计量学技术基础考试重点.docx
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计量学技术基础考试重点
计量学技术基础考试内容：
第一章
1.测量：
根据计量检定规范JJF1001-1998《通用计量术语及定义》的规定，测量的定义为：
测量：
以确定量值为目的一组操作。
（1）要选择相应的测量原理和方法、标准和仪器等；
（2）进行一组操作；
（3）获得被测量的量值。
要注意测量与计量在概念上的区别。
2.计量学
JJF1001-1998《通用计量术语及定义》定义
计量学（metrology）：
关于测量的科学。
计量学涵盖有关测量的理论与实践的各个方面，是现代科学的重要组成部分。
一个主要任务：
逐步将不可测量的量转化为可测量的量，从而达到改善和控制该量的目的，起到推动社会发展和进步的作用。
3.计量与测量的区别与联系
计量是实现单位统一、量值准确可靠的活动。
这种“活动”包括测量操作活动以及其他科技活动，如法制活动、管理活动等。
测量是以确定量值为目的的一组操作。
一般不具备、也不必具备计量的技术特性。
从技术层面上说，计量属于测量的范畴，是测量的特定形式。
但计量又严于一般的测量，是与测量结果置信度有关的、与不确定度联系在一起的规范化测量。
计量更侧重于法律性和行政性，有其重要的社会和现实意义。
4.计量学的分类
当前国际上趋向于把计量学分为科学计量、工程计量和法制计量三类，分别概括计量学的基础、应用和社会事业三方面的内容。
1875年，“米制公约”的签订促进了各国计量制度走向统一，称为现代计量学创立的标志。
第二章
1.单位米的发展过程
1889年第一届国际计量大会决定，选用英国制成的30支铂铱合金米尺中的No.6作为国际米原器，即米的实物基准。
1960年第十一届国际计量大会决定将米的定义改为“米的长度，等于氪-86原子的2p10和5d5能级之间跃迁时，在真空中辐射波长的1650763.73倍”，成为最先量子化的国际单位。
1983年第十七届国际计量大会再次把米的定义修改为“一米是光在真空中（1／299792458）s时间间隔内所经路径的长度”。
在国际单位制的7个基本量中，目前只有质量单位千克还没有建立起自然基准。
2.国际单位制的优越性
世界大多数国家、绝大多数国际组织和学术机构都采用国际单位制，主要原因是它具有突出的优点和广泛的适用范围。
1）通用性；2）实用性；3）简明性；4）准确性。
3.国际单位制的构成
1）SI单位
①SI基本单位：
7个SI的基本单位，
②SI辅助单位：
2个（平面度；球面度）
③SI导出单位；
④SI单位的倍数单位：
先了解SI词头
2）国际单位制外的单位
1）与SI并用的单位；2）与SI暂时并用的单位。
4.我国法定计量单位的构成
《中华人民共和国计量法》第三条规定“国家采用国际单位制”。
我国法定计量单位的构成如下:
（1）SI的基本单位、SI的导出单位和SI的倍数单位；
（2）可与国际单位制单位并用的我国法定计量单位;
（3）由以上单位构成的组合形式的单位。
5.通用计量术语：
量与单位
量制
Systemofquantities
【可测量的】量
[measurable]Quantity
基本量
Basequantity
导出量
Derivedquantity
基本量
SI
基本
单位
量
长度
质量
时间
热力学温度
电流
物质的量
发光强度
名称
米
千克
秒
开尔文
安培
摩尔
坎德拉
符号
m
kg
s
K
A
mol
cd
SI基本单位：
7个
SI辅助单位：
2个
具有专门名称的SI导出单位：
19个
国家选定的非SI单位：
16个
SI单位的十进倍数和分数单位的词头：
20个
6.我国法定计量单位的特点
主要特点是：
简单明了、完善具体、留有余地。
适当考虑了我国人民的习惯，日常生活中把公斤和公里作为法定单位的名称，可与千克和千米等同使用。
7.单位的写法与读法
中华人民共和国国家标准：
GB3100系列
GB3100：
