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第四节
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第四节 测量仪器及其特性
知识点一：
一、测量仪器（计量器具）
（一）测量仪器及其作用
1．测量仪器的概念（特点）
测量仪器又称计量器具，是指“单独地或连同辅助设备一起用以进行测量的器具”。
它是用来测量并能得到被测对象量值的一种技术工具或装置。
为了达到测量的预定要求，测量仪器必须具有符合规范要求的计量学特性，特别是测量仪器的准确度必须符合规定要求。
例题：
单独地或同辅助设备一起用以进行测量的器具在计量学术语中称为____。
a．测量仪器
b.测量链
c．计量器具
d．测量传感器
答案：
ac
解析：
本题考核的是测量仪器的含义。
2、测量仪器的特点
（1）用于测量，目的是为了获得被测对象量值的大小。
（2）具有多种形式，它可以单独地或连同辅助设备一起使用。
单独地用来完成某项测量：
例如体温计、电压表等
另一类测量仪器，则需与其他测量仪器和（或）辅助设备一起使用才能完成测量：
如砝码、标准电阻等。
（3）测量仪器本身是一种器具或一种技术装置，是一种实物。
在我国有关计量法律、法规中，测量仪器称为计量器具。
从上述测量仪器的定义可以看出，测量仪器是用于测量目的的所有器具或装置的统称，我国习惯统称为计量器具。
3．测量仪器的作用
（1）测量是为了获得被测量值的大小，而得到被测量值的大小是通过计量器具来实现的，所以计量器具是人们从事测量获得测量结果的重要手段和工具，它是测量的基础，是从事测量的重要条件。
在测量过程中，人们在接受测量信息方面，人的感觉器官常常是力不能及的，正是通过计量器具把被测量大小引入到人们的感官中。
有时对被测量的测量要实施远距离传输，要进行自动记录，要累计或计算被测量的值，或对某些被测量值要实施自动调节或控制，这些都要通过各种计量器具来实现。
（2）计量器具又是复现单位、实现量值传递和量值溯源的重要手段。
为实现计量单位统一和量值的准确可靠，必须建立相应的计量基准、计量标准和工作用计量器具；并通过检定和校准来实现测量的统一，实现测量的准确性、一致性，这一任务正是通过各级计量器具进行量值的传递和溯源来完成的。
（3）计量器具又是实施计量法制管理的重要工具和手段。
国家计量法规对用于贸易结算、医疗卫生、安全防护、环境监测四个方面且列入强检目录的工作计量器具实施强制检定，这些强检计量器具既是实施法制管理的对象，又是为维护国家和人民利益提供服务的重要手段，正是通过这些计量器具量值的准确可靠，使广大人民群众免受不准确、不诚实测量带来的危害。
（4）计量器具又是开展科学研究、从事生产活动不可缺少的重要工具和手段。
如果没有计量器具，就无法获得量值，科研就无法进行，生产过程就无法控制，产品质量就无从保证。
（二）实物量具、测量系统和测量设备
1．实物量具
例题：
实物量具是（ ）。
a．使用时以固定形态复现或提供给定量的一个或多个已知值的计量器具
b．能将输入量转化为输出量的计量器具
c．能指示被测量值的计量器具
d．结构上一般有测量机构，是一种被动式计量器具
答案：
a本题考核的是实物量具的含义。
例题：
下列计量器具中，（ ）属于实物量具。
a.流量计
b.标准信号发生器
c.砝码
d.秤
答案：
bc
解析：
砝码是实物量具，它本身的已知值就是复现了一个质量单位量值的实物如标准信号发生器也是一种实物量具，它提供多个已知量值作为供给量输出。
【案例】考评员在考核某研究所的综合管理部门时，问其中的管理人员小李：
“你看以下计量器具中，哪些是实物量具？
（1）钢卷尺
（2）台秤（3）注射器（4）热电偶（5）电阻箱（6）卡尺（7）铁路计量油罐车（8）电能表。
”小李回答：
“我认为其中1、3、4、6是实物量具。
