1_测量的基本原理

选用测量仪器 （测试硬件平台）
设 计 阶 完成仪器互连 段
组建测量系统
现有仪器设备
设置仪器工作参 数
实
决定测量技术
施
（测试软件平台）
阶
段
执行测量操 作
测试数据处 理
拟定测量步骤
测量结果显 示
结束
1.1.3 测量的组成（续）
3.被测对象——信息
➢ 狭义的测量是量值的获取,广义的测量是信息的获取 ➢ 信息又可分为自然信息和社会信息两大类
甚至会损坏，会失传 ➢ 从现代科学的观点来看，最好的标准是原子标准
2.基准的相对性
一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科学水平 例：以太阳为基准，时间测量的精确度可达到1秒钟。而
目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过1秒
我国通过与多个国家进行科技合作，成功研发出铯原子喷泉钟， 使我国时间频率基准的精度从30万年不差1秒提高到600万年不差1秒， 标志着我国时间频率基准研究进入世界先进行列
测量是研究如何获取被测对象 信息的一门科学
1.4.1 信息的概念
1．客体的实有的信息——客观信息
某事物客体所具有的信息，是指该客观存在的事物的运动 状态及其变化方式的自我表述或自我显示。
客体论的信息是一种客观的存在，不以主体的存在与否为 转移，或者无论是否被其主体感受到，都丝毫不影响它的 “自我表述”或“自我显示”。
1.2.1 计量的定义和意义（续）
2.计量与测量的关系
计量的任务是确定测量结 果的可靠性
计量是测量的基础和依据 没有计量，也谈不上测量 计量和测量相互配合，才 能在国民经济各个领域发挥 重要作用
测量发展的客观需要才出现了 计量
测量是计量应用的重要途径
没有测量，计量将失去价值
为了保证测量结果的准确性， 必须定期对仪器进行检定和校 准，这个过程就是计量
4.测量仪器系统——量具和仪器
➢ 测量仪器系统包括量具、测试仪器、测试系统及附件等
5.测量的主体——测量人员
➢ 手动：由测量主体（测量人员）直接参与完成 ➢ 自动：测量主体交给智能设备（计算机等）完成，但测量策略、软件
算法、程序编写需由测量人员事先设计好
6.测量技术
➢ 测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测量技术
1.2.5 测量标准的传递
自上而下逐级传递
国家 标准
中国计 量院
中国测 试院
国家标 物中心
授权基准 实验室
Ⅰ 级
Ⅱ 级
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱⅢ 级
工作 标准
大区国家计量中心 省级计量所
市（地）计量所 县（区）计量所
国
行
国
家
业
防
专
计
计
业
量
量
计
中
中
量
心
心
站
分 站
工矿企业、商店、研究院 所、医院、学校等
图1-5 量值传递和溯源体系及计量技术机构示意图
被测量：是指作为测量对象（测量客体）的特定量
测量结果：是指通过测量所得到的赋予被测量的量值
测量的内涵
① 测量目的是对被测对象取得一个定量的认识 ② “一组操作”是一个实验过程,说明了测量的实践性 ③ 测量就是比较: 直接比较和间接比较 ④ 需要同类已知单位作标准 ⑤ 最终能表示给测量主体（人）
被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘 上的刻度是事先与标准量进行比较的结果
学时安排：理论28学时、实验4学时 第1章： 测量的基本原理 第2章： 测量方法与测量系统 第4章： 时间与频率的测量 第5章： 电压测量 第6章： 阻抗测量 第7章： 信号波形测量 第12章：测试系统集成技术
两个实验
3学时 3学时 5学时 4学时 4学时 5学时 4学时 4学时
中国首个火星探测器荧火一号
文件名
尽信书，则不如无书
模拟与数字电路
基 信号与系统 础
综 合 应
微机及接口
用
综合性强
特
应用面广
点
实践性突出
电子 计算机 通信与控制
电子测量仪器
着重研究电子仪器及系统的设计与制造等工程实现技术 基于电路结构级
电子测量原理
着重讨论测量技术与方法，误差分析和实际应用 基于系统方框级
应用：归宿 误差：提升 原理：基础
价值。
1.4.1 信息的概念（续）
2019-1-4 人民政协报
1915.8 – 2019. 11 Norman F. Ramsey 1989年诺贝尔奖
