第1章测试计量基础(电子科大-计量误差)

计量方法与误差理论第1章测试计量基础•测试计量有关的基本概念•量值传递与检定测试•计量误差第2章各种物理量的测试计量•基本测试计量方法•时间频率、电磁学、无线电电子测试计量•几何量、温度、力学、光学计量测试计量第3章经典误差理论•误差性质与处理•误差的合成与分配第4章测量不确定度第5章测量数据处理•最小二乘法•回归分析参考书目1.周渭，测试与计量技术基础，西安电子科技大学出版社，20042.梁晋文，误差理论与数据处理，中国计量出版社，2001第一章测试计量基础测试、计量与仪器计量的特点、作用意义量和单位制计量器具量值传递与检定测试计量误差第1节测试、计量与仪器测试（Test）：加入一定激励信号后，用一定的测量仪器测量某一参数的变化或响应。测量（Measurement）：用一定的仪器和工具测定某一参数或指标。以确定被测对象的量值为目的的一组操作。用实验方法，将物理量与作为单位量的量值相比较求出其比值的过程。计量（Metrology）：为实现测量单位的统一和被测量值准确可靠的活动。计量源于测量，而又严于测量。狭义的计量指计量单位及其基准、标准与量值的传递等；广义的计量则包括了所有的测量。测试、计量与仪器计量学：研究测量、保证测量统一和准确的科学，关于计量理论与实践的知识领域。计量单位及其基准、标准的建立，基准和标准的复制、保存和传递；拟订测试计量方法、设计计量器具，以便实施计量；分析和估计测量结果的不确定度，设法减小误差，提高计量精度；采取措施保证国家内部和国际间计量量值的统一性，研究计量的法制和管理。测试、计量与仪器测试计量技术：挑战物理极限，协助物理挑战极限；受各技术支援，又回馈各支援技术跨技术谱域最宽，也最易被忽视的技术纯粹以应用为导向，可以学习其知识而无法学习其智慧的技术，需要对物理现象通盘了解的理工科人才自己会“管”自己的技术，制造业之母，“以其微而知其著”计量是灵魂仪器：测量、测试计量技术的外显表征。根据应用需要，结合测量原理，经雏形到商品化的漫长过程。“遗弃”产业，难度大、风险大、获利慢。第2节计量的特点、作用与意义计量的特点准确性：给定的误差范围（不确定度）一致性：计量单位统一是量值统一的重要前提。溯源性：任何一个计量结果都能通过连续的比较链与原始的标准器具联系起来。溯源性是准确性和一致性的技术归宗。法制性：与科学技术、工农业生产、人民生活、贸易息息相关，相互推动。哥百尼的天体运行学说，是伽利略发明了望远镜并进行实际观测后才得以确立；万有引力定律被牛顿揭示百年之后，经过实际计量验证被确认；相对论是在频率精密计量的基础上才得到比较明确的验证。第一次技术革命：蒸汽机、机械工业的兴起。经典力学和热力学。压力、膨胀系数、燃烧效率的测试计量，几何量的计量第二次技术革命：电的产生和应用。欧姆定律、法拉第电磁感应定律以及麦克斯韦电磁波理论推动电磁计量和无线电计量第三次技术革命：量子力学、核物理学的创立和发展，核能及化工等的开发和应用。经典计量进入量子计量的新阶段第四次技术革命：微电子与计算机，信息革命。精密计量的保证作用。GPS与频率计量、二代导航卫星的时间频率标准铯钟铷钟。计量的特点、作用与意义第3节量和单位制1.量和量值量：“现象、物体和物质的可定义性区别与定量确定的一种属性”。描述大小、长短等概念。量值：一个数和合适的计量单位表示的量。同一个量，计量单位不同，其表示的数值也不同。基本量和导出量：基本量：量制中约定认为是彼此独立的量，如力学领域：长度、质量、时间；导出量：为该量制基本量的函数所定义的量；基本量和导出量的特定组合构成整个科学领域或某个专业领域的“量制”。单位和单位制2.单位和单位制单位：“约定采用的特定量，用以定量表示具有相同量纲的量”。“习惯上公认数值为1的一个量值”基本单位和导出单位：基本单位是“给定量制中基本量的单位”，导出单位是“给定量制中导出量的计量单位”。