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测量仪器的特性(二)

(2009-04-30 15:50:42)
标签:

计量术语

教育

分类: 计量术语

                                   测量仪器的特性(二)
                                        金华彰
   
四、〔测量仪器的〕重复性
    测量仪器的重复性是指“在相同测量条件下,重复测量同一个被测量,测量仪器提供相近示值的能力”(见JJF1001-1998   7.27条,以下简称条款)。就是指在相同测量条件下,重复测量同一个被测量,其测量仪器示值的一致程度。又简称为重复性。
    相同的测量条件主要包括:相同的测量程序;相同的观测者;在相同条件下使用相同的测量设备;在相同地点;在短时间内重复。
    测量仪器的重复性,即多次测量同一量,其示值的变化,实质上反映了测量仪器示值的随机误差分量,所以重复性可以用示值的分散性定量地表示,这也是衡量测量仪器计量性能的指标之一。
    要区别测量仪器的重复性、测量结果的重复性及示值变动性的概念。测量仪器的重复性是对测量仪器的示值而言,而测量结果的重复性是针对测量结果而言,而有的长度测量仪器,经常使用“示值变动性”或“示值变化”,它是指在测量条件不作任何改变的情况下,对同一被测的量多次重复测量读数,其结果的最大差异,实质上反映了测量仪器示值读数机构的重复性,一般在不改变被测量的安装位置,主要考核读数机构引起的示值变化,从概念上讲和重复性是有一定差异的。
   
五、稳定性
    稳定性是指“测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力”(7.14条)。通常稳定性是指测量仪器的计量特性随时间不变化的能力。若稳定性不是对时间而言,而是对其他量而言,则应该明确说明。稳定性可以进行定量的表征,主要是确定计量特性随时间变化的关系。通常可以用以下两种方式:用计量特性变化某个规定的量所需经过的时间,或用计量特性经过规定的时间所发生的变化量来进行定量表示。例如:对于标准电池,对其长期稳定性(电动势的年变化幅度)和短期稳定性(3~5天内电动势变化幅度)均有明确的要求;如量块尺寸的稳定性,以其规定的长度每年允许的最大变化量(微米/年)来进行考核,上述稳定性指标均是划分准确度等级的重要依据。
    对于测量仪器,尤其是基准、测量标准或某些实物量具,稳定性是重要的计量性能之一,示值的稳定是保证量值准确的基础。测量仪器产生不稳定的因素很多,主要原因是元器件的老化、零部件的磨损、以及使用、贮存、维护工作不仔细等所致。测量仪器进行的周期检定或校准,就是对其稳定性的一种考核。稳定性也是科学合理地确定检定周期的重要依据之一。
   
六、超然性
    超然性是指“测量仪器不改变被测量的能力”(7.15条)。是测量仪器本身从原理、结构、使用上是否存在着对被测量值影响的能力。这是测量仪器在设计和使用中应考虑的一个重要因素。最好是不影响或使其影响减小到最少。实际上,在进行测量时,测量仪器几乎不可避免地要影响着被测量,存在着超然性,因为测量仪器与被测量之间必然有能量和物质的消耗,或仪器结构、使用方法对被测量的影响。例如:电流表、电压表在使用时会有电功率的消耗;千分尺、百分表在使用时存在着测量力作用于被测对象;热电偶测温时总伴有与外界的热交换影响。有的测量仪器由于内部的结构、其传动或指示机构的不平衡性,以及测量方法、使用环境等都会对被测量值产生影响,这将会增大测量仪器的示值误差,影响测量仪器的准确度。当然也存在着具有超然性的测量仪器,如天平,它从仪器的结构和通过测量方法,如采用替代称量法或交换称量法则可以消除天平不等臂误差的影响,同时在同一条件下测量,可以消除其他相应的影响量带来的影响,所以这是超然性的。我们应该研究改进测量仪器的结构,或研究各种测量方法,来提高测量仪器的超然性,以减少测量仪器由于各种因素造成的对被测量值的影响。
   
