常用物理实验仪器的性能参数.docx
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常用物理实验仪器的性能参数
附录三常用仪器的性能参数
*表1 长度测量
名称
主要技术性能
特点和简要说明
基准量具及实现原理
饱和吸收稳频激光辐射（或称为激光波长基准）
CIPM推荐了用于复现米定义的8种饱和吸收稳频激光辐射（频率值、波长值及其不确定度），其中最常用的是633nm，由碘稳频HeNe激光器实现复现，规定其复现性为2.5×10－11
127I2和129I2分子在633nm附近有多条强吸收谱线，且每条吸收线又有多个超精细结构分量。
置碘吸收室于HeNe激光器谐振腔内，当激光频率调谐到吸收线中心频率附近时，其激光输出功率曲线上出现饱和吸收峰，通过稳频器将激光频率自动锁定到吸收线中心
线纹尺
标准线纹尺有线纹米尺和200mm短尺两种。
一般线纹尺的长度有0.1m,0.5m,2m,5m,10m,20m,50m等
1～1000mm线纹尺准确度：
1等：
±（0.1＋0.4L/m）μm
2等：
±（0.2＋0.8L/m）μm
3等：
±（3＋7L/m）μm
作为长度标准用或作为检定低一级量具的标准量具
量块
按制造误差分成：
00,0,1,2，（3），标准（k）6级
00级，小于10mm的量块，工作面上任意点的长度偏差不得超过±0.06μm
是长度计量中使用最广和准确度最高的实物标准，常为六面体，有两个平行的工作面，以两工作面中心点的距离来复现量值
常用量具
钢直尺
规格 全长允差
至300mm±0.1mm
300～500mm±0.15mm
500～1000mm±0.2mm
测量范围再大，可用钢卷尺，其规格有1m,2m,5m,10m,20m,30m,50m。
1m,2m的钢卷尺全长允差分别为±0.5mm，±1mm
游标卡尺
测量范围：
有125mm,200mm,300mm,500mm等
游标卡尺可用来测量内、外直径及长度，另外还有专门测量深度
游标分度值：
0.1mm,0.05mm,0.02mm
示值误差：
0～300mm的同分度值
＞300～500mm的相应为0.1mm,0.05mm,0.04mm
和高度的游标卡尺
螺旋测微计（千分尺）
量限：
10mm,25mm,50mm,75mm,100mm示值误差（≤100mm的）：
1级为±0.004mm
0级为±0.002mm
千分尺的刻度值通常为0.01mm，另外还有刻度值为0.002mm和0.005mm杠杆千分尺
常用测量仪器
测量显微镜
JLC型：
测微鼓轮的刻度值
为0.01mm
测量误差：
被测长度Lm和温度为20℃±3℃时为±
μm
显微镜目镜、物镜放大倍数可以改变。
可用于观察、瞄准或直角坐标测量，有圆工作台的还可测量角度
阿贝比长仪
测量范围：
0～200mm
示值误差：
μm
L（mm）——被测长度
H（mm）——离工作台面高度
与精密石英刻尺比较长度
电感式测微仪
哈量型
示值范围（μm）：
±125，±50，±25，±12.5，±5
分度值（μm）：
5,2,1,0.5,0.2
示值误差：
各档均不大于±0.5倍
TESA，CH型
示值范围（μm）：
±10，±3，±1
分度值（μm）：
0.5,0.1,0.05
一对电感线圈组成电桥的两臂，位移使线圈中铁芯移动，因而线圈电感一个增大，一个减小，并且电桥失去平衡。
相应地有电压输出，其大小在一定范围内与位移成正比
电容式测微仪
20世纪70年代产品
示值范围（μm）：
－2～8，－20～80
分度值（μm）：
0.2,2
示值误差：
1μm
20世纪80年代已有分辨率达10－9m的产品
将被测尺寸变化转换成电容的变化，将电容接入电路，便可转换成电压信号
线位移光栅（长度光栅）
测量范围：
30～1000mm
