精密测量理论与技术基础第1章-绪论

门捷列夫(1834-1907)

科学始于测量,没有测量，便没有精密的科学。

开尔文（1824-1907）

当你能够测量你所关注的事物，而且能够用数量来描述他的时候，你就对其有所认识；当你不能测量他，也不能将其量化的时候，你对他的了解就是贫乏和不深入的。钱学森（1911-2009）

信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术，测量技术是信息技术的关键和基础。王大珩（1915-2011）仪器仪表是工业生产的“倍增器”是高新技术和科研的“催化剂”在军事上体现的是“战斗力”仪器科学与技术仪器科学与技术是人类感官功能的拓展，是人类认识世界的必要工具。现代仪器仪表既是科学研究和技术创新的重要基础和前提，同时它本身也是科学研究和技术创新的主体之一。

当今，仪器仪表和测试计量技术已不再是“配角”和“从属”，它已成为现代科学技术中的重要领域，已成为促进经济和社会发展的主力军。5微纳测量IBM苏黎世实验室的科学家2009年利用原子力显微镜（AFM），成功拍到世界首张单分子成像图三维超分辨力光学测量，受激发射损耗荧光成像技术（STED）技术可实现xyz~40nm大尺寸测量复杂工件参数测量仪器仪器是机械、电子、光学、计算机、物理、化学、材料、生物等学科和先进技术融合的产物精密工程物理、化学、生物等基础学科高端精密测试仪器的原创思想没有良好的物理、化学、生物基础的研发人员不会有仪器的原创思想没有良好的精密工程基础不可能研制出精密测试仪器9发展仪器科学与技术是国家发展战略美国NSF和NIH都有专门扶持仪器研发的专项基金；能源部和国防部布局大量的仪器研发项目；在基础装备发展战略中提出“要保持美国在科学仪器的领先地位”欧盟在“第六框架计划”将科学基础设施（主要指科学仪器）列为重点内容日本制定了“高精密科学仪器振兴计划”加拿大制定了“研究工具、仪器和设施计划”各工业发达国家都把仪器科学与技术的发展提升到国家发展战略的高度进行布局10测量理论与技术在测控专业体系中的地位和作用学科基础知识光学技术基础计算机技术基础信息获取信息处理信息传输信息利用专业基础知识传感器及信号检测信号处理与误差分析测控总线及通信技术控制与系统实现专业知识各种测量技术、测控系统智能化、自动化、网络化、集成化设计，现代新技术的集成应用等机械工程技术基础电子技术基础精密测量理论与技术基础课程目标12测量的基本概念、测量标准、量值传递与溯源；各种测量方法，测量系统的组成及其静动态特性；误差理论、测量不确定度的评定方法及相关的数据处理方法。掌握各种被测量的基本概念、常用测量方法、各种方法的技术原理和典型应用；根据测量任务、被测量特点以及技术指标要求，能选取合理的测量方法和传感器，设计测量系统。能正确分析测量误差源，评估目标测量不确定度，提出相应的减小或补偿误差的方法。精密测量理论基础大纲13基本概念、测量标准、测量结果的溯源性测试系统的基本概念及其特性测量信号分析与处理(自学)测量误差基本理论测量数据处理方法测量不确定度评定教学日历一、绪论（4-5周）二、测量系统（5-6周）三、长度量测量和角度量测量（7、8、9周）四、测量误差（9-10周）五、测量数据处理（11周）六、测量不确定度（12-13周）实验（14周？？？）综合训练汇报（15-18周）课程总结（19周）考核方式综合训练任务20%：包括PPT及小论文

