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测量仪器的分类和特性:
测量仪器是计量学研究中的一个基本内容。在测量活动中,与我们接触得*多的就是测量仪器,任何测量结果也都是通过测量仪器获得的。因此,计量管理的职能者必须增加对测量仪器的了解程度。
一、测量仪器的多种称谓及其分类
在日常的测量活动中,可以用许多不同的术语来描述所使用的仪器及装置,这些术语之
1.1多种多样的称谓间并不相互排斥
(1)测量仪器
计量器具工具
单独或与一个或多个辅助设备组合,用于进行测量的装置。
注1:一台可单独使用的测量仪器是一个测量系统。
注2:测量仪器可以是指示式测量仪器,也可以是实物量具。
计量器具工具
测量仪器是用来测量,并能得到被测的量的值的一种技术工具、仪器、物质或装置的称。有些测量仪器可以单独完成测量,如:体温计、电压表、直尺、度盘秤等;而有些测量仪器却需与其它的测量仪器和(或)辅助设备一起使用,才可以完成测量,如:砝码、热电偶、标准电阻、百分表、水准仪等。
对这同一对象,在我国现行的计量法律、计量技术法规中,称它为计量器具;而在法制计量以外的领域,它则通常被称为测量仪器。在国际上,一般都称其为测量仪器(measuring
instrument)在我国的计量技术规范JJF1001-2011中规定:测量仪器与计量器具指称的是同一对象,这两种术语称谓是同义的。
测量仪器(计量器具)根据需要,可以按其的计量学用途或其在量值溯源中的作用进行分类;又可以按其结构形式和功能特点进行分类:也可以按其信号输出形式、测量工作原理、特定的用途、准确度等级等各种特征来进行分类。
(2)测量系统
一套组装的并适用于特定量在规定区间内给出测得值信息的一台或多台测量仪器,通常还包括其他装置,诸如试剂和电源。
注:一个测量系统可以仅包括一台测量仪器。
测量系统是指用于特定测量目的、由全套测量仪器或和有关的其他装置所形成的一个系统装置的组合整体。这里的全套测量仪器应包括各种测量仪器、实物量具、测量传感器或参考物质。建立测量系统的目的是为了便于操作,提高测量仪器的可靠性和工作效率,减少其影响量的影响程度和提高测量准确度等。从定义上看,测量系统是由各种测量仪器与其他装置组合,也可以随时拆卸。对一些小型的测量系统,我国惯上称其为测量装置。从测量系统的新定义的注中看,仅包括一台测量仪器时也可以称其为测量系统。测量系统按其自动化程度,可分为手动、半自动或自动测量系统;按被测量的个数又可区分为单参量(单回路)或多参量(多回路)测量系统。
(3)实物量具
具有所赋量值,使用时以固定形态复现或提供一个或多个量值的测量仪器。
一例:a)标准砝码;
b)容积量器(提供单个或多个量值、带或不带量的标尺)
c)标准电阻器;
d)线纹尺;
e)量块;冬、
f)标准信号发生器;
g)有证参考物质。
注1:实物量具的示值是其所赋的量值。
标
注2:实物量具可以是测量标准实物量具的主要特征是在使用时其能够以固定形态复现或提供某个量的一个或多个量值。这里所述的固定形态,应理解为这类测量仪器是一种摸得着、看得见的实体,其输入量与输出值始终保持一致。并具有恒定的物理化学状态,以保证在使用时能确定地复现并保持其所赋予的量值。定义中的量值应理解为其的数值、测量单位及其测量不确定度均为已知。
实物量具按其复现或提供的量值来看,又可以分为单值测量仪器和多值测量仪器。单值测量仪器如:量块、标准电池、标准砝码、不带量的标尺的容积量器、有证标准物质等,它们均不带量的标尺;多值测量仪器如:线纹尺、标准电阻器、带量的标尺的容积量器、标准信号发生器等,它们则带有标尺。多值测量仪器也可包含成套量具,如:标准砝码组、量块组等。
