控制測(cè)量講義本講義將介紹控制測(cè)量的基本概念、方法和應(yīng)用。內(nèi)容包括平面控制測(cè)量、高程控制測(cè)量、GPS測(cè)量等。by課程簡(jiǎn)介課程目標(biāo)本課程旨在幫助學(xué)生掌握控制測(cè)量系統(tǒng)的基本原理、方法和技術(shù)。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生將能夠理解測(cè)量系統(tǒng)的工作原理，掌握測(cè)量誤差的分析和處理方法，并能夠設(shè)計(jì)和應(yīng)用測(cè)量系統(tǒng)解決實(shí)際問題。課程內(nèi)容本課程主要涵蓋控制系統(tǒng)測(cè)量的基本概念、測(cè)量?jī)x表的選擇和使用、測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析、常見測(cè)量方法和儀表等內(nèi)容。學(xué)生將學(xué)習(xí)到各種測(cè)量技術(shù)的原理和應(yīng)用，并了解測(cè)量技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域中的重要作用。測(cè)量的基本概念定義測(cè)量是指利用儀器或方法確定物理量的大小，并以數(shù)值表達(dá)的過程。目的測(cè)量是為了獲取物體的真實(shí)屬性，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。重要性測(cè)量在科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、質(zhì)量控制等方面起著至關(guān)重要的作用。測(cè)量單位和標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度單位米是國(guó)際單位制中的基本長(zhǎng)度單位，是衡量物體大小的標(biāo)準(zhǔn)。質(zhì)量單位千克是國(guó)際單位制中的基本質(zhì)量單位，是衡量物體重量的標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間單位秒是國(guó)際單位制中的基本時(shí)間單位，是衡量事件持續(xù)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。溫度單位攝氏度是國(guó)際單位制中的常用溫度單位，是衡量物體冷熱程度的標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量分類和精度直接測(cè)量直接測(cè)量是指用測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量被測(cè)量的物理量。間接測(cè)量間接測(cè)量是指通過測(cè)量與被測(cè)量的物理量有關(guān)的其他物理量，然后根據(jù)它們之間的關(guān)系計(jì)算出被測(cè)量的物理量。測(cè)量精度測(cè)量精度是指測(cè)量結(jié)果與真值之間的接近程度。測(cè)量誤差測(cè)量誤差是指測(cè)量結(jié)果與真值之間的差異。測(cè)量誤差及其表述11.誤差來源測(cè)量誤差是由多種因素造成的，包括儀器誤差、環(huán)境誤差和人為誤差。22.誤差分類測(cè)量誤差可以分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和過失誤差。33.誤差表示測(cè)量誤差通常用絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和百分誤差來表示。44.誤差控制通過選擇合適的儀器、控制環(huán)境條件和規(guī)范操作方法，可以有效控制測(cè)量誤差。測(cè)量誤差分析1誤差來源儀器誤差環(huán)境誤差操作誤差2誤差類型系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差3誤差分析方法統(tǒng)計(jì)分析誤差傳遞4誤差控制選擇合適的儀器控制環(huán)境條件測(cè)量誤差分析是控制測(cè)量的重要環(huán)節(jié)。通過分析誤差來源，可以采取措施減少誤差。提高測(cè)量精度，確保測(cè)量結(jié)果的可靠性。測(cè)量?jī)x表的選擇和使用11.測(cè)量范圍選擇儀表時(shí)，需要考慮其測(cè)量范圍是否滿足測(cè)量要求。22.測(cè)量精度測(cè)量精度是衡量?jī)x表準(zhǔn)確性的指標(biāo)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的精度等級(jí)。33.儀表類型根據(jù)測(cè)量對(duì)象的特性和測(cè)量要求，選擇合適的儀表類型，例如數(shù)字儀表、模擬儀表等。44.使用環(huán)境需要考慮儀表的使用環(huán)境，例如溫度、濕度、振動(dòng)等因素，選擇耐腐蝕、防潮、防震等特性。數(shù)字測(cè)量?jī)x表的特點(diǎn)高精度數(shù)字測(cè)量?jī)x表通常具有更高的精度，可提供更精確的測(cè)量結(jié)果。易讀性數(shù)字顯示屏可以直接顯示測(cè)量值，無需進(jìn)行手動(dòng)換算，方便讀取和記錄。自動(dòng)化許多數(shù)字測(cè)量?jī)x表具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能，并可與計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量和數(shù)據(jù)處理。模擬測(cè)量?jī)x表的特點(diǎn)直觀顯示模擬儀表使用指針或刻度盤來直接顯示測(cè)量結(jié)果，便于用戶直觀地觀察和理解數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)單易用模擬儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，不需要復(fù)雜的編程或設(shè)置，易于使用和維護(hù)。價(jià)格低廉與數(shù)字儀表相比，模擬儀表制造工藝簡(jiǎn)單，成本較低，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。抗干擾能力強(qiáng)模擬儀表對(duì)環(huán)境噪聲和干擾具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在惡劣的電磁環(huán)境中也能正常工作。