第4章--計(jì)量器具

1、第4章 計(jì)量器具,4．1 計(jì)量器具及其分類 計(jì)量器具是計(jì)量學(xué)研究的一個(gè)基本內(nèi)容，是計(jì)量工作的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。計(jì)量器具是計(jì)量?jī)x器(也稱“主動(dòng)式”計(jì)量器具)、量具 (也稱“被動(dòng)式”計(jì)量器具)、計(jì)量物質(zhì)及計(jì)量裝置的總稱，是用于計(jì)量的物質(zhì)基礎(chǔ)。,計(jì)量?jī)x器是用來測(cè)量并能得到被測(cè)對(duì)象確切量值的一種技術(shù)工具或手段，是將被計(jì)量的或有關(guān)的量轉(zhuǎn)換成可直接觀察的指示值或等值信息的計(jì)量器具，例如，卡尺、安培計(jì)、壓力計(jì)、溫度計(jì)、干涉儀、水表

2、、天平等。,從計(jì)量?jī)x器的計(jì)量方法來看，大體上可以分為三種類型： 1. 直讀式計(jì)量?jī)x器 例如安培計(jì)、壓力計(jì)、數(shù)字頻率計(jì)； 2. 比較式計(jì)量?jī)x器 例如等臂天平、指零電流計(jì) 3. 微差式計(jì)量?jī)x器 例如比長(zhǎng)儀的光學(xué)指示器,還可從計(jì)量?jī)x器所利用的物理現(xiàn)象或物 理效應(yīng)方面，可以分為機(jī)械式、電動(dòng)式、氣動(dòng)式、光學(xué)式及電子式計(jì)量?jī)x器等，或可以分為熱電式、光電式、壓電式、電

3、磁式及超導(dǎo)式計(jì)量?jī)x器等。 從結(jié)果顯示方式上可分為指示式與記錄式計(jì)量?jī)x器。從信號(hào)的處理方式上又可以分為模擬式和數(shù)字式計(jì)量?jī)x器。,從計(jì)量?jī)x器確定被測(cè)的量值的機(jī)制來看，可以分為累計(jì)式和積分式計(jì)量?jī)x器。從計(jì)量?jī)x器與被測(cè)對(duì)象的接觸方式來看，又可以分為非接觸式和接觸式計(jì)量?jī)x器。,量具是實(shí)物量具的簡(jiǎn)稱，是能以固定形式復(fù)現(xiàn)一給定量的一個(gè)或多個(gè)已知值的計(jì)量器 具，例如，砝碼，單值或多值、有或無刻度的容器，單值或多值、有或無刻度的尺子，電

4、阻器，電容器，電感器，量塊等等。量具本身不帶指示器，而由被計(jì)量對(duì)象本身形成指示器，如汁量液體容量用的量具，就是利用液體的上部端面作為指示器。,量具的主要特征是能復(fù)現(xiàn)或提供某個(gè)量的已知量值，在結(jié)構(gòu)上一般沒有測(cè)量機(jī)構(gòu)，也不含有計(jì)量過程中運(yùn)動(dòng)的計(jì)量元件。從量具的工作方式來看，可分為“從屬量具”和“獨(dú)立量具”兩種。從屬量具必須借助于其他計(jì)量?jī)x器才能進(jìn)行計(jì)量，例如砝碼只有通過天平才能進(jìn)行質(zhì)量的計(jì)量。獨(dú)立量具不需要借助于其他計(jì)量?jī)x器就能單獨(dú)進(jìn)行

5、計(jì)量，例如尺子。,從量具所復(fù)現(xiàn)或提供的量值，可以分為單值量具和多值量具。而多值量具又可以分為常值量具(不可調(diào)量具)和變值量具(可調(diào)量具)。單值量具只能復(fù)現(xiàn)量的單個(gè)值，如標(biāo)準(zhǔn)量塊、固定電阻等。多值量具能復(fù)現(xiàn)多個(gè)不同的量值，如刻度尺，表示尺寸的、上、下限兩個(gè)值的量規(guī)等。多值量具中的變值量具可以根據(jù)需要調(diào)到不同的量值，如可變電容器、電阻箱等；而常值量具是不可調(diào)的，例如刻度滴管。,從量具的組合來看，有單個(gè)量具和成套量具之分。成套量具是在一定范圍

