東莞量具計量校準/第三方檢測中心

測量儀器的分類和特性:
測量儀器是計量學研究中的一個基本內容。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語來描述所使用的儀器及裝置,這些術語之

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備組合,用于進行測量的裝置。

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工具、儀器、物質或裝置的稱。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)輔助設備一起使用,才可以完成測量,如:砝碼、熱電偶、標準電阻、百分表、水準儀等。

對這同一對象,在我國現行的計量法律、計量技術法規(guī)中,稱它為計量器具;而在法制計量以外的領域,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,這兩種術語稱謂是同義的。

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

(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包括各種測量儀器、實物量具、測量傳感器或參考物質。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)復現或提供一個或多個量值的測量儀器。

一例:a)標準砝碼;

b)容積量器(提供單個或多個量值、帶或不帶量的標尺)

c)標準電阻器;

d)線紋尺;

e)量塊;冬、

f)標準信號發(fā)生器;

g)有證參考物質。

注1:實物量具的示值是其所賦的量值。

標

注2:實物量具可以是測量標準實物量具的主要特征是在使用時其能夠以固定形態(tài)復現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狀態(tài),以保證在使用時能確定地復現并保持其所賦予的量值。定義中的量值應理解為其的數值、測量單位及其測量不確定度均為已知。

實物量具按其復現或提供的量值來看,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、標準電池、標準砝碼、不帶量的標尺的容積量器、有證標準物質等,它們均不帶量的標尺;多值測量儀器如:線紋尺、標準電阻器、帶量的標尺的容積量器、標準信號發(fā)生器等,它們則帶有標尺。多值測量儀器也可包含成套量具,如:標準砝碼組、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行測量的稱為從屬測量儀器,如標準砝碼,其只有借助天平或質量比較儀才能進行質量的測量;不必借助其他測量儀器即可進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。實物量具本身所復現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。

有證參考物質按定義均應屬于測量儀器中的實物量具。

用于測量標準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系的輸出量的器件或器具。

例:a)熱電偶;

b)電流互感器;

c)應變片;

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關系,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、小適當的同一種量的再輸出。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行比較的測量儀器來測量或者因其測量準確度太低,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,經其轉變后輸出量為熱電動勢,根據溫度與其熱電動勢的對應關系,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、應變傳感器、速度傳感器、位移傳感器、化學傳感器、電學傳感器等等;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;輸出量為標準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、模塊化的儀器硬件和應用軟件三部分構成的、虛擬的測量儀器。

注:虛擬儀器從其外形上看,即是一臺由計算機操縱的儀器或設備或裝置,而實質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,應按測量傳感器的定義去理解;計算機則按通常意義去理解;而應用軟件部分,其主要指的是虛擬儀器中的測量和控制、以及數值處理軟件,這與測量設備的定義中的軟件部分相吻合。其實質就是一臺由計算機軟件控制的測量儀器。虛擬儀器的整套構成,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技術,并可由用戶自行設計、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硬件資源與模塊化儀器硬件有機地融為一體,從而把計算機強大的、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合在一起,并通過軟件實現對測量結果的顯示、存儲以及分析、處理、控制過程。

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

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

虛擬儀器技術的應用,也給我們帶溯源性(既GB/T19001-2008/ISO9001:208標準的7.6條中“當計算機軟件用于規(guī)定來了一些新的管理和技術問題,如:虛擬儀器的計量要求的監(jiān)視和測量時,應確認其滿足于其用途的能力?！焙虶B/T19022-2003/SO10012:003標準的6.2.2條中“軟件及其任何修改在啟用前應進行測試和(或)確認,并經批準和存檔?！币蟮谋疽?如何來實現其的計量溯源性、測量不確定度的評估、計算機程序的安全性和可靠性管理等等,留待我們在現時及今后去探討、去解決。

(6)測量鏈

從敏感器到輸出單元構成的單一信號通道,測量系統(tǒng)中的單元系列。

例:a)由傳聲器、衰減器、濾波器、放大器和電壓表構成的電聲測量鏈;

b)由波登管、杠桿系統(tǒng)、兩個齒輪和機械刻度盤構成的機械測量鏈

測量鏈是指測量儀器或測量系統(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構及其計量特性的理解。

(7)測量標準

具有確定的量值和相關聯的測量不確定度,實現給定量定義的參照對象。

t例:a)具有標準測量不確定度為3μg的1kg質量測量標準;

b)具有標準測量不確定度為1μ2的100Ω測量標準電阻器;

c)具有相對標準測量不確定度為2×1015的銫頻率標準;

d)量值為7.072,其標準測量不確定度為0.006的氫標準電極;

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種不同蛋白質中每種的質量濃度提供具有測量不確定度的量值的有證標準物質。

注1:在我國,測量標準按其用途分為計量基準和計量標準。

注2:給定量的定義可通過測量系統(tǒng)、實物量具或有證標準物質復現。

注3:測量標準經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準、測量儀器、或測量系統(tǒng)對其進行校準,確立其計量溯源性。

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

注5:測量標準的標準測量不確定度是用該測量標準獲得的測量結果的合成標準不確定度的一個分量。通常,該分量比合成標準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準使用的當時確定。

注7:幾個同類量或不同類量可由一個裝置實現,該裝置通常也稱測量標準

注8:術語“測量標準”有時也用于表示其他計量工具,例如“軟件測量標準”(見ISO5436-2)測量標準,是測量標準器及其必要組合的統(tǒng)稱,其中又可細分為若干種。在定義中,已明確了研制和建立測量標準的目的、測量標準的作用、以及它的構成性質。在我國,測量標準又明確地被分作計量基準和計量標準兩大類且各自的地位和作用在《人民計量法》中已予闡明。而在當今的國際社會中,它們通常都被稱作測量標準。有足夠均勻和穩(wěn)定的特定特性的物質,其特性被證實適用于測量中或標稱特性檢查gxlfs8768。