計(jì)量培訓(xùn)：通用計(jì)量術(shù)語知識(shí)講座

　　四、〔測(cè)量?jī)x器的〕重復(fù)性

　　測(cè)量?jī)x器的重復(fù)性是指“在相同測(cè)量條件下，重復(fù)測(cè)量同一個(gè)被測(cè)量，測(cè)量?jī)x器提供相近示值的能力”(見JJF1001-1998   7.27條，以下簡(jiǎn)稱條款)。就是指在相同測(cè)量條件下，重復(fù)測(cè)量同一個(gè)被測(cè)量，其測(cè)量?jī)x器示值的一致程度。又簡(jiǎn)稱為重復(fù)性。
　　相同的測(cè)量條件主要包括:相同的測(cè)量程序；相同的觀測(cè)者；在相同條件下使用相同的測(cè)量設(shè)備；在相同地點(diǎn)；在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)。
　　測(cè)量?jī)x器的重復(fù)性，即多次測(cè)量同一量，其示值的變化，實(shí)質(zhì)上反映了測(cè)量?jī)x器示值的隨機(jī)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(cè)量?jī)x器計(jì)量性能的指標(biāo)之一。
　　要區(qū)別測(cè)量?jī)x器的重復(fù)性、測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性及示值變動(dòng)性的概念。測(cè)量?jī)x器的重復(fù)性是對(duì)測(cè)量?jī)x器的示值而言，而測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性是針對(duì)測(cè)量結(jié)果而言，而有的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器，經(jīng)常使用“示值變動(dòng)性”或“示值變化”，它是指在測(cè)量條件不作任何改變的情況下，對(duì)同一被測(cè)的量多次重復(fù)測(cè)量讀數(shù)，其結(jié)果的最大差異，實(shí)質(zhì)上反映了測(cè)量?jī)x器示值讀數(shù)機(jī)構(gòu)的重復(fù)性，一般在不改變被測(cè)量的安裝位置，主要考核讀數(shù)機(jī)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(cè)量?jī)x器保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力”(7.14條)。通常穩(wěn)定性是指測(cè)量?jī)x器的計(jì)量特性隨時(shí)間不變化的能力。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)該明確說明。穩(wěn)定性可以進(jìn)行定量的表征，主要是確定計(jì)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(jì)量特性變化某個(gè)規(guī)定的量所需經(jīng)過的時(shí)間，或用計(jì)量特性經(jīng)過規(guī)定的時(shí)間所發(fā)生的變化量來進(jìn)行定量表示。例如:對(duì)于標(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(3～5天內(nèi)電動(dòng)勢(shì)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(zhǎng)度每年允許的最大變化量(微米/年)來進(jìn)行考核，上述穩(wěn)定性指標(biāo)均是劃分準(zhǔn)確度等級(jí)的重要依據(jù)。
　　對(duì)于測(cè)量?jī)x器，尤其是基準(zhǔn)、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)量性能之一，示值的穩(wěn)定是保證量值準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。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、貯存、維護(hù)工作不仔細(xì)等所致。測(cè)量?jī)x器進(jìn)行的周期檢定或校準(zhǔn)，就是對(duì)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(cè)量?jī)x器不改變被測(cè)量的能力”(7.15條)。是測(cè)量?jī)x器本身從原理、結(jié)構(gòu)、使用上是否存在著對(duì)被測(cè)量值影響的能力。這是測(cè)量?jī)x器在設(shè)計(jì)和使用中應(yīng)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(cè)量時(shí)，測(cè)量?jī)x器幾乎不可避免地要影響著被測(cè)量，存在著超然性，因?yàn)闇y(cè)量?jī)x器與被測(cè)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(duì)被測(cè)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)存在著測(cè)量力作用于被測(cè)對(duì)象；熱電偶測(cè)溫時(shí)總伴有與外界的熱交換影響。有的測(cè)量?jī)x器由于內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、其傳動(dòng)或指示機(jī)構(gòu)的不平衡性，以及測(cè)量方法、使用環(huán)境等都會(huì)對(duì)被測(cè)量值產(chǎn)生影響，這將會(huì)增大測(cè)量?jī)x器的示值誤差，影響測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度。當(dāng)然也存在著具有超然性的測(cè)量?jī)x器，如天平，它從儀器的結(jié)構(gòu)和通過測(cè)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(shí)在同一條件下測(cè)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(jìn)測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)，或研究各種測(cè)量方法，來提高測(cè)量?jī)x器的超然性，以減少測(cè)量?jī)x器由于各種因素造成的對(duì)被測(cè)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(cè)量?jī)x器響應(yīng)的變化除以對(duì)應(yīng)的激勵(lì)變化”(7.10條)。是反映測(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。它用被觀察變量的增量即響應(yīng)(輸出量)與相應(yīng)被測(cè)量的增量即激勵(lì)(輸入量)之商來表示。如被測(cè)量變化很小，而引起的示值(輸出量)改變很大，則該測(cè)量?jī)x器的靈敏度就高。
