第1章 測量與測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識

1、第第1章章 測量與測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識測量與測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識第第1章章 測量與測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識測量與測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識課程基本情況課程基本情況本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 1. 測量單位及單位制；測量單位及單位制； 2. 測量和計量的區(qū)別；測量和計量的區(qū)別； 3. 計量器具的基本概念及主要特征；計量器具的基本概念及主要特征； 4. 電學(xué)和磁學(xué)量具；電學(xué)和磁學(xué)量具；1.1 測量與測量方法分類測量與測量方法分類1.測量的概念測量的概念（1）定義：定義：測量是被測量與同類標(biāo)準(zhǔn)量比較的一個實驗過程。 在測量過程中，人們借助專門的設(shè)備，把被測對象直接或間接地與同類標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，取得用數(shù)值和單位共同表

2、示的測量結(jié)果。（2）測量結(jié)果表示：測量結(jié)果表示： 測量結(jié)果測量結(jié)果 測量數(shù)值測量數(shù)值 測量單位，測量單位，即：即：0 xxx（1）按測量結(jié)果的獲得方式分為按測量結(jié)果的獲得方式分為直接測量: 從儀表（儀器）的讀數(shù)直接獲取測量結(jié)果的方法。 特點：測量過程簡單、迅速。間接測量：由儀表（儀器）讀數(shù)，按照一定的函數(shù)關(guān)系（公式）計算獲取測量結(jié)果的方法。 特點：測量過程復(fù)雜、費時。組合測量：在測量兩個或兩個以上相關(guān)的未知數(shù)時，改變測量條件而獲得一組方程組，求取測量結(jié)果的方法。2. 測量方法分類測量方法分類1.1 測量與測量方法分類測量與測量方法分類2. 按測量讀數(shù)的獲得方式分為按測量讀數(shù)的獲得方式分為直讀測

3、量法：從儀器（儀表）直接獲取讀數(shù)。特點：過程簡單，一般來說準(zhǔn)確度較低。比較測量法：把被測量與同類的標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，根據(jù)比較的結(jié)果推算（計算）出讀數(shù)。 典型的比較測量法：差值(微差)法、零值法、替代法。 特點：標(biāo)準(zhǔn)量直接參與，測量準(zhǔn)確度高；測量設(shè)備較貴，過程復(fù)雜。1.1 測量與測量方法分類測量與測量方法分類3.按測量性質(zhì)分為按測量性質(zhì)分為時域測量：（瞬態(tài)測量）以時間為主要研究對象，主要測量被測量隨時間的變化的規(guī)律。 例：脈沖信號的上升沿、下降沿、脈寬等的測量。頻域測量：（穩(wěn)態(tài)測量）以頻率為主要研究對象，主要測量被測量隨頻率的變化的規(guī)律。 例：信號頻譜的測量等。數(shù)據(jù)域測量：（邏輯量測量）以數(shù)字電路

4、的邏輯狀態(tài)為主要研究對象。 例：測量數(shù)字電路的邏輯狀態(tài)、時序等。1.1 測量與測量方法分類測量與測量方法分類1.2 測量單位及單位制測量單位及單位制 單位：單位：有明確定義和名稱并命其數(shù)值為1的固定量； 單位制單位制：由基本單位與導(dǎo)出單位共同組成的一個完整的單位體系 國際單位制國際單位制單單導(dǎo)單國際單輔單詞頭單進數(shù)進數(shù)單SI基本位SI位 SI出位位制SI助位SISI位的十倍和十分位u 基本量與基本單位：基本量與基本單位：少數(shù)相互獨立的并可通過其組合定義其他所有物理量被稱為“基本量”。這些量的單位被稱為“基本單位”。 u 導(dǎo)出量與導(dǎo)出單位：導(dǎo)出量與導(dǎo)出單位：由基本量通過定義推導(dǎo)出的其他所有物理量

5、被稱為“導(dǎo)出量”。導(dǎo)出量的單位被稱為“導(dǎo)出單位”。 國際單位制基本單位國際單位制基本單位 SI 導(dǎo)出單位導(dǎo)出單位SI SI 輔助單位輔助單位 SISI詞頭詞頭4. 我國的法定計量單位我國的法定計量單位 國務(wù)院于國務(wù)院于1984年年2月月27日發(fā)布命令，明確規(guī)日發(fā)布命令，明確規(guī)定我國的法定計量單位包括：定我國的法定計量單位包括： 1) 國際單位制單位； 2) 國家選定的非國際單位制單位； 3) 以上單位構(gòu)成的組合形式的單位。國家選定的非國際單位制單位 1.3.1 什么是計量什么是計量 計量計量是指實現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確可靠的活動。是指實現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確可靠的活動。 計量屬于測量，源于測量，而

