第三節(jié) 測(cè)量?jī)x器

一、概述 

(一)測(cè)量?jī)x器的分類 
單獨(dú)地或連同輔助設(shè)備一起用以進(jìn)行測(cè)量的器具，稱為測(cè)量?jī)x器，又稱計(jì)量器具。其中，使用時(shí)以固定形態(tài)復(fù)現(xiàn)或提供給定量的一個(gè)或多個(gè)已知值的測(cè)量?jī)x器稱之為實(shí)物量具，簡(jiǎn)稱量具，例如:砝碼、量塊、標(biāo)準(zhǔn)電阻線圈、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)硬度塊、參考物質(zhì)等。 
實(shí)物量具不同于一般的測(cè)量?jī)x器。量具本身所復(fù)現(xiàn)或提供的已知量值，即給定量，就是其本身量值的實(shí)際大小，而一般測(cè)量?jī)x器所指示的量值往往是一種等效信息。例如:體溫計(jì)能指示出溫度，但本身并不能提供實(shí)際溫度，而只是指示出人體溫度的一種等效信息。 
測(cè)量?jī)x器按其結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)可分為四種: 
(1)顯示式測(cè)量?jī)x器，又稱為指示式測(cè)量?jī)x器，它能直接或間接顯示出被測(cè)量的示值。例如:轉(zhuǎn)速計(jì)、溫度計(jì)、密度計(jì)、彈簧式壓力表、千分尺、電流表、功率表、頻率計(jì)等。這類測(cè)量?jī)x器按其給出示值的形式，又分為模擬式、數(shù)字式和記錄式三種。 
(2)比較式測(cè)量?jī)x器，它能使被測(cè)量具或使被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量具相互比較。例如:天平、長(zhǎng)度比較儀、電位差計(jì)、光度計(jì)、測(cè)量電橋等。 
(3)積分式測(cè)量?jī)x器，它通過一個(gè)量對(duì)另一個(gè)量的積分來確定被測(cè)量值。例如:家庭用的電能表，測(cè)量的是在兩次付費(fèi)時(shí)刻之間的一段時(shí)間內(nèi)，所耗用的電功率對(duì)時(shí)間的積分。又如:皮革面積測(cè)量?jī)x，測(cè)量的是皮革攤平在平面上，其輪廓線所圍的平面面積。 
(4)累積式測(cè)量?jī)x器，它通過對(duì)來自一個(gè)或多個(gè)源中，同時(shí)或依次得到的被測(cè)量的部分值求和，來確定被測(cè)量值。例如:累積式皮帶秤，是通過累積器根據(jù)稱重和位移傳感器提供的信息，對(duì)皮帶測(cè)量段上每次稱得的各分量負(fù)荷進(jìn)行累加求和，并通過累積指示器顯示累積值。另外還有電子軌道衡、總加式電功率表等。 
按其計(jì)量學(xué)用途或在統(tǒng)一單位量值中的作用，測(cè)量?jī)x器可分為測(cè)量基準(zhǔn)、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和工作用測(cè)量?jī)x器三種。 
(二)測(cè)量設(shè)備 
測(cè)量設(shè)備是為實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程所必須的測(cè)量?jī)x器、軟件、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)線輔助設(shè)備線它們的組合。測(cè)量設(shè)備不僅包含一般的測(cè)量?jī)x器，而且包括各等級(jí)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，各類參考物質(zhì)和實(shí)物量具，與測(cè)量設(shè)備連接的各種輔助設(shè)備，以及進(jìn)行測(cè)量所必須的軟件和資料。輔助設(shè)備主要指本身不能給出量值而沒有它又不能進(jìn)行測(cè)量的設(shè)備，以及作為檢驗(yàn)手段用的工具、工裝、定位器、模具等。輔助設(shè)備有時(shí)會(huì)直接影響測(cè)量的準(zhǔn)確可靠程度。進(jìn)行測(cè)量所必須的軟件和資料，是指設(shè)備使用說明書、作業(yè)指導(dǎo)書以及有關(guān)測(cè)量程序文件等軟件，當(dāng)然也包括一些測(cè)量?jī)x器本身的控制和測(cè)量程序。沒有這些資料和軟件，也不能給出準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)�？傊�，測(cè)量設(shè)備是對(duì)測(cè)量所包括的硬件和軟件的統(tǒng)稱，對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行控制，是企業(yè)質(zhì)量管理的重要內(nèi)容。 

