計量培訓(xùn)：通用計量術(shù)語知識講座

　　四、〔測量儀器的〕重復(fù)性

　　測量儀器的重復(fù)性是指“在相同測量條件下，重復(fù)測量同一個被測量，測量儀器提供相近示值的能力”(見JJF1001-1998   7.27條，以下簡稱條款)。就是指在相同測量條件下，重復(fù)測量同一個被測量，其測量儀器示值的一致程度。又簡稱為重復(fù)性。
　　相同的測量條件主要包括:相同的測量程序；相同的觀測者；在相同條件下使用相同的測量設(shè)備；在相同地點；在短時間內(nèi)重復(fù)。
　　測量儀器的重復(fù)性，即多次測量同一量，其示值的變化，實質(zhì)上反映了測量儀器示值的隨機誤差分量，所以重復(fù)性可以用示值的分散性定量地表示，這也是衡量測量儀器計量性能的指標之一。
　　要區(qū)別測量儀器的重復(fù)性、測量結(jié)果的重復(fù)性及示值變動性的概念。測量儀器的重復(fù)性是對測量儀器的示值而言，而測量結(jié)果的重復(fù)性是針對測量結(jié)果而言，而有的長度測量儀器，經(jīng)常使用“示值變動性”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(fù)測量讀數(shù)，其結(jié)果的最大差異，實質(zhì)上反映了測量儀器示值讀數(shù)機構(gòu)的重復(fù)性，一般在不改變被測量的安裝位置，主要考核讀數(shù)機構(gòu)引起的示值變化，從概念上講和重復(fù)性是有一定差異的。    

　　五、穩(wěn)定性

　　穩(wěn)定性是指“測量儀器保持其計量特性隨時間恒定的能力”(7.14條)。通常穩(wěn)定性是指測量儀器的計量特性隨時間不變化的能力。若穩(wěn)定性不是對時間而言，而是對其他量而言，則應(yīng)該明確說明。穩(wěn)定性可以進行定量的表征，主要是確定計量特性隨時間變化的關(guān)系。通?？梢杂靡韵聝煞N方式:用計量特性變化某個規(guī)定的量所需經(jīng)過的時間，或用計量特性經(jīng)過規(guī)定的時間所發(fā)生的變化量來進行定量表示。例如:對于標準電池，對其長期穩(wěn)定性(電動勢的年變化幅度)和短期穩(wěn)定性(3～5天內(nèi)電動勢變化幅度)均有明確的要求；如量塊尺寸的穩(wěn)定性，以其規(guī)定的長度每年允許的最大變化量(微米/年)來進行考核，上述穩(wěn)定性指標均是劃分準確度等級的重要依據(jù)。
　　對于測量儀器，尤其是基準、測量標準或某些實物量具，穩(wěn)定性是重要的計量性能之一，示值的穩(wěn)定是保證量值準確的基礎(chǔ)。測量儀器產(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、貯存、維護工作不仔細等所致。測量儀器進行的周期檢定或校準，就是對其穩(wěn)定性的一種考核。穩(wěn)定性也是科學(xué)合理地確定檢定周期的重要依據(jù)之一。    