6、又嚴(yán)于一般測量，計量屬于測量，源于測量，而又嚴(yán)于一般測量，它涉及整個測量領(lǐng)域，并按法律規(guī)定，對測量起著指它涉及整個測量領(lǐng)域，并按法律規(guī)定，對測量起著指導(dǎo)、監(jiān)督、保證的作用。計量與其它測量一樣，是人導(dǎo)、監(jiān)督、保證的作用。計量與其它測量一樣，是人們理論聯(lián)系實際，認(rèn)識自然、改造自然的方法和手段。們理論聯(lián)系實際，認(rèn)識自然、改造自然的方法和手段。是科技、經(jīng)濟和社會發(fā)展中必不可少的一項重要的技是科技、經(jīng)濟和社會發(fā)展中必不可少的一項重要的技術(shù)基礎(chǔ)。術(shù)基礎(chǔ)。 計量的特點：計量的特點：準(zhǔn)確性、一致性、溯源性和法制性準(zhǔn)確性、一致性、溯源性和法制性 1.3 計量及計量器具計量及計量器具是一種自下而上是一種自下而上

7、的追溯，的追溯，可通過檢定、校準(zhǔn)、比可通過檢定、校準(zhǔn)、比對、測試等形式，將測對、測試等形式，將測量結(jié)果與計量基準(zhǔn)相聯(lián)量結(jié)果與計量基準(zhǔn)相聯(lián)系，以保證被測量值的系，以保證被測量值的統(tǒng)一和準(zhǔn)確。統(tǒng)一和準(zhǔn)確。 SISI（國際單位制）中的基本單位、（國際單位制）中的基本單位、符號以及定義符號以及定義量的名稱單位名稱 單位符號定義質(zhì)量千克kg千克等于“國際千克原型”的質(zhì)量（國際千克原型由鉑銥合金制造而成，被嚴(yán)密的保管于巴黎）。1901年時間秒s秒等于銫133原子基態(tài)的兩個超精細能級間躍遷所對應(yīng)的輻射的9 192 631 770個周期所持續(xù)的時間。1967年長度米m 米是光在真空中傳播一秒的長度的1/299

8、 792 458 。1983年熱力學(xué)溫度開爾文K 開爾文等于水三相點熱力學(xué)溫度的1/273.16 。1967年電流安培A1安培的恒定電流，如果使其通過處于真空中的、相距1米的、無限長的、圓截面可以忽略的兩條平行直導(dǎo)線，則兩導(dǎo)線之間產(chǎn)生的力在每米長度上等于210-7牛頓。1954年發(fā)光強度坎德拉cd坎德拉定義為頻率等于5401012Hz的單色輻射光源（黃綠色可見光），在某給定方向上的發(fā)光強度，在該方向上的輻射度為1/683瓦特每球面度（W/sr）。1979年物質(zhì)的量摩爾mol摩爾是一個系統(tǒng)中的物質(zhì)的量，該系統(tǒng)中所包含的基本微粒數(shù)與0.012kg的C-12中的原子數(shù)目相等。1971年1.3 計量及

9、計量器具計量及計量器具1.3.2 計量器具的基本概念計量器具的基本概念 1. 量具的概念：量具的概念： 以固定形式復(fù)現(xiàn)量值的計量器具。 作用：維持單位統(tǒng)一，保證量值準(zhǔn)確地傳遞。 2. 量具的分類：量具的分類： 按自身準(zhǔn)確度由高到低：基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)、工作量具計量計量器具器具計量儀器計量儀器計量量具計量量具計量物質(zhì)計量物質(zhì)計量裝置計量裝置計量工作的物質(zhì)基礎(chǔ)計量工作的物質(zhì)基礎(chǔ)千克是質(zhì)量單位，等于國際千克原器的質(zhì)量。“千克”是通過千克原器來復(fù)現(xiàn)的。國際千克原器就是國際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(基準(zhǔn))，全世界只有一個，它是用90%鉑和10%銥合金精心制成的形狀為高 度和直徑均為39毫米的圓柱體，鉑銥合金的密度為21.5克/

