测量的基础知识

第一篇机械工程测量技术基础第一章测量的基础知识第1页，共39页。1.思考一个问题：

为什么要测量？汽车乘坐舒适性的台架试验第2页，共39页。测量中获取的信息是人们认识客观事物内在规律、研究事物之间的相互关系、预测未来发展的依据。2.测量的作用第3页，共39页。主要内容1.1量和测量1.2测量方式和方法1.3测量误差1.4测量器具的误差1.5测量数据处理及测量结果的表达方式1.6间接测量结果的综合1.7小结第4页，共39页。一、量和量纲量是指现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。不同类的量彼此可以定性区别，如长度与质量是不同类的量。1.量值（1）表示：数值*单位（2）作用：定量地表达被测对象相应属性的大小（3）举例：3.4m1.1量和测量第5页，共39页。一、量和量纲2.基本量和导出量（1）基本量：长度、质量、时间、温度、电流、发光强度、物质的量。（2）导出量：定量地表达被测对象相应属性的大小（3）基本量与导出量的关系

基本量是独立的，导出量则是由基本量按一定函数关系来定义的。1.1量和测量第6页，共39页。一、量和量纲3.量纲和量纲法则“量纲”代表一个实体(被测量)的确定特征，而量纲单位则是该实体的量化基础。例如，长度是一个量纲，而厘米则是长度的一个单位；时间是一个量纲，而秒则是时间的一个单位。七个基本量的量纲：L、M、T、θ、I、N、J“量纲法则”任何一个量与其他量之间的关系中，等号两侧的的量纲应当相同。1.1量和测量第7页，共39页。二、法定计量单位1．基本单位

根据国际单位制(SI)，七个基本量的单位分别是：长度——米(Metre)、质量——千克(Kilogram)、时间——秒(Second)、温度——开尔文(Kelvn)、电流——安培(Ampere)、发光强度——坎德拉(Candela)、物质的量——摩尔(mol)。它们的单位代号分别为：米(m)、千克(kg)、秒(s)、开(K)、安(A)、坎(cd)、摩(mol)。2．辅助单位在国际单位制中，平面角的单位——弧度和立体角的单位——球面度未归入基本单位或导出单位，而称之为辅助单位。辅助单位既可以作为基本单位使用，又可以作为导出单位使用。3．导出单位在选定了基本单位和辅助单位之后，按物理量之间的关系，由基本单位和辅助单位以相乘或相除的形式所构成的单位称为导出单位。1.1量和测量第8页，共39页。三、测量、计量、测试

测量：以确定被测对象的量值为目的而进行的实验过程。

计量：如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则被称为计量。研究测量、保证测量统一和准确的科学被称为计量学。计量一词只用做某些专门术语的限定语，如计量单位、计量管理、计量标准等。所组成的新术语都与单位统一和量值准确可靠有关。

测试：指具有试验性质的测量，或测量和试验的综合。一个完整的测量过程必定涉及到被测对象、计量单位、测量方法和测量误差。它们被称为测量四要素。1.1量和测量第9页，共39页。四、基准和标准基准：是用来保存、复现计量单位的计量器具。它是具有现代科学技术所能达到的最高准确度的计量器具。基准通常分为国家基准、副基准和工作基准三种等级。它们所处的位置是逐级降低的。计量标准：是指用于检定工作计量器具的计量器具。工作计量器具是指用于现场测量而不用于检定工作的计量器具。一般测量工作中使用的绝大部分就是这一类计量器具。1.1量和测量第10页，共39页。五、量值的传递和计量器具的检定量值传递：通过对计量器具实施检定或校准，将国家基准所复现的计量单位量值经过各级计量标准传递到工作计量器具，以保证被测对象量值的准确和一致。计量器具检定：是指为评定计量器具的计量特性，确定其是否符合法定要求所进行的全部工作。所有的计量器具都必须实施相应的检定。1.1量和测量第11页，共39页。六、小结1.几个概念量、量纲；测量、计量、测试；基准、标准基本量；基本单位；2.量纲法则1.1量和测量第12页，共39页。一、测量方法分类1.直接测量和间接测量（1）直接测量：直接将被测量与标准量进行比较1.2测量方法和测量装置标准量标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、……）