6、內(nèi)復(fù)現(xiàn)或提供多個(gè)量值的一些單個(gè)量具的組合體，它們不僅可以單獨(dú)使用，而且也可以在不同組合下使用。例如成套砝碼、成套量塊及成套電容等。,計(jì)量物質(zhì)是指具有一種或多種足夠均勻和很好地確定了計(jì)量特性的物質(zhì)，用以測(cè)定相關(guān)物質(zhì)的化學(xué)成分、物理化學(xué)特性、工程技術(shù)特性，以及校準(zhǔn)計(jì)量裝置、評(píng)價(jià)計(jì)量方法等。,為了進(jìn)行特定的或多種計(jì)量任務(wù)，需要一臺(tái)或若干臺(tái)計(jì)量器具，人們往往把這些計(jì)量器具連同有關(guān)的輔助設(shè)備構(gòu)成的整體或系統(tǒng)，稱為計(jì)量系統(tǒng)或計(jì)量裝置，例如計(jì)量半導(dǎo)體

7、材料電導(dǎo)率的裝置、校準(zhǔn)體溫計(jì)的裝置、光學(xué)高溫計(jì)檢定裝置等。計(jì)量器具按其計(jì)量學(xué)用途或在統(tǒng)一單位量值中的作用，可分為計(jì)量基準(zhǔn)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和工作用計(jì)量器具。,4.1.1 計(jì)量基準(zhǔn) 計(jì)量基準(zhǔn)有時(shí)也稱為原始標(biāo)準(zhǔn)或最高標(biāo)準(zhǔn)，是在特定領(lǐng)域內(nèi)具有當(dāng)代最高計(jì)量特性的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)量基準(zhǔn)是計(jì)量的最高依據(jù)。 經(jīng)國際協(xié)議公認(rèn)，在國際上作為對(duì)有關(guān)量的其他所有標(biāo)準(zhǔn)定值依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，稱為國際基準(zhǔn)。 經(jīng)國家正式確認(rèn)，在一個(gè)國家內(nèi)作為對(duì)有關(guān)

8、量的其他所有標(biāo)準(zhǔn)定值依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，稱為國家基準(zhǔn)。,我國《計(jì)量法》中規(guī)定，計(jì)量基準(zhǔn)的使用必須具備下列條件： (1) 經(jīng)國家鑒定合格； (2) 具有正常工作所需要的環(huán)境條件； (3) 具有稱職的保存、維護(hù)、使用人員； (4) 具有完善的管理制度。,1．計(jì)量基準(zhǔn)的劃分 計(jì)量基準(zhǔn)按量值傳遞體系通常分為主基準(zhǔn)，作證基準(zhǔn)、副基準(zhǔn)、參考基準(zhǔn)和工作基準(zhǔn)。 (1) 主基準(zhǔn)：在一特定領(lǐng)域內(nèi)具有當(dāng)代最高計(jì)量

9、特性的一給定量的計(jì)量基準(zhǔn)，其值不必參考相同量的其他基準(zhǔn)，是被指定的或普遍承認(rèn)的計(jì)量基準(zhǔn)。這里的給定量，可以是基本量，也可以是導(dǎo)出量，即主基準(zhǔn)的概念既適用于基本單位，也適用于導(dǎo)出單位。,(2) 作證基準(zhǔn)：用于核對(duì)主基準(zhǔn)的變化，或在必要時(shí)(如主基準(zhǔn)損壞或遺失)可代替主基準(zhǔn)的基準(zhǔn)。與主基準(zhǔn)一樣，作證基準(zhǔn)也不用于日常計(jì)量。 (3) 副基準(zhǔn)：通過直接或間接與主基準(zhǔn)比較或用基準(zhǔn)法來定值的基準(zhǔn)，一般可以代替主基準(zhǔn)使用。副基準(zhǔn)一般也不用于日常計(jì)量。

