計量培訓：通用計量術(shù)語(yǔ)知識講座

　　四、〔測量?jì)x器的〕重復性

　　測量?jì)x器的重復性是指“在相同測量條件下，重復測量同一個(gè)被測量，測量?jì)x器提供相近示值的能力”(見(jiàn)JJF1001-1998   7.27條，以下簡(jiǎn)稱(chēng)條款)。就是指在相同測量條件下，重復測量同一個(gè)被測量，其測量?jì)x器示值的一致程度。又簡(jiǎn)稱(chēng)為重復性。
　　相同的測量條件主要包括:相同的測量程序；相同的觀(guān)測者；在相同條件下使用相同的測量設備；在相同地點(diǎn)；在短時(shí)間內重復。
　　測量?jì)x器的重復性，即多次測量同一量，其示值的變化，實(shí)質(zhì)上反映了測量?jì)x器示值的隨機誤差分量，所以重復性可以用示值的分散性定量地表示，這也是衡量測量?jì)x器計量性能的指標之一。
　　要區別測量?jì)x器的重復性、測量結果的重復性及示值變動(dòng)性的概念。測量?jì)x器的重復性是對測量?jì)x器的示值而言，而測量結果的重復性是針對測量結果而言，而有的長(cháng)度測量?jì)x器，經(jīng)常使用“示值變動(dòng)性”或“示值變化”，它是指在測量條件不作任何改變的情況下，對同一被測的量多次重復測量讀數，其結果的最大差異，實(shí)質(zhì)上反映了測量?jì)x器示值讀數機構的重復性，一般在不改變被測量的安裝位置，主要考核讀數機構引起的示值變化，從概念上講和重復性是有一定差異的。    

　　五、穩定性

　　穩定性是指“測量?jì)x器保持其計量特性隨時(shí)間恒定的能力”(7.14條)。通常穩定性是指測量?jì)x器的計量特性隨時(shí)間不變化的能力。若穩定性不是對時(shí)間而言，而是對其他量而言，則應該明確說(shuō)明。穩定性可以進(jìn)行定量的表征，主要是確定計量特性隨時(shí)間變化的關(guān)系。通?？梢杂靡韵聝煞N方式:用計量特性變化某個(gè)規定的量所需經(jīng)過(guò)的時(shí)間，或用計量特性經(jīng)過(guò)規定的時(shí)間所發(fā)生的變化量來(lái)進(jìn)行定量表示。例如:對于標準電池，對其長(cháng)期穩定性(電動(dòng)勢的年變化幅度)和短期穩定性(3～5天內電動(dòng)勢變化幅度)均有明確的要求；如量塊尺寸的穩定性，以其規定的長(cháng)度每年允許的最大變化量(微米/年)來(lái)進(jìn)行考核，上述穩定性指標均是劃分準確度等級的重要依據。
　　對于測量?jì)x器，尤其是基準、測量標準或某些實(shí)物量具，穩定性是重要的計量性能之一，示值的穩定是保證量值準確的基礎。測量?jì)x器產(chǎn)生不穩定的因素很多，主要原因是元器件的老化、零部件的磨損、以及使用、貯存、維護工作不仔細等所致。測量?jì)x器進(jìn)行的周期檢定或校準，就是對其穩定性的一種考核。穩定性也是科學(xué)合理地確定檢定周期的重要依據之一。    