实物量具从工作方式来分,又可以分为从属测量仪器和独立测量仪器。必须借助其他测量仪器才能进行测量的称为从属测量仪器,如标准砝码,其只有借助天平或质量比较仪才能进行质量的测量;不必借助其他测量仪器即可进行测量的则称为独立测量仪器,如:直尺、量杯等。
必须注意实物量具与一般测量仪器的区别。实物量具本身所复现或提供的已知量值即给定量的所赋量值,就是其量值的实际大小。而一般测量仪器所指示的量值则往往是一种等效信息,如体温计所指示的温度,它自身并不能提供一个实际温度值,而只是一种等效信息。
几何量计量中的长度类测量仪器如:游标卡尺、千分尺、百分表等,通常被人们惯称为“通用量具”,但按照定义它们并不属于实物量具。
有证参考物质按定义均应属于测量仪器中的实物量具。
用于测量标准目的的测量仪器中有很多都属于实物量具。
4)测量传感器
用于测量的,提供与输入量有确定关系的输出量的器件或器具。
例:a)热电偶;
b)电流互感器;
c)应变片;
d)pH电极;
e)波登管;
测量传感器的作用就是按照已确定的对应关系,将输入的被测量变换成易测量或易处理f)双金属片。的另一种量,或大、小适当的同一种量的再输出。在实践中,一些被测量往往不能找到能将它与已知量值直接进行比较的测量仪器来测量或者因其测量准确度太低,如:温度、流量、加速度等量,直接同它们的参考量值比较是相当困难的。但可以将输入量变换成其
它形式的量,如:电流、电压、电阻等易测量的电学量;或变换成大、小不同的同种量,如:将大电流变换成较易测量的安培量级的电流这种用于测量目的的器件或器具就约定称其为测量传感器。通常直接输入测量传感器的量就是被测量。如:热电偶输入量为温度,经其转变后输出量为热电动势,根据温度与其热电动势的对应关系,可以从温度指示仪或电子电位差计上得到被测量的温度值。所以热电偶就被称为温度传感器。
测量传感器的种类很多。按被测量来分类,可分为温度传感器、力值传感器、压力传感器、应变传感器、速度传感器、位移传感器、化学传感器、电学传感器等等;按测量原理分类,可分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、热敏式传感器、压电式传感有时提供与输入量有给定关系的输出量的器件,并不直接作用与被测量,而是测量仪器器、光电式传感器等等。
通道中间的某个环节,或是测量仪器本身内部的某一部件,则这种部件亦被称为测量变换器;若输入和输出的为同种量,亦被称为测量放大器;输出量为标准信号的传感器通常也被称为测量变送器。
(5)虚拟仪器
通常由计算机、模块化的仪器硬件和应用软件三部分构成的、虚拟的测量仪器。
注:虚拟仪器从其外形上看,即是一台由计算机操纵的仪器或设备或装置,而实质上其具备了特定的测量功能。对于虚拟仪器,国际上目前尚无一个*的定义。上述的模块化仪器硬件,应按测量传感器的定义去理解;计算机则按通常意义去理解;而应用软件部分,其主要指的是虚拟仪器中的测量和控制、以及数值处理软件,这与测量设备的定义中的软件部分相吻合。其实质就是一台由计算机软件控制的测量仪器。虚拟仪器的整套构成,在某种意义上可理解为是一个测量系统。
虚拟仪器是充分利用计算机技术,并可由用户自行设计、自己定义的仪器。软件系统是虚拟仪器的核心。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与模块化仪器硬件有机地融为一体,从而把计算机强大的、快速的计算处理能力和测量传感器的测量信号输出能力,以及其它仪器、仪表装置的控制能力结合在一起,并通过软件实现对测量结果的显示、存储以及分析、处理、控制过程。
虚拟仪器可在计算机上完成各类信号的分析与处理测量结果的表达与输送,或将数值采集卡插入计算机接口,把仪器信号采集(包括测量传感器电路、信号调整电路)、信号分析与处理、测量结果表达与输送三个部分全都放到计算机上来实现。并用软件在显示屏上生成测量仪器的模拟控制图,进行信号分析和处理,进而可以完成多种类型的非常态量、动态量、连续量及多参数量的检测及控制。
