《控制測量講義》課件

控制測量講義本講義將介紹控制測量的基本概念、方法和應(yīng)用。內(nèi)容包括平面控制測量、高程控制測量、GPS測量等。by課程簡介課程目標(biāo)本課程旨在幫助學(xué)生掌握控制測量系統(tǒng)的基本原理、方法和技術(shù)。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生將能夠理解測量系統(tǒng)的工作原理，掌握測量誤差的分析和處理方法，并能夠設(shè)計和應(yīng)用測量系統(tǒng)解決實際問題。課程內(nèi)容本課程主要涵蓋控制系統(tǒng)測量的基本概念、測量儀表的選擇和使用、測量系統(tǒng)的設(shè)計和分析、常見測量方法和儀表等內(nèi)容。學(xué)生將學(xué)習(xí)到各種測量技術(shù)的原理和應(yīng)用，并了解測量技術(shù)在自動化領(lǐng)域中的重要作用。測量的基本概念定義測量是指利用儀器或方法確定物理量的大小，并以數(shù)值表達(dá)的過程。目的測量是為了獲取物體的真實屬性，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。重要性測量在科學(xué)研究、工程設(shè)計、生產(chǎn)制造、質(zhì)量控制等方面起著至關(guān)重要的作用。測量單位和標(biāo)準(zhǔn)長度單位米是國際單位制中的基本長度單位，是衡量物體大小的標(biāo)準(zhǔn)。質(zhì)量單位千克是國際單位制中的基本質(zhì)量單位，是衡量物體重量的標(biāo)準(zhǔn)。時間單位秒是國際單位制中的基本時間單位，是衡量事件持續(xù)時間的標(biāo)準(zhǔn)。溫度單位攝氏度是國際單位制中的常用溫度單位，是衡量物體冷熱程度的標(biāo)準(zhǔn)。測量分類和精度直接測量直接測量是指用測量儀器直接測量被測量的物理量。間接測量間接測量是指通過測量與被測量的物理量有關(guān)的其他物理量，然后根據(jù)它們之間的關(guān)系計算出被測量的物理量。測量精度測量精度是指測量結(jié)果與真值之間的接近程度。測量誤差測量誤差是指測量結(jié)果與真值之間的差異。測量誤差及其表述11.誤差來源測量誤差是由多種因素造成的，包括儀器誤差、環(huán)境誤差和人為誤差。22.誤差分類測量誤差可以分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和過失誤差。33.誤差表示測量誤差通常用絕對誤差、相對誤差和百分誤差來表示。44.誤差控制通過選擇合適的儀器、控制環(huán)境條件和規(guī)范操作方法，可以有效控制測量誤差。測量誤差分析1誤差來源儀器誤差環(huán)境誤差操作誤差2誤差類型系統(tǒng)誤差隨機誤差3誤差分析方法統(tǒng)計分析誤差傳遞4誤差控制選擇合適的儀器控制環(huán)境條件測量誤差分析是控制測量的重要環(huán)節(jié)。通過分析誤差來源，可以采取措施減少誤差。提高測量精度，確保測量結(jié)果的可靠性。測量儀表的選擇和使用11.測量范圍選擇儀表時，需要考慮其測量范圍是否滿足測量要求。22.測量精度測量精度是衡量儀表準(zhǔn)確性的指標(biāo)，需要根據(jù)實際應(yīng)用選擇合適的精度等級。33.儀表類型根據(jù)測量對象的特性和測量要求，選擇合適的儀表類型，例如數(shù)字儀表、模擬儀表等。44.使用環(huán)境需要考慮儀表的使用環(huán)境，例如溫度、濕度、振動等因素，選擇耐腐蝕、防潮、防震等特性。數(shù)字測量儀表的特點高精度數(shù)字測量儀表通常具有更高的精度，可提供更精確的測量結(jié)果。易讀性數(shù)字顯示屏可以直接顯示測量值，無需進(jìn)行手動換算，方便讀取和記錄。自動化許多數(shù)字測量儀表具有自動校準(zhǔn)功能，并可與計算機或其他設(shè)備連接，實現(xiàn)自動化測量和數(shù)據(jù)處理。模擬測量儀表的特點直觀顯示模擬儀表使用指針或刻度盤來直接顯示測量結(jié)果，便于用戶直觀地觀察和理解數(shù)據(jù)。簡單易用模擬儀表結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，不需要復(fù)雜的編程或設(shè)置，易于使用和維護(hù)。價格低廉與數(shù)字儀表相比，模擬儀表制造工藝簡單，成本較低，經(jīng)濟實惠?？垢蓴_能力強模擬儀表對環(huán)境噪聲和干擾具有較強的抗干擾能力，在惡劣的電磁環(huán)境中也能正常工作。儀表的靜態(tài)特性參數(shù)靜態(tài)特性參數(shù)描述儀表在穩(wěn)態(tài)條件下的性能，與儀表的工作原理和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。