4人选同一题，每人独立完成，每题抽查1名同学在讨论课上汇报实验、作业和出勤10%：包括实验操作过程、实验结果和实验报告；作业完成质量和出勤率及课上回答问题等期末考试70%：基础理论知识和综合运用能力第一章绪论计量学基础、测量基准、测量结果的溯源性第一章绪论一、计量学基础知识测量、计量的国内外术语定义对比18JJF1001－2011《通用计量术语及定义》测量（measurement）：通过实验获得并可合理赋予某量一个或多个量值的过程。计量（？）：实现单位统一、量值准确可靠的活动（中国特色，习惯上唯有计量部门从事的测量才被称作“计量”）计量学（metrology）：测量及其应用的科学InternationalVocabularyofBasicandGeneralTermsinMetrology,2006Measurement:processofexperimentallyobtainingoneormorequantityvaluesthatcanreasonablybeattributedtoaquantityMetrology:fieldofknowledgeconcernedwithmeasurementMetrologyincludesallaspectsboththeoreticalandpracticalwithreferencetomeasurements,whateverthemeasurementuncertaintyandfieldofapplication.基本概念19测量：通过实验获得并可合理赋予某量一个或多个量值的过程以确定量值为目的的一组操作；是采集和表达被测物理量，并和标准量比较的过程；包括测量过程中的全部内容。量：现象、物体和物质可以定性区别和定量确定的一种属性测量是一个实验过程，

途径和方法一般都是已经确定的，其解决的问题是确定量值的大小。测量前提：被测量有明确定义；被测标准必须通过协议事先确定。测试：具有试验性质的测量（中国特色）测试的实质就是测量，也是为了确定其量的数值。测试包含着试验过程，

具有探索性、研究性和试验性的特点。

它往往是在没有成熟的测量方法或测量条件的情况下进行的测量，主要解决科研生产中的具体实际问题。基本概念20计量：实现单位统一、量值准确可靠的活动使用有溯源性的标准和测量仪器，按照规范由资格被确定的人员进行的以判别测量器具合格性为目的的测量计量学的研究内容：计量单位和单位制，计量器具（包括基准器和标准器），量值传递和溯源，测量理论及其方法，测量不确定度和数据处理，计量法制和管理等方面。计量、测量、测试三者也是可以转变的。当测量是为着实现统一，即旨在使量值溯源到标准、基准时，那这种测量就是计量；当测试已经具有了确定的方法和途径，那这种测试则已转变为测量了；当要求测试方法及量值进行统一并相应的建立了标准，那这种测试就已经转变为计量了。检测？日常看到的一些机构的名称21精密测试技术及仪器国家重点实验室测试计量技术及仪器中国计量测试学会中国计量科学研究院中国测试技术研究院StateKeyLabofPrecisionMeasuringTechnologyandInstrumentsMeasuringandTestingTechnologiesandInstrumentsMeasuringTechniques&MeasuringInstrumentsChineseSocietyForMeasurementNationalInstituteofMetrology,P.R.ChinaNationalInstituteofMeasurementandTestingTechnology，P.R.China中国计量科学研究院NIM中国计量科学研究院成立于1955年，隶属国家质量监督检验检疫总局，是国家最高的计量科学研究中心和国家级法定计量技术机构，属社会公益型科研单位。主要职责如下：...（三）研究、建立、保存、维护国家计量基准和国家计量标准，复现单位量值，研制国家重要有证标准物质。研究、建立和负责维护国家守时系统。开展量值传递和溯源工作。（四）开展计量基准、计量标准和标准物质的国际量值比对，实现国际等效。开展国内量值比对工作，承担计量技术机构考核、计量标准考核和能力验证工作，承担测量方法和测量结果的可靠性评价工作。（五）承担国家质检中心、国家级重点实验室等技术机构的量值溯源工作，承担计量器具型式评价实验和产品质量监督抽查工作。...计量院现有国家计量基准127项，标准258项，有证标准物质1062种（一级354种，二级708种），国际计量局（BIPM）公布的国际互认的校准和测量能力1011项（截止到2012年2月底）。计量的分类23科学计量：基础性、探索性、先行性的计量科学研究计量单位与单位制的研究，计量基准和标准的研制，物理常数的测定、量值传递与溯源系统的研究、量值比对方法、误差理论及测量不确定度的研究工程计量：各种工程、工业企业中的实用计量法制计量：根据法制、技术和行政管理的需要，由政府或官方授权进行强制管理的计量科学计量为法制计量提供了技术保障，还为工程计量的发展提供基础计量的特点24准确性：计量结果与被测量的真值的接近程度计量不仅应明确给出被测量的量值，而且还应给出该量值的不确定度（或误差范围），即准确性一致性：计量单位的统一是量值一致的重要前提任何时间、地点，采用任何方法和器具，任何人进行计量，只要符合有关计量要求，计量结果就应在给定的不确定度内一致溯源性：任何一个计量结果，都能通过不间断的校准链溯源到计量基准法制性：计量的社会性要求有一定的法制保障《中华人民共和国计量法》，1986年实施，包括：计量基准器具、计量标准器具和计量检定，计量器具管理，计量监督，法律责任等部分传统的十大计量25几何量力学温度电磁无线电时间频率电离辐射光学声学化学生物、医学、环保、信息、航天等新计量领域正在逐步形成位置、长度、速度、加速度、运动轨迹等属于运动学测量；物体运动与质量和力关系，属于动力学范畴；描述硬度、黏性、杨氏模量、表面张力系数等物质特性，属物性研究。长度、角度、形状、相对位置和表面粗糙度等小结26测量有时也称计量，但是计量不同于一般的测量测量是为确定量值而进行的全部操作，一般不具备、也不必具备计量的4个特点计量属于测量而又严于一般的测量计量部门从事的测量是“实现单位统一、量值准确可靠的活动”，对其他部门所从事的测量提供了实现单位的统一、量值准确可靠的基本保证，而这些基本保证是其他部门测量活动自身无法做到的第一章绪论二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势2.1测量精度亚纳米量级，测量尺度纳米量级机械加工精度发展0.7nm-0.8nm28二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势ZEISS