　　對(duì)于線性測(cè)量?jī)x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(lì)x是同一種量時(shí)，又叫放大系數(shù)。對(duì)于非線性的測(cè)量?jī)x器，靈敏度宜表示為:
　　S==f′(x)
　　這時(shí)靈敏度隨激勵(lì)變化而變化，它是一個(gè)變量，與激勵(lì)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(gè)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(lì)值變化。又如電動(dòng)系儀表，測(cè)量功率時(shí)靈敏度是個(gè)常數(shù)，而測(cè)量電流或電壓時(shí)卻又隨激勵(lì)值變化。因此，有時(shí)在表述測(cè)量?jī)x器的靈敏度時(shí)，往往要指明對(duì)哪個(gè)量而言。例如檢流計(jì)，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(duì)靈敏度:
　　
　　式中，x為激勵(lì)即輸入的被測(cè)量值。
　　靈敏度是測(cè)量?jī)x器中一個(gè)十分重要的計(jì)量特性，它是反映測(cè)量?jī)x器性能的重要指標(biāo)，但有時(shí)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(cè)量?jī)x器產(chǎn)生未察覺的響應(yīng)變化的最大激勵(lì)變化，這種激勵(lì)變化應(yīng)緩慢而單調(diào)地進(jìn)行”(7.11條)。它是指當(dāng)測(cè)量?jī)x器在某一示值給以一定的輸入，確定某激勵(lì)值，這種激勵(lì)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(cè)量?jī)x器的輸出開始有可覺察的響應(yīng)變化時(shí)，讀取該激勵(lì)值，此輸入的激勵(lì)變化稱為鑒別力閾。也可簡(jiǎn)稱鑒別力，同樣可以在反行程進(jìn)行。
　　例如:在一臺(tái)天平的指針產(chǎn)生未覺察位移的最大負(fù)荷變化為10mg，則此天平的鑒別力閾為10mg；如一臺(tái)電子電位差計(jì)，當(dāng)同一行程方向輸入量緩慢改變到0.04mV時(shí)，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(zhǔn)確地得到其鑒別力閾值，則激勵(lì)的變化(輸入量的變化)應(yīng)緩慢，同時(shí)應(yīng)在同一行程上進(jìn)行，以消除慣性或內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙和摩擦。通常一臺(tái)測(cè)量?jī)x器其鑒別力閾應(yīng)在同一示值上和對(duì)應(yīng)在標(biāo)尺上、中、下不同示值范圍正反向行程進(jìn)行測(cè)定，則其鑒別力閾值是不同的，則可以按其最大的激勵(lì)變化來表示測(cè)量?jī)x器鑒別力閾值。鑒別力閾有時(shí)人們也習(xí)慣稱為靈敏閾、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(nèi)部、外部的)摩擦、阻尼、慣性等有關(guān)，也與激勵(lì)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(gè)概念，靈敏度是被測(cè)量(輸入量)變化引起了測(cè)量?jī)x器示值(輸出量)變化的程度，鑒別力閾是引起測(cè)量?jī)x器示值(輸出量)未覺察變化時(shí)被測(cè)量(輸入量)的最大變化。但二者是相關(guān)的，靈敏度越高，其鑒別力閾越小；其靈敏度越低，鑒別力閾越大。如有兩臺(tái)檢流計(jì)，A臺(tái)輸入1mA，光標(biāo)移動(dòng)10格，B臺(tái)輸入1mA，光標(biāo)移動(dòng)20格，則B臺(tái)的靈敏度為20格/mA，比A臺(tái)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(tái)改變0.1格，將輸入0.01mA，B臺(tái)的改變0.1格將輸入0.005mA?？梢夿臺(tái)的鑒別力閾為0.005mA比A臺(tái)的0.01mA小，但B臺(tái)的靈敏度比A臺(tái)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(duì)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(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)然也可以采取其它工具如放大鏡、讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡等提高其分辨力；對(duì)于數(shù)字式顯示裝置的分辨力為末位數(shù)字的一個(gè)數(shù)碼，對(duì)半數(shù)字式的顯示裝置的分辨力為末位數(shù)字的一個(gè)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(jiǎn)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?yàn)殍b別力閾是須在測(cè)量?jī)x器處于工作狀態(tài)時(shí)通過實(shí)驗(yàn)才能評(píng)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(lì)值，而分辨力只須觀察顯示裝置，即使是一臺(tái)不工作的測(cè)量?jī)x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(duì)測(cè)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(biāo)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(cè)量?jī)x器的標(biāo)準(zhǔn)或檢定規(guī)程中都應(yīng)規(guī)定，因?yàn)樗苯佑绊懼鴾y(cè)量的準(zhǔn)確度，有的測(cè)量?jī)x器則改進(jìn)讀數(shù)裝置，如廣泛使用的游標(biāo)卡尺，它利用游標(biāo)讀數(shù)原理用游標(biāo)來提高對(duì)卡尺讀數(shù)的分辨力，使游標(biāo)量具的游標(biāo)讀數(shù)值達(dá)到0.10、0.05和0.02mm。    