10、,(4) 參考基準(zhǔn)：在給定地區(qū)或在給定組織內(nèi)，通常具有最高計(jì)量特性的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，在 該處所作的計(jì)量均由它導(dǎo)出。 (5) 工作基準(zhǔn)：用于日常校準(zhǔn)或核查實(shí)物量具、計(jì)量?jī)x器或參考物質(zhì)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，通常由參考基準(zhǔn)來校準(zhǔn)。,2．計(jì)量基準(zhǔn)的主要特征 計(jì)量基準(zhǔn)的主要特征，或者說，對(duì)計(jì)量基準(zhǔn)的基本要求是： (1) 符合或最接近計(jì)量單位定義所依據(jù)的基本原理； (2) 具有良好的復(fù)現(xiàn)性，并且所定義、實(shí)現(xiàn)、保持或復(fù)現(xiàn)的計(jì)量單位 (或其倍數(shù)

11、或分?jǐn)?shù)) 具有當(dāng)代 (或本國) 的最高精度；(3) 性能穩(wěn)定，計(jì)量特性長(zhǎng)期不變；(4) 能將所定義、實(shí)現(xiàn)、保持或復(fù)現(xiàn)的計(jì)量單位(或其倍數(shù)或分?jǐn)?shù)單位)通過一定的方法或手段傳遞下去。,3．計(jì)量基準(zhǔn)的發(fā)展 計(jì)量基準(zhǔn)的發(fā)展，大體經(jīng)歷了三個(gè)階段。1) 古典階段 這個(gè)階段包括封建社會(huì)及其以前的社會(huì)時(shí)期。由于生產(chǎn)力和科技水平的限制，古典階段的計(jì)量基、標(biāo)準(zhǔn)是相當(dāng)簡(jiǎn)陋的。從現(xiàn)在的眼光來看，這個(gè)階段的基、標(biāo)準(zhǔn)器缺乏科學(xué)依據(jù)，主觀因素

12、比較明顯。 在這個(gè)階段，有的是以人體的某一部分，有的是以動(dòng)物的絲毛或某些能力，還有的是以植物的果實(shí)甚至樂器、物品等作為基準(zhǔn)。,2) 經(jīng)典階段 從世界范圍來看，1875年“米制公約”的簽訂，可以認(rèn)為是經(jīng)典時(shí)期的開始。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)量基準(zhǔn)已開始擺脫人體、自然物體的范疇，進(jìn)入了以科學(xué)為基礎(chǔ)的發(fā)展時(shí)期。 由于科技水平的限制，這個(gè)時(shí)期的計(jì)量基準(zhǔn)，都屬于宏觀器具。它們多是根據(jù)自然界所存在的一些相對(duì)穩(wěn)定的

13、實(shí)物及現(xiàn)象來定義出所要求的基準(zhǔn)，并用實(shí)物來保存。,例如：根據(jù)地球子午線的長(zhǎng)度的四分之一的一千萬分之一，用鉑銥合金制造的米原器；根據(jù)一立方分米的水在密度最大時(shí)的溫度下的質(zhì)量。用鉑銥合金制造的千克原器；根據(jù)地球圍繞太陽的轉(zhuǎn)動(dòng)周期而確定的秒；根據(jù)兩通電導(dǎo)線之間產(chǎn)生的力來定義的安培；根據(jù)水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度確定的開爾文等，都是宏觀實(shí)物基準(zhǔn)。 這類基準(zhǔn)，隨著時(shí)間的推移，由于物理的、化學(xué)的以及使用中的磨損等原因，難免發(fā)生微小的變化。另外，由

