安陽試驗(yàn)設(shè)備計(jì)量校正/計(jì)量校驗(yàn)機(jī)構(gòu)

測(cè)量儀器的分類和特性:
測(cè)量儀器是計(jì)量學(xué)研究中的一個(gè)基本內(nèi)容。在測(cè)量活動(dòng)中,與我們接觸得*多的就是測(cè)量儀器,任何測(cè)量結(jié)果也都是通過測(cè)量儀器獲得的。因此,計(jì)量管理的職能者必須增加對(duì)測(cè)量儀器的了解程度。

一、測(cè)量儀器的多種稱謂及其分類

在日常的測(cè)量活動(dòng)中,可以用許多不同的術(shù)語來描述所使用的儀器及裝置,這些術(shù)語之

1.1多種多樣的稱謂間并不相互排斥

(1)測(cè)量儀器

計(jì)量器具工具

單獨(dú)或與一個(gè)或多個(gè)輔助設(shè)備組合,用于進(jìn)行測(cè)量的裝置。

注1:一臺(tái)可單獨(dú)使用的測(cè)量儀器是一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。

注2:測(cè)量儀器可以是指示式測(cè)量儀器,也可以是實(shí)物量具。

計(jì)量器具工具

測(cè)量儀器是用來測(cè)量,并能得到被測(cè)的量的值的一種技術(shù)工具、儀器、物質(zhì)或裝置的稱。有些測(cè)量儀器可以單獨(dú)完成測(cè)量,如:體溫計(jì)、電壓表、直尺、度盤秤等;而有些測(cè)量儀器卻需與其它的測(cè)量儀器和(或)輔助設(shè)備一起使用,才可以完成測(cè)量,如:砝碼、熱電偶、標(biāo)準(zhǔn)電阻、百分表、水準(zhǔn)儀等。

對(duì)這同一對(duì)象,在我國現(xiàn)行的計(jì)量法律、計(jì)量技術(shù)法規(guī)中,稱它為計(jì)量器具;而在法制計(jì)量以外的領(lǐng)域,它則通常被稱為測(cè)量儀器。在國際上,一般都稱其為測(cè)量儀器(measuring

instrument)在我國的計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF1001-2011中規(guī)定:測(cè)量儀器與計(jì)量器具指稱的是同一對(duì)象,這兩種術(shù)語稱謂是同義的。

測(cè)量儀器(計(jì)量器具)根據(jù)需要,可以按其的計(jì)量學(xué)用途或其在量值溯源中的作用進(jìn)行分類;又可以按其結(jié)構(gòu)形式和功能特點(diǎn)進(jìn)行分類:也可以按其信號(hào)輸出形式、測(cè)量工作原理、特定的用途、準(zhǔn)確度等級(jí)等各種特征來進(jìn)行分類。

(2)測(cè)量系統(tǒng)

一套組裝的并適用于特定量在規(guī)定區(qū)間內(nèi)給出測(cè)得值信息的一臺(tái)或多臺(tái)測(cè)量儀器,通常還包括其他裝置,諸如試劑和電源。

注:一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)可以僅包括一臺(tái)測(cè)量儀器。

測(cè)量系統(tǒng)是指用于特定測(cè)量目的、由全套測(cè)量儀器或和有關(guān)的其他裝置所形成的一個(gè)系統(tǒng)裝置的組合整體。這里的全套測(cè)量儀器應(yīng)包括各種測(cè)量儀器、實(shí)物量具、測(cè)量傳感器或參考物質(zhì)。建立測(cè)量系統(tǒng)的目的是為了便于操作,提高測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度等。從定義上看,測(cè)量系統(tǒng)是由各種測(cè)量儀器與其他裝置組合,也可以隨時(shí)拆卸。對(duì)一些小型的測(cè)量系統(tǒng),我國慣上稱其為測(cè)量裝置。從測(cè)量系統(tǒng)的新定義的注中看,僅包括一臺(tái)測(cè)量儀器時(shí)也可以稱其為測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)按其自動(dòng)化程度,可分為手動(dòng)、半自動(dòng)或自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng);按被測(cè)量的個(gè)數(shù)又可區(qū)分為單參量(單回路)或多參量(多回路)測(cè)量系統(tǒng)。