分辨率：
1μm或0.1μm，甚至更高
光栅实际上是一种刻线很密的尺。
用一小块光栅作为指示光栅覆盖在主光栅上，中间留一小间隙，两光栅的刻线相交成一小角度，在近于光栅的垂直方向上出现条纹，称为莫尔条纹。
当指示光栅移动一小距离时，莫尔条纹在垂直方向上移动一较大距离，通过光电计数可测出位移量
常用测量仪器
感应同步器，磁尺，电栅（容栅）
分辨率可达1μm或10μm
多在精密机床上应用
单频激光干涉仪
量程一般可达20m
分辨率可达0.01μm
激光作为光源，借助于一光学干涉系统可将位移量转变成移过的干涉条纹数目。
通过光电计数和电子计算直接给出位移量。
测量准确度高，需要恒温、防振等较好的环境条件
双频激光干涉仪
量程可达60m，分辨率一般可达0.01μm，最高可达亚埃量级
与单频激光干涉仪相比，抗干扰能力强，环境条件要求低，成本高
*表1～表8选自丁慎训．物理实验教程（普通物理实验部分）．北京：
清华大学出版社，1992。
略作补充及修改。
表2 时间和频率测量
名称
主要技术性能
特点和简要说明
铯束原子频率标准
频率f0＝9192631770Hz
不确定度优于1×10－13（1σ）
稳定度7×10－15
用做时间标准。
在国际单位制中规定，与铯——133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的9192631770个周期的持续时间作为时间单位秒
石英晶体振荡器
频率范围很宽，频率稳定度在10－4～10－12范围内，经校准，1年内可保持在10－9。
高质量的石英晶体振荡器，在经常校准时，可达10－11
在时间频率精确测量中获得广泛应用。
频率稳定度与选用的石英材料及恒温条件关系密切
电子计数器测量时间间隔和频率
测量准确度主要决定于作为时基信号的频率准确度及开关门的触发误差，测量准确度较高
以频率稳定的脉冲信号作为时基信号，经过控制门送入电子计数器，由起始时间信号去开门，终止时间信号去关门，计数器计得时基信号脉冲数乘以脉冲周期即为被测时间间隔。
用时间间隔为1s的信号去开门、关门，计数器所计的被测信号脉冲数即为被测信号频率
示波器
测频率的准确度不很高
可测频率、时间间隔、相位差等，使用方便
秒表
机械式秒表，分辨率一般为1/30s，电子秒表分辨率一般为0.01s
表3 质量测量
名称
主要技术性能
特点及简要说明
质量基准
国际千克原器
直径和高均为39mm的铂铱合金圆柱体，含铂90%、铱10%，在温度为293.15K时，其体积为46.396cm3
1889年，第一届国际计量大会决定该原器作为质量单位，保存在巴黎国际计量局原器库里
中国国家千克基准
No.60：
质量值为1kg＋0.271mg，标准不确定度为0.008mg。
表达为：
mNo.60＝（1000.000271±0.000008）g
该原器1965年从英国引进，经BIPM检定，由中国计量科学院（NIM）保存和使用
常用量具及仪器
天平
按天平的最大称量mmax与检定标尺间隔d（即分度值、感量）之比分为10个准确度级别，1～10级相应为比值（mmax/d）≥1×10－7、4×10－6、2×10－6、1×10－6、4×10－5、2×10－5、1×10－5、4×10－4、2×10－4、1×10－4。
其中1～7级为高精密天平，8～10级为精密天平
按结构形式分，有杠杆天平、无杠杆天平，等臂、不等臂天平，单盘、双盘天平，还有扭力天平、电磁天平、电子天平等
按用途分，有标准天平、分析天平、工业天平、专用天平
按分度值分，有超微量、微量、半微量、普通等天平
砝码
按准确度高低分5等，各等级砝码的允差（mg）为：
标称质量1 2 3 4 5
10kg±30±80±200±500±2500
1kg±4±5±20±50±250