14、于原理和技術(shù)的限制，該類基準(zhǔn)的精度也難以大幅度提高，不能滿足日益發(fā)展的現(xiàn)代計(jì)量的需要。因此，就不可避免地出現(xiàn)了關(guān)于建立更加穩(wěn)定、更加精確的新的計(jì)量基準(zhǔn)的要求。,3) 現(xiàn)代階段 現(xiàn)代計(jì)量基準(zhǔn)的基本標(biāo)志是由經(jīng)典理論轉(zhuǎn)為量子理論，由宏觀物體進(jìn)入微觀世界。建立在量子定律基礎(chǔ)上的微觀自然基準(zhǔn)(也稱量子基準(zhǔn))，比宏觀的實(shí)物基準(zhǔn)要穩(wěn)定可靠得多。因?yàn)?，根?jù)量子理論，微觀世界的量只能是躍進(jìn)式的改變，而不能發(fā)生任意的微小的變化；同時(shí)，同一類物質(zhì)的原

15、子和分子都是嚴(yán)格一致的，不隨時(shí)間和地點(diǎn)而改變。這就是所謂的穩(wěn)定性和齊一性。量子基準(zhǔn)就是利用了微觀世界所固有的這種穩(wěn)定性和齊一性而建立的。,4．1．2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn) 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是指用以定義、實(shí)現(xiàn)、保持或復(fù)現(xiàn)計(jì)量單位或一個(gè)或多個(gè)已知量值的實(shí)物量具、物質(zhì)、計(jì)量?jī)x器或計(jì)量系統(tǒng)。 嚴(yán)格地說，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該包括計(jì)量基準(zhǔn)——最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)。,計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)，一般以所復(fù)現(xiàn)單位的精度來劃分。通常，主基準(zhǔn)為零級(jí)，參考基準(zhǔn)為一級(jí)，其余工作標(biāo)準(zhǔn)則

16、為二級(jí)、三級(jí)等；也有籠統(tǒng)地將基準(zhǔn)定為零級(jí)，而將工作標(biāo)準(zhǔn)分為一、二、三級(jí)或更多級(jí)的。級(jí)別的劃分與多少，視各具體量值傳遞的實(shí)際情況而定，沒有很嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)定。,4．1．3 工作用計(jì)量器具工作用計(jì)量器具是指一般日常工作中所用的計(jì)量器具，雖不是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，但也具有一定的計(jì)量性能。這主要體現(xiàn)在其可獲得某給定量的計(jì)量結(jié)果，也是計(jì)量器具和一般器具的根本區(qū)別。,4．2 計(jì)量器具的主要特征計(jì)量器具除了具有一般工業(yè)產(chǎn)品的性質(zhì)外，還具有計(jì)量學(xué)的特性

17、。計(jì)量器具的特性是指它的準(zhǔn)確度等級(jí)、靈敏度、鑒別率(分辨率)、穩(wěn)定度、超然性以及動(dòng)態(tài)特性等。為了獲得準(zhǔn)確的計(jì)量結(jié)果，計(jì)量器具的計(jì)量特性必須滿足一定的準(zhǔn)確度要求。計(jì)量特性是計(jì)量器具質(zhì)量和水平的重要指標(biāo)，也是合理選擇計(jì)量器具的重要依據(jù)。,4．2．1 有關(guān)工作范圍的特性1．計(jì)量器具的示值 計(jì)量器具的示值是指計(jì)量器具所給出的量的值。示值可以是被測(cè)量、測(cè)量信號(hào)或用于計(jì)算被測(cè)量之值的其他量的值。對(duì)實(shí)物量具，示值就是它所標(biāo)出的值。示值隨著