Starlith

1700i浸没物镜45nm光刻机使用的浸没透镜口径：300mm波长：193nm数值孔径：大于1镜片数量：40-60片单片透镜（最大口径达到300mm）的面形精度要求达到1nm数十片透镜的装配精度在纳米量级大口径光学元件形面的高精度测量29二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势2009年乌克兰科学家用改进场致发射显微术测得的碳原子（直径0.12nm）电子云原子核居中，核外被电子轨道围绕；这些电子轨道形成弥散的电子云，形状从球形到纺锤形再到三叶形不等第一张原子分辨STM图像（1983，Binnig&Rohrer）Si(111)表面的7×7重构最小粒子探测的发展基本粒子的尺度30HOPG原子像(a)(b)(c)(d)STM扫描图像(a)吸附于石墨表面的C32H66有机分子，扫描范围10nm×10nm；(b)蛋白质分子的双链结构；(c)Si(111)面原子重构像；(d)血细胞单分子：第一次与你相逢

IBM苏黎世实验室的科学家2009年利用原子力显微镜（AFM），成功拍到世界首张单分子成像图。超高真空AFM中获得并五苯分子，由22个碳原子和14个氢原子构成。5个碳环的六角形外形清晰可见，甚至还能看到碳环周围的氢原子，碳环之间的空间仅有0.14nm。二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势新材料及其应用中的精密测量氧化锌（ZnO）：光电、压敏、气敏、压电等方面应用石墨烯：厚度只有0.335纳米ZnO：长度5微米，直径几十纳米，700余列在微小形变下能产生1.2伏输出电压的纳米发电机石墨烯射频晶体管－运行频率达到100GHz（1个原子厚、10个原子宽）34过滤膜抗污性研究

BSA-immobilizedAFMtipForcecurveswithBSAtipagainsta)PVFmembraneb)10%(additiveF127)c)20%(additiveF127)d)40%(additiveF127)e)60%(additiveF127)二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势三维超分辨力光学测量，受激发射损耗荧光成像技术（STED）技术可实现xyz~40nm生命科学中的精密测量测量蛋白质单分子（直径5nm）的解折叠过程的力学特性（pN量级），构建仿人肌肉结构36二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势2.2测量尺度向大、极大尺寸发展A380长度：73m，翼展：80m，高度：24m37制造工程中的超大尺寸测量航空航天制造中的装配测量，其尺度约100米以内，局部精度为

