計量培訓：通用計量術語知識講座

　　四、〔測量儀器的〕重複（fù）性

　　測（cè）量儀（yí）器的重複性是指“在相同測量條件下，重複測（cè）量（liàng）同一（yī）個被測量，測量儀器提供（gòng）相近示值的（de）能力（lì）”(見JJF1001-1998   7.27條，以下簡稱條款)。就是指（zhǐ）在相同（tóng）測量條件下，重複測量同（tóng）一個被測量，其測量（liàng）儀器示值的一致（zhì）程（chéng）度。又簡（jiǎn）稱為重複性。
　　相同的測（cè）量條件主要包括:相同的測量程序（xù）；相同的觀測者；在相（xiàng）同條件（jiàn）下使用相（xiàng）同的（de）測量設備（bèi）；在相同地點；在短時（shí）間內重複。
　　測量（liàng）儀（yí）器的重複性，即多次測量同一量，其示值的變化，實質上反（fǎn）映了測（cè）量儀器（qì）示值的（de）隨機誤差分量，所以重複（fù）性可以用示值的分散性（xìng）定量地表示，這也是衡量測量儀器計量性能的指標之（zhī）一。
　　要區別測量儀器的重複性、測量結果的（de）重複性及示值變動（dòng）性的概念。測量儀器的重複性是對測量（liàng）儀器的示值而言，而測量結果的重複性是針對測量結果而言，而有的長（zhǎng）度測量儀器（qì），經常使用“示值變（biàn）動性（xìng）”或“示值變化”，它是指在測（cè）量條件不作任何改變的情況下，對同一被測的量多次重複測量讀數，其（qí）結果的最大差異，實質上反映了測量儀器示值讀數機構的重複性，一般在不改變被測（cè）量的（de）安裝位置，主要考核（hé）讀數機構引起的示值變化，從概念上講（jiǎng）和（hé）重（chóng）複性（xìng）是有一定差異（yì）的。    

　　五、穩（wěn）定（dìng）性（xìng）

　　穩（wěn）定性是指“測量儀器保持其計量特性隨時間恒定的能力”(7.14條)。通常（cháng）穩定性是指測量儀器的計量特（tè）性隨時間不變化的能力。若穩定性不是對時間而（ér）言，而是對其（qí）他量而言，則應該明確說明。穩定性可以（yǐ）進行定量的（de）表征，主要是確定計（jì）量特性隨時間變化的（de）關係。通（tōng）常（cháng）可以用以下兩種方式:用計量特性變化某個規定的量（liàng）所（suǒ）需經過的時間，或用計量特性經過規（guī）定的時間所發生（shēng）的變化量來進行定量表示。例如:對於標準電池，對其長期穩定性(電動勢（shì）的年（nián）變化幅度)和短期（qī）穩定（dìng）性(3～5天內電動勢變化幅度)均有明確的要（yào）求；如量塊尺（chǐ）寸的穩（wěn）定性，以其規定的（de）長度每年允許的最大（dà）變化量(微米/年)來進行（háng）考核，上述穩定性指標均是（shì）劃分準確度等級的重要依據。
　　對於測量儀器，尤其是基準、測量標準或某（mǒu）些實物量具，穩定性是重（chóng）要的計量性能之一，示值（zhí）的穩定是保證量值準確的基礎。測量儀器產生不穩定的因素很多，主要原因是元器件的老化、零部件的磨損、以及（jí）使用、貯存、維護工作不仔細等所致。測（cè）量儀器進行的周期檢定或校準（zhǔn），就是對其（qí）穩定（dìng）性的（de）一（yī）種考核。穩定性也是科學合理（lǐ）地確定檢定周期的重要依據之一。    