　　六、超然性

　　超然性是指“測量?jì)x器不改變被測量的能力”(7.15條)。是測量?jì)x器本身從原理、結構、使用上是否存在著(zhù)對被測量值影響的能力。這是測量?jì)x器在設計和使用中應考慮的一個(gè)重要因素。最好是不影響或使其影響減小到最少。實(shí)際上，在進(jìn)行測量時(shí)，測量?jì)x器幾乎不可避免地要影響著(zhù)被測量，存在著(zhù)超然性，因為測量?jì)x器與被測量之間必然有能量和物質(zhì)的消耗，或儀器結構、使用方法對被測量的影響。例如:電流表、電壓表在使用時(shí)會(huì )有電功率的消耗；千分尺、百分表在使用時(shí)存在著(zhù)測量力作用于被測對象；熱電偶測溫時(shí)總伴有與外界的熱交換影響。有的測量?jì)x器由于內部的結構、其傳動(dòng)或指示機構的不平衡性，以及測量方法、使用環(huán)境等都會(huì )對被測量值產(chǎn)生影響，這將會(huì )增大測量?jì)x器的示值誤差，影響測量?jì)x器的準確度。當然也存在著(zhù)具有超然性的測量?jì)x器，如天平，它從儀器的結構和通過(guò)測量方法，如采用替代稱(chēng)量法或交換稱(chēng)量法則可以消除天平不等臂誤差的影響，同時(shí)在同一條件下測量，可以消除其他相應的影響量帶來(lái)的影響，所以這是超然性的。我們應該研究改進(jìn)測量?jì)x器的結構，或研究各種測量方法，來(lái)提高測量?jì)x器的超然性，以減少測量?jì)x器由于各種因素造成的對被測量值的影響。

　　七、靈敏度、鑒別力閾、〔顯示裝置的〕分辨力

　　1.靈敏度
　　靈敏度是指“測量?jì)x器響應的變化除以對應的激勵變化”(7.10條)。是反映測量?jì)x器被測量(輸入)變化引起儀器示值(輸出)變化的程度。它用被觀(guān)察變量的增量即響應(輸出量)與相應被測量的增量即激勵(輸入量)之商來(lái)表示。如被測量變化很小，而引起的示值(輸出量)改變很大，則該測量?jì)x器的靈敏度就高。
　　對于線(xiàn)性測量?jì)x器來(lái)說(shuō)，其靈敏度S為:
　　S==k=常數
　　式中的k叫傳遞系數，當響應y與激勵x是同一種量時(shí)，又叫放大系數。對于非線(xiàn)性的測量?jì)x器，靈敏度宜表示為:
　　S==f′(x)
　　這時(shí)靈敏度隨激勵變化而變化，它是一個(gè)變量，與激勵值有關(guān)。
　　例如:在磁電系儀表中，響應特性是線(xiàn)性關(guān)系，靈敏度就是個(gè)常數；而在電磁系儀表中響應特性呈平方關(guān)系，靈敏度隨激勵值變化。又如電動(dòng)系儀表，測量功率時(shí)靈敏度是個(gè)常數，而測量電流或電壓時(shí)卻又隨激勵值變化。因此，有時(shí)在表述測量?jì)x器的靈敏度時(shí)，往往要指明對哪個(gè)量而言。例如檢流計，就要說(shuō)明是指電流靈敏度還是電壓靈敏度。
　　在某些情況下，還使用下式表示相對靈敏度:
　　
　　式中，x為激勵即輸入的被測量值。
　　靈敏度是測量?jì)x器中一個(gè)十分重要的計量特性，它是反映測量?jì)x器性能的重要指標，但有時(shí)靈敏度并不是越高越好。為了方便讀數，使示值處于穩定，還需要特意降低靈敏度值。

