电气与电子测量技术——测量基本概念-测量系统的基本特性

%F.S
±0.03
%F.S
<±1
%F.S/℃
≤0.005
MΩ
≥5000
VDC
10
℃
-20-＋70
%F.S
150
可设计成12V或24V供电，0~5V或4~20mA信号输 出
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测量系统基本特性
静态特性 输入信号x(t)不随时间变化的X-Y之间的关系 动态特性 输入信号x(t) 随时间变化的X-Y之间的关系
静态特性
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测量系统的静态特性指标
➢ 灵敏度 ➢ 线性度 ➢ 回程误差 ➢ 重复性
➢ 分辨力 ➢ 量程 ➢ 精度 ➢ 零位 ➢ 漂移 ➢环境条件
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灵敏度
定义：描述测量系统输出量对输入量变化反应的能力。
描述:
S
输出量的变化量y 输入量的变化量x
dy dx
f (x)
灵敏度表征了单位输入量的变化所引起测量系统输出 量的变化程度。
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分辨力
定义： 又称“灵敏度阈”，表征测量系统有效辨别输入量最 小变化量的能力。
描述： 1、分辨力 --- 是绝对数值，如 0.01mm，0.1g，1mv，… 2、分辨率 --- 是相对数值：能检测的最小被测量的变 换量相对于 满量程的百分 数，如： 0.1%, 0.02% 3、阀值 --- 在系统输入零点附近的分辨力。
S y v x x
u v
y u
S1S2 S3
v
u
wk.baidu.com
S1
S2
S3
x
y
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线性度
➢ 测量系统的输出——输入关系一般应当具有直线特性； 定义：又称“非线性误差”，说明输出量与输入量的实
际关系曲线偏离其拟合直线的程度。
y
描述:
Lmax 输出值与拟合直线的最大偏差值 yF.S. 满量程输出值
注意：选定的拟合直线不同，计算 所得的线性度数值也就不同
测量系统的基本特性
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测量系统的基本知识
测量系统一般定义 众多环节组成的对被测物理量进行检测、调理、变换、显
示或记录的完整系统。
广义测量系统 指单台的测量仪器，和由多台仪器及设备等组成的完整 测试系统，也可指组成测量系统中的某一环节或单元。
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测量系统的基本知识
测量系统三要素： 输入、输出、基本特性
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例题
用铜-康铜热电偶与数字电压表组成测温系统：
己知： (l)当温升△T＝50 ℃，热偶输出热电势 △ε＝2.035mV； (2)数字电压表最低位为10μV。
试问该测温系统灵敏度？能否达到0.1℃ 的分 辨力？
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精度
定义： 测量系统的准确程度。 测量结果与被测量的真值相符合的程度。
定量描述： • 用容许误差等表征 • 用准确度等级来表征； • 用不确定度来表征；
输入 y = f(x)
摩 间 松 迟 蠕 变老 擦 隙 动 滞 变 形化
内部误差因素
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静态特性的获得
在规定的标准工作条件下
高精度输入量发生器 一系列数值已知的、准确的、不随时间 变化的输入量
规定温度范围、大气压 力、湿度等
Xi
测量系统
Yi
根据Xi与Yi的关系
数表 绘制曲线 数学表达式
高精度测量仪器
100%
Hm：正反行程输出值的最 大偏差。
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重复性
定义：表征测量系统输入量按同一方向作全量程连续多次变 动时，静态特性不一致的程度。
描述：
R
R YF S
100%
R：同一输出量对应多次循环的同 向行程输出量绝对误差。
注意：重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证
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测量范围、量程
测量范围定义：测量系统所能测量到的最小被测量（输入 量）与最大被测量（输入量）之间的范围。
量程定义：又称“满度值”，表征测量系统能够承受最 大输入量的能力。数值上等于测量系统测量范围的上 限值与下限值之差的模：
R | xmax xmin |
【例】温度测量系统能测－60～+1200C温度。测量范围？量程？
S Δy tan 常数
Δx
S Δy dy Δx dx
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灵敏度
【例】间隙式平板电容距离传感器
C S
d
灵敏度？
注意：若输入输出量纲相同，常称“放大倍数”。
其他形式： S y
x x
或
S y y x
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多级测量系统的灵敏度
若测量系统是由灵敏度分别为S1，S2，S3等多个相互独
立的环节组成时，测量系统的总灵敏度S为
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零位(失调)
定义：又称“零点”，当输入量为零 x=0时，测量 系统的输出量不为零的 数值
描述：零位值为 y S0
Y=s0+ s1 x
y
y=sx
零位值一般应设法从测量结果中消除。 0
x
例如：可以通过测量系统的调零机构 或者由软件扣除。
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ΔLm
x
（1）最小二乘法拟合直线
y
Δ
ΔLj
x
特点：拟合精度较高，计算较复杂。
特点： 简单、方便，偏差大。
回程误差
定义：
亦称“滞后（量）”、“回程误差”或“滞 环” ，表征测量系统在全量程范围内，输入量 由小到大（正行程）或由大到小（反行程）两者 静态特性不一致的程度。
描述： 相对误差
H
H m yF .S .
测量系统的基本特性 系统的输入与输出之间的关系H（t）。
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测量系统的基本知识
例：输电线路运行状态监测系统
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测量系统的基本知识
张力传感器技术指标
技术参数 测量范围 输出电压 精确度 重复性 零点输出 零点温漂 绝缘电阻 供桥电压 工作温度 允许过载
备注
单位
技术指标
t
0-5
mV/V %F.S
2.0 ±0.05
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分辨力
对模拟式测量系统，其分辨力一般为最小分度值的1/2～ 1/5。
对具有数字显示器的测量系统，其分辨力是当最小有效 数字增加一个字时相应示值的改变量，也即相当于一个 分度值。
对于A/D转换器，分辨力是A/D变化一个字的输入量的 变化量。N位A/D 分辨力为1/2n 。
对于一般测量仪表的要求是：灵敏度应该大而分辨力应 该小。
由测量系统输入、输出的关系来表征，是测量系统 所呈现出的外部特性；
由测量系统内部参数也即系统本身的固有属性所决 定。
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测量系统的静态特性
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测量系统的静态数学模型
静态特性定义
测量系统的输入不随时间变化的 测量系统输入与输出之间呈现的关 系。
又称“刻度特性”、“标 准曲线”或“校准曲线”
数学模型
理想测量系统:线性关系
y=Sx
Y=s0 + s1 x
y
y=sx
实际的测量系统：非线性关系
y=S0+S1x+S2x2+…
式中：S0，S1，S2，…，Sn——常量； 0
x
y——输出量；
x——输入量。
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测量系统的静态特性
非线性原因：
外界干扰
温 湿 压 冲 振 电磁 度 度 力 击 动 场场
输入 x
测量系统