”又问另一位管理人员：
“你认为他的回答对吗？
”管理人员回答：
“说不上来。
”
【问题】什么是实物量具？
【案例分析】依据jjf1001-1998《通用计量术语及定义》中6.2条规定，实物量具是指“使用时以固定形态复现或提供给定量的一个或多个已知值的量具。
”实物量具本身直接复现或提供了量值，实物量具的示值就是其标称值。
上题中除
（2）台秤、（4）热电偶、（6）卡尺和（8）电能表不是实物量具外，其他都属于实物量具。
卡尺虽然习惯上称之为“通用量具”，但按定义它并不是实物量具，而是一种指示式测量仪器。
（三）测量仪器的分类
测量仪器按其结构、功能、作用、性质或不同专业，具有很多的分类方法。
测量仪器按其结构和功能特点可分为以下六类。
（四）测量链、测量传感器、检测器、敏感器
1、测量链
测量链是指“测量仪器或测量系统的系列单元，由它们构成测量信号从输入到输出的通道”。
具体地说，是测量仪器或测量系统从测量信号输入到输出所形成的一个通道，这一通道由一系列单元组成。
有时提供与输入量有给定关系的输出量的器件，并不直接作用于被测量，而是测量仪器的通道中间的某个坏节，或是测量仪器本身内部的某一部件，则这种器件亦称为测量变换器；如输入和输出为同种量，亦称为测量放大器；输出量为标准信号的传感器通常也称为变送器，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等。
例题：
测量传感器是指____。
a．一种指示式计量器具
b．输入和输出为同种量的仪器
c．提供与输入量有确定关系的输出量的器件
d．通过转换得到的指示值或等效信息的仪器
答案：
c
解析：
本题考核的是测量传感器的概念。
3．检测器
检测器是指“用于指示某个现象的存在而不必提供有关量值的器件或物质”。
检测器的用途是为了指示某个现象物体或物质是否存在，即反映该现象物体或物质的某特定量是否存在，或者是为了确定该特定量是否达到了某一规定的阈值的器件或物质。
检测器并不是与被测量值无关，其测量的信息结果是由被测量值决定的，并且具有一定的准确度，其特点是不必提供具体量值的大小。
有的检测器直接作用于被测量，又能够随着输入量而达到输出，这就是一种测量传感器。
有的检测器本身也就是一种敏感器。
（五）显示装置、指示器、测量仪器的标尺和仪器常数
1．显示装置
示值的概念既适用于测量仪器，也适用于实物量具。
因此，指示（显示）装置也包括实物量具的指示器或定位装置。
但应注意，并不是所有的测量仪器都带有显示装置，例如，有时实物量具用其标称值作为其示值，如量块、标准电阻、砝码等，这些不能作为显示装置，因为它没有显示示值的部件。
但一些可调式量具也具有显示装置，如电阻箱、多刻度的玻璃量器等。
【案例】考评员在考核电学室时，对室主任小黄提出了如下问题：
“在以下三个测量仪器的标尺中（见下图），其标尺长度均为60mm，其测量范围分别为a（0～6ma）、b（0～6ma）、c（0～20ma），za为指针位置，请分别指出标尺的标尺间隔（分度值）、标尺间距、指示za的量值及a、b、c三个标尺的测量仪器中，那个测量仪器的灵敏度高？
”
小黄进行了计算，做了如下回答：
【案例分析】依据jjf1001-1998《通用计量术语及定义》中6.22、6.23、7.10给出了标尺间隔（分度值）、标尺间距及测量仪器的灵敏度的定义，可以判断以上回答中，标尺间隔（分度值）、标尺间距是正确的。
标尺c的“za的量值”不正确，灵敏度高低判断不全面。
标尺c的测量范围为20ma，指针位置za的量值不可能为26.4ma。
c标尺za的量值应为36×0.4ma=14.4ma，而不是66×0.4ma=26.4ma。
对于标尺指示的测量仪器，其灵敏度s等于示值的变化量δl除以引起这一变化的被测量变化出δm，即：
线性标尺的灵敏度为标尺间距δl除以标尺间隔（分度值）δm，s=δl/δm。
