計量培訓：通用計量術語知識講座

　　四、〔測量儀器的〕重復性

　　測量儀器的重復性是指“在相同測量條件下，重復測量同一個被測量，測量儀器提供相近示值的能力”(見JJF1001-1998   7.27條，以下簡稱條款)。就是指在相同測量條件下，重復測量同一個被測量，其測量儀器示值的一致程度。又簡稱為重復性。
　　相同的測量條件主要包括:相同的測量程序；相同的觀測者；在相同條件下使用相同的測量設備；在相同地點；在短時間內重復。
　　測量儀器的重復性，即多次測量同一量，其示值的變化，實質上反映了測量儀器示值的隨機誤差分量，所以重復性可以用示值的分散性定量地表示，這也是衡量測量儀器計量性能的指標之一。
　　要區別測量儀器的重復性、測量結果的重復性及示值變動性的概念。測量儀器的重復性是對測量儀器的示值而言，而測量結果的重復性是針對測量結果而言，而有的長度測量儀器，經常使用“示值變動性”或“示值變化”，它是指在測量條件不作任何改變的情況下，對同一被測的量多次重復測量讀數，其結果的最大差異，實質上反映了測量儀器示值讀數機構的重復性，一般在不改變被測量的安裝位置，主要考核讀數機構引起的示值變化，從概念上講和重復性是有一定差異的。    

　　五、穩定性

　　穩定性是指“測量儀器保持其計量特性隨時間恒定的能力”(7.14條)。通常穩定性是指測量儀器的計量特性隨時間不變化的能力。若穩定性不是對時間而言，而是對其他量而言，則應該明確說明。穩定性可以進行定量的表征，主要是確定計量特性隨時間變化的關系。通常可以用以下兩種方式:用計量特性變化某個規定的量所需經過的時間，或用計量特性經過規定的時間所發生的變化量來進行定量表示。例如:對于標準電池，對其長期穩定性(電動勢的年變化幅度)和短期穩定性(3～5天內電動勢變化幅度)均有明確的要求；如量塊尺寸的穩定性，以其規定的長度每年允許的最大變化量(微米/年)來進行考核，上述穩定性指標均是劃分準確度等級的重要依據。
　　對于測量儀器，尤其是基準、測量標準或某些實物量具，穩定性是重要的計量性能之一，示值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、以及使用、貯存、維護工作不仔細等所致。測量儀器進行的周期檢定或校準，就是對其穩定性的一種考核。穩定性也是科學合理地確定檢定周期的重要依據之一。    

　　六、超然性

　　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、使用上是否存在著對被測量值影響的能力。這是測量儀器在設計和使用中應考慮的一個重要因素。最好是不影響或使其影響減小到最少。實際上，在進行測量時，測量儀器幾乎不可避免地要影響著被測量，存在著超然性，因為測量儀器與被測量之間必然有能量和物質的消耗，或儀器結構、使用方法對被測量的影響。例如:電流表、電壓表在使用時會有電功率的消耗；千分尺、百分表在使用時存在著測量力作用于被測對象；熱電偶測溫時總伴有與外界的熱交換影響。有的測量儀器由于內部的結構、其傳動或指示機構的不平衡性，以及測量方法、使用環境等都會對被測量值產生影響，這將會增大測量儀器的示值誤差，影響測量儀器的準確度。當然也存在著具有超然性的測量儀器，如天平，它從儀器的結構和通過測量方法，如采用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，可以消除其他相應的影響量帶來的影響，所以這是超然性的。我們應該研究改進測量儀器的結構，或研究各種測量方法，來提高測量儀器的超然性，以減少測量儀器由于各種因素造成的對被測量值的影響。

　　七、靈敏度、鑒別力閾、〔顯示裝置的〕分辨力

　　1.靈敏度
　　靈敏度是指“測量儀器響應的變化除以對應的激勵變化”(7.10條)。是反映測量儀器被測量(輸入)變化引起儀器示值(輸出)變化的程度。它用被觀察變量的增量即響應(輸出量)與相應被測量的增量即激勵(輸入量)之商來表示。如被測量變化很小，而引起的示值(輸出量)改變很大，則該測量儀器的靈敏度就高。
　　對于線性測量儀器來說，其靈敏度S為:
　　S==k=常數
　　式中的k叫傳遞系數，當響應y與激勵x是同一種量時，又叫放大系數。對于非線性的測量儀器，靈敏度宜表示為:
　　S==f′(x)
　　這時靈敏度隨激勵變化而變化，它是一個變量，與激勵值有關。
　　例如:在磁電系儀表中，響應特性是線性關系，靈敏度就是個常數；而在電磁系儀表中響應特性呈平方關系，靈敏度隨激勵值變化。又如電動系儀表，測量功率時靈敏度是個常數，而測量電流或電壓時卻又隨激勵值變化。因此，有時在表述測量儀器的靈敏度時，往往要指明對哪個量而言。例如檢流計，就要說明是指電流靈敏度還是電壓靈敏度。
　　在某些情況下，還使用下式表示相對靈敏度:
　　
　　式中，x為激勵即輸入的被測量值。
　　靈敏度是測量儀器中一個十分重要的計量特性，它是反映測量儀器性能的重要指標，但有時靈敏度并不是越高越好。為了方便讀數，使示值處于穩定，還需要特意降低靈敏度值。