二、測(cè)量?jī)x器的計(jì)量特性 

測(cè)量?jī)x器的計(jì)量特性是指其影響測(cè)量結(jié)果的一些明顯特征，其中包括測(cè)量范圍、偏移、重復(fù)性、穩(wěn)定性、分辨力、鑒別力〔閾〕和示值誤差等。為了達(dá)到測(cè)量的預(yù)定要求，測(cè)量?jī)x器必須具有符合規(guī)范要求的計(jì)量學(xué)特性。 
確定測(cè)量?jī)x器的特性，并簽發(fā)關(guān)于其法定地位的官方文件，稱為測(cè)量?jī)x器控制。這種控制可包括對(duì)測(cè)量?jī)x器的下列運(yùn)作中的一項(xiàng)、兩項(xiàng)或三項(xiàng): 
--型式批準(zhǔn)； 
--檢定； 
--檢驗(yàn)。 
這些工作的目的是要確定測(cè)量?jī)x器的特性是否符合相關(guān)技術(shù)法規(guī)中規(guī)定的要求。型式批準(zhǔn)是由政府計(jì)量行政部門做出的承認(rèn)測(cè)量?jī)x器的型式符合法定要求的決定。所謂型式，是指某一種測(cè)量?jī)x器的樣機(jī)及(或)它的技術(shù)文件(例如:圖紙、設(shè)計(jì)資料等)，實(shí)質(zhì)上就是該種測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)、技術(shù)條件和所表現(xiàn)出來的性能。 
檢定是查明和確認(rèn)測(cè)量?jī)x器是否符合法定要求的程序，它包括檢查、加標(biāo)記和(或)出具檢定證書。檢驗(yàn)是對(duì)使用中測(cè)量?jī)x器進(jìn)行監(jiān)督的重要手段，其內(nèi)容包括檢查測(cè)量?jī)x器的檢定標(biāo)記或檢定證書是否有效、保護(hù)標(biāo)記是否損壞、檢定后測(cè)量?jī)x器是否遭到明顯改動(dòng)，以及其誤差是否超過使用中最大允許誤差等。 
(一)標(biāo)稱范圍、量程和測(cè)量范圍
測(cè)量?jī)x器的操縱器件調(diào)到特定位置時(shí)可得到的示值范圍，稱為標(biāo)稱范圍。此時(shí)的示值范圍是與測(cè)量?jī)x器的整體相聯(lián)系的，是指標(biāo)尺所指示的被測(cè)量值可得到的范圍。標(biāo)稱范圍通常以被測(cè)量的單位表示，而不管標(biāo)尺上所標(biāo)的單位是什么。例如:一臺(tái)萬用表，把操縱器件調(diào)到×10一擋，其標(biāo)尺上、下限的數(shù)碼為0～10，則其標(biāo)稱范圍為(0～100)V。標(biāo)稱范圍一般用上限和下限說明，例如:(100～200)℃。當(dāng)下限(即最小值)為零時(shí)，標(biāo)稱范圍一般只用其上限(即最大值)來表示，例如:(0～100)v的電壓表，其標(biāo)稱范圍可表示為100V。 
標(biāo)稱范圍的上限與下限之差的絕對(duì)值，稱為量程。例如:某溫度計(jì)的標(biāo)稱范圍為(-30～80)℃，則其量程為|80-(-30)|℃=110℃；某電壓表的標(biāo)稱范圍為100V，則其量程為|100-0|V=100V。 
測(cè)量范圍，也稱為工作范圍，是指測(cè)量?jī)x器的誤差處于規(guī)定的極限范圍內(nèi)的被測(cè)量的示值范圍。在這一規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)使用，測(cè)量?jī)x器的示值誤差必處在允許極限內(nèi)；而若超出測(cè)量范圍使用，示值誤差就將超出允許極限。換言之，測(cè)量范圍就是在正常工作條件下，能確保測(cè)量?jī)x器規(guī)定準(zhǔn)確度的被測(cè)量值的范圍。 
有些測(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍與其標(biāo)稱范圍相同，例如體溫計(jì)、電流表、壓力表、密度計(jì)等。而有的測(cè)量?jī)x器處在下限時(shí)的相對(duì)誤差會(huì)急劇增大，例如地秤，這時(shí)應(yīng)規(guī)定一個(gè)能確保其示值誤差處在規(guī)定極限內(nèi)的示值范圍作為測(cè)量范圍�？梢�，測(cè)量范圍總是等于或小于標(biāo)稱范圍。 
