傳感及測試技術(shù)(01測量的基礎(chǔ)知識)

1、測量 測量 以確定被測對象的量值為目的而進行的實驗過程。 兩類：直接測量和間接測量 直接測量：無須經(jīng)過函數(shù)關(guān)系的計算，直接通過測量儀器得到被測量的測量結(jié)果。（又分為直接比較和間接比較） 間接測量：在直接測量的基礎(chǔ)上，根據(jù)已知的函數(shù)關(guān)系，計算出所要測量的物理量的大小。 測量基本要求 一般盡可能不采用間接測量。 在特殊場合下就不得不采用間接測量（如果被測量本身就是根據(jù)函數(shù)關(guān)系定義的，或者受測量條件的限制。） 測量四要素 被測對象、計量單位、測量方法、測量誤差 測量必備條件 用做比較的標準必須是精確已知的，得到公認的。 進行比較的測量系統(tǒng)必須工作穩(wěn)定，經(jīng)得起檢驗。計量 計量、測試 計量 實現(xiàn)單位統(tǒng)一

2、和量值準確可靠的測量。 計量學(xué)：研究測量、保證測量統(tǒng)一和準確的科學(xué)。 測試 具有試驗性質(zhì)的測量。測量的基礎(chǔ)知識（1a） 量和量綱 量是指現(xiàn)象、物體或物質(zhì)可定性區(qū)別和定量確定的一種屬性。 基本概念 量值：量值是用數(shù)值和計量單位的乘積來表示的。 基本量和導(dǎo)出量 在量制（量的特定組合）中，約定地認為基本量是相互獨立的量，而導(dǎo)出量是由基本量按一定函數(shù)關(guān)系來定義的。 量綱 量制中可用基本量的冪的乘積來表示任何一個量的表達式。 量綱法則 等號兩側(cè)的量綱應(yīng)當相同。如：SI制的基本量：長度L、質(zhì)量M、時間T、溫度、電流I、光強度N和物質(zhì)J如：導(dǎo)出量力的量綱： L M T 2 dim(RC)=T一測量的基礎(chǔ)知識

3、（1b） 法定計量單位 法定計量單位是強制性的，各行業(yè)、各組織都必須遵照執(zhí)行，以確保單位的一致。 我國的法定計量單位：以國際單位制（SI）為基礎(chǔ)，組合其它少數(shù)計量單位。 七個基本單位：概念區(qū)分： （基本）量，單位、單位代號、量綱 輔助單位：即可作為基本單位使用，又可作為導(dǎo)出單位使用。 導(dǎo)出單位：由基本單位和輔助單位以相乘或相除的形式所構(gòu)成的單位稱為導(dǎo)出單位。 測量的基礎(chǔ)知識（1d） 基準和標準如何保證量值的統(tǒng)一和準確？ 嚴格定義計量單位 建立一整套制度和設(shè)備來保存、復(fù)現(xiàn)和傳遞單位。 基準 用來保存、復(fù)現(xiàn)計量單位的計量器具?；鶞释ǔ７譃閲一鶞?、副基準和工作基準三種等級。 計量標準 用于檢定較低

4、等級計量標準或工作計量器具的計量器具。 工作計量器具 用于現(xiàn)場測量而不用于檢定工作的計量器具。測量的基礎(chǔ)知識（1e） 量值的傳遞和計量器具檢定 量值傳遞 通過對計量器具實施檢定或校準，將國家基準所復(fù)現(xiàn)的計量單位經(jīng)過各級計量標準傳遞到工作計量器具，以保證被測對象量值的準確和一致。 計量器具檢定 為評定計量器具的計量特性，確定其是否符合法定要求所進行的全部工作。 檢定規(guī)程：檢定計量器具時必須遵守的法定技術(shù)文件。由國家、部門和地方三種檢定規(guī)程組成（適用范圍、計量器具的計量特性、檢定項目、檢定條件、檢定方法、檢定周期、檢定結(jié)果的處理）所有的計量器具都必須實施相應(yīng)的檢定。測量的基礎(chǔ)知識（2a） 測量方法

