第三节 测量仪器的选用与配置
一、测量仪器的选配原则
选配时应坚持与本单位科研、生产、试验和经营相适应的原则，既要考虑仪器的先进性，又不盲目追求高技术指标，还要注意经济实用，以达到满足预期使用要求的目的。选配决策时，应综合考虑本单位的规模、产品类型或服务对象、技术指标、工艺流程等特点。
（一）实用原则
坚持按被测对象的实际需要选配测量仪器，如：产品的结构、批量、技术性能参数，生产工艺过程中需要测量和监督的有关参数，化学分析中需要检测、控制和调节的参数，进料、出库、投入以及经销方面的测量需要，能源计量、安全与环境监测的需要，建立计量标准开展量值传递的需要等进行配备。
（二）选配测量仪器应从测量、技术、经济特性综合考虑
1.测量特性
明确测量仪器的计量特性以及确保计量特性的必要条件是：
1）测量仪器应具有预期使用要求的测量特性，包括准确度、稳定性、测量范围、分辨力和灵敏度等，保证测量结果可靠是首要条件。
2）测量仪器应能实现量值传递和量值溯源要求。测量仪器的检定或校准能符合现行有效检定规程或校准技术规范的要求。
3）接受检定或校准方法和对测量对象进行测量的方法要科学、合理、可行、简便。
4）具有合理的检定周期（或确认间隔）。
5）能对测量结果进行评价。
2.技术特性
明确测量仪器的基本而通用的结构特性，必须达到以下要求：
1）测量仪器的计量特性在使用中保持不变。
2）测量结果可靠，简单明确。
3）使用方便、操作简单可靠。
4）运输、拆卸、组装、安装方便，并易与检定或校准装置连接或装配。
5）在使用保存期间，易于防护、防损坏、防污染，抗干扰性能良好。
6）明确所需专用辅助设备（安装、读数、记录、电源等）易于配备。
7）对环境、操作人员条件要求合适，不苛刻。
8）使用计算机软件的测量仪器应确保测量结果准确可靠。
3.经济特性
1）测量仪器购置费用少。在保证测量准确度和功能的前提下，应尽量避免采用高准确度、价格昂贵的测量仪器，在技术指标和准确度等级指标相同的情况下，首选国内产品。
2）操作、维护、保护、检定（或校准）费用少。
3）能修理、使用寿命长。
4）利用率高。
5）使用时所需场地小。
6）需要操作人员少。
4.其他要考虑的因素
除以上因素外，还有一些其他综合影响因素也需要考虑。
1）测量仪器应有 CMA（中华人民共和国制造、修理许可证英文缩写）标志，同时要求供 应商提供质量证明文件（如型式批准书、产品合格证、质量体系认证证明等）。进口的测量仪器应符合《中华人民共和国进出口监督管理办法》的规定要求。
《中华人民共和国进出口监督管理办法》规定，凡进口或外商在中国境内销售《中华人民共和国进出口计量器具型式审查目录》中的计量器具，必须办理型式批准手续，型式批准包括计量法制审查和定型鉴定。
《中华人民共和国进出口计量器具型式审查目录》见《中华人民共和国进出口计量器具监督管理办法》的附录。
2）测量仪器标准化要求。审查生产厂商是否有制造该仪器、设备的企业标准。
3）部分类型（如专用测试设备）没有检定规程或计量校准规范，应首先解决量值溯源 和校准方法等问题。如签订技术协定时，必须明确验收时的校准方法。
4）随着微电子技术、计算机技术的高度发展，测量仪器将计算机技术与测量控制技术 相结合，产生了智能化测量控制仪器，特别是虚拟仪器技术的发展，主要取决于计算机、软件、A/D 采集卡、调理放大器与传感器等关键技术。这些新的技术怎么进行综合评审，需要确定相应的技术规范和标准。
5）应排除传统习惯影响。