国际单位制及其应用GB3101：
有关量、单位和符号的一般原则
8.单位的读法：
单位符号的中文读法
1、依据单位符号的顺序，“•”：
不读；“/”：
每
2、指数名称在前
3、面积：
平方；体积：
立方
4、单位的写法与读法
单位的写法：
单位符号、单位名称
中文符号：
即单位名称的简称。
只在有必要时用于中、小学教材和普通书刊中。
除了°C外，必须用中文。
中文符号不得与单位符号混用，km/小时
1、
单位符号一律用正体：
除了来源于人名的单位符号首字母要大写外，其余均为小写。
2、单位符号在全部数值之后，与数值间留适当的空隙，例外：
角度单位的符号与数值间不留空隙，30°，15'，20''。
量的符号：
必须用斜体，下标用正体，物理量符号的下标用斜体
规范化：
毫微米？
mm？
nm？
50°C
50摄氏度？
0.5um怎么读？
37.0±0.5°C？
（37.0±0.5）°C？
10～30nm？
10nm～30nm？
（10～30）nm？
23,500.674,25？
23500.67425？
第三章
测量结果的表达：
见教材P36
第四章
1.计量器具分类
计量器具按结构特点可分为量具、计量仪器（仪表）和计量装置。
按技术特性及用途，计量器具可分为计量基准器具、计量标准器具（包括标准物质）和工作计量器具。
2.人工基准与自然基准
为了追求高稳定性，计量基准经历了四个过程：
1）初级人工基准：
骨尺、牙尺
2）宏观自然基准:
地球子午线的四千万分之一
3）高级人工基准：
国际米原器（材料、结构稳定）
4）微观自然基准：
光在真空中299792458分之一秒所经路径的长度。
第五章
量值传递体系大体上由3部分构成：
从能复现量值的国家基准开始，通过各级（省、市、县、区）计量标准器具逐级传递，最后传递给工作器具。
为解决量值传递体系的问题，就必须建立量值溯源体系。
1.量值传递与溯源的概念
1）量值传递：
是将国家计量基准所复现的计量单位量值，通过检定（或其它传递）方式传递给下一等级的计量标准，并依次逐级传递到工作计量器具，以保证被测量的量值准确一致。
量值准确一致的前提：
测量结果必须具有溯源性，具有溯源性的被测量的量值必须具有能与国家计量基准或国际计量基准相联系的特性。
2）溯源性：
通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或计量标准的值，能够与规定的参考标准，通常是与国家计量标准或国际计量标准联系起来的特性。
任何一项测量业务，其结果都可以按照这条溯源链一直追溯到国家基准上去，若需要，则可溯源到国际基准上去。
第七章
1.几何量的概念
几何量表征物体的大小、长短、形状和位置，其基本参量是长度和角度，除此之外，还必须加入一些工程参量，如：
圆度、锥度、粗糙度、渐开线、螺旋线等。
几何量计量的单位有：
长度单位为“米”，单位符号为“m”，是SI的七个基本单位之一。
角度单位有两个，即平面角单位为“弧度”，单位符号为“rad”；立体角单位为“球面度”，单位符号为“sr”。
2.几何量测量的四个要素
1）测量对象和被测量
测量对象——是指被测定的物理量的实体。
被测量——是指某一被测的物理量或被测对象的某一被测参数。
2）计量单位
计量单位－是在定量评定物理量时，作为标准并用以与被测量进行比较的同类物理量的量值。
在测量过程中，计量单位必须以物质形式体现出来。
3）测量结果的准确度
测量结果的准确度－是指测量结果正确可靠程度。
4）测量方法
测量方法－是指参与测量过程的各组成因素和测量条件的总称。
分类：
直接测量和间接测量；绝对测量和相对测量；
接触测量和非接触测量；综合测量和单项测量
3.几何量测量的四条基本原则
1）阿贝原则
阿贝原则－是指被测尺寸线应与标准尺寸线相重合或在其延长线上，否则将会带来较大的测量误差。
卡尺和千分尺是生产中常用的两种量具，其中卡尺不符合阿贝原则，而千分尺符合阿贝原则。
分析：
分析：
实例
利用卡尺测量零件尺寸
理论：
L=D实际：
L≠D?
