《测量传递系统》课件

测量传递系统课程目标与学习成果本课程旨在使学员能够理解测量系统的基本原理和组成部分，掌握测量误差的分析方法，熟悉各种传感器的特性与应用，了解信号调理电路的作用，掌握模数转换和数模转换技术，以及掌握测量系统的校准与标定方法通过本课程的学习，学员将能够设计、分析和优化测量系统，解决实际测量问题，并具备持续学习和创新的能力完成本课程后，学员应能够•理解测量系统的基本概念和组成部分•掌握测量误差的分析方法•熟悉各种传感器的特性与应用•了解信号调理电路的作用•掌握模数转换和数模转换技术测量系统的基本概念测量测量系统测量传递系统测量是指将被测对象的物理量或状态与测量系统是指完成测量任务所需的全部一个已知的标准进行比较，从而确定其装置和程序的集合它包括传感器、信大小或状态的过程测量是科学研究和号调理电路、模数转换器、数据处理单工程实践的基础，是获取信息的重要手元和显示单元等组成部分测量系统的段性能直接影响测量的准确性和可靠性测量系统的组成部分传感器1传感器是测量系统的核心部件，它将被测物理量转换为电信号或其他形式的信号信号调理电路2信号调理电路对传感器的输出信号进行放大、滤波、线性化等处理，以满足模数转换器的要求模数转换器3模数转换器将模拟信号转换为数字信号，以便于数据处理和显示数据处理单元测量系统的分类按测量对象物理量测量系统、化学量测量系统、生物量测量系统等按测量原理电学测量系统、光学测量系统、力学测量系统等按测量方法直接测量系统、间接测量系统、比较测量系统等按自动化程度手动测量系统、半自动测量系统、自动测量系统等理想测量系统的特性线性度重复性准确度输出信号与输入信号之在相同条件下，多次测测量结果与真实值之间间呈线性关系量同一输入信号，输出的偏差小信号的变化范围小实际测量系统的特性非线性1输出信号与输入信号之间存在非线性关系滞后2输出信号的变化滞后于输入信号的变化漂移3输出信号随时间发生变化噪声4输出信号中包含随机噪声测量系统的静态特性线性度描述测量系统输出与输入之间关系的线性程度灵敏度描述测量系统输出变化与输入变化之间的比例关系分辨率描述测量系统能够分辨的最小输入变化测量系统的动态特性时间响应2描述测量系统对阶跃输入信号的响应能力频率响应1描述测量系统对不同频率输入信号的响应能力稳定性描述测量系统在受到干扰后恢复到稳定3状态的能力测量误差的来源环境因素1温度、湿度、电磁干扰等仪器仪表2仪器仪表本身的误差人员操作3操作人员的技能水平和操作习惯测量方法4测量方法本身的局限性被测对象5被测对象本身的特性测量误差是不可避免的，了解误差的来源有助于采取措施减小误差系统误差与随机误差系统误差随机误差系统误差是指在相同条件下，多次测量同一物理量时，误差的大随机误差是指在相同条件下，多次测量同一物理量时，误差的大小和方向保持不变或按一定规律变化的误差系统误差具有可重小和方向随机变化的误差随机误差具有随机性，可以通过多次复性，可以通过校准或修正的方法减小测量取平均值的方法减小测量不确定度概念测量不确定度是指对测量结果的离散程度的估计，它是对测量结果的质量的一种度量测量不确定度不是误差，而是对误差范围的一种估计测量不确定度越大，说明测量结果的可靠性越低测量不确定度的评估方法包括A类评估和B类评估A类评估是基于统计分析的方法，B类评估是基于非统计分析的方法在实际应用中，通常需要综合考虑A类评估和B类评估的结果传感器的基本原理物理效应转换元件12利用被测物理量引起的物理效将物理效应转换为电信号或其应，如电阻效应、电容效应、他形式的信号电感效应、压电效应、光电效应等输出信号3输出与被测物理量相关的信号常见传感器类型电阻式传感器利用电阻随物理量变化的特性进行测量电容式传感器利用电容随物理量变化的特性进行测量电感式传感器利用电感随物理量变化的特