　　2.鑒別力閾
　　鑒別力閾是指“使測量?jì)x器產(chǎn)生未察覺(jué)的響應變化的最大激勵變化，這種激勵變化應緩慢而單調地進(jìn)行”(7.11條)。它是指當測量?jì)x器在某一示值給以一定的輸入，確定某激勵值，這種激勵再緩慢從同一方向逐步增加，開(kāi)始為未察覺(jué)響應的變化，當測量?jì)x器的輸出開(kāi)始有可覺(jué)察的響應變化時(shí)，讀取該激勵值，此輸入的激勵變化稱(chēng)為鑒別力閾。也可簡(jiǎn)稱(chēng)鑒別力，同樣可以在反行程進(jìn)行。
　　例如:在一臺天平的指針產(chǎn)生未覺(jué)察位移的最大負荷變化為10mg，則此天平的鑒別力閾為10mg；如一臺電子電位差計，當同一行程方向輸入量緩慢改變到0.04mV時(shí)，則指針開(kāi)始產(chǎn)生可覺(jué)察的變化，則其鑒別力閾為0.04mV。為了準確地得到其鑒別力閾值，則激勵的變化(輸入量的變化)應緩慢，同時(shí)應在同一行程上進(jìn)行，以消除慣性或內部傳動(dòng)機構的間隙和摩擦。通常一臺測量?jì)x器其鑒別力閾應在同一示值上和對應在標尺上、中、下不同示值范圍正反向行程進(jìn)行測定，則其鑒別力閾值是不同的，則可以按其最大的激勵變化來(lái)表示測量?jì)x器鑒別力閾值。鑒別力閾有時(shí)人們也習慣稱(chēng)為靈敏閾、靈敏限，是同一個(gè)概念。產(chǎn)生鑒別力閾的原因可能與噪聲(內部、外部的)摩擦、阻尼、慣性等有關(guān)，也與激勵值有關(guān)。
　　要注意靈敏度和鑒別力閾的區別和關(guān)系。這是兩個(gè)概念，靈敏度是被測量(輸入量)變化引起了測量?jì)x器示值(輸出量)變化的程度，鑒別力閾是引起測量?jì)x器示值(輸出量)未覺(jué)察變化時(shí)被測量(輸入量)的最大變化。但二者是相關(guān)的，靈敏度越高，其鑒別力閾越??；其靈敏度越低，鑒別力閾越大。如有兩臺檢流計，A臺輸入1mA，光標移動(dòng)10格，B臺輸入1mA，光標移動(dòng)20格，則B臺的靈敏度為20格/mA，比A臺10格/mA高，若人眼睛的分辨力即可覺(jué)察的最小變化量為0.1格，則A臺改變0.1格，將輸入0.01mA，B臺的改變0.1格將輸入0.005mA?？梢?jiàn)B臺的鑒別力閾為0.005mA比A臺的0.01mA小，但B臺的靈敏度比A臺要高。

　　3.〔顯示裝置的〕分辨力
　　顯示裝置的分辨力是指“顯示裝置能有效辨別的最小的示值差”(7.12條)。是顯示裝置中對其最小示值差的辨別能力。通常模擬式顯示裝置的分辨力為標尺分度值的一半，即用肉眼可以分辨到一個(gè)分度值的1/2，當然也可以采取其它工具如放大鏡、讀數望遠鏡等提高其分辨力；對于數字式顯示裝置的分辨力為末位數字的一個(gè)數碼，對半數字式的顯示裝置的分辨力為末位數字的一個(gè)分度。此概念也可以適應記錄式儀器。顯示裝置的分辨力可簡(jiǎn)稱(chēng)為分辨力。
　　要區別分辨力和鑒別力閾的概念，不要把二者相混淆。因為鑒別力閾是須在測量?jì)x器處于工作狀態(tài)時(shí)通過(guò)實(shí)驗才能評估或確定數值，它說(shuō)明響應的未覺(jué)察變化所需要的最大激勵值，而分辨力只須觀(guān)察顯示裝置，即使是一臺不工作的測量?jì)x器即可確定，是說(shuō)明最小示值差的辨別能力。
　　分辨力高可以降低讀數誤差，從而減少由于讀數誤差引起的對測量結果的影響。要提高分辨力，往往有很多因素，如指示儀器可增大標尺間距，要規定刻線(xiàn)和指針寬度，要規定指針和度盤(pán)間的距離等，這些一般在測量?jì)x器的標準或檢定規程中都應規定，因為它直接影響著(zhù)測量的準確度，有的測量?jì)x器則改進(jìn)讀數裝置，如廣泛使用的游標卡尺，它利用游標讀數原理用游標來(lái)提高對卡尺讀數的分辨力，使游標量具的游標讀數值達到0.10、0.05和0.02mm。    