　　六、超然性

　　超然性是指“測量儀器不改變被測量的能力”(7.15條)。是測量儀器本身從原理、結(jié)構(gòu)、使用上是否存在著對被測量值影響的能力。這是測量儀器在設(shè)計和使用中應(yīng)考慮的一個重要因素。最好是不影響或使其影響減小到最少。實際上，在進行測量時，測量儀器幾乎不可避免地要影響著被測量，存在著超然性，因為測量儀器與被測量之間必然有能量和物質(zhì)的消耗，或儀器結(jié)構(gòu)、使用方法對被測量的影響。例如:電流表、電壓表在使用時會有電功率的消耗；千分尺、百分表在使用時存在著測量力作用于被測對象；熱電偶測溫時總伴有與外界的熱交換影響。有的測量儀器由于內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、其傳動或指示機構(gòu)的不平衡性，以及測量方法、使用環(huán)境等都會對被測量值產(chǎn)生影響，這將會增大測量儀器的示值誤差，影響測量儀器的準確度。當(dāng)然也存在著具有超然性的測量儀器，如天平，它從儀器的結(jié)構(gòu)和通過測量方法，如采用替代稱量法或交換稱量法則可以消除天平不等臂誤差的影響，同時在同一條件下測量，可以消除其他相應(yīng)的影響量帶來的影響，所以這是超然性的。我們應(yīng)該研究改進測量儀器的結(jié)構(gòu)，或研究各種測量方法，來提高測量儀器的超然性，以減少測量儀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“測量儀器響應(yīng)的變化除以對應(yīng)的激勵變化”(7.10條)。是反映測量儀器被測量(輸入)變化引起儀器示值(輸出)變化的程度。它用被觀察變量的增量即響應(yīng)(輸出量)與相應(yīng)被測量的增量即激勵(輸入量)之商來表示。如被測量變化很小，而引起的示值(輸出量)改變很大，則該測量儀器的靈敏度就高。
　　對于線性測量儀器來說，其靈敏度S為:
　　S==k=常數(shù)
　　式中的k叫傳遞系數(shù)，當(dāng)響應(yīng)y與激勵x是同一種量時，又叫放大系數(shù)。對于非線性的測量儀器，靈敏度宜表示為:
　　S==f′(x)
　　這時靈敏度隨激勵變化而變化，它是一個變量，與激勵值有關(guān)。
　　例如:在磁電系儀表中，響應(yīng)特性是線性關(guān)系，靈敏度就是個常數(shù)；而在電磁系儀表中響應(yīng)特性呈平方關(guān)系，靈敏度隨激勵值變化。又如電動系儀表，測量功率時靈敏度是個常數(shù)，而測量電流或電壓時卻又隨激勵值變化。因此，有時在表述測量儀器的靈敏度時，往往要指明對哪個量而言。例如檢流計，就要說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。
　　靈敏度是測量儀器中一個十分重要的計量特性，它是反映測量儀器性能的重要指標，但有時靈敏度并不是越高越好。為了方便讀數(shù)，使示值處于穩(wěn)定，還需要特意降低靈敏度值。

　　2.鑒別力閾
　　鑒別力閾是指“使測量儀器產(chǎn)生未察覺的響應(yīng)變化的最大激勵變化，這種激勵變化應(yīng)緩慢而單調(diào)地進行”(7.11條)。它是指當(dāng)測量儀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，開始為未察覺響應(yīng)的變化，當(dāng)測量儀器的輸出開始有可覺察的響應(yīng)變化時，讀取該激勵值，此輸入的激勵變化稱為鑒別力閾。也可簡稱鑒別力，同樣可以在反行程進行。
　　例如:在一臺天平的指針產(chǎn)生未覺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(dāng)同一行程方向輸入量緩慢改變到0.04mV時，則指針開始產(chǎn)生可覺察的變化，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(yīng)緩慢，同時應(yīng)在同一行程上進行，以消除慣性或內(nèi)部傳動機構(gòu)的間隙和摩擦。通常一臺測量儀器其鑒別力閾應(yīng)在同一示值上和對應(yīng)在標尺上、中、下不同示值范圍正反向行程進行測定，則其鑒別力閾值是不同的，則可以按其最大的激勵變化來表示測量儀器鑒別力閾值。鑒別力閾有時人們也習(xí)慣稱為靈敏閾、靈敏限，是同一個概念。產(chǎn)生鑒別力閾的原因可能與噪聲(內(nèi)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(qū)別和關(guān)系。這是兩個概念，靈敏度是被測量(輸入量)變化引起了測量儀器示值(輸出量)變化的程度，鑒別力閾是引起測量儀器示值(輸出量)未覺察變化時被測量(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10格，B臺輸入1mA，光標移動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?？梢夿臺的鑒別力閾為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分度值的1/2，當(dāng)然也可以采取其它工具如放大鏡、讀數(shù)望遠鏡等提高其分辨力；對于數(shù)字式顯示裝置的分辨力為末位數(shù)字的一個數(shù)碼，對半數(shù)字式的顯示裝置的分辨力為末位數(shù)字的一個分度。此概念也可以適應(yīng)記錄式儀器。顯示裝置的分辨力可簡稱為分辨力。
　　要區(qū)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儀器處于工作狀態(tài)時通過實驗才能評估或確定數(shù)值，它說明響應(yīng)的未覺察變化所需要的最大激勵值，而分辨力只須觀察顯示裝置，即使是一臺不工作的測量儀器即可確定，是說明最小示值差的辨別能力。
　　分辨力高可以降低讀數(shù)誤差，從而減少由于讀數(shù)誤差引起的對測量結(jié)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(guī)定刻線和指針寬度，要規(guī)定指針和度盤間的距離等，這些一般在測量儀器的標準或檢定規(guī)程中都應(yīng)規(guī)定，因為它直接影響著測量的準確度，有的測量儀器則改進讀數(shù)裝置，如廣泛使用的游標卡尺，它利用游標讀數(shù)原理用游標來提高對卡尺讀數(shù)的分辨力，使游標量具的游標讀數(shù)值達到0.10、0.05和0.02mm。    