七、灵敏度、鉴别力阈、〔显示装置的〕分辨力
    1.灵敏度
    灵敏度是指“测量仪器响应的变化除以对应的激励变化”(7.10条)。是反映测量仪器被测量(输入)变化引起仪器示值(输出)变化的程度。它用被观察变量的增量即响应(输出量)与相应被测量的增量即激励(输入量)之商来表示。如被测量变化很小,而引起的示值(输出量)改变很大,则该测量仪器的灵敏度就高。
    对于线性测量仪器来说,其灵敏度S为:
    S= =k=常数
    式中的k叫传递系数,当响应y与激励x是同一种量时,又叫放大系数。对于非线性的测量仪器,灵敏度宜表示为:
    S= =f′(x)
    这时灵敏度随激励变化而变化,它是一个变量,与激励值有关。
    例如:在磁电系仪表中,响应特性是线性关系,灵敏度就是个常数;而在电磁系仪表中响应特性呈平方关系,灵敏度随激励值变化。又如电动系仪表,测量功率时灵敏度是个常数,而测量电流或电压时却又随激励值变化。因此,有时在表述测量仪器的灵敏度时,往往要指明对哪个量而言。例如检流计,就要说明是指电流灵敏度还是电压灵敏度。
    在某些情况下,还使用下式表示相对灵敏度:
    
    式中,x为激励即输入的被测量值。
    灵敏度是测量仪器中一个十分重要的计量特性,它是反映测量仪器性能的重要指标,但有时灵敏度并不是越高越好。为了方便读数,使示值处于稳定,还需要特意降低灵敏度值。
    2.鉴别力阈
    鉴别力阈是指“使测量仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化,这种激励变化应缓慢而单调地进行”(7.11条)。它是指当测量仪器在某一示值给以一定的输入,确定某激励值,这种激励再缓慢从同一方向逐步增加,开始为未察觉响应的变化,当测量仪器的输出开始有可觉察的响应变化时,读取该激励值,此输入的激励变化称为鉴别力阈。也可简称鉴别力,同样可以在反行程进行。
    例如:在一台天平的指针产生未觉察位移的最大负荷变化为10mg,则此天平的鉴别力阈为10mg;如一台电子电位差计,当同一行程方向输入量缓慢改变到0.04mV时,则指针开始产生可觉察的变化,则其鉴别力阈为0.04mV。为了准确地得到其鉴别力阈值,则激励的变化(输入量的变化)应缓慢,同时应在同一行程上进行,以消除惯性或内部传动机构的间隙和摩擦。通常一台测量仪器其鉴别力阈应在同一示值上和对应在标尺上、中、下不同示值范围正反向行程进行测定,则其鉴别力阈值是不同的,则可以按其最大的激励变化来表示测量仪器鉴别力阈值。鉴别力阈有时人们也习惯称为灵敏阈、灵敏限,是同一个概念。产生鉴别力阈的原因可能与噪声(内部、外部的)摩擦、阻尼、惯性等有关,也与激励值有关。
    要注意灵敏度和鉴别力阈的区别和关系。这是两个概念,灵敏度是被测量(输入量)变化引起了测量仪器示值(输出量)变化的程度,鉴别力阈是引起测量仪器示值(输出量)未觉察变化时被测量(输入量)的最大变化。但二者是相关的,灵敏度越高,其鉴别力阈越小;其灵敏度越低,鉴别力阈越大。如有两台检流计,A台输入1mA,光标移动10格,B台输入1mA,光标移动20格,则B台的灵敏度为20格/mA,比A台10格/mA高,若人眼睛的分辨力即可觉察的最小变化量为0.1格,则A台改变0.1格,将输入0.01mA,B台的改变0.1格将输入0.005mA。可见B台的鉴别力阈为0.005mA比A台的0.01mA小,但B台的灵敏度比A台要高。
    3.〔显示装置的〕分辨力
    显示装置的分辨力是指“显示装置能有效辨别的最小的示值差”(7.12条)。是显示装置中对其最小示值差的辨别能力。通常模拟式显示装置的分辨力为标尺分度值的一半,即用肉眼可以分辨到一个分度值的1/2,当然也可以采取其它工具如放大镜、读数望远镜等提高其分辨力;对于数字式显示装置的分辨力为末位数字的一个数码,对半数字式的显示装置的分辨力为末位数字的一个分度。此概念也可以适应记录式仪器。显示装置的分辨力可简称为分辨力。
    要区别分辨力和鉴别力阈的概念,不要把二者相混淆。因为鉴别力阈是须在测量仪器处于工作状态时通过实验才能评估或确定数值,它说明响应的未觉察变化所需要的最大激励值,而分辨力只须观察显示装置,即使是一台不工作的测量仪器即可确定,是说明最小示值差的辨别能力。
    分辨力高可以降低读数误差,从而减少由于读数误差引起的对测量结果的影响。要提高分辨力,往往有很多因素,如指示仪器可增大标尺间距,要规定刻线和指针宽度,要规定指针和度盘间的距离等,这些一般在测量仪器的标准或检定规程中都应规定,因为它直接影响着测量的准确度,有的测量仪器则改进读数装置,如广泛使用的游标卡尺,它利用游标读数原理用游标来提高对卡尺读数的分辨力,使游标量具的游标读数值达到0.10、0.05和0.02mm。
   
