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測量儀器的分類和特性:
測量儀器是計量學(xué)研究中的一個基本內(nèi)容。在測量活動中,與我們接觸得*多的就是測量儀器,任何測量結(jié)果也都是通過測量儀器獲得的。因此,計量管理的職能者必須增加對測量儀器的了解程度。

一、測量儀器的多種稱謂及其分類

在日常的測量活動中,可以用許多不同的術(shù)語來描述所使用的儀器及裝置,這些術(shù)語之

1.1多種多樣的稱謂間并不相互排斥

(1)測量儀器

計量器具工具

單獨或與一個或多個輔助設(shè)備組合,用于進(jìn)行測量的裝置。

注1:一臺可單獨使用的測量儀器是一個測量系統(tǒng)。

注2:測量儀器可以是指示式測量儀器,也可以是實物量具。

計量器具工具

測量儀器是用來測量,并能得到被測的量的值的一種技術(shù)工具、儀器、物質(zhì)或裝置的稱。有些測量儀器可以單獨完成測量,如:體溫計、電壓表、直尺、度盤秤等;而有些測量儀器卻需與其它的測量儀器和(或)輔助設(shè)備一起使用,才可以完成測量,如:砝碼、熱電偶、標(biāo)準(zhǔn)電阻、百分表、水準(zhǔn)儀等。

對這同一對象,在我國現(xiàn)行的計量法律、計量技術(shù)法規(guī)中,稱它為計量器具;而在法制計量以外的領(lǐng)域,它則通常被稱為測量儀器。在國際上,一般都稱其為測量儀器(measuring

instrument)在我國的計量技術(shù)規(guī)范JJF1001-2011中規(guī)定:測量儀器與計量器具指稱的是同一對象,這兩種術(shù)語稱謂是同義的。

測量儀器(計量器具)根據(jù)需要,可以按其的計量學(xué)用途或其在量值溯源中的作用進(jìn)行分類;又可以按其結(jié)構(gòu)形式和功能特點進(jìn)行分類:也可以按其信號輸出形式、測量工作原理、特定的用途、準(zhǔn)確度等級等各種特征來進(jìn)行分類。

(2)測量系統(tǒng)

一套組裝的并適用于特定量在規(guī)定區(qū)間內(nèi)給出測得值信息的一臺或多臺測量儀器,通常還包括其他裝置,諸如試劑和電源。

注:一個測量系統(tǒng)可以僅包括一臺測量儀器。

測量系統(tǒng)是指用于特定測量目的、由全套測量儀器或和有關(guān)的其他裝置所形成的一個系統(tǒng)裝置的組合整體。這里的全套測量儀器應(yīng)包括各種測量儀器、實物量具、測量傳感器或參考物質(zhì)。建立測量系統(tǒng)的目的是為了便于操作,提高測量儀器的可靠性和工作效率,減少其影響量的影響程度和提高測量準(zhǔn)確度等。從定義上看,測量系統(tǒng)是由各種測量儀器與其他裝置組合,也可以隨時拆卸。對一些小型的測量系統(tǒng),我國慣上稱其為測量裝置。從測量系統(tǒng)的新定義的注中看,僅包括一臺測量儀器時也可以稱其為測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)按其自動化程度,可分為手動、半自動或自動測量系統(tǒng);按被測量的個數(shù)又可區(qū)分為單參量(單回路)或多參量(多回路)測量系統(tǒng)。

(3)實物量具

具有所賦量值,使用時以固定形態(tài)復(fù)現(xiàn)或提供一個或多個量值的測量儀器。

一例:a)標(biāo)準(zhǔn)砝碼;

b)容積量器(提供單個或多個量值、帶或不帶量的標(biāo)尺)

c)標(biāo)準(zhǔn)電阻器;

d)線紋尺;

e)量塊;冬、

f)標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器;

g)有證參考物質(zhì)。

注1:實物量具的示值是其所賦的量值。

標(biāo)

