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测量仪器及其计量特性
陈玲艳
【期刊名称】《新疆电力技术》
【年(卷),期】2018(0)3
【摘要】目录一测量仪器(计量器具)二测量仪器的计量特性一、测量仪器(计量器具)(一)测量仪器及其作用1、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。
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,可以单独使用,也可以连同辅助设备一起使用。
(3)测量仪器本身是一种器具或一种技术装置,是一种实物。
【总页数】12页(P38-49)
【关键词】测量仪器;计量特性;示值误差;准确度等级;实物量具;约定真值;允许误差【作者】陈玲艳
【作者单位】国网新疆电力有限公司电力科学研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TH70
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华;施昌彦;
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测量仪器的计量特性测量仪器的计量特性是指其影响测量结果的一些明显特征，其中包括测量范围、偏移、重复性、稳定性、分辨力、鉴别力〔阈〕和示值误差等。
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。
确定测量仪器的特性，并签发关于其法定地位的官方文件，称为测量仪器控制。
这种控制可包括对测量仪器的下列运作中的一项、两项或三项: ——型式批准；——检定；——检验。
这些工作的目的是要确定测量仪器的特性是否符合相关技术法规中规定的要求。
型式批准是由政府计量行政部门做出的承认测量仪器的型式符合法定要求的决定。
所谓型式，是指某一种测量仪器的样机及(或)它的技术文件(例如:图纸、设计资料等)，实质上就是该种测量仪器的结构、技术条件和所表现出来的性能。
检定是查明和确认测量仪器是否符合法定要求的程序，它包括检查、加标记和(或)出具检定证书。
检验是对使用中测量仪器进行监督的重要手段，其内容包括检查测量仪器的检定标记或检定证书是否有效、保护标记是否损坏、检定后测量仪器是否遭到明显改动，以及其误差是否超过使用中最大允许误差等。
(一)标称范围、量程和测量范围测量仪器的操纵器件调到特定位置时可得到的示值范围，称为标称范围。
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，而不管标尺上所标的单位是什么。
例如:一台万用表，把操纵器件调到×10一挡，其标尺上、下限的数码为0～10，则其标称范围为(0～100)V。
标称范围一般用上限和下限说明，例如:(100～200)℃。
当下限(即最小值)为零时，标称范围一般只用其上限(即最大值)来表示，例如:(0～100)v的电压表，其标称范围可表示为100V。
标称范围的上限与下限之差的绝对值，称为量程。
例如:某温度计的标称范围为(-30～80)℃，则其量程为|80-(-30)|℃=110℃；某电压表的标称范围为100V，则其量程为|100-0|V=100V。
一、思考题1．什么是测量仪器?答：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”。
2．测量仪器按结构和功能是如何分类的?答：按结构和功能特点测量仪器可以分为以下几类：（1）指示式或显示式测量仪器（2）记录式测量仪器（3）累计式测量仪器（4）积分式测量仪器（5）模拟式测量仪器或模拟式指示仪器（6）数字式测量仪器或数字式指示仪器3．实物量具有何特点?答：实物量具的特点是：(1)本身直接复现或提供了单位量值，即实物量具的示值(标称值)复现了单位量值，如量块、线纹尺本身就复现了长度单位量值；(2)在结构上一般没有测量机构，如砝码、标准电阻，它只是复现单位量值的一个实物；(3)由于没有测量机构，在一般情况下，如果不依赖其他配套的测量仪器，就不能直接测量出被测量值，如砝码要用天平、量块要配用干涉仪、光学计。
因此，实物量具往往是一种被动式测量仪器。
4．测量系统有何特点?答：测量系统是由各种测量仪器连同辅助设备组装起来的，有时也可以随时拆卸，形成固定安装的测量系统。
5．测量设备有何特点?答：(1)概念的广泛性；(2)内容的扩展性；(3)测量设备包括硬件和软件。
6．敏感器、检测器和传感器的区别是什么?答：它们的概念不同。
传感器是提供与输入量有确定关系的输出量的器件；检测器是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；敏感器是直接受被测量作用，能接受被测量信息的一个元件。
7．测量链的特点是什么?答：测量链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。
如由传声器、衰减器、滤波器、放大器和电压表组成的电声测量链；如一个压力表的机械测量链，由波登管、机械传动系统和刻度盘构成。