準(zhǔn)確度等級反映儀表測量值的誤差范圍靈敏度反映儀表對被測量的最小變化的響應(yīng)能力重復(fù)性反映儀表在相同條件下進(jìn)行多次測量時，測量結(jié)果的一致性線性度反映儀表輸出值與輸入值之間的線性關(guān)系遲滯反映儀表在輸入量逐漸增加和減少時，輸出量之間的差異儀表的動態(tài)特性參數(shù)儀表的動態(tài)特性是指儀表對變化的輸入信號的響應(yīng)特性。動態(tài)特性參數(shù)反映了儀表對輸入信號的變化速度、頻率和幅度的響應(yīng)能力。常用的動態(tài)特性參數(shù)包括：響應(yīng)時間、時間常數(shù)、頻率響應(yīng)、相位滯后等。儀表的可靠性可靠性定義儀表的可靠性是指儀表在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。它反映了儀表性能的穩(wěn)定性和可信度。影響因素影響儀表可靠性的因素包括：儀表的質(zhì)量、環(huán)境條件、使用方式、維護(hù)保養(yǎng)等。指標(biāo)常見的可靠性指標(biāo)包括：平均無故障時間（MTBF）、平均故障間隔時間（MTTR）、可靠度、可用度等。評估方法可以通過試驗、分析和計算等方法來評估儀表的可靠性。儀表的校準(zhǔn)和維護(hù)儀表的校準(zhǔn)和維護(hù)是確保測量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。1定期校準(zhǔn)根據(jù)使用頻率和環(huán)境因素確定校準(zhǔn)周期。2清潔維護(hù)定期清潔儀表，避免灰塵和污垢影響性能。3故障排除及時發(fā)現(xiàn)并處理儀表故障，避免測量誤差累積。校準(zhǔn)可以提高測量精度，延長儀表使用壽命。維護(hù)可以預(yù)防故障，確保儀表穩(wěn)定運行。測量系統(tǒng)的構(gòu)成傳感器將被測量的物理量轉(zhuǎn)換成電信號。信號處理單元對傳感器輸出的信號進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理。顯示單元將處理后的信號顯示出來，方便人們觀察和分析。數(shù)據(jù)處理單元對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲和處理，并進(jìn)行控制。測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性是指在輸入量穩(wěn)定不變的情況下，輸出量隨時間變化的特性。它反映了測量系統(tǒng)對輸入量的響應(yīng)能力和穩(wěn)定性。靜態(tài)特性主要包括以下幾個方面：1靈敏度靈敏度是指輸出量變化量與輸入量變化量的比值，反映了測量系統(tǒng)對輸入量的敏感程度。2線性度線性度是指輸出量與輸入量之間的線性關(guān)系程度，反映了測量系統(tǒng)的誤差隨輸入量的變化規(guī)律。3重復(fù)性重復(fù)性是指在相同條件下進(jìn)行多次測量時，輸出量之間的偏差，反映了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。4遲滯遲滯是指輸入量在正向和反向變化時，輸出量之間的偏差，反映了測量系統(tǒng)的非線性程度。測量系統(tǒng)的動態(tài)特性測量系統(tǒng)的動態(tài)特性是指測量系統(tǒng)對時間變化的輸入信號做出響應(yīng)的能力。動態(tài)特性主要由時間常數(shù)、延遲時間和頻率響應(yīng)等參數(shù)描述。時間常數(shù)表示測量系統(tǒng)對階躍輸入信號的響應(yīng)時間延遲時間表示測量系統(tǒng)對輸入信號的響應(yīng)延遲時間頻率響應(yīng)表示測量系統(tǒng)對不同頻率輸入信號的響應(yīng)能力測量系統(tǒng)的誤差分析系統(tǒng)誤差由測量系統(tǒng)本身的缺陷引起，如儀器零點誤差、刻度誤差等。這些誤差通常具有確定性，可以進(jìn)行校正或補償。隨機誤差由于環(huán)境因素、操作人員、儀器漂移等隨機因素引起的誤差。這些誤差具有隨機性，無法完全消除，只能通過統(tǒng)計方法進(jìn)行分析和處理。測量信號的采集和預(yù)處理信號采集傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電信號，并將其發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。信號放大放大弱信號以提高信噪比，確保信號的清晰度。信號濾波去除噪聲和干擾，保證信號的純凈度，提高測量精度。信號轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，方便存儲、傳輸和處理。數(shù)據(jù)存儲將處理后的數(shù)據(jù)存儲在計算機或其他存儲設(shè)備中，以便進(jìn)一步分析。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計傳感器選擇傳感器應(yīng)與被測參數(shù)相匹配，并具有較高的精度和可靠性。