第1章测试计量基础-计量部分

1、第第1 1章章 测试计量基础测试计量基础 测试计量有关的基本概念测试计量有关的基本概念 量值传递与检定测试量值传递与检定测试 计量误差计量误差第第2 2章章 各种物理量的测试计量各种物理量的测试计量 基本测试计量方法基本测试计量方法 时间频率、电磁学、无线电电子测试计量时间频率、电磁学、无线电电子测试计量 几何量、温度、力学、光学计量测试计量几何量、温度、力学、光学计量测试计量第第3 3章章 经典误差理论经典误差理论 误差性质与处理误差性质与处理 误差的合成与分配误差的合成与分配第第4 4章章 测量不确定度测量不确定度第第5 5章章 测量数据处理测量数据处理 最小二乘法最小二乘法 回归分析回归

2、分析 第第6 6章章 动态测试及数据处理动态测试及数据处理参考书目参考书目1.1. 周渭，测试与计量技术基础，西安电子科技大学出版社，周渭，测试与计量技术基础，西安电子科技大学出版社，200420042.2.梁晋文，误差理论与数据处理，中国计量出版社，梁晋文，误差理论与数据处理，中国计量出版社，20012001 测试（测试（TestTest）：加入一定激励信号后，用一定的测量仪器：加入一定激励信号后，用一定的测量仪器测量某一参数的变化或响应。测量某一参数的变化或响应。 测量（测量（MeasurementMeasurement）：用一定的仪器和工具测定某一参数：用一定的仪器和工具测定某一参数或指

3、标。或指标。以确定被测对象的量值为目的的一组操作。用实验方法，以确定被测对象的量值为目的的一组操作。用实验方法，将物理量与作为单位量的量值相比较求出其比值的过程。将物理量与作为单位量的量值相比较求出其比值的过程。 计量（计量（MetrologyMetrology）：为实现测量单位的统一和被测量值准：为实现测量单位的统一和被测量值准确可靠的活动。计量源于测量，而又严于测量。确可靠的活动。计量源于测量，而又严于测量。狭义的计量指计量单位及其基准、标准与量值的传递等；狭义的计量指计量单位及其基准、标准与量值的传递等；广义的计量则包括了所有的测量。广义的计量则包括了所有的测量。 计量学计量学：研究测量

4、、保证测量统一和准确的科学，关于计：研究测量、保证测量统一和准确的科学，关于计量理论与实践的知识领域。量理论与实践的知识领域。 计量单位及其基准、标准的建立，基准和标准的复制、保计量单位及其基准、标准的建立，基准和标准的复制、保存和传递；存和传递； 拟订测试计量方法、设计计量器具，以便实施计量；拟订测试计量方法、设计计量器具，以便实施计量； 分析和估计测量结果的不确定度，设法减小误差，提高计分析和估计测量结果的不确定度，设法减小误差，提高计量精度；量精度； 采取措施保证国家内部和国际间计量量值的统一性，研究采取措施保证国家内部和国际间计量量值的统一性，研究计量的法制和管理。计量的法制和管理。

5、测试计量技术：测试计量技术：挑战物理极限，协助物理挑战极限；受各技术支援，又回馈挑战物理极限，协助物理挑战极限；受各技术支援，又回馈各支援技术各支援技术跨技术谱域最宽，也最易被忽视的技术跨技术谱域最宽，也最易被忽视的技术纯粹以应用为导向，可以学习其知识而无法学习其智慧的技纯粹以应用为导向，可以学习其知识而无法学习其智慧的技术，需要对物理现象通盘了解的理工科人才术，需要对物理现象通盘了解的理工科人才自己会自己会“管管”自己的技术，制造业之母，自己的技术，制造业之母，“以其微而知其著以其微而知其著”计量是灵魂计量是灵魂仪器仪器：测量、测试计量技术的外显表征。根据应用需要，结合测量测量、测试计量技术

6、的外显表征。根据应用需要，结合测量原理，经雏形到商品化的漫长过程。原理，经雏形到商品化的漫长过程。“遗弃遗弃”产业产业 ，难度大、风险大、获利慢。，难度大、风险大、获利慢。 计量的特点计量的特点 准确性：准确性：给定的误差范围（不确定度）给定的误差范围（不确定度） 一致性：一致性：计量单位统一是量值统一的重要前提。计量单位统一是量值统一的重要前提。 溯源性：溯源性：任何一个计量结果都能通过连续的比较链与原始任何一个计量结果都能通过连续的比较链与原始的标准器具联系起来。溯源性是准确性和一致性的技术归的标准器具联系起来。溯源性是准确性和一致性的技术归宗。宗。 法制性：法制性： 与科学技术、工农业生

