻應(yīng)變式兩類(lèi)和電阻應(yīng)變式兩類(lèi),后者根據(jù)應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)的不同又可后者根據(jù)應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)的不同又可分為絲式分為絲式,箔式和薄膜式三類(lèi)。箔式和薄膜式三類(lèi)。v （2） 電感式傳感器：把被計(jì)量的量的變化變換為電感式傳感器：把被計(jì)量的量的變化變換為自感或互感變化的傳感器。它包括可變磁阻式自感或互感變化的傳感器。它包括可變磁阻式,渦流渦流式和差動(dòng)變壓器式三類(lèi)。式和差動(dòng)變壓器式三類(lèi)。v （3） 電容式傳感器：把被計(jì)量的量的變化變換為電容式傳感器：把被計(jì)量的量的變化變換為電容變化的傳感器。它包括極距變化型電容變化的傳感器。它包括極距變化型,面積變化型面積變化型和介質(zhì)變化型三類(lèi)。和介質(zhì)變化型三類(lèi)。 傳感器傳感器v（4）

8、壓電式傳感器：利用一些晶體材料的壓壓電式傳感器：利用一些晶體材料的壓電效應(yīng)電效應(yīng),把力或壓力的變化變換為電荷量變化把力或壓力的變化變換為電荷量變化的傳感器。壓電晶體不但有縱向和橫向的壓電的傳感器。壓電晶體不但有縱向和橫向的壓電效應(yīng)效應(yīng),而且還有剪切的壓電效應(yīng)而且還有剪切的壓電效應(yīng),因而可作成不因而可作成不同支撐形式和受力狀態(tài)的傳感器同支撐形式和受力狀態(tài)的傳感器,在力在力,加速度加速度,超聲及聲納等計(jì)量中得到了廣泛的應(yīng)用。這類(lèi)超聲及聲納等計(jì)量中得到了廣泛的應(yīng)用。這類(lèi)傳感器是一種高精度的先進(jìn)的傳感器傳感器是一種高精度的先進(jìn)的傳感器,近年來(lái)近年來(lái)得到了越來(lái)越多的關(guān)注和發(fā)展。得到了越來(lái)越多的關(guān)注和發(fā)展

9、。v （5） 壓磁式傳感器：利用一些鐵磁材料的壓磁式傳感器：利用一些鐵磁材料的壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng),把力或壓力的變化變換為導(dǎo)磁率變把力或壓力的變化變換為導(dǎo)磁率變化的傳感器。利用其逆效應(yīng)化的傳感器。利用其逆效應(yīng),可以作成磁滯伸可以作成磁滯伸縮式傳感器?？s式傳感器。 v（6） 壓阻式傳感器：壓阻式傳感器： 利用半導(dǎo)體材料的壓利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)阻效應(yīng),把壓力的變化變換為電阻變化的傳感把壓力的變化變換為電阻變化的傳感器。它可分為薄膜型器。它可分為薄膜型,結(jié)型和體型三類(lèi)。結(jié)型和體型三類(lèi)。v（7） 光電式傳感器：光電式傳感器： 利用光電效應(yīng)把光通利用光電效應(yīng)把光通量的變化變換為電量變化的傳感器?？衫玫?/p>

10、量的變化變換為電量變化的傳感器。可利用的光電效應(yīng)包括光電子發(fā)射效應(yīng)（光電管光電效應(yīng)包括光電子發(fā)射效應(yīng)（光電管,光電光電倍增管等）倍增管等）,光導(dǎo)效應(yīng)（光敏電阻光導(dǎo)效應(yīng)（光敏電阻,光導(dǎo)管）和光導(dǎo)管）和光生伏打效應(yīng)（光電池光生伏打效應(yīng)（光電池,光敏晶體管）。光敏晶體管）。v（8） 振弦式傳感器：利用振弦的固有頻率與振弦式傳感器：利用振弦的固有頻率與張力之間的函數(shù)關(guān)系張力之間的函數(shù)關(guān)系,把力的變化變換為頻率把力的變化變換為頻率變化的傳感器。激振方法可分為連續(xù)激發(fā)和間變化的傳感器。激振方法可分為連續(xù)激發(fā)和間歇激發(fā)兩類(lèi)。歇激發(fā)兩類(lèi)。v（9） 霍爾傳感器：利用一些半導(dǎo)體材料的霍霍爾傳感器：利用一些半導(dǎo)體材

11、料的霍爾效應(yīng)爾效應(yīng),將被計(jì)量的量的變化變換為霍爾電勢(shì)將被計(jì)量的量的變化變換為霍爾電勢(shì)變化的傳感器。利用霍爾元件的磁阻效應(yīng)可以變化的傳感器。利用霍爾元件的磁阻效應(yīng)可以作成磁阻式傳感器。霍爾元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積作成磁阻式傳感器?；魻栐Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小小,噪聲小噪聲小,頻帶寬頻帶寬,動(dòng)態(tài)范圍大動(dòng)態(tài)范圍大,有較廣泛的應(yīng)有較廣泛的應(yīng)用前景。用前景。 v（10） 陀螺傳感器：陀螺傳感器： 利用陀螺進(jìn)動(dòng)定理將利用陀螺進(jìn)動(dòng)定理將被計(jì)量的量的變化變換為電量變化的傳感器。被計(jì)量的量的變化變換為電量變化的傳感器。例如陀螺式稱重傳感器例如陀螺式稱重傳感器,角速度微分陀螺儀和積角速度微分陀螺儀和積分陀螺儀等。分陀螺儀等

12、。v （11） 熱電式傳感器：熱電式傳感器： 利用熱電效應(yīng)將溫利用熱電效應(yīng)將溫度的變化變換為電勢(shì)變化的傳感器。各種熱電度的變化變換為電勢(shì)變化的傳感器。各種熱電偶就是廣泛應(yīng)用的熱電式傳感器。偶就是廣泛應(yīng)用的熱電式傳感器。v （12） 磁電式傳感器：磁電式傳感器： 利用電磁感應(yīng)定律利用電磁感應(yīng)定律將轉(zhuǎn)速的變化變換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或其頻率變化將轉(zhuǎn)速的變化變換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或其頻率變化的傳感器。它可分為可動(dòng)線圈式和可動(dòng)銜接式的傳感器。它可分為可動(dòng)線圈式和可動(dòng)銜接式兩類(lèi)。兩類(lèi)。v v（13） 電離輻射式傳感器：電離輻射式傳感器： 利用電離輻射的利用電離輻射的穿透能力穿透能力,使氣體電離并具有熱效應(yīng)和光電效使氣

13、體電離并具有熱效應(yīng)和光電效應(yīng)應(yīng),把被計(jì)量量（例如厚度）的變化變換為電把被計(jì)量量（例如厚度）的變化變換為電量變化的傳感器。例如射線測(cè)厚儀。量變化的傳感器。例如射線測(cè)厚儀。v（14） 約瑟夫森效應(yīng)傳感器：約瑟夫森效應(yīng)傳感器： 利用超導(dǎo)體的利用超導(dǎo)體的約瑟夫森效應(yīng)約瑟夫森效應(yīng),把磁通量變換為周期變化的阻把磁通量變換為周期變化的阻抗抗,或把頻率變換為電壓的傳感器。它包括約或把頻率變換為電壓的傳感器。它包括約瑟夫森結(jié)和計(jì)量靈敏度極高的超導(dǎo)量子干涉器瑟夫森結(jié)和計(jì)量靈敏度極高的超導(dǎo)量子干涉器件（件（SQUID）,在監(jiān)視電動(dòng)勢(shì)基準(zhǔn)在監(jiān)視電動(dòng)勢(shì)基準(zhǔn),直流電計(jì)直流電計(jì)量量,輻射計(jì)量輻射計(jì)量,磁學(xué)計(jì)量磁學(xué)計(jì)量,低溫