绝对测量定值标准量（如某一固定尺寸）

相对测量第13页，共39页。一、测量方法分类1.直接测量和间接测量1.2测量方法和测量装置第14页，共39页。一、测量方法分类1.直接测量和间接测量（2）间接测量：测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得。1.2测量方法和测量装置第15页，共39页。一、测量方法分类2.直接比较测量和替代测量3.接触测量和非接触测量1.2测量方法和测量装置第16页，共39页。二、测量装置及有关术语

测量装置(测量系统)是指为了确定被测量值所必需的器具和辅助设备的总体。1．传感器它是直接作用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出的器件。2．测量变换器

提供与输入量有给定关系的输出量的测量器件。显然，当测量变换器的输入量为被测量时，该测量变换器实际上就是传感器；反过来，传感器也就是第一级的测量变换器。当测量变换器的输出量为标准信号时，它就被称为变送器。在自动控制系统中，经常用到变送器。3．检测器用以指示某种特定量的存在而不必提供量值的器件或物质。在某些情况下，只有当量值达到规定的阈值时才有指示。化学试纸就是一种检测器。1.2测量方法和测量装置第17页，共39页。二、测量装置及有关术语4．测量器具的示值由测量器具所指示的被测量值。示值用被测量的单位表示。5．准确度等级用来表示测量器具的等级或级别。每一等级的测量器具都有相应的计量要求，用来保持其误差在规定极限以内。6.标称范围也称为示值范围。测量器具标尺范围所对应的被测量示值的范围。例如温度计的标尺范围的起点示值为一30℃，终点示值为+20℃，其标称范围即为一30～+20℃。7．量程标称范围的上下限之差的模。上例的量程就是50℃。8．测量范围在测量器具的误差处于允许极限内的情况下，测量器具所能测量的被测量值的范围。9．漂移测量器具的计量特性随时间的慢变化。1.2测量方法和测量装置第18页，共39页。三、小结1.测量方式分类（1）直接测量与间接测量（2）直接比较测量和替代测量（3）接触测量和非接触测量2.测量装置及有关的术语传感器1.2测量方法和测量装置第19页，共39页。1.3测量误差一、测量误差的定义：测量误差=测得值-真值客观真实值（未知）①约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值如：米---公制长度基准测量所得数据与其相应的真值之差---1）绝对误差x=x–x0②理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485第20页，共39页。二、误差的分类1.按误差来源：装置误差、环境误差、方法误差、人员误差2.按特性规律：系统误差、随机误差、粗大误差①系统误差由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生

---有规律可循装置、环境、动力源变化、人为因素再现性---偏差（Deviation）理论分析/实验验证---原因和规律---减少/消除1.3测量误差第21页，共39页。二、误差的分类②随机误差因许多不确定性因素而随机发生偶然性（不明确、无规律）概率和统计性处理（无法消除/修正）③粗大误差检测系统各组成环节发生异常和故障等引起分离---防止1.3测量误差第22页，共39页。三、误差表示的方法1.绝对误差：测量某量所得值与其真值（约定真值）之差。2.相对误差：绝对误差与约定真值之比。用百分数表示。相对误差越小，测量精度越高。