信號調(diào)理對傳感器輸出的信號進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理，使其滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并存儲到計算機中。軟件系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示等功能，并可根據(jù)需要進(jìn)行二次開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)測量的基本要求11.準(zhǔn)確性測量結(jié)果要盡可能接近真實值，滿足控制系統(tǒng)對精度的要求。22.實時性控制系統(tǒng)需要實時獲取測量數(shù)據(jù)，才能做出及時的控制決策。33.可靠性測量系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠，能夠長期準(zhǔn)確地工作，避免故障導(dǎo)致控制系統(tǒng)失效。44.經(jīng)濟性測量系統(tǒng)要經(jīng)濟合理，性價比高，滿足控制系統(tǒng)的性能要求，同時降低成本。溫度測量的方法和儀表熱電偶熱電偶根據(jù)兩種不同金屬的接觸點溫度變化而產(chǎn)生電勢差，用于測量高溫。熱敏電阻熱敏電阻的電阻值隨溫度變化而改變，常用于測量較低溫度。鉑電阻鉑電阻的電阻值隨溫度線性變化，精度高，常用于精密測量。紅外溫度計紅外溫度計利用物體發(fā)射的紅外輻射測量溫度，無需接觸物體，適用于遠(yuǎn)距離測量。壓力測量的方法和儀表壓力傳感器壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，實現(xiàn)壓力測量。其種類多樣，如電阻應(yīng)變式、壓電式、電容式等。壓力計壓力計是一種直接指示壓力的儀表，利用彈性元件的形變來指示壓力值。壓力變送器壓力變送器將壓力信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號，方便與其他儀表或控制系統(tǒng)連接。流量測量的方法和儀表流量計類型流量計可分為機械式、差壓式、電磁式、超聲波式、渦街式等。每種類型都有其獨特的原理和應(yīng)用范圍。應(yīng)用領(lǐng)域流量測量應(yīng)用廣泛，包括工業(yè)生產(chǎn)、水資源管理、環(huán)境監(jiān)測、能源管理等。測量精度不同流量計的測量精度差異較大，需根據(jù)實際需求選擇合適的流量計。安裝和維護(hù)流量計的安裝和維護(hù)對測量精度和可靠性至關(guān)重要，需遵循相關(guān)規(guī)范和操作指南。液位測量的方法和儀表壓力式液位計根據(jù)液體的壓力變化，間接測量液位。適用于封閉容器。雷達(dá)式液位計利用雷達(dá)波的反射來測量液位，不受介質(zhì)的影響。超聲波液位計通過聲波的傳播時間來測量液位，精度較高。浮球式液位計浮球隨液位變化而移動，通過機械連接顯示液位。位置和速度測量的方法和儀表1位置測量方法利用傳感器感知物體位置變化，例如超聲波傳感器，激光傳感器，霍爾傳感器。2位置測量儀表常見的儀表包括碼盤，編碼器，電位器，線性滑軌等，用于測量物體位置和移動距離。3速度測量方法使用傳感器感知物體速度變化，包括電磁感應(yīng)傳感器，渦流傳感器，光電式傳感器等。4速度測量儀表常見儀表包括速度傳感器，轉(zhuǎn)速計，流量計，多普勒雷達(dá)等，測量物體的運動速度。測量技術(shù)在自動化中的應(yīng)用測量技術(shù)是自動化系統(tǒng)中不可或缺的一部分，為控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的信息，確保生產(chǎn)過程的精確性和效率。測量技術(shù)應(yīng)用于自動化系統(tǒng)中，包括控制、調(diào)節(jié)、檢測和診斷等方面，例如，溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢智能化傳感器向智能化方向發(fā)展，通過集成微處理器和人工智能算法，實現(xiàn)更復(fù)雜的功能和更高的精度。小型化隨著微納制造技術(shù)的進(jìn)步，傳感器尺寸不斷縮小，滿足了小型化和便攜式設(shè)備的需求。網(wǎng)絡(luò)化傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，實現(xiàn)多個傳感器之間的協(xié)同工作，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，提高測量效率和覆蓋范圍。柔性化柔性傳感器可以適應(yīng)不同形狀和環(huán)境的測量需求，在可穿戴設(shè)備和醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。測量技術(shù)的未來發(fā)展智能化人工智能技術(shù)將融入測量系統(tǒng)，提高測量效率和精度。例如，智能傳感器可以自動識別測量對象，并根據(jù)