性进行测量压电式传感器利用压电效应进行测量电阻式传感器应变片热敏电阻光敏电阻利用电阻随应变变化的特性进行测量，利用电阻随温度变化的特性进行测量，利用电阻随光照强度变化的特性进行测常用于测量力、压力、位移等常用于测量温度量，常用于测量光照强度电容式传感器差动电容式传感器1利用差动电容随物理量变化的特性进行测量，具有灵敏度高、线性度好等优点变面积式电容传感器2通过改变电容极板的面积来改变电容值变介质式电容传感器3通过改变电容极板间的介质来改变电容值电感式传感器自感式传感器利用自感随物理量变化的特性进行测量互感式传感器利用互感随物理量变化的特性进行测量压电式传感器压电效应2当压电材料受到机械应力时，会产生电压电材料荷1具有压电效应的材料，如石英、钛酸钡等应用3用于测量力、压力、加速度等光电传感器光敏元件1能够将光信号转换为电信号的元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等工作原理2利用光电效应进行测量应用3用于测量光照强度、颜色、距离等温度传感器热电偶热敏电阻集成温度传感器利用塞贝克效应进行测量，具有测量范利用电阻随温度变化的特性进行测量，将温度敏感元件和信号调理电路集成在围广、结构简单等优点具有灵敏度高、体积小等优点一起，具有精度高、使用方便等优点信号调理电路基础放大1将传感器的输出信号放大到合适的范围滤波2滤除信号中的噪声和干扰线性化3将非线性信号转换为线性信号隔离4将传感器与后级电路隔离，防止干扰放大器在测量系统中的应用差分放大器仪表放大器用于放大差分信号，抑制共模干具有高输入阻抗、低输出阻抗、扰高共模抑制比等特点运算放大器可以实现各种放大功能，如比例放大、积分放大、微分放大等滤波器的作用与类型作用1滤除信号中的噪声和干扰，提高信噪比类型2低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器设计3根据信号的频率特性和噪声的频率特性进行设计模数转换原理采样将连续的模拟信号转换为离散的模拟信号量化将离散的模拟信号转换为离散的数字信号编码将离散的数字信号转换为二进制代码采样定理与采样率选择采样率选择2根据采样定理和实际应用的需求进行选择采样定理1采样频率必须大于信号最高频率的两倍，才能保证信号不失真过采样采用高于奈奎斯特频率的采样频率，可3以提高信噪比量化与编码过程量化1将连续的模拟信号转换为离散的数字信号量化误差2由于量化过程引起的误差编码3将离散的数字信号转换为二进制代码数模转换技术数模转换器常用类型应用将数字信号转换为模拟信号电阻网络式、电流式、电压式等用于控制系统、音频系统等数字信号处理基础数字滤波器快速傅里叶变换12用于滤除数字信号中的噪声和用于将时域信号转换为频域信干扰号数字信号处理算法3用于实现各种信号处理功能测量系统中的噪声问题噪声来源噪声影响热噪声、散粒噪声、电磁干扰降低测量精度、影响系统稳定性等等噪声抑制采用屏蔽、滤波、接地等方法抗干扰技术屏蔽1利用屏蔽罩隔离电磁干扰滤波2利用滤波器滤除噪声和干扰接地3利用接地线将设备与大地连接，降低电位差测量系统的校准方法校准将测量系统的输出与标准进行比较，调整系统的参数，使其输出与标准一致常用方法零位校准、满度校准、多点校准测量系统的标定过程连接系统2将测量系统与标准连接选择标准1选择合适的标准，如标准电阻、标准电压等测量数据3测量不同输入下的输出数据线性化技术分段线性化1将非线性曲线分成若干段，每段用直线逼近软件线性化2利用软件算法进行线性化硬件线性化3利用硬件电路进行线性化测量系统的频率响应频率响应幅频特性相频特性描述测量系统对不同频率输入信号的响描述测量系统输出信号的幅度随输入信描述测量系统输出信号的相位随输入信应能力号频率变化的规律号频率变化的规律测