10、厘米3，它被放在多層玻璃罩內(nèi)?！扒Э恕钡膶崿F(xiàn)就是用這個國際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(基準(zhǔn))也即這一實物 量具:國際千克原器，它很穩(wěn)定地保存“千克”量值近100年，其質(zhì)量的變化約為50微克，相對變化量為510-8。在1983年第17屆國際計量大會上將“米”定義為:光在真空中于(1/299792458)秒時間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長度。國際計量委員會推薦新定義的米 可以通過時間法、頻率法和輻射法來實現(xiàn)。這些方法都是建立在光速是常數(shù)的基礎(chǔ)上。在輻射法方面，1993年國際計量委員會推薦了8種穩(wěn)頻激光器輻射的標(biāo)準(zhǔn) 譜線頻率(波長)值，作為復(fù)現(xiàn)“米”定義的國際標(biāo)準(zhǔn)。目前常用的是碘吸收633納米氦氖穩(wěn)頻激光器，它的復(fù)現(xiàn)性可達11

11、0-11。這種激光器以米定義為基礎(chǔ)，實現(xiàn)、保存或復(fù)現(xiàn)了長度單位量值。 1.3.3 基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)1.基準(zhǔn)基準(zhǔn) 用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平所能達到的最高準(zhǔn)確度來復(fù)現(xiàn)和保存計量單位的計量器具。只用于鑒定各種量具的準(zhǔn)確度，不直接參加測量。 (1) 一級基準(zhǔn)一級基準(zhǔn)，又稱主基準(zhǔn)和國家基準(zhǔn)。具有最高水平的基準(zhǔn)。 一 個國家只有一個。 (2)二級基準(zhǔn)二級基準(zhǔn)，又稱副基準(zhǔn). 基準(zhǔn)的量值準(zhǔn)確度由主基準(zhǔn)確定，代 替主基準(zhǔn)向下傳遞或代替主基準(zhǔn)參加國際比對 。 (3)三級基準(zhǔn)，三級基準(zhǔn)，又稱工作基準(zhǔn)。工作基準(zhǔn)用來直接向下屬標(biāo)準(zhǔn)量具進行量值傳遞，用以檢定下屬計量標(biāo)準(zhǔn)量具的準(zhǔn)確度。2.標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)u 根據(jù)工作基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)出不同等

12、級的便于經(jīng)常使用的 計量標(biāo)準(zhǔn)量具或儀器，簡稱標(biāo)準(zhǔn)。u 計量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度等級在工作基準(zhǔn)之下，工作計 量器具之上。u 按準(zhǔn)確度高低又分為一級標(biāo)準(zhǔn)、二級標(biāo)準(zhǔn)和三級 標(biāo)準(zhǔn)。u 通過這些標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常性地對日常工作儀器進行檢 定，確定其量值的準(zhǔn)確度大小。1.3.4 測量基準(zhǔn)的權(quán)威性和相對性測量基準(zhǔn)的權(quán)威性和相對性1.基準(zhǔn)的權(quán)威性基準(zhǔn)的權(quán)威性u 基準(zhǔn)的理論定義最嚴(yán)格的、制作工藝技術(shù)最先進?；鶞?zhǔn)的理論定義最嚴(yán)格的、制作工藝技術(shù)最先進。u 從現(xiàn)代科學(xué)的觀點來看，最好的基準(zhǔn)是自然基準(zhǔn)。從現(xiàn)代科學(xué)的觀點來看，最好的基準(zhǔn)是自然基準(zhǔn)。 自然基準(zhǔn)是根據(jù)物質(zhì)粒子運動的恒定性、通過原子常數(shù)的測原子常數(shù)的測定定而建立起來的基準(zhǔn)。目

13、前實現(xiàn)電學(xué)自然基準(zhǔn)的途徑為：根據(jù)交流約瑟夫遜效應(yīng)建立電壓基準(zhǔn)；根據(jù)質(zhì)子回旋磁比p建立電流基準(zhǔn)；根據(jù)克里青效應(yīng)建立歐姆基準(zhǔn)。2.基準(zhǔn)的相對性基準(zhǔn)的相對性 一個時期的測量基準(zhǔn)反映當(dāng)時的人類認(rèn)識水平和科學(xué)水平。其自身會隨時間、地點、環(huán)境條件而變化，甚至損壞。例：以太陽為基準(zhǔn)，時間測量的精確度1天內(nèi)可達到1秒鐘。而目前銫原子鐘的計時精確度在三百萬年內(nèi)也不超過1秒。1.3.5 測量標(biāo)準(zhǔn)的傳遞測量標(biāo)準(zhǔn)的傳遞中中 國國 計計量量 院院中中 國國 測測試試 院院國國 家家 標(biāo)標(biāo)物物 中中 心心授授 權(quán)權(quán) 基基 準(zhǔn)準(zhǔn)實實 驗驗 室室大大 區(qū)區(qū) 國國 家家 計計 量量 中中 心心省省 級級 計計 量量 所所市市