八、响应特性、响应时间
    1.响应特性
    响应特性是指“在确定条件下,激励与对应响应之间的关系”(7.9条)。这里的激励就是输入量或输入信号,响应就是输出量或输出讯号,而响应特性就是输入输出特性。对一个完整的测量仪器来说,激励就是被测量,而响应就是它对应地给出的示值。显然,只有准确地确定了测量仪器的响应特性,其示值才能准确地反映被测量值。因此,可以说响应特性是测量仪器最基本的特性。
    该定义中“在确定条件下”是一种必要的限定,因为只有在明确约定的条件下,讨论响应特性才有意义。
    测量仪器的响应特性,在静态测量中,测量仪器的输入x(即待被测量的量值或激励)和输出y(即示值或响应)不随时间而改变,它的输入/输出特性或静态响应特性可用下式表示:
    y=f(x)
    此关系可以建立在理论或实验的基础上,除了上述表述外,也可以用数表或图形表示。对于具有线性标尺的测量仪器,其静态响应特性为:
    y=kx
    式中k是测量仪器本身的一些固定参数值确定的常数。这是线性测量仪器响应特性的普遍表示式。只要k值一经确定,响应特性也就完全确定。
    确定了线性测量仪器的静态响应特性,就可以方便地根据它来研究测量仪器的一系列静态特性(即用于测量静态量时测量仪器所呈现的特性),如灵敏度、线性、滞后、漂移等特性及由它们引起的测量误差。
    测量仪器的动态响应特性,在动态测量中,测量仪器的激励或输入按时间t的函数而改变,其响应或输出也是时间的函数,一般认为它们之间的关系可以用常系数微分方程来描述,用拉普拉斯积分变换来求解常系数线性微分方程十分方便,当激励按时间函数变化时,传递函数(响应的拉普拉斯变换除以激励的拉普拉斯变换)是响应特性的一种形式。
    2.响应时间
    响应时间是指“激励受到规定突变的瞬间,与响应达到并保持其最终稳定值的规定极限内的瞬间,这两者之间的时间间隔”(7.17条)。这是测量仪器动态响应特性的重要参数之一。是指对输入输出关系的响应特性中,考核随着激励的变化其响应时间反映的能力,当然越短越好,响应时间短则反映指示灵敏快捷,有利于进行快速测量或调节控制。如动圈式温度指示调节仪,其性能上有一条规定,即阻尼时间,要求给仪表突然加上相当于标尺几何中心点的被测量(毫伏值或电阻值)的瞬时起至指针距最后静止位置不大于标尺弧长±10%的范围为止,这个时间间隔对张丝支承仪表不超过7秒,对轴承、轴尖支承仪表不超过10秒,这一阻尼时间就是响应时间,正是由于动圈仪表是由张丝或轴承支承,指针在测量过程中要稳定下来需要有一定时间,其调节性能不够理想、应用范围受到一定限制。对于线性一阶测量仪器来说,响应时间就是它的时间常数。
   