量系统的时间响应阶跃响应脉冲响应12测量系统对阶跃输入信号的响测量系统对脉冲输入信号的响应应时间常数3描述测量系统响应速度的指标测量系统的稳定性分析稳定性分析方法描述测量系统在受到干扰后恢复利用劳斯判据、奈奎斯特判据到稳定状态的能力等提高稳定性采用反馈控制、增加阻尼等方法反馈控制在测量系统中的应用反馈控制1利用反馈信号控制测量系统的输出，提高系统的精度和稳定性应用2温度控制、压力控制、流量控制等控制算法3PID控制、模糊控制等测量系统的灵敏度分析灵敏度描述测量系统输出变化与输入变化之间的比例关系分析方法利用灵敏度系数进行分析测量系统的分辨率分辨率影响因素1描述测量系统能够分辨的最小输入变2传感器、模数转换器等化测量系统的精度与准确度精度1描述测量结果的重复性准确度2描述测量结果与真实值之间的偏差关系3精度高不一定准确度高，准确度高一定精度高测量系统的重复性与再现性重复性再现性在相同条件下，多次测量同一输入信号，输出信号的变化范围在不同条件下，多次测量同一输入信号，输出信号的变化范围小小测量系统分析（）概述MSA目的内容12评估测量系统的测量能力偏倚分析、线性分析、稳定性分析、重复性和再现性分析应用3质量控制、过程改进等仪器仪表误差分析误差来源误差分类制造误差、使用误差等系统误差、随机误差误差处理校准、修正等数据采集系统的构成传感器1用于采集物理量信号调理电路2用于放大、滤波信号模数转换器3用于将模拟信号转换为数字信号计算机在测量系统中的作用数据采集用于采集测量数据数据处理用于处理测量数据数据显示用于显示测量数据测量软件的设计原则可靠性2运行稳定、数据准确用户友好1界面简洁、操作方便可扩展性3易于添加新功能虚拟仪器技术简介定义1利用计算机软件实现仪器仪表的各种功能优点2灵活、可扩展、性价比高应用3测量、控制、仿真等在测量系统中的应用LabVIEW应用LabVIEW一种图形化编程语言，适用于开发测量、控制和自动化系统数据采集、信号处理、仪器控制等测量系统的网络化与远程测量网络化1将测量系统连接到网络，实现数据共享和远程控制远程测量2通过网络实现对测量系统的远程操作和数据采集工业测量系统案例分析温度测量压力测量流量测量用于控制工业过程中的温度用于监测工业过程中的压力用于控制工业过程中的流量医疗测量系统案例分析心电图测量1用于诊断心脏疾病脑电图测量2用于诊断脑部疾病血压测量3用于监测血压环境监测系统案例分析空气质量监测用于监测空气中的污染物水质监测用于监测水中的污染物智能传感器与物联网物联网2将各种设备连接到互联网，实现数据共享和远程控制智能传感器1具有数据处理和通信能力的传感器应用3智能家居、智能交通、智能农业等测量系统的故障诊断故障诊断1识别测量系统中的故障诊断方法2观察法、测试法、分析法故障排除3修复或更换故障部件测量系统的可靠性设计可靠性设计方法描述测量系统在规定的时间内完成规定任务的概率冗余设计、容错设计、降额设计测量系统的安全性考虑安全设计1防止触电、火灾、爆炸等事故安全措施2接地、绝缘、过载保护等测量系统的标准化与规范标准化规范制定统一的技术标准，保证测量结果的可比性制定统一的操作规范，保证测量结果的可靠性测量系统的未来发展趋势智能化1集成更多智能功能，如自校准、自诊断、自适应等网络化2实现远程测量和数据共享微型化3体积更小、功耗更低课程总结通过本课程的学习，我们了解了测量传递系统的基本概念、组成部分、特性、误差分析、传感器技术、信号处理、系统校准以及各种实际应用案例希望大家能够将所学知识应用到实际工作中，不断提高测量技术水平，为科学研究和工程实践做出更大的贡献感谢大家的参与！思考题与讨论请大家思考以下问题•如何提高测量系统的精度？•如何选择合适的传感器？•如何设计可靠的测量系统？欢迎大家积极参与讨论，共同学习，共同进步！。