1、第一章 緒論本課程主要講解農(nóng)業(yè)生物環(huán)境因素測(cè)試的基本原理與方法、傳感器的原理及性能、儀器的選用和測(cè)點(diǎn)的選擇原則、測(cè)試系統(tǒng)的組成與誤差分析等。農(nóng)業(yè)生物環(huán)境主要是指動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育繁殖直接相關(guān)的溫度、濕度、光照、水分、土壤、氣體等外界因素。測(cè)試系統(tǒng)通常由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置3部分組成。測(cè)試過(guò)程中傳感器將反映被測(cè)對(duì)象的物理量檢出并裝換為電量，然后傳輸給中間變換裝置；中間變換裝置對(duì)接收到的電信號(hào)用硬件電路進(jìn)行分析或經(jīng)A/D變換后用軟件進(jìn)行計(jì)算，再將處理結(jié)果以電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)的方式傳輸給顯示記錄裝置；最后由顯示記錄裝置將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)，提供給觀察者或其他自動(dòng)控制裝置。第二章 測(cè)量誤差與測(cè)量

2、數(shù)據(jù)的處理第一節(jié) 測(cè)量誤差的基本概念在測(cè)量過(guò)程中，由于實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法的不完善，所采用的測(cè)量裝置性能指標(biāo)的局限，在環(huán)境中存在著各種干擾因素，以及操作人員技術(shù)水平的限制，必然使測(cè)量值與被測(cè)量的真實(shí)量值之間存在著差異。測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量的真實(shí)量值之間的差異，稱(chēng)為測(cè)量誤差，簡(jiǎn)稱(chēng)誤差。誤差公理認(rèn)為：在測(cè)量過(guò)程中各種各樣的測(cè)量誤差的產(chǎn)生是不可避免的，測(cè)量誤差自始至終存在于測(cè)量過(guò)程中，一切測(cè)量結(jié)果都存在誤差。因此，誤差的存在具有必然性和普遍性。1 誤差的定義測(cè)量誤差，它的定義為被測(cè)量的測(cè)量值與真值之差，即誤差測(cè)量值真值。（1）真值真值是指在一定的時(shí)間和空間條件下，能夠準(zhǔn)確反映某一被測(cè)量真實(shí)狀態(tài)和屬性的量值

3、，也就是某一被測(cè)量客觀存在的、實(shí)際具有的量值。（2）理論真值和約定真值真值有理論真值和約定真值兩種。理論真值是在理想情況下表征某一被測(cè)量真實(shí)狀態(tài)和屬性的量值。理論真值是客觀存在的，或者是根據(jù)一定的理論所定義的。約定真值就是指人們?yōu)榱诉_(dá)到某種目的，按照約定的辦法所確定的量值。約定真值是人們定義的，得到國(guó)際上公認(rèn)的某個(gè)物理量的標(biāo)準(zhǔn)量值。例如：光速被約定為3×108m/s；以高精度等級(jí)儀器的測(cè)量值約定為低精度等級(jí)儀器測(cè)量值的約定真值。（3）實(shí)際值在滿(mǎn)足實(shí)際需要的前提下，相對(duì)于實(shí)際測(cè)量所考慮的精確程度，其測(cè)量誤差可以忽略的測(cè)量結(jié)果，稱(chēng)為實(shí)際值。實(shí)際值在滿(mǎn)足規(guī)定的精確程度時(shí)用以代替被測(cè)量的真值

4、。（4）測(cè)量值和指示值通過(guò)測(cè)量所得到的量值稱(chēng)為測(cè)量值。測(cè)量值一般是被測(cè)量真值的近似值。（5）標(biāo)稱(chēng)值測(cè)量裝置的顯示部件上標(biāo)注的量值稱(chēng)為標(biāo)稱(chēng)值。因受制造、測(cè)量條件或環(huán)境變化的影響，標(biāo)稱(chēng)值并不一定等于被測(cè)量的實(shí)際值，通常在給出標(biāo)稱(chēng)值的同時(shí)，也給出它的誤差范圍或精度等級(jí)。2 誤差分類(lèi)（1）系統(tǒng)誤差（Systematic error）系統(tǒng)誤差又叫做規(guī)律誤差。它是在一定的測(cè)量條件下，對(duì)同一個(gè)被測(cè)尺寸進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，誤差值的大小和符號(hào)（正值或負(fù)值）保持不變；或者在條件變化時(shí)，按一定規(guī)律變化的誤差。在重復(fù)性條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無(wú)限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值與被測(cè)量的真值之差。誤差產(chǎn)生的原理：相同待測(cè)量大

5、量重復(fù)測(cè)量的平均結(jié)果和待測(cè)量真值的差。一般而言，由于測(cè)量步驟的不盡完善會(huì)引起測(cè)量結(jié)果的誤差，其中有的來(lái)自系統(tǒng)誤差，有的來(lái)自隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差被假設(shè)來(lái)自無(wú)法預(yù)測(cè)的影響量或影響的隨機(jī)的時(shí)間和空間變異。一些系統(tǒng)誤差可以消除，通?？梢越档?，如果系統(tǒng)來(lái)自影響量對(duì)測(cè)量結(jié)果的可辨識(shí)效應(yīng)。減少誤差的方法：1）采用修正值方法 對(duì)于定值系統(tǒng)誤差可以采取修正措施。一般采用加修正值的方法2。2）從產(chǎn)生根源消除用排除誤差源的辦法來(lái)消除系統(tǒng)誤差是比較好的辦法。這就要求測(cè)量者對(duì)所用標(biāo)準(zhǔn)裝置，測(cè)量環(huán)境條件，測(cè)量方法等進(jìn)行仔細(xì)分析、研究，盡可能找出產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源，進(jìn)而采取措施。（2）隨機(jī)誤差：隨機(jī)誤差（又稱(chēng)偶然誤差）是指測(cè)

6、量結(jié)果與同一待測(cè)量的大量重復(fù)測(cè)量的平均結(jié)果之差。特點(diǎn)：測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度足夠高，在相同的測(cè)量條件下，對(duì)同一量值進(jìn)行多次等精度測(cè)量時(shí)，仍會(huì)有各種偶然的，無(wú)法預(yù)測(cè)的不確定因素干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差，其絕對(duì)值和符號(hào)均不可預(yù)知。雖然單次測(cè)量的隨機(jī)誤差沒(méi)有規(guī)律，但多次測(cè)量的總體卻服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，能在理論上估計(jì)起對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。隨機(jī)誤差不能用修正或采取某種技術(shù)措施的辦法來(lái)消除。（3）粗大誤差：粗大誤差：在一定的測(cè)量條件下，超出規(guī)定條件下預(yù)期的誤差稱(chēng)為粗大誤差，一般地，給定一個(gè)顯著性的水平，按一定條件分布確定一個(gè)臨界值，凡是超出臨界值范圍的值，就是粗大誤差，它又叫做粗誤差或寄生誤差。產(chǎn)生

7、粗大誤差的主要原因如下：1）客觀原因：電壓突變、機(jī)械沖擊、外界震動(dòng)、電磁（靜電）干擾、儀器故障等引起了測(cè)試儀器的測(cè)量值異?；虮粶y(cè)物品的位置相對(duì)移動(dòng)，從而產(chǎn)生了粗大誤差；2）主觀原因：使用了有缺陷的量具；操作時(shí)疏忽大意；讀數(shù)、記錄、計(jì)算的錯(cuò)誤等。另外，環(huán)境條件的反常突變因素也是產(chǎn)生這些誤差的原因。粗大誤差不具有抵償性，它存在于一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，不能被徹底消除，只能在一定程度上減弱。它是異常值，嚴(yán)重歪曲了實(shí)際情況，所以在處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)將其剔除，否則將對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差、平均差產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。（4）不確定度的含義：是指由于測(cè)量誤差的存在，對(duì)被測(cè)量值的不能肯定的程度。反過(guò)來(lái)，也表明該結(jié)果的可信賴(lài)程度。它是測(cè)量結(jié)果質(zhì)

