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第4章计量器具 4 1计量器具及其分类4 2计量器具的主要特征4 3计量器具的结构和组成 4 1计量器具及其分类 4 1 1计量基准 计量基准有时也称为原始标准或最高标准 是在特定领域内具有当代最高计量特性的计量标准 计量基准是计量的最高依据 经国际协议公认 在国际上作为对有关量的其他所有标准定值依据的标准 称为国际基准 经国家正式确认 在一个国家内作为对有关量的其他所有标准定值依据的标准 称为国家基准 我国 计量法 中规定 计量基准的使用必须具备下列条件 1 经国家鉴定合格 2 具有正常工作所需要的环境条件 3 具有称职的保存 维护 使用人员 4 具有完善的管理制度 符合上述条件的 经国务院计量行政部门审批并颁发计量基准证书后 方可使用 1 计量基准的划分计量基准按量值传递体系通常分为主基准 作证基准 副基准 参考基准和工作基准 1 主基准 在一特定领域内具有当代最高计量特性的一给定量的计量基准 其值不必参考相同量的其他基准 是被指定的或普遍承认的计量基准 这里的给定量 可以是基本量 也可以是导出量即主基准的概念既适用于基本单位 也适用于导出单位 为维护所具有的计量特性 主基准是不轻易使用的 它一般只用作与作证基准或参考基准的比较器 而绝不直接用于日常计量 2 作证基准 用于核对主基准的变化 或在必要时 如主基准损坏或遗失 可代替主基准的基准 与主基准一样 作证基准也不用于日常计量 3 副基准 通过直接或间接与主基准比较或用基准法来定值的基准 一般可以代替主基准使用 副基准一般也不用于日常计量 4 参考基准 在给定地区或在给定组织内 通常具有最高计量特性的计量标准 在该处所作的计量均由它导出 5 工作基准 用于日常校准或核查实物量具 计量仪器或参考物质的计量标准 通常由参考基准来校准 3 计量基准的发展 计量是伴随着科技的进步和生产的发展逐渐形成和发展的 而计量基准则是计量的基础和依据 没有基准 便没有计量 计量基准的发展 大体经历了三个阶段 1 古典阶段 这个阶段包括封建社会及其以前的社会时期 由于生产力和科技水平的限制 古典阶段的计量基 标准是相当简陋的 从现在的眼光来看 这个阶段的基 标准器缺乏科学依据 主观因素比较明显 在这个阶段 有的是以人体的某一部分 有的是以动物的丝毛或某些能力 还有的是以植物的果实甚至乐器 物品等作为基准 2 经典阶段 从世界范围来看 1875年 米制公约 的签定 可以认为是经典时期的开始 随着社会生产力的发展 科学技术的进步 计量基准已开始摆脱人体 自然物体的范畴 进入了以科学为基础的发展时期 由于科技水平的限制 这个时期的计量基准 都属于宏观器具 它们多是根据自然界所存在的一些相对稳定的实物及现象来定义出所要求的基准 并用实物来保存 例如 根据地球子午线的长度的四分之一的一千万分之一 用铂铱合金制造的米原器 根据一立方分米的水在密度最大时的温度下的质量 用铂铱合金制造的千克原器 根据地球围绕太阳的转动周期而确定的秒 根据两通电导线之间产生的力来定义的安培 根据水三相点热力学温度确定的开尔文等 都是宏观实物基准 这类基准 随着时间的推移 由于物理的 化学的以及使用中的磨损等原因 难免发生微小的变化 另外 由于原理和技术的限制 该类基准的精度也难以大幅度提高 不能满足日益发展的现代计量的需要 因此 就不可避免地出现了关于建立更加稳定 更加精确的新的计量基准的要求 3 现代阶段 现代计量基准的基本标志是由经典理论转为量子理论 由宏观物体进入微观世界 建立在量子定律基础上的微观自然基准 也称量子基准 比宏观的实物基准要稳定可靠得多 因为 根据量子理论 微观世界的量只能是跃进式的改变 而不能发生任意的微小的变化 同时 同一类物质的原子和分子都是严格一致的 不随时间和地点而改变 