注2:實物量具可以是測量標(biāo)準(zhǔn)實物量具的主要特征是在使用時其能夠以固定形態(tài)復(fù)現(xiàn)或提供某個量的一個或多個量值。這里所述的固定形態(tài),應(yīng)理解為這類測量儀器是一種摸得著、看得見的實體,其輸入量與輸出值始終保持一致。并具有恒定的物理化學(xué)狀態(tài),以保證在使用時能確定地復(fù)現(xiàn)并保持其所賦予的量值。定義中的量值應(yīng)理解為其的數(shù)值、測量單位及其測量不確定度均為已知。

實物量具按其復(fù)現(xiàn)或提供的量值來看,又可以分為單值測量儀器和多值測量儀器。單值測量儀器如:量塊、標(biāo)準(zhǔn)電池、標(biāo)準(zhǔn)砝碼、不帶量的標(biāo)尺的容積量器、有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等,它們均不帶量的標(biāo)尺;多值測量儀器如:線紋尺、標(biāo)準(zhǔn)電阻器、帶量的標(biāo)尺的容積量器、標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器等,它們則帶有標(biāo)尺。多值測量儀器也可包含成套量具,如:標(biāo)準(zhǔn)砝碼組、量塊組等。

實物量具從工作方式來分,又可以分為從屬測量儀器和獨立測量儀器。必須借助其他測量儀器才能進(jìn)行測量的稱為從屬測量儀器,如標(biāo)準(zhǔn)砝碼,其只有借助天平或質(zhì)量比較儀才能進(jìn)行質(zhì)量的測量;不必借助其他測量儀器即可進(jìn)行測量的則稱為獨立測量儀器,如:直尺、量杯等。

必須注意實物量具與一般測量儀器的區(qū)別。實物量具本身所復(fù)現(xiàn)或提供的已知量值即給定量的所賦量值,就是其量值的實際大小。而一般測量儀器所指示的量值則往往是一種等效信息,如體溫計所指示的溫度,它自身并不能提供一個實際溫度值,而只是一種等效信息。

幾何量計量中的長度類測量儀器如:游標(biāo)卡尺、千分尺、百分表等,通常被人們慣稱為“通用量具”,但按照定義它們并不屬于實物量具。

有證參考物質(zhì)按定義均應(yīng)屬于測量儀器中的實物量具。

用于測量標(biāo)準(zhǔn)目的的測量儀器中有很多都屬于實物量具。

4)測量傳感器

用于測量的,提供與輸入量有確定關(guān)系的輸出量的器件或器具。

例:a)熱電偶;

b)電流互感器;

c)應(yīng)變片;

d)pH電極;

e)波登管;

測量傳感器的作用就是按照已確定的對應(yīng)關(guān)系,將輸入的被測量變換成易測量或易處理f)雙金屬片。的另一種量,或大、小適當(dāng)?shù)耐环N量的再輸出。在實踐中,一些被測量往往不能找到能將它與已知量值直接進(jìn)行比較的測量儀器來測量或者因其測量準(zhǔn)確度太低,如:溫度、流量、加速度等量,直接同它們的參考量值比較是相當(dāng)困難的。但可以將輸入量變換成其

它形式的量,如:電流、電壓、電阻等易測量的電學(xué)量;或變換成大、小不同的同種量,如:將大電流變換成較易測量的安培量級的電流這種用于測量目的的器件或器具就約定稱其為測量傳感器。通常直接輸入測量傳感器的量就是被測量。如:熱電偶輸入量為溫度,經(jīng)其轉(zhuǎn)變后輸出量為熱電動勢,根據(jù)溫度與其熱電動勢的對應(yīng)關(guān)系,可以從溫度指示儀或電子電位差計上得到被測量的溫度值。所以熱電偶就被稱為溫度傳感器。

測量傳感器的種類很多。按被測量來分類,可分為溫度傳感器、力值傳感器、壓力傳感器、應(yīng)變傳感器、速度傳感器、位移傳感器、化學(xué)傳感器、電學(xué)傳感器等等;按測量原理分類,可分為電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、熱敏式傳感器、壓電式傳感有時提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的器件,并不直接作用與被測量,而是測量儀器器、光電式傳感器等等。