通过计算可得上述a、b、c三个标尺的测量仪器灵敏度：
a标尺、b标尺均为1omm/ma，c标尺为3mm/ma，所以c标尺灵敏度低，而a、b标尺测量仪器的灵敏度一样高。
由此可见，线纹标尺的灵敏度不取决于刻线的多少，而决定于标尺间隔（分度值）和标尺间距。
4、仪器常数
仪器常数是指“为给出被测量的指示值或用于计算被测量的指示值，必须与测量仪器直接示值相乘的系数”。
仪器常数是为确定被测量指示值与仪器示值相乘的一个系数，其目的是为了确定被测量值的大小。
如测量电阻值，则与示值相乘的×1、×10就是仪器常数；有的测量仪器是通过计算得到被测量值，在计算中所得的系数就是仪器常数。
当仪器常数为1时，通常不必在仪器上标明。
（六）测量仪器的调整和使用者调整
1．测量仪器的调整
测量仪器的调整是指“使测量仪器性能进入适于使用状态的操作”，可简称为调整。
调整是为了确保测量仪器具有正常性能，消除可能产生的偏差，使仪器能进入使用状态所要做的一种操作。
测量仪器由于示值的失准或长期存放、长途运输、或者搬运、冲击以及由于仪器本身的不稳定，失去其原有的正常性能，或者由于新的测量仪器使用前的安装等，均要求其性能恢复和达到适于使用状态。
有时调整以后，为了防止使用中不得随意变更，则要对可调部件加以封印。
调整的方式可以是自动的、半自动的或手动的。
2．测量仪器的使用者调整
测量仪器的“使用者调整”是指“可由使用者做的调整"。
其目的是为了确保测量仪器使用中的准确度。
调整的原因千差万别，有的是属于仪器本身的不稳定性，产生缓慢变化，有的是经过运输振动产生的偏差，有的是属于需要正常安装，有的是仪器说明书中规定在使用前需进行调整的内容。
凡允许使用者进行调整的，均属于这一范畴。
最常用的是零位调整，其操作应严格按仪器说明书规定进行。
二、测量仪器的特性
（一）示值范围、标称范围、量程和测量范围
1．示值范围
测量仪器的零值是指测量仪器所给出的量值，示值范围是指测量仪器“极限示值界限内的一组值”。
示值范围通常以最小示值与最大示值表示。
对于模拟式测量仪器而言，示值范围也就是其标尺范围，即由指示装置标尺上始末两端标记之间所指示的标尺值的范围。
示值范围可以用标在显示器标尺上的单位来表示，而与被测量的单位无关，通常用其止下限范围来表述。
例如如一支下限为-20℃，上限为+50℃的玻璃温度计，则其示值范围为-20℃～+50℃；有的测量仪器有几个示值范围，如10kn万能材料试验机中就有（0～20）kn、（0～50）kn、（0～100）kn三个示值范围，对于数字式显示的测量仪器，则其示值范围按显示器上的单位由数字位数来决定。
2．标称范围
标称范围是指“测量仪器的操纵器件调到特定位置时可得到的示值范围”。
标称范围是操纵器件调到特定位置时可得到的示值范围，此时的示值范围是与测量仪器的整体相联系的，是指标尺所指示的被测量值可得到的范围。
标称范围通常以被测量的单位表示，而不管标在标尺上的是什么单位。
例如，一支玻璃温度计，其标尺下限示值为-30℃，其上限值为＋80℃，则此温度计的标称范围为-30℃～+80℃。
把标称范围的下限称为最小值，把标称范围的上限称为最大值，标称范围通常用最小值和最大值表示。
当下限为0时，标称范围一般用其最大值来表示，如（0～100）v的电压表，则其标称范围为10ov。
标称范围和示值范围是有区别的，两者都是在指示装置上指示的极限示值界限内的一组值。
但对于模拟式指未装置的测量仪器而言，示值范围可以称为标尺范围，此时标称范围与示值范围有一定差异，标称范围用被测量的单位表示，它是对包括标尺在内的整个测量仪器而言；而示值范围是指其标尺本身，用标在指示器上的单位表示，不联系到整个测量仪器。
很多仪器实际上标称范围和示值范围是相同的。
标称值是指“测量仪器上表明其特性或指导其使用的量值，该量值为圆整值或近似值”。
例如标在标准电阻上的标称值：
1ooω，标在单刻度量杯土的量值：