　　八、響應特性、響應時(shí)間

　　1.響應特性
　　響應特性是指“在確定條件下，激勵與對應響應之間的關(guān)系”(7.9條)。這里的激勵就是輸入量或輸入信號，響應就是輸出量或輸出訊號，而響應特性就是輸入輸出特性。對一個(gè)完整的測量?jì)x器來(lái)說(shuō)，激勵就是被測量，而響應就是它對應地給出的示值。顯然，只有準確地確定了測量?jì)x器的響應特性，其示值才能準確地反映被測量值。因此，可以說(shuō)響應特性是測量?jì)x器最基本的特性。
　　該定義中“在確定條件下”是一種必要的限定，因為只有在明確約定的條件下，討論響應特性才有意義。
　　測量?jì)x器的響應特性，在靜態(tài)測量中，測量?jì)x器的輸入x(即待被測量的量值或激勵)和輸出y(即示值或響應)不隨時(shí)間而改變，它的輸入/輸出特性或靜態(tài)響應特性可用下式表示:
　　y=f(x)
　　此關(guān)系可以建立在理論或實(shí)驗的基礎上，除了上述表述外，也可以用數表或圖形表示。對于具有線(xiàn)性標尺的測量?jì)x器，其靜態(tài)響應特性為:
　　y=kx
　　式中k是測量?jì)x器本身的一些固定參數值確定的常數。這是線(xiàn)性測量?jì)x器響應特性的普遍表示式。只要k值一經(jīng)確定，響應特性也就完全確定。
　　確定了線(xiàn)性測量?jì)x器的靜態(tài)響應特性，就可以方便地根據它來(lái)研究測量?jì)x器的一系列靜態(tài)特性(即用于測量靜態(tài)量時(shí)測量?jì)x器所呈現的特性)，如靈敏度、線(xiàn)性、滯后、漂移等特性及由它們引起的測量誤差。
　　測量?jì)x器的動(dòng)態(tài)響應特性，在動(dòng)態(tài)測量中，測量?jì)x器的激勵或輸入按時(shí)間t的函數而改變，其響應或輸出也是時(shí)間的函數，一般認為它們之間的關(guān)系可以用常系數微分方程來(lái)描述，用拉普拉斯積分變換來(lái)求解常系數線(xiàn)性微分方程十分方便，當激勵按時(shí)間函數變化時(shí)，傳遞函數(響應的拉普拉斯變換除以激勵的拉普拉斯變換)是響應特性的一種形式。

　　2.響應時(shí)間
　　響應時(shí)間是指“激勵受到規定突變的瞬間，與響應達到并保持其最終穩定值的規定極限內的瞬間，這兩者之間的時(shí)間間隔”(7.17條)。這是測量?jì)x器動(dòng)態(tài)響應特性的重要參數之一。是指對輸入輸出關(guān)系的響應特性中，考核隨著(zhù)激勵的變化其響應時(shí)間反映的能力，當然越短越好，響應時(shí)間短則反映指示靈敏快捷，有利于進(jìn)行快速測量或調節控制。如動(dòng)圈式溫度指示調節儀，其性能上有一條規定，即阻尼時(shí)間，要求給儀表突然加上相當于標尺幾何中心點(diǎn)的被測量(毫伏值或電阻值)的瞬時(shí)起至指針距最后靜止位置不大于標尺弧長(cháng)±10%的范圍為止，這個(gè)時(shí)間間隔對張絲支承儀表不超過(guò)7秒，對軸承、軸尖支承儀表不超過(guò)10秒，這一阻尼時(shí)間就是響應時(shí)間，正是由于動(dòng)圈儀表是由張絲或軸承支承，指針在測量過(guò)程中要穩定下來(lái)需要有一定時(shí)間，其調節性能不夠理想、應用范圍受到一定限制。對于線(xiàn)性一階測量?jì)x器來(lái)說(shuō)，響應時(shí)間就是它的時(shí)間常數。    