8、量的指標(biāo)。不確定度愈小，所述結(jié)果與被測(cè)量的真值愈接近，質(zhì)量越高，水平越高，其使用價(jià)值越高；不確定度越大，測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量越低，水平越低，其使用價(jià)值也越低。在報(bào)告物理量測(cè)量的結(jié)果時(shí)，必須給出相應(yīng)的不確定度，一方面便于使用它的人評(píng)定其可靠性，另一方面也增強(qiáng)了測(cè)量結(jié)果之間的可比性。顯示結(jié)果=（真值+誤差分析結(jié)果）單位誤差分析的結(jié)果=隨機(jī)誤差的分析+系統(tǒng)誤差3 精度為了定性地描述測(cè)量結(jié)果與真值的接近程度和各個(gè)測(cè)量值分布的密集程度，引入了測(cè)量的精度。測(cè)量的精度包含了準(zhǔn)確度、精密度和精確度這三個(gè)概念。（1）測(cè)量的準(zhǔn)確度測(cè)量的準(zhǔn)確度表征了測(cè)量值和被測(cè)量真值的接近程度。準(zhǔn)確度越高則表征測(cè)量值越接近真值。準(zhǔn)確度反

9、映了測(cè)量結(jié)果中系統(tǒng)誤差的大小程度，準(zhǔn)確度越高，則表示系統(tǒng)誤差越小。（2）測(cè)量的精密度測(cè)量的精密度表征了多次重復(fù)對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，各個(gè)測(cè)量值分布的密集程度。精密度越高則表征各測(cè)量值彼此越接近，即越密集。精密度反映了測(cè)量結(jié)果中隨機(jī)誤差的大小程度，精密度越高，則表示隨機(jī)誤差越小。（3）測(cè)量的精確度測(cè)量的精確度是準(zhǔn)確度和精密度的綜合，精確度高則表征了準(zhǔn)確度和精密度都高。精確度反映了系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的綜合影響，精確度高，則反映了測(cè)量結(jié)果中系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差都小。對(duì)于具體的測(cè)量，精密度高的準(zhǔn)確度不一定高；準(zhǔn)確度高的，精密度也不一定高；但是精確度高的，精密度和準(zhǔn)確度都高。下面以圖2-1所示

10、的射擊打靶的結(jié)果作為例子來(lái)加深對(duì)準(zhǔn)確度、精密度和精確度的理解。在圖2-1中每個(gè)點(diǎn)代表彈著點(diǎn)，相當(dāng)于測(cè)量值；圓心位置代表靶心，相當(dāng)于被測(cè)量真值。圖（a）的彈著點(diǎn)分散，但比較接近靶心，相當(dāng)于測(cè)量值分散性大，但比較接近被測(cè)量真值，表明隨機(jī)誤差大，精密度低；系統(tǒng)誤差小，準(zhǔn)確度高。圖（b）的彈著點(diǎn)密集，但偏離靶心較大，相當(dāng)于測(cè)量值密集，但偏離被測(cè)量真值較大，表明隨機(jī)誤差小，測(cè)量精密度高；系統(tǒng)誤差大，準(zhǔn)確度低。圖（c）的彈著點(diǎn)密集且比較接近靶心，相當(dāng)于測(cè)量值密集且比較接近被測(cè)量真值，表明系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差都小，精確度高。在應(yīng)用準(zhǔn)確度、精密度和精確度時(shí)，應(yīng)注意：它們都是定性的概念，不能用數(shù)值作定量表示。第二

11、節(jié) 測(cè)量誤差的分析和處理1 系統(tǒng)誤差的分析和處理系統(tǒng)誤差是固定不變或按一定規(guī)律變化的誤差。系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生原因是比較復(fù)雜的，它可能是一個(gè)原因在起作用，也可能是多個(gè)原因同時(shí)在起作用。主要是由于測(cè)量裝置誤差（如測(cè)量裝置制造和安裝的不正確，沒(méi)有將測(cè)量裝置調(diào)整到理想狀態(tài)等）、環(huán)境誤差（如環(huán)境溫、濕度的變化等）造成的。由于系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生原因是比較復(fù)雜，系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量過(guò)程的影響不易發(fā)現(xiàn)，因此首先應(yīng)當(dāng)對(duì)測(cè)量裝置、測(cè)量對(duì)象和測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析，檢查和判定測(cè)量過(guò)程是否存在系統(tǒng)誤差。若存在系統(tǒng)誤差，則應(yīng)設(shè)法找出產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源，并采取一定的措施來(lái)消除或減小系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。分析產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源，一般

12、可從以下五個(gè)方面著手：所采用的測(cè)量裝置是否準(zhǔn)確可靠；所應(yīng)用的測(cè)量方法是否完善；測(cè)量裝置的安裝、調(diào)整、放置等是否正確合理；測(cè)量裝置的工作環(huán)境條件是否符合規(guī)定條件；測(cè)量操作人員的操作是否正確。2 隨機(jī)誤差的分析和處理隨機(jī)誤差是在測(cè)量過(guò)程中，因存在許多獨(dú)立的、微小的隨機(jī)影響因素對(duì)測(cè)量造成干擾而引起的綜合結(jié)果。這些微小的隨機(jī)影響因素既有測(cè)量裝置方面的因素，也有環(huán)境方面的因素和人員方面的因素。由于人們對(duì)這些微小的隨機(jī)影響因素很難把握，一般也無(wú)法進(jìn)行控制，因而對(duì)隨機(jī)誤差不能用簡(jiǎn)單的修正值來(lái)校正，也不能用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)消除。單個(gè)隨機(jī)誤差的出現(xiàn)具有隨機(jī)性，即它的大小和符號(hào)都不可預(yù)知，但是，當(dāng)重復(fù)測(cè)量次數(shù)足夠多時(shí)

13、，隨機(jī)誤差的出現(xiàn)遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律。由此可見(jiàn)，隨機(jī)誤差是隨機(jī)變量，測(cè)量值也是隨機(jī)變量，因此可借助概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理對(duì)隨機(jī)誤差進(jìn)行處理，做出恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)，并設(shè)法減小隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。對(duì)同一個(gè)被測(cè)量進(jìn)行多次等精度的重復(fù)測(cè)量時(shí)，可得到一系列不同的測(cè)量值，通常把進(jìn)行多次測(cè)量得到的一組數(shù)據(jù)稱(chēng)為測(cè)量列。若測(cè)量列不包含系統(tǒng)誤差和粗大誤差，則該測(cè)量列及其隨機(jī)誤差具有一定的統(tǒng)計(jì)特征。若測(cè)量列不包含系統(tǒng)誤差和粗大誤差，則該測(cè)量列中的隨機(jī)誤差具有以下四個(gè)統(tǒng)計(jì)特征：對(duì)稱(chēng)性：隨機(jī)誤差可正可負(fù)，絕對(duì)值相等的正、負(fù)誤差出現(xiàn)的概率相等，其概率密度分布曲線(xiàn)以縱軸為對(duì)稱(chēng)；單峰性：絕對(duì)值小的誤差比絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的概率要大，