这就是所谓的稳定性和齐一性 量子基准就是利用了微观世界所固有的这种稳定性和齐一性而建立的 迄今为止 已正式建立的量子基准有长度单位米基准和时间单位秒基准 还有建议使用的电压单位伏特的量子基准 其他基准也都处在向量子基准过渡的探索之中 而量子基准也是在不断的发展和更新的 比如 由于激光稳频技术的发展 激光在计量的复现性和易于应用方面已明显优于氪 86原子灯 所以在1983年第十七届国际计量大会上通过了以激光波长为基础的米的新定义 进一步提高了米的复现精度 4 1 2计量标准 计量标准是指用以定义 实现 保持或复现计量单位或一个或多个已知量值的实物量具 物质 计量仪器或计量系统 严格地说 计量标准应该包括计量基准 最高计量标准在内 关于标准的等级 一般是以所复现单位的精度来划分的 通常 主基准为零级 参考基准为一级 其余工作标准则为二级 三级等 也有笼统地将基准定为零级 而将工作标准分为一 二 三级或更多级的 级别的划分与多少 视各具体量值传递的实际情况而定 没有很严格的统一规定 4 1 3工作用计量器具 工作用计量器具是指一般日常工作中所用的计量器具 虽不是计量标准 但也具有一定的计量性能 这主要体现在其可获得某给定量的计量结果 也是计量器具和一般器具的根本区别 4 2计量器具的主要特征 4 2 1有关工作范围的特性 1 计量器具的示值 计量器具的示值是指计量器具所给出的量的值 示值可以是被测量 测量信号或用于计算被测量之值的其他量的值 对实物量具 示值就是它所标出的值 示值随着被测量而变化 2 标称值 标称值是计量器具上表明其特性或指导其使用的量值 该值为修约值或近似值 如标在电压表表盘上的示值 标称值是固定的 不随被测量的变化而变化 3 标称范围 标称范围是计量器具的操纵器件调到特定位置时可得到的示值范围 标称范围通常用计量器具的上限和下限表明 如果下限为零 标称范围一般只用上限表明 4 测量范围 测量范围是计量器具的误差处在规定极限内的一组被测量的值 与测量设备的最大允许误差有关 在标称范围内 测量设备的误差处于最大允许误差内的那一部分范围才是测量范围 也就是说 只有在这一部分测量的值 其准确度才符合要求 因此 有时又把测量范围称为工作范围 5 量程 量程是指标称范围两极限之差的绝对值 是一个具体的数值 它强调的是标称范围内 而不是测量范围内的两极限之差的绝对值 4 2 2有关响应方面的特性 1 响应特性 在特定条件下 激励与对应响应之间的关系就是计量器具的响应特性 这种关系可以用数学等式 数值表或图形来表示 当激励是关于时间的函数时 传递函数是响应特性的一种表示形式 2 灵敏度 灵敏度是计量器具响应的变化与引起该变化的激励值 被计量值 的变化之比 对于带刻度指示器的器具 通常以分度长度与其值之比作为灵敏度 灵敏度指标是考察传感器的主要指标之一 3 鉴别力 使器具的响应产生可以察觉的变化的激励值 被计量值 的最小变化量 称为鉴别力 这种激励变化应缓慢而单调地进行 4 分辨力 分辨力是指显示装置能有效辨别的最小的示值差 5 死区 计量器具的死区指的是不致引起计量器具响应发生变化的激励双向变动的最大区间 6 响应时间 激励受到规定突变的瞬间与响应达到并保持其最终稳定性在规定极限内的瞬间两者之间的时间间隔就是响应时间 4 2 3有关性能方面的特性1 漂移 漂移是指计量器具计量特性的缓慢变化 2 稳定性 计量器具保持其计量特性随时间恒定的能力称为计量器具的稳定性 通常 稳定性是对时间而言的 3 超然性 超然性是指计量器具不改变被测量的能力 4 重复性 重复性是指在相同条件下 重复测量同一个被测量 计量器具提供相近示值的能力 重复性可以用测量结果的分散性定量来表示 5 可靠性 可靠性是指计量器具在规定条件下和规定时间内 完成规定功能的能力 表示计量器具可靠性的定量指标 可以用其极限工作条件下的平均无故障工作时间来表示 