8．示值范围、标称范围、测量范围、量程的区别是什么?答：要注意正确区别示值范围、标称范围、测量范围和量程的概念。
示值范围是指测量标尺或显示装置所能指示的范围，可用标在标尺或显示器上的单位表示；标称范围是对测点整体而言的，通常用被测量的单位表示；测量范围是指能保证规定准确度，满足示值误差在规定极限内，可用于测量的量值范围；量程是指“标称范围上限值和下限值之差的模”。
知识点二、测量仪器的特性（一）示值、示值区间、标称量值、标称示值区间、标称示值区间的量程和测量区间(二)测量仪器的计量特性1、测量系统的灵敏度灵敏度是指“测量系统的示值变化除以相应的被测量值变化所得的商”。
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。
例题：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．鉴别阈鉴别力又称阈值，是指“引起相应示值不可检测到变化的被测量值的最大变化”。
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，但二者相关的，灵敏度越高，鉴别力越小，灵敏度越低，其鉴别力越大。
例题：当一台天平的指针产生可觉察位移的最小负荷变化为10mg，则此天平的（）为10mg。
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．显示装置的分辨力显示装置的分辨力是指“能有效辨别的显示示值间的最小值”。
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。
例题：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. 测量仪器的稳定性稳定性是指“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10℃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10min 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．仪器漂移漂移是指“由于测量仪器计量特征的变化引起的示值在一般时间内的连续或增量变化”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，响应就是输出量或输出信号，而响应特性就是输入输出特性。
对一个完整的测量仪器来说，激励就是被测量，而响应就是它对应地给出的示值。
显然，只有准确地确定了测量仪器的响应特性，其示值才能准确地反映被测量值。
因此，可以说响应特性是测量仪器最基本的特性。
该定义中“在确定条件下”是一种必要的限定，因为只有在明确约定的条件下，讨论响应特性才有意义。
测量仪器的响应特性，在静态测量中，测量仪器的输入x(即被测量的量值或激励)和输出y（即示值或响应）不随时间而改变，它的输入输出特性或静态响应特性可用下式表示: y=f(x)此关系可以建立在理论或实验的基础上，除了上述表述外，也可以用数表或图形表示，对于具有线性标尺的测量仪器，其静态响应特性为:y=kx式中，k是测量仪器本身的一些固定参数值确定的常数。
这是线性测量仪器响应特性的普遍表示式。
只要k值一经确定，响应特性也就完全确定。
确定了线性测量仪器的静态响应特性，就可以方便地根据它来研究测量仪器的一系列静态特性，如灵敏度、线性、滞后、漂移等特性及由它们引起的测量误差。
关于测量仪器的动态响应特性，在动态测量中，测量仪器的激励或输入按时间t 的函数而改变，其响应或输出也是时间的函数。
一般认为它们之间的关系可以用常系数微分方程来描述，用拉普拉斯积分变换来求解常系数线性微分方程十分方便，当激励按时间函数变化时，传递函数是响应特性的一种形式。
7．阶跃响应时间阶跃响应时间是指“测量仪器或测量系统的输入量值在两个规定常量值之间发生突然变化的瞬间，到与相应示值达到其最终稳定值的规定极限内时的瞬间，这两者间的持续时间”。
这是测量仪器响应特性的重要参数之一。
这是指对输入输出关系的响应特性中，考核随着激励的变化其响应时间反映的能力，当然越短越好。
响应时间短，则反映指示灵敏快捷，有利于进行快速测量或调节控制。
对于线性测量仪器来说，响应时间就是它的时间常数。
8、死区死区是指“当被测量值双向变化时，相应示值不产生可检测到的变化的最大区间”。
即当被测量值双向变化时，相应示值不产生可检测到的变化的最大区间。
有的测量仪器由于机构零件的摩擦，零部件之间的间隙，弹性材料的变形，阻尼机构的影响，或由于被测量滞后等原因，在增大输入时，没有响应输出；或者在减少输入时，也没有响应变化，这一不能引起响应变化的最大的激励变化范围称为死区，相当于不工作区或不显示区。
通常测量仪器的死区可用滞后误差或回程误差来进行定量确定。
9、仪器的测量不确定度仪器的测量不确度是指“由所用的测量仪器或测量系统引起的测量不确定度的分量”,仪器的测量不确定度的大小是测量仪器或测量系统自身计量特征所决定的，对于原级计量标准通常是通过不确定度分析和评s定得到其测量不确定度，而对于一般使用的测量仪器或测量系统，其不确定度是通过对测量仪器或测量系统校准得到，由校准证书给出仪器校准值的测量不确定度。
