第1章 仪器设计导论

x { x} x0 测量结果＝测量数值×测量单位，即：
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1.1.2 测量的定义（续）

测量的内涵
①测量对象：被测客体中的相应的量值信息；
测量目的：从被测对象取得一个定量的认识；
②测量过程:
通过实验去认识对象的过程 ③测量方法：比较；
A.直接比较 B.间接比较；C.需要测量仪器；
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1.1 测量的基本概念

1.1.1 测量的意义
日常生活中处处离不开测量
没有望远镜就没有 天文学，没有显微 镜就没有细胞学， 没有指南针就没有 航海事业
科学的进步和发展离不开测量，
离开测量就不会有真正的科学。

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1.1.1 测量的意义（续）
生产发展离不开测量
农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了长度、 面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，出现了原 始的时间测量器具，并有了天文测量。 现代化的工业生产中，处处离不开测量. 例如，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点
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1.1.3 测量的组成（续）



7.测量环境 测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间 的一切物理和化学条件的总和。 测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气 wenku.baidu.com和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、负 载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。
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1.1.3 测量的组成（续）

2.广义测量的定义
广义地讲，测量是为了获取被测对象的信息而进行的实
践过程。 例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震 源测定、卫星定位等。 而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息， 还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属 性特征、空间分布、拓朴结构等。 广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息的 感知和信息识别两个环节。
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1.2.4 测量基准的权威性和相对性
1.基准的权威性
基准的理论定义最严格的、制作工艺技术最
先进。 原器基准自身也会随时间、地点、环境条件 而变化，甚至会损坏，会失传。 从现代科学的观点来看，最好的基准是原子 基准。
2.基准的相对性
一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平 和科学水平
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1.2.4 测量基准的权威性和相对性（续）
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1.3.1 电子测量中的变换技术(续）

（3）变频（混频）
①进行频率的加减运算。 ②获得很宽的频率覆盖范围。 ③获得高增益，提高测量仪器的灵敏度。 ④实现中频或低频替代，以提高测量精度。 ⑤实现频率的精密测量。
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1.3.1 电子测量中的变换技术(续）
（4）倍频 ①倍频器是频率综合技术中的乘法器。 ②差频倍增法
大区国家计量中心 省级计量所 市（地）计量所 县（区）计量所
1.3 电子测量中的基本实现技术
1.3.1 电子测量中的变换技术
1.量值变换




量值是指电压、电流、功率、阻抗、时间等电参量的幅值 大小。 量值变换即指把它们的幅值按比例地增大或缩小。 把量值处于难以测量的边缘状态（太小或太大）的被测量， 按某一已知比值变换为量值适中的同样参量进行测量。 通过量值变换，可增加测量范围，提高测量分辨力和精度。
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•
•
1.1.3 测量的组成（续）



3.被测对象——信息 广义的测量是信息的获取，信息反映了事物的运动的状态及 其变化方式。信息又可分为自然信息和社会信息两大类。 4.测量仪器系统——量具和仪器 测量仪器系统包括量具、测试仪器、测试系统及附件等 5.测量的主体——测量人员 手动：由测量主体（测量人员）直接参与完成 自动：测量主体交给智能设备（计算机等）完成，但测量策 略、软件算法、程序编写需由测量人员事先设计好。 6.测试技术 测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测试技术。
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1.2.3 基准和标准（续）
2.标准



根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准 量具或仪器，简称标准。 计量标准的准确度等级在工作基准之下，工作计量器具之 上。 按精度高低又分为一级标准、二级标准和三级标准。 通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检定，确定其 量值的精确度大小。 除标准器具外，还有标准物质。


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1.2.3 基准和标准（续）



（4）比对：在规定条件下，对相同准确度等级的 同类基准、标准或工作计量器之间的量值进行比较， 其目的是考核量值的一致性。 （5）检定：是用高一等级准确度的计量器具对低 一等级的计量器具进行比较，以达到全面评定被检 计量器具的计量性能是否合格的目的。一般要求计 量标准的准确度为被检者的1/3到1/10。 （6）校准：校准是指被校的计量器具与高一等级 的计量标准相比较，以确定被校计量器具的示值误 差（有时也包括确定被校器具的其他计量性能）的 全部工作。

1.2.2 单位和单位制（续）

1.国际单位制（SI）的组成
国际单位制基本单位
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1.2.2 单位和单位制（续）
国际单位制是由国际单位制单位、国际单位制词头两部分 组成。 国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。 单位 例：5.4X10-9s=5.4ns

词头
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1.2.3 基准和标准


环境对测量的影响 A. 环境对被测对象的影响：某些被测对象客体（如 器件、电路或系统）的性能特性对环境变化较为敏 感。 B. 环境对仪器系统的影响：环境可能直接或间接地 影响到仪器系统本身的某个工作特性。 C. 环境对测量人员的影响：高温、严寒、潮湿、闷 气、嘈杂、照明不适当等不良工作环境，会对测量 人员的身心产生不良影响，从而引起不同程度的人 身误差乃至差错。
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1.1.3 测量的组成（续）

应采取适当的控制措施，尽量减少由于环 境影响而产生的误差。


恒温、恒湿、稳压和防震。
抗干扰、防噪声的措施，如接地、屏蔽、 隔离、滤波等。 仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变化 环境。
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1.1.3 测量的组成（续）