18、被測(cè)量而變化。,2．標(biāo)稱值 標(biāo)稱值是計(jì)量器具上表明其特性或指導(dǎo)其使用的量值，該值為修約值或近似值，如標(biāo)在電壓表表盤上的示值。標(biāo)稱值是固定的，不隨被測(cè)量的變化而變化。3．標(biāo)稱范圍 標(biāo)稱范圍是計(jì)量器具的操縱器件調(diào)到特定位置時(shí)可得到的示值范圍。標(biāo)稱范圍通常用計(jì)量器具的上限和下限表明，如果下限為零，標(biāo)稱范圍一般只用上限表明。,4．測(cè)量范圍 測(cè)量范圍是計(jì)量器具的誤差處在規(guī)定極限內(nèi)的一組被測(cè)量的值，與測(cè)量設(shè)備的最大允許誤差有關(guān)

19、。在標(biāo)稱范圍內(nèi)，測(cè)量設(shè)備的誤差處于最大允許誤差內(nèi)的那一部分范圍才是測(cè)量范圍，也就是說，只有在這一部分測(cè)量的值，其準(zhǔn)確度才符合要求，因此，有時(shí)又把測(cè)量范圍稱為工作范圍。,5．量程 量程是指標(biāo)稱范圍兩極限之差的絕對(duì)值，是一個(gè)具體的數(shù)值。它強(qiáng)調(diào)的是標(biāo)稱范圍 內(nèi)，而不是測(cè)量范圍內(nèi)的兩極限之差的絕對(duì)值。,4．2．2 有關(guān)響應(yīng)方面的特性1．響應(yīng)特性 在特定條件下，激勵(lì)與對(duì)應(yīng)響應(yīng)之間的關(guān)系就是計(jì)量器具的響應(yīng)特性。這種關(guān)系可以

20、用數(shù)學(xué)等式、數(shù)值表或圖形來表示。當(dāng)激勵(lì)是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)時(shí)，傳遞函數(shù)是響應(yīng)特性的一種表示形式。2．靈敏度 靈敏度是計(jì)量器具響應(yīng)的變化與引起該變化的激勵(lì)值(被計(jì)量值)的變化之比。對(duì)于帶刻度指示器的器具，通常以分度長(zhǎng)度與其值之比作為靈敏度。靈敏度指標(biāo)是考察傳感器的主要指標(biāo)之一。,3．鑒別力 使器具的響應(yīng)產(chǎn)生可以察覺的變化的激勵(lì)值(被計(jì)量值)的最小變化量，稱為鑒別力。這種激勵(lì)變化應(yīng)緩慢而單調(diào)地進(jìn)行。4．分辨力 分辨力

21、是指顯示裝置能有效辨別的最小的示值差。5．死區(qū) 計(jì)量器具的死區(qū)指的是不致引起計(jì)量器具響應(yīng)發(fā)生變化的激勵(lì)雙向變動(dòng)的最大區(qū)間。6．響應(yīng)時(shí)間 激勵(lì)受到規(guī)定突變的瞬間與響應(yīng)達(dá)到并保持其最終穩(wěn)定性在規(guī)定極限內(nèi)的瞬間兩者之間的時(shí)間間隔就是響應(yīng)時(shí)間。,4．2．3 有關(guān)性能方面的特性1. 漂移 漂移是指計(jì)量器具計(jì)量特性的緩慢變化。2．穩(wěn)定性 計(jì)量器具保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力稱為計(jì)量器具的穩(wěn)定性。通常，穩(wěn)定

22、性是對(duì)時(shí)間而言的。3．超然性 超然性是指計(jì)量器具不改變被測(cè)量的能力。,4．重復(fù)性 重復(fù)性是指在相同條件下，重復(fù)測(cè)量同一個(gè)被測(cè)量，計(jì)量器具提供相近示值的能力。重復(fù)性可以用測(cè)量結(jié)果的分散性定量來表示。5．可靠性 可靠性是指計(jì)量器具在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。表示計(jì)量器具可靠性的定量指標(biāo)，可以用其極限工作條件下的平均無故障工作時(shí)間來表示，這個(gè)指標(biāo)越高，說明可靠性越好。,4．2．4 有關(guān)準(zhǔn)確度方面