5、分類 測量方法 在實施測量中所涉及的一套理論運用和實際操作。其中包括了測量原理和獲得測量結(jié)果的方式。 測量方法的分類 按是否直接測定被測量的原則直接測量法和間接測量法 按被測量是否直接和已知的同種量進行比較的原則直接比較測量法和替代測量法 按傳感器是否與被測物體作機械接觸的原則接觸測量和非接觸測量動態(tài)測量與靜態(tài)測量 指被測量是否隨時間而變化的，而不是指被測量處于機械靜止或運動中。 靜態(tài)測量特點：被測量值可以認為是恒定的。 動態(tài)測量特點：被測量值是隨時間而變化的。目的是測量被測量的瞬時值及其隨時間而變化的規(guī)律。 測量裝置及有關(guān)的術(shù)語 測量裝置（測量系統(tǒng)） 確定被測量值所必需的器具和輔助設(shè)備的總稱

6、。測量的基礎(chǔ)知識（2b）傳感器直接作用于被測量，并能按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。測量變換器變送器：輸出為標準信號傳感器：輸入為被測量。（第一級的測量變換器） 檢測器用以指示某種特定量的存在而不必提供量值的器件或物質(zhì)。在某些情況下，只有當量值達到規(guī)定的域值時才有指示。測量器具的示值由測量器具所指示的被測量值。示值用被測量的單位表示。標稱范圍（示值范圍）測量器具標尺范圍所對應(yīng)的被測量示值的范圍。量程標稱范圍的上下限之差的模。測量范圍在測量器具的誤差處于允許極限內(nèi)的情況下，測量器具所能測量的被測量值的范圍。準確度等級表示測量器具的等級或級別。漂移測量器具的計量特性隨時間的慢變化

7、。測量的基礎(chǔ)知識（2c） 術(shù)語（1） 傳感器 直接作用于被測量，并能按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件。 測量變換器 變送器：輸出為標準信號 傳感器：輸入為被測量。（第一級的測量變換器） 檢測器 用以指示某種特定量的存在而不必提供量值的器件或物質(zhì)。在某些情況下，只有當量值達到規(guī)定的域值時才有指示。 測量器具的示值 由測量器具所指示的被測量值。示值用被測量的單位表示。測量的基礎(chǔ)知識（2d） 術(shù)語（2） 準確度等級 表示測量器具的等級或級別。 標稱范圍（示值范圍） 測量器具標尺范圍所對應(yīng)的被測量示值的范圍。 量程 標稱范圍的上下限之差的模。 測量范圍 在測量器具的誤差處于允許極限內(nèi)的

8、情況下，測量器具所能測量的被測量值的范圍。 漂移 測量器具的計量特性隨時間的慢變化。測量的基礎(chǔ)知識（3a） 測量誤差的定義 測量誤差（簡稱誤差)測量誤差=測量結(jié)果 - 測量真值 真值x0：是被測量在被觀測時所具有的量值。真值通常是不可測量的未知量。（理論真值、規(guī)定真值、相對真值） 約定真值：被認為充分接近于真值，因而可以代替真值來使用的量值。（如被測量的實際值、已修改過的算術(shù)平均值） 測量結(jié)果：由測量所得的被測量值。 誤差分類 根據(jù)誤差統(tǒng)計特性分類 系統(tǒng)誤差 隨機誤差 粗大誤差誤差特征：保持恒定或按確定的方式變化著可消除誤差特征：按不可預(yù)知的方式變化著不可修正，總體有一定的統(tǒng)計規(guī)律可循。誤差特

9、征：明顯超出預(yù)期誤差范圍剔除測量的基礎(chǔ)知識（3b） 根據(jù)誤差起因分類 器具誤差：由測量器具本身存在的缺陷而產(chǎn)生的。 方法誤差：由于測量方法不完善所引起的。 調(diào)整誤差：由于測量前未能將測量器具和被測對象調(diào)整到正確位置和狀態(tài)所引起的。 觀測誤差由于在測量過程中觀測者主觀判斷不當所引起的。 環(huán)境誤差由于在測量過程中環(huán)境狀態(tài)變化所引起的。人員誤差測量的基礎(chǔ)知識（3c） 誤差的表示方法 絕對誤差（量綱和單位同被測量）測量誤差=測量結(jié)果 - 測量真值相對誤差（無量綱量，100% ）相對誤差=誤差真值 引用誤差（無量綱量，100% ）計量器具的絕對誤差與引用值之比。（引用值：計量器具的標稱范圍的最高值或量程

