第五章 测量仪器及其特性

第一节 测量仪器

一、测量仪器及其作用

（一）测量仪器的概念

测量仪器(measuring instrument)又称计量器具，是指单独或与一个或多个辅助设备组合，用于进行测量的装置。它是用来测量并能得到被测对象量值的一种技术工具或装置。为了达到测量的预定要求，测量仪器必须具有符合规范要求的计量学特性，特别是测量仪器的准确度必须符合规定要求。

测量仪器的特点是：

1)用于测量，目的是为了获得被测对象量值的大小。

2)具有多种形式，它可以单独或连同辅助设备一起使用。例如体温计、电压表、直尺、度盘秤等可以单独地用来完成某项测量；另一类测量仪器，如砝码、热电偶、标准电阻等，则需与其他测量仪器和(或)辅助设备一起使用才能完成测量。测量仪器可以是实物量具，也可以是测量仪器仪表或一种测量系统。

3)测量仪器本身是一种器具或一种技术装置，是一种实物。

在我国有关计量法律、法规中，测量仪器称为计量器具，即计量器具是测量仪器的同义词。从上述测量仪器的定义可以看出，测量仪器是用于测量的所有器具或装置的统称，我国习惯统称为计量器具。

（二）测量仪器的作用

测量是为了获得被测量值的大小，所以计量器具是人们从事测量获得测量结果的重要手段和工具，它是测量的基础，是从事测量的重要条件。有时要对测量实施远距离传输，要进行自动记录，要累计或计算被测量的值，或对某些被测量值要实施自动调节或控制，这些都要通过各种计量器具来实现。

计量器具又是复现单位、实现量值传递和量值溯源的重要手段。为实现计量单位统一和量值的准确可靠，必须建立相应的计量基准、计量标准和工作用计量器具，并通过检定和校准来实现测量的统一，实现测量的准确性、一致性，这一任务正是通过各级计量器具进行量值的传递和溯源来完成的。

计量器具又是实施计量法制管理的重要工具和手段。国家计量法规对用于贸易结算、医疗卫生、安全防护、环境监测四个方面且列入强检目录的工作计量器具实施强制检定，这些强检计量器具既是实施法制管理的对象，又是维护国家和人民利益的重要手段。

计量器具又是开展科学研究、从事生产活动不可缺少的重要工具和手段。如果没有计量器具，就无法获得量值，科研就无法进行，生产过程就无法控制，产品质量就无从保证。

二、实物量具、测量系统和测量设备

（一）实物量具

实物量具(material measure)的定义是：具有所赋量值，使用时以固定形态复现或提供一个或多个量值的测量仪器。它的主要特性是能复现或提供某个量、某些量的已知量值。这里所说的固定形态应理解为量具是一种实物，它应具有恒定的物理化学状态，以保证在使用时量具能确定地复现并保持已知量值。获得已知量值的方式可以是复现的，也可以是提供的。如砝码是量具，它本身的已知值就是复现了一个质量单位量值的实物。如标准信号发生器也是一种实物量具，它提供多个已知量值作为供给量输出。定义中的已知值应理解为其测量单位、数值及其不确定度均为已知。

实物量具的特点是：本身直接复现或提供了单位量值，即实物量具的示值(标称值)，复现了单位量值，如量块、线纹尺本身就复现了长度单位量值；在结构上一般没有测量机构，如砝码、标准电阻，它只是复现单位量值的一个实物；由于没有测量机构，在一般情况下，如果不依赖其他配套的测量仪器，就不能直接测量出被测量值，如砝码要用天平、量块要配用干涉仪、光学计。因此实物量具往往是一种被动式测量仪器。

量具本身所复现的量值，通常用标称值表示。对实物量具而言，标称值是指标在实物上的以固定形态复现或提供给定量的那个值。这个量值是经修约取整后的一个值，往往是通过标准器对比所确定的量值的近似值。它可以表明实物量具的特性。例如，标在砝码上的量值10g，标在单刻度量杯上的量值1L，标在量块上的量值100mm，该标称值就是实物量具本身所复现的量值。对于多刻度的玻璃量器、可变电容器、电阻箱之类的量具，则通常取其满刻度值作为标称值，这种标称值也可作为总标称值。有的量具还标有如额定电流值、准确度等级等，但通常不能认为这些量值或数据是量具的标称值。