原因：
导轨不直→测量线与基准线
不平行→量爪不平行→偏差
误差的大小与夹角大小有关，还与测量线与基准线之间距离有关。
2）最小变形原则
最小变形原则－为了使测量结果准确可靠，在测量中应该尽力做到使测量链中硬件部分各环节所引起的变形为最小。
考虑最小变形主要在：
测量力引起的变形，自重变形，热变形。
变形最小的支点类型：
a=0.22031L,贝塞尔点，长度变化量最小；a=0.2113L,艾利点，平行度变化最小；a=0.2386L,中间弯曲量为零；a=0.2232L,中间和两端变形（下降）量最小。
3）最短测量链原则
最短测量链原则－为保证一定的测量准确度，总的测量误差控制在最小的程度，应选择测量链最短。
4）封闭原则
封闭原则－由圆分度的封闭特性可得到测量的封闭原则：
在测量中如能满足封闭条件，则其间隔误差的总和必为零。
4.长度单位米的基准的沿革及变化
1791年开始测量地球子午线，并提出把地球子午线的四千万分之一的长度为一米，用铂制成了第一根标准米尺。
1983年第17届国际计量大会将将“米”定义为“光在真空中1/299792458s时间间隔内行程的长度”。
光速在真空中是不变的，所以基准米就更加精确了，这把“尺”的长度就是激光的波长。
5.长度计量
1）量块
a）量块的等和级
按制造准确度分可分为0级，1级，2级，3级，4级共5个级别；
按量块的测量准确度分可分为1等，2等，3等，4等，5等，6等共6个等级
b）量块的性能
①稳定性，即量块的实际长度随时间变化的程度。
②耐磨性，量块在工作中经常与其他物体有接触，所以要求计量面要有足够的耐磨性。
③研合性，量块与量块经互相推合或贴合而形成一体的性能。
2）线纹尺
线纹尺是人类使用得最早的量具之一，线纹量值传递系统与长度传递系统，一直是几何量量值传递中两大平行的传递系统。
线纹尺以尺面上的刻线或纹印间的距离复现长度。
“米原器”就是线纹尺的一种。
线纹尺量值传递系统如下页图所示。
6.工作波长标准及测长干涉仪
有了以激光波长为基准的尺子以后，必须应用迈克尔逊干涉原理，结合激光干涉仪使用，才能真正在长度计量中发挥作用。
干涉仪以干涉条纹来反映被测件的信息，其原理是迈克尔逊干涉原理，将光分成两路，一路测量光，一路参考光，而干涉条纹则是两路光光程差相同点联成的轨迹。
●迈克尔逊干涉仪示意图：
迈克尔逊干涉仪缺陷：
●角编码器
角编码器又称码盘，是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。
角编码器能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一连串脉冲。
角编码器有两种基本类型：
绝对式角编码器和增量式角编码器。
1）绝对式测量角编码器
每一个微小的角位移都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。
在绝对式测量中，即使中途断电，重新上电之后，也能读出当前位置的数据。
自然二进制码或格雷码
2）绝对式光电编码器
最小分辨角度为α=360°/2n
8421码的缺点（摆动、制作、安装）及改进方法
3）增量式编码器
增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：
①M法测速（适合于高转速场合）
编码器每转产生N个脉冲，在T时间段内有m1个脉冲产生，则转速（r/min）为：
n=60m1/（NT）
例题：
有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min）为：
n=60×65536/（1024×5）r/min=768r/min
②T法测速（适合于低转速场合）
编码器每转产生N个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2，则转速（r/min）为n=60fc/（Nm2）
例题：
有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为1MHz，则转速（r/min）为：
n=60fc/（Nm2）=60*1000000/（1024*3000）=19.53r/min
试问：
两种测速法测的是什么速度？
⏹透射式光栅
一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。
莫尔条纹的光学放大作用：
在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。
