電工與電子技術(shù)電子商務(wù)電子課件第一章 測量與測量系統(tǒng)ppt

1、電子課件第一章 測量與測量系統(tǒng)電氣與電子測量技術(shù)羅利文 lwluo電氣與電子測量技術(shù) 之 緒論課程目標(biāo)1. 養(yǎng)成誠信、守時、嚴(yán)謹(jǐn)求真的學(xué)習(xí)態(tài)度2. 掌握現(xiàn)代電氣測量系統(tǒng)的構(gòu)成和基本特性，熟悉典型的電氣測量傳感器、互感器、調(diào)理電路和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器件的原理和特征。3. 具備設(shè)計和開發(fā)精密復(fù)雜的電氣測量裝置的能力4. 能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)手段和信息技術(shù)資源對復(fù)雜的電氣測量問題進(jìn)行分析和研究5. 通過團(tuán)隊分工協(xié)作去解決復(fù)雜的電氣測量問題6. 具有終身學(xué)習(xí)的意識和自主學(xué)習(xí)的能力線上資源中國大學(xué)MOOC課程網(wǎng)站/course/SJTU-1003452005 課上互動，課下發(fā)帖按時提交作業(yè)和測驗T

2、his slide is static and does not animate.課前預(yù)習(xí)課程視頻和課件MOOC平臺：注冊個人信息：學(xué)校：上海交通大學(xué)昵稱：SJTU+學(xué)號+姓名： 例如：SJTU12345678張三郵箱：一定要注冊最常使用的郵箱，MOOC通知會發(fā)到這個郵箱。例如作業(yè)/考試的截止提交時間。完成注冊后，搜索上海交通大學(xué)電氣與電子測量技術(shù)MOOC，參加本課程的學(xué)習(xí)。參與中國大學(xué)MOOC線上教學(xué)成績構(gòu)成：線下期末考試：50%MOOC成績：30%（作業(yè)20%，互動討論20%，考試60%）實驗：20%日常生活中離不開測量構(gòu)思和設(shè)計了LIGO，從而證實了愛因斯坦1916年在廣義相對論中預(yù)言的

3、引力波的存在引力波與LIGO兩座LIGO天文臺2015年9月14日首次測量到的13億年前的一個雙黑洞碰撞合并事件發(fā)出的引力波GW150914圖片來自LIGO：以地球為桌面的激光干涉儀當(dāng)引力波穿過地球時，地球附近的空間會隨著引力波的變化產(chǎn)生壓縮或拉伸，但這種變化非常微弱。如果兩個10倍太陽質(zhì)量的黑洞合并，發(fā)出的引力波只能使LIGO 4km的長臂產(chǎn)生10-18m的變化。雙縫干涉實驗Event Horizontal Telescope與黑洞照片從2017年4月5日起，天文學(xué)家動用了遍布全球的9個毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，組成了一個“事件視覺望遠(yuǎn)鏡”。這9座射電望遠(yuǎn)鏡連續(xù)進(jìn)行了5天的聯(lián)合觀測，隨后又經(jīng)

4、過2年的數(shù)據(jù)分析才一睹黑洞M87*的真容。銀河系的中心黑洞M87*距離地球5500萬光年電力工業(yè)中的測量發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集正泰數(shù)字化變電站的全域感知配電柜用電端的電能計量電氣測量技術(shù)已貫穿于發(fā)電、輸電、配電和用電的每一個環(huán)節(jié)。電力系統(tǒng)有功、無功調(diào)節(jié)、繼電保護(hù)、電能計量、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測都是建立在準(zhǔn)確可靠的測量基礎(chǔ)上，正因為如此，電氣測量課程一直以來都是電氣工程類專業(yè)本科生的專業(yè)核心課程。常見的電氣測量的物理量常規(guī)的測量：溫度，力，位移和速度（振動）高電壓和大電流的測量電磁式互感器電子式互感器功率的測量有功；無功涉及的物理現(xiàn)象：熱電效應(yīng)壓電效應(yīng)光電效應(yīng)霍爾效應(yīng) 測量儀器的發(fā)展歷程 測量儀器發(fā)展至今，