(3)實(shí)物量具

具有所賦量值,使用時(shí)以固定形態(tài)復(fù)現(xiàn)或提供一個(gè)或多個(gè)量值的測(cè)量儀器。

一例:a)標(biāo)準(zhǔn)砝碼;

b)容積量器(提供單個(gè)或多個(gè)量值、帶或不帶量的標(biāo)尺)

c)標(biāo)準(zhǔn)電阻器;

d)線紋尺;

e)量塊;冬、

f)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器;

g)有證參考物質(zhì)。

注1:實(shí)物量具的示值是其所賦的量值。

標(biāo)

注2:實(shí)物量具可以是測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)物量具的主要特征是在使用時(shí)其能夠以固定形態(tài)復(fù)現(xiàn)或提供某個(gè)量的一個(gè)或多個(gè)量值。這里所述的固定形態(tài),應(yīng)理解為這類測(cè)量儀器是一種摸得著、看得見的實(shí)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(xué)狀態(tài),以保證在使用時(shí)能確定地復(fù)現(xiàn)并保持其所賦予的量值。定義中的量值應(yīng)理解為其的數(shù)值、測(cè)量單位及其測(cè)量不確定度均為已知。

實(shí)物量具按其復(fù)現(xiàn)或提供的量值來看,又可以分為單值測(cè)量儀器和多值測(cè)量儀器。單值測(cè)量儀器如:量塊、標(biāo)準(zhǔn)電池、標(biāo)準(zhǔn)砝碼、不帶量的標(biāo)尺的容積量器、有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等,它們均不帶量的標(biāo)尺;多值測(cè)量儀器如:線紋尺、標(biāo)準(zhǔn)電阻器、帶量的標(biāo)尺的容積量器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器等,它們則帶有標(biāo)尺。多值測(cè)量儀器也可包含成套量具,如:標(biāo)準(zhǔn)砝碼組、量塊組等。

實(shí)物量具從工作方式來分,又可以分為從屬測(cè)量儀器和獨(dú)立測(cè)量儀器。必須借助其他測(cè)量儀器才能進(jìn)行測(cè)量的稱為從屬測(cè)量儀器,如標(biāo)準(zhǔn)砝碼,其只有借助天平或質(zhì)量比較儀才能進(jìn)行質(zhì)量的測(cè)量;不必借助其他測(cè)量儀器即可進(jìn)行測(cè)量的則稱為獨(dú)立測(cè)量儀器,如:直尺、量杯等。

必須注意實(shí)物量具與一般測(cè)量儀器的區(qū)別。實(shí)物量具本身所復(fù)現(xiàn)或提供的已知量值即給定量的所賦量值,就是其量值的實(shí)際大小。而一般測(cè)量儀器所指示的量值則往往是一種等效信息,如體溫計(jì)所指示的溫度,它自身并不能提供一個(gè)實(shí)際溫度值,而只是一種等效信息。

幾何量計(jì)量中的長度類測(cè)量儀器如:游標(biāo)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(shí)物量具。

有證參考物質(zhì)按定義均應(yīng)屬于測(cè)量儀器中的實(shí)物量具。

用于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)目的的測(cè)量儀器中有很多都屬于實(shí)物量具。

4)測(cè)量傳感器

用于測(cè)量的,提供與輸入量有確定關(guān)系的輸出量的器件或器具。

例:a)熱電偶;

b)電流互感器;

c)應(yīng)變片;

d)pH電極;

e)波登管;