14、計(jì)量、重力計(jì)量低溫計(jì)量、重力計(jì)量,光頻計(jì)量中有著廣泛的應(yīng)用。光頻計(jì)量中有著廣泛的應(yīng)用。 v （15）光纖傳感器：利用光在光纖中傳播時(shí)其振幅（）光纖傳感器：利用光在光纖中傳播時(shí)其振幅（光強(qiáng)）光強(qiáng)）,相位相位,偏振態(tài)偏振態(tài),模式等隨被計(jì)量值變化而變化的性質(zhì)模式等隨被計(jì)量值變化而變化的性質(zhì)而制成的傳感器。它可分為功能型和非功能型而制成的傳感器。它可分為功能型和非功能型,前者光纖既前者光纖既是敏感元件又是傳光元件是敏感元件又是傳光元件,后者則僅起傳光作用。它也可分后者則僅起傳光作用。它也可分為干涉型和非干涉型為干涉型和非干涉型,前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其靈敏度其靈敏度,分辨力分辨力,線性線性均較后者

15、好。用它們可以計(jì)量壓力均較后者好。用它們可以計(jì)量壓力,溫度溫度,流速流速,轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速,加速度加速度,位移位移,電流電流,磁場(chǎng)磁場(chǎng),輻射等多種參量。輻射等多種參量。v3 主要的計(jì)量變換器主要的計(jì)量變換器v主要的計(jì)量變換器有熱電偶主要的計(jì)量變換器有熱電偶,電流互感器電流互感器,電動(dòng)電動(dòng)/氣動(dòng)變氣動(dòng)變換器換器,計(jì)量電橋等。計(jì)量電橋的應(yīng)用極為廣泛計(jì)量電橋等。計(jì)量電橋的應(yīng)用極為廣泛,它的功能是把它的功能是把來(lái)自傳感器的電阻來(lái)自傳感器的電阻,電容電容,電感等量的變化電感等量的變化,變換成電流或電變換成電流或電壓的變化。壓的變化。v按照激勵(lì)電壓（輔助能源）的性質(zhì)按照激勵(lì)電壓（輔助能源）的性質(zhì),計(jì)量電橋可計(jì)量電

16、橋可以分為直流電橋和交流電橋兩種。直流電橋的優(yōu)以分為直流電橋和交流電橋兩種。直流電橋的優(yōu)點(diǎn)是容易獲得高穩(wěn)定直流電源點(diǎn)是容易獲得高穩(wěn)定直流電源,電橋的平衡電路比電橋的平衡電路比較簡(jiǎn)單較簡(jiǎn)單,對(duì)傳感器與計(jì)量?jī)x器中間變換部分的連接對(duì)傳感器與計(jì)量?jī)x器中間變換部分的連接導(dǎo)線要求較低；缺點(diǎn)是在計(jì)量過(guò)程中前級(jí)引進(jìn)的導(dǎo)線要求較低；缺點(diǎn)是在計(jì)量過(guò)程中前級(jí)引進(jìn)的低頻干擾和后接直流放大器的漂移都較難去除低頻干擾和后接直流放大器的漂移都較難去除,這這就要求助于交流電橋。就要求助于交流電橋。v按橋臂的性質(zhì)按橋臂的性質(zhì),計(jì)量電橋又可分為阻抗比率臂電計(jì)量電橋又可分為阻抗比率臂電橋和變壓器比率臂電橋兩種。目前廣泛使用的是橋和

17、變壓器比率臂電橋兩種。目前廣泛使用的是前者。由于后者的準(zhǔn)確度前者。由于后者的準(zhǔn)確度,靈敏度及穩(wěn)定度較高靈敏度及穩(wěn)定度較高,且且頻率范圍較寬頻率范圍較寬,發(fā)展也很快。發(fā)展也很快。 v中間變換部分中間變換部分v 中間變換部分的作用是對(duì)來(lái)自輸入部分的中間變換部分的作用是對(duì)來(lái)自輸入部分的信號(hào)進(jìn)行中間變換信號(hào)進(jìn)行中間變換,它包含處理信號(hào)的信號(hào)變它包含處理信號(hào)的信號(hào)變換器件和傳輸信號(hào)的信號(hào)傳輸器件（或傳輸線換器件和傳輸信號(hào)的信號(hào)傳輸器件（或傳輸線）。其中）。其中,信號(hào)變換器件可以由濾波器信號(hào)變換器件可以由濾波器,衰減器衰減器,放大器放大器,移相器移相器,運(yùn)算分析器運(yùn)算分析器,調(diào)制解調(diào)器以及模調(diào)制解調(diào)器以及

18、模/數(shù)數(shù),數(shù)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器等組成。這部分內(nèi)容在電子模轉(zhuǎn)換器等組成。這部分內(nèi)容在電子線路線路,信號(hào)處理信號(hào)處理,計(jì)算機(jī)應(yīng)用等方面的書(shū)中有詳計(jì)算機(jī)應(yīng)用等方面的書(shū)中有詳細(xì)的介紹細(xì)的介紹,這里不再重復(fù)敘述。這里不再重復(fù)敘述。 v 計(jì)量器具的輸出部分計(jì)量器具的輸出部分v 指示裝置的概況與分類(lèi)指示裝置的概況與分類(lèi)v 指示裝置是計(jì)量器具中顯示被計(jì)量值或其相關(guān)值的一套指示裝置是計(jì)量器具中顯示被計(jì)量值或其相關(guān)值的一套組件組件, 它往往是計(jì)量器具的終端。指示是顯示的一種方式它往往是計(jì)量器具的終端。指示是顯示的一種方式,它可以表示出量的大小和各個(gè)量之間的關(guān)系。表示的方法它可以表示出量的大小和各個(gè)量之間的關(guān)系。表示的方

19、法通常有角度通常有角度,長(zhǎng)度長(zhǎng)度,數(shù)字?jǐn)?shù)字,文字文字,圖形圖形,圖表圖表,圖像等。最早的指圖像等。最早的指示裝置是指針與刻度。進(jìn)一步的發(fā)展就是采用直接顯示出示裝置是指針與刻度。進(jìn)一步的發(fā)展就是采用直接顯示出數(shù)字的機(jī)構(gòu)或裝置數(shù)字的機(jī)構(gòu)或裝置(例如數(shù)字式指示表例如數(shù)字式指示表)進(jìn)行顯示。對(duì)于復(fù)進(jìn)行顯示。對(duì)于復(fù)雜的信號(hào)則靠文字雜的信號(hào)則靠文字,圖形和圖像來(lái)指示。應(yīng)用計(jì)算機(jī)后還可圖形和圖像來(lái)指示。應(yīng)用計(jì)算機(jī)后還可以借助于屏幕直接顯示出來(lái)以借助于屏幕直接顯示出來(lái),供觀察和分析。因此供觀察和分析。因此,指示裝置指示裝置既可以很簡(jiǎn)單既可以很簡(jiǎn)單,也可以很復(fù)雜。也可以很復(fù)雜。 v 指示裝置提供示值的方式指示裝

20、置提供示值的方式,可以分為模擬式可以分為模擬式,數(shù)字式數(shù)字式,半數(shù)半數(shù)字式三種。字式三種。v模擬式指示裝置提供模擬示值。它采用主觀讀數(shù)方法模擬式指示裝置提供模擬示值。它采用主觀讀數(shù)方法,所所以容易因觀察者和觀察位置的不同而造成視差。它的活動(dòng)部以容易因觀察者和觀察位置的不同而造成視差。它的活動(dòng)部分有遲滯現(xiàn)象分有遲滯現(xiàn)象,所以計(jì)量速度和準(zhǔn)確度會(huì)受到一定的限制。所以計(jì)量速度和準(zhǔn)確度會(huì)受到一定的限制。v 最常見(jiàn)的模擬式指示裝置是模擬指示表最常見(jiàn)的模擬式指示裝置是模擬指示表,一般可以分為機(jī)一般可以分為機(jī)電式和電子式兩種。電式和電子式兩種。v數(shù)字式指示裝置提供數(shù)字示值。從原理上說(shuō)它克服了由數(shù)字式指示裝置提