14、誤差值越小出現(xiàn)的概率越大，其概率密度分布曲線(xiàn)在0處有一峰值；有界性：當(dāng)誤差，則誤差出現(xiàn)的概率趨于零?？梢?jiàn)在一定的測(cè)量條件下，誤差的絕對(duì)值一般不會(huì)超過(guò)一定的界限；抵償性：正誤差和負(fù)誤差可相互抵消，隨著測(cè)量次數(shù)n，隨機(jī)誤差的代數(shù)和趨于零，即。第三節(jié) 直接測(cè)量結(jié)果的不確定度估計(jì)1 不確定度的概念測(cè)量的目的是得到被測(cè)量的真值，但由于存在著測(cè)量誤差，被測(cè)量的真值往往是無(wú)法得到的，測(cè)量結(jié)果就帶有不確定性。測(cè)量者最為關(guān)心的是測(cè)量是否有效，測(cè)量的結(jié)果是否可信，測(cè)量結(jié)果的精確程度到底如何，這就需要用科學(xué)的方法對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的高低進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出一個(gè)定量指標(biāo)，以確定測(cè)量結(jié)果的可信程度。測(cè)量不確定度就是評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果質(zhì)

15、量高低的一個(gè)重要的定量指標(biāo)。測(cè)量結(jié)果的可用性在很大程度上取決于其不確定度的大小。測(cè)量不確定度越小，測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量就越高，使用價(jià)值就越大，測(cè)量水平就越高；測(cè)量不確定度越大，測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量就越低，使用價(jià)值就越小，測(cè)量水平就越低。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性提出了更高的要求，迫切需要對(duì)測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量高低做出評(píng)價(jià)，為此，在1970年前后國(guó)際上有些學(xué)者提出了不確定度的概念，一些國(guó)家的計(jì)量部門(mén)也相繼采用不確定度來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量高低，但對(duì)不確定度的理解和表述方法尚缺乏一致。鑒于國(guó)際間對(duì)測(cè)量不確定度表述的不一致，1980年國(guó)際計(jì)量局（BIPM）在征求各國(guó)意見(jiàn)的基礎(chǔ)上提出了實(shí)驗(yàn)

16、不確定度建議書(shū)INC-1；1986年由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織、國(guó)際電工委員會(huì)等七個(gè)國(guó)際組織共同組成了國(guó)際不確定度工作組，制定測(cè)量不確定度表示指南（簡(jiǎn)稱(chēng)GUM）；1993年GUM由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）頒布實(shí)施，在世界各國(guó)得到執(zhí)行和廣泛應(yīng)用。我國(guó)于1999年1月批準(zhǔn)發(fā)布了計(jì)量技術(shù)規(guī)范測(cè)量不確定度評(píng)定與表示（JJF 1059-1999），并從1999年5月1日起執(zhí)行。測(cè)量不確定度評(píng)定與表示規(guī)定了測(cè)量中評(píng)定與表述不確定度的一種通用規(guī)則，適用于各種精確度等級(jí)的科學(xué)研究及工程領(lǐng)域的測(cè)量及測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)和檢定等等。一個(gè)完整的測(cè)量結(jié)果實(shí)際上應(yīng)該包括兩個(gè)部分，即對(duì)被測(cè)量值的估計(jì)和測(cè)量結(jié)果的分散性參數(shù)，因此被測(cè)量Y的

17、測(cè)量結(jié)果可表示為y±U，其中y是對(duì)被測(cè)量值的估計(jì)，U則稱(chēng)為測(cè)量不確定度。測(cè)量不確定度是組成測(cè)量結(jié)果的一個(gè)參數(shù)，它反映了被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果的分散性，也就是測(cè)量結(jié)果的不確定性。對(duì)被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，被測(cè)量的測(cè)量值不是一個(gè)確定的數(shù)值，而是分散的無(wú)限多個(gè)可能值，測(cè)量不確定度表征了測(cè)量值所處的一個(gè)區(qū)間。測(cè)量不確定度的定義還表明，它是對(duì)被測(cè)量真值所處在的量值范圍的一個(gè)估計(jì)。測(cè)量不確定度是與測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的一個(gè)參數(shù)，它是對(duì)測(cè)量結(jié)果分散性的估計(jì)，可以通過(guò)對(duì)測(cè)量值的評(píng)定而求出。但是，測(cè)量不確定度不代表具體的誤差值。2 不確定度的簡(jiǎn)化評(píng)定方法在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，影響測(cè)量結(jié)果的因素有很多，因此不確定度通常

18、包含有多個(gè)分量。各個(gè)不確定度分量不論其性質(zhì)如何，皆可用兩類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定：A類(lèi)評(píng)定和B類(lèi)評(píng)定。A類(lèi)評(píng)定是指對(duì)一系列測(cè)量數(shù)據(jù)用統(tǒng)計(jì)分析的方法來(lái)評(píng)定；B類(lèi)評(píng)定是指對(duì)一系列測(cè)量數(shù)據(jù)不是采用統(tǒng)計(jì)分析的方法來(lái)評(píng)定，而是基于經(jīng)驗(yàn)或其他信息所認(rèn)定的概率分布來(lái)評(píng)定。所有的不確定度分量均可用標(biāo)準(zhǔn)不確定度u來(lái)表征，不論它們是由隨機(jī)誤差而引起，還是由系統(tǒng)誤差而引起，都對(duì)測(cè)量結(jié)果的分散性產(chǎn)生相應(yīng)的影響。（1）標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類(lèi)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類(lèi)評(píng)定，是用統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行評(píng)定。A類(lèi)評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度等同于等精度測(cè)量列的標(biāo)準(zhǔn)差，即u。當(dāng)測(cè)量次數(shù)n足夠多時(shí)，才能使標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類(lèi)評(píng)定可靠，一般應(yīng)使n=610。當(dāng)被測(cè)量Y

19、取決于其它n個(gè)量X1，X2，Xn時(shí),則Y的估計(jì)值y的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uy將取決于Xi的估計(jì)值xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uxi。為此要首先評(píng)定xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uxi。xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uxi的評(píng)定方法是在其它Xj（ji）保持不變的條件下，僅對(duì)Xi進(jìn)行n次等精度獨(dú)立測(cè)量，用統(tǒng)計(jì)法由m個(gè)測(cè)量值求得測(cè)量列的標(biāo)準(zhǔn)差i。xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uxi的數(shù)值按不同情況來(lái)確定。設(shè)xi1，xi2，xim是在重復(fù)性條件或復(fù)現(xiàn)性條件下，對(duì)Xi獨(dú)立重復(fù)測(cè)量m次所得到的測(cè)量列。通常用測(cè)量列的算術(shù)平均值作為Xi的估計(jì)值，則用測(cè)量列算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差作為Xi的A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uxi，即。其中測(cè)量列的標(biāo)準(zhǔn)差i可用貝塞爾公式進(jìn)行估算，即。當(dāng)用

20、測(cè)量列中的任意一次測(cè)量值作為測(cè)量結(jié)果時(shí)，所對(duì)應(yīng)的類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為： 。（2）標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類(lèi)評(píng)定如果我們擁有足夠多的時(shí)間和資源，就可以對(duì)不確定度的每個(gè)了解到的原因進(jìn)行詳盡的統(tǒng)計(jì)研究，所有的不確定度分量都可以用A類(lèi)評(píng)定得到。但是這樣的研究并非經(jīng)濟(jì)可行，因此許多不確定度分量實(shí)際上還必須用別的方法來(lái)進(jìn)行評(píng)定。標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類(lèi)評(píng)定，是用非統(tǒng)計(jì)分析方法來(lái)進(jìn)行評(píng)定。所謂非統(tǒng)計(jì)分析方法，是指根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或資料以及對(duì)測(cè)量值進(jìn)行一定的分布假設(shè)，估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表征標(biāo)準(zhǔn)不確定度。B類(lèi)評(píng)定的原始數(shù)據(jù)不是來(lái)自測(cè)量列的數(shù)據(jù)處理，而是基于實(shí)驗(yàn)得到，或?qū)ζ渌锌赡苡绊懕粶y(cè)量變化的信息進(jìn)行估計(jì)。B類(lèi)評(píng)定的信息來(lái)源主要有：以前的測(cè)