5、大致可分為五個階段第一代 模擬指針式儀表（上世紀(jì)50年代以前）基于電磁機(jī)械式機(jī)構(gòu)，測量結(jié)果是依靠偏轉(zhuǎn)指針顯示第二代 分立電子儀器（上世紀(jì)5、60年代）以電子管，晶體管為基礎(chǔ)采用了電子測量技術(shù)測量模擬信號第三代 數(shù)字式儀表（上世紀(jì)70年代）第四代 智能儀器（上世紀(jì)80年代）第五代 虛擬儀器以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用標(biāo)準(zhǔn)模塊化硬件和軟件來完成各種測量軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵， “軟件即儀器”內(nèi)部有微處理器和固化的軟件采用大規(guī)模集成電路功能固定，應(yīng)用不靈活將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以數(shù)字形式輸出與顯示出結(jié)果一般采用中規(guī)模集成電路測量技術(shù)的發(fā)展趨勢智能化虛擬化（VI）網(wǎng)絡(luò)化（Lot）微型化和集成化（MEMS

6、）軟測量技術(shù)電氣與電子測量技術(shù)第一章 測量及測量系統(tǒng)第一章 測量及測量系統(tǒng)1測量及測量方法2現(xiàn)代電氣測量系統(tǒng)的基本組成 3測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性4測量系統(tǒng)的動態(tài)特性5電氣測量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)測量基礎(chǔ)知識1測量及測量方法2現(xiàn)代電氣測量系統(tǒng)的基本組成 3測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性4測量系統(tǒng)的動態(tài)特性5電氣測量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)測量的定義人們借助測量儀器，以某種特定的方法將被測量和參考基準(zhǔn)相比較，從而得到量化結(jié)果的實驗過程 什么是測量？測量對象測量方法測量儀器測量結(jié)果的正確表示：測量結(jié)果估計值不確定度 單位 ( P=95%)在多次重復(fù)測量中，估計值常常用平均值表示；不確定度與置信概率P有關(guān)測量結(jié)果中的單位建議

7、使用國際單位制SI三要素國際單位制的7個基本單位長度：米 m時間：秒 S質(zhì)量：千克 kg電流：安培 A 溫度：開爾文 K物質(zhì)的量：摩爾 mol發(fā)光強(qiáng)度：坎德拉 cd若干導(dǎo)出單位例如：伏特，特斯拉，歐姆，法拉，庫倫，赫茲，牛頓，瓦特，焦耳，帕斯卡，韋伯，弧度等國際單位制SI2018 年11 月16 日，第26 屆國際計量大會通過了關(guān)于修訂國際單位制( SI) 的1號決議，對SI的7個基本單位全部改為由物理常量定義。銫-133 原子不受干擾的基態(tài)的超精細(xì)躍遷頻率(Cs) =9 192 631 770 Hz；真空光速度c =299 792 458 m/s；普朗克常數(shù)h =6.626 070 1510

8、34 Js；基本電荷e =1.602 176 63410 19 C；玻耳茲曼常數(shù)k =1.380 64910 23 J /K；阿伏加德羅常數(shù)NA=6 02214076 10 23 mol -1頻率為5401012 Hz 的單色輻射的光視效能 Kcd=683 lm/W。國際單位制SI基本單位的新定義（2019年5月20日實施）基本單位定義定義轉(zhuǎn)換式秒（s）當(dāng)銫頻率( Cs) ，也就是銫-133 原子不受干擾的基態(tài)超精細(xì)躍遷頻率以單位Hz 即s1 表示時，將其固定數(shù)值取為9192631770來定義秒。1s= 9192631770/( Cs)米（m）當(dāng)真空中光速c 以單位m/s 表示時，將其固定數(shù)值

9、取為299 792 458 來定義米，其中秒用( Cs) 定義。1米是1/299792458秒的時間間隔內(nèi)光在真空中行程的長度千克（kg）當(dāng)普朗克常數(shù)h 以單位Js 即kgm2s-1表示時，將其固定數(shù)值取為6.626 070151034 來定義千克，其中米和秒用c和( Cs) 定義。1kg = (h/6.626070151034 )m2s = 1.475 5211040h( Cs) /c安培（A）電流單位A。當(dāng)基本電荷e 以單位C 即As 表示時，將其固定數(shù)值取為1.6021766341019來定義安培，其中秒用( Cs) 定義。開爾文（K）當(dāng)玻耳茲曼常數(shù)k 以單位JK-1 即kgm2s-2K

10、-1表示時，將其固定數(shù)值取為1.380 64910-23 來定義開爾文，其中千克、米和秒用h、c 和( Cs) 定義。1K = ( 1380649 10-23 /k) kgm2s-2= 2.266665( Cs) h /k摩爾（mol）1 摩爾精確包含6.022140761023 個基本單元。該數(shù)稱為阿伏加德羅數(shù)，為以單位mol-1表示的阿伏加德羅常數(shù)NA的固定數(shù)值。1mol = 6.022140761023 /NA坎德拉（cd）當(dāng)頻率為5401012 Hz 的單色輻射的光視效能Kcd以單位lmW-1即cdsrW-1或cdsrkg-1m-2s3表示時，將其固定數(shù)值取為683 來定義坎德拉，其中