儀表的靜態(tài)特性參數(shù)靜態(tài)特性參數(shù)描述儀表在穩(wěn)態(tài)條件下的性能，與儀表的工作原理和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。準(zhǔn)確度等級(jí)反映儀表測(cè)量值的誤差范圍靈敏度反映儀表對(duì)被測(cè)量的最小變化的響應(yīng)能力重復(fù)性反映儀表在相同條件下進(jìn)行多次測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果的一致性線性度反映儀表輸出值與輸入值之間的線性關(guān)系遲滯反映儀表在輸入量逐漸增加和減少時(shí)，輸出量之間的差異儀表的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)儀表的動(dòng)態(tài)特性是指儀表對(duì)變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性參數(shù)反映了儀表對(duì)輸入信號(hào)的變化速度、頻率和幅度的響應(yīng)能力。常用的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)包括：響應(yīng)時(shí)間、時(shí)間常數(shù)、頻率響應(yīng)、相位滯后等。儀表的可靠性可靠性定義儀表的可靠性是指儀表在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。它反映了儀表性能的穩(wěn)定性和可信度。影響因素影響儀表可靠性的因素包括：儀表的質(zhì)量、環(huán)境條件、使用方式、維護(hù)保養(yǎng)等。指標(biāo)常見的可靠性指標(biāo)包括：平均無故障時(shí)間（MTBF）、平均故障間隔時(shí)間（MTTR）、可靠度、可用度等。評(píng)估方法可以通過試驗(yàn)、分析和計(jì)算等方法來評(píng)估儀表的可靠性。儀表的校準(zhǔn)和維護(hù)儀表的校準(zhǔn)和維護(hù)是確保測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。1定期校準(zhǔn)根據(jù)使用頻率和環(huán)境因素確定校準(zhǔn)周期。2清潔維護(hù)定期清潔儀表，避免灰塵和污垢影響性能。3故障排除及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理儀表故障，避免測(cè)量誤差累積。校準(zhǔn)可以提高測(cè)量精度，延長(zhǎng)儀表使用壽命。維護(hù)可以預(yù)防故障，確保儀表穩(wěn)定運(yùn)行。測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成傳感器將被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。信號(hào)處理單元對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理。顯示單元將處理后的信號(hào)顯示出來，方便人們觀察和分析。數(shù)據(jù)處理單元對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和處理，并進(jìn)行控制。測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性是指在輸入量穩(wěn)定不變的情況下，輸出量隨時(shí)間變化的特性。它反映了測(cè)量系統(tǒng)對(duì)輸入量的響應(yīng)能力和穩(wěn)定性。靜態(tài)特性主要包括以下幾個(gè)方面：1靈敏度靈敏度是指輸出量變化量與輸入量變化量的比值，反映了測(cè)量系統(tǒng)對(duì)輸入量的敏感程度。2線性度線性度是指輸出量與輸入量之間的線性關(guān)系程度，反映了測(cè)量系統(tǒng)的誤差隨輸入量的變化規(guī)律。3重復(fù)性重復(fù)性是指在相同條件下進(jìn)行多次測(cè)量時(shí)，輸出量之間的偏差，反映了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。4遲滯遲滯是指輸入量在正向和反向變化時(shí)，輸出量之間的偏差，反映了測(cè)量系統(tǒng)的非線性程度。測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是指測(cè)量系統(tǒng)對(duì)時(shí)間變化的輸入信號(hào)做出響應(yīng)的能力。動(dòng)態(tài)特性主要由時(shí)間常數(shù)、延遲時(shí)間和頻率響應(yīng)等參數(shù)描述。時(shí)間常數(shù)表示測(cè)量系統(tǒng)對(duì)階躍輸入信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間延遲時(shí)間表示測(cè)量系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)延遲時(shí)間頻率響應(yīng)表示測(cè)量系統(tǒng)對(duì)不同頻率輸入信號(hào)的響應(yīng)能力測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析系統(tǒng)誤差由測(cè)量系統(tǒng)本身的缺陷引起，如儀器零點(diǎn)誤差、刻度誤差等。這些誤差通常具有確定性，可以進(jìn)行校正或補(bǔ)償。隨機(jī)誤差由于環(huán)境因素、操作人員、儀器漂移等隨機(jī)因素引起的誤差。這些誤差具有隨機(jī)性，無法完全消除，只能通過統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析和處理。測(cè)量信號(hào)的采集和預(yù)處理信號(hào)采集傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將其發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。信號(hào)放大放大弱信號(hào)以提高信噪比，確保信號(hào)的清晰度。信號(hào)濾波去除噪聲和干擾，保證信號(hào)的純凈度，提高測(cè)量精度。