21、供數(shù)字示值。從原理上說(shuō)它克服了由模擬式指示裝置的構(gòu)造所決定的上述缺點(diǎn)和限制模擬式指示裝置的構(gòu)造所決定的上述缺點(diǎn)和限制,它還具有自它還具有自動(dòng)調(diào)零動(dòng)調(diào)零,自動(dòng)極性選擇和自動(dòng)調(diào)換量程的可能。為了進(jìn)行數(shù)字自動(dòng)極性選擇和自動(dòng)調(diào)換量程的可能。為了進(jìn)行數(shù)字式指示式指示,首先要把模擬量轉(zhuǎn)換為以脈沖信號(hào)的頻率或時(shí)間間隔首先要把模擬量轉(zhuǎn)換為以脈沖信號(hào)的頻率或時(shí)間間隔形式出現(xiàn)的數(shù)字量形式出現(xiàn)的數(shù)字量,然后用電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行顯示。然后用電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行顯示。 一些重要的概念一些重要的概念vv有關(guān)工作范圍的特性有關(guān)工作范圍的特性v1 示值示值v計(jì)量器具的示值是指計(jì)量器具所給出的量的值計(jì)量器具的示值是指計(jì)量器具所給出的量的

22、值。示值可以是被測(cè)量。示值可以是被測(cè)量,測(cè)量信號(hào)或用于計(jì)算被測(cè)量測(cè)量信號(hào)或用于計(jì)算被測(cè)量之值的其他量的值。對(duì)實(shí)物量具之值的其他量的值。對(duì)實(shí)物量具,示值就是它所標(biāo)示值就是它所標(biāo)出的值。示值隨著被測(cè)量而變化。出的值。示值隨著被測(cè)量而變化。 http:/ 標(biāo)稱值標(biāo)稱值 (nominal value)v標(biāo)稱值是計(jì)量器具上表明其特性或指導(dǎo)其標(biāo)稱值是計(jì)量器具上表明其特性或指導(dǎo)其使用的量值使用的量值,該值為修約值或近似值該值為修約值或近似值,如標(biāo)在電如標(biāo)在電壓表表盤(pán)上的示值。標(biāo)稱值是固定的壓表表盤(pán)上的示值。標(biāo)稱值是固定的,不隨被不隨被測(cè)量的變化而變化。測(cè)量的變化而變化。v3 標(biāo)稱范圍標(biāo)稱范圍(nominal

23、 range)v標(biāo)稱范圍是計(jì)量器具的操縱器件調(diào)到特定標(biāo)稱范圍是計(jì)量器具的操縱器件調(diào)到特定位置時(shí)可得到的示值范圍。標(biāo)稱范圍通常用計(jì)位置時(shí)可得到的示值范圍。標(biāo)稱范圍通常用計(jì)量器具的上限和下限表明量器具的上限和下限表明,如果下限為零如果下限為零,標(biāo)稱標(biāo)稱范圍一般只用上限表明。范圍一般只用上限表明。vv4 測(cè)量范圍測(cè)量范圍v測(cè)量范圍是計(jì)量器具的誤差處在規(guī)定極限測(cè)量范圍是計(jì)量器具的誤差處在規(guī)定極限內(nèi)的一組被測(cè)量的值內(nèi)的一組被測(cè)量的值,與測(cè)量設(shè)備的最大允許誤與測(cè)量設(shè)備的最大允許誤差有關(guān)。在標(biāo)稱范圍內(nèi)差有關(guān)。在標(biāo)稱范圍內(nèi),測(cè)量設(shè)備的誤差處于最測(cè)量設(shè)備的誤差處于最大允許誤差內(nèi)的那一部分范圍才是測(cè)量范圍大允許誤

24、差內(nèi)的那一部分范圍才是測(cè)量范圍,也也就是說(shuō)就是說(shuō),只有在這一部分測(cè)量的值只有在這一部分測(cè)量的值,其準(zhǔn)確度才其準(zhǔn)確度才符合要求符合要求,因此因此,有時(shí)又把測(cè)量范圍稱為工作范有時(shí)又把測(cè)量范圍稱為工作范圍。圍。 v5 量程量程(span) 量程量程 英文等價(jià)術(shù)語(yǔ)英文等價(jià)術(shù)語(yǔ) span 術(shù)語(yǔ)定義術(shù)語(yǔ)定義(漢語(yǔ)漢語(yǔ)) 測(cè)量范圍上限值與下限值之差。測(cè)量范圍上限值與下限值之差。 v有關(guān)響應(yīng)方面的特性有關(guān)響應(yīng)方面的特性v1 響應(yīng)特性響應(yīng)特性v在特定條件下在特定條件下,激勵(lì)與對(duì)應(yīng)響應(yīng)之間的關(guān)系激勵(lì)與對(duì)應(yīng)響應(yīng)之間的關(guān)系就是計(jì)量器具的響應(yīng)特性。這種關(guān)系可以用數(shù)就是計(jì)量器具的響應(yīng)特性。這種關(guān)系可以用數(shù)學(xué)等式學(xué)等式,數(shù)

25、值表或圖形來(lái)表示。當(dāng)激勵(lì)是關(guān)于數(shù)值表或圖形來(lái)表示。當(dāng)激勵(lì)是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)時(shí)時(shí)間的函數(shù)時(shí),傳遞函數(shù)是響應(yīng)特性的一種表傳遞函數(shù)是響應(yīng)特性的一種表示形式。示形式。2 靈敏度靈敏度 靈敏度是計(jì)量器具響應(yīng)的變化與引起該靈敏度是計(jì)量器具響應(yīng)的變化與引起該變化的激勵(lì)值（被計(jì)量值）的變化之比。對(duì)變化的激勵(lì)值（被計(jì)量值）的變化之比。對(duì)于帶刻度指示器的器具于帶刻度指示器的器具,通常以分度長(zhǎng)度與通常以分度長(zhǎng)度與其值之比作為靈敏度。靈敏度指標(biāo)是考察傳其值之比作為靈敏度。靈敏度指標(biāo)是考察傳感器的主要指標(biāo)之一。感器的主要指標(biāo)之一。3 鑒別力鑒別力使器具的響應(yīng)產(chǎn)生可以察覺(jué)的變化的使器具的響應(yīng)產(chǎn)生可以察覺(jué)的變化的激勵(lì)值（被計(jì)

26、量值）的最小變化量激勵(lì)值（被計(jì)量值）的最小變化量,稱為鑒稱為鑒別力。這種激勵(lì)變化應(yīng)緩慢而單調(diào)地進(jìn)行。別力。這種激勵(lì)變化應(yīng)緩慢而單調(diào)地進(jìn)行。 v 4 分辨力分辨力v分辨力是指顯示裝置能有效辨別的最小的示值差。分辨力是指顯示裝置能有效辨別的最小的示值差。 5 死區(qū)死區(qū)v計(jì)量器具的死區(qū)指的是不致引起計(jì)量器具響應(yīng)發(fā)計(jì)量器具的死區(qū)指的是不致引起計(jì)量器具響應(yīng)發(fā)生變化的激勵(lì)雙向變動(dòng)的最大區(qū)間。生變化的激勵(lì)雙向變動(dòng)的最大區(qū)間。v 6 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間v激勵(lì)受到規(guī)定突變的瞬間與響應(yīng)達(dá)到并保持其最激勵(lì)受到規(guī)定突變的瞬間與響應(yīng)達(dá)到并保持其最終穩(wěn)定性在規(guī)定極限內(nèi)的瞬間兩者之間的時(shí)間間隔就終穩(wěn)定性在規(guī)定極限內(nèi)的瞬間兩者