7、产、人民生活、贸易息息相关，相互推动与科学技术、工农业生产、人民生活、贸易息息相关，相互推动。哥百尼的天体运行学说，是伽利略发明了望远镜并进行实际观测后哥百尼的天体运行学说，是伽利略发明了望远镜并进行实际观测后才得以确立；才得以确立；万有引力定律被牛顿揭示百年之后，经过实际计量验证被确认；万有引力定律被牛顿揭示百年之后，经过实际计量验证被确认；相对论是在频率精密计量的基础上才得到比较明确的验证。相对论是在频率精密计量的基础上才得到比较明确的验证。第一次技术革命第一次技术革命：蒸汽机、机械工业的兴起。：蒸汽机、机械工业的兴起。 经典力学和热力学。经典力学和热力学。压力、膨胀系数、燃烧效率的测试计

8、量，几何量的计量压力、膨胀系数、燃烧效率的测试计量，几何量的计量第二次技术革命第二次技术革命：电的产生和应用。欧姆定律、法拉第电磁感应定：电的产生和应用。欧姆定律、法拉第电磁感应定律以及麦克斯韦电磁波理论推动电磁计量和无线电计量律以及麦克斯韦电磁波理论推动电磁计量和无线电计量第三次技术革命第三次技术革命：量子力学、核物理学的创立和发展，核能及化工：量子力学、核物理学的创立和发展，核能及化工等的开发和应用。等的开发和应用。经典计量进入量子计量的新阶段经典计量进入量子计量的新阶段第四次技术革命第四次技术革命：微电子与计算机，信息革命。精密计量的保证作：微电子与计算机，信息革命。精密计量的保证作用。

9、用。GPSGPS与频率计量、二代导航卫星的时间频率标准铯钟铷钟。与频率计量、二代导航卫星的时间频率标准铯钟铷钟。 1 1. .量和量值量和量值量：量：“现象、物体和物质的可定义性区别与定量确定的一种现象、物体和物质的可定义性区别与定量确定的一种属性属性”。描述大小、长短等概念。描述大小、长短等概念。数值数值+ +计量单位计量单位基本量和导出量：基本量和导出量： 基本量和导出量的特定组合构成整个科学领域或某个专业领域的基本量和导出量的特定组合构成整个科学领域或某个专业领域的“量制量制”。 基本量：量制中约定认为是彼此独立的量，如力学领域：长度、质基本量：量制中约定认为是彼此独立的量，如力学领域：

10、长度、质量、时间；量、时间； 导出量：为该量制基本量的函数所定义的量；导出量：为该量制基本量的函数所定义的量； 量值：量值： 一个数和合适的计量单位表示的量。一个数和合适的计量单位表示的量。 同一个量，计量单位不同，其表示的数值也不同同一个量，计量单位不同，其表示的数值也不同。 2.2.单位和单位制单位和单位制 单位单位：“约定采用的特定量，用以定量表示具有相同量纲的约定采用的特定量，用以定量表示具有相同量纲的量量”。“习惯上公认数值为习惯上公认数值为1 1的一个量值的一个量值” 基本单位和导出单位基本单位和导出单位：基本单位是：基本单位是“给定量制中基本量的单给定量制中基本量的单位位”，导出

11、单位是，导出单位是“给定量制中导出量的计量单位给定量制中导出量的计量单位”。例如：例如：MKSMKS（米千克秒）制中，（米千克秒）制中，cmcm为导出单位。为导出单位。 单位制单位制：由选定的一组基本单位和根据定义方程式及一定的：由选定的一组基本单位和根据定义方程式及一定的比例因数构成的导出单位所组成的单位体系。比例因数构成的导出单位所组成的单位体系。 量纲量纲：以量制中基本量的幂的乘积表示该量制中一个量的表：以量制中基本量的幂的乘积表示该量制中一个量的表达式。达式。dimQ=AdimQ=AB BC C例如：长度、质量和时间量制中，力的量纲为例如：长度、质量和时间量制中，力的量纲为LMTLMT