1ooml。
3．量程
量程是指“标称范围两极限之差的模”。
它是指标称范围的上限（最大值）减去其下限即（最小值）所得之差值的绝对值。
例如，温度计下限为-30℃，上限为+80℃，则其量程为∣80-（-30）∣,即为110℃。
引入量程的概念的主要用途是可以方便地确定测量仪器的引用误差。
在计算引用误差时需要确定一个仪器的特定值，该特定值一般称为引用值，通常量程就是这一引用值。
例如，有三块准确度等级为1级的电压表（即引用误差为±1%），其标称范围分别为-10v～+10v、0～20v、+10v～30v，如按标称范围去比较，会感到不得要领，而用量程计算其引用误差，则其引用误差均为±1%，标称范围内的最大允许误差为引用误差乘其量程，上述几种情况的量程均为20v，所以最大允许误差均为20v×（±1%）=±0.20v。
可见虽然标称范围不同，但其准确度是相同的。
例题：
某一玻璃液体温度计，其标尺下限示值为-20℃，而其上限示值为+80℃，则该温度计的上限与下限之差为该温度计的（ ）。
a．示值范围 b．标称范围 c量程 d．测量范围
答案：
c
解析：
本题考核的是示值范围、标称范围、量程、测量范围这几个概念的区别。
4、测量范围（工作范围）
测量范围也称为工作范围，是指“测量仪器的误差处在规定极限内的一组被测量的值”，即测量仪器的误差能保证在规定的允许误差极限范围内的测量仪器的示值范围。
测量范围就是在正常工作条件下，在这一规定的测量范围内使用，其示值误差就应处在允许极限内，如超出测量范围使用，则示值误差可能超出允许极限值。
有些测量仪器的测量范围与其标称范围相同，如体温计、电流表、压力表、密度计等，而有的测量仪器在下限附近，其相对误差会急剧增大，如地秤。
有时测量仪器由于原理结构特点，如光学高温计以灯丝亮度比对进行测温，它能满足示值允许误差的标称范围为700℃～3000℃，则700℃～3000℃为其测量范围。
【案例】评员在考核温度室时，问其室主任：
“有一支带有0℃±1℃示值，刻度范围为250℃～300℃的二等标准水银温度计，其（0～250）℃之间为中断区，这个范围无刻度。
刻有0℃±1℃零刻度线，主要是为了测定0℃示值。
请你指出该二等标准水银温度计的示值范围、标称范围和量程。
”室主任回答；“其示值范围为0℃～300℃，标称范围为250℃～300℃，测量范围250℃～300℃，量程为50℃”。
【问题】什么是示值范围、标称范围、测量范围和量程?
【案例分析】依据jjfl001—1998《通用计量术语及定义》中6.20、7.1、7.2、7.4条对示值范围、标称范围、测量范围、量程做出的明确界定，二等标准水银温度计属于双刻度计量器具，0℃±1℃是为了测量温度计的零点示值，以考核温度计的示值稳定性；250℃～300℃是温度计的工作范围，即用于测量的范围。
所以按术语的定义，其示值范围和标称范围为0℃±1℃和250℃～300℃，测量范围为250℃～300℃，其量程为50℃。
（二）测量仪器的计量特性
1、灵敏度
灵敏度是指“测量仪器响应的变化除以对应的激励变化”。
灵敏度是反映测量仪器被测量（输入）变化引起仪器示值（输出）变化的程度。
它用被观察变量的增量即响应（输出量）与相应被测量的增量即激励（输入量）之商来表示。
如被测量变化很小，而引起的示值（输出量）改变很大，则该测量仪器的灵敏度就高。
对于线性测量仪器来说，其灵敏度s为
式中的k叫传递系数，当响应y与激励x是同一种变量时，又叫放大系数。
对于非线性的测量仪器，则灵敏度表示为
这时灵敏度随激励变化而变化，它是一个变量，它与激励值有关。
在某些情况下，使用下式表示相对灵敏度
式中，x为激励即输入的被测量值。
灵敏度可能与被测量的增量即激励值有关，被测量值的变化必须大于分辨力。
灵敏度是测量仪器中一个十分重要的计量特性。
但有时灵敏度并不是越高越好，为了方便计数，使示值处于稳定，还需要特意地降低灵敏度。