100g±0.4±1.0±2±5±25
10g±0.10±0.2±0.8±1±5
1g±0.05±0.10±0.4±1±5
100mg±0.03±0.05±0.2±1
10mg±0.02±0.05±0.2±1
1mg±0.01±0.05±0.2
用物理化学性能稳定的非磁性金属制成
一、二等砝码用于检定低一等砝码及与1～3级天平配套使用；三等砝码与3～7级天平配套使用；四等砝码与8～10级天平配套使用；五等砝码用于检定低精度工商业用秤和低精度天平
常用量具及仪器
工业天平（TG75）
分度值50mg，称量5000g,7级
普物实验用
普通天平（TG805）
分度值100mg，称量5000g,8级
物理实验用
精密天平（LGZ6——50）
分度值25mg，称量5000g,6级
用于质量标准传递和物理实验
高精度天平
分度值0.02mg，称量200g,1级
检定一等砝码、高精度衡量，计量部门用
表4 温度测量
名称
主要技术参数
原理或特点的简要说明
玻璃液体温度计、水银温度计
酒精温度计
测量范围可达－200℃～600℃
测量范围－35℃～500℃
对于测量范围在0℃～100℃的温度计，分度值为0.1℃时，示值误差限为0.2℃；分度值不小于0.5℃时，示值误差限等于分度值
测量范围－80℃～80℃
工作原理基于液体在玻璃外壳中的热膨胀作用。
当储液泡的温度发生变化时，玻璃管内液柱随之升高或降低，通过温度标尺便可读出温度值。
感温介质有汞、酒精、甲苯等液体。
由于结构简单，使用方便，成本低廉，得到广泛应用。
一等标准水银温度计，测量范围24℃～101℃，最小分度值0.05℃，允许误差±0.10℃
双金属温度计
测量范围－80℃～600℃
准确度等级1.0,1.5,2.5
分度值最小0.5℃，最大20℃
两种不同膨胀系数的金属片焊接在一起，将一端固定，当温度变化时，膨胀系数较大的金属片伸长较多，致使其未固定端向膨胀系数较小的金属片一方弯曲变形，由变形大小可测出温度高低。
由于无汞害，便于维护，坚固耐振，故广泛用于工业生产和科研
压力式温度计
测量范围－100℃～500℃
当温度变化时，装入密闭容器内的感温介质的压力随之变化，致使弹簧管变形，经传动机构带动指针偏转而测温。
用做感温介质的有氮、低沸点蒸发液体丙酮、乙醚等。
由于能防爆、远距离测温、读数清晰、使用方便，故多用于固定的工业生产设备中
气体压力式
液体压力式
蒸气压力式
准确度等级1.0,1.5,2.5
电阻温度计
铂热电阻
铜热电阻
热敏电阻
铑铁电阻
常用的测量范围－200℃～650℃
测量范围－259.3℃～630.70℃
测量范围－50℃～150℃
测量范围－40℃～150℃
测量范围0.1K～273K
利用物质的电阻随温度而变化的特性制成的测温仪器。
由于测温准确度高、范围宽，能远距离测量，便于实现温度控制和自动记录，故应用较广泛。
国际实用温标规定复现13.8033K到961.78℃这个温区的温度量值，采用基准铂电阻温度计。
典型的标准铁电阻具有25.5Ω的冰点电阻，平均灵敏度为0.1Ω/℃（0～100℃）或200μV/℃（工作电流为2mA）
热电偶温度计
铂铑10-铂
测量范围1℃～2800℃
测量范围0℃～1600℃，微分电势（5～12）μV/℃，1100℃以下时允差为1.0℃
常用测量范围0℃～1300℃，400℃以下工业用热电偶的允许误差，一般为3℃
－200℃～350℃，微分电势不小于16μV/℃
热电偶是由两种不同的金属或合金制成的，它们的一端焊在一起形成测温端，另一端置于标准温度下。
当两个端点置于不同温度处热电偶回路中就会有电动势产生。
金属种类和成分确定后，温差和电动势的关系一般即确定，因此，测出电动势便可测得温差。
由于结构简单、体积小、测量范围广、灵敏度高、能直接将温度量转换为电学量，适用于自动控温，已成为目前应用最为广泛的测温元件。
