第一章-測量與測量模型PPT課件

1、2021/2/4,1,第一章 緒論,1.1 測量的概念 1.2 測量是人類探知自然界的必要手段 1.2.1 測量與測量技術(shù) 1.2.2 測量技術(shù)的應(yīng)用 1.2.3 測量與科學(xué)技術(shù)相伴相生 1.2.4 測量過程與方法 1.2.5 測量技術(shù)新發(fā)展的影響 1.3 測量模型是客觀的存在 1.4 測量模型處于不斷完善的過程 1.5 許多發(fā)現(xiàn)和發(fā)明始于儀器和測量模型的突破,2021/2/4,2,1.1 測量的概念,在現(xiàn)代信息技術(shù)中，測量的地位尤其顯得重要。對(duì)此，錢學(xué)森曾指出:“信息技術(shù)包括測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)。測量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)。” 測量是一種基于人類感知能力的行為，隨著人類的認(rèn)知水平和輔助工

2、具的發(fā)展而系統(tǒng)化成一門技術(shù)，最終上升為一門科學(xué)。 測量活動(dòng)中的輔助工具或設(shè)施稱為測量儀器(或科學(xué)儀器)。 現(xiàn)代測量是借助于測量儀器研究事物自然屬性及變化規(guī)律的一門科學(xué)。作為測量者，人始終是測量活動(dòng)的主體,2021/2/4,3,1.2 測量是人類探知自然界的必要手段,1.2.1 測量與測量技術(shù),測量是人類認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的不可缺少的過程，是人類對(duì)事物獲得定量概念及其內(nèi)在規(guī)律的過程。 測量技術(shù)可分為傳感器技術(shù)、測量方法和儀器儀表技術(shù)等三部分。 傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)測試與自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)； 測量方法包括測量模型、數(shù)據(jù)處理，是測量系統(tǒng)的理論支撐； 儀器儀表技術(shù)是測量系統(tǒng)的硬件支撐,2021/2/4,4,測量

3、數(shù)據(jù)是測量系統(tǒng)的輸出，見圖1.1,圖1.1 測量系統(tǒng)與測量數(shù)據(jù),2021/2/4,5,在圖1.1所示的測量系統(tǒng)中，傳感器可以在儀器內(nèi)部、也可在夾具/平臺(tái)上；儀器及傳感器的選配與測量方法有關(guān)；有的儀器可以完成一部分?jǐn)?shù)據(jù)處理功能，如FFT功能模塊，復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理需要專門的處理才能完成。測量模型指觀測量與待求變量的數(shù)學(xué)關(guān)系式,2021/2/4,6,1.2.2 測量技術(shù)的應(yīng)用,1、借助于檢測工具對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)(測量技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域)； 2、自動(dòng)化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。任何生產(chǎn)過程都可以看作是由物流和信息流組合而成的，反映物流的數(shù)量、狀態(tài)和趨向的信息流則是管理和控制物流的依據(jù)。為了有目的地進(jìn)

4、行控制，首先必須通過檢測獲取有關(guān)信息，然后才能進(jìn)行分析判斷以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制； 3、隨著新型測量技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，它在大型設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和監(jiān)測中得到了越來越廣泛的應(yīng)用,2021/2/4,7,1.2.3 測量與科學(xué)技術(shù)相伴相生,當(dāng)人類活動(dòng)領(lǐng)域越過感覺器官極限時(shí)，儀器儀表成了一切事業(yè)成功的前提。科學(xué)進(jìn)展首先取決于測量技術(shù)的進(jìn)展。 科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)上的發(fā)明是從對(duì)事物的觀察開始的。對(duì)事物的精細(xì)觀察就要借助于儀器，就要測試，特別是在自然科學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域更是如此。在對(duì)事物的觀察、測試基礎(chǔ)上經(jīng)過分析推導(dǎo)，形成認(rèn)識(shí)，上升為事物的描述模型（包括測量模型自身,2021/2/4,8,1.2.4 測量過程與方

5、法,依據(jù)測量過程，對(duì)測量有如下分類： 1、直接測量和間接測量方法 直接測量方法：無需進(jìn)行函數(shù)關(guān)系的再運(yùn)算，從實(shí)測數(shù)據(jù)中直接得到被測量值的測量方法。如：直尺測量長度、溫度計(jì)測溫、電壓表測電壓等。 間接測量方法：直接測量與被測量存在某種關(guān)系的各個(gè)物理量，通過一定的數(shù)學(xué)關(guān)系獲得被測量。如：流量可通過流速和管道直徑測定值而求得。 2、接觸測量和非接觸測量方法 接觸測量方法：儀表的一部分（傳感器）與被測對(duì)象相接觸并承受對(duì)象參數(shù)的作用。如：熱電偶測溫、扭矩式轉(zhuǎn)速計(jì)測轉(zhuǎn)速等。 非接觸測量方法：儀表的傳感器不必與被測對(duì)象直接接觸而給出測量結(jié)果的測量方法。如：光學(xué)高溫計(jì)測溫、雷達(dá)測速儀測量速度等,2021/2/