10、）設(shè)：真值 x0=2.00 mA，測量結(jié)果 xr=1.99 mA。則：誤差=（1.99-2.00) mA = -0.01 mA 絕對誤差=-0.01 mA 相對誤差=-0.01/2.00 =-0.5 % 用標稱范圍為0150V的電壓表測量時，當示值為100.0V時，電壓實際值為99.4V。這時電壓表的引用誤差為 引用誤差=（100.0V-99.4V）150V = 0.4 %注意：測量器具的示值替代測量結(jié)果； 實際值替代真值 引用值采用量程設(shè)：真值 x0=2.00 mA，測量結(jié)果 xr=1.99 mA。計算分貝誤差。解：分貝誤差= 20log（1.992.00）dB = -20 0.00218

11、dB = -0.044 dB 分貝誤差（特殊形式的相對誤差：dB）分貝誤差=20 log(測量結(jié)果真值)或 分貝誤差=10 log(測量結(jié)果真值)x0 xi測量的基礎(chǔ)知識（3d） 關(guān)于測量誤差和誤差分布特征量的關(guān)系 x0 被測量真值 xi 第i次的測量值 測量值概率分布的期望（平）均值 測量值概率分布的標準偏差（誤差特征量） i第i次測量的誤差值 ri第i次測量的隨機誤差值 s系統(tǒng)誤差srii測量值服從正態(tài)分布N（、）測量的基礎(chǔ)知識（3e） 測量精度和不確定度描述測量結(jié)果可信程度的規(guī)范化術(shù)語有：測量精密度、測量正確度、測量準確度（精確度）和測量不確定度 測量精密度測量結(jié)果中隨機誤差大小的程度。

12、 測量正確度測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差大小的程度。 測量準確度（精確度）測量結(jié)果和被測量真值之間的一致程度。 測量不確定度對被測量真值不能肯定的誤差范圍的一種評定。系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合完整的測量結(jié)果包括：被測量的量值不確定度測量的基礎(chǔ)知識（3f）值得注意的問題：不確定度的評定方法A類分量B類分量精密度、準確度和正確度的反面表征特性例如：規(guī)定準確度為若干計量單位或真值的百分之幾。測量重復(fù)性和測量復(fù)現(xiàn)性重復(fù)性：在實際相同測量條件下，在短時間內(nèi)對同一被測量進行連續(xù)多次測量時，其測量結(jié)果之間的一致性。1. 復(fù)現(xiàn)性：在不同測量條件下，對同一被測量進行測量時，其測量結(jié)果之間的一致性。測量的基礎(chǔ)知識（4a）測量

13、器具的誤差（1）測量儀器的示值誤差基本誤差（固有誤差）允許誤差測量器具的準確度測量器具的重復(fù)性 （和重復(fù)性誤差）回程誤差 （滯后誤差）、誤差曲線誤差曲線校準曲線示值與被測量真值（約定真值）之差。在標準條件下所具有的誤差。技術(shù)標準、檢定規(guī)程等所規(guī)定的允許的誤差極限值。給出接近于被測量真值的示值的能力。在規(guī)定的使用條件下，對重復(fù)接受相同的輸入給出相似輸出的能力。（由此產(chǎn)生的隨機誤差分量既是重復(fù)性誤差。在相同條件下，被測量值不變，測量器具行程方向不同時其示值之差的絕對值。誤差與被測量之間的函數(shù)關(guān)系的曲線。被測量的實際值與測量器具的示值之間函數(shù)關(guān)系的曲線。測量的基礎(chǔ)知識（4b）測量器具的誤差（2）回程