21、量數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)或資料；測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)證書(shū)、檢定證書(shū)及其他文件提供的數(shù)據(jù)；手冊(cè)提供的參考數(shù)據(jù)等等。采用B類(lèi)評(píng)定法，需先根據(jù)實(shí)際情況分析，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行一定的分布假設(shè)。假設(shè)的分布主要有正態(tài)分布、均勻分布、二龜分布、三角分布、反正弦分布及兩點(diǎn)分布等。當(dāng)無(wú)法確定分布類(lèi)型時(shí)，建議采用均勻分布。均勻分布的主要特點(diǎn)是誤差有確定的范圍，在此范圍內(nèi)，誤差出現(xiàn)的概率相等。均勻分布是測(cè)量領(lǐng)域常用的分布之一。鶯貝 ，也可假設(shè)為其他分布。常見(jiàn)的B類(lèi)評(píng)定有下列幾種情況：當(dāng)測(cè)量估計(jì)值x受到多個(gè)獨(dú)立因素影響，且各因素的影響大小相近，則假設(shè)為正態(tài)分布，由所取置信概率p的分布區(qū)間半寬a與包含因子kp來(lái)估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，即。式中包含因

22、子kp的數(shù)值按正態(tài)分布確定。當(dāng)估計(jì)值x取自有關(guān)資料，所給出的測(cè)量不確定度Ux為標(biāo)準(zhǔn)差的k倍時(shí)，則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為。若根據(jù)信息，已知估計(jì)值x落在區(qū)間（xa，xa）內(nèi)的概率為1，且在區(qū)間內(nèi)各處出現(xiàn)的機(jī)會(huì)相等，則x服從均勻分布，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為。當(dāng)估計(jì)值x受到兩個(gè)獨(dú)立且皆是具有均勻分布的因素影響，則x服從在區(qū)間（xa，xa）內(nèi)的三角分布，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為。當(dāng)估計(jì)值x服從在區(qū)間（xa，xa）內(nèi)的反正弦分布，則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為。（3）A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度與B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度和B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別是采用A類(lèi)評(píng)定法或B類(lèi)評(píng)定法得到的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，它們只是說(shuō)明計(jì)算不確定度分量的兩種不同方法，并不表明

23、兩者有本質(zhì)上的差異，它們都是基于統(tǒng)計(jì)的概率分布，都可用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示，在合成時(shí)可同等對(duì)待。A類(lèi)不確定度和B類(lèi)不確定度兩者的區(qū)別在于：A類(lèi)不確定度是通過(guò)一組與觀測(cè)得到的概率分布近似的概率密度函數(shù)求得，而B(niǎo)類(lèi)不確定度是由基于事件發(fā)生的信任度（即主觀概率或先驗(yàn)概率）的假定概率密度函數(shù)求得。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況，選擇采用A類(lèi)評(píng)定法或B類(lèi)評(píng)定法進(jìn)行不確定度分量評(píng)定。第四節(jié) 測(cè)量數(shù)據(jù)處理1 非等精度測(cè)量與加權(quán)平均等精度測(cè)量：即在相同地點(diǎn)、相同的測(cè)量方法和相同測(cè)量設(shè)備、相同測(cè)量人員、相同環(huán)境條件（溫度、濕度、干擾等），并在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的重復(fù)測(cè)量。不等精度測(cè)量：在測(cè)量條件不相同時(shí)進(jìn)行的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的精

24、密度將不相同。不等精度測(cè)量處理方法：權(quán)值與標(biāo)準(zhǔn)偏差的平方成反比 。權(quán)值 測(cè)量結(jié)果為加權(quán)平均值2 最小二乘原則最小二乘法是一種在多學(xué)科領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理方法，它的理論基礎(chǔ)是最小二乘原理。利用最小二乘法，可以解決參數(shù)的最可信賴(lài)值估計(jì)、組合測(cè)量的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)擬合和回歸分析等一系列數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。在間接測(cè)量中，為了得到m個(gè)待測(cè)未知量X1，X2，Xm的量值，可通過(guò)對(duì)與這m個(gè)待測(cè)未知量X1，X2，Xm有函數(shù)關(guān)系的直接測(cè)量的量Y進(jìn)行多次測(cè)量，再將測(cè)量數(shù)據(jù)代入函數(shù)關(guān)系式求得待測(cè)未知量。由于測(cè)量數(shù)據(jù)總是有誤差的，根據(jù)這些數(shù)量有限的含有誤差的測(cè)量數(shù)據(jù)，用某種數(shù)據(jù)處理方法所獲得的某個(gè)待求量的結(jié)果必然存在誤

25、差，這個(gè)結(jié)果并非真值，往往稱(chēng)之為估計(jì)量。為確定m個(gè)待測(cè)未知量X1，X2，Xm的估計(jì)量x1，x2，xm，可對(duì)與直接測(cè)量的量Y進(jìn)行n次測(cè)量，得到測(cè)量數(shù)據(jù)l1，l2，ln。直接測(cè)量的量Y與測(cè)量數(shù)據(jù)之間有如下的函數(shù)關(guān)系： 若nm，則可通過(guò)求解方程組（2-120）直接求得待測(cè)未知量的估計(jì)量。由于測(cè)量數(shù)據(jù)不可避免地存在著測(cè)量誤差，所求得的估計(jì)量x1，x2，xm也必定包含一定的誤差。了提高測(cè)量結(jié)果的精度，可以適當(dāng)增加測(cè)量的次數(shù)n，以便利用抵償性達(dá)到減小隨機(jī)誤差影響的目的。一般取nm，因此不能直接通過(guò)方程組（2-120）求得估計(jì)量x1，x2，xm。在這種情況下，如何由測(cè)量數(shù)據(jù)l1，l2，ln獲得最可信賴(lài)的測(cè)量

26、結(jié)果呢？最小二乘法較為理想地提供了一種處理以上問(wèn)題的數(shù)據(jù)處理方法。設(shè)直接測(cè)量的量Y1，Y2，Yn的估計(jì)量分別為y1，y2，yn，則存在如下關(guān)系：測(cè)量數(shù)據(jù)l1，l2，ln的殘余誤差為 即式（2-122）和式（2-123）稱(chēng)為誤差方程式，也可稱(chēng)為殘余誤差方程式，或簡(jiǎn)稱(chēng)殘差方程式。若測(cè)量數(shù)據(jù)l1，l2，ln的測(cè)量誤差是無(wú)偏的，即已經(jīng)排除了測(cè)量的系統(tǒng)誤差，且各測(cè)量數(shù)據(jù)相互獨(dú)立。為了分析問(wèn)題的方便，假定測(cè)量數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，其標(biāo)準(zhǔn)差分別為1，2，n，則直接測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)在相應(yīng)真值附近d1，d2，dn區(qū)域內(nèi)的概率分別可表示為由概率乘法定理可知，各測(cè)量數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)在相應(yīng)區(qū)域d1，d2，dn內(nèi)的概率為根據(jù)最大或

27、然原理，由于測(cè)量值l1，l2，ln事實(shí)上已出現(xiàn)，有理由認(rèn)為n個(gè)測(cè)量值同時(shí)出現(xiàn)在相應(yīng)區(qū)域d1，d2，dn內(nèi)的概率P應(yīng)為最大，即待求量最可信賴(lài)值的確定應(yīng)以測(cè)量數(shù)據(jù)l1，l2，ln同時(shí)出現(xiàn)的概率P最大為條件。從式可以看出，使P最大的條件為 顯然，由式給出的結(jié)果只是估計(jì)量，它們以最大的可能性接近真值而不是真值。因此，可用殘余誤差的形式表示上述條件，即。在等精度測(cè)量中，由于12n，因此可將式（2-126）簡(jiǎn)化為表明，測(cè)量結(jié)果的最可信賴(lài)值應(yīng)在使殘余誤差的平方和為最小的條件下給出，這就是最小二乘法原理。實(shí)質(zhì)上，按最小二乘條件求出的間接測(cè)量的結(jié)果能夠充分地利用誤差的抵償作用，從而有效地降低隨機(jī)誤差的影響，因此