例如：MKS（米千克秒）制中，cm为导出单位。单位制：由选定的一组基本单位和根据定义方程式及一定的比例因数构成的导出单位所组成的单位体系。量纲：以量制中基本量的幂的乘积表示该量制中一个量的表达式。dimQ=AαBβCγ…例如：长度、质量和时间量制中，力的量纲为LMT-2在给定量制中，其表达式内基本量的指数为零的量称为“无量纲量”。“量纲法则”：任何表达式，等号两边必须具有相同的量纲式。3.国际单位制•国际单位制1960年第十一届国际计量大会决定以米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉这六个单位为基本单位的实用计量单位制命名为国际单位制（SI）。1974年第十四届国际计量大会又决定增加物质量的单位摩尔作为基本单位。•国际单位制的构成SI单位（基本单位、辅助单位和导出单位）SI单位的十进制倍数和分数单位(由SI词头和SI单位构成的新单位,如cm)SI词头（与SI单位一起构成十进制倍/分数单位，如MHz）国际单位制国际单位制SI辅助单位：•弧度：圆内两条半径间的平面角，在圆周上所截取的弧长与半径相等。•球面度：顶点位于球心的立体角，在球面上所截取的面积等于以球半径为边长的正方形的面积。SI导出单位：•用SI基本单位表示的：如m2，m/s2•用SI辅助单位表示的：如角速度rad/s、辐射强度W/sr（瓦每球面度）•具有专门名称的：如Hz、N、Pa、JSI词头：与SI单位组合在一起构成十进制的倍数和分数单位，SI规定了16个：•da[十]、h[百]、k、M、G、T[太]、P[拍]、E[艾]•d[分]、c[厘]、m、u、n、p、f[飞]、a[阿]kg?制外单位：不属于给定单位制的计量单位，如分、时、日；度；升；吨等第4节计量器具1.定义计量仪器（主动式）、量具（被动式）、计量物质及计量装置的总称。计量工作的物质基础。计量器具的性能特性：漂移、稳定性、超然性（不改变被测量的能力）、重复性、可靠性计量仪器：测量并能得到确切量值。如天平、安培计量具：以固定形式复现给定量的一个或多个已知值。如砝码、容器、量块、电阻等。一般本身不带指示器、没有测量机构、也不含测量过程中运动的计量元件。独立量具（如容器）和从属量具（如砝码）单值量具（如标准量块）和多值量具（如可变电阻）计量物质：具有一种或多种足够均匀和确定计量特性的物质，用以测定相关物质的化学成分、物理化学特性、工程技术特性，以及校准计量装置、评价计量方法等。计量系统和装置：计量器具2.分类按用途和在统一单位量值的作用，分为三类:计量基准原始标准或最高标准，在特定领域具有当代最高计量特性的计量标准，计量的最高依据。国际基准、国家基准。计量标准用以定义、实现、保持或复现计量单位或一个或多个已知量值的实物量具、物质、计量仪器或系统。计量标准应该包括计量基准——最高的计量标准。标准的等级划分：零级最高工作用计量器具虽不是计量标准，但有计量性能。计量基准3.计量基准分类主基准：最高计量特性，不轻易使用作证基准：用于核对主基准的变化，也不用于日常计量副基准：通过直接或间接与主基准比较或用于基准法来定值的基准，一般可以代替主基准使用。参考基准：在给定地区或组织内，通常具有最高计量特性的计量标准，在该处所作的计量均由它导出。工作基准：日常校准或核查实物量具、计量仪器或参考物质的计量标准，通常由参考基准校准。计量基准主要特性符合或最接近计量单位定义所依据的基本原理；良好的复现性，所定义、实现、保持或复现的计量单位具有当代（或本国）最高精度；性能稳定、计量特性长期不变；能将所定义、实现、保持或复现的计量单位通过一定的方法或手段传递下去。计量基准发展古典阶段：简陋、主观因素明显如：计时经典阶段：1875年“米制公约”开始。宏观器具。根据自然界所存在的一些相对稳定的实物及现象来定义所要求的基准，并用实物来保存。