在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。
L≈W/θ（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，单位弧度；光栅的刻线宽度W；莫尔条纹的宽度L）
由于莫尔条纹间距较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。
脉冲细分
细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。
细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小。
采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，测量步距是原来的1/4，较大地提高了测量精度。
光栅细分举例：
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细分数为4细分，则：
分辨力D=W/4=（1mm/50）/4=0.005mm=5mm
采用细分技术，在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。
辨向电路及波形
例：
某1024p/r圆光栅，正转10圈，反转4圈，若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到14336个脉冲，而正确值为：
（10-4）×1024＝6144个脉冲。
用圆光栅产生莫尔条纹进行测量角度的5大特点：
1、平均效应，它能减小光栅局部栅线误差的影响，提高精度；
2、放大作用，由于θ比W小得多，因而W/是一个很大的数，它正是光栅栅距放大成莫尔条纹间距的放大倍数；
3、对应关系，两圆光栅的相对转动和莫尔条纹的移动是一一对应的，当圆光栅的转动方向相反时，莫尔条纹的移动方向也相反。
4、共模正弦波，由于亮度只有正值，因此光电元件输出的信号总是叠加在一个平均电压之上，这个平均电压称为共模电压。
光电信号的波形有共模电压和交变分量组成，交变分量一般呈正弦型，所有这个信号波形称为共模正弦波。
5、存在谐波，由于光栅栅线的暗缝与亮缝的宽度不等、光栅副间隙等原因，光电元件输出的电信号不是理想的正弦波，它既有以为周期的基波，又含有频率为基波整数倍的谐波。
第八章
同几何量计量一样，力学计量也是发展最早的计量领域之一。
它包括质量、力值、扭矩、硬度、压力、振动、冲击、流量、流速、转速、容量、加速度等的计量测试。
其理论基础是牛顿力学定律，即力=质量×加速度。
在科研、生产、国防等各个领域都起着非常重要的作用。
第二节力学计量的基准原理
二、力值计量的基准
1、力值计量方法
力值计量的方法主要分为两类：
其一是利用力的动力效应测量，即通过质量和加速度的测量来求得力值，如杠杆式标准测力机、液压式标准测力机等；其二是利用力的静力效应测量，即通过测量受力物体产生的变形量或内部应力的相应参量求得，如显微镜式光学标准测力仪、百分表式标准测力仪、电阻应变式测力传感器等。
利用电阻应变片制作的电阻应变仪是目前各类测力仪中数量最多的测力装置。
电阻应变式测力仪由敏感器件及测量转换电路等组成。
敏感器件是由电阻应变片和弹性体组成。
工作原理：
利用粘贴有电阻应变片的弹性体，在外力作用下产生应变，将其应变量经电桥电路转换成电量，再经电路处理显示出被测的作用力值。
测量转换电路——不平衡电桥：
金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。
例：
金属箔式应变片的标称阻值R0为100W，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=2´1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0.2W。
所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量，将DR/R转换为输出电压Uo。
⏹四臂全桥：
全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1-R4产生的电阻增量（或感受到的应变e1-e4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。
上述三种工作方式中，哪一种灵敏度最高?
哪一种灵敏度最低?