28、從理論上講所得結(jié)果是最可信賴(lài)的。最小二乘法原理是在測(cè)量誤差無(wú)偏、正態(tài)分布且相互獨(dú)立的條件下推導(dǎo)出來(lái)的，在不嚴(yán)格服從正態(tài)分布的情況下也可以近似使用。3 曲線(xiàn)擬合（1）數(shù)據(jù)擬合在測(cè)量數(shù)據(jù)的處理中，通常需要根據(jù)實(shí)際測(cè)量所得的數(shù)據(jù)，求得反映各變量之間的最佳函數(shù)關(guān)系的表達(dá)式。例如，通過(guò)測(cè)量得到變量y與自變量x1，x2，xn的m組測(cè)量數(shù)據(jù)。通常需要根據(jù)實(shí)測(cè)得到的這m組數(shù)據(jù)求出這變量之間所滿(mǎn)足的函數(shù)關(guān)系式。如果變量間的函數(shù)形式根據(jù)理論分析或以往的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)確定了，而其中有一些參數(shù)是未知的，則需要通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)確定這些參數(shù)；如果變量間的具體函數(shù)形式還沒(méi)有確定，則需要通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)確定函數(shù)形式和其中的參數(shù)。根據(jù)實(shí)

29、際測(cè)量所得的數(shù)據(jù)，求得反映各變量之間的最佳函數(shù)關(guān)系的表達(dá)式，這一過(guò)程稱(chēng)之為數(shù)據(jù)擬合。所求得的函數(shù)關(guān)系式為擬合方程式。若所求得的函數(shù)關(guān)系式為線(xiàn)性方程式，則稱(chēng)之為直線(xiàn)擬合，根據(jù)求得的函數(shù)關(guān)系式所做出的直線(xiàn)稱(chēng)為擬合直線(xiàn)。若所求得的函數(shù)關(guān)系式為非線(xiàn)性方程式，則稱(chēng)之為曲線(xiàn)擬合，根據(jù)求得的函數(shù)關(guān)系式所做出的曲線(xiàn)稱(chēng)為擬合曲線(xiàn)。（2）回歸分析應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合的方法稱(chēng)為回歸分析。所求得的函數(shù)關(guān)系式稱(chēng)為回歸方程。若所求得的回歸方程是線(xiàn)性方程，則所進(jìn)行的回歸分析稱(chēng)為線(xiàn)性回歸。將最小二乘法應(yīng)用于等精度測(cè)量的數(shù)據(jù)擬合，其基本原則是：各個(gè)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合曲線(xiàn)的偏差（即殘余誤差）的平方和應(yīng)為最小值?；貧w分析實(shí)質(zhì)

30、上就是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而求出反映變量間相互關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，即回歸方程。通?；貧w分析包括以下三個(gè)方面的內(nèi)容： 從一組數(shù)據(jù)出發(fā)，確定回歸方程的形式，即經(jīng)驗(yàn)公式的類(lèi)型；求回歸方程中的未定系數(shù)即回歸參數(shù)；對(duì)回歸方程的可信賴(lài)程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效位數(shù)與數(shù)字舍入規(guī)則（1） 數(shù)字修約規(guī)則由于測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果均是近似數(shù)，其位數(shù)各不相同。為了使測(cè)量結(jié)果的表示準(zhǔn)確唯一，計(jì)算簡(jiǎn)便，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，需對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)和所用常數(shù)進(jìn)行修約處理。數(shù)據(jù)修約規(guī)則：1） 小于5舍去末位不變。2） 大于5進(jìn)1在末位增1。3） 等于5時(shí)，取偶數(shù)當(dāng)末位是偶數(shù)，末位不變；末位是奇數(shù)，在末位增1（將

31、末位湊為偶數(shù)）。（2） 有效數(shù)字若截取得到的近似數(shù)其截取或舍入誤差的絕對(duì)值不超過(guò)近似數(shù)末位的半個(gè)單位，則該近似數(shù)從左邊第一個(gè)非零數(shù)字到最末一位數(shù)為止的全部數(shù)字，稱(chēng)之為有效數(shù)字。測(cè)量數(shù)據(jù)的絕對(duì)值比較大（或比較?。行?shù)字又比較少的測(cè)量數(shù)據(jù)，應(yīng)采用科學(xué)計(jì)數(shù)法，即a×10n，a的位數(shù)由有效數(shù)字的位數(shù)所決定。測(cè)量結(jié)果（或讀數(shù)）的有效位數(shù)應(yīng)由該測(cè)量的不確定度來(lái)確定，即測(cè)量結(jié)果的最末一位應(yīng)與不確定度的位數(shù)對(duì)齊。（3）近似運(yùn)算法則保留的位數(shù)原則上取決于各數(shù)中準(zhǔn)確度最差的那一項(xiàng)。1）加法運(yùn)算以小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)最少的為準(zhǔn)（各項(xiàng)無(wú)小數(shù)點(diǎn)則以有效位數(shù)最少者為準(zhǔn)），其余各數(shù)可多取一位。2）減法運(yùn)算：當(dāng)兩數(shù)相

32、差甚遠(yuǎn)時(shí)，原則同加法運(yùn)算；當(dāng)兩數(shù)很接近時(shí)，有可能造成很大的相對(duì)誤差，因此，第一要盡量避免導(dǎo)致相近兩數(shù)相減的測(cè)量方法，第二在運(yùn)算中多一些有效數(shù)字。3）乘除法運(yùn)算以有效數(shù)字位數(shù)最少的數(shù)為準(zhǔn)，其余參與運(yùn)算的數(shù)字及結(jié)果中的有效數(shù)字位數(shù)與之相等。也可以比有效數(shù)字位數(shù)最少者多保留一位有效數(shù)字。4）乘方、開(kāi)方運(yùn)算：運(yùn)算結(jié)果比原數(shù)多保留一位有效數(shù)字。第三章 溫濕度檢測(cè)第一節(jié) 溫度檢測(cè)概述1 溫度與溫標(biāo)（1）溫度溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來(lái)講是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。溫度是物體內(nèi)分子間平均動(dòng)能的一種表現(xiàn)形式。分子運(yùn)動(dòng)愈快，物體愈熱，即溫度愈高；分子運(yùn)動(dòng)愈慢，物體愈冷，即溫度愈低。從分子運(yùn)動(dòng)論觀點(diǎn)看

33、，溫度是物體分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志。溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計(jì)意義。如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡。這一結(jié)論稱(chēng)做“熱力學(xué)第零定律”。熱力學(xué)第零定律的重要性在于它給出了溫度的定義和溫度的測(cè)量方法。定律中所說(shuō)的熱力學(xué)系統(tǒng)是指由大量分子、原子組成的物體或物體系。它為建立溫度概念提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。這個(gè)定律反映出處在同一熱平衡狀態(tài)的所有的熱力學(xué)系統(tǒng)都具有一個(gè)共同的宏觀特征，這一特征是由這些互為熱平衡系統(tǒng)的狀態(tài)所決定的一個(gè)數(shù)值相等的狀態(tài)函數(shù)，這個(gè)狀態(tài)函數(shù)被定義為溫度。而溫度相等是熱平衡之必要的條件。（2）溫標(biāo)溫度只能通過(guò)物體隨溫度