按量具的复现或提供的量值，可以分为单值量具和多值量具，单值量具如量块、砝码等，一般不带标尺；多值量具如线纹尺、电阻箱等，带有标尺。多值量具也可包含成套量具，如砝码组、量块组等。按量具的工作方式，可以分为从属量具和独立量具。必须借助其他测量仪器才能进行测量的量具，称为从属量具，如砝码，只有借助天平或质量比较仪才能进行质量的测量；不必借助其他测量仪器即可进行测量的量具称为独立量具，如尺子、量杯等。

标准物质即参考物质按定义均属于测量仪器中的实物量具。

（二）测量系统

测量系统(measuring system)是指一套组装的并适用于特定量在规定区间内给出测得值信息的一台或多台测量仪器，通常还包括其他装置，如试剂和电源。具体地说，是指用于特定测量目的，由全套测量仪器和有关的其他设备组装起来所形成的一个系统。如半导体材料电导率测量装置、磁性材料磁特性测量装置、光学高温计检定装置等。这里全套测量仪器包括各种测量仪器、实物量具或标准物质，其他设备包括任何试剂、电源、稳压器、指示仪器、分流器、分压器、附加电阻、开关线路及辅助设备。自动化测量系统是为确定的用途而把测量仪器、计算装置和辅助装置连接起来配合使用的一整套的、自动化的集合体，也可以是给出规定范围测量值的一台或多台测量仪器，其用途是为了获取、处理和分析一个或若干个物理量的测量结果，便于进一步转换、存储和自动化测量及自动化误差补偿或修正。建立自动化测量系统可提高可靠性和工作效率，并提高测量的准确度等。

从定义看，测量系统是由各种测量仪器连同辅助设备组装起来的，有时也可以随时拆卸。形成固定安装的测量系统称为测量装置。测量装置作为计量标准时，有时又称检定装置或校准装置。按自动化程度可分为自动、半自动和手动测量装置，按被测量的数目可分为单参量(单参数)和多参量(多参数)测量装置。

例如，一等标准水银温度计计量标准，通常由一等标准铂电阻温度计、标准测量电桥、低温槽、水槽、油槽、水三相点瓶、读数望远镜以及各恒温槽配套的控温设备组成一整套测量系统，即一套测量装置。又如用于电视、雷达、通信设备的多参数测量用网络分析装置及应用于科研及工业生产的自动化测量装置，都是由若干设备组装起来形成一个系统。

（三）测量设备

测量设备(measuring equipment)是指为实现测量过程所必需的测量仪器、软件、测量标准、标准物质、辅助设备或其组合。它包括检定、校准、试验或检验等过程中使用的全部测量设备。可见它并不是指某台或某类设备，而是测量过程所必需的测量仪器相关的硬件和软件的统称。测量设备有以下几个特点：

1)概念的广义性。测量设备不仅包含一般的测量仪器，而且包含了各等级的测量标准、各类标准物质和实物量具，还包含和测量设备连接的各种辅助设备，以及进行测量所必需的资料和软件。测量设备还包括了检验设备和试验设备中用于测量的设备。定义的广义性是从GB/T 19001标准的生产全过程实施质量控制所决定的。

2)内容的扩展性。测量设备不仅仅是指测量仪器本身，而需扩大到辅助设备，因为有关的辅助设备将直接影响测量的准确性和可靠性。这里主要指本身不能给出量值而没有它又不能进行测量的设备，也包括作为检验手段用的工具、工装、定位器、模具、夹具等试验硬件或软件。可见作为测量设备的辅助设备对保证测量的统一和准确十分重要。

3)测量设备不仅是指硬件还有软件。软件是指测量仪器本身所属的测量软件，还包括“进行测量所必需的资料”，这是指设备使用说明书、作业指导书及有关测量程序文件等资料，没有这些资料就不能给出准确可靠的数据。因此测量设备是硬件和软件的统称，软件也应视为是测量设备的组成部分。

测量设备是一个总称，它比测量仪器或测量系统的含义更为广泛。提出此术语有利于对测量过程进行控制。

三、测量仪器的分类

测量仪器按其结构、功能、作用、性质或不同专业，具有很多的分类方法。测量仪器按其结构和功能特点可分为以下几类。

（一）指示式测量仪器

指示式测量仪器(indicating measuring instrument)是指提供带有被测量量值信息的输出信号的测量仪器。例如电压表、测微仪、温度计和电子天平。