如：地球子午线长度的四千万分之一，用铂铱合金制造的米原器；1立方米的水在密度最大时温度下的质量，用铂铱合金制造的千克原器。现代阶段：量子基准，利用微观世界所固有的稳定性和齐一性而建立。如：米基准、秒基准、电压基准（伏特）等量值传递的概念•量值传递将国家计量基准所复现的计量单位量值，通过检定或者其它方式传递给下一等级计量标准，并依次逐级传递到工作计量器具，以保证被计量对象量值准确一致。由于传递方式的进步，出现了通过无线电方式的跨级传递，如时间、频率量值传递。•量值准确一致的前提——溯源性被计量量必须具有能与最高基准相联系的特性。逐级往上追溯，量值传递概念的逆过程。第5节量值传递与检定测试量值传递与检定测试量值传递与保证量值准确一致的基础•科学基础：计量理论•技术基础：保证以最高准确度复现计量单位的国家计量基准体系；将国家计量基准的量值传递到工作计量器具的计量标准体系；用以保证计量器具准确一致的标准物质体系；计量器具的研制、定型鉴定、生产及修理体系；计量器具的检定体系。•法制基础：计量法及有关法规、计量检定系统、计量检定规程、法定性质的操作规范。•组织基础：国家计量部门、各级地方计量部门、各部委系统的计量部门及有关研究结构、各单位计量机构及实现室、培养计量人才的院校。量值传递与检定测试计量检定规程•计量检定：为评定计量器具的计量性能，确定其是否合格所进行的全部工作•计量检定规程：为检定计量器具而制定的技术法规，对规程适用范围、计量器具名称、计量性能、检定项目、检定方法、检定条件、检定数据的处理以及检定周期等都有明确的规定。计量鉴定规程由国务院计量行政部门统一组织制定和颁布。检定测试的基本条件•检测标准：精度按一定级别优于被检器具•检测方案：精度损失小、可靠性高、简单易行•辅助设备：避免引入附加误差•环境条件：相对比较严格•数据处理方法：量值传递与检定测试检定测试中器具合格的判断标准器具误差可忽略的条件设标准器具误差△Xs，被检器具误差为△X，总误差△Xt△Xt=△Xs+△X△Xs、△X都只含系统误差△Xs△X/10△Xs、△X都只含随机误差△Xs、△X同时含有系统误差和随机误差3/s)10131(XXs)10131(enn、e分别为标准和被检的容许误差限量值传递与检定测试根据被测器具的容许误差限判断（假设标准器具误差可忽略）△Xmaxe不合格，反之则合格根据标准和被测器具的容许误差限判断设标准和被测器具的容许误差限分别为n和e标准和被测器具都只含系统误差总误差|△Xt|n+e不合格总误差|△Xt|=e-n合格其它情况需要进一步验证标准和被测器具都只含随机误差且服从正态分布|△Xmax|不合格，反之则合格22ne第6节计量误差A0真值？只有理论意义。测量不确定度通常以“指定值”As、“实际值”A、或估计值代替1。计量误差的定义0AXX修正值XC计量误差2。计量误差的表征——绝对误差与相对误差实际相对误差（A实际值）标称相对误差（x测定值）满度相对误差（引用误差）•电工仪表按最大引用误差分7级：0.1,0.2,0.5,1,1.5,2.5,5.0。•引用误差实际给出的是绝对误差，为了减小相对误差，选择量程时应使指针尽可能接近满度值。分贝误差对电压/电流类参量：)(lg200dBAD))(lg(200dBxADD00069.8lg20))(/1lg(20AXAXdBAxD对功率类参量：0034.4lg10AXAXD计量误差3。计量误差的分类系统误差、随机误差、粗大误差精密度、正确度、精确度4。近似与有效数字测量值是真值的近似，近似值取值多少应以测量所能达到的精度为依据。小数点的位置决定不了精度，如35.6mm、0.0356m数据位数精度不能超过测量所能达到的精度，增加运算时间，出现混淆。由数字组成的一个数，除最末一位数字是不确切或可疑的外，其它数字均是可靠的，则组成该数的所有数字包括末位数字称为有效数字。从测量的角度看，23表示测量结果，误差可能为±0.5；而23.00误差可能为±0.005。计量误差有