27、之間的時(shí)間間隔就是響應(yīng)時(shí)間。是響應(yīng)時(shí)間。 v有關(guān)性能方面的特性有關(guān)性能方面的特性 v1 漂移漂移v漂移是指計(jì)量器具計(jì)量特性的緩慢變化。漂移是指計(jì)量器具計(jì)量特性的緩慢變化。v2穩(wěn)定性穩(wěn)定性v 計(jì)量器具保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能計(jì)量器具保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力稱為計(jì)量器具的穩(wěn)定性。通常力稱為計(jì)量器具的穩(wěn)定性。通常, 穩(wěn)定性是對(duì)穩(wěn)定性是對(duì)時(shí)間而言的。時(shí)間而言的。v3 重復(fù)性重復(fù)性v重復(fù)性是指在相同條件下重復(fù)性是指在相同條件下,重復(fù)測(cè)量同一個(gè)重復(fù)測(cè)量同一個(gè)被測(cè)量被測(cè)量,計(jì)量器具提供相近示值的能力。重復(fù)計(jì)量器具提供相近示值的能力。重復(fù)性可以用測(cè)量結(jié)果的分散性定量來(lái)表示。性可以用測(cè)量結(jié)果的分散性定

28、量來(lái)表示。v4 可靠性可靠性v 可靠性是指計(jì)量器具在規(guī)定條件下和規(guī)定可靠性是指計(jì)量器具在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)時(shí)間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力。表示計(jì)量器具完成規(guī)定功能的能力。表示計(jì)量器具可靠性的定量指標(biāo)可靠性的定量指標(biāo),可以用其極限工作條件下可以用其極限工作條件下的平均無(wú)故障工作時(shí)間來(lái)表示的平均無(wú)故障工作時(shí)間來(lái)表示,這個(gè)指標(biāo)越高這個(gè)指標(biāo)越高,說(shuō)明可靠性越好。說(shuō)明可靠性越好。 v1 準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度v準(zhǔn)確度指計(jì)量器具給出接近于真值的響應(yīng)能準(zhǔn)確度指計(jì)量器具給出接近于真值的響應(yīng)能力。在實(shí)際應(yīng)用中力。在實(shí)際應(yīng)用中,常以測(cè)量不確定度常以測(cè)量不確定度,準(zhǔn)確度等準(zhǔn)確度等級(jí)或最大允許誤差來(lái)定量表示。級(jí)或最大允許誤差來(lái)

29、定量表示。v 2 準(zhǔn)確度等級(jí)準(zhǔn)確度等級(jí)v準(zhǔn)確度等級(jí)是符合一定的計(jì)量要求準(zhǔn)確度等級(jí)是符合一定的計(jì)量要求,使誤差保使誤差保持在規(guī)定極限以內(nèi)的計(jì)量器具的等別持在規(guī)定極限以內(nèi)的計(jì)量器具的等別,級(jí)別。這級(jí)別。這也是計(jì)量器具最具概括性的特征也是計(jì)量器具最具概括性的特征,綜合反映了計(jì)綜合反映了計(jì)量器具的基本誤差和附加誤差的極限值以及其他量器具的基本誤差和附加誤差的極限值以及其他影響測(cè)量準(zhǔn)確度的特性值。影響測(cè)量準(zhǔn)確度的特性值。 v3 測(cè)量精度測(cè)量精度v測(cè)量精度是測(cè)量結(jié)果的可信程度或不確定度測(cè)量精度是測(cè)量結(jié)果的可信程度或不確定度, 一般以計(jì)量值與被計(jì)量量的實(shí)際值之間的一般以計(jì)量值與被計(jì)量量的實(shí)際值之間的 偏差偏

30、差范圍來(lái)表示。范圍來(lái)表示。 4 最大允許誤差最大允許誤差v對(duì)給定計(jì)量器具對(duì)給定計(jì)量器具,規(guī)范規(guī)范,規(guī)程等所允許的誤差極規(guī)程等所允許的誤差極限值為最大允許誤差限值為最大允許誤差,有時(shí)也稱為計(jì)量器具的允許有時(shí)也稱為計(jì)量器具的允許誤差限。誤差限。29專業(yè)內(nèi)涵性能指標(biāo)評(píng)價(jià) 誤差指標(biāo)：精度和準(zhǔn)度直接測(cè)量直接測(cè)量間接測(cè)量間接測(cè)量絕對(duì)測(cè)量絕對(duì)測(cè)量 相對(duì)（比較）測(cè)量相對(duì)（比較）測(cè)量測(cè)試與計(jì)量方法測(cè)試與計(jì)量方法單項(xiàng)測(cè)量單項(xiàng)測(cè)量綜合測(cè)量綜合測(cè)量在線測(cè)量在線測(cè)量離線測(cè)量離線測(cè)量接觸測(cè)量接觸測(cè)量非接觸測(cè)量非接觸測(cè)量等精度測(cè)量等精度測(cè)量 不等精度測(cè)量不等精度測(cè)量在測(cè)量過(guò)程中，計(jì)量器具的測(cè)頭與被在測(cè)量過(guò)程中，計(jì)量器具的測(cè)

31、頭與被測(cè)零件處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，被測(cè)量的測(cè)零件處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，被測(cè)量的量值是固定的。量值是固定的。靜態(tài)測(cè)量靜態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量在測(cè)量過(guò)程中，計(jì)量器具的測(cè)頭與被在測(cè)量過(guò)程中，計(jì)量器具的測(cè)頭與被測(cè)零件處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，被測(cè)量的測(cè)零件處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，被測(cè)量的量值是變化的。量值是變化的。34 測(cè)試計(jì)量方法及其分類(lèi)測(cè)試計(jì)量方法及其分類(lèi) v在測(cè)試和計(jì)量過(guò)程中，在測(cè)試和計(jì)量過(guò)程中， 不同的量或不同量值不同的量或不同量值的同一種量，都應(yīng)該根據(jù)其特點(diǎn)和準(zhǔn)確度要求，的同一種量，都應(yīng)該根據(jù)其特點(diǎn)和準(zhǔn)確度要求，應(yīng)用相應(yīng)的計(jì)量原理，應(yīng)用相應(yīng)的計(jì)量原理， 選用不同的計(jì)量方法。選用不同的計(jì)量方法。 v“計(jì)量原理是計(jì)量

32、方法的科學(xué)基礎(chǔ)計(jì)量原理是計(jì)量方法的科學(xué)基礎(chǔ)”。如溫度。如溫度計(jì)量中的熱電效應(yīng)，電壓計(jì)量中的約瑟夫森效應(yīng)計(jì)量中的熱電效應(yīng)，電壓計(jì)量中的約瑟夫森效應(yīng)，速度計(jì)量中的多卜勒效應(yīng)以及長(zhǎng)度計(jì)量中的光，速度計(jì)量中的多卜勒效應(yīng)以及長(zhǎng)度計(jì)量中的光干涉原理等。干涉原理等。 這些都是基于被測(cè)量的相應(yīng)物理及這些都是基于被測(cè)量的相應(yīng)物理及化學(xué)特性的?；瘜W(xué)特性的。 v不同物理量的計(jì)量一方面要和不同物理量自身不同物理量的計(jì)量一方面要和不同物理量自身的規(guī)律性特點(diǎn)結(jié)合，的規(guī)律性特點(diǎn)結(jié)合， 而另一方面又存在著相似的而另一方面又存在著相似的提高測(cè)量精度，提高測(cè)量精度， 發(fā)現(xiàn)誤差因素的方法。發(fā)現(xiàn)誤差因素的方法。 這兩方面這兩方面的結(jié)

33、合就能夠產(chǎn)生對(duì)不同量進(jìn)行測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案和的結(jié)合就能夠產(chǎn)生對(duì)不同量進(jìn)行測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案和儀器設(shè)計(jì)的總體思想。儀器設(shè)計(jì)的總體思想。 因此掌握共性的測(cè)試計(jì)量因此掌握共性的測(cè)試計(jì)量方法是在廣義角度上完成不同物理量的測(cè)量和儀器方法是在廣義角度上完成不同物理量的測(cè)量和儀器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之一。設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之一。 在掌握這些測(cè)試計(jì)量方法的基在掌握這些測(cè)試計(jì)量方法的基礎(chǔ)上舉一反三就能夠在廣泛的儀器設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵礎(chǔ)上舉一反三就能夠在廣泛的儀器設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。的作用。 所以本節(jié)所介紹的就是存在于不同量的所以本節(jié)所介紹的就是存在于不同量的測(cè)量及儀器設(shè)計(jì)方面的共性內(nèi)容之一。測(cè)量及儀器設(shè)計(jì)方面的共性內(nèi)容之一。 這些測(cè)試這些