14、誤差（滯后誤差）在相同條件下，被測量值不變，測量器具行程方向不同時其示值之差的絕對值。誤差曲線誤差與被測量之間的函數(shù)關(guān)系的曲線。校準曲線被測量的實際值與測量器具的示值之間函數(shù)關(guān)系的曲線。測量的基礎(chǔ)知識（5a）統(tǒng)計特征參量測量列的算術(shù)平均值（樣本平均值）從測量角度看，總體期望值即是真值x0。樣本平均值 總體期望值的無偏估計值。用 來估計真值 x0nxxnii1xxx測量的基礎(chǔ)知識（5b）測量列的標準偏差（樣本標準偏差）標準偏差s是總體標準偏差的無偏估計。上述計算適合于各種概率分布樣本平均值、樣本標準偏差都是隨機變量。112nxxsniis測量的基礎(chǔ)知識（5c） 隨機變量（樣本平均值、樣本標準偏差

15、）的統(tǒng)計特征結(jié)論表明：用 來估計真值更可靠些、更可信些。采用多次測量來提高測量精密度如果用其估計值s（樣本標準偏差）來代替，則有：由于測量數(shù)據(jù)分布情況復(fù)雜，應(yīng)當經(jīng)過消除系統(tǒng)誤差、正態(tài)性檢驗和剔除含有粗大誤差的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)才可作進一步的處理，這樣處理后也才能得到可信的結(jié)果。 )(,xxxnxENxxnsx測量的基礎(chǔ)知識（5d）測量結(jié)果的表達方式傳統(tǒng)的測量結(jié)果表達式應(yīng)用區(qū)間估計原理的測量結(jié)果表達式 例1-4 越小而又越大，則表明測量結(jié)果既精確又可信。與概率分布密切相關(guān)max xx)(置信概率xtxx獲得）分布表值（查的置信概率為11) 1(,121ttnnxxnxxniixniixt測量的基礎(chǔ)知識

16、（5e）目前國際上多采用的測量結(jié)果表達式測量結(jié)果=樣本平均值不確定度在直接測量的情況下，不確定度可用樣本平均值的標準偏差 來表征。即： 測試結(jié)果的表達式只與實驗標準偏差s、測量次數(shù)n有關(guān)，并且對所有的分布都是適用的。xxnsxxxx測量的基礎(chǔ)知識（6a）間接測量結(jié)果的平均值的計算 將直接測量量的平均值代入間接測量量和直接測量量之間的關(guān)系式即得間接測量量的平均值。mjjjmjzzzzfyzymjzzzzzfy,), 2 , 1(,2121的單值函數(shù)，則為間接測量量，且是為直接測量量測量的基礎(chǔ)知識（6b）誤差傳遞規(guī)律在測量方案中的指導(dǎo)意義在分配不確定度時，可有意采用不均勻原則。對于那些容易得到小不

17、確定度的測量項目盡量分配給小的不確定度，以便使難測量的項目能分配到較大的不確定度，從而可以減小難測量項目測量時的難度。在設(shè)計新的測量方案時，應(yīng)當注意使方案中的直接測量量的數(shù)目盡量少（多一個項目，就要多一項不確定度，每項不確定度就小了）。只有在增加某個直接測量量后，能夠有效地提高其他直接測量量的測量準確度的情況下，才增加直接測量項目。能直接測量就決不采用間接測量。結(jié)束例1.1設(shè)：真值 x0=2.00 mA，測量結(jié)果 xr=1.99 mA。則：誤差=（1.99-2.00) mA = -0.01 mA 絕對誤差=-0.01 mA 相對誤差=-0.01/2.00 =-0.5 %例1.2 用標稱范圍為0

18、150V的電壓表測量時，當示值為100.0V時，電壓實際值為99.4V。這時電壓表的引用誤差為 引用誤差=（100.0V-99.4V）150V = 0.4 %注意：測量器具的示值替代測量結(jié)果； 實際值替代真制 引用值采用量程例1.3設(shè)：真值 x0=2.00 mA，測量結(jié)果 xr=1.99 mA。計算分貝誤差。解：分貝誤差= 20log（1.992.00）dB = -20 0.00218 dB = -0.044 dB例1.4 測量5個樣品的拉斷力pi分別為7890N、8130N、8180N、8200N和8020N。要求置信概率為0.90，試報道該批材料抗拉強度的試驗結(jié)果。解：)9 . 0(908100)4413. 28100(132. 244) 15(58100509 . 051251置信概率測量結(jié)