14、（ 地地 ） 計計 量量 所所分分站站縣縣 （ 區(qū)區(qū) ） 計計 量量 所所工工 礦礦 企企 業(yè)業(yè) 、 商商 店店 、 研研 究究 院院所所 、 醫(yī)醫(yī) 院院 、 學(xué)學(xué) 校校 等等國國防防計計量量中中心心行行業(yè)業(yè)計計量量中中心心國國家家專專業(yè)業(yè)計計量量站站國國 家家標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)準(zhǔn)級級級級級級工工 作作標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)準(zhǔn)自上而下逐級傳遞自上而下逐級傳遞 1.4 電學(xué)量具電學(xué)量具1. 標(biāo)準(zhǔn)電池：標(biāo)準(zhǔn)電池： 溫度特性是溫度特性是標(biāo)準(zhǔn)電池的最主要標(biāo)準(zhǔn)電池的最主要的特性。的特性。標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)準(zhǔn)電池的等級是的等級是按年電動按年電動勢變化率勢變化率劃分的。劃分的。玻璃在此封結(jié)硫酸鎘飽和溶液硫酸金屬晶體鎘汞合金汞正極負極圖1-

15、1 標(biāo)準(zhǔn)電池的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)電池的主要技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)電池的主要技術(shù)指標(biāo) 等級指數(shù)等級指數(shù)2020 C C電動勢檢定值電動勢檢定值/V/V一年期間電動勢一年期間電動勢允許變化范圍允許變化范圍/ / V V內(nèi)阻值內(nèi)阻值/ / 從從到到新生產(chǎn)新生產(chǎn)使用中使用中0.00020.0002級級1.01859001.01859001.01868001.01868002 27007000.00050.0005級級1.01859001.01859001.01868001.01868005 57007000.0010.001級級1.0185901.0185901.0186801.018680101070070015001

16、5000.0050.005級級1.018551.018551.018681.018685050700700200020000.0050.005級（不飽和）級（不飽和）1.018801.018801.019301.0193050505005000.010.01級級1.018551.018551.018681.01868100100700700300030000.010.01級（不飽和）級（不飽和）1.018801.018801.019301.01930100100500500300030000.020.02級（不飽和）級（不飽和）10.18610.18610.19610.196200200500

17、500300030001.4 電學(xué)量具電學(xué)量具標(biāo)準(zhǔn)電池使用時應(yīng)注意：標(biāo)準(zhǔn)電池使用時應(yīng)注意：v使用和存放的溫度應(yīng)符合有關(guān)要求；使用和存放的溫度應(yīng)符合有關(guān)要求；v通入或流出的電流不得大于各級標(biāo)準(zhǔn)電通入或流出的電流不得大于各級標(biāo)準(zhǔn)電池規(guī)定的數(shù)值；池規(guī)定的數(shù)值；v極性不能接反；極性不能接反；v不能用普通的電壓表或萬用表測量標(biāo)準(zhǔn)不能用普通的電壓表或萬用表測量標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢；電池的電動勢；1.4 電學(xué)量具電學(xué)量具2. 基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)電壓源u基準(zhǔn)電壓源最重要的性能是其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性； 準(zhǔn)確性一般通過激光校準(zhǔn)工藝保證其允許誤差（“時漂”）； 穩(wěn)定度即隨時間和溫度的變化維持基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定的能力（“溫 漂”） 。

18、u目前廣泛應(yīng)用的基準(zhǔn)電壓源有齊納二極管和集成電壓基準(zhǔn)。1.4 電學(xué)量具電學(xué)量具3. 標(biāo)準(zhǔn)電阻：標(biāo)準(zhǔn)電阻：u 制作材料：制作材料： 錳銅電阻絲錳銅電阻絲，是一種銅、錳、鎳的合金材料，具有以下特點：，是一種銅、錳、鎳的合金材料，具有以下特點：v在工作溫度下，電阻溫度系數(shù)??；在工作溫度下，電阻溫度系數(shù)??；v與銅的接觸電勢??；與銅的接觸電勢??；v有很高的電阻系數(shù)；有很高的電阻系數(shù)；v年穩(wěn)定性好；年穩(wěn)定性好；v有較好的機械加工性能有較好的機械加工性能。u 四端接線法四端接線法 1.4 電學(xué)量具電學(xué)量具u 標(biāo)準(zhǔn)電阻使用時應(yīng)注意：標(biāo)準(zhǔn)電阻使用時應(yīng)注意：v不允許超過規(guī)定的額定功率；不允許超過規(guī)定的額定功率；v