九、漂移
    漂移是指“测量仪器计量特性的慢变化”(7.16条)。这是反映在规定条件下,测量仪器计量特性随时间的慢变化,如在几分钟、几十分钟或多少小时内保持其计量特性恒定能力的一个术语。如有的测量仪器所指的零点漂移,有的线性测量仪器静态特性随时间变化的量程漂移。如原子吸收光谱仪的一种冷原子吸收测汞仪,则规定在外接交流稳压器、输出端接10mV记录仪,仪器预热2小时后,测定半小时内零点的最大漂移应小于0.1mV。又如热导式氢分析器,规定用校准气体将示值分别调到量程的5%和85%,经24小时后,分别记下前后读数,则5%处的示值变化称为零点漂移,其85%处的示值变化减去5%示值的变化,称为量程漂移,所引起的误差不得超过固有误差。产生漂移的原因,往往是由于温度、压力、湿度等影响变化所引起,或由于仪器本身性能的不稳定。测量仪器使用时采取预热、预先放置一段时间与室温等温,就是减少漂移的一些措施。
   
十、死区
    死区是指“不致引起测量仪器响应发生变化的激励双向变动的最大区间”(7.13条)。有的测量仪器由于机构零件的摩擦,零部件之间的间隙,弹性材料的变形,阻尼机构的影响,或由于被测量滞后等原因,在增大输入时,没有响应输出,或者在减少输入时,也没有响应变化,这一不会引起响应变化的最大的激励变化范围称为死区。相当于不工作区或不显示区。
    通常测量仪器的死区可用滞后误差或回程误差来进行定量确定。例如:当用标准电位差计检定测温用自动电子电位差计时,以标准电位差计示值作为被测量值的输入量,增加标准电位差计示值,使电子电位差计的指针,从正行程方向达到某一规定的示值,此时读数标准电位差计的示值为A1,然后缓慢减小标准电位差计的输入量,使其反方向行程改变被测量,当发现电子电位差计指针有可觉察移动时,读取标准电位差计的示值为A2,则|A1-A2|值即为测量仪器该点的回程误差,即反映了不致引起测量仪器响应发生变化的激励双向变动的区间值。定义所说的“最大区间”是指在测量仪器的整个测量范围内其死区的最大变化值,如测定三个点,则以最大的死区判定为该测量仪器的死区区间。当然死区大小与测量过程中的速率有关,要准确地得到死区的大小则激励的双向变动要缓慢地进行。对于数字计量仪器的死区,IEC标准解释为:引起数字输出的模拟输入信号的最小变化。但有时死区过小,反而使示值指示不稳定,少有激励变化,响应就改变,为了提高测量仪器示值的稳定性,方便读数,有时要采取降低灵敏度或增加阻尼机构等措施来加大死区。
按《通用计量术语及定义》第7章划分,测量仪器的特性还有很多内容,加标称范围、测量范围、量程、测量仪器工作条件等,这些内容已在上一讲陈述,故不再重复。在实际使用中仍有很多测量仪器特性的术语,在此只对JJF 1001—1998规范所包含的术语做一解释。

    (此文曾刊登在《中国计量》杂志2001年第5期《通用计量术语知识讲座》上第十讲。)

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