（二）显示式测量仪器

显示式测量仪器(displaying measuring instrument)是指输出信号以可视形式表示的指示式测量仪器。

（三）记录式测量仪器

记录式测量仪器(recording measuring instrument)是指提供示值记录的测量仪器，这是相对显示式测量仪器而言的。这类测量仪器能将被测量值的示值记录下来。给出的记录可以是模拟的(连续或断续线条)，也可以是数字的；可记录一个量或多个量的值，如温度记录仪、记录式光谱仪等。这类测量仪器具有记录器，记录器把被测量值记录到媒质上，记录媒质可以是带状、盘状、片状或其他形状的，也可以是磁带、磁盘等存储器；有时数字式测量仪器也可通过接口配以打印机、记录仪进行记录。绝大多数记录式测量仪器也具有显示功能，当然其主要的功能是记录，即记录式仪器也可带有指示装置以提供示值。

（四）累计式测量仪器

累计式测量仪器(totalizing measuring instrument)是指通过对来自一个或多个源中，同时或依次得到的被测量的部分值求和，以确定被测量值的测量仪器。它是为了获得被测量在一段时间间隔内的累计值，即被测量值求和的测量仪器。这是从测量仪器的使用功能上来进行分类的，有些情况下，测量的目的不是为了获得被测量的瞬时值，如需要称量在一段时间内皮带传送的散装物料的总重量，或一列货车所载货物的总重量等。通常测量仪器的示值所反映的是被测量的瞬时值，因此为了给出累计量就必须使测量仪器增加一个累计的功能，这个功能由累计器来实现。电子轨道衡也是一种累计式测量仪器。

（五）积分式测量仪器

积分式测量仪器(integrating measuring instrument)是指通过一个量对另一个量积分，以确定被测量值的测量仪器。有些被测量按其定义或实际性质本来就是一个积分量。例如，家庭用的电能表，就是两次付费时刻之间的一段时间内，所耗用的功率对时间的积分。家用电能表中的积分机构能随时将所用电能的量累积计算出来，并通过指示装置加以显示。

家用电能表和皮革面积测量仪都是积分式测量仪器。积分式测量仪器不能将积分变量分割为无限小的微分，而只是分割为可认为足够小的分段就行了。可见，累计式测量仪器，如果将分量量值设法加以足够的细分，也就成了积分式测量仪器了。

（六）模拟式测量仪器或模拟式指示仪器

模拟式测量仪器或模拟式指示仪器是指其输出或显示为被测量或输入信号连续函数的测量仪器。即测量仪器的输出或显示为被测量的量值，或为与输入信号相对应的连续函数值。通常遇到的被测量，如长度、角度、温度、电流、电压等，均被看作是可以无限细分的连续量。在一定条件下，任何两个这种量之间均可以建立起数值上的对应关系即函数关系，这就是说，输出量是输入量的一种模拟信号的关系。例如，用热电偶测温，热电偶作为感温元件又将被测对象的温度值(非电量)变换为相应的热电动势(电量)，两者之间具有函数关系，然后通过配套的显示仪表，将其输出变换为表针的偏转角度，从而指示出被测温度的大小。

模拟式测量仪器仅仅是就输出或显示的表现形式而言，与测量仪器的工作原理无关。如电测量仪器中不同原理的磁电系仪表、电磁系仪表、电动系仪表均属于模拟式测量仪器。模拟式测量仪器，有的可以显示被测量值，有的可以输出某一个已知量值，故有模拟式指示仪器或模拟式测量仪器两个术语。

（七）数字式测量仪器或数字式指示仪器

数字式测量仪器或数字式指示仪器是指提供数字化输出或显示的测量仪器。这是从测量仪器输出或显示的不同形式来分类的。只要其输出或显示是以十进制数字自动显示的，则就是数字式测量仪器，而与仪器的工作原理无关。例如，通常使用的数字电压表、数字电流表、数字功率表、数字频率计等。数字式测量仪器具有准确度高、灵敏度高、重复性好、测量速度快、可同时测量多种参数，特别是具有便于与计算机相连以进行自动化测量和控制等一系列优点。数字式测量仪器可以提供数字化输出，也可以提供数字化显示，故采用了数字式测量仪器和数字式指示仪器两个名称。

四、测量链、测量传感器、检测器和敏感器

（一）测量链

测量链(measuring chain)是指从敏感器到输出单元构成的单一信号通道测量系统中的单元系列。具体地说，是测量仪器或测量系统从测量信号输入到输出所形成的一个通道，这一通道由一系列单元组成。如由传声器、衰减器、滤波器、放大器和电压表组成的电声测量链如一个压力表的机械测量链由波登管、机械传动系统和刻度盘构成。