这个指标越高 说明可靠性越好 4 2 4有关准确度方面的特性 1 准确度 准确度指计量器具给出接近于真值的响应能力 在实际应用中 常以测量不确定度 准确度等级或最大允许误差来定量表示 2 准确度等级 准确度等级是符合一定的计量要求 使误差保持在规定极限以内的计量器具的等别 级别 这也是计量器具最具概括性的特征 综合反映了计量器具的基本误差和附加误差的极限值以及其他影响测量准确度的特性值 3 测量精度 测量精度是测量结果的可信程度或不确定度 一般以计量值与被计量量的实际值之间的偏差范围来表示 4 最大允许误差 对给定计量器具 规范 规程等所允许的误差极限值为最大允许误差 有时也称为计量器具的允许误差限 4 3计量器具的结构和组成 4 3 1计量器具的总体构成及其计量链 1 计量器具的总体构成 应该说 计量器具并没有很固定的构成模式 但是典型的计量器具从总体构成来说 一般可以分为三个主要部分 如图4 3 1所示 图4 3 1计量器具的总体构成方框图 计量器具的第一部分是输入部分 包括传感器 检测器或计量变换器 它把被计量的信息转变成便于下一步处理的信号 第二部分是中间变换部分 也称二次变换部分 它把输入部分出来的信号进行放大 滤波 调制解调 运算 分析或其他二次变换 使之适合于输出的需要 第三部分是输出部分 也称终端变换部分 包括指示装置和记录装置 它将被计量的等效信息提供给观察者或电子计算机 在电计量仪器中 计量信号是该仪器内被计量量的代表 常常把输入到仪器的信号称为激励 把仪器的输出信号称为响应 2 计量链 从计量器具的总体构成来看 可以认为它是包含许多环节的计量链 计量链是计量仪器或计量装置中的一系列单元 它们构成计量信号从输入到输出的通道 例如由传声器 衰减器 滤波器 放大器和电压表组成的电声计量链 用毫伏计作为指示机构或指示单元的热电温度计 具有这样的计量链 热电偶 它是温度传感器 也是第一个变换单元 把温度T变换成电动势E 闭合电路 它是中间变换单元 在电动势E的作用下产生电流I 毫伏计的电磁系统 它也是中间变换单元 把电流I变换成力偶M 弹簧等 它是指示单元 把力偶M变换成观察者可以直接感受的角度 用方框图表示的这个计量链见图4 3 2 图4 3 2热电温度计的计量链方框图 上面给出了串联式计量链 它比较简单明了 而在许多情况下 计量链是比较复杂的 不仅有串联 而且有并联 甚至还带有反馈 4 3 2计量器具的输入部分 1 传感器和计量变换器 传感器是计量仪器或计量链中直接作用于被计量的量的元件 有些被计量的量是不能直接计量或直接计量时准确度不高 比如温度 流量 加速度等量 直接同它们的标准量进行比较是相当困难的 因此需要传感器变换成易于处理 易于与标准量比较的物理量 如位移 频率 电流 电阻 电压等量 计量变换器是提供与输入量有给定关系的输出量的计量器件 在计量变换器中 与被计量的量直接作用的部分是它的传感部分或敏感部分 但有时传感部分与变换部分构成一个不可分的整体 例如热电偶 所以 计量变换器可以只是传感器 也可以包括它们的附属计量线路 2 主要的传感器 常用的并有发展前途的传感器有 1 电阻式传感器 把被计量的量的变化变换为电阻变化的传感器 它包括变阻式 或滑线电阻式 和电阻应变式两类 后者根据应变计结构的不同又可分为丝式 箔式和薄膜式三类 2 电感式传感器 把被计量的量的变化变换为自感或互感变化的传感器 它包括可变磁阻式 涡流式和差动变压器式三类 3 电容式传感器 把被计量的量的变化变换为电容变化的传感器 它包括极距变化型 面积变化型和介质变化型三类 4 压电式传感器 利用一些晶体材料的压电效应 把力或压力的变化变换为电荷量变化的传感器 压电晶体不但有纵向和横向的压电效应 而且还有剪切的压电效应 因而可作成不同支撑形式和受力状态的传感器 在力 加速度 超声及声纳等计量中得到了广泛的应用 