測(cè)量與測(cè)量模型

關(guān)于測(cè)量與測(cè)量模型第1頁(yè)，講稿共15頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/7/32§1.1測(cè)量的概念

在現(xiàn)代信息技術(shù)中，測(cè)量的地位尤其顯得重要。對(duì)此，錢(qián)學(xué)森曾指出:“信息技術(shù)包括測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)。測(cè)量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)?！?/p>

測(cè)量是一種基于人類感知能力的行為，隨著人類的認(rèn)知水平和輔助工具的發(fā)展而系統(tǒng)化成一門(mén)技術(shù)，最終上升為一門(mén)科學(xué)。測(cè)量活動(dòng)中的輔助工具或設(shè)施稱為測(cè)量?jī)x器(或科學(xué)儀器)。

現(xiàn)代測(cè)量是借助于測(cè)量?jī)x器研究事物自然屬性及變化規(guī)律的一門(mén)科學(xué)。作為測(cè)量者，人始終是測(cè)量活動(dòng)的主體。第2頁(yè)，講稿共15頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/7/33§1.2測(cè)量是人類探知自然界的必要手段

1.2.1測(cè)量與測(cè)量技術(shù)

測(cè)量是人類認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的不可缺少的過(guò)程，是人類對(duì)事物獲得定量概念及其內(nèi)在規(guī)律的過(guò)程。測(cè)量技術(shù)可分為傳感器技術(shù)、測(cè)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(cè)試與自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)；

測(cè)量方法包括測(cè)量模型、數(shù)據(jù)處理，是測(cè)量系統(tǒng)的理論支撐；

儀器儀表技術(shù)是測(cè)量系統(tǒng)的硬件支撐。第3頁(yè)，講稿共15頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/7/34測(cè)量數(shù)據(jù)是測(cè)量系統(tǒng)的輸出，見(jiàn)圖1.1。圖1.1測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)量數(shù)據(jù)第4頁(yè)，講稿共15頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/7/35

在圖1.1所示的測(cè)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(cè)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(mén)的處理才能完成。測(cè)量模型指觀測(cè)量與待求變量的數(shù)學(xué)關(guān)系式。第5頁(yè)，講稿共15頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/7/36

1.2.2測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用1、借助于檢測(cè)工具對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)(測(cè)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(guò)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)行控制，首先必須通過(guò)檢測(cè)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(cè)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(cè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。第6頁(yè)，講稿共15頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/7/371.2.3測(cè)量與科學(xué)技術(shù)相伴相生

當(dāng)人類活動(dòng)領(lǐng)域越過(guò)感覺(jué)器官極限時(shí)，儀器儀表成了一切事業(yè)成功的前提?？茖W(xué)進(jìn)展首先取決于測(cè)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(kāi)始的。對(duì)事物的精細(xì)觀察就要借助于儀器，就要測(cè)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(cè)試基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)分析推導(dǎo)，形成認(rèn)識(shí)，上升為事物的描述模型（包括測(cè)量模型自身）。第7頁(yè)，講稿共15頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/7/381.2.4測(cè)量過(guò)程與方法依據(jù)測(cè)量過(guò)程，對(duì)測(cè)量有如下分類：1、直接測(cè)量和間接測(cè)量方法

直接測(cè)量方法：無(wú)需進(jìn)行函數(shù)關(guān)系的再運(yùn)算，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中直接得到被測(cè)量值的測(cè)量方法。如：直尺測(cè)量長(zhǎng)度、溫度計(jì)測(cè)溫、電壓表測(cè)電壓等。

間接測(cè)量方法：直接測(cè)量與被測(cè)量存在某種關(guān)系的各個(gè)物理量，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)關(guān)系獲得被測(cè)量。如：流量可通過(guò)流速和管道直徑測(cè)定值而求得。2、接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量方法