6、4,9,3、偏位測量和差示測量方法 偏位測量方法：被測量作用于儀表的比較裝置（測量機(jī)構(gòu)），使其某參量按已知關(guān)系變化，當(dāng)此變化產(chǎn)生的反作用與被測量的作用相平衡時(shí)，則測量機(jī)構(gòu)即可顯示被測量。如磅秤稱重、指針式儀器等。 差示測量方法：被測量對(duì)儀表比較裝置的作用由已知量部分或全部抵消，測量機(jī)構(gòu)輸出的是已知量與被測量的差值或零，由已知量得出被測量。如托盤天平稱重、大象體重稱量等。 4、在線測量和離線測量方法 在線測量方法：在測量過程中，測量機(jī)構(gòu)輸出被測量的即時(shí)測量值的方法。如：波譜心律儀測心律、柜式電流表、電壓表等。 離線測量方法：取樣離線后再行測量的方法。如：巖石成分的取樣測定等。 5、靜態(tài)測量和動(dòng)態(tài)

7、測量方法 靜態(tài)測量：測量時(shí)被測量物理量處于靜止或動(dòng)平衡狀態(tài)。 動(dòng)態(tài)測量：測量時(shí)被測物理量處于漸變狀態(tài),2021/2/4,10,1.2.5 測量技術(shù)新發(fā)展的影響,1、大大提高了被測參數(shù)的精度?，F(xiàn)代宇航陀螺儀制造，誤差控制在納米級(jí)以內(nèi)。超大規(guī)模集成電路內(nèi)部線路間距、物理光柵的刻劃，其誤差控制級(jí)別要求更高。檢測技術(shù)的新發(fā)展為被測參數(shù)實(shí)現(xiàn)超高精度測量提供了技術(shù)保證。 2、極大地?cái)U(kuò)展了測量的對(duì)象和領(lǐng)域。在傳統(tǒng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商務(wù)物流以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，大型復(fù)雜的對(duì)象面臨多輸入?yún)?shù)和多輸出參數(shù)的綜合測量與控制，這離不開新型測量工具和現(xiàn)代測量理論的支持。此外，航空航天、遙感遙測、海洋開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的演習(xí)

8、等，都離不開新型檢測技術(shù)的支持,2021/2/4,11,1.3 測量模型是客觀的存在,測量模型是對(duì)測量系統(tǒng)或測量方案的科學(xué)描述。測量模型來自于人們對(duì)被測事物的認(rèn)識(shí)，是自然規(guī)律的體現(xiàn)，是一種客觀存在。 測量模型的客觀性表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1、模型不依人們認(rèn)識(shí)途徑而改變； 2、同一模型不因人們表達(dá)方式的差異而受到影響； 3、正確的模型是理論與實(shí)驗(yàn)的殊途同歸； 4、模型具有唯一性。 精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)觀測，恰當(dāng)?shù)哪Ｐ兔枋龊蛿?shù)據(jù)處理，是測量系統(tǒng)的靈魂，也是人類不斷認(rèn)知世界、掌握自然客觀規(guī)律的必由之路,2021/2/4,12,1.4 測量模型處于不斷完善的過程,測量模型的建立和完善除了數(shù)學(xué)之外，還需要專業(yè)知識(shí)

9、、需要儀器甚至是自創(chuàng)先進(jìn)的儀器、和創(chuàng)新的思維。是一個(gè)大膽假設(shè)，小心求證的過程。 1882年，英國卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的瑞利為驗(yàn)證各種氣體所含元素的原子量是否為氫原子量的整數(shù)倍，認(rèn)真地做著各種有關(guān)的實(shí)驗(yàn)。瑞利發(fā)現(xiàn)用兩種不同方法制得的氮?dú)?，其密度不相等?1895年1月13日瑞利與拉姆塞(William Ramsay)共同提交了一份長達(dá)54頁的論文，給出了這種新發(fā)現(xiàn)的氣體的密度、折射率、在水中的溶解性、比熱容和原子光譜，將其定名為氬(Argon)。 瑞利進(jìn)行的測量實(shí)驗(yàn)非常細(xì)致，為了準(zhǔn)確的測定氬的折射率，他設(shè)計(jì)制作了現(xiàn)在稱之為瑞利干涉儀的測量儀器，其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示,圖1.2 瑞利干涉儀示意圖,2021

10、/2/4,13,從發(fā)現(xiàn)氮?dú)饷芏鹊恼`差到第一種稀有氣體的發(fā)現(xiàn)，他們整整用了十三個(gè)年頭。1904年，瑞利和拉姆塞因氬氣的發(fā)現(xiàn)榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。從測試的角度回顧這個(gè)歷史故事，我們看到測量的過程也是測量模型不斷完善的過程,2021/2/4,14,1.5 許多發(fā)現(xiàn)和發(fā)明始于儀器和測量模型的突破,縱觀科學(xué)發(fā)展史和科技發(fā)明史，許多重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明都是從儀器儀表和測試技術(shù)的進(jìn)步開始。從20世紀(jì)初到現(xiàn)在，諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給儀器發(fā)明、發(fā)展與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)27項(xiàng)之多。眾所周知，沒有哈勃望遠(yuǎn)鏡就難以進(jìn)行天體科學(xué)的研究，天體科學(xué)上的許多重大發(fā)現(xiàn)都是依靠哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測而得到的；掃描隧道顯微鏡的發(fā)明對(duì)納米科技的興起和發(fā)展可以說起到?jīng)Q定性作用,2021/2/4,15,復(fù)習(xí)思考題 1、是否可以認(rèn)為在