23、的特性1．準(zhǔn)確度 準(zhǔn)確度指計(jì)量器具給出接近于真值的響應(yīng)能力。在實(shí)際應(yīng)用中，常以測(cè)量不確定度、準(zhǔn)確度等級(jí)或最大允許誤差來定量表示。2．準(zhǔn)確度等級(jí) 準(zhǔn)確度等級(jí)是符合一定的計(jì)量要求，使誤差保持在規(guī)定極限以內(nèi)的計(jì)量器具的等別、級(jí)別。這也是計(jì)量器具最具概括性的特征，綜合反映了計(jì)量器具的基本誤差和附加誤差的極限值以及其他影響測(cè)量準(zhǔn)確度的特性值。,3．測(cè)量精度 測(cè)量精度是測(cè)量結(jié)果的可信程度或不確定度，一般以計(jì)量值與被計(jì)量量的

24、實(shí)際值之間的偏差范圍來表示。4．最大允許誤差 對(duì)給定計(jì)量器具，規(guī)范、規(guī)程等所允許的誤差極限值為最大允許誤差，有時(shí)也稱為計(jì)量器具的允許誤差限。,4．3 計(jì)量器具的結(jié)構(gòu)和組成4．3．1 計(jì)量器具的總體構(gòu)成及其計(jì)量鏈1．計(jì)量器具的總體構(gòu)成 應(yīng)該說，計(jì)量器具并沒有很固定的構(gòu)成模式。但是典型的計(jì)量器具從總體構(gòu)成來說，一般可以分為三個(gè)主要部分，如下圖所示。,計(jì)量對(duì)象,中間變換部分,輸入部分,輸出部分,觀察者,,,,,,

25、計(jì)量器具,計(jì)量器具的第一部分是輸入部分(包括傳感器、檢測(cè)器或計(jì)量變換器)，它把被計(jì)量的信息轉(zhuǎn)變成便于下一步處理的信號(hào)。第二部分是中間變換部分(也稱二次變換部分)，它把輸入部分出來的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、調(diào)制解調(diào)、運(yùn)算、分析或其他二次變換，使之適合于輸出的需要。第三部分是輸出部分(也稱終端變換部分，包括指示裝置和記錄裝置)，它將被計(jì)量的等效信息提供給觀察者或電子計(jì)算機(jī)。 在電計(jì)量?jī)x器中，計(jì)量信號(hào)是該儀器內(nèi)被計(jì)量量的代表

26、，常常把輸入到儀器的信號(hào)稱為激勵(lì)，把儀器的輸出信號(hào)稱為響應(yīng)。,2．計(jì)量鏈 從計(jì)量器具的總體構(gòu)成來看，可以認(rèn)為它是包含許多環(huán)節(jié)的計(jì)量鏈。計(jì)量鏈?zhǔn)怯?jì)量?jī)x器或計(jì)量裝置中的一系列單元，它們構(gòu)成計(jì)量信號(hào)從輸入到輸出的通道。例如由傳聲器、衰減器、濾波器、放大器和電壓表組成的電聲計(jì)量鏈。,用毫伏計(jì)作為指示機(jī)構(gòu)或指示單元的熱電溫度計(jì)的計(jì)量鏈: ①熱電偶：它是溫度傳感器，把溫度T變換成電動(dòng)勢(shì)E； ②閉合電路：它是中間變換單元，在電動(dòng)勢(shì)E的

27、作用下產(chǎn)生電流I； ③毫伏計(jì)的電磁系統(tǒng)：把電流I變換成力偶M； ④彈簧等：它是指示單元，把力偶M變換成觀察者可以直接感受的角度α。,4．3．2 計(jì)量器具的輸入部分 1．傳感器和計(jì)量變換器 傳感器是計(jì)量?jī)x器或計(jì)量鏈中直接作用于被計(jì)量的量的元件。 有些被計(jì)量的量是不能直接計(jì)量或直接計(jì)量時(shí)準(zhǔn)確度不高。比如溫度、流量、加速度等量，直接同它們的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較是相當(dāng)困難的，因此需要傳感器變換成易于處理、易于與標(biāo)準(zhǔn)量