測(cè)量傳感器的作用就是按照已確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將輸入的被測(cè)量變換成易測(cè)量或易處理f)雙金屬片。的另一種量,或大、小適當(dāng)?shù)耐环N量的再輸出。在實(shí)踐中,一些被測(cè)量往往不能找到能將它與已知量值直接進(jìn)行比較的測(cè)量儀器來測(cè)量或者因其測(cè)量準(zhǔn)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(dāng)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(cè)量的電學(xué)量;或變換成大、小不同的同種量,如:將大電流變換成較易測(cè)量的安培量級(jí)的電流這種用于測(cè)量目的的器件或器具就約定稱其為測(cè)量傳感器。通常直接輸入測(cè)量傳感器的量就是被測(cè)量。如:熱電偶輸入量為溫度,經(jīng)其轉(zhuǎn)變后輸出量為熱電動(dòng)勢(shì),根據(jù)溫度與其熱電動(dòng)勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以從溫度指示儀或電子電位差計(jì)上得到被測(cè)量的溫度值。所以熱電偶就被稱為溫度傳感器。

測(cè)量傳感器的種類很多。按被測(cè)量來分類,可分為溫度傳感器、力值傳感器、壓力傳感器、應(yīng)變傳感器、速度傳感器、位移傳感器、化學(xué)傳感器、電學(xué)傳感器等等;按測(cè)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(shí)提供與輸入量有給定關(guān)系的輸出量的器件,并不直接作用與被測(cè)量,而是測(cè)量儀器器、光電式傳感器等等。

通道中間的某個(gè)環(huán)節(jié),或是測(cè)量儀器本身內(nèi)部的某一部件,則這種部件亦被稱為測(cè)量變換器;若輸入和輸出的為同種量,亦被稱為測(cè)量放大器;輸出量為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器通常也被稱為測(cè)量變送器。

(5)虛擬儀器

通常由計(jì)算機(jī)、模塊化的儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分構(gòu)成的、虛擬的測(cè)量儀器。

注:虛擬儀器從其外形上看,即是一臺(tái)由計(jì)算機(jī)操縱的儀器或設(shè)備或裝置,而實(shí)質(zhì)上其具備了特定的測(cè)量功能。對(duì)于虛擬儀器,國際上目前尚無一個(gè)*的定義。上述的模塊化儀器硬件,應(yīng)按測(cè)量傳感器的定義去理解;計(jì)算機(jī)則按通常意義去理解;而應(yīng)用軟件部分,其主要指的是虛擬儀器中的測(cè)量和控制、以及數(shù)值處理軟件,這與測(cè)量設(shè)備的定義中的軟件部分相吻合。其實(shí)質(zhì)就是一臺(tái)由計(jì)算機(jī)軟件控制的測(cè)量儀器。虛擬儀器的整套構(gòu)成,在某種意義上可理解為是一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。

虛擬儀器是充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù),并可由用戶自行設(shè)計(jì)、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(jì)算機(jī)硬件資源與模塊化儀器硬件有機(jī)地融為一體,從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的、快速的計(jì)算處理能力和測(cè)量傳感器的測(cè)量信號(hào)輸出能力,以及其它儀器、儀表裝置的控制能力結(jié)合在一起,并通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的顯示、存儲(chǔ)以及分析、處理、控制過程。

虛擬儀器可在計(jì)算機(jī)上完成各類信號(hào)的分析與處理測(cè)量結(jié)果的表達(dá)與輸送,或?qū)?shù)值采集卡插入計(jì)算機(jī)接口,把儀器信號(hào)采集(包括測(cè)量傳感器電路、信號(hào)調(diào)整電路)、信號(hào)分析與處理、測(cè)量結(jié)果表達(dá)與輸送三個(gè)部分全都放到計(jì)算機(jī)上來實(shí)現(xiàn)。并用軟件在顯示屏上生成測(cè)量儀器的模擬控制圖,進(jìn)行信號(hào)分析和處理,進(jìn)而可以完成多種類型的非常態(tài)量、動(dòng)態(tài)量、連續(xù)量及多參數(shù)量的檢測(cè)及控制。

