测量与测量模型

关于测量与测量模型2024/4/162§1.1测量的概念

在现代信息技术中，测量的地位尤其显得重要。对此，钱学森曾指出:“信息技术包括测量技术、计算机技术和通讯技术。测量技术是关键和基础。”

测量是一种基于人类感知能力的行为，随着人类的认知水平和辅助工具的发展而系统化成一门技术，最终上升为一门科学。测量活动中的辅助工具或设施称为测量仪器(或科学仪器)。

现代测量是借助于测量仪器研究事物自然属性及变化规律的一门科学。作为测量者，人始终是测量活动的主体。第2页,共15页，2024年2月25日，星期天2024/4/163§1.2测量是人类探知自然界的必要手段

1.2.1测量与测量技术

测量是人类认识事物本质的不可缺少的过程，是人类对事物获得定量概念及其内在规律的过程。测量技术可分为传感器技术、测量方法和仪器仪表技术等三部分。

传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节；

测量方法包括测量模型、数据处理，是测量系统的理论支撑；

仪器仪表技术是测量系统的硬件支撑。第3页,共15页，2024年2月25日，星期天2024/4/164测量数据是测量系统的输出，见图1.1。图1.1测量系统与测量数据第4页,共15页，2024年2月25日，星期天2024/4/165

在图1.1所示的测量系统中，传感器可以在仪器内部、也可在夹具/平台上；仪器及传感器的选配与测量方法有关；有的仪器可以完成一部分数据处理功能，如FFT功能模块，复杂的数据处理需要专门的处理才能完成。测量模型指观测量与待求变量的数学关系式。第5页,共15页，2024年2月25日，星期天2024/4/166

1.2.2测量技术的应用1、借助于检测工具对产品进行质量评价(测量技术最重要的应用领域)；2、自动化系统中不可缺少的组成部分。任何生产过程都可以看作是由物流和信息流组合而成的，反映物流的数量、状态和趋向的信息流则是管理和控制物流的依据。为了有目的地进行控制，首先必须通过检测获取有关信息，然后才能进行分析判断以便实现自动控制；3、随着新型测量技术的不断成熟和发展，它在大型设备安全经济运行和监测中得到了越来越广泛的应用。第6页,共15页，2024年2月25日，星期天2024/4/1671.2.3测量与科学技术相伴相生

当人类活动领域越过感觉器官极限时，仪器仪表成了一切事业成功的前提。科学进展首先取决于测量技术的进展。科学上的发现和技术上的发明是从对事物的观察开始的。对事物的精细观察就要借助于仪器，就要测试，特别是在自然科学和工业生产领域更是如此。在对事物的观察、测试基础上经过分析推导，形成认识，上升为事物的描述模型（包括测量模型自身）。第7页,共15页，2024年2月25日，星期天2024/4/1681.2.4测量过程与方法依据测量过程，对测量有如下分类：1、直接测量和间接测量方法

直接测量方法：无需进行函数关系的再运算，从实测数据中直接得到被测量值的测量方法。如：直尺测量长度、温度计测温、电压表测电压等。

间接测量方法：直接测量与被测量存在某种关系的各个物理量，通过一定的数学关系获得被测量。如：流量可通过流速和管道直径测定值而求得。2、接触测量和非接触测量方法

接触测量方法：仪表的一部分（传感器）与被测对象相接触并承受对象参数的作用。如：热电偶测温、扭矩式转速计测转速等。

非接触测量方法：仪表的传感器不必与被测对象直接接触而给出测量结果的测量方法。如：光学高温计测温、雷达测速仪测量速度等。

第8页,共15页，2024年2月25日，星期天2024/4/1693、偏位测量和差示测量方法

偏位测量方法：被测量作用于仪表的比较装置（测量机构），使其某参量按已知关系变化，当此变化产生的反作用与被测量的作用相平衡时，则测量机构即可显示被测量。如磅秤称重、指针式仪器等。

差示测量方法：被测量对仪表比较装置的作用由已知量部分或全部抵消，测量机构输出的是已知量与被测量的差值或零，由已知量得出被测量。如托盘天平称重、大象体重称量等。4、在线测量和离线测量方法

在线测量方法：在测量过程中，测量机构输出被测量的即时测量值的方法。如：波谱心律仪测心律、柜式电流表、电压表等。

离线测量方法：取样离线后再行测量的方法。如：岩石成分的取样测定等。5、静态测量和动态测量方法

静态测量：测量时被测量物理量处于静止或动平衡状态。

动态测量：测量时被测物理量处于渐变状态。第9页,共15页，2024年2月25日，星期天2024/4/16101.2.5测量技术新发展的影响1、大大提高了被测参数的精度。现代宇航陀螺仪制造，误差控制在纳米级以内。超大规模集成电路内部线路间距、物理光栅的刻划，其误差控制级别要求更高。检测技术的新发展为被测参数实现超高精度测量提供了技术保证。2、极大地扩展了测量的对象和领域。在传统工业、农业、商务物流以及科学实验中，大型复杂的对象面临多输入参数和多输出参数的综合测量与控制，这离不开新型测量工具和现代测量理论的支持。此外，航空航天、遥感遥测、海洋开发、环境保护、现代化战争的演习等，都离不开新型检测技术的支持。第10页,共15页，2024年2月25日，星期天2024/4/1611§1.3测量模型是客观的存在

测量模型是对测量系统或测量方案的科学描述。测量模型来自于人们对被测事物的认识，是自然规律的体现，是一种客观存在。测量模型的客观性表现在以下几个方面：1、模型不依人们认识途径而改变；2、同一模型不因人们表达方式的差异而受到影响；3、正确的模型是理论与实验的殊途同归；4、模型具有唯一性。精准的数据观测，恰当的模型描述和数据处理，是测量系统的灵魂，也是人类不断认知世界、掌握自然客观规律的必由之路。第11页,共15页，2024年2月25日，星期天2024/4/1612§1.4测量模型处于不断完善的过程

测量模型的建立和完善除了数学之外，还需要专业知识、需要仪器甚至是自创先进的仪器、和创新的思维。是一个大胆假设，小心求证的过程。

1882年，英国卡文迪什实验室的瑞利为验证各种气体所含元素的原子量是否为氢原子量的整数倍，认真地做着各种有关的实验。瑞利发现用两种不同方法制得的氮气，其密度不相等。

1895年1月13日瑞利与拉姆塞(WilliamRamsay)共同提交了一份长达54页的论文，给出了这种新发现的气体的密度、折射率、在水中的溶解性、比热容和原子光谱，将其定名为氩(Argon)。瑞利进行的测量实验非常细致，为了准确的测定氩的折射率，他设计制作了现在称之为瑞利干涉仪的测量仪器，其结构如图1.2所示。图1.2瑞利干涉仪示意图第12页,共15页，2024年2月25日，星期天2024/4/1613从发现氮气密度的误差到第一种稀有气体的发现，他们整整用了十三个年头。1904年，瑞利和拉姆塞因氩气的发现荣获诺贝尔奖。从测试的角度回顾这个历史故事，我们看到测量的过程也是测量模型不断完善的过程。第13页,共15页，2024年2月25日，星期天2024/4/1614§1.5许多发现和发明始于仪器和测量模型的突破纵观科学发展史和科技发明史，许多重大发现和发明都是从仪器仪表和测试技术的进步开始。从20世纪初到现在，诺贝尔奖颁发给仪器发明、发展与相关的实验