　　2.鑒別力閾
　　鑒別力閾是指“使測量儀器產生未察覺的響應變化的最大激勵變化，這種激勵變化應緩慢而單調地進行”(7.11條)。它是指當測量儀器在某一示值給以一定的輸入，確定某激勵值，這種激勵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，此輸入的激勵變化稱為鑒別力閾。也可簡稱鑒別力，同樣可以在反行程進行。
　　例如:在一臺天平的指針產生未覺察位移的最大負荷變化為10mg，則此天平的鑒別力閾為10mg；如一臺電子電位差計，當同一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變化，則其鑒別力閾為0.04mV。為了準確地得到其鑒別力閾值，則激勵的變化(輸入量的變化)應緩慢，同時應在同一行程上進行，以消除慣性或內部傳動機構的間隙和摩擦。通常一臺測量儀器其鑒別力閾應在同一示值上和對應在標尺上、中、下不同示值范圍正反向行程進行測定，則其鑒別力閾值是不同的，則可以按其最大的激勵變化來表示測量儀器鑒別力閾值。鑒別力閾有時人們也習慣稱為靈敏閾、靈敏限，是同一個概念。產生鑒別力閾的原因可能與噪聲(內部、外部的)摩擦、阻尼、慣性等有關，也與激勵值有關。
　　要注意靈敏度和鑒別力閾的區別和關系。這是兩個概念，靈敏度是被測量(輸入量)變化引起了測量儀器示值(輸出量)變化的程度，鑒別力閾是引起測量儀器示值(輸出量)未覺察變化時被測量(輸入量)的最大變化。但二者是相關的，靈敏度越高，其鑒別力閾越小；其靈敏度越低，鑒別力閾越大。如有兩臺檢流計，A臺輸入1mA，光標移動10格，B臺輸入1mA，光標移動20格，則B臺的靈敏度為20格/mA，比A臺10格/mA高，若人眼睛的分辨力即可覺察的最小變化量為0.1格，則A臺改變0.1格，將輸入0.01mA，B臺的改變0.1格將輸入0.005mA。可見B臺的鑒別力閾為0.005mA比A臺的0.01mA小，但B臺的靈敏度比A臺要高。

　　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標尺分度值的一半，即用肉眼可以分辨到一個分度值的1/2，當然也可以采取其它工具如放大鏡、讀數望遠鏡等提高其分辨力；對于數字式顯示裝置的分辨力為末位數字的一個數碼，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錄式儀器。顯示裝置的分辨力可簡稱為分辨力。
　　要區別分辨力和鑒別力閾的概念，不要把二者相混淆。因為鑒別力閾是須在測量儀器處于工作狀態時通過實驗才能評估或確定數值，它說明響應的未覺察變化所需要的最大激勵值，而分辨力只須觀察顯示裝置，即使是一臺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，從而減少由于讀數誤差引起的對測量結果的影響。要提高分辨力，往往有很多因素，如指示儀器可增大標尺間距，要規定刻線和指針寬度，要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規定，因為它直接影響著測量的準確度，有的測量儀器則改進讀數裝置，如廣泛使用的游標卡尺，它利用游標讀數原理用游標來提高對卡尺讀數的分辨力，使游標量具的游標讀數值達到0.10、0.05和0.02mm。    