12、-2-2在给定量制中，其表达式内基本量的指数为零的量称为在给定量制中，其表达式内基本量的指数为零的量称为“无量纲量无量纲量”。“量纲法则量纲法则”：任何表达式，等号两边必须具有相同的量纲式。：任何表达式，等号两边必须具有相同的量纲式。3.3.国际单位制国际单位制 国际单位制国际单位制19601960年第十一届国际计量大会决定以年第十一届国际计量大会决定以米米、千克千克、秒秒、安培安培、开尔文开尔文和和坎德拉坎德拉这六个单位为基本单位的实用计量单位制命这六个单位为基本单位的实用计量单位制命名为国际单位制（名为国际单位制（SISI）。）。19741974年第十四届国际计量大会又决年第十四届国际计量

13、大会又决定增加物质量的单位定增加物质量的单位摩尔摩尔作为基本单位。作为基本单位。 国际单位制的构成国际单位制的构成SISI单位单位（基本单位、辅助单位和导出单位）（基本单位、辅助单位和导出单位）SISI单位的十进制倍数和分数单位单位的十进制倍数和分数单位( (由由SISI词头和词头和SISI单位构成的单位构成的新单位新单位, ,如如cmcm) )SISI词头词头（与（与SISI单位一起构成十进制倍单位一起构成十进制倍/ /分数单位，如分数单位，如M MHzHz）SI辅助单位辅助单位：弧度弧度：圆内两条半径间的平面角，在圆周上所截取的弧长与半径相等。：圆内两条半径间的平面角，在圆周上所截取的弧长

14、与半径相等。球面度球面度：顶点位于球心的立体角，在球面上所截取的面积等于以球半径：顶点位于球心的立体角，在球面上所截取的面积等于以球半径为边长的正方形的面积。为边长的正方形的面积。SI导出单位导出单位：用用SISI基本单位表示的基本单位表示的：如：如m m2 2，m/sm/s2 2 用用SISI辅助单位表示的辅助单位表示的：如角速度：如角速度rad/srad/s、辐射强度、辐射强度W/srW/sr（瓦每球面度）（瓦每球面度）具有专门名称的具有专门名称的：如：如HzHz、N N、PaPa、J JSI词头词头：与与SISI单位组合在一起构成十进制的倍数和分数单位，单位组合在一起构成十进制的倍数和分

15、数单位，SISI规定了规定了1616个：个：dada十十 、hh百百 、k k、M M、G G、TT太太 、PP拍拍 、EE艾艾 dd分分 、cc厘厘 、m m、u u、n n、p p、ff飞飞 、aa阿阿 kg ?kg ?制外单位制外单位：不属于给定单位制的计量单位，如分、时、日；度；升；吨等不属于给定单位制的计量单位，如分、时、日；度；升；吨等1.1.定义定义计量仪器（主动式）、量具（被动式）、计量物质及计量装置的总计量仪器（主动式）、量具（被动式）、计量物质及计量装置的总称。计量工作的物质基础。称。计量工作的物质基础。 计量器具的性能特性：漂移、稳定性、超然性（不改变被测量的能计量器具的

16、性能特性：漂移、稳定性、超然性（不改变被测量的能力）、重复性、可靠性力）、重复性、可靠性计量仪器计量仪器：测量并能得到确切量值。如天平、安培计：测量并能得到确切量值。如天平、安培计量具量具：以固定形式复现给定量的一个或多个已知值。如砝码、容器、：以固定形式复现给定量的一个或多个已知值。如砝码、容器、量块、电阻等。一般本身不带指示器、没有测量机构、也不含测量量块、电阻等。一般本身不带指示器、没有测量机构、也不含测量过程中运动的计量元件。过程中运动的计量元件。 独立量具（如容器）和从属量具（如砝码）独立量具（如容器）和从属量具（如砝码） 单值量具（如标准量块）和多值量具（如可变电阻）单值量具（如标

17、准量块）和多值量具（如可变电阻）计量物质计量物质：具有一种或多种足够均匀和确定计量特性的物质，用以：具有一种或多种足够均匀和确定计量特性的物质，用以测定相关物质的化学成分、物理化学特性、工程技术特性，以及校测定相关物质的化学成分、物理化学特性、工程技术特性，以及校准计量装置、评价计量方法等。准计量装置、评价计量方法等。计量系统和装置计量系统和装置：2.2.分类分类 按用途和在统一单位量值的作用，分为三类按用途和在统一单位量值的作用，分为三类:计量基准计量基准原始标准或最高标准，在特定领域具有当代最高计量特性的原始标准或最高标准，在特定领域具有当代最高计量特性的计量标准，计量的最高依据。国际基准