单项选择题：
有两台检流计，a台输入1ma光标移动10格，b台输入1ma光标移动20格，则a台检流计的灵敏度比b台检流计的灵敏度____。
a．高 b.低 c.相近 d．相同
答案：
b
解析：
灵敏度是反映测量仪器被测量（输入）变化引起仪器示值（输出）变化的程度。
用被观察变量的增量与相应被测量的增量之商来表示。
如被测量变化很小，而引起的示值（输出量）改变很大，则该测量仪器的灵敏度就高。
对于线性测量仪器来说，其灵敏度s为
2．鉴别力（阈）
鉴别力又称阈值，是指“使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，这种激励变化应缓慢而单调地进行”。
它是指当测量仪器在某一示值给予一定的输入，这种激励变化缓慢从单方向逐步增加，当测量仪器的输出产生有可觉察的响应变化时，此输入的激励变化称为鉴别力，同样可在反行程进行。
例如，在一台天平的指针产生可觉察位移的最小负荷变化为1omg，则此天平的鉴别力
（阈）为1omg；如一台电子电位差计，当同一行程方向输入量缓慢改变到0.04mv时，指针产生了可察觉的变化，则其鉴别力（阈）为0.04mv。
为了准确地得到其鉴别力（阈值），激激励的变化（输入量的变化）应缓慢同时地在同一行程上进行，以消除惯性或内部传动机构的间隙和摩擦的影响。
通常一台测量仪器的鉴别力（阈）还应在标尺的上、中、下不同示值范围的正向及反向行程进行测定，其鉴别力（阈值）是不同的，可以按其最大的激励变化来表示测量仪器的鉴别力（阈值）
有时人们也习惯地称鉴别力为灵敏阈或灵敏限。
产生鉴别力的原因可能与噪声（内部或外部的）、摩擦、阻尼、惯性等有关，也与激励值有关。
要注意灵敏度和鉴别力（阈）的区别和关系，这是两个概念，灵敏度是被测量（输入量）变化引起了测量仪器示值（输出量）变化的程度；鉴别力（阈）是引起测量仪器示值（输出量）可觉察变化时被测量（输入量）的最小变化值，是指使测量仪器指针移动所要输入的最小量值，但二者是相关的，灵敏度越高，鉴别力越小，灵敏度越低，其鉴别力越大。
如有两台检流计，a台输入1ma，光标移动10格，b台输入1ma，光标移动20格，则b台的灵敏度为20格/ma，比a台的灵敏度10格/ma高。
若人眼睛的分辨力即可觉察的最小变化量为0.1格，则a台改变0.1格，将输入扒0.1ma，b台改变0.1格，将输入0.005ma。
可见b台的鉴别力为0.005ma，比a台的0.01ma小，但b台的灵敏度比a台要高。
单项选择题：
当一台天平的指针产生可觉察位移的最小负荷变化为1omg，则此天平的（ ）为1omg。
a．灵敏度 b．分辨力 c．鉴别力 d．死区
答案：
c
解析：
鉴别力又称阈值，是指“使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，这种激励变化应缓慢而单调地进行”。
它是指当测量仪器在某一示值给予一定的输入，这种激励变化缓慢从单方向逐步增加，当测量仪器的输出产生有可觉察的响应变化时，此输入的激励变化称为鉴别力。
3．分辨力
显示装置的分辨力是指“显示装置能有效辨别的最小示值差”。
也就是说，分辨力是指指示或显示装置对其最小示值差的辨别能力。
指示或显示装置提供示值的方式，可以分为模拟式、数字式、半数字式三种。
模拟式指示装置提供模拟示值，最常见的是模拟式指示仪表，用标尺指示器作为读数装置，其测量仪器的分辨力为标尺上任何两个相邻标记之间间隔所表示的示值差（最小分度值）的一半。
如线纹尺的最小分度值为1mm，则分辨力为0.5mm。
数字式显示装置提供数字示值，带数字显示装置的测量仪器的分辨力，是最低位数字变化一个字时的示值差。
如数字电压表最低一位数字变化1个字的示值差为1μv，则分辨力为1μv。
半数字式指示装置是以上两种的综合。
它通过由末位有效数字的连续移动进行内插的数字式指示，或通过由标尺和指示器辅助读数的数字式指示来提供半数字示值。