（二）测量传感器

测量传感器(measuring transducer)是指用于测量的，提供与输入量有确定关系的输出量的器件或器具。它的作用就是将输入量按照确定的对应关系变换成易测量或处理的另一种量，或大小适当的同一种量再输出。在实践中，一些被测量往往不能找到能将它与已知量值直接进行比较的测量仪器来测量，或者测量准确度不高，如温度、流量、加速度等量，直接同它们的标准量比较是相当困难的，但可以将输入量变换成其他量，如电流、电压、电阻等易测的电学量；或变换成大小不同的同种量，如将大电流变换成较易测量的安培量级的电流，这种器件就称为测量传感器。通常测量传感器的输入量就是被测量。如热电偶输入量为温度，经其转变输出为热电动势，根据温度与其热电动势的对应关系，可从温度指示仪或电子电位差计上得到被测的温度值，因此热电偶就是一种测温的传感器。

传感器的种类很多，按被测量分类，可分为温度传感器、力传感器、压力传感器、应变传感器、速度传感器等；按测量原理分类，可分为电阻式、电感式、电容式、热电式、压电式、光电式等。计量器具中所用的传感器种类繁多。

有时提供与输入量有给定关系的输出量的器件，并不直接作用于被测量，而是测量仪器的通道中间的某个环节，或是测量仪器本身内部的某一部件，则这种器件也称为测量变换器；如输入和输出为同种量，也称为测量放大器；输出量为标准信号的传感器通常也称为变送器，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等。

（三）检测器

检测器(detector)是指当超过关联量的阈值时，指示存在某现象、物体或物质的装置或物质。检测器的用途是为了指示某个现象、物体或物质是否存在，即反映该现象、物体或物质的某特定量是否存在，或者是为了确定该特定量是否达到了某一规定的阈值的器件或物质。检测器并不是与被测量值无关，其测量的信息结果是由被测量值决定的，并且具有一定的准确度，其特点是不必提供具体量值的大小。例如，在电离辐射中为了确定辐射水平阈值，所用的给出声和光信号的个人剂量计等。有的检测器直接作用于被测量，提供与输入量有确定关系的输出量，也是一种测量传感器。有的检测器本身也是一种敏感器。

（四）敏感器

敏感器(sensor)又称敏感元件，是指测量系统中直接受带有被测量的现象、物体或物质作用的测量系统的元件。敏感元件是直接受被测量作用，能接受被测量信息的元件。

例如，热电高温计中热电偶的测量结(热端)、铂电阻温度计的敏感线圈、涡轮流量计的转子、压力表的波登管、双金属温度计的双金属片等。它是测量仪器或测量链中输入信号的直接接受者，可以是一种元件，也可以是一种器件。必须注意敏感元件与传感器、检测器的区别，三者的概念是不同的。传感器是提供与输入量有确定关系的输出量的器件，检测器是用于指示某个现象的存在而不必提供有关量值的器件或物质。例如，热电偶是测量传感器，但它并不是敏感元件，因为只有热电偶的测量结(热端)直接处于被测量温度中，所以测量结是敏感元件。敏感元件只能说是传感器直接受被测量作用的那一部分，两者是有区别的。

五、显示器、指示器、测量仪器的标尺和仪器常数

（一）显示器

显示器(displayer)是指测量仪器显示示值的部件。显示器通常位于测量仪器的输出端。显示器与指示装置虽为同义词，但严格地讲，两者是有差异的。指示装置是显示器的一种，指示装置通常具有指示器，可以用指针刻度等进行显示，也可以用数字进行显示，而某些复杂的信号则要靠文字、图形和图像来显示，甚至应用计算机及其显示器进行显示，以供人观察分析，因此显示器具有广义性。测量仪器上应用的多数仍是指示装置。

指示装置提供示值的方式通常有三种：模拟式、数字式和半数字式。模拟式指示装置提供模拟示值，通常带有标尺和指示器，将被测量变换为长度或角度量值进行显示。数字式指示装置提供数字示值，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，然后用电子计数器计数并进行显示。半数字式指示装置是以上两种的组合，即除末位数为模拟示值外，其他均为数字化示值，它通过末位由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示值。

示值的概念既适用于测量仪器，也适用于实物量具，因此指示(显示)装置也包括实物量具的指示器或定位装置。但应注意，并不是所有的测量仪器都带有显示器，例如，有时实物量具用其标称值作为其示值，如量块、标准电阻等，这不能作为显示装置，因为它没有显示示值的部件。一些可调式量具也具有显示装置，如电阻箱、多刻度的玻璃量器等。

