測量與測量模型

關(guān)于測量與測量模型第1頁，講稿共15頁，2023年5月2日，星期三2023/7/32§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。對此，錢學(xué)森曾指出:“信息技術(shù)包括測量技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)。測量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)?！?/p>

測量是一種基于人類感知能力的行為，隨著人類的認知水平和輔助工具的發(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，人始終是測量活動的主體。第2頁，講稿共15頁，2023年5月2日，星期三2023/7/33§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)

測量是人類認識事物本質(zhì)的不可缺少的過程，是人類對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)是實現(xiàn)測試與自動控制的重要環(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。第3頁，講稿共15頁，2023年5月2日，星期三2023/7/34測量數(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)第4頁，講稿共15頁，2023年5月2日，星期三2023/7/35

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數(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。第5頁，講稿共15頁，2023年5月2日，星期三2023/7/36

1.2.2測量技術(shù)的應(yīng)用1、借助于檢測工具對產(chǎn)品進行質(zhì)量評價(測量技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域)；2、自動化系統(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)。為了有目的地進行控制，首先必須通過檢測獲取有關(guān)信息，然后才能進行分析判斷以便實現(xiàn)自動控制；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)濟運行和監(jiān)測中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。第6頁，講稿共15頁，2023年5月2日，星期三2023/7/371.2.3測量與科學(xué)技術(shù)相伴相生

當人類活動領(lǐng)域越過感覺器官極限時，儀器儀表成了一切事業(yè)成功的前提?？茖W(xué)進展首先取決于測量技術(shù)的進展?？茖W(xué)上的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)上的發(fā)明是從對事物的觀察開始的。對事物的精細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。在對事物的觀察、測試基礎(chǔ)上經(jīng)過分析推導(dǎo)，形成認識，上升為事物的描述模型（包括測量模型自身）。第7頁，講稿共15頁，2023年5月2日，星期三2023/7/381.2.4測量過程與方法依據(jù)測量過程，對測量有如下分類：1、直接測量和間接測量方法

直接測量方法：無需進行函數(shù)關(guān)系的再運算，從實測數(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）與被測對象相接觸并承受對象參數(shù)的作用。如：熱電偶測溫、扭矩式轉(zhuǎn)速計測轉(zhuǎn)速等。

非接觸測量方法：儀表的傳感器不必與被測對象直接接觸而給出測量結(jié)果的測量方法。如：光學(xué)高溫計測溫、雷達測速儀測量速度等。

第8頁，講稿共15頁，2023年5月2日，星期三2023/7/393、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（測量機構(gòu)），使其某參量按已知關(guān)系變化，當此變化產(chǎn)生的反作用與被測量的作用相平衡時，則測量機構(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：被測量對儀表比較裝置的作用由已知量部分或全部抵消，測量機構(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，測量機構(gòu)輸出被測量的即時測量值的方法。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)測量和動態(tài)測量方法

靜態(tài)測量：測量時被測量物理量處于靜止或動平衡狀態(tài)。

動態(tài)測量：測量時被測物理量處于漸變狀態(tài)。第9頁，講稿共15頁，2023年5月2日，星期三2023/7/3101.2.5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，其誤差控制級別要求更高。檢測技術(shù)的新發(fā)展為被測參數(shù)實現(xiàn)超高精度測量提供了技術(shù)保證。2、極大地擴展了測量的對象和領(lǐng)域。在傳統(tǒng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商務(wù)物流以及科學(xué)實驗中，大型復(fù)雜的對象面臨多輸入?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、現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的演習(xí)等，都離不開新型檢測技術(shù)的支持。第10頁，講稿共15頁，2023年5月2日，星期三2023/7/311§1.3測量模型是客觀的存在

測量模型是對測量系統(tǒng)或測量方案的科學(xué)描述。測量模型來自于人們對被測事物的認識，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)在以下幾個方面：1、模型不依人們認識途徑而改變；2、同一模型不因人們表達方式的差異而受到影響；3、正確的模型是理論與實驗的殊途同歸；4、模型具有唯一性。精準的數(shù)據(jù)觀測，恰當?shù)哪Ｐ兔枋龊蛿?shù)據(jù)處理，是測量系統(tǒng)的靈魂，也是人類不斷認知世界、掌握自然客觀規(guī)律的必由之路。第11頁，講稿共15頁，2023年5月2日，星期三2023/7/312§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、需要儀器甚至是自創(chuàng)先進的儀器、和創(chuàng)新的思維。是一個大膽假設(shè)，小心求證的過程。

1882年，英國卡文迪什實驗室的瑞利為驗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，認真地做著各種有關(guān)的實驗。瑞利發(fā)現(xiàn)用兩種不同方法制得的氮氣，其密度不相等。

1895年1月13日瑞利與拉姆塞(WilliamRamsay)共同提交了一份長達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)。瑞利進行的測量實驗非常細致，為了準確的測定氬的折射率，他設(shè)計制作了現(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瑞利干涉儀示意圖第12頁，講稿共15頁，2023年5月2日，星期三2023/7/313從發(fā)現(xiàn)氮氣密度的誤差到第一種稀有氣體的發(fā)現(xiàn)，他們整整用了十三個年頭。1904年，瑞利和拉姆塞因氬氣的發(fā)現(xiàn)榮獲諾貝爾獎。從測試的角度回顧這個歷史故事，我們看到測量的過程也是測量模型不斷完善的過程。第13頁，講稿共15頁，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)的進步開始。從20世紀初到現(xiàn)在，諾貝爾獎