　　六、超然（rán）性

　　超然性是指“測量儀器不改變被測量的能力”(7.15條)。是測量儀器本身從原理、結構、使用上是否（fǒu）存在著對被測量值影響的能力。這是測量（liàng）儀器在設計和使用中應考慮的（de）一個重要因素（sù）。最好是不影（yǐng）響或使其影響減小（xiǎo）到最（zuì）少（shǎo）。實際上，在進行（háng）測量時（shí），測量儀器幾乎不（bú）可避免地要影響著被測（cè）量（liàng），存在著超然性，因為測量儀器與被測量之間必然有能量和（hé）物質的消耗，或（huò）儀器結構、使用方法對被測量的影（yǐng）響。例如（rú）:電流表（biǎo）、電壓表在使用時會有電（diàn）功率（lǜ）的消耗；千分尺、百分表在使用時（shí）存在著測量力作用於被（bèi）測對象；熱電偶測溫時總伴有與外界的熱交換影響。有的測量儀器由於內（nèi）部的結構、其傳動或指示機構（gòu）的不平衡性（xìng），以及測量方法、使用環境（jìng）等都會（huì）對被（bèi）測量值產生影響，這將會增大測量儀器的（de）示（shì）值（zhí）誤差，影響測量儀器的準確度。當然也存在著具有超（chāo）然性的測量儀器，如天平，它從儀器的結構和通過測量方法（fǎ），如采用（yòng）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，同時在同一條件下測量，可以消除其他（tā）相應的影響量帶來的影響，所（suǒ）以這（zhè）是超然性的。我們應該研究改進測量儀器的結構，或研究各種測量方法，來提（tí）高測量儀器的超然性，以減少測量儀器（qì）由於各（gè）種因素造成（chéng）的對被測量值的影響。

　　七（qī）、靈敏度、鑒（jiàn）別力閾（yù）、〔顯示裝置的（de）〕分辨力

　　1.靈敏度
　　靈敏度是指“測量儀器響（xiǎng）應的變化除以對應的激（jī）勵變化（huà）”(7.10條)。是反映測量儀器被測量(輸入（rù）)變化引起儀器示值(輸出)變化的程度。它用被（bèi）觀察變量的增量即響應(輸出量)與相應被測量的（de）增量即（jí）激勵(輸（shū）入量)之商（shāng）來表示。如被（bèi）測量變化很小（xiǎo），而（ér）引起的示值(輸出量)改變很大，則該測量儀器的靈敏度就（jiù）高。
　　對於線性測量儀（yí）器來說，其靈（líng）敏度S為:
　　S==k=常數
　　式中的k叫傳遞係數，當響應y與激勵x是同一種量（liàng）時，又叫放大係數。對於非線性的測量儀器，靈敏度宜表示為（wéi）:
　　S==f′(x)
　　這時靈（líng）敏度隨激勵變（biàn）化而變化，它是一個變量，與激勵值（zhí）有關。
　　例如:在磁電係儀表中，響應特（tè）性是線（xiàn）性關係，靈敏度就是個常數；而在電（diàn）磁係儀表中響應（yīng）特性呈平方關係（xì），靈敏度（dù）隨激勵值（zhí）變化。又如電動係儀表，測量功率時（shí）靈敏度是個常數，而測量電流或電壓時卻又隨（suí）激勵值變化。因此，有時在表述測量儀器的（de）靈敏度時，往往要（yào）指明對哪個（gè）量而言。例如檢流計，就要說明是指電（diàn）流靈敏（mǐn）度（dù）還是電壓靈敏度。
　　在某些（xiē）情況下，還（hái）使用（yòng）下式表示相對靈敏度:
　　
　　式中，x為激勵即輸入的被測（cè）量值。
　　靈敏度（dù）是測量儀器中一個十分重要的（de）計量特性，它是反映測量儀器性能的重要指標，但有時靈敏度並不是越高越好。為了方便（biàn）讀數，使示值處於穩定（dìng），還需（xū）要特意降低靈敏（mǐn）度值。

