第一章 绪论

第一章 绪论第一节测量一、测量的重要意义在日常生活、科学实验与研究、现代工业生产、航空航天科技、国防建设、医药学研究、农业等各个领域中，各种测量技术的应用越来越广泛，其重要性也越来越为人们所认识。

我们无时无刻不在感受着它的存在，并或多或少对它有一定的了解。

下面列举一些常见的测量应用的领域，对测量的重要性进行阐述。

1．日常生活领域在日常生活中，物体的体积和重量、衣服尺寸、工作时间、室内温度等都是我们经常要关心和测量的对象。

而常用的水电气、冰箱、洗衣机、空调、电饭锅等生活必需品，需要确定其工作电压、电流、电能、温度、湿度、流量、水位等物理量。

可见，人们随时随地都需要利用测量来解决实际问题。

2．科学研究领域在科学技术的不断发展过程中，最为重要的手段之一是科学实验。

为了揭示科学界的各种奥秘，人们经常用实验的方法获取对客观世界的正确认识。

不论是在基础科学的研究过程中，还是在应用科学的研究过程中，都要进行大量的实验。

物理学、化学、生物学、医学等等都是建立在实验之上的科学。

而在实验研究中，测量是基本的工作之一：为了解释一个现象或验证一个理论，首先通过测量手段获取必要的实验数据，再对测量数据进行归纳、演绎，通过对数和量的关系的分析推断，得到科学的理论，使感性认识上升到理论阶段。

可见，测量在科学实验中占有非常重要的位置。

例如，对宇宙微弱辐射信号的测量，可以发现新的天体；对能量转移的测量，可以发现新的基本粒子；对人体基因的测定和人体血液的定量分析等，可以判明病变的根源：对蛋白质的反应测量，可以了解胚胎生长情况；对细胞结构的测量，可以判断肌体是否发生病变。

如此种种，不胜枚举。

另外一方面，新的先进的测量手段，提高了人们对客观事物认知的程度，很多实验数据成为发现新问题、提出新理论的线索和依据，催生了新的科学理论；而新的科学理论又往往成为新的测量方法和手段，推进测量技术的发展并诞生新型的测量仪器。

例如，光电效应的发现促进了遥感遥测技术的发展，压电效应的发现为一些非电参量的测试提供了新的途径。

3．电子信息技术领域对人类社会及国民经济产生越来越大的影响的现代信息科学技术的三大支柱是：信息获取技术(测试技术)、信息传输技术(通信技术)、信息处理技术(计算机技术)。

在这三大技术中，信息获取(测试)是首要的。

4．现代化的工业生产领域在现代工业生产中，提高测量水平，降低测量成本，减小测量误差，提高测量效率已经成为至关重要的一个环节。

例如，现代制造业向标准化发展的先决条件是零部件必须满足相应的精度要求，而制造精度一方面取决于制造水平，一方面则取决于测量水平。

测量是进行精细加工和生产过程自动化的基础，没有测量也就没有现代化的制造业。

在产品设计和生产过程中，为了检查、监督、控制生产过程和产品质量，必须对生产工序和产品参数进行测量。

生产水平越是高度发达，测量的规模就越大，所需要的测量技术与测量仪器也越先进。

在一个现代产品中或现代化工厂内，往往配备大量的测试点，花费大量的测量工时与费用。

据统计，一辆汽车内配备的监测点有50—100个，一架飞机内约3000个，一台大型发电机组约4000个，一个大型石油化工厂需要约6000个，一个大型钢铁厂需要约2万个。

而用到测量上的工时和费用约占整个生产总成本的20%~30%，甚至50%以上。

5．航空航天及国防科学领域在航空航天和国防建设领域，测量的重要性更是不容忽视。

例如，一个射程为8000公里的洲际导弹，如果航向误差达到0.03度，将会造成偏离目标5～8公里的误差。

作为现代科学技术尖端之一的火箭发动机，在整个研制过程中要进行成百上千次试验。

火箭发动机的地面试车台就是一套完整的综合测量系统，为了研究发动机的强度，需要有数百个应变片和测振传感器；为了研究燃料工作的情况，需要测量发动机工作时有关部位的压力、流量、温度及转速等大量参数。

新型火箭的设计，需要测试火箭高速飞行中受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验来测定箭身和箭翼的受力及振动分布情况，以验证和改进设计。

仅此一项就要用到上千块应变片和相应的测量电路及仪器。

而航天飞行中需要监测的参数有：飞行参数、导航参数、运载火箭及发动机参数、座舱环境参数、航天员生理参数、飞行器结构参数等七大类五千多个参数。

6．医学生物领域由于心电图机、CT多层螺旋扫描仪、磁共振成像设备、动态心电血压测试系统、多普勒脑血管测量仪、超声诊断设备等现代医用诊断治疗仪的出现，使得人体各部位的生理状态、温度分布等情况能快速、准确地测量出来，使人类诊断疾病的效率、准确性和可靠性大大提高，增强了人类战胜疾病的能力。

7．农业、气象、环境、勘探等学科研究领域环境工程中噪声、大气成分、水质等的监测；在农业机械中，对所研制的农业机械，如拖拉机、收割机等的牵引力和悬杆应力的大小、牵引效率、轴的传递功率和强度等都需要进行测量。

可以说，测量已经在国民经济的各个部门和日常生活中占有重要地位。

世界上每个科学技术和工业生产高度发达的国家都在测量技术的研究，仪器、仪表的制造，保证计量单位的统一和可靠等方面做了大量工作，并且以法律的形式给予必要的保证。

二、测量的基本概念1．测量的定义所谓测量，就是用实验的方法把被测量与标准量进行比较的过程。

或者说，测量是为确定被测对象的量值信息而进行的实验过程，在这个过程中测量人员常借助专门的设备，按照一定的原理和方法把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。