34、變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量，而用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。溫標(biāo)規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。國(guó)際單位為熱力學(xué)溫標(biāo)（K）。國(guó)際上用得較多的其他溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)（）、攝氏溫標(biāo)（）和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。開(kāi)爾文單位以絕對(duì)零度作為計(jì)算起點(diǎn)的溫度。即將水三相點(diǎn)的溫度準(zhǔn)確定義為273.16K后所得到的溫度，過(guò)去也曾稱(chēng)為絕對(duì)溫度。開(kāi)爾文溫度常用符號(hào)K表示，其單位為開(kāi)爾文，定義為水三相點(diǎn)溫度的1/273.16。開(kāi)爾文溫度和人們習(xí)慣使用的攝氏溫度相差一個(gè)常數(shù)273.15，即=+273.15（是攝氏溫度的符號(hào)）。例如，用攝氏溫度表示的水三相點(diǎn)溫度為0.01C，而用開(kāi)爾文溫度表示則為273.16K。開(kāi)

35、爾文溫度與攝氏溫度的區(qū)別只是計(jì)算溫度的起點(diǎn)不同，即零點(diǎn)不同，彼此相差一個(gè)常數(shù)，可以相互換算。這兩者之間的區(qū)別不能夠與熱力學(xué)溫度和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)溫度之間的區(qū)別相混淆，后兩者間的區(qū)別是定義上的差別。熱力學(xué)溫度可以表示成開(kāi)爾文溫度；同樣，國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)溫度也可以表示成開(kāi)爾文溫度。當(dāng)然，它們也都可以表示成攝氏溫度。所以1=274.15k 0=273.15K華氏溫標(biāo)它是以其發(fā)明者Gabriel D. Fahrenheir（1681-1736）命名的，其結(jié)冰點(diǎn)是32°F，沸點(diǎn)為212°F。1714年德國(guó)人法勒海特（Fahrenheit）以水銀為測(cè)溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計(jì)，選取氯化銨和冰水

36、的混合物的溫度為溫度計(jì)的零度，人體溫度為溫度計(jì)的100度，把水銀溫度計(jì)從0度到100度按水銀的體積膨脹距離分成100份，每一份為1華氏度，記作“1”。攝氏溫標(biāo)它的發(fā)明者是Anders Celsius（1701-1744），其結(jié)冰點(diǎn)是0°C，沸點(diǎn)為100°C。1740年瑞典人攝氏（Celsius）提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把冰水混合物的溫度規(guī)定為0度，水的沸騰溫度規(guī)定為100度。根據(jù)水這兩個(gè)固定溫度點(diǎn)來(lái)對(duì)玻璃水銀溫度計(jì)進(jìn)行分度。兩點(diǎn)間作100等分，每一份稱(chēng)為1攝氏度，記作1。兩者關(guān)系攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系： T= 1.8t+ 32 （t為攝氏溫度數(shù)，T為華氏溫度數(shù)）攝氏溫度和開(kāi)爾

37、文溫度的關(guān)系：°K=+273.15表3-1 不同的溫標(biāo)下的溫度溫標(biāo)絕對(duì)零度標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點(diǎn)人體正常體溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下 水的沸點(diǎn)開(kāi)氏溫標(biāo)0.00K273.15 K309.95 K373.15 K攝氏溫標(biāo)273.15 °C0.00 °C36.80 °C100.00 °C華氏溫標(biāo)459.67 °F32.00 °F98.24 °F211.97 °F列氏溫標(biāo)218.52 °Ré0.00 °Ré29.44 °Ré80.00 °R

38、3;蘭金溫標(biāo)0.00 R491.67 R557.91 R671.641 R2 國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)及其傳遞國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)，是一個(gè)國(guó)際協(xié)議性溫標(biāo)，它與熱力學(xué)溫標(biāo)相接近，而且復(fù)現(xiàn)精度高，使用方便。國(guó)際計(jì)量委員會(huì)在18屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)第七號(hào)決議授權(quán)予1989年會(huì)議通過(guò)了1990年國(guó)際溫標(biāo)ITS-90。 溫度單位熱力學(xué)溫度（符號(hào)為T(mén)）是基本物理量，它的單位為開(kāi)爾文（符號(hào)為K），定義為水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1/273.16。由于以前的溫標(biāo)定義中，使用了與273.15K（冰點(diǎn)）的差值來(lái)表示溫度，因此現(xiàn)在仍保留這個(gè)方法。根據(jù)定義，攝氏度的大小等于開(kāi)爾文，溫差亦可以用攝氏度或開(kāi)爾文來(lái)表示。國(guó)際溫標(biāo)ITS-90同時(shí)定義國(guó)際

39、開(kāi)爾文溫度（符號(hào)為T(mén)90）和國(guó)際攝氏溫度（符號(hào)為t90）。國(guó)際溫標(biāo)ITS-90的通則ITS-90由0.65K向上到普朗克輻射定律使用單色輻射實(shí)際可測(cè)量的最高溫度。ITS-90是這樣制訂的，即在全量程中，任何溫度的T90值非常接近于溫標(biāo)采納時(shí)T的最佳估計(jì)值，與直接測(cè)量熱力學(xué)溫度相比，T90的測(cè)量要方便得多，而且更為精密，并具有很高的復(fù)現(xiàn)性。ITS-90的定義第一溫區(qū)為0.65K到5.00K之間， T90由3He和4He的蒸氣壓與溫度的關(guān)系式來(lái)定義。第二溫區(qū)為3.0K到氖三相點(diǎn)（24.5661K）之間T90是用氦氣體溫度計(jì)來(lái)定義. 第三溫區(qū)為平衡氫三相點(diǎn)（13.8033K）到銀的凝固點(diǎn)（961.7

40、8）之間，T90是由鉑電阻溫度計(jì)來(lái)定義.它使用一組規(guī)定的定義固定點(diǎn)及利用規(guī)定的內(nèi)插法來(lái)分度. 銀凝固點(diǎn)（961.78）以上的溫區(qū)，T90是按普朗克輻射定律來(lái)定義的，復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫計(jì)。3 溫度檢測(cè)原理及其分類(lèi)溫度測(cè)量利用固體、液體、氣體受溫度的影響而熱脹冷縮的現(xiàn)象。4種常見(jiàn)的溫度傳感器為熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和集成電路溫度傳感器。（1）溫度測(cè)量的基本原理由力學(xué)第一定律得知，處于同一熱平衡狀態(tài)的所有物體都具有同一宏觀性質(zhì)，表征宏觀性質(zhì)的物理量就是溫度。（2）溫度測(cè)量傳感器溫度測(cè)量傳感器按測(cè)溫方式可分為接觸式與非接觸式兩類(lèi)。傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器：主要能夠進(jìn)行非電量和電量之間的轉(zhuǎn)換。模擬集成溫

41、度傳感器：模擬集成溫度傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，其優(yōu)點(diǎn)是：功能單一、測(cè)量誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需進(jìn)行非線(xiàn)性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單。智能溫度傳感器：目前，國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。智能傳感器是指具有信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器，它不僅具有傳統(tǒng)傳感器的所有功能，而且還具有數(shù)據(jù)處理、故障診斷、非線(xiàn)性處理、自校正、自調(diào)整以及人機(jī)通訊等許多功能。表3-2 常用測(cè)溫傳感器的特性第二節(jié) 接觸測(cè)溫接觸式測(cè)溫法的特點(diǎn)是測(cè)溫元件直接與被測(cè)對(duì)象接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交