34、測(cè)試計(jì)量方法都是本領(lǐng)域中最基本的方法，計(jì)量方法都是本領(lǐng)域中最基本的方法， 是從事測(cè)是從事測(cè)試計(jì)量工作和儀器設(shè)計(jì)所必須掌握的。試計(jì)量工作和儀器設(shè)計(jì)所必須掌握的。 v測(cè)試計(jì)量方法的選擇要求從測(cè)量精度、測(cè)試計(jì)量方法的選擇要求從測(cè)量精度、 測(cè)量的量程范圍、測(cè)量的量程范圍、 測(cè)量的響應(yīng)時(shí)間以及所要設(shè)計(jì)測(cè)量的響應(yīng)時(shí)間以及所要設(shè)計(jì)的方案或儀器造價(jià)等多方面來(lái)考慮。的方案或儀器造價(jià)等多方面來(lái)考慮。 v采用不同的測(cè)量方法，采用不同的測(cè)量方法， 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果中所由實(shí)驗(yàn)結(jié)果中所包含的誤差成分與對(duì)被測(cè)量的測(cè)量誤差的關(guān)系是包含的誤差成分與對(duì)被測(cè)量的測(cè)量誤差的關(guān)系是不會(huì)完全一樣的。不會(huì)完全一樣的。 從測(cè)量的高精度考慮，從測(cè)量

35、的高精度考慮， 常常常常希望從直接實(shí)驗(yàn)精度并不一定很高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中希望從直接實(shí)驗(yàn)精度并不一定很高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得到對(duì)被測(cè)量的高得多的測(cè)量精度。得到對(duì)被測(cè)量的高得多的測(cè)量精度。 直接計(jì)量法和間接計(jì)量法直接計(jì)量法和間接計(jì)量法 v“不必對(duì)與被計(jì)量量有函數(shù)關(guān)系的其他量進(jìn)行不必對(duì)與被計(jì)量量有函數(shù)關(guān)系的其他量進(jìn)行計(jì)量，而能直接得到被計(jì)量量值的計(jì)量方法計(jì)量，而能直接得到被計(jì)量量值的計(jì)量方法”稱稱為為“直接計(jì)量法直接計(jì)量法”。也就是說(shuō)，計(jì)量結(jié)果可由實(shí)。也就是說(shuō)，計(jì)量結(jié)果可由實(shí)驗(yàn)操作直接獲得，可用公式表示如下：驗(yàn)操作直接獲得，可用公式表示如下：v A=X 式中，式中， A為被計(jì)量的量值；為被計(jì)量的量值；X為由實(shí)驗(yàn)

36、直接得出為由實(shí)驗(yàn)直接得出的結(jié)果。用傳感器線性地將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電量或的結(jié)果。用傳感器線性地將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電量或數(shù)字量顯示的方法可以理解為直接計(jì)量法。數(shù)字量顯示的方法可以理解為直接計(jì)量法。 v 這種測(cè)量方法的測(cè)量誤差為這種測(cè)量方法的測(cè)量誤差為v A=Xv從該式可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的誤差被從該式可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的誤差被100%地轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)換為對(duì)被測(cè)量的測(cè)量誤差，這就是這種方法的測(cè)量精度常換為對(duì)被測(cè)量的測(cè)量誤差，這就是這種方法的測(cè)量精度常常并不太高的原因。常并不太高的原因。 v 在進(jìn)行直接比較計(jì)量時(shí)，計(jì)量器具直接給出被計(jì)量的在進(jìn)行直接比較計(jì)量時(shí)，計(jì)量器具直接給出被計(jì)量的量值。量值。 在進(jìn)行高精度計(jì)量或

37、測(cè)試時(shí)，為了能對(duì)計(jì)量結(jié)果中在進(jìn)行高精度計(jì)量或測(cè)試時(shí)，為了能對(duì)計(jì)量結(jié)果中所含的系統(tǒng)誤差加以消除，需要作補(bǔ)充計(jì)量來(lái)確定影響量所含的系統(tǒng)誤差加以消除，需要作補(bǔ)充計(jì)量來(lái)確定影響量的值。的值。 v即使這樣，這類(lèi)計(jì)量仍屬直接計(jì)量法。直接計(jì)量法是即使這樣，這類(lèi)計(jì)量仍屬直接計(jì)量法。直接計(jì)量法是特征最明顯且采用最多的一種測(cè)試計(jì)量方法。這種方法所特征最明顯且采用最多的一種測(cè)試計(jì)量方法。這種方法所獲得的測(cè)量結(jié)果很直接、方便，使用的設(shè)備不一定很復(fù)雜獲得的測(cè)量結(jié)果很直接、方便，使用的設(shè)備不一定很復(fù)雜，而且在大多數(shù)情況下其測(cè)量的范圍可以很寬，而且在大多數(shù)情況下其測(cè)量的范圍可以很寬， 還不存在還不存在時(shí)間響應(yīng)的問(wèn)題。時(shí)間響

38、應(yīng)的問(wèn)題。v但是在大多數(shù)情況下，得到的測(cè)量精度并不一定是最但是在大多數(shù)情況下，得到的測(cè)量精度并不一定是最高的。高的。 在測(cè)量和儀器的設(shè)計(jì)中，常常存在這樣的矛盾，在測(cè)量和儀器的設(shè)計(jì)中，常常存在這樣的矛盾，有時(shí)取得高的測(cè)量精度要以犧牲測(cè)量的時(shí)間響應(yīng)或者測(cè)量有時(shí)取得高的測(cè)量精度要以犧牲測(cè)量的時(shí)間響應(yīng)或者測(cè)量的范圍為代價(jià)。因此，測(cè)量方案的選擇要進(jìn)行多方面考慮的范圍為代價(jià)。因此，測(cè)量方案的選擇要進(jìn)行多方面考慮和折中。和折中。 v直接計(jì)量法的典型例子是用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量頻率。直接計(jì)量法的典型例子是用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量頻率。 在圖在圖5.2.1所示的頻率計(jì)方框圖中，把標(biāo)頻晶體振蕩器所所示的頻率計(jì)方框圖中，把標(biāo)頻晶

39、體振蕩器所產(chǎn)生的準(zhǔn)確和穩(wěn)定的頻率信號(hào)分頻產(chǎn)生準(zhǔn)確的時(shí)基信號(hào)（產(chǎn)生的準(zhǔn)確和穩(wěn)定的頻率信號(hào)分頻產(chǎn)生準(zhǔn)確的時(shí)基信號(hào)（如秒信號(hào)），并用它控制一個(gè)閘門(mén)。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)該閘門(mén)如秒信號(hào)），并用它控制一個(gè)閘門(mén)。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)該閘門(mén)后，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)時(shí)基信號(hào)為后，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)時(shí)基信號(hào)為1s時(shí)，所計(jì)數(shù)的結(jié)果時(shí)，所計(jì)數(shù)的結(jié)果就嚴(yán)格等于被測(cè)信號(hào)的頻率值。就嚴(yán)格等于被測(cè)信號(hào)的頻率值。 圖5.2.1 使用直接計(jì)量法的數(shù)字頻率計(jì)放大整形主閘門(mén)計(jì)數(shù)顯示控制電路時(shí)基分頻系統(tǒng)恒溫晶振A輸入v “通過(guò)對(duì)與被計(jì)量量有函數(shù)關(guān)系的其他量的計(jì)量，通過(guò)對(duì)與被計(jì)量量有函數(shù)關(guān)系的其他量的計(jì)量， 以得以得到被計(jì)量量值的計(jì)量方法到被計(jì)量量值的計(jì)量