　　八、響應(yīng)特性、響應(yīng)時(shí)間

　　1.響應(yīng)特性
　　響應(yīng)特性是指“在確定條件下，激勵(lì)與對(duì)應(yīng)響應(yīng)之間的關(guān)系”(7.9條)。這里的激勵(lì)就是輸入量或輸入信號(hào)，響應(yīng)就是輸出量或輸出訊號(hào)，而響應(yīng)特性就是輸入輸出特性。對(duì)一個(gè)完整的測(cè)量?jī)x器來說，激勵(lì)就是被測(cè)量，而響應(yīng)就是它對(duì)應(yīng)地給出的示值。顯然，只有準(zhǔn)確地確定了測(cè)量?jī)x器的響應(yīng)特性，其示值才能準(zhǔn)確地反映被測(cè)量值。因此，可以說響應(yīng)特性是測(cè)量?jī)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?yàn)橹挥性诿鞔_約定的條件下，討論響應(yīng)特性才有意義。
　　測(cè)量?jī)x器的響應(yīng)特性，在靜態(tài)測(cè)量中，測(cè)量?jī)x器的輸入x(即待被測(cè)量的量值或激勵(lì))和輸出y(即示值或響應(yīng))不隨時(shí)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?yàn)的基礎(chǔ)上，除了上述表述外，也可以用數(shù)表或圖形表示。對(duì)于具有線性標(biāo)尺的測(cè)量?jī)x器，其靜態(tài)響應(yīng)特性為:
　　y=kx
　　式中k是測(cè)量?jī)x器本身的一些固定參數(shù)值確定的常數(shù)。這是線性測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x器的靜態(tài)響應(yīng)特性，就可以方便地根據(jù)它來研究測(cè)量?jī)x器的一系列靜態(tài)特性(即用于測(cè)量靜態(tài)量時(shí)測(cè)量?jī)x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(cè)量誤差。
　　測(cè)量?jī)x器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，測(cè)量?jī)x器的激勵(lì)或輸入按時(shí)間t的函數(shù)而改變，其響應(yīng)或輸出也是時(shí)間的函數(shù)，一般認(rèn)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(lì)按時(shí)間函數(shù)變化時(shí)，傳遞函數(shù)(響應(yīng)的拉普拉斯變換除以激勵(lì)的拉普拉斯變換)是響應(yīng)特性的一種形式。

　　2.響應(yīng)時(shí)間
　　響應(yīng)時(shí)間是指“激勵(lì)受到規(guī)定突變的瞬間，與響應(yīng)達(dá)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(shí)間間隔”(7.17條)。這是測(cè)量?jī)x器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的重要參數(shù)之一。是指對(duì)輸入輸出關(guān)系的響應(yīng)特性中，考核隨著激勵(lì)的變化其響應(yīng)時(shí)間反映的能力，當(dāng)然越短越好，響應(yīng)時(shí)間短則反映指示靈敏快捷，有利于進(jìn)行快速測(cè)量或調(diào)節(jié)控制。如動(dòng)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(shí)間，要求給儀表突然加上相當(dāng)于標(biāo)尺幾何中心點(diǎn)的被測(cè)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(biāo)尺弧長(zhǎng)±10%的范圍為止，這個(gè)時(shí)間間隔對(duì)張絲支承儀表不超過7秒，對(duì)軸承、軸尖支承儀表不超過10秒，這一阻尼時(shí)間就是響應(yīng)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(cè)量過程中要穩(wěn)定下來需要有一定時(shí)間，其調(diào)節(jié)性能不夠理想、應(yīng)用范圍受到一定限制。對(duì)于線性一階測(cè)量?jī)x器來說，響應(yīng)時(shí)間就是它的時(shí)間常數(shù)。    