（二）指示器

指示器(index)是指根据相对于标尺标记的位置即可确定示值的，显示单元中固定的或可动的部件。显示单元中用以确定示值的部件，可以是固定的，也可以是活动的。如何确定示值呢?通常由指示器相对于标尺标记的位置来确定。通常指示装置具有测量仪器的标尺，标尺上带有一组或多组有序的带有数码的标记，这就是测量仪器标尺上与被测量值有对应关系的刻线、点及数字等记号，即标尺标记。指示器正是在上述标记上确定被测量示值的固定的或不动的部件。例如，指示式电流表、电压表、动圈式温度测量仪的指示器就是可动的指针；如玻璃温度计、体温计、U形管压力计的指示器就是可上下升降的液面；对于记录式测量仪器，其指示器就是可移动的记录笔。也存在着固定的指示器，如人体秤的分度盘，其指示器是固定的，而其标尺或度盘在转动。又如，常用的千分尺、微分筒是可转动的，而在固定套筒上相对微分筒棱边的垂直线即作为指示器，它是固定的。如家用电能表、煤气表，其读数窗口具有指示标线，这就是固定的指示器。这里必须注意指示装置和指示器的区别，指示器是指示装置中确定示值的部件，因此它直接影响着示值读数的准确度。

（三）测量仪器的标尺

测量仪器的标尺(scale of a measuring instrument)是指测量仪器显示单元的部件，由一组有序的带数码的标记构成。标尺标记上所标注的数字可以用被测量单位表示，也可以用其他单位表示，或仅为一个纯数。标尺通常固定或标注在度盘上。一个度盘可以有一个或多个标尺(如万用表)。度盘可以是固定的，也可以是活动的，所以标尺也可以是固定的或活动的。例如，各种指示式电表、压力表、直尺、刻度量器等的度盘是固定的，而有些人体秤的度盘是活动的。

在模拟式测量仪器中，标尺使用十分广泛，带有指示器的显示单元均带有标尺。标尺是确定测量仪器被测量值示值大小的重要部件，因为标尺的准确性直接影响着测量仪器的准确度。是否所有测量仪器都具有标尺?不一定，关键决定于该测量仪器是否有指示装置，即是否有指示示值的部件，如量块、标准电阻、砝码只有其标称值，并无指示示值的部件，就没有标尺；同样，数字显示的测量仪器也不存在标尺。测量仪器的标尺是对测量仪器而言的，但通常使用时简称标尺。

与标尺有关的术语及含义如下：

1)标尺长度(scale length)是指在给定标尺上，始末两条标尺标记之间且通过全部最短标尺标记中点的光滑连线的长度。这条光滑连线也可称为标尺基线。

2)标尺间距(scale spacing)是指沿着标尺长度的同一条线测得的两相邻标尺标记间的距离。它以长度单位表示，而与被测量的单位和标在标尺上的单位无关。标尺间隔相同时，如果标尺间距大，则有利于减小读数误差。

3)标尺间隔(分度值)(scale interval)是指对应两相邻标尺标记的两个值之差。标尺间隔用标在标尺上的单位来表示，而与被测量的单位无关，人们习惯上称为分度值，即标尺间隔和分度值是同义词。

4)标尺分度(scale division)是指标尺上任何两相邻标尺标记之间的部分。标尺分度主要说明标尺分成了多少个可以分辨的区间，决定标尺分度的数目是分得粗一点，还是分得细一点。

（四）仪器常数

仪器常数是指为给出被测量的指示值或用于计算被测量的指示值，必须与测量仪器直接示值相乘的系数。例如，有些同一标尺单个显示的多量程的测量仪器，如万用表，它对应不同选择开关位置有不同的测量范围。如测量电阻值，则与示值相乘的×1、×10、×100、×1k、×10k就是仪器常数；有的测量仪器是通过计算得到被测量值的，在计算中所得的系数就是仪器常数。当仪器常数为1时，通常不必在仪器上标明。

六、测量系统的调整和零位调整

（一）测量系统的调整

测量系统的调整(adjustment of a measuring system)简称调整，是指为使测量系统提供相应于给定被测量值的指定示值，在测量系统上进行的一组操作。测量系统调整的类型包括：测量系统调零、偏置量调整、量程调整(有时称为增益调整)。调整是为了确保测量系统具有正常性能，消除可能产生的偏差，使系统能进入使用状态所要做的一种操作。调整的方式可以是自动的、半自动的或手动的。

测量系统的调整不应与测量系统的校准相混淆。测量系统调整后，通常必须再校准。

（二）测量系统的零位调整

测量系统的零位调整(zero adjustment of a measuring system)简称零位调整，是指为使测量系统提供相应于被测量为零值的零示值，对测量系统进行的调整。