总之，测量仪器选配在综合考虑风险、成本、利润、利益的基础上，对诸多因素进行技术论证、评审和裁决活动。其中最关键是测量特性的选择，特别是准确度是保证测量结果 准确可靠的首要条件。
二、准确度选择
（一）正确区别和使用测量误差、准确度和不确定度
测量误差和测量不确定度的主要区别见表5-2。测量结果、测量仪器和计量标准的误差、准确度和不确定度的区别见表5-3。误差和不确定度是两个完全不同而相互有联系的概念，它们相互之间并不排斥。不确定度不是对误差的否定，相反，它是误差理论的进一步发展。误差与不确定度的概念是不同的，因此不能混淆和误用。应该根据误差和不确定度的定义来加以判断。应该用误差的地方就用误差，应该用不确定度的地方就用不确定度。
表5-2 测量误差和测量不确定度的主要区别
（续）
表5-3 测量结果、测量仪器和计量标准的误差、准确度和不确定度的区别
（二）准确度选择原则
1.按不确定度选择
测量仪器的测量扩展（区间）不确定度 U 满足U≤U0，则准确度满足预期使用要求。
2.测量允许误差极限U0的确定
式中 T——测定量值时的测量允许误差范围或检验监控时的受检参数允许变化范围（或公差）；
Mcp——对应于测定量值的允许超差率或检验与监控的允许误差误判断率的测量能力指数。
3.测量允许误差下极限U′0
当U≤U0，并且U＞U′0，则准确度满足使用要求，且准确度适中。
或
4.检测能力指数Mcp值分级的确定
在量值传递过程中，为确保其量值的准确性，通常选择标准器的准确度为被检测量器具准确度的1/2～1/10。具体讲，在高准确度的量值传递中，考虑到标准器制造的困难和经济性，尚可取1/2；在一般准确度的量值传递中是取1/3～1/5；在低准确度的量值传递中是取1/6～1/10。
在测量领域中通常用所谓准确度系数来选择测量仪器和测量方法，结合上述原则即可确定Mcp值。
测量准确度系数k定义为
式中 U0——测量允许误差极限；
T——测量允许误差范围或允许公差范围。
将式（5-4）代入式（5-1）得
。若
，则Mcp=1～5。
按上述原则，可根据参数检验、参数监控和参数测量，由不同要求分别确定Mcp值。
（1）参数检验、参数监控的Mcp值 根据参数检验、监控的特点，要求U0＜T，也就是Mcp值以取得大一些为好。根据测量准确度系数k的范围是1/2～1/10的要求，故Mcp值取在1～5的范围。因此把Mcp值的1～5范围分成4档，即“3～5”“2～3”“1.5～2”“1～1.5”，再加上“＜1”共5档，见表5-4所列。
表5-4 检测能力分级及Mcp值（适用检验和监控）
（2）参数测量的Mcp值 根据参数测量的特点，要求U0≤δ允（δ允为测量允许误差），也就是Mcp≥1，即可认为测量仪器满足要求，其相应测量准确度系数 k＜1/2。因此把测量值的检测能力分为五档，见表5-5所列。
表5-5 检测能力分级及Mcp值（适用测定量值）
三、稳定性选择
（一）定义
稳定性指在规定条件下，测量仪器保持其测量特性随时间恒定的能力。稳定性通常是相对时间而言，分长稳定性和短稳定性。长期与短期是相对的。如标准电池规定了3年电动势变化幅度，同时也规定了(3～5)天内变化幅度。又如规程规定了标准洛氏硬度块的稳定度在一年内不应超过0.4HR。某微波信号发生器频率短期稳定度不应超过1×10-4/15min，长期稳定度不超过5×10-4/3h。
（二）考核方法
一般采用以下两种方法考核稳定性：
1）若有关的计量检定规程和测量仪器技术规范对测量仪器稳定性的要求和考核方法有明确规定，可按该规定执行。