虚拟仪器所具有的*技术的一些共同特征,使其突破了传统测量仪器在数值处理、表达、传输、存储等方面的限制,并能在测量自动化程度、瞬间快速地取得准确的多测量结果等方面得到升华。
虚拟仪器技术的应用,也给我们带溯源性(既GB/T19001-2008/ISO9001:208标准的7.6条中“当计算机软件用于规定来了一些新的管理和技术问题,如:虚拟仪器的计量要求的监视和测量时,应确认其满足于其用途的能力。”和GB/T19022-2003/SO10012:003标准的6.2.2条中“软件及其任何修改在启用前应进行测试和(或)确认,并经批准和存档。”要求的本意)如何来实现其的计量溯源性、测量不确定度的评估、计算机程序的安全性和可靠性管理等等,留待我们在现时及今后去探讨、去解决。
(6)测量链
从敏感器到输出单元构成的单一信号通道,测量系统中的单元系列。
例:a)由传声器、衰减器、滤波器、放大器和电压表构成的电声测量链;
b)由波登管、杠杆系统、两个齿轮和机械刻度盘构成的机械测量链
测量链是指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信号通道,这一通道由一系列单元所组成。如:由定义的例中列举的电声测量链、机械测量链;又如:由热电偶、测量电路、电子放大器、传动系统、指示器和(或)记录器所组成的温度测量链等。通过对测量链的分析,有利于加深对测量仪器的原理结构及其计量特性的理解。
(7)测量标准
具有确定的量值和相关联的测量不确定度,实现给定量定义的参照对象。
t例:a)具有标准测量不确定度为3μg的1kg质量测量标准;
b)具有标准测量不确定度为1μ2的100Ω测量标准电阻器;
c)具有相对标准测量不确定度为2×1015的铯频率标准;
d)量值为7.072,其标准测量不确定度为0.006的氢标准电极;
e)每种溶液具有测量不确定度的有证量值的一组人体血清中的可的松参考溶液;
f)对10种不同蛋白质中每种的质量浓度提供具有测量不确定度的量值的有证标准物质。
注1:在我国,测量标准按其用途分为计量基准和计量标准。
注2:给定量的定义可通过测量系统、实物量具或有证标准物质复现。
注3:测量标准经常作为参照对象用于为其他同类量确定量值及其测量不确定度并通过其他测量标准、测量仪器、或测量系统对其进行校准,确立其计量溯源性。
注4:这里所用的“实现”是按一般意义说的“实现”有三种方式:一是根据定义,物理实现测量单位,这是严格意义上的实现;二是基于物理现象建立可高度复现的测量标准,它不是根据定义实现的测量单位所以称“复现”,如使用稳频激光器建立米的测量标准,利用约瑟夫森效应建立伏特测量标准或利用霍尔效应建立欧姆测量标准;三是采用实物量具作为测量标准,如1kg的质量测量标准。
注5:测量标准的标准测量不确定度是用该测量标准获得的测量结果的合成标准不确定度的一个分量。通常,该分量比合成标准不确定度的其他分量小。
注6:量值及其测量不确定度必须在测量标准使用的当时确定。
注7:几个同类量或不同类量可由一个装置实现,该装置通常也称测量标准
注8:术语“测量标准”有时也用于表示其他计量工具,例如“软件测量标准”(见ISO5436-2)测量标准,是测量标准器及其必要组合的统称,其中又可细分为若干种。在定义中,已明确了研制和建立测量标准的目的、测量标准的作用、以及它的构成性质。在我国,测量标准又明确地被分作计量基准和计量标准两大类且各自的地位和作用在《人民计量法》中已予阐明。而在当今的国际社会中,它们通常都被称作测量标准。有足够均匀和稳定的特定特性的物质,其特性被证实适用于测量中或标称特性检查liluix836。