NIST F-1 原子钟
美国科罗拉多州博尔德的国家标准和
技术研究所（NIST） 2019年建成 价值约为65万美元， 在2000万年内， 它既不会少1秒也不会多1秒
米标准原器是19世纪前 的国际标准器，现在的 长度单位定义为 光用1/299 792 458秒在 真空中传播的长度
2．主体认识论的信息——主观信息 是指主体所感知或表述的关于该事物的运动状态
及其变化方式，及有关的形式、含义和效用。 主体认识论层次的信息的内涵比客体论层次信息
丰富得多。这是因为作为认识的主体：
➢ （1）具有感觉的能力，能够感觉到信息的外在形式。 ➢ （2）具有理解能力，能够理解信息的内在含义。 ➢ （3）具有目的性，因而能够判断信息对其目的而言的
（7）量值的传递： 指一个物理量单位通过各级基准、标准
及相应的辅助手段准确地传递到日常工作中所使用的测量 仪器、量具，以保证量值统一的全过程。
（8）量值的溯源性
1.2.4 测量标准的权威性和相对性
1.标准的权威性
➢ 标准的理论定义最严格的、制作工艺技术最先进 ➢ 原器标准自身也会随时间、地点、环境条件而变化，
任何事物都具有一定的内部结构，同时处在一定的环境之 中，正是这种内部结构和外部环境两者综合作用，决定了 事物的具体运动状态和状态变化方式。
但在有时人们很难了解事物的内部结构状况，这时就只能 把它看作一个“黑箱”，并通过它的外部联系（如输入/ 输出关系等外部行为）的状态及其变化方式来获得信息。
1.4.1 信息的概念（续）
I — 高精度计量用仪器 II — 通用仪器 III — 野外、机载等仪器
1.1.4 测试和检测
定量 定性 定级 测试: 测量和试验的总称,它包含了测量和试验的全部内容, 既包括定量的测量,也包含定性的试验
本书中”测试”和”测量”不加区分而互相通用
检测: 包括检验和测量两方面的含义
1.2 计量的基本概念
1.3 测量误差的基本概念
1.3.1 测量误差定义
1.3.2 测量误差的来源
• 仪器误差 • 影响误差 • 方法误差 • 人身误差 • 测量对象变化误差
1.3.3 测量误差的表示方法
• 绝对误差 • 相对误差
1.4 测量信息的获取原理
本节中将主要阐述以下基本问题： 信息的含义是什么？ 为什么信息可以被获取？ 信息获取是怎样的过程？ 信息获取过程中采用了哪些基本方法？ 这些方法的实现途径是什么？ 信息获取的限制因素及其克服措施是什么？
定的属性，称之为（可测量的）量。
量值：一般是由一个数值乘以测量单位所表示的特定量的大小，它是一个要
用数值和单位共同表示的量，即量值=数值 X 单位
（量的）数值：它是在量值表示中用以单位相乘的数字。数值=量值/单位 （测量）单位：为了定量表示同种量的大小，人们共同约定的一个特定参考量
它有名称、符号和定义，其数值为1。“数值等于1的量”定义为单位i
微
nano
纳
pico
皮
符号
G M K m u n p
1.2.3 测量标准
1.标准（或基准）的定义 ➢ 为了定义、实现、保存或复现量的单位或（一个或 多个量值），用作参考的计量设备（实物量具、测 量仪器、参考物质或测量系统），称之为标准或基 准
定义基本测量单位和制作体现其量值的标准器是两件有联系 而又有区别的事，前者依据严格的科学理论，后者要靠先进 的制作技术。
（2）计量标准器具：准确度低于计量基准，用于检定计
量标准或工作计量器具的计量器具
（3）工作计量器具：工作岗位上使用，不用于进行量值
传递，而是直接用来测量被测对象量值的计量器具
1.2.3 基准和标准（续）
（4）比对： 在规定条件下，对相同准确度等级的同类基准、
标准或工作计量器之间的量值进行比较，其目的是考核量 值的一致性。
测量的基本要素（续）
7.测量环境
测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空 间的一切物理和化学条件的总和
测量环境包括温度、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（工作电压、源阻抗、 负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化
仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：
(a) 天平直接比较
被测物体的重量等于标 准砝码的重量