40、方法”稱為稱為“間接計(jì)量法間接計(jì)量法”。 被計(jì)量值被計(jì)量值可由下式求出：可由下式求出： vA=F（ X1， X2， X3, ）v式中，式中， A為被計(jì)量的量值；為被計(jì)量的量值； X1， X2， X3為可直接計(jì)量為可直接計(jì)量的量值。的量值。 v 間接計(jì)量法在計(jì)量學(xué)中有著特別重要的意義，間接計(jì)量法在計(jì)量學(xué)中有著特別重要的意義， 主要用于主要用于導(dǎo)出單位，導(dǎo)出單位， 如壓力、流量、速度、重力加速度、功率等量的如壓力、流量、速度、重力加速度、功率等量的單位量值的復(fù)現(xiàn)。單位量值的復(fù)現(xiàn)。 v在一些測(cè)量?jī)x器中也常常通過(guò)中間量的測(cè)量，并經(jīng)過(guò)計(jì)算在一些測(cè)量?jī)x器中也常常通過(guò)中間量的測(cè)量，并經(jīng)過(guò)計(jì)算而得到被測(cè)量的值

41、，這樣獲得的精度可能會(huì)更高一些。因此間而得到被測(cè)量的值，這樣獲得的精度可能會(huì)更高一些。因此間接計(jì)量法在高精度測(cè)試和計(jì)量中常被選用。接計(jì)量法在高精度測(cè)試和計(jì)量中常被選用。v對(duì)于精度的提高情況可以通過(guò)對(duì)相應(yīng)函數(shù)關(guān)系式對(duì)于精度的提高情況可以通過(guò)對(duì)相應(yīng)函數(shù)關(guān)系式的分析得到。也就是說(shuō)，首先要建立被測(cè)量與各中間的分析得到。也就是說(shuō)，首先要建立被測(cè)量與各中間量之間的數(shù)學(xué)模型，以發(fā)現(xiàn)中間量的值對(duì)被測(cè)量精度量之間的數(shù)學(xué)模型，以發(fā)現(xiàn)中間量的值對(duì)被測(cè)量精度的貢獻(xiàn)。的貢獻(xiàn)。 v比如在頻標(biāo)比對(duì)中，比如在頻標(biāo)比對(duì)中， 直接測(cè)頻法的精度不高。直接測(cè)頻法的精度不高。 但但是由于頻標(biāo)比對(duì)都是在兩比對(duì)頻率信號(hào)頻率值很接近是由于頻

42、標(biāo)比對(duì)都是在兩比對(duì)頻率信號(hào)頻率值很接近的情況下來(lái)完成測(cè)量工作的，的情況下來(lái)完成測(cè)量工作的， 所以通過(guò)頻標(biāo)信號(hào)間相所以通過(guò)頻標(biāo)信號(hào)間相位差變化量的測(cè)量可以用公式位差變化量的測(cè)量可以用公式v Tffv比相法測(cè)量頻率的儀器方框圖如圖比相法測(cè)量頻率的儀器方框圖如圖5.2.2所示。所示。 可以看到，可以看到， 這種設(shè)備的復(fù)雜程度并不這種設(shè)備的復(fù)雜程度并不比直接進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)頻的儀器復(fù)雜。比直接進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)頻的儀器復(fù)雜。 v用比相法獲得的相位差比對(duì)結(jié)果的示意圖用比相法獲得的相位差比對(duì)結(jié)果的示意圖如圖如圖5.2.3所示。所示。 圖5.2.2 比相法測(cè)量頻率的儀器方框圖 放 大 整 形鑒 相 雙 穩(wěn) 態(tài)v(t)低

43、通 濾 波 器長(zhǎng) 圖 記 錄 儀放 大 整 形F1F2f1f2v圖5.2.3 相位差比對(duì)結(jié)果的示意圖Tv算出被測(cè)信號(hào)的相對(duì)頻差，并且隨著比對(duì)算出被測(cè)信號(hào)的相對(duì)頻差，并且隨著比對(duì)時(shí)間的延伸而獲得很高的測(cè)量精度。時(shí)間的延伸而獲得很高的測(cè)量精度。 T是兩是兩信號(hào)之間的相位差變化量，信號(hào)之間的相位差變化量，是發(fā)生該變化所是發(fā)生該變化所用的時(shí)間。用的時(shí)間。 其誤差公式是其誤差公式是 ffTTTff)()(2v式中的右邊第二項(xiàng)是誤差的次要成分。式中的右邊第二項(xiàng)是誤差的次要成分。 只要兩比相只要兩比相頻率源的頻率值比較接近，頻率源的頻率值比較接近， 并適當(dāng)照顧到對(duì)采樣周期并適當(dāng)照顧到對(duì)采樣周期的的測(cè)量或控制

44、精度，測(cè)量或控制精度， 則該項(xiàng)誤差與第一項(xiàng)相比就可以忽略則該項(xiàng)誤差與第一項(xiàng)相比就可以忽略不計(jì)。不計(jì)。 該式右邊的第一項(xiàng)是誤差的主要成分。該式右邊的第一項(xiàng)是誤差的主要成分。 從式（從式（5.2.5）中可以看出，）中可以看出， 測(cè)頻的精度隨著比相時(shí)間的延長(zhǎng)測(cè)頻的精度隨著比相時(shí)間的延長(zhǎng)， 以及對(duì)相位差測(cè)試精度的提高而提高。以及對(duì)相位差測(cè)試精度的提高而提高。 v這里直接被測(cè)的中間量是這里直接被測(cè)的中間量是T =T2-T1及及，其中，其中T是是相位差（時(shí)間間隔），而相位差（時(shí)間間隔），而是發(fā)生是發(fā)生T變化所用的時(shí)間。變化所用的時(shí)間?？梢詮拿?、分、小時(shí)直至天。而對(duì)高精度頻率源，可以從秒、分、小時(shí)直至天。而

45、對(duì)高精度頻率源，T的的變化范圍常常是微秒或納秒。變化范圍常常是微秒或納秒。 v兩信號(hào)間的頻差不一樣，兩信號(hào)間的頻差不一樣，T的變化范圍也不一的變化范圍也不一樣；樣； 比相信號(hào)頻率值的高低不同，比相信號(hào)頻率值的高低不同， 測(cè)量的分辨率也不一測(cè)量的分辨率也不一樣。樣。 如在如在10MHz的頻率下比相時(shí)，的頻率下比相時(shí)， 兩信號(hào)間相位差兩信號(hào)間相位差變化范圍為變化范圍為0100 ns。如果能獲得對(duì)。如果能獲得對(duì)100ns的的1%的的分辨率分辨率(T)， 就能夠獲得對(duì)就能夠獲得對(duì)f/f0的相當(dāng)高的精度的相當(dāng)高的精度（如（如110-9/秒、秒、 310-13/小時(shí)和約小時(shí)和約110-14/天等）。天等）

46、。 這是只用一般直接測(cè)頻的方法難以達(dá)到的精度。這是只用一般直接測(cè)頻的方法難以達(dá)到的精度。 這種情況下的儀器并不一定復(fù)雜，這種情況下的儀器并不一定復(fù)雜， 但應(yīng)該符合一定要求。但應(yīng)該符合一定要求。 從對(duì)上述比相法的分析中，從對(duì)上述比相法的分析中， 也可以看到對(duì)于不同測(cè)量目的也可以看到對(duì)于不同測(cè)量目的的測(cè)量方法確立其相應(yīng)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行分析的重要性。通的測(cè)量方法確立其相應(yīng)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行分析的重要性。通過(guò)這樣的分析可以確定實(shí)際可獲得的測(cè)量精度、過(guò)這樣的分析可以確定實(shí)際可獲得的測(cè)量精度、 直接測(cè)量直接測(cè)量對(duì)象、對(duì)象、 簡(jiǎn)化儀器及其設(shè)計(jì)的途徑等。簡(jiǎn)化儀器及其設(shè)計(jì)的途徑等。 v全面分析某些間接測(cè)量方法和直接測(cè)