从测量的定义可以看出，整个测量过程中包括了以下几大要素：测量对象（测量目标）、测量人员、测量单位、测量原理和方法、测量系统（测量设备）、测量结果与误差。

2．与测量有关的概念为了准确理解测量的基本概念，我们先对与测量有关的几大要素进行简要说明。

(1)测量对象测量过程中的被测对象，可以定义为各种能够描述物体或物质所具备的属性、特征的未知被测量，这些被测量可以包括各种物理量、化学量、生物量等多种形式。

从信息论的角度，被测对象也可以定义为反映事物运动状态及其变化方式的信息。

通过测量要获取的被测量的量值属性、变化规律等信息来源于物质运动，又不等同于物质。

信息可以被人的感官直接感知，也可通过各种探测器间接感知。

信息的获取必须借助于对其载体——信号的研究来进行。

测量的目标就是根据被测对象的性质，采用相应的测量原理，选择适合的测量方法和测量仪器及传感器，把被测量或隐含于信号中的信息提取出来，获取能够正确反映客观事实的测量结果。

(2) 测量人员测量人员是整个测量过程中实施各种测量动作的主体。

测量的实施可以由测量主体(测量人员)直接手动完成，也可以由测量主体交给智能设备(计算机等)自动完成，但其测量原理、测量方法、测量程序等由测量人员设计。

测量人员在测量实施中的主要动作包括：完成测量系统工作参数的设置(如功能、频段、量程等参效的选择与置入)；发布工作命令(如启动、停止)；监视仪器状态；读取测量结果；记录、存储、显示和打印结果；进行数据分析和推理。

(3)测量单位为了定量地表示同种量的大小，人们共同约定的一个特定参考量，具有特定的名称、符号和定义，其数值为1。

“数值等于1的量”定义为单位。

(4)测量原理和方法所谓测量原理，是指在测量过程中，根据被测对象的不同性质和特点所选择的科学原理。

例如，热电效应用于测量温度，压电效应用于测量压力，电磁感应定律用于测量磁场，等等。

所谓测量方法，是指在测量的实施过程中，根据选定的测量原理所采取的、获取测量目标量的具体方式方法。

例如，直接测量法和间接测量法，时域、频域和数据域测量等方法。

根据确定的测量方法，给出具体说明的一组操作称为操作步骤（或测量程序）。

测量中所采用的原理、方法、程序和技术措施，总称为测量技术。

被测对象与测量技术之间存在着比较复杂的关系。

由于被测对象种类、性质的差别，在测量过程中所能够采取的测量技术亦有不同。

如电量之间存在参数类型、幅值大小、频率范围、瞬变与缓变、有源与无源、模拟与数字等差别，需要根据测量对象的实际情况采用完全不同的测量技术。

对同一测量对象，可以选择使用多种测量技术进行测量。

相应地，某种测量技术可用于不同性质测量对象的测量。

(5)测量系统(测量设备)在实施测量过程中，最常见的工具是各种具有不同结构和原理的测量仪器，如电压表、电流表、测量电桥、示波器等。

测量仪器是单独或连同辅助设备一起，用来进行测量的器具。

通常能完成感知、变换、比较、处理和显示等基本测量功能，是测量主体获取测量客体(被测对象)量值信息的工具，把测量结果转换为测量主体能直接感觉的形式，如指针偏转、数字等。

测量设备是进行测量所需的测量仪器、测量标准、标准物质、辅助设备及其资料的总称。

为了执行特定的测量，将相应的测量仪器或器件组合在一起，完成更加复杂的多功能和综合性测量任务，就构成了测量系统。

(6)测量结果所谓测量结果，是指通过测量所得到的被测量的量值。

通过对测量结果的运算分析，可以更深层次地揭示被测对象的客观规律。

测量结果通常由测量的数值与测量单位共同表示，如534mV，－40.21mm等。

一般地可以表示为如下的测量基本方程式x＝{x}·x0（1-1-1）式中，x为测量结果，{x}为测量数值，x0为测量单位。

(7)测量误差进行测量工作的最终目标就是要尽量减小测量的不确定度，从而使测量结果尽可能接近被测量的真值，更加合理地反映客观事实。

但是在测量中，人们通过实验方法来获得被测量的真值时，由于对客观规律认识的局限性、测量器具不准确、测量手段不完善、测量条件发生变化及测量工作中的疏忽或错误等原因，都会使测量结果与真值不同，这个差别就是测量误差。

由于测量误差的存在，使得测量的准确度降低。

当测量误差超过一定限度，测量工作和测量结果将毫无意义。

随着科学技术的发展和生产水平的提高，对减小测量误差提出了越来越高的要求。

因此，在对测量过程中，以及对测量结果进行分析处理时，应对测量误差有足够的认识。

研究误差理论的目的，就是要根据误差的规律，在一定的测量条件下尽力设法减小误差，保证产品和研究课题的质量；根据误差理论合理地设计和组织实验，正确地选用测量仪器、仪表和测量方法，以便正确、合理地进行测量；还要根据误差理论确切地评价测量结果中所包含误差的大小，以便更好地利用测量数据。

(8)测量环境测量环境是指测量过程中测量人员、被测对象和测量系统所处空间的一切物理和化学条件的总和。

它包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘、霉菌以及有关电磁量(工作电流、电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场)的数值、范围及其变化。

由于环境对被测对象、测量系统和测量人员均会产生程度不同的、不可预测的影响，对我们所获取的测量结果也就具有很大的影响。

例如，由于被测对象在不同的温度、湿度、电磁场共同作用下，其特性将发生变化，测量所获得的数据不能正常反映其本质特性。