（b）弹簧称间接比较 图1－1 测量的比较原理
1.1.2 测量的定义（续）
2. 广义测量的定义
测量是为了获取被测对象的信息而进行的实践过程
信息
事物（系统）的运动状态及其变化方式
信 息
显 示
被 测 对 象
测 试 仪 器 系 统
测 量 人 员
感 知 和 识 别
单位符号 m kg s A K mol cd
1．2．2 单位和单位制（续）
国际单位制词头采用十进制词头, 表示使单位增大或缩小的十进倍数
例：5.4X10-9s=5.4ns
因数
109 106 103 10-3 10-6 10-9 10-12
词头名称
英文
中文
giga
吉
Mega
兆
kilo
千
milli
毫
micro
计量工作是国民经济中一项极为重要的技术基础工作， 它在工农业生产、科学技术、国防建设以及人民生活等 各个方面起着技术保证和技术监督的作用
1.2.2 单位和单位制
根据定义而令系数为1的量称为单位 单位是表征测量结果的重要组成部分，
又是对两个同类量值进行比较的基础 基本单位、导出单位、单位制
1.2.2 单位和单位制（续）
（5）检定： 是用高一等级准确度的计量器具对低一等级的
计量器具进行比较，以达到全面评定被检计量器具的计量 性能是否合格的目的。一般要求计量标准的准确度为被检 者的1/3到1/10。
（6）校准： 校准是指被校的计量器具与高一等级的计量标
准相比较，以确定被校计量器具的示值误差（有时也包括 确定被校器具的其他计量性能）的全部工作。
图1-2 测量的基本原理图
1.1.3 测量的组成
被测 对象
对象 属性
被测信息 激励信号
影响
原理 方法
选择 仪器
决定 方法
仪器 系统
影 响
测量 环境
测量策 略、算法
参数命令 数据状态
影响
测量 人员
图 1-3 测 量 的 基 本 要 素
测量过程——基本要素之间的互动关系
开始
被测对象
论 证 阶 段
测量任务要求 需求分析 拟定测量方案
1.2.3 基准和标准（续）
2.测量标准的分类、分级 分类： 国际标准 国家标准 参照标准 作证标准 标准器具 标准物质
分级： 主标准（一级标准） 副标准（二级标准） 工作标准（三级标准）
1.2.3 基准和标准（续）
3.几个术语 （1）计量器具：凡是能用以直接或间接测出被测对象量
值的量具、计量仪器和计量装置都统称为计量器具。计 量器具按作用可分为计量基准、计量标准和工作计量器 具三类
1.国际单位制（SI）的组成 国际单位制基本单位
• 1948年 第9届国际计量大会 • 1960年 第11届国际计量大会 • 1984年 国务院颁布《中华人民共和国法定计量单位》
量的名称 长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 发光强度
单位名称 米 千克 秒 安[培] 开[尔文] 摩[尔] 坎[德拉]
计量测试技术落后， 国家的一切都要落后
1.1.2 测量的定义
1.狭义测量的定义 ➢ 测量是为了确定被测对象的量值而进行的一组操作
➢ 在进行这组操作的过程中，人们借助专门的设备，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
测量的量值可表示为
x{x}x0
量：人们把事物（现象或状态、物体或物质等）可定性区别和定量确
I 组： 良好的环境条件，温度+10~+35oc，相对湿度80%(在35oc上)， 只允许有轻微的振动。
II 组：一般的环境条件，温度-10~+40oc，相对湿度80%(在40oc上)， 允许一般的振动和冲击。
III 组：恶劣的环境条件，温度-40~+55oc，相对湿度90%(在35oc上)， 允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动。
1.2.1 计量的定义和意义
1.计量的定义 计量是利用技术和法制手段实施的一种特殊形式的测量，即 把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进 行比较，以确定合格与否，并给出具有法律效力的《检定 证书》
计量的三个主要特征是统一性、准确性和法制性。 ➢ 计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动，如 单位的统一、基准和标准的建立、进行量值传递、计量监 督管理、测量方法及其手段的研究等