18、、国家基准。计量标准，计量的最高依据。国际基准、国家基准。计量标准计量标准用以定义、实现、保持或复现计量单位或一个或多个已知量用以定义、实现、保持或复现计量单位或一个或多个已知量值的实物量具、物质、计量仪器或系统。值的实物量具、物质、计量仪器或系统。计量标准应该包括计量基准计量标准应该包括计量基准最高的计量标准。最高的计量标准。标准的等级划分：零级最高标准的等级划分：零级最高工作用计量器具工作用计量器具虽不是计量标准，但有计量性能。虽不是计量标准，但有计量性能。3.3.计量基准计量基准 分类分类 主基准主基准：最高计量特性，不轻易使用：最高计量特性，不轻易使用 作证基准作证基准：用于核对主基准

19、的变化，也不用于日常计量：用于核对主基准的变化，也不用于日常计量 副基准副基准：通过直接或间接与主基准比较或用于基准法来定：通过直接或间接与主基准比较或用于基准法来定值的基准，一般可以代替主基准使用。值的基准，一般可以代替主基准使用。 参考基准参考基准：在给定地区或组织内，通常具有最高计量特性：在给定地区或组织内，通常具有最高计量特性的计量标准，在该处所作的计量均由它导出。的计量标准，在该处所作的计量均由它导出。 工作基准工作基准：日常校准或核查实物量具、计量仪器或参考物：日常校准或核查实物量具、计量仪器或参考物质的计量标准，通常由参考基准校准。质的计量标准，通常由参考基准校准。 主要特性主要

20、特性 符合或最接近计量单位定义所依据的基本原理；符合或最接近计量单位定义所依据的基本原理； 良好的复现性，所定义、实现、保持或复现的计量单位具良好的复现性，所定义、实现、保持或复现的计量单位具有当代（或本国）最高精度；有当代（或本国）最高精度； 性能稳定、计量特性长期不变；性能稳定、计量特性长期不变； 能将所定义、实现、保持或复现的计量单位通过一定的方能将所定义、实现、保持或复现的计量单位通过一定的方法或手段传递下去。法或手段传递下去。发展发展古典阶段古典阶段：简陋、主观因素明显：简陋、主观因素明显 如：计时如：计时经典阶段经典阶段：18751875年年“米制公约米制公约”开始。宏观器具。开始

21、。宏观器具。 根据自然界所存在的一些相对稳定的实物及现象来定义所要根据自然界所存在的一些相对稳定的实物及现象来定义所要求的基准，并用实物来保存。求的基准，并用实物来保存。 如：地球子午线长度的四千万分之一，用铂铱合金制造的米如：地球子午线长度的四千万分之一，用铂铱合金制造的米原器；原器；1 1立方米的水在密度最大时温度下的质量，用铂铱合金立方米的水在密度最大时温度下的质量，用铂铱合金制造的千克原器。制造的千克原器。现代阶段现代阶段：量子基准，利用微观世界所固有的稳定性和齐一：量子基准，利用微观世界所固有的稳定性和齐一性而建立。性而建立。 如：米基准、秒基准、电压基准（伏特）等如：米基准、秒基准

22、、电压基准（伏特）等量值传递的概念量值传递的概念量值传递量值传递 将国家计量基准所复现的计量单位量值，通过检定或者其它将国家计量基准所复现的计量单位量值，通过检定或者其它方式传递给下一等级计量标准，并依次逐级传递到工作计量方式传递给下一等级计量标准，并依次逐级传递到工作计量器具，以保证被计量对象量值准确一致。器具，以保证被计量对象量值准确一致。 由于传递方式的进步，出现了通过无线电方式的由于传递方式的进步，出现了通过无线电方式的跨级传递跨级传递，如时间、频率量值传递。如时间、频率量值传递。量值准确一致的前提量值准确一致的前提溯源性溯源性被计量量必须具有能与最高基准相联系的特性。逐级往上追被计量

