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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1.2.4 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）

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。
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1.3.1 电子测量中的变换技术(续）

（3）变频率覆盖范围。 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
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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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1.2.3 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。
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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
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。
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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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1.1.3 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）
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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
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。
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。
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）
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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。


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。



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。

•
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。
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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 雾和粉尘，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）
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。