这类传感器是一种高精度的先进的传感器 近年来得到了越来越多的关注和发展 5 压磁式传感器 利用一些铁磁材料的压磁效应 把力或压力的变化变换为导磁率变化的传感器 利用其逆效应 可以作成磁滞伸缩式传感器 6 压阻式传感器 利用半导体材料的压阻效应 把压力的变化变换为电阻变化的传感器 它可分为薄膜型 结型和体型三类 7 光电式传感器 利用光电效应把光通量的变化变换为电量变化的传感器 可利用的光电效应包括光电子发射效应 光电管 光电倍增管等 光导效应 光敏电阻 光导管 和光生伏打效应 光电池 光敏晶体管 8 振弦式传感器 利用振弦的固有频率与张力之间的函数关系 把力的变化变换为频率变化的传感器 激振方法可分为连续激发和间歇激发两类 9 霍尔传感器 利用一些半导体材料的霍尔效应 将被计量的量的变化变换为霍尔电势变化的传感器 利用霍尔元件的磁阻效应可以作成磁阻式传感器 霍尔元件结构简单 体积小 噪声小 频带宽 动态范围大 有较广泛的应用前景 10 陀螺传感器 利用陀螺进动定理将被计量的量的变化变换为电量变化的传感器 例如陀螺式称重传感器 角速度微分陀螺仪和积分陀螺仪等 11 热电式传感器 利用热电效应将温度的变化变换为电势变化的传感器 各种热电偶就是广泛应用的热电式传感器 12 磁电式传感器 利用电磁感应定律将转速的变化变换为感应电动势或其频率变化的传感器 它可分为可动线圈式和可动衔接式两类 13 电离辐射式传感器 利用电离辐射的穿透能力 使气体电离并具有热效应和光电效应 把被计量量 例如厚度 的变化变换为电量变化的传感器 例如射线测厚仪 14 约瑟夫森效应传感器 利用超导体的约瑟夫森效应 把磁通量变换为周期变化的阻抗 或把频率变换为电压的传感器 它包括约瑟夫森结和计量灵敏度极高的超导量子干涉器件 SQUID 在监视电动势基准 直流电计量 辐射计量 磁学计量 低温计量 重力计量 光频计量中有着广泛的应用 15 光纤传感器 利用光在光纤中传播时其振幅 光强 相位 偏振态 模式等随被计量值变化而变化的性质而制成的传感器 它可分为功能型和非功能型 前者光纤既是敏感元件又是传光元件 后者则仅起传光作用 它也可分为干涉型和非干涉型 前者结构复杂 其灵敏度 分辨力 线性均较后者好 用它们可以计量压力 温度 流速 转速 加速度 位移 电流 磁场 辐射等多种参量 3 主要的计量变换器 主要的计量变换器有热电偶 电流互感器 电动 气动变换器 计量电桥等 计量电桥的应用极为广泛 它的功能是把来自传感器的电阻 电容 电感等量的变化 变换成电流或电压的变化 按照激励电压 辅助能源 的性质 计量电桥可以分为直流电桥和交流电桥两种 直流电桥的优点是容易获得高稳定直流电源 电桥的平衡电路比较简单 对传感器与计量仪器中间变换部分的连接导线要求较低 缺点是在计量过程中前级引进的低频干扰和后接直流放大器的漂移都较难去除 这就要求助于交流电桥 按桥臂的性质 计量电桥又可分为阻抗比率臂电桥和变压器比率臂电桥两种 目前广泛使用的是前者 由于后者的准确度 灵敏度及稳定度较高 且频率范围较宽 发展也很快 4 3 3计量器具的中间变换部分 中间变换部分的作用是对来自输入部分的信号进行中间变换 它包含处理信号的信号变换器件和传输信号的信号传输器件 或传输线 其中 信号变换器件可以由滤波器 衰减器 放大器 移相器 运算分析器 调制解调器以及模 数 数 模转换器等组成 这部分内容在电子线路 信号处理 计算机应用等方面的书中有详细的介绍 这里不再重复叙述 4 3 4计量器具的输出部分 1 指示装置的概况与分类 指示装置是计量器具中显示被计量值或其相关值的一套组件 它往往是计量器具的终端 指示是显示的一种方式 它可以表示出量的大小和各个量之间的关系 表示的方法通常有角度 长度 数字 文字 图形 图表 图像等 最早的指示装置是指针与刻度 进一步的发展就是采用直接显示出数字的机构或装置 