　　九、漂移

　　漂移是指“測(cè)量?jī)x器計(jì)量特性的慢變化”(7.16條)。這是反映在規(guī)定條件下，測(cè)量?jī)x器計(jì)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(nèi)保持其計(jì)量特性恒定能力的一個(gè)術(shù)語。如有的測(cè)量?jī)x器所指的零點(diǎn)漂移，有的線性測(cè)量?jī)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(cè)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(shí)后，測(cè)定半小時(shí)內(nèi)零點(diǎn)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(zhǔn)氣體將示值分別調(diào)到量程的5%和85%，經(jīng)24小時(shí)后，分別記下前后讀數(shù)，則5%處的示值變化稱為零點(diǎn)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(cè)量?jī)x器使用時(shí)采取預(yù)熱、預(yù)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(qū)

　　死區(qū)是指“不致引起測(cè)量?jī)x器響應(yīng)發(fā)生變化的激勵(lì)雙向變動(dòng)的最大區(qū)間”(7.13條)。有的測(cè)量?jī)x器由于機(jī)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(jī)構(gòu)的影響，或由于被測(cè)量滯后等原因，在增大輸入時(shí)，沒有響應(yīng)輸出，或者在減少輸入時(shí)，也沒有響應(yīng)變化，這一不會(huì)引起響應(yīng)變化的最大的激勵(lì)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(cè)量?jī)x器的死區(qū)可用滯后誤差或回程誤差來進(jìn)行定量確定。例如:當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)電位差計(jì)檢定測(cè)溫用自動(dòng)電子電位差計(jì)時(shí)，以標(biāo)準(zhǔn)電位差計(jì)示值作為被測(cè)量值的輸入量，增加標(biāo)準(zhǔn)電位差計(jì)示值，使電子電位差計(jì)的指針，從正行程方向達(dá)到某一規(guī)定的示值，此時(shí)讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)電位差計(jì)的示值為A₁，然后緩慢減小標(biāo)準(zhǔn)電位差計(jì)的輸入量，使其反方向行程改變被測(cè)量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電子電位差計(jì)指針有可覺察移動(dòng)時(shí)，讀取標(biāo)準(zhǔn)電位差計(jì)的示值為A₂，則|A₁-A₂|值即為測(cè)量?jī)x器該點(diǎn)的回程誤差，即反映了不致引起測(cè)量?jī)x器響應(yīng)發(fā)生變化的激勵(lì)雙向變動(dòng)的區(qū)間值。定義所說的“最大區(qū)間”是指在測(cè)量?jī)x器的整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)其死區(qū)的最大變化值，如測(cè)定三個(gè)點(diǎn)，則以最大的死區(qū)判定為該測(cè)量?jī)x器的死區(qū)區(qū)間。當(dāng)然死區(qū)大小與測(cè)量過程中的速率有關(guān)，要準(zhǔn)確地得到死區(qū)的大小則激勵(lì)的雙向變動(dòng)要緩慢地進(jìn)行。對(duì)于數(shù)字計(jì)量?jī)x器的死區(qū)，IEC標(biāo)準(zhǔn)解釋為:引起數(shù)字輸出的模擬輸入信號(hào)的最小變化。但有時(shí)死區(qū)過小，反而使示值指示不穩(wěn)定，少有激勵(lì)變化，響應(yīng)就改變，為了提高測(cè)量?jī)x器示值的穩(wěn)定性，方便讀數(shù)，有時(shí)要采取降低靈敏度或增加阻尼機(jī)構(gòu)等措施來加大死區(qū)。
　　按《通用計(jì)量術(shù)語及定義》第7章劃分，測(cè)量?jī)x器的特性還有很多內(nèi)容，加標(biāo)稱范圍、測(cè)量范圍、量程、測(cè)量?jī)x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(shí)際使用中仍有很多測(cè)量?jī)x器特性的術(shù)語，在此只對(duì)JJF 1001—1998規(guī)范所包含的術(shù)語做一解釋。