通道中間的某個環(huán)節(jié),或是測量儀器本身內(nèi)部的某一部件,則這種部件亦被稱為測量變換器;若輸入和輸出的為同種量,亦被稱為測量放大器;輸出量為標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器通常也被稱為測量變送器。

(5)虛擬儀器

通常由計算機(jī)、模塊化的儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分構(gòu)成的、虛擬的測量儀器。

注:虛擬儀器從其外形上看,即是一臺由計算機(jī)操縱的儀器或設(shè)備或裝置,而實質(zhì)上其具備了特定的測量功能。對于虛擬儀器,國際上目前尚無一個*的定義。上述的模塊化儀器硬件,應(yīng)按測量傳感器的定義去理解;計算機(jī)則按通常意義去理解;而應(yīng)用軟件部分,其主要指的是虛擬儀器中的測量和控制、以及數(shù)值處理軟件,這與測量設(shè)備的定義中的軟件部分相吻合。其實質(zhì)就是一臺由計算機(jī)軟件控制的測量儀器。虛擬儀器的整套構(gòu)成,在某種意義上可理解為是一個測量系統(tǒng)。

虛擬儀器是充分利用計算機(jī)技術(shù),并可由用戶自行設(shè)計、自己定義的儀器。軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心。虛擬儀器通過軟件將計算機(jī)硬件資源與模塊化儀器硬件有機(jī)地融為一體,從而把計算機(jī)強(qiáng)大的、快速的計算處理能力和測量傳感器的測量信號輸出能力,以及其它儀器、儀表裝置的控制能力結(jié)合在一起,并通過軟件實現(xiàn)對測量結(jié)果的顯示、存儲以及分析、處理、控制過程。

虛擬儀器可在計算機(jī)上完成各類信號的分析與處理測量結(jié)果的表達(dá)與輸送,或?qū)?shù)值采集卡插入計算機(jī)接口,把儀器信號采集(包括測量傳感器電路、信號調(diào)整電路)、信號分析與處理、測量結(jié)果表達(dá)與輸送三個部分全都放到計算機(jī)上來實現(xiàn)。并用軟件在顯示屏上生成測量儀器的模擬控制圖,進(jìn)行信號分析和處理,進(jìn)而可以完成多種類型的非常態(tài)量、動態(tài)量、連續(xù)量及多參數(shù)量的檢測及控制。

虛擬儀器所具有的*技術(shù)的一些共同特征,使其突破了傳統(tǒng)測量儀器在數(shù)值處理、表達(dá)、傳輸、存儲等方面的限制,并能在測量自動化程度、瞬間快速地取得準(zhǔn)確的多測量結(jié)果等方面得到升華。

虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用,也給我們帶溯源性(既GB/T19001-2008/ISO9001:208標(biāo)準(zhǔn)的7.6條中“當(dāng)計算機(jī)軟件用于規(guī)定來了一些新的管理和技術(shù)問題,如:虛擬儀器的計量要求的監(jiān)視和測量時,應(yīng)確認(rèn)其滿足于其用途的能力?！焙虶B/T19022-2003/SO10012:003標(biāo)準(zhǔn)的6.2.2條中“軟件及其任何修改在啟用前應(yīng)進(jìn)行測試和(或)確認(rèn),并經(jīng)批準(zhǔn)和存檔。”要求的本意)如何來實現(xiàn)其的計量溯源性、測量不確定度的評估、計算機(jī)程序的安全性和可靠性管理等等,留待我們在現(xiàn)時及今后去探討、去解決。

(6)測量鏈

從敏感器到輸出單元構(gòu)成的單一信號通道,測量系統(tǒng)中的單元系列。

例:a)由傳聲器、衰減器、濾波器、放大器和電壓表構(gòu)成的電聲測量鏈;

b)由波登管、杠桿系統(tǒng)、兩個齒輪和機(jī)械刻度盤構(gòu)成的機(jī)械測量鏈

測量鏈?zhǔn)侵笢y量儀器或測量系統(tǒng)從測量信號輸入到輸出所形成的一個信號通道,這一通道由一系列單元所組成。如:由定義的例中列舉的電聲測量鏈、機(jī)械測量鏈;又如:由熱電偶、測量電路、電子放大器、傳動系統(tǒng)、指示器和(或)記錄器所組成的溫度測量鏈等。通過對測量鏈的分析,有利于加深對測量儀器的原理結(jié)構(gòu)及其計量特性的理解。