47、量方法全面分析某些間接測(cè)量方法和直接測(cè)量方法的特點(diǎn)，的特點(diǎn)， 也可以看到有時(shí)候高精度的獲得要犧也可以看到有時(shí)候高精度的獲得要犧牲測(cè)量范圍。比如，用計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻，牲測(cè)量范圍。比如，用計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻， 雖然雖然測(cè)量精度比較低，但是測(cè)量的頻率范圍只受計(jì)數(shù)測(cè)量精度比較低，但是測(cè)量的頻率范圍只受計(jì)數(shù)速度的限制，且是寬頻率范圍的。但是，用了間速度的限制，且是寬頻率范圍的。但是，用了間接比相法測(cè)量時(shí)，精度得到了大幅度的提高，而接比相法測(cè)量時(shí)，精度得到了大幅度的提高，而比對(duì)只能在同頻或者頻率關(guān)系成倍數(shù)的情況下進(jìn)比對(duì)只能在同頻或者頻率關(guān)系成倍數(shù)的情況下進(jìn)行。行。 基本計(jì)量法和定義計(jì)量法基本計(jì)量法和定義計(jì)量法

48、v關(guān)于計(jì)量方法的選擇也可以通過(guò)對(duì)被計(jì)量量值的定義及關(guān)于計(jì)量方法的選擇也可以通過(guò)對(duì)被計(jì)量量值的定義及它與一些有關(guān)基本量間的聯(lián)系來(lái)確定。它與一些有關(guān)基本量間的聯(lián)系來(lái)確定。 v “通過(guò)對(duì)一些有關(guān)基本量的計(jì)量，通過(guò)對(duì)一些有關(guān)基本量的計(jì)量， 以確定被計(jì)量量值的計(jì)以確定被計(jì)量量值的計(jì)量方法量方法”稱為稱為“基本計(jì)量法基本計(jì)量法”， 有些書(shū)中也稱其為有些書(shū)中也稱其為“絕對(duì)絕對(duì)計(jì)量法計(jì)量法”。 由定義可知，由定義可知， 基本計(jì)量法實(shí)為間接計(jì)量法的一基本計(jì)量法實(shí)為間接計(jì)量法的一種。種。 v“根據(jù)量的單位定義計(jì)量該量的方法根據(jù)量的單位定義計(jì)量該量的方法”稱為稱為“定義計(jì)量定義計(jì)量法法”。 這是按計(jì)量單位的定義復(fù)現(xiàn)

49、其量值的一類(lèi)方法，適這是按計(jì)量單位的定義復(fù)現(xiàn)其量值的一類(lèi)方法，適用于基本單位和導(dǎo)出單位。應(yīng)該注意的是，按定義復(fù)現(xiàn)單位用于基本單位和導(dǎo)出單位。應(yīng)該注意的是，按定義復(fù)現(xiàn)單位并不完全局限于建立基準(zhǔn)，它可能有多種方法和不同準(zhǔn)確度并不完全局限于建立基準(zhǔn)，它可能有多種方法和不同準(zhǔn)確度的結(jié)果。的結(jié)果。v例如例如, 按照新的米定義，可以用三種方法、按照新的米定義，可以用三種方法、多種激光輻射來(lái)復(fù)現(xiàn)；又如伏特基準(zhǔn)，可以用多種激光輻射來(lái)復(fù)現(xiàn)；又如伏特基準(zhǔn)，可以用飽和惠斯頓標(biāo)準(zhǔn)電池，也可以利用約瑟夫森效飽和惠斯頓標(biāo)準(zhǔn)電池，也可以利用約瑟夫森效應(yīng)來(lái)復(fù)現(xiàn)。實(shí)際測(cè)量中，最有代表性的是根據(jù)應(yīng)來(lái)復(fù)現(xiàn)。實(shí)際測(cè)量中，最有代表性的

50、是根據(jù)歐姆定律中電阻和電壓及電流之間的關(guān)系歐姆定律中電阻和電壓及電流之間的關(guān)系R=U/I， 通過(guò)電壓和電流的測(cè)量計(jì)算獲得對(duì)通過(guò)電壓和電流的測(cè)量計(jì)算獲得對(duì)應(yīng)的電阻值。應(yīng)的電阻值。 直接比較計(jì)量法和替代計(jì)量法直接比較計(jì)量法和替代計(jì)量法 v“將被計(jì)量量直接與已知的同一種量相比較的計(jì)量方法將被計(jì)量量直接與已知的同一種量相比較的計(jì)量方法”被稱為被稱為“直接比較計(jì)量法直接比較計(jì)量法”。 v 這種方法在計(jì)量和工程測(cè)試中被普遍應(yīng)用。這種方法這種方法在計(jì)量和工程測(cè)試中被普遍應(yīng)用。這種方法有兩個(gè)特點(diǎn)有兩個(gè)特點(diǎn): 一是相比較的兩個(gè)量必須是同一種量；二是一是相比較的兩個(gè)量必須是同一種量；二是計(jì)量時(shí)必須用比較式計(jì)量器具

51、。計(jì)量時(shí)必須用比較式計(jì)量器具。 因此，因此， 許多誤差分量由許多誤差分量由于與標(biāo)準(zhǔn)器同方向增減而相互抵消，從而能獲得較高的計(jì)于與標(biāo)準(zhǔn)器同方向增減而相互抵消，從而能獲得較高的計(jì)量準(zhǔn)確度。要?jiǎng)?chuàng)造能相互比較的條件，常常需要限制兩比量準(zhǔn)確度。要?jiǎng)?chuàng)造能相互比較的條件，常常需要限制兩比較量的數(shù)值范圍（如量值接近或成一定的比例關(guān)系等），較量的數(shù)值范圍（如量值接近或成一定的比例關(guān)系等），這也是直接比較計(jì)量法在測(cè)量的隨意性和范圍方面受到限這也是直接比較計(jì)量法在測(cè)量的隨意性和范圍方面受到限制的因素。制的因素。 v“用選定的且已知其值的同一種量替代被計(jì)量量，用選定的且已知其值的同一種量替代被計(jì)量量， 并并使作用于指

52、示裝置的效應(yīng)相同的計(jì)量方法使作用于指示裝置的效應(yīng)相同的計(jì)量方法”稱為稱為“替代計(jì)替代計(jì)量法量法”。例如，在天平上用已知其質(zhì)量的砝碼替代被計(jì)量。例如，在天平上用已知其質(zhì)量的砝碼替代被計(jì)量物體，以求其質(zhì)量的物體，以求其質(zhì)量的“波爾特波爾特”法為典型的替代計(jì)量法。法為典型的替代計(jì)量法。這里所說(shuō)的這里所說(shuō)的“作用于指示裝置的效應(yīng)作用于指示裝置的效應(yīng)”可以理解為儀器的可以理解為儀器的示值。因此，砝碼的質(zhì)量就是被計(jì)量物體的質(zhì)量，示值。因此，砝碼的質(zhì)量就是被計(jì)量物體的質(zhì)量， 而且消而且消除了由于天平的不等臂性所帶來(lái)的一般不容易計(jì)算的誤差除了由于天平的不等臂性所帶來(lái)的一般不容易計(jì)算的誤差。 v在電子測(cè)量中替代

53、法也有廣泛的應(yīng)用。在電子測(cè)量中替代法也有廣泛的應(yīng)用。 在測(cè)量條件不在測(cè)量條件不變的情況下，變的情況下， 用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已知量替代被測(cè)量，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已知量替代被測(cè)量， 并調(diào)整標(biāo)并調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量使儀器的示值相同，準(zhǔn)量使儀器的示值相同， 于是被測(cè)量就等于標(biāo)準(zhǔn)量的相應(yīng)于是被測(cè)量就等于標(biāo)準(zhǔn)量的相應(yīng)標(biāo)稱值。標(biāo)稱值。 v因?yàn)樵谔娲^(guò)程中，測(cè)量電路和儀器的工作狀因?yàn)樵谔娲^(guò)程中，測(cè)量電路和儀器的工作狀態(tài)及示值均保持不變，態(tài)及示值均保持不變， 故測(cè)量中的恒定系統(tǒng)誤差故測(cè)量中的恒定系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果不產(chǎn)生影響。對(duì)測(cè)量結(jié)果不產(chǎn)生影響。 測(cè)量精度主要取決于已測(cè)量精度主要取決于已知標(biāo)準(zhǔn)量的正確度及指示儀器的靈敏度。知標(biāo)準(zhǔn)量的正