28、比較的物理量，如位移、頻率、電流、電阻、電壓等量。,計(jì)量變換器是提供與輸人量有給定關(guān)系的輸出量的計(jì)量器件。在計(jì)量變換器中，與被計(jì)量的量直接作用的部分是它的傳感部分或敏感部分。但有時(shí)傳感部分與變換部分構(gòu)成一個(gè)不可分的整體，例如熱電偶。所以，計(jì)量變換器可以只是傳感器，也可以包括它們的附屬計(jì)量線路。,2．主要的傳感器 常用的并有發(fā)展前途的傳感器有： (1) 電阻式傳感器：把被計(jì)量的量的變化變換為電阻變化的傳感器。它包括變阻式(

29、或滑線電阻式)和電阻應(yīng)變式兩類，后者根據(jù)應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)的不同又可分為絲式、箔式和薄膜式三類。 (2) 電感式傳感器：把被計(jì)量的量的變化變換為自感或互感變化的傳感器。它包括可變磁阻式、渦流式和差動(dòng)變壓器式三類。 (3) 電容式傳感器：把被計(jì)量的量的變化變換為電容變化的傳感器。它包括極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三類。,(4) 壓電式傳感器：利用一些晶體材料的壓電效應(yīng)，把力或壓力的變化變換為電荷量變化的傳感器。壓電晶體不但有

30、縱向和橫向的壓電效應(yīng)，而且還有剪切的壓電效應(yīng)，因而可作成不同支撐形式和受力狀態(tài)的傳感器，在力、加速度、超聲及聲納等計(jì)量中得到了廣泛的應(yīng)用。這類傳感器是一種高精度的先進(jìn)的傳感器，近年來得到了越來越多的關(guān)注和發(fā)展。 (5) 壓磁式傳感器：利用一些鐵磁材料的壓磁效應(yīng)，把力或壓力的變化變換為導(dǎo)磁率變化的傳感器。利用其逆效應(yīng)，可以作成磁滯伸縮式傳感器。,(6) 壓阻式傳感器：利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，把壓力的變化變換為電阻變化的傳感器。它

31、可分為薄膜型、結(jié)型和體型三類。 (7) 光電式傳感器：利用光電效應(yīng)把光通量的變化變換為電量變化的傳感器。可利用的光電效應(yīng)包括光電子發(fā)射效應(yīng)(光電管、光電倍增管等)、光導(dǎo)效應(yīng)(光敏電阻、光導(dǎo)管)和光生伏打效應(yīng)(光電池、光敏晶體管)。 (8) 振弦式傳感器：利用振弦的固有頻率與張力之間的函數(shù)關(guān)系，把力的變化變換為頻率變化的傳感器。激振方法可分為連續(xù)激發(fā)和間歇激發(fā)兩類。,(9) 霍爾傳感器：利用一些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)，將被計(jì)

32、量的量的變化變換為霍爾電勢(shì)變化的傳感器。利用霍爾元件的磁阻效應(yīng)可以作成磁阻式傳感器。霍爾元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大，有較廣泛的應(yīng)用前景。 (10) 陀螺傳感器：利用陀螺進(jìn)動(dòng)定理將被計(jì)量的量的變化變換為電量變化的傳感器。例如陀螺式稱重傳感器、角速度微分陀螺儀和積分陀螺儀等。 (11) 熱電式傳感器：利用熱電效應(yīng)將溫度的變化變換為電勢(shì)變化的傳感器。各種熱電偶就是廣泛應(yīng)用的熱電式傳感器。,(12) 磁電式