　　2.鑒別力閾
　　鑒別力閾是指“使（shǐ）測量儀器產生未察覺的響（xiǎng）應變化的最大激勵變化，這種激勵變化（huà）應緩慢而單調地進行”(7.11條)。它是指當測量儀器在某一示（shì）值給以一定的輸（shū）入，確定某激勵值，這種激勵（lì）再緩慢從同一方向逐步增加，開始為未察覺響應的變化，當測量儀器的輸出開始有可覺察的響應變化時，讀取該激勵值（zhí），此輸入的激勵變化稱為鑒別（bié）力閾。也可簡稱鑒別力，同（tóng）樣可（kě）以在反行程進行。
　　例如:在一台天平的指針產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；如一台電子電位差計，當（dāng）同一（yī）行程方向輸入量緩慢改變到0.04mV時，則指針開始產生可覺察的（de）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，則激勵的變化(輸（shū）入量的（de）變化)應緩慢，同（tóng）時應在同一行程（chéng）上進行，以（yǐ）消除慣性或內部傳動機構的間隙和摩擦。通常一台測量儀器其鑒別力閾應在同一示值（zhí）上和對應在標（biāo）尺（chǐ）上、中、下不（bú）同示值範圍正反向行程進行測定，則其鑒別力（lì）閾值是不同的（de），則可以按其最大的激（jī）勵變（biàn）化（huà）來表示測量儀器鑒（jiàn）別力閾值（zhí）。鑒別（bié）力閾有時人們也習慣稱為靈敏閾、靈敏限，是同一個概念。產生（shēng）鑒別力閾的原因（yīn）可能與（yǔ）噪聲(內部、外部的)摩擦、阻尼、慣性等有關，也與激勵值有關。
　　要注意（yì）靈敏度（dù）和鑒（jiàn）別力閾（yù）的區別和關係（xì）。這是兩個概念（niàn），靈敏度是被測量(輸入（rù）量)變化引起了測量儀器示值(輸出量)變化（huà）的程度，鑒別力閾是引起測量儀（yí）器示值(輸出量)未覺察變（biàn）化時被測量(輸入量)的最（zuì）大變化。但二（èr）者是相（xiàng）關的，靈敏度越高，其鑒別力閾越小；其靈（líng）敏度越低，鑒別力閾越大（dà）。如有（yǒu）兩台檢流計，A台輸入1mA，光標移動10格，B台輸入（rù）1mA，光標移動20格，則B台的靈敏（mǐn）度為20格/mA，比A台10格/mA高，若人眼睛的分辨力即可覺（jiào）察（chá）的最小變（biàn）化量為（wéi）0.1格，則A台改變（biàn）0.1格，將輸入0.01mA，B台的改變0.1格將輸入0.005mA。可見B台的鑒別力閾為0.005mA比A台的0.01mA小（xiǎo），但B台的靈（líng）敏度比A台要高。

　　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（wéi）標尺分（fèn）度值的一半，即用肉（ròu）眼可以分辨到一個分（fèn）度（dù）值的1/2，當（dāng）然也可以采取其它工具（jù）如放大鏡、讀數望遠鏡等提高其分辨力；對（duì）於數字式顯（xiǎn）示裝置的分（fèn）辨力（lì）為末位數字的一個數（shù）碼，對半數字式的顯示裝置的分辨力為末位數字的一個分度。此概念也可以適應記（jì）錄式儀器。顯示裝置的分辨力可簡稱為分（fèn）辨力。
　　要區別分辨（biàn）力和鑒別力（lì）閾的（de）概（gài）念，不要把二者相混淆。因為鑒（jiàn）別力閾是（shì）須在測量儀器處（chù）於工作狀態時通過實驗才能評估或確定數值，它說明響應的（de）未覺察變化所（suǒ）需要（yào）的最大激勵值，而分辨力隻須觀察顯示裝置，即使是（shì）一台不工作的測量儀器即可確定，是說明最小示值差的辨別能力。
　　分辨力高可以降低讀數誤差，從而減少由於讀（dú）數誤差引起的對測量（liàng）結果的影響。要（yào）提高分辨力，往（wǎng）往有（yǒu）很多因素（sù），如指（zhǐ）示儀器可增大標尺間距，要規定刻線和指針寬度，要（yào）規定指針和度盤間的距離等，這些一般在測量儀器的標準或檢定規程中都應（yīng）規定，因為（wéi）它直接影（yǐng）響著測（cè）量的準確度（dù），有的測量儀器則改進讀數裝置（zhì），如廣泛使用的遊標卡尺，它利用遊標讀數原理用遊標來提高對卡尺讀數的分辨（biàn）力，使遊標量具的遊標讀數值達到（dào）0.10、0.05和0.02mm。    