注意正確區(qū)別和掌握示值范圍、標(biāo)稱范圍、測(cè)量范圍和量程的概念。示值范圍是指測(cè)量?jī)x器標(biāo)尺或顯示裝置所能指示的范圍，可用標(biāo)在標(biāo)尺或顯示器上的單位表示；標(biāo)稱范圍是對(duì)測(cè)量?jī)x器整體而言的，通常用被測(cè)量的單位表示；測(cè)量范圍是指能保證規(guī)定準(zhǔn)確度、使誤差處于規(guī)定極限內(nèi)的量值范圍；量程則是指標(biāo)稱范圍上、下限之差的絕對(duì)值。 
(二)額定操作條件、極限條件和參考條件 
額定操作條件是指測(cè)量?jī)x器的正常工作條件，也就是使測(cè)量?jī)x器的規(guī)定計(jì)量特性處于給定極限內(nèi)的使用條件。在這些條件中，一般包括被測(cè)量和影響量的范圍或額定值，只有在規(guī)定的范圍或額定值下使用，測(cè)量?jī)x器才能達(dá)到規(guī)定的計(jì)量特性或規(guī)定的示值允許誤差值。例如:工作壓力表測(cè)量范圍的上限為10MPa，則壓力的最大值只能加到10MPa；額定電流為10A的電能表，其輸入電流不得超過10A。在使用測(cè)量?jī)x器時(shí)，搞清額定操作條件十分重要，只有滿足這些條件，才能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。 
測(cè)量?jī)x器的規(guī)定計(jì)量特性不受損也不降低，其后仍可在額定操作條件下運(yùn)行所能承受的極端條件，稱為極限條件。極限條件應(yīng)規(guī)定被測(cè)量和影響量的極限值。例如:有些測(cè)量?jī)x器可以進(jìn)行測(cè)量上限之上10%的超載試驗(yàn)，在包裝條件下的振動(dòng)試驗(yàn)，(-40～+50)℃的溫度試驗(yàn)或95%RH以上的濕度試驗(yàn)等，這些都屬于測(cè)量?jī)x器的極限條件。 
參考條件是指測(cè)量?jī)x器在性能試驗(yàn)或進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)、比對(duì)時(shí)的使用條件，即標(biāo)準(zhǔn)工作條件，或稱為標(biāo)準(zhǔn)條件。這些條件一般應(yīng)對(duì)作用于測(cè)量?jī)x器的影響量的參考值或參考范圍做出明確規(guī)定，以真正反映測(cè)量?jī)x器的計(jì)量性能和保證測(cè)量結(jié)果的可比性。 
注意正確區(qū)別和掌握額定操作條件、極限條件和參考條件。前者是測(cè)量?jī)x器正常使用的條件，后者是為確定測(cè)量?jī)x器本身計(jì)量性能所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件，中者則是儀器不受損壞和不降低準(zhǔn)確度所允許的極端條件。在這三者中，參考條件的要求最嚴(yán)，額定操作條件則較寬，而極端條件的范圍和額定值為最大。
(三)示值誤差和最大允許誤差
示值就是由測(cè)量?jī)x器所指示的被測(cè)量值。測(cè)量?jī)x器的示值誤差是測(cè)量?jī)x器示值與對(duì)應(yīng)的輸入量的真值之差，它是測(cè)量?jī)x器最主要的計(jì)量特性之一，本質(zhì)上反映了測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確度的大小，即測(cè)量?jī)x器給出接近于真值的響應(yīng)的能力。示值誤差大，則其準(zhǔn)確度低；示值誤差小，則其準(zhǔn)確度高。 
示值誤差是相對(duì)真值而言的，由于真值不能確定，實(shí)際上使用的是約定真值或?qū)嶋H值。為確定測(cè)量?jī)x器的示值誤差，當(dāng)接受高等級(jí)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)時(shí)，該測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器復(fù)現(xiàn)的量值即為約定真值，通常稱為實(shí)際值、校準(zhǔn)值或標(biāo)準(zhǔn)值。所以，指示式測(cè)量?jī)x器的示值誤差=示值-實(shí)際值，實(shí)物量具的示值誤差=標(biāo)稱值-實(shí)際值。 
例如:被檢電流表的示值I為40A時(shí)，用標(biāo)準(zhǔn)電流表檢定，其電流實(shí)際值為I0=39A，則示值40A的誤差Δ為: 
Δ=I-I0=(40-39)A=1A 即該電流表的示值比其約定真值大1A。 
又如:某工作玻璃量具的容量的標(biāo)稱值v為1000mL，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)玻璃量具檢定，其容量實(shí)際值v0為1005mL，則量具的示值誤差Δ為: 