铂铑10铂热电偶是国际实用温标复现630.755℃～1064.43℃温区的温度量值的基准仪器
镍铬-镍硅
铜-康铜
光学高温计
测量范围700℃～3200℃
一般工作距离≥700mm
精密光学高温计在900℃～1400℃范围内基本误差可小于±8℃
被测高温物体的热辐射表现为一定的亮度，经物镜聚焦在灯丝平面上，改变灯丝电流来改变灯丝亮度，并且与被测物亮度比较。
当亮度一致时，灯丝隐没于被测物的亮背景之中，此时的电流值即可指示与被测物相应的亮度温度。
它是非接触测温仪表，是目前高温测量中应用较广的一种测温仪器
光电高温计
测量范围宽，测量下限值低于光学高温计和辐射温度计
由于采用单色滤光器件，光电探测器等改进了光学高温计，大大提高了灵敏度和准确度。
测金凝固点温度（1064.43℃）不确定度达0.04℃，分辨率为0.005℃，是复现1064.43℃以上的国际实用温标的基准仪器
辐射温度计
测量范围100℃～2000℃
常用的辐射高温计在1000℃～2000℃范围内基本误差不大于20℃
被测物体的辐射能经过透镜聚焦在热电堆的受热片上（有许多串联的热电偶热接点），受热片接受辐射能量转为热能而温度升高，热电堆中产生相应的热电势。
利用物体辐射强度与温度4次方成正比的规律，从而较精确地测出温度。
它也是非接触测温仪表之一
表5 直流电流测量
名称
主要技术指示
原理或特点的简单说明
基准量具及实现原理
电流天平
复现单位1A，ΔI/I已可小于4×10－6
根据SI电流单位A（安培）的定义，通过测量流过同一电流的两线圈（其几何形状及相对位置均已知）间的力来确定电流
由测质子磁旋比γp来复现电流单位
γp＝267522128±8ls－1·T－1，电流复现的不确定度在10－6量级
一定尺寸的线圈中心磁场正比电流I。
磁场中核磁共振的频率ν＝γpB，测出ν，可求出B，进而求出电流I
利用欧姆定律I＝U/R来实现
电压基准的参数见表26，电阻基准的确定度达2×10－7。
1990年起利用量子霍尔效应来复现实用电阻基准，其稳定度指标比不确定度高几个数量级
低温强磁场下，场效应管长条形表面沟通两侧的霍尔电极间产生霍尔电压UH，UH和漏极电流IP之比RH＝UH/IP。
RH称为霍尔电阻，其阻值为物理常数RK－90的整数分之一，这一效应称为量子霍尔效应。
RK－90取约定值25812.807Ω
直流标准电流发生器
准确度很高，输出电流0.001A～10A
由基准电压源、精密电阻分压器和高准确度、高增益运算放大器等部分组成
续表
名称
主要技术参数
原理或特点的简要说明
常用测量仪表及装置
振动电容静电计
电流分度值可达1×10－16A/div
由振动电容器、电子放大器和指示仪表等组成测微电流的振动电容静电计，可用于超高阻测量。
微电流经振动电容器调制后再放大
磁电系仪表
一般动圈式磁电系仪表中，载流线圈在永久磁铁磁场中发生偏转。
该类仪表准确度高、灵敏度高、功耗小、刻度均匀，但过载能力差
电流表
准确度多在1.5级以上，可达0.05级
无分流器的磁电系电流表只有微安表或毫安表，仅能测直流
检流计（灵敏电流计）及光点
反射（或复射）式电流计
指针式分度值在（10－6～10－7）A/div量级，光点式在（10－6～10－10）A/div量级
用于测小电流或作平衡指示仪表。
也常用直流放大器和检流计（或微安表）相连组成弱电流测量装置或平衡指示装置，以代替光点式检流计，其分辨率可优于光点检流计
电磁系电流表
可测10－2A～102A的电流，准确度一般低于0.5级
在固定载流线圈和可动软磁铁芯间产生偏转力矩M，M∝I2。
电磁系表可直接测大电流，过载能力强，结构简单，交、直流两用，但刻度不均匀、功耗较大、灵敏度较低
电动系电流表
准确度可达0.5级以上，最高达0.1级。