　　八、響應特性、響應時間（jiān）

　　1.響應特性
　　響應（yīng）特性是指“在確定條件下，激勵與對應響應之間的（de）關係”(7.9條)。這裏的（de）激勵就（jiù）是輸入（rù）量或輸入信號，響應就是輸出量或輸出訊號，而響應特性就是輸入輸出特性。對一個完整的測量儀（yí）器（qì）來說，激勵（lì）就是（shì）被測量，而響應就是（shì）它對應地給出的示值。顯然，隻有準確地確定了測量儀器的響應特性，其示值才能準確地（dì）反映被測量值（zhí）。因此，可以說響應特性是（shì）測量儀器最基本的特性。
　　該定（dìng）義中“在（zài）確定條件（jiàn）下”是一種必要的限（xiàn）定，因為（wéi）隻有在明確約定的條件下，討論響（xiǎng）應特性才有意義。
　　測量儀器的響應特性，在靜態測量中，測量儀（yí）器（qì）的輸入x(即待被測量的量（liàng）值或激勵)和輸出y(即示值或響應)不隨時間而改（gǎi）變，它的輸入/輸出特性或靜態響應特性可用下（xià）式表（biǎo）示（shì）:
　　y=f(x)
　　此關係可以建立在理（lǐ）論或（huò）實（shí）驗的基礎上，除了上述表述外，也可以用數表或圖形表示。對（duì）於具有線性標尺的測量儀器（qì），其靜態響應特性（xìng）為:
　　y=kx
　　式中k是測（cè）量儀器本（běn）身的一（yī）些固定參數值確定的常數。這是線性測量儀器響應（yīng）特性的普遍表示式。隻（zhī）要k值一經（jīng）確定（dìng），響應特性也（yě）就完全確定。
　　確定了線（xiàn）性測（cè）量儀器的靜態（tài）響應特性，就可以方便地根（gēn）據它來研究測量（liàng）儀器的一係列靜態特性(即用（yòng）於測量靜態量時測量儀器所（suǒ）呈現的特性)，如靈敏度、線性、滯後、漂移等特性及（jí）由它們引起的測量誤差。
　　測量儀器的動態響（xiǎng）應特（tè）性，在動態（tài）測量（liàng）中，測量儀器的激勵或輸入按時間（jiān）t的（de）函數而（ér）改變，其（qí）響（xiǎng）應或輸出（chū）也是時間的函（hán）數，一般認為它們之間的（de）關係可以用常（cháng）係（xì）數微分方程來描述，用拉普拉斯積分變換來（lái）求解常係數線性微分方程十分方便，當激勵按時間函數變化時，傳遞函數(響應的（de）拉普拉斯變（biàn）換除以激勵（lì）的拉普拉斯變換)是響應特性的一種形式。

　　2.響（xiǎng）應時間
　　響應時間是指“激勵受到規定突變的瞬間，與響應達（dá）到並（bìng）保持其最終穩定值的規定極限內的瞬間，這兩者之間的時（shí）間間隔”(7.17條)。這是測量（liàng）儀器動態響應特性（xìng）的重要參數（shù）之一。是指（zhǐ）對輸（shū）入輸出關係（xì）的響應特性中，考核隨著（zhe）激勵的變化其響（xiǎng）應時間反（fǎn）映的能力，當然越短越好，響應（yīng）時間短則反映指示靈敏快捷，有利於進行快速測量或調節控製（zhì）。如動圈式溫（wēn）度指示調節儀（yí），其（qí）性能上有一條規（guī）定，即阻尼時間，要求給（gěi）儀表突然加（jiā）上相當於標尺幾何中心點的被測量(毫伏值或電阻值)的瞬時（shí）起至指針距最後（hòu）靜止位置不大於標尺弧長±10%的範圍為止（zhǐ），這（zhè）個時間間（jiān）隔對張絲支承儀表不超過7秒，對軸承、軸尖支承儀表不超過（guò）10秒，這一阻尼時間（jiān）就是（shì）響應時間，正是由於動圈儀表是由張絲或軸承支承，指針在測量過程中要穩（wěn）定下來需要有一定時間，其（qí）調節性能不夠理想、應用範圍受到一定限製。對於線性一階測量（liàng）儀器來說，響應時間就是它的時間常數。    