54、確度及指示儀器的靈敏度。 v這方面最典型的例子是在交流電壓測(cè)量中以熱這方面最典型的例子是在交流電壓測(cè)量中以熱電偶作為轉(zhuǎn)換器件時(shí)的直流對(duì)交流的替代法計(jì)量。電偶作為轉(zhuǎn)換器件時(shí)的直流對(duì)交流的替代法計(jì)量。 這可以消除對(duì)交流或交流轉(zhuǎn)換信號(hào)指示器的誤差。這可以消除對(duì)交流或交流轉(zhuǎn)換信號(hào)指示器的誤差。 由于熱電偶的輸出電勢(shì)只與熱絲吸收的功率有關(guān)，由于熱電偶的輸出電勢(shì)只與熱絲吸收的功率有關(guān)， 而與低頻頻率無(wú)關(guān)，而與低頻頻率無(wú)關(guān)， 當(dāng)同一熱電偶對(duì)一低頻電壓當(dāng)同一熱電偶對(duì)一低頻電壓和一直流電壓的輸出電勢(shì)相相同時(shí)，和一直流電壓的輸出電勢(shì)相相同時(shí)， 直流電壓值直流電壓值就準(zhǔn)確地等于被測(cè)交流電壓的有效值。就準(zhǔn)確地等于被測(cè)

55、交流電壓的有效值。 而直流電而直流電壓值可以通過(guò)直流數(shù)字電壓表準(zhǔn)確地測(cè)得。壓值可以通過(guò)直流數(shù)字電壓表準(zhǔn)確地測(cè)得。 v用替代法常?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)一些難以直接測(cè)量用替代法常常可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些難以直接測(cè)量的量值的高精度測(cè)量。在測(cè)量系統(tǒng)中，主要是用的量值的高精度測(cè)量。在測(cè)量系統(tǒng)中，主要是用一個(gè)便于高精度測(cè)量的量和被測(cè)量公用一個(gè)終端一個(gè)便于高精度測(cè)量的量和被測(cè)量公用一個(gè)終端檢測(cè)和顯示通道。對(duì)該通道并不提出精度等方面檢測(cè)和顯示通道。對(duì)該通道并不提出精度等方面的高要求。它的作用是能夠嚴(yán)格等同地顯示出兩的高要求。它的作用是能夠嚴(yán)格等同地顯示出兩個(gè)有一致終端效果量值的數(shù)值。為了做到這一點(diǎn)個(gè)有一致終端效果量值的數(shù)值。為

56、了做到這一點(diǎn)，就要求在這個(gè)終端通道中兩個(gè)信號(hào)的量值是相，就要求在這個(gè)終端通道中兩個(gè)信號(hào)的量值是相同性質(zhì)的，而且又為了以更高的分辨率給出兩個(gè)同性質(zhì)的，而且又為了以更高的分辨率給出兩個(gè)量的同一替代效果，終端顯示器的靈敏度也應(yīng)該量的同一替代效果，終端顯示器的靈敏度也應(yīng)該盡可能地高。為了能夠公用同樣的終端通道，兩盡可能地高。為了能夠公用同樣的終端通道，兩路信號(hào)必須有向該通道進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換到同一性的路信號(hào)必須有向該通道進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換到同一性的器件或裝置。器件或裝置。 v這種裝置或者是針對(duì)兩路信號(hào)，或者是僅僅針對(duì)被測(cè)信這種裝置或者是針對(duì)兩路信號(hào)，或者是僅僅針對(duì)被測(cè)信號(hào)的。號(hào)的。 為了實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)換，一些特殊的

57、器件，為了實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)換，一些特殊的器件， 尤其是針尤其是針對(duì)不同被測(cè)量的轉(zhuǎn)換器件必須能夠掌握。以下，通過(guò)實(shí)際對(duì)不同被測(cè)量的轉(zhuǎn)換器件必須能夠掌握。以下，通過(guò)實(shí)際的替代法的應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明這種方法對(duì)于其他方法所不易的替代法的應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明這種方法對(duì)于其他方法所不易獲得高精度的精密測(cè)量，獲得高精度的精密測(cè)量， 以及系統(tǒng)中各部分對(duì)測(cè)量的影響以及系統(tǒng)中各部分對(duì)測(cè)量的影響。v替代法的典型應(yīng)用是用能夠高精度測(cè)量的直流信號(hào)替代替代法的典型應(yīng)用是用能夠高精度測(cè)量的直流信號(hào)替代交流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流量有效值的高精度測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流量有效值的高精度測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)替代，就必須實(shí)現(xiàn)同一性的轉(zhuǎn)換。也就是，

58、能夠把交直流替代，就必須實(shí)現(xiàn)同一性的轉(zhuǎn)換。也就是，能夠把交直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)于它們有效值的量，信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)于它們有效值的量， 通過(guò)對(duì)該量的檢測(cè)求通過(guò)對(duì)該量的檢測(cè)求出被測(cè)量。出被測(cè)量。 這里，這里， 熱效應(yīng)轉(zhuǎn)換使用方便、熱效應(yīng)轉(zhuǎn)換使用方便、 準(zhǔn)確度高，獲準(zhǔn)確度高，獲得了普遍應(yīng)用。得了普遍應(yīng)用。 應(yīng)用這種效應(yīng)做成的轉(zhuǎn)換器件是熱電偶。應(yīng)用這種效應(yīng)做成的轉(zhuǎn)換器件是熱電偶。 圖5.4.1 真空單元熱電偶 加熱絲導(dǎo)流絲導(dǎo)流絲真空玻璃泡熱電偶輸出端v 圖圖5.4.1所示的是一種常用的真空單元熱電偶。所示的是一種常用的真空單元熱電偶。 實(shí)際計(jì)量時(shí)實(shí)際計(jì)量時(shí)， 輪流將交流電流及直流電流通入加熱絲。輪流將交流電

59、流及直流電流通入加熱絲。 如果在這兩種如果在這兩種情況下熱電偶輸出的熱電勢(shì)相等，情況下熱電偶輸出的熱電勢(shì)相等， 就認(rèn)為加熱絲的發(fā)熱量相就認(rèn)為加熱絲的發(fā)熱量相同，同， 即交流電流的有效值等于直流電流的數(shù)值。即交流電流的有效值等于直流電流的數(shù)值。 因此，因此， 只只要計(jì)量出直流電流，要計(jì)量出直流電流， 就可得出相當(dāng)?shù)慕涣麟娏鞯挠行е怠＞涂傻贸鱿喈?dāng)?shù)慕涣麟娏鞯挠行е怠?在計(jì)量交流電壓的有效值時(shí)，在計(jì)量交流電壓的有效值時(shí)， 可用電阻元件將交流電壓轉(zhuǎn)換可用電阻元件將交流電壓轉(zhuǎn)換成交流電流后再計(jì)量。成交流電流后再計(jì)量。 v 加熱絲的額定電流約為數(shù)十毫安，而且只有在接近額定值時(shí)加熱絲的額定電流約為數(shù)十毫安，

60、而且只有在接近額定值時(shí)才能得到較好的效果。為了使熱電偶適用于計(jì)量不同量值的才能得到較好的效果。為了使熱電偶適用于計(jì)量不同量值的電流和電壓，需用電阻分流器、分壓器或感應(yīng)耦合比例器件電流和電壓，需用電阻分流器、分壓器或感應(yīng)耦合比例器件擴(kuò)展熱電偶的量限。一般常將熱電偶和擴(kuò)展量程的附件組裝擴(kuò)展熱電偶的量限。一般常將熱電偶和擴(kuò)展量程的附件組裝在一起，在一起， 組成熱電比較儀。其不確定度為組成熱電比較儀。其不確定度為10-410-5。 v 在電子計(jì)量中的低頻電壓的頻段一般覆蓋在電子計(jì)量中的低頻電壓的頻段一般覆蓋從幾赫茲到從幾赫茲到1 MHz左右的頻率范圍。左右的頻率范圍。 在這個(gè)在這個(gè)頻段內(nèi)用真空熱電偶作