0.01-0.05mm，整体精度在亚毫米量级，相对精度

10-6

～10-5，主要测量参数空间坐标、空间姿态、空间相对关系船舶制造过程中的装配测量，其尺度大约几百米以内，局部精度为亚毫米，整体精度在毫米量级，相对精度约10-5二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势空间探测相对测量误差：10-8乃至10-10空间尺度测量问题是一种极大尺寸测量问题。尽管目前极大尺寸上的测量精度需求并不完全满足一般超精密概念中的深亚微米特征，但从整个量程范围内来看目前其相对测量精度要求高达10-8乃至10-10以上，已经接近超精密测量范畴，而潜在的相对测量误差要求达到10-18，已超过现有超精密测量手段所能达到的极限测量准确度。38二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势2.3测量条件向复杂化、极端化方向发展？上天入地下海蛟龙号深海潜水器设计7000米，已完成3759米试验，压力约为每平方米4000吨钻探最深记录12.26km（前苏联），仅相当于地球半径的0.2％平均地温梯度约为30℃/km玉树地震震源深度14km海底最深11034米39二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势深水自主导航探测（AUV）深水自主导航探测器—AUV深水探测主要包括以海底油气资源开发为目的的深水工程探测（地形地貌特征、地质特性等）以及以军事或环境研究为目的的深水环境探测（水温、水深、流向、流速、盐度以及水声等）追求最大下潜深度是起步全方位探测则是关键传感器主要包括：侧扫声纳、浅底层剖面仪、多波速测深仪、流速剖面仪、温盐深传感器、水下导航定位系统、声通讯系统等国外7000m的AUV已产品化国内3000m暂时还未实现，传感器全部依赖进口追求最大下潜深度40二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势2.4动态测量向高频、甚至射频拓展射频体声波器件（FBAR，1.8GHz）振动模态测试（振动幅度小于5nm）射频振动模态测量41超短脉冲激光用于研究超快瞬态物理现象采用飞秒脉冲与惰性气体原子碰撞，获得超短阿秒脉冲（10-18s），用于研究原子壳层内的电子动力学（束缚电子动力学），高能离子和热能电子的运动，和分子中价电子的运动等氖原子（Ne）的光电子发射过程中电子存在两种逃逸模式：从2p轨道比从2s轨道的逃逸时间不同，约晚~20as42二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势2.5测量的网络化Internet、卫星或移动通信网络等环境人体健康现代农业智能住宅国防工业监控交通传感器的微型化、集成化、智能化无线传感网络、物联网无线传感网络和物联网将改变人类的生活方式，甚至将引发一场划时代的技术革命微型化、集成化、智能化的传感器是两个网络的“半壁江山”43二、精密测量技术及仪器发展的若干趋势测量精度亚纳米量级，测量尺度纳米量级测量尺度向大、极大尺寸发展测量条件向复杂化、极端化方向发展动态测量向高频、甚至射频拓展测量的网络化44第一章绪论三、国际单位制、测量标准国际单位制46国际单位制（SI，来自于法文LeSystèmeInternationldUnités）1971年第14届国际计量大会通过SI基本单位（7个）47量的名称单位名称单位符号长度米m质量千克kg时间秒s电流安[培]A热力学温度开[尔文]K物质的量摩[尔]mol发光强度坎[德拉]cdSI导出单位48①具有专门名称的导出单位②组合形式的导出单位：用基本单位和具有专门名称的导出单位以代数形式表示的单位，如：F/m量的名称单位名称单位符号[平面]角弧度rad立体角球面度sr频率赫[兹]Hz力牛[顿]N压力，压强，应力帕[斯卡]Pa能[量]，功，热量焦[耳]J功率，辐[射能]通量瓦[特]W电荷[量]库[仑]C电压，电动势，电位（电势）伏[特]V电容法[拉]F电阻欧[姆]Ω电导西[门子]S磁通[量]韦[伯]Wb磁通[量]密度，磁感应强度特[斯拉]T电感亨[利]H摄氏温度摄氏度℃通量流[明]lm[光]照度勒[克斯]lx[放射性]活度贝克[勒尔]Bq吸收剂量，比授予能，比势动能戈[瑞]Gy剂量当量希[沃特]Sv辅助单位量纲为1电阻的单位怎样用国际基本单位制中的单位来表示？国际单位制外的单位49单位名称单位符号分min小时h日（天）d度º角分′角秒"升L吨t电子伏eV原子质量单位u单位名称单位符号海里n