　　九、漂移（yí）

　　漂移是指“測量儀器計量特性的慢變化”(7.16條)。這是反映在規定條件下，測量儀器（qì）計量特性隨時（shí）間的慢變化，如（rú）在幾分鍾（zhōng）、幾十分鍾或多少小時內保持其計量特性恒定能力的一個術語。如有的測量儀器所指的（de）零點漂移（yí），有的線性測量儀器靜態特性隨時間變化的量程漂移。如原子吸收光譜儀的一種冷原子吸收測汞儀，則（zé）規定在外接交流穩壓器、輸（shū）出（chū）端接10mV記錄儀，儀（yí）器預熱2小時後，測定半小時內零點的最大漂移（yí）應小於0.1mV。又如熱導（dǎo）式氫（qīng）分析器（qì），規定用（yòng）校準氣體將示值分別調到量程（chéng）的（de）5%和85%，經24小時後，分別記下前後讀（dú）數，則5%處的示值變化稱為零點漂移（yí），其85%處的示值變化減去5%示值的變（biàn）化，稱為量程漂移，所引起的誤差不得超過固有誤差。產生漂（piāo）移的原因，往往是由於溫度、壓力（lì）、濕度等影響變化所引起，或由於儀器本身性能的不穩定。測量儀器使用時采取預熱、預先放（fàng）置一段時間與室溫等溫，就是減少漂移的一些措施。    

　　十（shí）、死區

　　死區是指“不致引起測量儀（yí）器響（xiǎng）應發生變化的激（jī）勵雙向變動的最大區（qū）間”(7.13條)。有的（de）測量儀器由於機構零件的摩擦，零（líng）部件之間的間隙，彈性材料的變形（xíng），阻尼機構的影響，或由於被測量滯（zhì）後等原因，在增大輸入時，沒有響應輸出，或者在減少（shǎo）輸入時，也沒有響應變化，這一不會引起響應變化的最（zuì）大的激勵變化範圍稱為（wéi）死區。相（xiàng）當於不工作（zuò）區或不顯示區。
　　通常測（cè）量儀器的死區可用滯後（hòu）誤差或回程誤（wù）差來進行（háng）定量確定。例如:當用標準電位差計檢定測溫用自動電子電位差計時，以標準電位差計示值作為被測（cè）量值的輸（shū）入（rù）量，增加標準電位差計（jì）示值（zhí），使電子電位差（chà）計的指針，從正（zhèng）行程方（fāng）向達到某一規定的示值（zhí），此（cǐ）時讀數標準電位差計的示值為A₁，然後緩慢減小標準電位差計的輸入量，使其反方向行程改變被測量，當發現電子電位（wèi）差計指針有可覺察移動時，讀取標準電位差計的示（shì）值為A₂，則|A₁-A₂|值即為測量儀器該點的回程誤差，即反映了不致引起測量儀器響（xiǎng）應（yīng）發生變化的（de）激勵雙向變動的區（qū）間值（zhí）。定義所說的“最（zuì）大區間”是指在測量儀器的整個測量範圍內其死區的最大變化值，如測定三個點，則以最大的死區判定為該測量儀器的死區區間。當然死區大小與測量過程中的速率有關，要（yào）準確地得到死區的（de）大（dà）小則激勵的雙向（xiàng）變動要緩慢（màn）地進行。對於數字計量儀器的死區，IEC標準解釋（shì）為（wéi）:引起數字輸出的模擬輸入信號的最小（xiǎo）變化。但有時死區過小，反而使（shǐ）示值指示不穩定，少有激勵變化（huà），響應就改變（biàn），為了提高測量儀器示值的穩定性，方便讀數，有時要采取降低靈敏度或增加阻尼機構（gòu）等措（cuò）施來加大死區。
　　按《通用計量（liàng）術語（yǔ）及定義》第7章劃分，測量儀（yí）器的特性還有（yǒu）很多內容，加標稱範圍、測量範圍、量程、測量儀器工作條件等，這些內容已在上一講陳述，故不再重複（fù）。在實際使用中仍有很多測量儀器特性的（de）術語，在此隻（zhī）對JJF 1001—1998規範所包（bāo）含的術語做一解釋。