42、換，最后達(dá)到熱平衡，這時(shí)感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測(cè)對(duì)象的溫度值。這種方法優(yōu)點(diǎn)是直觀可靠，缺點(diǎn)是感溫元件影響被測(cè)溫度場(chǎng)的分布，接觸不良等都會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對(duì)感溫元件的性能和壽命會(huì)產(chǎn)生不利影響。 溫方法包括膨脹式測(cè)溫、電量式測(cè)溫和接觸式光電、熱色測(cè)溫等幾大類(lèi)。接觸測(cè)溫法在測(cè)量時(shí)需要與被測(cè)物體或介質(zhì)充分接觸，一般測(cè)量的是被測(cè)對(duì)象和傳感器的平衡溫度，在測(cè)量時(shí)會(huì)對(duì)被測(cè)溫度有一定干擾。電量式測(cè)溫方法主要利用材料的電勢(shì)、電阻或其它電性能與溫度的單值關(guān)系進(jìn)行溫度測(cè)量，包括熱電偶溫度測(cè)量、熱電阻和熱敏電阻溫度測(cè)量、集成芯片溫度測(cè)量等。1 熱膨脹測(cè)溫（1）玻璃液體溫度計(jì)根據(jù)水

43、銀的熱脹冷縮性質(zhì)而制造，因?yàn)樗y凝固點(diǎn)與沸點(diǎn)的關(guān)系，水銀溫度計(jì)適用范圍為-30300。（2）壓力式溫度計(jì)（3）雙金屬溫度計(jì)2 熱電偶測(cè)溫?zé)犭娕嫉脑硎莾煞N不同材料的金屬焊接在一起，當(dāng)參考端和測(cè)量端有溫差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，根據(jù)該熱電勢(shì)與溫度的單值關(guān)系就可以測(cè)量溫度。熱電偶結(jié)構(gòu)形式很多，按熱電偶結(jié)構(gòu)劃分有普通熱電偶、鎧裝熱電偶、薄膜熱電偶、表面熱電偶。普通熱電偶：工業(yè)上常用的熱電偶一般由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管、接線(xiàn)盒、接線(xiàn)盒蓋組成。這種熱電偶主要用于氣體、蒸汽、液體等介質(zhì)的測(cè)溫。鎧裝熱電偶：由熱電偶絲、絕緣材料、不銹鋼保護(hù)管組合在一起經(jīng)拉制工藝制成。薄膜熱電偶：由兩種金屬薄膜連接在一起的特殊結(jié)

44、構(gòu)的熱電偶。表面熱電偶：分為永久性安裝和非永久性安裝兩種，主要用來(lái)測(cè)量金屬塊、爐壁、橡膠筒、渦輪葉片等固體的表面溫度。（1）熱電偶工作原理熱電偶的工作原理是物體的熱電效應(yīng)。1823年，賽貝殼（Seebeck）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體兩端分別接在一起構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不等（TT0）時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫做熱電勢(shì)，用來(lái)表示。通常把兩種不同金屬的組合稱(chēng)為熱電偶，A和B稱(chēng)為熱電極，溫度高的結(jié)點(diǎn)稱(chēng)為測(cè)量端（也稱(chēng)為工作端或熱端），而溫度低的結(jié)點(diǎn)稱(chēng)為參考端（也稱(chēng)自由端或冷端）。用熱電偶把被測(cè)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭妱?shì)信號(hào)，用電測(cè)儀表測(cè)出電勢(shì)大小，就可間接

45、求得被測(cè)溫度值。熱電效應(yīng)產(chǎn)生的熱電勢(shì)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)兩部分組成。（2）熱電偶參數(shù)分度號(hào)：國(guó)際上，按熱電偶的A、B熱電極材料不同分成若干個(gè)分度號(hào)，如常用的K（鎳鉻鎳硅或鎳鋁）、E（鎳鉻康銅）、T（銅康銅）等，并且有相應(yīng)的分度表，詳見(jiàn)附錄B。分度表：國(guó)際計(jì)量委員會(huì)對(duì)熱電偶的每一度的熱電勢(shì)做了非常精密的測(cè)試，并向全世界公布了它們分度表。通過(guò)測(cè)量熱電偶輸出的熱電勢(shì)再查分度表得到相應(yīng)的溫度值。每分檔，中間值按內(nèi)插法計(jì)算。 S分度號(hào)熱電偶的分度表如下所示。（3）熱電偶的特點(diǎn)1）測(cè)溫范圍寬，能測(cè)量較高的溫度。2）輸出電壓信號(hào)，測(cè)量方便、便于遠(yuǎn)距離傳輸、集中檢測(cè)和控制。3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便、

46、準(zhǔn)確度高。4）熱慣性和熱容量小，便于快速測(cè)量。5）自身產(chǎn)生電壓，不需要外加驅(qū)動(dòng)電源，是典型的自發(fā)電式傳感器。 6）低靈敏度、低穩(wěn)定性、響應(yīng)速度慢、高溫下容易老化和有漂移，以及非線(xiàn)性7）熱電偶需要外部參考端。3 熱電阻測(cè)溫（1）熱電阻測(cè)溫原理及材料利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率隨溫度變化的特性制成的傳感器叫做熱電阻式傳感器，它主要用于對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)溫范圍主要在中、低溫區(qū)域（-200650）。在高溫方面，也出現(xiàn)了多種用于1000 1300 的電阻溫度傳感器。其測(cè)溫元件可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩大類(lèi)。（2）熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻是由電阻體、保護(hù)套和接線(xiàn)盒等主要部件組成，電阻體是熱

47、電阻的最主要部分。雖然各種金屬材料的電阻率均隨溫度變化，但作為熱電阻的材料，則要求： 電阻溫度系數(shù)要大，以便提高熱電阻的靈敏度； 電阻率盡可能大，以便在相同靈敏度下減小電阻體尺寸； 熱容量要小，以便提高熱電阻的響應(yīng)速度； 在整個(gè)測(cè)量溫度范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能； 電阻與溫度的關(guān)系最好接近線(xiàn)性關(guān)系，具有良好的可加工性，且價(jià)格便宜。熱電阻的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)實(shí)際使用制作成各種形狀，圖示為金屬熱電阻的外形與樣式。它們通常是根據(jù)它的部件組成，將雙線(xiàn)電阻絲繞在用石英、云母陶瓷和塑料等材料制成的骨架上，可以測(cè)量的 -200 500 溫度。圖3-1 金屬熱電阻的外形與樣式金屬熱電阻保護(hù)套主要有玻璃、陶

48、瓷或金屬等類(lèi)型，主要防止有害氣體腐蝕，防止氧化（尤其是銅熱電阻），水分侵入會(huì)造成漏電，影響阻值。熱電阻也可以是一層薄膜，采用電鍍或?yàn)R射的方法涂敷在陶瓷類(lèi)材料基底上，占用體積很小，如下圖所示。圖3-2 金屬熱電阻結(jié)構(gòu)圖圖3-3 薄膜金屬熱電阻結(jié)構(gòu)圖（3）熱電阻的工作原理熱電阻是利用物質(zhì)的變化特性制成的，將溫度的變化量變換成與之有一定關(guān)系的電阻值的變化量，通過(guò)對(duì)電阻值的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。目前應(yīng)用較多的熱電阻材料有鉑和銅以及鐵、鎳等。1鉑熱電阻 按IEC標(biāo)準(zhǔn)，鉑電阻的測(cè)溫范圍為-200 650 。鉑電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系，即特性方程如下：當(dāng)溫度時(shí)：當(dāng)溫度 時(shí)：在 范圍內(nèi)，Rt的表達(dá)式可近似線(xiàn)