　　八、響應(yīng)特性、響應(yīng)時間

　　1.響應(yīng)特性
　　響應(yīng)特性是指“在確定條件下，激勵與對應(yīng)響應(yīng)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(yīng)就是輸出量或輸出訊號，而響應(yīng)特性就是輸入輸出特性。對一個完整的測量儀器來說，激勵就是被測量，而響應(yīng)就是它對應(yīng)地給出的示值。顯然，只有準確地確定了測量儀器的響應(yīng)特性，其示值才能準確地反映被測量值。因此，可以說響應(yīng)特性是測量儀器最基本的特性。
　　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(yīng)特性才有意義。
　　測量儀器的響應(yīng)特性，在靜態(tài)測量中，測量儀器的輸入x(即待被測量的量值或激勵)和輸出y(即示值或響應(yīng))不隨時間而改變，它的輸入/輸出特性或靜態(tài)響應(yīng)特性可用下式表示:
　　y=f(x)
　　此關(guān)系可以建立在理論或?qū)嶒灥幕A(chǔ)上，除了上述表述外，也可以用數(shù)表或圖形表示。對于具有線性標尺的測量儀器，其靜態(tài)響應(yīng)特性為:
　　y=kx
　　式中k是測量儀器本身的一些固定參數(shù)值確定的常數(shù)。這是線性測量儀器響應(yīng)特性的普遍表示式。只要k值一經(jīng)確定，響應(yīng)特性也就完全確定。
　　確定了線性測量儀器的靜態(tài)響應(yīng)特性，就可以方便地根據(jù)它來研究測量儀器的一系列靜態(tài)特性(即用于測量靜態(tài)量時測量儀器所呈現(xiàn)的特性)，如靈敏度、線性、滯后、漂移等特性及由它們引起的測量誤差。
　　測量儀器的動態(tài)響應(yīng)特性，在動態(tài)測量中，測量儀器的激勵或輸入按時間t的函數(shù)而改變，其響應(yīng)或輸出也是時間的函數(shù)，一般認為它們之間的關(guān)系可以用常系數(shù)微分方程來描述，用拉普拉斯積分變換來求解常系數(shù)線性微分方程十分方便，當(dāng)激勵按時間函數(shù)變化時，傳遞函數(shù)(響應(yīng)的拉普拉斯變換除以激勵的拉普拉斯變換)是響應(yīng)特性的一種形式。

　　2.響應(yīng)時間
　　響應(yīng)時間是指“激勵受到規(guī)定突變的瞬間，與響應(yīng)達到并保持其最終穩(wěn)定值的規(guī)定極限內(nèi)的瞬間，這兩者之間的時間間隔”(7.17條)。這是測量儀器動態(tài)響應(yīng)特性的重要參數(shù)之一。是指對輸入輸出關(guān)系的響應(yīng)特性中，考核隨著激勵的變化其響應(yīng)時間反映的能力，當(dāng)然越短越好，響應(yīng)時間短則反映指示靈敏快捷，有利于進行快速測量或調(diào)節(jié)控制。如動圈式溫度指示調(diào)節(jié)儀，其性能上有一條規(guī)定，即阻尼時間，要求給儀表突然加上相當(dāng)于標尺幾何中心點的被測量(毫伏值或電阻值)的瞬時起至指針距最后靜止位置不大于標尺弧長±10%的范圍為止，這個時間間隔對張絲支承儀表不超過7秒，對軸承、軸尖支承儀表不超過10秒，這一阻尼時間就是響應(yīng)時間，正是由于動圈儀表是由張絲或軸承支承，指針在測量過程中要穩(wěn)定下來需要有一定時間，其調(diào)節(jié)性能不夠理想、應(yīng)用范圍受到一定限制。對于線性一階測量儀器來說，響應(yīng)時間就是它的時間常數(shù)。    