mile节kn埃Å公亩a公顷ha靶恩b巴bar伽Gal居里Ci伦琴R拉德rad雷姆rem与SI并用的单位暂时保留的非SI单位50国际单位制SI外的我国的法定单位时间单位：日（d）、时（h）、分（min）平面角单位：度（︒）、分（′）、秒（″）体积单位：升（l）质量单位：吨（t）原子质量单位：（amu或u）能的单位：电子伏（eV）旋转速度：转每分（r/min）长度单位：海里（nmile）速度单位：节（kn）级差单位：分贝（dB）面积单位：公顷（hm2）线密度单位：特克斯（tex）国际单位制外的单位测量标准51[测量]标准（standard，etalon）具有确定的量值和相关联的测量不确定度，实现给定量定义的参照对象(实物量具、测量系统、有证标准物质)具有标准测量不确定度为3ug的1kg质量测量标准具有标准测量不确定度为1uΩ的100Ω测量标准电阻器具有相对标准测量不确定度为2×10－15的铯频率标准中国将测量标准分计量基准和计量标准两大类计量基准52在特定计量领域内具有最高计量特性的计量标准国家基准：经国家决定承认的测量标准，在一个国家内作为对有关量的其他测量标准定值的依据副基准：通过与国家基准比对或校准来确定其量值，并经国家鉴定、批准的计量器具一旦国家基准损坏，国家副基准可用来代替国家基准工作基准：经与国家基准或副基准校准或比对，并经国家鉴定，实际用于检定计量标准的计量器具主要目的是避免国家基准和副基准因频繁使用而降低其计量特性或遭受损坏计量标准53计量标准处于计量基准和工作计量器具之间，起着承上启下的作用，即将计量基准所复现的单位量值，通过检定逐级传递到工作计量器具社会公用计量标准：测量数据具有法律效力部门、企业、事业单位内部使用的计量标准《计量法》规定：计量标准器具（简称计量标准，下同）的使用，必须具备下列条件：

1.经计量检定合格；

2.具有正常工作所需要的环境条件；

3.具有称职的保存、维护、使用人员；

4.具有完善的管理制度54国际标准，国际基准（internationalstandard）经国际协议承认的测量标准，在国际上作为对有关量的其他测量标准定值的依据国际米制公约组织下设的国际计量委员会和国际计量局世界各国测量单位量值定值的最初依据，也是溯源的最终终点国家标准，国家基准（nationalstandard）经国家决定承认的测量标准，在一个国家内作为对有关量的其他测量标准定值的依据国家标准在我国称为国家基准，是一个国家科学计量水平的体现，是能以国内最高的准确度复现和（或）保存给定的计量单位测量标准第一章绪论四、测量结果的溯源性几个重要术语溯源性检定校准量值传递量值溯源56溯源性57量的真值：

简称真值，与量的定义一致的量值（理想概念）由于定义本身细节不完善，不存在单一真值（基本常量除外），只存在与定义一致的一组真值。然而，从原理和实际上，这一组真值是不可知的当计量误差满足规定的准确度要求时，则可认为计量结果所得量值接近于真值，并可用来代替真值使用，又称为“实际值”计量检定中，通常将高一级的计量标准复现的量值作为“实际值”，用它来校准其他低等级的计量标准或器具国家计量基准是在一国范围内，具有最高准确度的计量标准，具有保存、复现和传递计量单位量值三种功能溯源性58溯源性：通过文件规定的不间断的校准链，测量结果与参考对象联系起来的特性，校准链中的每项校准均会引入测量不确定度。参考对象可以是实际实现的测量单位的定义，或测量标准随着自然（量子）基准的建立与发展，有些基准可在基层实验室直接溯源必要性：国际计量基准是世界各国测量单位量值定值的最初依据，也是溯源的最终终点任何计量器具，运输、使用、甚至放置过程中，其性能都会发生一些变化，对于新制造的计量器具，设计、加工、装配、元件质量等因素都会引起误差范围的变化溯源性实现的主要技术手段检定校准国家计量基准－各级社会公用计量标准－企业或用户的工作计量器具检定和校准59检定：查明和确定测量仪器符合法定要求的活动，它包括检查、加标记和/或出具检定证书具有法制性，其对象是法制管理范围内的计量器具校准：在规定条件下的一组操作，其第一步是确定由测量标准提供的量值与相应示值之间的关系，第二步则是用此信息确定由示值获得测量结果的关系，这里测量标准提供的量值与相应示值都具有测量不确定度校准可以用文字说明、校准函数、校准图、校准曲线或校准表格的形式表示；某些情