3.引用误差：装置示值绝对误差与装置量程之比。4.分贝误差：

分贝误差=20×lg(测量结果÷真值)1.3测量误差第23页，共39页。三、误差表示的方法4、练习测量上限为100克的电子秤，秤重60克的标准重量时，其示值为60.2克，则该测量点的引用误差为：（60.2-60）÷100=0.2%1.3测量误差第24页，共39页。四、测量精度与不确定度1.精度：测量结果与真值吻合程度定性概念

a）精密度........................................precisionaccuracyb）正确度c）准确度1.3测量误差第25页，共39页。四、测量精度与不确定度精度等级：用来表达装置在符合一定的计量要求情况下，能保持其误差在规定的极限范围内。工程上常采用引用误差作为判断精度等级的尺度。以允许引用误差值作为精度级别的代号。工业仪表常见的精度等级有0.1级，0.2级，0.5级，1.0级，1.5级，2.0级，2.5级，5.0级。精密度和精确度等级为1.0的仪表，在使用时它的最大引用误差不超过1.0％，也就是说，在整个量程内它的绝对误差最大值不会超过其量程的1％。在具体测量某个量值时，相对误差可以根据精度等级所确定的最大绝对误差和仪表指示值进行计算。1.3测量误差第26页，共39页。四、测量精度与不确定度精度等级已知的测量仪表只有在被测量值接近满量程时，才能发挥它的测量精度。使用测量仪表时，应当根据被测量的大小和测量精度要求，合理地选择仪表量程和精度等级，只有这样才能提高测量精度。同学们，记住吧！1.3测量误差第27页，共39页。1.3测量误差2.不确定度：意味着对测量结果可信性、有效性的怀疑程度或不肯定程度，是定量说明测量结果的质量的一个参数。

所得的被测量值具有分散性，即每次测得的结果不是同一值，而是以一定的概率分散在某个区域内的许多个值。测量不确定度就是说明被测量之值分散性的参数，它不说明测量结果是否接近真值。测量不确定度用标准偏差表示，这时称其为标准不确定度。

四、测量精度与不确定度第28页，共39页。五、小结1.测量误差定义2.误差的分类3.误差的表示方法4.测量精度与不确定度1.3测量误差第29页，共39页。一、常用术语1．测量仪器的示值误差它是指测量器具的示值与被测量真值(约定真值)之差。例如电压表的示值Vi为30V，而电压实际值K为30.5V，则电压表的示值误差等于-0.5V。2．基本误差指测量仪器在标准条件下所具有的误差，也称为固有误差。3．允许误差指技术标准、检定规程等对测量仪器所规定的允许的误差极限值。4．测量器具的准确度指测量器具给出接近于被测量真值的示值的能力。1.4测量器具的误差第30页，共39页。一、常用术语5．测量器具的重复性和重复性误差

测量器具的重复性是指在规定的使用条件下，测量器具重复接收相同的输入，测量器具给出非常相似输出的能力。测量器具的重复性误差就是测量器具造成的随机误差分量。6．回程误差

也称为滞后误差，是指在相同条件下，被测量值不变，测量器具行程方向不同时，其示值之差的绝对值。7．误差曲线

表示测量器具误差与被测量之间的函数关系的曲线。8．校准曲线

表示被测量的实际值与测量器具示值之间函数关系的曲线。1.4测量器具的误差第31页，共39页。二、小结熟悉常用术语1.测量仪器的示值误差2.基本误差3.允许误差4.测量器具的准确度5.测量器具的重复性和重复性误差6.回程误差7.误差曲线8.校准曲线1.4测量器具的误差第32页，共39页。一、概率统计学的有关概念1.5测量数据处理及测量结果的表达方式第33页，共39页。二、测量数据的概率分布1.5测量数据处理及测量结果的表达方式

由于测量数据分布情况复杂，应当经过消除系统误差、正态性检验和剔除含有粗大误差的数据这三个步骤后，数据才可作进一步的处理。这样处理后也才能得到可信的结果。第34页，共39页。三、测量结果的表达方式1.5测量数据处理及测量结果的表达方式1.测量结果传统表达方式第35页，共39页。三、测量结果的表达方式1.5测量数据处理及测量结果的表达方式2.采用置信区间的测量结果表达方式第36页，共39页。三、测量结果的表达方式1.5测量数据处理及测量结果的表达方式3.近年来国内外推行的测量结果表达方式

第37页，共39页。四、小结1.5