23、量必须具有能与最高基准相联系的特性。逐级往上追溯，量值传递概念的逆过程。溯，量值传递概念的逆过程。量值传递与保证量值准确一致的基础量值传递与保证量值准确一致的基础 科学基础科学基础：计量理论计量理论 技术基础技术基础：保证以最高准确度复现计量单位的国家计量基保证以最高准确度复现计量单位的国家计量基准体系；将国家计量基准的量值传递到工作计量器具的计准体系；将国家计量基准的量值传递到工作计量器具的计量标准体系；用以保证计量器具准确一致的标准物质体系；量标准体系；用以保证计量器具准确一致的标准物质体系；计量器具的研制、定型鉴定、生产及修理体系；计量器具计量器具的研制、定型鉴定、生产及修理体系；计量器

24、具的检定体系。的检定体系。 法制基础法制基础：计量法及有关法规、计量检定系统、计量检定计量法及有关法规、计量检定系统、计量检定规程、法定性质的操作规范。规程、法定性质的操作规范。 组织基础组织基础：国家计量部门、各级地方计量部门、各部委系国家计量部门、各级地方计量部门、各部委系统的计量部门及有关研究结构、各单位计量机构及实现室、统的计量部门及有关研究结构、各单位计量机构及实现室、培养计量人才的院校。培养计量人才的院校。计量检定规程计量检定规程计量检定计量检定：为评定计量器具的计量性能，确定其是否合格所：为评定计量器具的计量性能，确定其是否合格所进行的全部工作进行的全部工作计量检定规程计量检定规

25、程：为检定计量器具而制定的：为检定计量器具而制定的技术法规技术法规，对规程，对规程适用范围、计量器具名称、计量性能、检定项目、检定方法、适用范围、计量器具名称、计量性能、检定项目、检定方法、检定条件、检定数据的处理以及检定周期等都有明确的规定。检定条件、检定数据的处理以及检定周期等都有明确的规定。 计量鉴定规程由国务院计量行政部门统一组织制定和颁布。计量鉴定规程由国务院计量行政部门统一组织制定和颁布。检定测试的基本条件检定测试的基本条件检测标准检测标准：精度按一定级别优于被检器具：精度按一定级别优于被检器具检测方案检测方案：精度损失小、可靠性高、简单易行：精度损失小、可靠性高、简单易行辅助设备

26、辅助设备：避免引入附加误差：避免引入附加误差环境条件环境条件：相对比较严格：相对比较严格数据处理方法数据处理方法： 检定测试中器具合格的判断检定测试中器具合格的判断标准器具误差可忽略的条件标准器具误差可忽略的条件 设标准器具误差设标准器具误差Xs，被检器具误差为，被检器具误差为X，总误差，总误差XtXt =Xs +XXs Xs 、X X都只含系统误差都只含系统误差Xs e Xmax e 不合格，反之则合格不合格，反之则合格 根据标准和被测器具的容许误差限判断根据标准和被测器具的容许误差限判断设标准和被测器具的容许误差限分别为设标准和被测器具的容许误差限分别为n n和和e e 标准和被测器具都只

27、含系统误差标准和被测器具都只含系统误差总误差总误差| |Xt | n + e Xt | n + e 不合格不合格总误差总误差| |Xt |= e-n Xt | Xmax| 不合格，反之则合格不合格，反之则合格22ne A0 A0 真值真值 ？只有理论意义。？只有理论意义。 测量不确定度测量不确定度通常以通常以“指定值指定值”AsAs、“实际值实际值”A A、或估计值、或估计值代替代替 1。计量误差的定义。计量误差的定义0AXX修正值修正值XC2。计量误差的表征。计量误差的表征绝对误差与相对误差绝对误差与相对误差 实际相对误差实际相对误差 （A A实际值）实际值） 标称相对误差标称相对误差 （x

28、 x测定值）测定值） 满度相对误差（引用误差）满度相对误差（引用误差）电工仪表按最大引用误差分电工仪表按最大引用误差分7 7级：级：0.1, 0.2, 0.5, 1, 1.5, 2.5, 5.00.1, 0.2, 0.5, 1, 1.5, 2.5, 5.0。引用误差实际给出的是绝对误差，为了减小相对误差，选择量程时应引用误差实际给出的是绝对误差，为了减小相对误差，选择量程时应使指针尽可能接近满度值。使指针尽可能接近满度值。 分贝误差分贝误差对电压对电压/ /电流类参量：电流类参量： )(lg200dBAD )(lg(200dBxADD00069. 8lg20)(/1lg(20AXAXdBAxD对功率类参