信號(hào)轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，方便存儲(chǔ)、傳輸和處理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)或其他存儲(chǔ)設(shè)備中，以便進(jìn)一步分析。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)傳感器選擇傳感器應(yīng)與被測(cè)參數(shù)相匹配，并具有較高的精度和可靠性。信號(hào)調(diào)理對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理，使其滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。軟件系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)采集、處理、分析、顯示等功能，并可根據(jù)需要進(jìn)行二次開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)測(cè)量的基本要求11.準(zhǔn)確性測(cè)量結(jié)果要盡可能接近真實(shí)值，滿足控制系統(tǒng)對(duì)精度的要求。22.實(shí)時(shí)性控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，才能做出及時(shí)的控制決策。33.可靠性測(cè)量系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠，能夠長(zhǎng)期準(zhǔn)確地工作，避免故障導(dǎo)致控制系統(tǒng)失效。44.經(jīng)濟(jì)性測(cè)量系統(tǒng)要經(jīng)濟(jì)合理，性價(jià)比高，滿足控制系統(tǒng)的性能要求，同時(shí)降低成本。溫度測(cè)量的方法和儀表熱電偶熱電偶根據(jù)兩種不同金屬的接觸點(diǎn)溫度變化而產(chǎn)生電勢(shì)差，用于測(cè)量高溫。熱敏電阻熱敏電阻的電阻值隨溫度變化而改變，常用于測(cè)量較低溫度。鉑電阻鉑電阻的電阻值隨溫度線性變化，精度高，常用于精密測(cè)量。紅外溫度計(jì)紅外溫度計(jì)利用物體發(fā)射的紅外輻射測(cè)量溫度，無需接觸物體，適用于遠(yuǎn)距離測(cè)量。壓力測(cè)量的方法和儀表壓力傳感器壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量。其種類多樣，如電阻應(yīng)變式、壓電式、電容式等。壓力計(jì)壓力計(jì)是一種直接指示壓力的儀表，利用彈性元件的形變來指示壓力值。壓力變送器壓力變送器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，方便與其他儀表或控制系統(tǒng)連接。流量測(cè)量的方法和儀表流量計(jì)類型流量計(jì)可分為機(jī)械式、差壓式、電磁式、超聲波式、渦街式等。每種類型都有其獨(dú)特的原理和應(yīng)用范圍。應(yīng)用領(lǐng)域流量測(cè)量應(yīng)用廣泛，包括工業(yè)生產(chǎn)、水資源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、能源管理等。測(cè)量精度不同流量計(jì)的測(cè)量精度差異較大，需根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的流量計(jì)。安裝和維護(hù)流量計(jì)的安裝和維護(hù)對(duì)測(cè)量精度和可靠性至關(guān)重要，需遵循相關(guān)規(guī)范和操作指南。液位測(cè)量的方法和儀表壓力式液位計(jì)根據(jù)液體的壓力變化，間接測(cè)量液位。適用于封閉容器。雷達(dá)式液位計(jì)利用雷達(dá)波的反射來測(cè)量液位，不受介質(zhì)的影響。超聲波液位計(jì)通過聲波的傳播時(shí)間來測(cè)量液位，精度較高。浮球式液位計(jì)浮球隨液位變化而移動(dòng)，通過機(jī)械連接顯示液位。位置和速度測(cè)量的方法和儀表1位置測(cè)量方法利用傳感器感知物體位置變化，例如超聲波傳感器，激光傳感器，霍爾傳感器。2位置測(cè)量?jī)x表常見的儀表包括碼盤，編碼器，電位器，線性滑軌等，用于測(cè)量物體位置和移動(dòng)距離。3速度測(cè)量方法使用傳感器感知物體速度變化，包括電磁感應(yīng)傳感器，渦流傳感器，光電式傳感器等。4速度測(cè)量?jī)x表常見儀表包括速度傳感器，轉(zhuǎn)速計(jì)，流量計(jì)，多普勒雷達(dá)等，測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速度。測(cè)量技術(shù)在自動(dòng)化中的應(yīng)用測(cè)量技術(shù)是自動(dòng)化系統(tǒng)中不可或缺的一部分，為控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的信息，確保生產(chǎn)過程的精確性和效率。測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)中，包括控制、調(diào)節(jié)、檢測(cè)和診斷等方面，例如，溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)智能化傳感器向智能化方向發(fā)展，通過集成微處理器和人工智能算法，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能和更高的精度。小型化隨著微納制造技術(shù)的進(jìn)步，傳感器尺寸不斷縮小，滿足了小型化和便攜式設(shè)備的需求。網(wǎng)絡(luò)化傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器之間的協(xié)同工作，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，提高測(cè)量效率和覆蓋范圍。柔性化柔性傳感器可以適應(yīng)不同形狀和環(huán)境的測(cè)量需求，在可穿戴設(shè)備和醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。測(cè)量技術(shù)的未來發(fā)展智能化人工智能技術(shù)將融入測(cè)量系統(tǒng)，提高測(cè)量效率和精度。例如，智能傳感器可以自動(dòng)識(shí)別測(cè)量對(duì)象，并根據(jù)