全桥的温度补偿原理：
采用全桥（或双臂半桥）能实现温度自补偿。
当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂最小！
●应变片在悬臂梁上的粘贴及变形
●应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置
●荷重传感器原理
贴在荷重传感器表面的应变片在向下力的作用下产生变形。
轴向变短，径向变长。
⏹活塞式压力计原理
液压活塞式压力计是根据静力学平衡原理和帕斯卡定律而工作的。
该压力计用来平衡被测压力的负荷是使用标准砝码而产生的重力。
当被校准的压力仪表安装上后，转动手轮使油压升高，直到活塞被顶起，这时压力表的指示值应等于砝码重力和砝码盘以及活塞重力的总重力除以活塞有效面积。
这种压力计结构简单、稳定可靠、精度高，被广泛用作压力基准器，提供压力标准信号，进行精密测压。
⏹超声波流量计
超声波流量计的原理：
流体的流速不同会使超声波在流体中传播的速度发生变化，通过分析计算改变的超声波速度信号，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。
主要介绍传播速度差法
传播速度差法
通过测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到被测流体的流速。
F1到T1超声波传播速度为：
F2到T2超声波传播速度为：
得到：
测量速差的方法有：
时差法、相差法和频差法。
1）时差法
测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差。
顺流传播时间为：
，逆流传播时间为：
时间差为：
（当v＜＜c时成立）
因此可得出流速：
流量正比于时间差：
2）相差法
测量顺、逆流传播时超声波信号的相位差。
F1和F2发射角频率为w的连续超声波，则T1和T2接受到的信号相位差为：
流量正比于相位差：
相差测量：
脉冲积分、数字计数
3）频差法
测量顺、逆流传播时超声脉冲的重复频率差。
脉冲重复频率的定义：
在单通道中一个发射脉冲被接收器接收之后，立即发射出另一个脉冲，这样以一定频率重复发射，这个频率称为脉冲重复频率。
频差法是目前常用的测量方法，它是在前两种测量方法的基础上发展起来的。
顺流和逆流重复发射频率分别为:
频率差为：
流量正比于频率差：
第十章
温度计量与人类的生产生活有着密切的关系，正确的测量温度有十分重要的意义。
温度的基本概念：
宏观概念---是物体冷热程度的表示.热平衡的两物体，其温度相等。
微观概念---是大量分子运动平均强度的表示。
分子运动愈激烈其温度表现越高。
第一节温度计量的基本名称与概念
一、温度
温度单位是开尔文（K）,定义为水三相点热力学温度的1/273.16,具有很高的准确度和复现性（优于+-0.1mK）.
二、温标
温标是温度量值的表示法.在日常中常用的有华氏,摄氏,热力学和国际温标.
温标三要素：
固定点、内插仪器、函数关系
三、国际温标
国际温标是经国际协商、决定采用的一种国际上通用的温标。
他是热力学温标的具体体现。
我国从1991年7月1日开始施行“1990年国际温标”。
90温标定义了国际开尔文温度符号T90；摄氏符号为t90。
●ITS－90温标的主要内容
1、规定热力学温度T的单位用开（尔文），符号为K，1K等于水三相点时温度值的1/273.16;
2、水的三相点定为0.01℃，因此相应的将绝对零度修正为－273.15℃;
3、ITS－90的核心内容是规定了17个定义固定点及其温度值，ITS－90固定点热力学赋值，是当前技术测定中的最精确值；
4、ITS－90规定把整个温标分成4个温区，各温区选用相应的内插仪器和内插函数来定义固定点以外的温度基准。
●国际温标定义了四个温区：
第一温区：
0.65-5K;
第二温区：
3K-24.5661K（氖三相点）；
第三温区：
13.8033K（氢三相点）-1234.93K（银的凝固点）；
第四温区：
1234.93K（银的凝固点）以上的温区。
●测量温度的方法可分为接触式测温和非接触式测温两种。
接触式测量的特点是感温元件直接与被测对象相接触，两者进行充分的热交换，最后达到热平衡，此时感温元件的温度与被测对象的温度必然相等；
非接触式温度测量的特点是感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度。
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