11、千克、米、秒分別用h、c 和( Cs) 定義。1cd = ( Kcd /683) kgm2s-3sr-1= 2.614 8301010( Cs) 2h Kcd 基本功能給出測量示值提供參考基準(zhǔn)與被測量相比較模擬儀表：用標(biāo)準(zhǔn)量標(biāo)定過的刻度數(shù)字儀表：最常見的參考基準(zhǔn)測量電壓電流：參考電壓測量電阻：標(biāo)準(zhǔn)電阻測量電容：標(biāo)準(zhǔn)電容測量要素之測量儀器 基本要求準(zhǔn)確：誤差小精密：不確定度?。ǚ稚⑿孕。┛煽浚嚎傻染戎貜?fù)靈敏： 例如LIGO需要檢測出4km激光臂發(fā)生了10-18m量級的應(yīng)變（質(zhì)量直徑的千分之一）參考基準(zhǔn)的準(zhǔn)確程度直接決定測量結(jié)果準(zhǔn)確度的上限！AD623是一款儀表放大器（差分放大器的一種）AD77

12、76是一款A(yù)DC思考題：Q1：理解直接測量的本質(zhì)是什么？Q2: 理解測量儀器必須具備的的基本功能？數(shù)字化測量系統(tǒng)舉例測量系統(tǒng)的模擬前端AFE（Analog Frontier End）測量要素之測量方法按測量結(jié)果的獲得方式直接測量間接測量按被測量所處狀態(tài)穩(wěn)態(tài)測量暫態(tài)測量按設(shè)備在線與否在線測量離線測量測量方法的選取原則：科學(xué)，合理，方便測量方法的分類：沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以得到不同的分類結(jié)果還可以有更多最期待以中國人名字命名的測量方法被寫進(jìn)教科書！按測量結(jié)果的獲得方式分類 直接測量直接讀取測量結(jié)果測量過程簡單、快速 間接測量按照一定的函數(shù)關(guān)系計算獲取測量結(jié)果的方法適用于被測量量

13、無法或不便直接測量的情形利用伏安法測量燈泡的電阻和功率按被測量所處狀態(tài)穩(wěn)態(tài)測量被測量處于穩(wěn)態(tài)過程考察儀表的靜態(tài)特性例：用數(shù)字式萬用表測量電阻的阻值、交流電源的電壓等。暫態(tài)測量被測量處于暫態(tài)過程考察儀表的動態(tài)特性例：用示波器測量沖擊雷電波，故障錄波等在線測量與離線測量電力變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)（測量油中氣體和微水含量）電力變壓器油氣相色譜儀Q： 在線測量or離線測量？用數(shù)字式萬用表或精密RLC電橋去測量電阻、電容或電感接觸式測量與非接觸式測量接觸式測溫紅外測溫測量基礎(chǔ)知識1測量及測量方法2現(xiàn)代電氣測量系統(tǒng)的基本組成 3測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性4測量系統(tǒng)的動態(tài)特性5電氣測量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)現(xiàn)代數(shù)字化測量系

14、統(tǒng)的基本組成傳感器 G1(s)信號調(diào)理G2(s)模數(shù)轉(zhuǎn)化G3(s)計算機(jī)G4(s)顯示結(jié)果系統(tǒng)性能與每個環(huán)節(jié)有關(guān)系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)：G(S)=G1(S) G2(S) G3(S) G4(S)系統(tǒng)可以包括所有環(huán)節(jié)，也可以只是其中一個環(huán)節(jié)測量系統(tǒng)的特性參數(shù)：(JJF 1001-2011通用計量術(shù)語與定義中共列出32項)線性度、靈敏度、分辨力、準(zhǔn)確度等級、測量不確定度、零點、響應(yīng)時間、量程、測量范圍、動態(tài)范圍、最大允許誤差、引用誤差A(yù)DI電能計量AFE芯片ADE9000信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集DSP傳感器顯示結(jié)果電流互感器羅氏線圈測量電能質(zhì)量分析測量基礎(chǔ)知識1測量及測量方法2現(xiàn)代電氣測量系統(tǒng)的基本組成 3測量系