如家用电度表，如图2—4所示，此标尺右端数字能连续移动，这样能读到示值为26352.4kw·h，分辨力为0.1kw·h（1kw·h即1度电）。
要区别分辨力和鉴别力（阈）的概念，不要把二者相混淆。
因为鉴别力是在测量仪器处于工作状态时通过实验才能评估或确定数值，它说明响应的觉察变化所需要的最小激励值。
而分辨力是只须观察指示或显示装置，即使测量仪器不工作也可确定，是说明最小示值差的辨别能力。
分辨力高可以降低读数误差，从而减少由于读数误差引起的对测量结果的影响。
要提高分辨力，往往有很多因素，如指示仪器可增大标尺间距，规定刻线和指针宽度，规定指针和度盘间的距离等。
有的测量仪器用改进读数装置来提高分辨力，如广泛使用的游标卡尺，利用游标读数原理，用游标来提高卡尺读数的分辨力，使游标分辨力达到0.10mm，0.05mm和0.02mm。
单项选择题：
有一台温度计其标尺分度值为10℃，则其分辨力为（ ）。
a．1℃ b．2℃ c．5℃ d．10℃
答案：
c
解析：
模拟式指示装置提供模拟示值，最常见的是模拟式指示仪表，用标尺指示器作为读数装置，其测量仪器的分辨力为标尺上任何两个相邻标记之间间隔所表示的示值差（最小分度值）的一半。
4.稳定性
稳定性是指“测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力”。
通常稳定性是指测量仪器的计量特性随时间不变化的能力。
稳定性可以进行定量的表征，主要是确定计量特性随时间变化的关系。
通常可以用以下两种方式：
用计量特性发生某个规定的量的变化所需经过的时间，或用计量特性经过规定的时间所发生的变化量来进行定量表示。
例如，对于标准电池，技术指标中对其长期稳定性（电动势的年变化幅度）和短期稳定性（3～5天内电动势变化幅度）均有明确的规定。
对于准确度等级0.05级以上的数字压力计，相邻两个检定周期之间的示值变化量不得大于最大允许误差的绝对值；例如，上限温度为150℃～300℃的一等标准水银温度计示值的稳定性测量方法如下：
（1）将温度计插入恒温槽中，局部浸没、露出液柱约1o℃左右，在上限温度处理30min，取出冷却，测定零位；
（2）再在上限温度处理24h，取出冷却，测定零位；（3）在上限温度下处理1omin后，关闭恒温槽的加热电源，待水银柱面降至高于局浸线2℃左右时，将温度计向下插至浸没在上限温度标线处，使之随介质缓冷至接近室温，取出测定零位。
则上述方法
（2）中测得的零位减去
（1）中测得的零位，为温度计零位的永久性上升值，由上述方法
（2）中测得的零位减去（3）中测得的零位，即为零位的低降值；应符合表2-10的规定。
上述稳定性指标均是划分准确度等级的重要依据。
对于测量仪器，尤其是计量基准、计量标准或某些实物量具，稳定性是重要的计量性能之一，示值的稳定是保证量值准确的基础。
测量仪器产生不稳定的因素很多，主要原因是元器件的老化、零部件的磨损，以及使用贮存维护工作不仔细等所致。
测量仪器进行的周期检定或校准，就是对其稳定性的一种考核，稳定性也是科学合理地确定检定周期的重要依据之一。
5．漂移
漂移是指“测量仪器计量特性的慢变化”。
这是反映在规定条件下，指测量仪器计量特性随时间的慢变化，如在几分钟、几十分钟或多少小时内保持其计量特性恒定的能力。
在漂移过程中，示值的连续变化既与被测量的变化无关也与影响量的变化无关。
产生漂移的原因，往往是由于温度、压力、湿度等变化所引起，或由于仪器本身性能的不稳定。
测量仪器使用时采取预热、预先放置一段时间与室温等温，就是减少漂移的一些措施。
6．响应特性
响应特性是指“在确定条件下，激励与对应响应之间的关系”。
激励就是输入量或输入信号，响应就是输出
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