(7)測量標(biāo)準(zhǔn)

具有確定的量值和相關(guān)聯(lián)的測量不確定度,實現(xiàn)給定量定義的參照對象。

t例:a)具有標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度為3μg的1kg質(zhì)量測量標(biāo)準(zhǔn);

b)具有標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度為1μ2的100Ω測量標(biāo)準(zhǔn)電阻器;

c)具有相對標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度為2×1015的銫頻率標(biāo)準(zhǔn);

d)量值為7.072,其標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度為0.006的氫標(biāo)準(zhǔn)電極;

e)每種溶液具有測量不確定度的有證量值的一組人體血清中的可的松參考溶液;

f)對10種不同蛋白質(zhì)中每種的質(zhì)量濃度提供具有測量不確定度的量值的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

注1:在我國,測量標(biāo)準(zhǔn)按其用途分為計量基準(zhǔn)和計量標(biāo)準(zhǔn)。

注2:給定量的定義可通過測量系統(tǒng)、實物量具或有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)復(fù)現(xiàn)。

注3:測量標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常作為參照對象用于為其他同類量確定量值及其測量不確定度并通過其他測量標(biāo)準(zhǔn)、測量儀器、或測量系統(tǒng)對其進(jìn)行校準(zhǔn),確立其計量溯源性。

注4:這里所用的“實現(xiàn)”是按一般意義說的“實現(xiàn)”有三種方式:一是根據(jù)定義,物理實現(xiàn)測量單位,這是嚴(yán)格意義上的實現(xiàn);二是基于物理現(xiàn)象建立可高度復(fù)現(xiàn)的測量標(biāo)準(zhǔn),它不是根據(jù)定義實現(xiàn)的測量單位所以稱“復(fù)現(xiàn)”,如使用穩(wěn)頻激光器建立米的測量標(biāo)準(zhǔn),利用約瑟夫森效應(yīng)建立伏特測量標(biāo)準(zhǔn)或利用霍爾效應(yīng)建立歐姆測量標(biāo)準(zhǔn);三是采用實物量具作為測量標(biāo)準(zhǔn),如1kg的質(zhì)量測量標(biāo)準(zhǔn)。

注5:測量標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度是用該測量標(biāo)準(zhǔn)獲得的測量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的一個分量。通常,該分量比合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的其他分量小。

注6:量值及其測量不確定度必須在測量標(biāo)準(zhǔn)使用的當(dāng)時確定。

注7:幾個同類量或不同類量可由一個裝置實現(xiàn),該裝置通常也稱測量標(biāo)準(zhǔn)

注8:術(shù)語“測量標(biāo)準(zhǔn)”有時也用于表示其他計量工具,例如“軟件測量標(biāo)準(zhǔn)”(見ISO5436-2)測量標(biāo)準(zhǔn),是測量標(biāo)準(zhǔn)器及其必要組合的統(tǒng)稱,其中又可細(xì)分為若干種。在定義中,已明確了研制和建立測量標(biāo)準(zhǔn)的目的、測量標(biāo)準(zhǔn)的作用、以及它的構(gòu)成性質(zhì)。在我國,測量標(biāo)準(zhǔn)又明確地被分作計量基準(zhǔn)和計量標(biāo)準(zhǔn)兩大類且各自的地位和作用在《人民計量法》中已予闡明。而在當(dāng)今的國際社會中,它們通常都被稱作測量標(biāo)準(zhǔn)。有足夠均勻和穩(wěn)定的特定特性的物質(zhì),其特性被證實適用于測量中或標(biāo)稱特性檢查gxlfs8768。