量限为10－1A～1A量级
通有电流的固定线圈和可动线圈间产生偏转力矩。
电动系仪表准确度高，可用于交流测量，灵敏度较高，但刻度不均匀，过载能力差，易受外磁场干扰且功耗较大
数字电流表
量限10－8A～101A，分辨率可小于10－10A
利用基于欧姆定律的电流电压转换器将电流转换为电压，经数字电压表（参阅表26）显示电流值
直流大电流测量装置
测10A以上的大电流时，常用定值电阻和上述仪表并联分流的办法。
分流器分为并联分流和环形分流两种，后者常用于多量程电流表
表26 直流电压测量
名称
主要技术指标
原理或特点的简要说明
基准量具及实现原理
标准电池
电动势稳定度级别0.2～0.001，国家基准电池组的平均值年漂移小于2×10－7
电动势稳定性较好，结构简单，但温度系数大，易碎。
其电动势不确定度（最高）为10－6量级
电压天平
不确定度约1×10－5
两平行平面电极间的静电引力F和电压平方U2成正比。
已知F、极间距和面积，可求U
液体静电计
不确定度约1×10－5
汞液面和它上方的平板电极间加电压U，静电力使电极下方液面升高一定距离Δh
续表
名称
主要技术指标
原理或特点的简要说明
基准量具及实现原理
利用约瑟夫森效应实现电压的新实用基准自1990年1月1日起在世界各国推行
我国1993年完成量子电压基准装置研制，1995年与BIMP进行比对，两装置所复现的电压单位相差－1.1×10－1，标准不确定度为1.1×10－10。
我国的量子电压基准装置达到国际先进水平，并居于前列
低温下两超导体间夹有极薄的绝缘层，组成了约瑟夫森结。
用频率为ν的电磁波照射结时，在一系列分立的电压值Un上，可感应出直流电流，且νn＝KJ－90Un，n是正整数。
这是外感应约瑟夫森效应。
常数KJ－90取约定值483597.9GHz/V
使用稳压二极管的标准电压发生器
通常用10V、100V、1000V3个量限，不确定度可优于5×10－5
由基准电压源、精密电阻分压器和运放组成。
基准电压源由稳压二极管等构成。
稳压二极管温度系数小，其电压不确定度小于2×10－6，广泛用于数字仪表中
常用测量仪表及装置
光电放大检流计
电压分度值可达1×10－9V/div
检流计偏转时，小镜使照在两并置光电池上的光强差改变，从而使其光电流的差值改变，光电流差由另一检流计指示
直流电位差计
准确度分为10个级别：
0.0001,0.0002,0.0005,0.001,0.002,0.005,0.01,0.02,0.05,0.1
按测量范围分为高电势电位差计（最大测量电压≥1V）和低电势电位差计（最大测量电压＜1V）
测量盘有不同的线路结构类型：
向单分压线路，串联代换线路，并联分路式，电流叠加线路，桥式线路和分列环式线路等
直流单位差计具有测量准确度高，对被测电路无影响等特点，可用来测量微伏级到约2V的电动势。
配以标准附件可测量电流、电阻、功率及较大电压。
配合热电偶能测量温度；还可以对各种直流电压表、电流表及标准电阻进行检定
磁电系检流计和电压表
检流计电压分度值（10－4～10－8）V/div，电压表准确度1.5～0.05级
磁电系电压表准确度高，功耗小，但过载能力低。
内阻一般为（103～104）Ω/V量级。
量限一般小于103V
电磁系电压表
测量范围1～103V，准确度一般为5.0级～0.05级
结构简单，过载能力强，可测交流电压，分度不均匀。
内阻约为（101～103）Ω/V量级
电动系电压表
准确度可达0.5级以上（最高达0.1级）
准确度高，可测交流，常用防外磁场干扰的机构。
过载能力差，分度不均。
内阻一般小于磁电系仪表
静电系电压表
输入电容10－11F～10－10F，量限103V～7.5×105V
电容器两极板间的静电作用力产生的转矩正比于极间电压的平方。