19、環(huán)境溫度不允許超過規(guī)定的界限，也不允許劇烈波動；環(huán)境溫度不允許超過規(guī)定的界限，也不允許劇烈波動；v在一定頻率下使用；在一定頻率下使用；v銘牌上給定的是環(huán)境溫度為銘牌上給定的是環(huán)境溫度為2020 C C時的電阻值，若在其它溫度時的電阻值，若在其它溫度下使用，標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值需要按相關(guān)公式計算下使用，標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值需要按相關(guān)公式計算 。1.4 電學(xué)量具電學(xué)量具4. 標(biāo)準(zhǔn)電感：標(biāo)準(zhǔn)電感： 通常是由通常是由絕緣銅導(dǎo)線在大理石或陶瓷框架上絕緣銅導(dǎo)線在大理石或陶瓷框架上繞制而成。繞制而成。標(biāo)準(zhǔn)電感有自感和互感兩種，在電磁測標(biāo)準(zhǔn)電感有自感和互感兩種，在電磁測量中，作為電感的標(biāo)準(zhǔn)量具，也常在材料磁特性測量量中，

20、作為電感的標(biāo)準(zhǔn)量具，也常在材料磁特性測量中作為磁通的標(biāo)準(zhǔn)量具。中作為磁通的標(biāo)準(zhǔn)量具。標(biāo)準(zhǔn)電感使用時應(yīng)注意：標(biāo)準(zhǔn)電感使用時應(yīng)注意：v不能超過標(biāo)準(zhǔn)電感的額定電流；不能超過標(biāo)準(zhǔn)電感的額定電流；v在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)使用；在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)使用；v標(biāo)準(zhǔn)電感附近不能有鐵磁物質(zhì)和干擾磁場。標(biāo)準(zhǔn)電感附近不能有鐵磁物質(zhì)和干擾磁場。 1.4 電學(xué)量具電學(xué)量具5. 標(biāo)準(zhǔn)電容：標(biāo)準(zhǔn)電容： 標(biāo)準(zhǔn)電容包括標(biāo)準(zhǔn)空氣電容器和標(biāo)準(zhǔn)云母電容器。標(biāo)準(zhǔn)電容包括標(biāo)準(zhǔn)空氣電容器和標(biāo)準(zhǔn)云母電容器。 三個端鈕三個端鈕A、B、P。P為屏蔽端鈕，和金屬屏蔽罩連接。使用時為屏蔽端鈕，和金屬屏蔽罩連接。使用時通常使通常使P的電位為零或固定某一數(shù)值上

21、，這樣的電位為零或固定某一數(shù)值上，這樣A、B兩端對屏蔽兩端對屏蔽層的分布電容層的分布電容CAP、CBP和和P端對地的分布電容端對地的分布電容CP0均為固定值，均為固定值，在測量中可設(shè)法消除它們的影響。在測量中可設(shè)法消除它們的影響。1.4 電學(xué)量具電學(xué)量具1.5 磁學(xué)量具磁學(xué)量具u磁量具分類：磁量具分類：磁通量具、磁感應(yīng)強度量具、磁距磁通量具、磁感應(yīng)強度量具、磁距量具。量具。u磁感應(yīng)強度或磁場強度量具：磁感應(yīng)強度或磁場強度量具：有永久磁鐵和通電有永久磁鐵和通電線圈兩種形式。用永久磁鐵或電磁鐵作為磁感應(yīng)線圈兩種形式。用永久磁鐵或電磁鐵作為磁感應(yīng)量具，一般都由質(zhì)子核磁共振儀來校準(zhǔn)磁感應(yīng)強量具，一般都

22、由質(zhì)子核磁共振儀來校準(zhǔn)磁感應(yīng)強度度B0B0的量值，其誤差為的量值，其誤差為 0 0 001%001% 0 0 01%01%。u亥姆霍茲線圈是弱磁場量具基準(zhǔn)，一般在亥姆霍茲線圈是弱磁場量具基準(zhǔn)，一般在1 1 10-10-8 8 1 1 10-3 T10-3 T范圍內(nèi)。單層繞組的亥姆霍茲線圈其范圍內(nèi)。單層繞組的亥姆霍茲線圈其場強的計算與實際場強的誤差為場強的計算與實際場強的誤差為 0 0 001%001%。1.5 磁學(xué)量具磁學(xué)量具1.標(biāo)準(zhǔn)磁體標(biāo)準(zhǔn)磁體u標(biāo)準(zhǔn)磁體采用高性能的永磁材料制造，具有長期的穩(wěn)定性， 標(biāo)準(zhǔn)磁體可以穩(wěn)定的使用在0-70之間，溫度系數(shù)為-0.03%/，溫度系數(shù)為負數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)磁體的外殼采用高磁導(dǎo)率的材料制成，它能有效的防護外界磁場的干