15、統(tǒng)的靜態(tài)特性4測量系統(tǒng)的動態(tài)特性5電氣測量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性又稱“刻度特性”、 “標(biāo)定曲線” 理想測量系統(tǒng)線性特性 y =S0+S1xS0 零位； S1靈敏度實際的測量系統(tǒng)非線性特性 y =S0+S1x+S2x2+ 式中S0，S1，S2，Sn常量 VS靜態(tài)特性是在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工作條件下獲得的測量系統(tǒng)XiYi用高精度信號發(fā)生器產(chǎn)生一系列不隨時間變化的輸入量高精度測量儀器測量輸出 數(shù)表標(biāo)定曲線數(shù)學(xué)表達(dá)式靜態(tài)特性靜態(tài)特性的獲得及其表示形式 擬合公式固有特性記錄得到一系列的(Xi,Yi)工作條件：指包括溫度、濕度、大氣壓力、電源電壓等所有可能影響測量結(jié)果的因數(shù) 靜態(tài)特性的基本特征參數(shù)

16、靈敏度給系統(tǒng)的輸入施加一個微小增量x，引起系統(tǒng)輸出發(fā)生了微量變化y，則靈敏度為： 或若測量系統(tǒng)的輸入/輸出同量綱時，則常用“放大倍數(shù)”一詞代替“靈敏度”。 線性度系統(tǒng)的輸入輸出之間保持線性關(guān)系一種度量。 線性度定量反映標(biāo)定曲線偏離其擬合直線的程度線性度=擬合直線標(biāo)定曲線分辨力= AFS/(2n-1)； AFS：滿量程值（Full Scale）分辨率 =1/(2n-1)靜態(tài)特性的基本特征參數(shù) 零位輸入為零時測量系統(tǒng)觀測到的測量值。零位值可以非零。理想的零位應(yīng)該是一個常數(shù)實際測量系統(tǒng)中由于放大器、ADC存在輸入失調(diào)，會導(dǎo)致零位偏移零位溫漂：由于半導(dǎo)體特性與溫度有關(guān)，零位的偏移量還會隨溫度變化而漂移

17、分辨力（Resolution）與分辨率分辨力是指測量系統(tǒng)能夠分辨的最小輸入變化的絕對量分辨率則是分辨力相對于滿量程的百分比分辨率不是測量精度或準(zhǔn)確度等級在數(shù)字化測量系統(tǒng)中的分辨力就是一個字（1個LSB），刻度標(biāo)尺的分辨力常取半個最小刻度回程誤差表征測量系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)，輸入遞增變化（由小變大）中的標(biāo)定曲線和遞減變化（由大變?。┲械臉?biāo)定曲線二者靜態(tài)特征不一致的程度。 靜態(tài)特性的基本特征參數(shù) 回程誤差=靜態(tài)特性的基本特征參數(shù) 量程測量系統(tǒng)標(biāo)稱范圍的上下限之差的模例如：溫度計的下限 -30，上限50，則其量程為： 50 -（-30）=80動態(tài)范圍是指測量系統(tǒng)所能測量的最強(qiáng)輸入與最弱輸入之比，常常用

18、分貝數(shù)來表示。例如：某頻譜分析儀最弱輸入信號1mV，最強(qiáng)輸入信號10V，則其動態(tài)范圍就是： 20lg10/0.001=80dB測量基礎(chǔ)知識1測量及測量方法2現(xiàn)代電氣測量系統(tǒng)的基本組成 3測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性4測量系統(tǒng)的動態(tài)特性5電氣測量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)測量系統(tǒng)的動態(tài)特性定義 輸入信號x(t)是隨時間變化的情況下，測量系統(tǒng)的輸入輸出之間的特性； 動態(tài)特性反映測量系統(tǒng)測量動態(tài)信號的能力；動態(tài)特性的描述時 域： 微分方程復(fù)頻域： 傳遞函數(shù)頻 域： 頻率特性一階測量系統(tǒng)的動態(tài)特性水銀體溫計的時間常數(shù)？一階測量系統(tǒng)動態(tài)特性的時域特征參數(shù)時間常數(shù)T系統(tǒng)輸出從初始零狀態(tài)上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2% 所需時間一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)非周期型按指數(shù)規(guī)律上升并趨于飽和幅頻特性相頻特性一階系統(tǒng)的頻率特性 時間常數(shù) k 直流放大倍數(shù)1. 微分方程2. 傳遞函數(shù)3. 頻率特性一階測量系統(tǒng)動態(tài)特性的頻域特征參數(shù)轉(zhuǎn)折頻率0： 0= 1/ A(0)= -0.707或-3dB(0)=-45 (k =1)例題: 用一時間常數(shù)