49、性為：4 熱敏電阻測(cè)溫（1）熱敏電阻特性熱敏電阻是一種電阻值隨溫度呈指數(shù)變化的半導(dǎo)體熱敏感元件，具有靈敏度高、價(jià)格便宜的特點(diǎn)，但其電阻值和溫度的關(guān)系線(xiàn)性度差，且穩(wěn)定性和互換性也不好。熱敏電阻是由一些金屬氧化物的粉末按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體。通過(guò)不同的材質(zhì)組合，能得到熱敏電阻不同的電阻值及不同的溫度特性。熱敏電阻主要由熱敏探頭1、引線(xiàn)2、殼體3等構(gòu)成圖3-4 熱敏電阻器的結(jié)構(gòu)及符號(hào)熱敏電阻一般做成二端器件，但也有做成三端或四端器件的。二端和三端器件為直熱式，即熱敏電阻直接由連接的電路中獲得功率。四端器件則為旁熱式。根據(jù)不同的使用要求，可以把熱敏電阻做成不同的形狀和結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)如圖所示。

50、（2）熱敏電阻溫度計(jì)熱敏電阻按其物理特性分為三大特性，即：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC、正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻CTR。圖3-5 熱敏電阻阻值溫度特性曲線(xiàn) 數(shù)熱敏電阻NTC的溫度特性：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是以氧化錳、氧化鈷和氧化鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制成。它們具有半導(dǎo)體性質(zhì)，有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于需要定點(diǎn)測(cè)溫的自動(dòng)控制電路中，如冰箱、空調(diào)等。 數(shù)熱敏電阻PTC的溫度特性：正溫度系數(shù)熱敏電阻是以鈦酸鋇為基本材料，再摻入適量的稀土元素，利用陶瓷工藝高溫?zé)Y(jié)而成。 系數(shù)熱敏電阻CTR的溫度特性：臨界溫度系數(shù)熱敏電阻CTR的特性是

51、在某一特性溫度下電阻值會(huì)發(fā)生變化，也屬于負(fù)溫度系數(shù)，主要用于溫度開(kāi)關(guān)類(lèi)的控制。（3）熱敏電阻的主要參數(shù)和優(yōu)點(diǎn)熱敏電阻的主要參數(shù)有 ： 標(biāo)稱(chēng)阻值 溫度系數(shù) 散熱系數(shù) 時(shí)間常數(shù) 熱敏電阻與金屬電阻比較的優(yōu)點(diǎn) ： 由于有較大的電阻溫度系數(shù)，所以靈敏度很高，可測(cè)得微小溫度的變化； 熱敏電阻元件根據(jù)需要可制作成多種形狀； 熱敏電阻的阻值很大，當(dāng)遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)導(dǎo)線(xiàn)電阻的影響可不考慮；具有較好的穩(wěn)定性。第三節(jié) 非接觸測(cè)溫方法簡(jiǎn)介1 工作原理非接觸式測(cè)溫法的特點(diǎn)是感溫元件不與被測(cè)對(duì)象相接觸，而是通過(guò)輻射進(jìn)行熱交換，故可以避免接觸式測(cè)溫法的缺點(diǎn)，具有較高的測(cè)溫上限。此外，非接觸式測(cè)溫法熱慣性小，可達(dá)1/1000S

52、，故便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度。由于受物體的發(fā)射率、被測(cè)對(duì)象到儀表之間的距離以及煙塵、水汽等其他的介質(zhì)的影響，這種方法一般測(cè)溫誤差較大。依據(jù)溫度對(duì)人體的影響不同可以再分為以下測(cè)量指標(biāo)。非接觸式測(cè)溫方法不需要與被測(cè)對(duì)象接觸，因而不會(huì)干擾溫度場(chǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性一般也很好，但是會(huì)受到被測(cè)對(duì)象表面狀態(tài)或測(cè)量介質(zhì)物性參數(shù)的影響。非接觸測(cè)溫方法主要包括輻射式測(cè)溫、光譜法測(cè)溫、激光干涉式測(cè)溫以及聲波測(cè)溫方法等。表3-3 接觸法與非接觸法測(cè)溫的比較接觸法測(cè)溫非接觸法測(cè)溫特 點(diǎn)測(cè)量熱容量小的物體有困難；測(cè)量移動(dòng)物體有困難；可測(cè)量任何部位的溫度；便于多點(diǎn)集中測(cè)量和自動(dòng)控制不改變被測(cè)介質(zhì)溫場(chǎng)，可測(cè)量移動(dòng)物

53、件的溫度，通常測(cè)量表面溫度測(cè)量條件測(cè)溫元件要與被測(cè)對(duì)象很好接觸；接觸測(cè)溫元件不要使被測(cè)對(duì)象的溫度發(fā)生變化由被測(cè)對(duì)象發(fā)出的輻射能充分照射到檢測(cè)元件；被測(cè)對(duì)象的有效發(fā)射率要準(zhǔn)確知道，或具有重現(xiàn)的可能性測(cè)量范圍容易測(cè)量1000以下的溫度，測(cè)量1200以上的溫度有困難測(cè)量1000以上的溫度較準(zhǔn)確，測(cè)量1000以下的溫度誤差大準(zhǔn)確度通常為0.5%-1%，依據(jù)測(cè)量條件可達(dá)0.01%通常為20左右，條件好的可達(dá)5-10響應(yīng)速度通常較慢，約1-3分鐘通常較快，約2-3秒，即使遲緩的也在10秒內(nèi)2 全輻射溫度計(jì)全輻射溫度計(jì)由輻射感溫器、顯示儀表及輔助裝置構(gòu)成。被測(cè)物體的熱輻射能量，經(jīng)物鏡聚集在熱電堆（由一組微細(xì)

54、的熱電偶串聯(lián)而成）上并轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)輸出，其值與被測(cè)物體的表面溫度成正比，用顯示儀表進(jìn)行指示記錄。圖中補(bǔ)償光欄由雙金屬片控制，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，光欄相應(yīng)調(diào)節(jié)照射在熱電堆上的熱輻射能量，以補(bǔ)償因溫度變化影響熱電勢(shì)數(shù)值而引起的誤差。絕對(duì)黑體的熱輻射能量與溫度之間的關(guān)系為E0=T4(W/m).但所有物體的全發(fā)射率T均小于1，則其輻射能量與溫度之間的關(guān)系表示為E0=TT4(W/m)。一般全輻射溫度計(jì)選擇黑體作為標(biāo)準(zhǔn)體來(lái)分度儀表，此時(shí)所測(cè)的是物體的輻射溫度，即相當(dāng)于黑體的某一溫度TP。在輻射感溫器的工作譜段內(nèi)，當(dāng)表面溫度為T(mén)P的黑體之積分輻射能量和表面溫度為T(mén)的物體之積分輻射能量相等時(shí)，即TP4=TT4，

55、則物體的真實(shí)溫度為。因此，當(dāng)已知物體的全發(fā)射率T和輻射溫度計(jì)指示的輻射溫度TP時(shí)，就可算出被測(cè)物體的真實(shí)表面溫度。3 紅外測(cè)溫技術(shù)（1）紅外測(cè)溫原理一個(gè)完整的紅外測(cè)溫儀是由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成的。光學(xué)系統(tǒng)匯聚在其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置決定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。在自然界中，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周?chē)臻g發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十

56、分密切的關(guān)系。因此，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，更能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。黑體是一種理想化的輻射體，它可以吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量，沒(méi)有能量的反射和透過(guò)，其表面的發(fā)射率為1。但是,自然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體，為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長(zhǎng)表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，故稱(chēng)黑體輻射定律。所有實(shí)際物體的輻射量除依賴(lài)于輻射波長(zhǎng)及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類(lèi)、制備方法、熱過(guò)程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實(shí)際物體，必須引入一個(gè)與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數(shù)值之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。影響發(fā)射率的主要因素在：材料種類(lèi)、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等。當(dāng)用紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量目標(biāo)的溫度時(shí)首先要測(cè)量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測(cè)溫儀計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度。單色測(cè)溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測(cè)溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例。第四節(jié) 空氣濕度檢測(cè)大氣是由干空氣和一定量的水蒸氣混合而成的，我們稱(chēng)