Δ=v-v0=(1000-1005)mL=-5mL 即該工作量具的標(biāo)稱值比其約定真值小5mL。 
測(cè)量?jī)x器示值誤差，通常簡(jiǎn)稱為測(cè)量?jī)x器的誤差，可用絕對(duì)誤差形式表示，也可用相對(duì)誤差形式表示。確定測(cè)量?jī)x器示值誤差的大小，是為了判定測(cè)量?jī)x器是否合格，并獲得其示值的修正值。 
對(duì)給定的測(cè)量?jī)x器，由規(guī)范、規(guī)程等所允許的誤差極限值，稱為測(cè)量?jī)x器的最大允許誤差。通�？珊�(jiǎn)寫為mpe，有時(shí)也稱為測(cè)量?jī)x器的允許誤差限。 
示值誤差和最大允許誤差均是對(duì)測(cè)量?jī)x器本身而言的。最大允許誤差是指技術(shù)規(guī)范(例如標(biāo)準(zhǔn)、檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范)所規(guī)定的允許的誤差極限值，它是一個(gè)判定測(cè)量?jī)x器合格與否的規(guī)定的要求；而示值誤差則是指測(cè)量?jī)x器某一示值的誤差的實(shí)際大小，它是通過檢定、校準(zhǔn)所得到的一個(gè)值或一組值，用以評(píng)價(jià)測(cè)量?jī)x器是否滿足最大允許誤差的要求，從而判斷其是否合格，或者根據(jù)實(shí)際需要提供修正值，以提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。 
(四)靈敏度 
測(cè)量?jī)x器響應(yīng)的變化除以對(duì)應(yīng)的激勵(lì)變化，稱為靈敏度。它反映測(cè)量?jī)x器被測(cè)量(輸入)變化引起儀器示值(輸出)變化的程度，用被觀察變量的增量(即響應(yīng)或輸出量)與相應(yīng)被測(cè)量的增量(即激勵(lì)或輸入量)之商來表示。如果被測(cè)量變化很小，而引起的示值改變(輸出量)很大，則該測(cè)量?jī)x器的靈敏度很高。 
靈敏度是測(cè)量?jī)x器重要的計(jì)量特性之一，其值應(yīng)與測(cè)量目的相適應(yīng)，并不是越高越好。例如:為了方便讀數(shù)，及時(shí)地使示值穩(wěn)定下來，有時(shí)還需要施加阻尼，特意降低靈敏度。 
(五)分辨力 
顯示裝置能有效辨別的最小的示值差，稱為顯示裝置的分辨力，或簡(jiǎn)稱為分辨力。它是指顯示裝置中對(duì)其最小示值的辨別能力。模擬式顯示裝置的分辨力，通常為標(biāo)尺分度值的一半，即用肉眼可以分辨到一個(gè)分度值的1/2；當(dāng)然也可以采取其他工具，例如放大鏡、讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡等來提高分辨力。 
對(duì)于數(shù)字式顯示裝置，其分辨力為末位數(shù)字的一個(gè)數(shù)碼。對(duì)半數(shù)字式的顯示裝置，其分辨力為末位數(shù)字的一個(gè)分度。顯然，分辨力高可以降低讀數(shù)誤差，從而減少由于讀數(shù)誤差引起的對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 
(六)穩(wěn)定性和漂移 
穩(wěn)定性通常是指測(cè)量?jī)x器保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力。若穩(wěn)定性不是對(duì)時(shí)間而言，而是對(duì)其他量而言，則應(yīng)予明確說明。穩(wěn)定性通常用以下兩種方式定量地表征: 
(1)計(jì)量特性變化某個(gè)規(guī)定的量所經(jīng)歷的時(shí)間； 
(2)計(jì)量特性經(jīng)過規(guī)定的時(shí)間所發(fā)生的變化量。 
例如:標(biāo)準(zhǔn)電池對(duì)其長(zhǎng)期穩(wěn)定性(電動(dòng)勢(shì)的年變化幅度)和短期穩(wěn)定性(電動(dòng)勢(shì)在3～5天內(nèi)的變化幅度)，分別提出了明確的要求；量塊的穩(wěn)定性，則以規(guī)定長(zhǎng)度每年的允許最大變化量(微米/年)進(jìn)行考核。 
對(duì)于測(cè)量?jī)x器，尤其是測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)或某些實(shí)物量具，穩(wěn)定性是重要的計(jì)量特性之一。測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生不穩(wěn)定的因素很多，主要原因是元器件的老化、零部件的磨損，以及使用、儲(chǔ)存、維護(hù)工作不細(xì)致等所致。對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行周期檢定或定期校準(zhǔn)，就是對(duì)其穩(wěn)定性的一種考核。 