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

虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用,也給我們帶溯源性(既GB/T19001-2008/ISO9001:208標(biāo)準(zhǔn)的7.6條中“當(dāng)計(jì)算機(jī)軟件用于規(guī)定來了一些新的管理和技術(shù)問題,如:虛擬儀器的計(jì)量要求的監(jiān)視和測(cè)量時(shí),應(yīng)確認(rèn)其滿足于其用途的能力?！焙虶B/T19022-2003/SO10012:003標(biāo)準(zhǔn)的6.2.2條中“軟件及其任何修改在啟用前應(yīng)進(jìn)行測(cè)試和(或)確認(rèn),并經(jīng)批準(zhǔn)和存檔。”要求的本意)如何來實(shí)現(xiàn)其的計(jì)量溯源性、測(cè)量不確定度的評(píng)估、計(jì)算機(jī)程序的安全性和可靠性管理等等,留待我們?cè)诂F(xiàn)時(shí)及今后去探討、去解決。

(6)測(cè)量鏈

從敏感器到輸出單元構(gòu)成的單一信號(hào)通道,測(cè)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(gòu)成的電聲測(cè)量鏈;

b)由波登管、杠桿系統(tǒng)、兩個(gè)齒輪和機(jī)械刻度盤構(gòu)成的機(jī)械測(cè)量鏈

測(cè)量鏈?zhǔn)侵笢y(cè)量儀器或測(cè)量系統(tǒng)從測(cè)量信號(hào)輸入到輸出所形成的一個(gè)信號(hào)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(cè)量鏈、機(jī)械測(cè)量鏈;又如:由熱電偶、測(cè)量電路、電子放大器、傳動(dòng)系統(tǒng)、指示器和(或)記錄器所組成的溫度測(cè)量鏈等。通過對(duì)測(cè)量鏈的分析,有利于加深對(duì)測(cè)量儀器的原理結(jié)構(gòu)及其計(jì)量特性的理解。

(7)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

具有確定的量值和相關(guān)聯(lián)的測(cè)量不確定度,實(shí)現(xiàn)給定量定義的參照對(duì)象。

t例:a)具有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為3μg的1kg質(zhì)量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn);

b)具有標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為1μ2的100Ω測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻器;

c)具有相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為2×1015的銫頻率標(biāo)準(zhǔn);

d)量值為7.072,其標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為0.006的氫標(biāo)準(zhǔn)電極;

e)每種溶液具有測(cè)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(duì)10種不同蛋白質(zhì)中每種的質(zhì)量濃度提供具有測(cè)量不確定度的量值的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

注1:在我國,測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)按其用途分為計(jì)量基準(zhǔn)和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

注2:給定量的定義可通過測(cè)量系統(tǒng)、實(shí)物量具或有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)復(fù)現(xiàn)。

注3:測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常作為參照對(duì)象用于為其他同類量確定量值及其測(cè)量不確定度并通過其他測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量儀器、或測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn),確立其計(jì)量溯源性。

注4:這里所用的“實(shí)現(xiàn)”是按一般意義說的“實(shí)現(xiàn)”有三種方式:一是根據(jù)定義,物理實(shí)現(xiàn)測(cè)量單位,這是嚴(yán)格意義上的實(shí)現(xiàn);二是基于物理現(xiàn)象建立可高度復(fù)現(xiàn)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),它不是根據(jù)定義實(shí)現(xiàn)的測(cè)量單位所以稱“復(fù)現(xiàn)”,如使用穩(wěn)頻激光器建立米的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),利用約瑟夫森效應(yīng)建立伏特測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)或利用霍爾效應(yīng)建立歐姆測(cè)量標(biāo)準(zhǔn);三是采用實(shí)物量具作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),如1kg的質(zhì)量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

注5:測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度是用該測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)獲得的測(cè)量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的一個(gè)分量。通常,該分量比合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的其他分量小。

注6:量值及其測(cè)量不確定度必須在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)使用的當(dāng)時(shí)確定。

注7:幾個(gè)同類量或不同類量可由一個(gè)裝置實(shí)現(xiàn),該裝置通常也稱測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

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