　　八、響應特性、響應時間

　　1.響應特性
　　響應特性是指“在確定條件下，激勵與對應響應之間的關系”(7.9條)。這里的激勵就是輸入量或輸入信號，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器來說，激勵就是被測量，而響應就是它對應地給出的示值。顯然，只有準確地確定了測量儀器的響應特性，其示值才能準確地反映被測量值。因此，可以說響應特性是測量儀器最基本的特性。
　　該定義中“在確定條件下”是一種必要的限定，因為只有在明確約定的條件下，討論響應特性才有意義。
　　測量儀器的響應特性，在靜態測量中，測量儀器的輸入x(即待被測量的量值或激勵)和輸出y(即示值或響應)不隨時間而改變，它的輸入/輸出特性或靜態響應特性可用下式表示:
　　y=f(x)
　　此關系可以建立在理論或實驗的基礎上，除了上述表述外，也可以用數表或圖形表示。對于具有線性標尺的測量儀器，其靜態響應特性為:
　　y=kx
　　式中k是測量儀器本身的一些固定參數值確定的常數。這是線性測量儀器響應特性的普遍表示式。只要k值一經確定，響應特性也就完全確定。
　　確定了線性測量儀器的靜態響應特性，就可以方便地根據它來研究測量儀器的一系列靜態特性(即用于測量靜態量時測量儀器所呈現的特性)，如靈敏度、線性、滯后、漂移等特性及由它們引起的測量誤差。
　　測量儀器的動態響應特性，在動態測量中，測量儀器的激勵或輸入按時間t的函數而改變，其響應或輸出也是時間的函數，一般認為它們之間的關系可以用常系數微分方程來描述，用拉普拉斯積分變換來求解常系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(響應的拉普拉斯變換除以激勵的拉普拉斯變換)是響應特性的一種形式。

　　2.響應時間
　　響應時間是指“激勵受到規定突變的瞬間，與響應達到并保持其最終穩定值的規定極限內的瞬間，這兩者之間的時間間隔”(7.17條)。這是測量儀器動態響應特性的重要參數之一。是指對輸入輸出關系的響應特性中，考核隨著激勵的變化其響應時間反映的能力，當然越短越好，響應時間短則反映指示靈敏快捷，有利于進行快速測量或調節控制。如動圈式溫度指示調節儀，其性能上有一條規定，即阻尼時間，要求給儀表突然加上相當于標尺幾何中心點的被測量(毫伏值或電阻值)的瞬時起至指針距最后靜止位置不大于標尺弧長±10%的范圍為止，這個時間間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10秒，這一阻尼時間就是響應時間，正是由于動圈儀表是由張絲或軸承支承，指針在測量過程中要穩定下來需要有一定時間，其調節性能不夠理想、應用范圍受到一定限制。對于線性一階測量儀器來說，響應時間就是它的時間常數。    

　　九、漂移

　　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，測量儀器計量特性隨時間的慢變化，如在幾分鐘、幾十分鐘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零點漂移，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，則規定在外接交流穩壓器、輸出端接10mV記錄儀，儀器預熱2小時后，測定半小時內零點的最大漂移應小于0.1mV。又如熱導式氫分析器，規定用校準氣體將示值分別調到量程的5%和85%，經24小時后，分別記下前后讀數，則5%處的示值變化稱為零點漂移，其85%處的示值變化減去5%示值的變化，稱為量程漂移，所引起的誤差不得超過固有誤差。產生漂移的原因，往往是由于溫度、壓力、濕度等影響變化所引起，或由于儀器本身性能的不穩定。測量儀器使用時采取預熱、預先放置一段時間與室溫等溫，就是減少漂移的一些措施。    

　　十、死區

　　死區是指“不致引起測量儀器響應發生變化的激勵雙向變動的最大區間”(7.13條)。有的測量儀器由于機構零件的摩擦，零部件之間的間隙，彈性材料的變形，阻尼機構的影響，或由于被測量滯后等原因，在增大輸入時，沒有響應輸出，或者在減少輸入時，也沒有響應變化，這一不會引起響應變化的最大的激勵變化范圍稱為死區。相當于不工作區或不顯示區。
　　通常測量儀器的死區可用滯后誤差或回程誤差來進行定量確定。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量值的輸入量，增加標準電位差計示值，使電子電位差計的指針，從正行程方向達到某一規定的示值，此時讀數標準電位差計的示值為A₁，然后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，當發現電子電位差計指針有可覺察移動時，讀取標準電位差計的示值為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應發生變化的激勵雙向變動的區間值。定義所說的“最大區間”是指在測量儀器的整個測量范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，要準確地得到死區的大小則激勵的雙向變動要緩慢地進行。對于數字計量儀器的死區，IEC標準解釋為:引起數字輸出的模擬輸入信號的最小變化。但有時死區過小，反而使示值指示不穩定，少有激勵變化，響應就改變，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等措施來加大死區。
　　按《通用計量術語及定義》第7章劃分，測量儀器的特性還有很多內容，加標稱范圍、測量范圍、量程、測量儀器工作條件等，這些內容已在上一講陳述，故不再重復。在實際使用中仍有很多測量儀器特性的術語，在此只對JJF 1001—1998規范所包含的術語做一解釋。