漂移是測(cè)量?jī)x器計(jì)量特性的慢變化。它反映了在規(guī)定的條件下，測(cè)量?jī)x器計(jì)量特性隨時(shí)間的慢變化，諸如在幾分鐘、幾十分鐘或幾小時(shí)內(nèi)，保持其計(jì)量特性恒定的能力。例如:測(cè)量?jī)x器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的零點(diǎn)漂移，線性測(cè)量?jī)x器靜態(tài)特性隨時(shí)間變化的量程漂移。 
漂移往往是由于溫度、壓力、濕度等外界變化所致，或由于儀器本身性能的不穩(wěn)定所致。測(cè)量?jī)x器使用前采取預(yù)熱、預(yù)先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)放置一段時(shí)間與室溫等溫，就是減少漂移的一些措施。 

三、測(cè)量?jī)x器的選用原則 

選用測(cè)量?jī)x器應(yīng)從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，使其計(jì)量特性(如最大允許誤差、穩(wěn)定性、測(cè)量范圍、靈敏度、分辨力等)適當(dāng)?shù)貪M足預(yù)定的要求，既要夠用，又不過高。 
(一)技術(shù)性 
在選擇測(cè)量?jī)x器的最大允許誤差時(shí)，通常應(yīng)為測(cè)量對(duì)象所要求誤差的1/3～1/5，若條件不許可，也可為1/2，當(dāng)然此時(shí)測(cè)量結(jié)果的置信水平就相應(yīng)下降了。 
在選擇測(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍時(shí)，應(yīng)使其上限與被測(cè)量值相差不大而又能覆蓋全部量值。 
在選擇靈敏度時(shí)，應(yīng)注意靈敏度過低會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度，過高又難于及時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)。 
在正常使用條件下，測(cè)量?jī)x器的穩(wěn)定性很重要，它表征測(cè)量?jī)x器的計(jì)量特性隨時(shí)間長(zhǎng)期不變的能力。一般來說，人們都要求測(cè)量?jī)x器具有高的可靠性；在極重要的情況下，比如在核反應(yīng)堆、空間飛行器中，為確保萬無一失，有時(shí)還要選備兩套相同的測(cè)量?jī)x器。 
在選擇測(cè)量?jī)x器時(shí)，應(yīng)注意該儀器的額定操作條件和極限條件。這些條件給出了被測(cè)量值的范圍、影響量的范圍以及其他重要的要求，以使測(cè)量?jī)x器的計(jì)量特性處于規(guī)定的極限之內(nèi)。 
此外，還應(yīng)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的測(cè)量?jī)x器，以便于安裝、使用、維修和更換。 
(二)經(jīng)濟(jì)性 
測(cè)量?jī)x器的經(jīng)濟(jì)性是指該儀器的成本，它包括基本成本、安裝成本及維護(hù)成本。基本成本一般是指設(shè)計(jì)制造成本和運(yùn)行成本。對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)過程中使用的測(cè)量?jī)x器，安裝成本中還應(yīng)包括安裝時(shí)生產(chǎn)過程的停頓損失費(fèi)(停機(jī)費(fèi))。通常認(rèn)為，首次檢定費(fèi)應(yīng)計(jì)人安裝成本，而周期檢定費(fèi)應(yīng)計(jì)入維護(hù)成本。這就意味著，應(yīng)考慮和選擇易于安裝、容易維修、互換性好、校準(zhǔn)簡(jiǎn)單的測(cè)量?jī)x器。 
測(cè)量準(zhǔn)確度的提高，通常伴隨著成本的上升。如果提出過高的要求，采用超越測(cè)量目的的高性能的測(cè)量?jī)x器，而又不能充分利用所得的數(shù)據(jù)，那將是很不經(jīng)濟(jì)，也是毫無必要的。此外，從經(jīng)濟(jì)上來說，應(yīng)選用誤差分配合理的測(cè)量?jī)x器來組成測(cè)量裝置。