2）若有关的计量检定规程或测量仪器技术规范对测量仪器稳定性的要求和考核方法无明确规定，购买方应根据预期使用要求，指出稳定性考核指标。其具体方法是：选一稳定的被测对象，每隔一段时间（大于1个月），用该测量仪器进行几次的测量，取其算术平均值
作为该组的测量结果。观测 m组（m≥4），取 m组测量结果中的最大值和最小值之差，作为新购买测量仪器在该时间段内的稳定性。
（三）选择稳定性应考虑的因素
1）测量仪器工作原理结构设计。
2）构成材料、制造方法和组装以及关键元器件抗老化程度、能源消耗特性、耐磨损情况等。
3）维护难易程度。
4）样机考核情况及制造厂商资料与建议。
（四）稳定性选择原则
总的原则是：测量仪器稳定性指标要优于使用要求指标。一般情况测量仪器的稳定性应小于该测量仪器最大允许误差的绝对值或扩展不确定度（k=2）。
四、其他测量特性指标的选择
测量仪器的测量特性除了要满足准确度、稳定性要求以外，还要求满足量程、分辨力等的要求。
（一）量程选择
量程的选择主要根据使用要求的测量范围来选定。鉴于测量准确性和安全性的考虑，测量设备预期使用的实际测量范围建议处于测量设备所能显示测量范围的1/3～2/3。测量范围是指能保证规定准确度，满足误差在规定极限内的量值范围。量程是指标称范围上限值和下限值之差的模。
（二）分辨力选择
分辨力作为能有效辨别的显示示值的最小差值，在选择时，通常模拟式显示装置的分辨力小于标尺分度值的1/5，即用肉眼可分辨到一个分度值的1/5～1/10；数字式显示装置的分辨力为末位数字的一个数码，半数字式的显示装置的分辨力为末位数字的一个分度。记录式仪器的分辨力选择也适用。
（三）灵敏度选择
灵敏度是测量仪器中一个十分重要的测量特性，它是反映测量仪器准确度的重要指标。如电子式材料试验机中使用的力传感器和电子式引伸计均要考核其灵敏度。灵敏度要适中，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，还需要降低灵敏度。
（四）鉴别阈的选择
在选择鉴别阈时，应特别注意与灵敏度的区别和联系，因为灵敏度是被测量（输入量）变化引起了测量仪器示值（输出量）变化的程度，所以，灵敏度越高，其鉴别阈越小；灵敏度越低，其鉴别阈越大。例如，在一台电子式万能试验机的显示装置变化末位数字的一个数码为10N，则此试验机的鉴别阈为10N。
五、技术、经济特性选择
在准确度等测量特性满足预期使用要求的条件下，同时对技术、经济特性全面衡量评审，保证所选配测量仪器技术先进、性能可靠、使用方便，并且节省投资。
例：某厂生产弹簧，其弹簧的压力规定为
，试选配测量仪器。1）判断测量性质：属于测定量值。
2）确定准确度预期使用要求：允许测量误差范围 T=0.45kN。
3）确定Mcp：因属直接影响安全的参数，选 A级检测能力，查表5-5取Mcp=1.1。
4）确定测量允许误差上限 U0：
5）确定测量允许误差下限U′0：
6）初选1级100kN的压力试验机，评估测量扩展不确定度U。
从该试验机校准证书得知，在60kN处测量误差的测量扩展不确定度为0.55%（k=2），则U=60kN×0.55%=0.33kN。
7）判断：因U＞U0，故准确度不符合使用要求。
8）另选0.5级100kN的电子万能试验机，从校准证书得知在60kN处测量误差的测量扩展不确定度为0.32%（k=2），则U=60kN×0.32%=0.19kN。
9）判断：因U＜U0，并且U＞U′0，故准确度满足使用要求，并且准确度适中。
10）稳定性、量程、分辨力和鉴别阈均满足要求，从技术、经济特性综合分析，可选择0.5级100kN电子万能试验机。