例如数字式指示表 进行显示 对于复杂的信号则靠文字 图形和图像来指示 应用计算机后还可以借助于屏幕直接显示出来 供观察和分析 因此 指示装置既可以很简单 也可以很复杂 指示装置提供示值的方式 可以分为模拟式 数字式 半数字式三种 模拟式指示装置提供模拟示值 它采用主观读数方法 所以容易因观察者和观察位置的不同而造成视差 它的活动部分有迟滞现象 所以计量速度和准确度会受到一定的限制 最常见的模拟式指示装置是模拟指示表 一般可以分为机电式和电子式两种 数字式指示装置提供数字示值 从原理上说它克服了由模拟式指示装置的构造所决定的上述缺点和限制 它还具有自动调零 自动极性选择和自动调换量程的可能 为了进行数字式指示 首先要把模拟量转换为以脉冲信号的频率或时间间隔形式出现的数字量 然后用电子计数器进行显示 图4 3 3半数字标尺 半数字式指示装置是模拟式和数字式指示装置两者的综合 它通过由末位有效数字的连续移动进行内插的数字式指示 或通过由标尺和指示器辅助读数的数字式指示来提供半数字指示值 如图4 3 3所示 此标尺右端数字能连续移动 这样读到半数字指示值为25813 4 2 记录装置的概况和分类 记录装置是计量器具输出部分中记录被计量的量值或有关值的一套组件 例如笔式记录器 记忆示波器 打印记录器 静电记录器 照相记录器 磁性记录器等 它们可以记录字符 表格 图像 音响等 记录可以是连续的 也可以是离散的 1 笔式记录器 笔式记录器用笔尖 电笔或墨水笔的 在记录纸上描绘出被计量值相对于时间或某一参考量之间的函数关系 按照笔的驱动方式可以将其分为检流计式和伺服式两种 检流计式的笔式记录器相当于一个磁电式记录电表 伺服式的笔式记录器通常采用闭环零位平衡方法 所以也称为自动平衡记录器 当它用来描绘两个被计量量值间的函数关系时 又称为x y函数记录器 它也是电子计算机的一种输出设备 能接收计算机的代码信息并完成规定动作 用打点或画线方式在平面上绘出图形 由于笔式记录器可动部件的惯性较大 一般适宜于记录慢变化的计量信号 而且它的笔尖与记录纸之间有摩擦 因此会影响到记录的准确度 2 照相记录器 光线示波器是一种照相记录器 它主要由振子 光路 磁路 传动 摄影等单元组成 振子也相当于一个磁电式检流计 由于其以振子和张丝代替了笔式记录器检流计中的弹簧和轴承 从而减小了摩擦 提高了灵敏度 又由于以光点代替了笔尖 从而减小了惯性 提高了固有频率 记录在照相记录器记录媒质 相纸或胶片 上的计量结果 一般需要经过适当处理才能显示出来 所以不能立即看出 对于紫外线示波器 则需在日光灯下曝光才能显示 若要长期保存 则要定影冲洗 这种记录器的记录时间也会受到记录媒质长度的限制 3 磁性记录器 磁性记录器利用强磁性介质的剩余磁化现象来输入 写 存储和输出 读 信息 由于它所记录和存储的信息密度高 频率响应范围宽 信息的输入 输出速度快 动态范围大 因此得到了广泛的应用 目前常用的磁性记录器有磁带 磁鼓和磁盘 它们又统称为磁表面存储器 为了避免直接式磁性记录器中 由于磁带的磁性不匀 尘埃 磨损等所致的记录信号失真 可以分别采用以频率值 脉冲宽度或脉冲编码表示记录信息的频率调制式 脉宽调制式或脉码调制式磁性记录器 这里 除了脉码调制式属于数字记录外 其余均属模拟记录 数字记录的优点是记录准确可靠 基本上不受带速不稳的影响 记录重放的线路简单 存储的信息可以直接送到数字计算机中 4 3 5计量器具的智能化 计算机的应用 促使计量仪器和计量装置朝着智能化的方向发展 这不仅使其功能得到了充分发挥 而且可以改善它们的使用性能和计量特性 首先是观察者的部分操作 判断 读数 计算等工作可以被计算机所取代 因为计算机能按熟练操作者的程序使仪器按序工作 并具有统计和处理数据的功能 比如最小二乘法计算 不确定度计算 计量单位换算等 从而可以提高计量的