仪器以工作环境条件的不同要求分为三组： I 组：良好的环境条件，温度 +10 ～ +35oC ，相对湿度 80% （在35oC上），只允许有轻微的振动。 II 组：一般的环境条件，温度－ 10 ～ +40oC ，相对湿度 80%（在40oC上），允许一般的振动和冲击。 III 组：恶劣的环境条件，温度－ 40 ～ +55oC ，相对湿度 90%（在35oC上），允许频繁的搬动和运输中受到较大的 冲击和振动。 I组——高精度计量用仪器 II组——通用仪器 III组——野外、机载等仪器

计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。
计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动，如
单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监 督管理、测量方法及其手段的研究等。
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1.2.2 单位和单位制

根据定义而令系数为 1的量称为单位。例：克、米、 秒等 单位是表征测量结果的重要组成部分，又是对两个 同类量值进行比较的基础。
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1.3.1 电子测量中的变换技术(续）

2.频率变换
（1）检波：交流电压变成直流电压
常用磁电式电表，它只能测量直流，交流信号必须检波成 直流信号来测量 （2）斩波：把一个直流电压调制成交流电压，经过交 流放大，然后再把交流电压通过反调制（解调）还原 为直流电压的过程。 斩波的作用是对微弱的直流电压进行高稳定放大。
在高新技术和国防现代化建设中则更是
离不开测量
例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中受 气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、机翼 的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。
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1.1.2 测量的定义

1.狭义测量的定义 测量是为了确定被测对象的量值而进行的一组操作。 在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接 或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位 共同表示的测量结果。
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1.2.2 单位和单位制（续）

1960年第十一届国际计量大会上正式通过 国 际 单 位 制 SI (International System of Units)。

1984 年 2 月国务院颁布了《中华人民共和 国法定计量单位》，决定我国法定计量单 位以国际单位制为基础。
SI有7个基本单位
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2.测量过程——基本要素之间的互动关系
论证阶段 测量的主体（测量人员）根据测试任务的要求、被测对 象的特点、属性，及现有仪器设备状况，拟定合理的测 试方案。 设计阶段 * 选择测试仪器，组建测试系统。 * 制定出测试策略（测量算法）和操作步骤（测试程序） 实施阶段 * 对仪器和系统实施测试操作（发控制命令），按照逻辑 和时序完成测量过程，取得测量数据; * 分析测量误差并显示测量出结果。
mf x mf s m( f x f s ) mf

③用倍频法减小测量误差。
利用电子计数进行频率测量时，±1误差将决定测量误 差。若KHz，±1的相对误差为10-3，如果先对进行103倍的 锁相倍频后测量，则该项误差可降为10-6。
仪器仪表创新设计
参考书目：赵茂泰.电子测量仪器设计.华中 科技大学出版社,2010版。张春林.机械创新 设计.机械工业出版社,2011版。 总成绩＝平时成绩× 30﹪＋期末考试成绩 × 70﹪ 平时成绩＝出勤＋课堂发言

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第1章 测量的基本原理



本章阐述测量学科的丰富内涵。 介绍测量、计量的基本概念，即它们的意义、内 容、特点及应用。 讨论测量原理、测量方法和测量系统中的共性问 题。 从实现测量原理的变换、比较、处理和显示等环 节中，阐述电子测量的基本技术。
④测量标准：同类已知单位。 ⑤测量结果：最终能表示给测量主体（人）
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1.1.2 测量的定义（续）
被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘 上的刻度是事先与标准量比较的结果。
(a) 天平直接比较
（b）弹簧称间接比较
被测物体的重量等于标图1－1 测量的比较原理 准砝码的重量
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1.1.2 测量的定义（续）
THE END 16
1.2 计量的基本概念

1.2.1
计量的定义和意义
为使在不同的地方，用不同的手段测量同一量时，所得的 结果一致，就要求统一的单位、基准、标准和测量器具。

1.计量的定义
计量是一种特殊形式的测量，它把被测量与国家计量部门
作为基准或标准的同类单位量进行比较，以确定合格与否， 并给出具有法律效力的《检定证书》。 计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠 的测量。



1.基准 基准用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴 定各种量具的精度，不直接参加测量。 (1)一级基准，又称主基准和国家基准 具有最高水平的基准。一个国家只有一个。 (2)二级基准，又称副基准 副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准 向下传递或代替主基准参加国际比对 (3)三级基准，又称工作基准 工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递， 用以检定下属计量标准量具的精确度。
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1.2.5 测量标准的传递
自上而下逐级传递
国家 标准 Ⅰ 级 Ⅱ 级 Ⅲ 级 工作 标准 中国计 量院 中国测 试院 国家标 物中心 国 家 专 业 计 量 站 分 站 工矿企业、商店、研究院 所、医院、学校等
THE END 28
授权基准 实验室 行 业 计 量 中 心 国 防 计 量 中 心
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1.2.3 基准和标准（续）


3.几个术语
（1）计量器具： 凡是能用以直接或间接测出被测对象量 值的量具、计量仪器和计量装臵都统称为计量器具。计量 器具按作用可分为计量基准、计量标准和工作计量器具三 类。 （2）计量标准器具： 准确度低于计量基准，用于检定计 量标准或工作计量器具的计量器具。 （ 3）工作计量器具： 工作岗位上使用，不用于进行量值 传递，而是直接用来测量被测对象量值的计量器具。
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1.1.3 测量的组成

1.测量的基本要素
被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境
原理 方法 对象 属性 选择 仪器 被测信息 激励信号 影 响 影响 测量 环境 影响 仪器 系统 决定 方法 参数命令 数据状态 测量 人员 测量策 略、算法
被测 对象
图1-3
测量的基本要素
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1.1.3 测量的组成（续）