　　九、漂移

　　漂移是指“測量?jì)x器計量特性的慢變化”(7.16條)。這是反映在規定條件下，測量?jì)x器計量特性隨時(shí)間的慢變化，如在幾分鐘、幾十分鐘或多少小時(shí)內保持其計量特性恒定能力的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。如有的測量?jì)x器所指的零點(diǎn)漂移，有的線(xiàn)性測量?jì)x器靜態(tài)特性隨時(shí)間變化的量程漂移。如原子吸收光譜儀的一種冷原子吸收測汞儀，則規定在外接交流穩壓器、輸出端接10mV記錄儀，儀器預熱2小時(shí)后，測定半小時(shí)內零點(diǎn)的最大漂移應小于0.1mV。又如熱導式氫分析器，規定用校準氣體將示值分別調到量程的5%和85%，經(jīng)24小時(shí)后，分別記下前后讀數，則5%處的示值變化稱(chēng)為零點(diǎn)漂移，其85%處的示值變化減去5%示值的變化，稱(chēng)為量程漂移，所引起的誤差不得超過(guò)固有誤差。產(chǎn)生漂移的原因，往往是由于溫度、壓力、濕度等影響變化所引起，或由于儀器本身性能的不穩定。測量?jì)x器使用時(shí)采取預熱、預先放置一段時(shí)間與室溫等溫，就是減少漂移的一些措施。    

　　十、死區

　　死區是指“不致引起測量?jì)x器響應發(fā)生變化的激勵雙向變動(dòng)的最大區間”(7.13條)。有的測量?jì)x器由于機構零件的摩擦，零部件之間的間隙，彈性材料的變形，阻尼機構的影響，或由于被測量滯后等原因，在增大輸入時(shí)，沒(méi)有響應輸出，或者在減少輸入時(shí)，也沒(méi)有響應變化，這一不會(huì )引起響應變化的最大的激勵變化范圍稱(chēng)為死區。相當于不工作區或不顯示區。
　　通常測量?jì)x器的死區可用滯后誤差或回程誤差來(lái)進(jìn)行定量確定。例如:當用標準電位差計檢定測溫用自動(dòng)電子電位差計時(shí)，以標準電位差計示值作為被測量值的輸入量，增加標準電位差計示值，使電子電位差計的指針，從正行程方向達到某一規定的示值，此時(shí)讀數標準電位差計的示值為A₁，然后緩慢減小標準電位差計的輸入量，使其反方向行程改變被測量，當發(fā)現電子電位差計指針有可覺(jué)察移動(dòng)時(shí)，讀取標準電位差計的示值為A₂，則|A₁-A₂|值即為測量?jì)x器該點(diǎn)的回程誤差，即反映了不致引起測量?jì)x器響應發(fā)生變化的激勵雙向變動(dòng)的區間值。定義所說(shuō)的“最大區間”是指在測量?jì)x器的整個(gè)測量范圍內其死區的最大變化值，如測定三個(gè)點(diǎn)，則以最大的死區判定為該測量?jì)x器的死區區間。當然死區大小與測量過(guò)程中的速率有關(guān)，要準確地得到死區的大小則激勵的雙向變動(dòng)要緩慢地進(jìn)行。對于數字計量?jì)x器的死區，IEC標準解釋為:引起數字輸出的模擬輸入信號的最小變化。但有時(shí)死區過(guò)小，反而使示值指示不穩定，少有激勵變化，響應就改變，為了提高測量?jì)x器示值的穩定性，方便讀數，有時(shí)要采取降低靈敏度或增加阻尼機構等措施來(lái)加大死區。
　　按《通用計量術(shù)語(yǔ)及定義》第7章劃分，測量?jì)x器的特性還有很多內容，加標稱(chēng)范圍、測量范圍、量程、測量?jì)x器工作條件等，這些內容已在上一講陳述，故不再重復。在實(shí)際使用中仍有很多測量?jì)x器特性的術(shù)語(yǔ)，在此只對JJF 1001—1998規范所包含的術(shù)語(yǔ)做一解釋。