接觸測(cè)量方法：儀表的一部分（傳感器）與被測(cè)對(duì)象相接觸并承受對(duì)象參數(shù)的作用。如：熱電偶測(cè)溫、扭矩式轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)轉(zhuǎn)速等。

非接觸測(cè)量方法：儀表的傳感器不必與被測(cè)對(duì)象直接接觸而給出測(cè)量結(jié)果的測(cè)量方法。如：光學(xué)高溫計(jì)測(cè)溫、雷達(dá)測(cè)速儀測(cè)量速度等。

第8頁(yè)，講稿共15頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/7/393、偏位測(cè)量和差示測(cè)量方法

偏位測(cè)量方法：被測(cè)量作用于儀表的比較裝置（測(cè)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(cè)量的作用相平衡時(shí)，則測(cè)量機(jī)構(gòu)即可顯示被測(cè)量。如磅秤稱重、指針式儀器等。

差示測(cè)量方法：被測(cè)量對(duì)儀表比較裝置的作用由已知量部分或全部抵消，測(cè)量機(jī)構(gòu)輸出的是已知量與被測(cè)量的差值或零，由已知量得出被測(cè)量。如托盤(pán)天平稱重、大象體重稱量等。4、在線測(cè)量和離線測(cè)量方法

在線測(cè)量方法：在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量機(jī)構(gòu)輸出被測(cè)量的即時(shí)測(cè)量值的方法。如：波譜心律儀測(cè)心律、柜式電流表、電壓表等。

離線測(cè)量方法：取樣離線后再行測(cè)量的方法。如：巖石成分的取樣測(cè)定等。5、靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量方法

靜態(tài)測(cè)量：測(cè)量時(shí)被測(cè)量物理量處于靜止或動(dòng)平衡狀態(tài)。

動(dòng)態(tài)測(cè)量：測(cè)量時(shí)被測(cè)物理量處于漸變狀態(tài)。第9頁(yè)，講稿共15頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/7/3101.2.5測(cè)量技術(shù)新發(fā)展的影響1、大大提高了被測(cè)參數(shù)的精度。現(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(cè)技術(shù)的新發(fā)展為被測(cè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)超高精度測(cè)量提供了技術(shù)保證。2、極大地?cái)U(kuò)展了測(cè)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(cè)量與控制，這離不開(kāi)新型測(cè)量工具和現(xiàn)代測(cè)量理論的支持。此外，航空航天、遙感遙測(cè)、海洋開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)、現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的演習(xí)等，都離不開(kāi)新型檢測(cè)技術(shù)的支持。第10頁(yè)，講稿共15頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/7/311§1.3測(cè)量模型是客觀的存在

測(cè)量模型是對(duì)測(cè)量系統(tǒng)或測(cè)量方案的科學(xué)描述。測(cè)量模型來(lái)自于人們對(duì)被測(cè)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(cè)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(cè)，恰當(dāng)?shù)哪Ｐ兔枋龊蛿?shù)據(jù)處理，是測(cè)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。第11頁(yè)，講稿共15頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/7/312§1.4測(cè)量模型處于不斷完善的過(guò)程

測(cè)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)、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(guò)程。

1882年，英國(guó)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?/p>

1895年1月13日瑞利與拉姆塞(WilliamRamsay)共同提交了一份長(zhǎng)達(dá)54頁(yè)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(cè)量實(shí)驗(yàn)非常細(xì)致，為了準(zhǔn)確的測(cè)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(cè)量?jī)x器，其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。圖1.2瑞利干涉儀示意圖第12頁(yè)，講稿共15頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/7/313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(cè)試的角度回顧這個(gè)歷史故事，我們看到測(cè)量的過(guò)程也是測(cè)量模型不斷完善的過(guò)程。第13頁(yè)，講稿共15頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/7/314§1.5許多發(fā)現(xiàn)和發(fā)明始于儀器和測(cè)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(cè)試技術(shù)的進(jìn)步開(kāi)始。從20世紀(jì)初到現(xiàn)在，諾貝爾獎(jiǎng)