　　九、漂移

　　漂移是指“測量儀器計量特性的慢變化”(7.16條)。這是反映在規(guī)定條件下，測量儀器計量特性隨時間的慢變化，如在幾分鐘、幾十分鐘或多少小時內(nèi)保持其計量特性恒定能力的一個術(shù)語。如有的測量儀器所指的零點漂移，有的線性測量儀器靜態(tài)特性隨時間變化的量程漂移。如原子吸收光譜儀的一種冷原子吸收測汞儀，則規(guī)定在外接交流穩(wěn)壓器、輸出端接10mV記錄儀，儀器預(yù)熱2小時后，測定半小時內(nèi)零點的最大漂移應(yīng)小于0.1mV。又如熱導(dǎo)式氫分析器，規(guī)定用校準氣體將示值分別調(diào)到量程的5%和85%，經(jīng)24小時后，分別記下前后讀數(shù)，則5%處的示值變化稱為零點漂移，其85%處的示值變化減去5%示值的變化，稱為量程漂移，所引起的誤差不得超過固有誤差。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(wěn)定。測量儀器使用時采取預(yù)熱、預(yù)先放置一段時間與室溫等溫，就是減少漂移的一些措施。    

　　十、死區(qū)

　　死區(qū)是指“不致引起測量儀器響應(yīng)發(fā)生變化的激勵雙向變動的最大區(qū)間”(7.13條)。有的測量儀器由于機構(gòu)零件的摩擦，零部件之間的間隙，彈性材料的變形，阻尼機構(gòu)的影響，或由于被測量滯后等原因，在增大輸入時，沒有響應(yīng)輸出，或者在減少輸入時，也沒有響應(yīng)變化，這一不會引起響應(yīng)變化的最大的激勵變化范圍稱為死區(qū)。相當(dāng)于不工作區(qū)或不顯示區(qū)。
　　通常測量儀器的死區(qū)可用滯后誤差或回程誤差來進行定量確定。例如:當(dāng)用標準電位差計檢定測溫用自動電子電位差計時，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(guī)定的示值，此時讀數(shù)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(dāng)發(fā)現(xiàn)電子電位差計指針有可覺察移動時，讀取標準電位差計的示值為A₂，則|A₁-A₂|值即為測量儀器該點的回程誤差，即反映了不致引起測量儀器響應(yīng)發(fā)生變化的激勵雙向變動的區(qū)間值。定義所說的“最大區(qū)間”是指在測量儀器的整個測量范圍內(nèi)其死區(qū)的最大變化值，如測定三個點，則以最大的死區(qū)判定為該測量儀器的死區(qū)區(qū)間。當(dāng)然死區(qū)大小與測量過程中的速率有關(guān)，要準確地得到死區(qū)的大小則激勵的雙向變動要緩慢地進行。對于數(shù)字計量儀器的死區(qū)，IEC標準解釋為:引起數(shù)字輸出的模擬輸入信號的最小變化。但有時死區(qū)過小，反而使示值指示不穩(wěn)定，少有激勵變化，響應(yīng)就改變，為了提高測量儀器示值的穩(wěn)定性，方便讀數(shù)，有時要采取降低靈敏度或增加阻尼機構(gòu)等措施來加大死區(qū)。
　　按《通用計量術(shù)語及定義》第7章劃分，測量儀器的特性還有很多內(nèi)容，加標稱范圍、測量范圍、量程、測量儀器工作條件等，這些內(nèi)容已在上一講陳述，故不再重復(fù)。在實際使用中仍有很多測量儀器特性的術(shù)語，在此只對JJF 1001—1998規(guī)范所包含的術(shù)語做一解釋。