测量时功耗最小，也可测交流电压，输入阻抗很高，但准确度较低
续表
名称
主要技术指标
原理或特点的简单说明
常用测量仪表及装置
数字电压表
分辨率可达10－4V～10－9V，量限可为10－2V～103V
主要部件为基准源、电阻（或分压器）和放大器3部分。
带精密感应分压器的数字表允许以10－7的不确定度进行电压比较。
基准源多用硅稳压二极管
分压法测直流高压
有串联电阻分压和串联电容分压两类，后者仅限于和静电系电压表配合使用
示波器测量电压
输入阻抗可达105Ω～106Ω或更高，测量范围10－4V～102V量级
测量准确度低，输入阻抗高，较直观。
可测直流、交流或脉冲电压
表27 直流电磁感应强度的测量方法简介
名称
主要技术指标
原理或特点的简要说明
电磁感应法（探测线圈法）
用冲击电流计、格拉索特（Grassot）磁通计或电子积分器
根据电磁感应定律，在已知探测线圈参数时测出和感应电动势有关的量，进而求出磁场B。
可在磁场建立时测感应电动势（或电流）对时间的积分，也可在线圈翻转180°或移至无磁场处时测上述量。
冲击电流计能测量电流对时间的积分，磁通计和电子积分器能测电压对时间的积分
旋转线圈法
测量范围3×10－4T～3T
转轴和磁场方向垂直，可测均匀场。
已知线圈参数、转动频率时测出感应电动势，再算出B值
振动线圈法
不确定度为10－2左右
线圈沿轴向（平行于外磁场）振动
浮线法
两端固定的载流柔性导线在与均匀磁场相垂直的平面内会发生弯曲，线上张力与磁场B成正比
核磁共振法
测量范围10－2T～2T
在电磁波作用下处于外磁场中的原子核能级之间的共振跃迁现象叫核磁共振。
共振时电磁波频率ν＝磁场B×核子磁旋比γ/2π。
常用水或石油内的氢作共振用的样品，此法是目前磁场测量准确度最高的方法之一
电子顺磁共振法
测量范围10－4T～2T
利用电子轨道及自旋的磁共振现象来进行测量，ν＝B×电子磁旋比γe/2π。
因γe比核子磁旋比大两个数量级以上，故此法灵敏度高
续表
名称
主要技术指标
原理或特点的简要说明
霍尔效应法
测量范围一般为10－4T～10T
霍尔探头尺寸可做到25×25μm2甚至更小，测量范围可小到10－7T，使用温度范围已达4.2K～573K
磁通门法
量限＜0.1T，主要用于小于10－3T的弱磁场，分辨率最高可达10－18T～10－19T
利用高磁导率铁芯，在饱和交变励磁下选通铁芯中直流磁场分量，并将直流磁场转变为交流电压输出而进行测量。
此法广泛用于地磁研究、探矿及星际磁测量等领域
磁光效应法
可测强磁场，如1T～102T量级的场
平面偏振光在置于磁场中的各向同性介质中沿磁场方向传播时，其偏振面发生旋转，转角正比于磁场B，这叫法拉第效应（磁光效应）。
此法响应速度快，可测上升时间很短的脉冲磁场，运用温度范围广，可用于低温条件下
超导量子干涉器件（SQUID）法
测量范围10－13T～10－4T，适合弱磁场测量，灵敏度很高，分辨率可达10－15T，可用于磁场差、磁场梯度的测量。
即使在2.5T的强场下，仍可测出10－11T的磁场变化
两块超导体间夹有极薄的绝缘层，组成了约瑟夫森结。
在一超导环内插入两个或一个约瑟夫森结可分别组成直流SQUID和射频SQUID。
这类器件在工作条件下产生一输出电压信号，该信号是穿过其超导环的磁通量的周期函数。
它们能测量的最小磁通变化为10－50的数量级，0＝h/2e≈2.07×10－15Wb
光（泵）磁共振法
测量范围5×10－6T～10－3T，测量不确定度可达10－11T，灵敏度高，可测出10－14T的场
在弱磁场中，某些元素的超精细结构能级作进一步分裂。
当用一定频率的合适圆偏振光照射原子时，
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