33、傳感器：利用電磁感應(yīng)定律將轉(zhuǎn)速的變化變換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或其頻率變化的傳感器。它可分為可動(dòng)線圈式和可動(dòng)銜接式兩類。 (13) 電離輻射式傳感器：利用電離輻射的穿透能力，使氣體電離并具有熱效應(yīng)和光電效應(yīng)，把被計(jì)量量(例如厚度)的變化變換為電量變化的傳感器。例如射線測(cè)厚儀。 (14) 約瑟夫森效應(yīng)傳感器：利用超導(dǎo)體的約瑟夫森效應(yīng)，把磁通量變換為周期變化的阻抗，或把頻率變換為電壓的傳感器。它包括約瑟夫森結(jié)和計(jì)量靈敏度極高的超導(dǎo)量

34、子干涉器件(SQUID)，在監(jiān)視電動(dòng)勢(shì)基準(zhǔn)、直流電計(jì)量、輻射計(jì)量、磁學(xué)計(jì)量、低溫計(jì)量、重力計(jì)量、光頻計(jì)量中有著廣泛的應(yīng)用。,（15）光纖傳感器：利用光在光纖中傳播時(shí)其振幅(光強(qiáng))、相位、偏振態(tài)、模式等隨被計(jì)量值變化而變化的性質(zhì)而制成的傳感器。它可分為功能型和非功能型，前者光纖既是敏感元件又是傳光元件，后者則僅起傳光作用。它也可分為干涉型和非干涉型，前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其靈敏度、分辨力、線性均較后者好。用它們可以計(jì)量壓力、溫度、流速、轉(zhuǎn)速、加速

35、度、位移、電流、磁場(chǎng)、輻射等多種參量。,3．主要的計(jì)量變換器 主要的計(jì)量變換器有熱電偶、電流互感器、電動(dòng)／氣動(dòng)變換器、計(jì)量電橋等。計(jì)量電橋的應(yīng)用極為廣泛，它的功能是把來自傳感器的電阻、電容、電感等量的變化，變換成電流或電壓的變化。 按照激勵(lì)電壓(輔助能源)的性質(zhì)，計(jì)量電橋可以分為直流電橋和交流電橋兩種。直流電橋的優(yōu)點(diǎn)是容易獲得高穩(wěn)定直流電源，電橋的平衡電路比較簡(jiǎn)單，對(duì)傳感器與計(jì)量?jī)x器中間變換部分的連接導(dǎo)線要求較低；缺點(diǎn)

36、是在計(jì)量過程中前級(jí)引進(jìn)的低頻干擾和后接直流放大器的漂移都較難去除，這就要求助于交流電橋。,4．3．3 計(jì)量器具的中間變換部分 中間變換部分的作用是對(duì)來自輸入部分的信號(hào)進(jìn)行中間變換，它包含處理信號(hào)的信號(hào)變換器件和傳輸信號(hào)的信號(hào)傳輸器件(或傳輸線)。其中，信號(hào)變換器件可以由濾波器、衰減器、放大器、移相器、運(yùn)算分析器、調(diào)制解調(diào)器以及模／數(shù)、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器等組成。,4．3．4 計(jì)量器具的輸出部分 1．指示裝置的概況與分類

37、 指示裝置是計(jì)量器具中顯示被計(jì)量值或其相關(guān)值的一套組件，它往往是計(jì)量器具的終端。指示是顯示的一種方式，它可以表示出量的大小和各個(gè)量之間的關(guān)系。表示的方法通常有角度、長(zhǎng)度、數(shù)字、文字、圖形、圖表、圖像等。最早的指示裝置是指針與刻度。進(jìn)一步的發(fā)展就是采用直接顯示出數(shù)字的機(jī)構(gòu)或裝置(例如數(shù)字式指示表)進(jìn)行顯示。,指示裝置提供示值的方式，可以分為模擬式、數(shù)字式、半數(shù)字式三種。 模擬式指示裝置提供模擬示值。它采用主觀讀數(shù)方法，所以

38、容易因觀察者和觀察位置的不同而造成視差。它的活動(dòng)部分有遲滯現(xiàn)象，所以計(jì)量速度和準(zhǔn)確度會(huì)受到一定的限制。最常見的模擬式指示裝置是模擬指示表，一般可以分為機(jī)電式和電子式兩種。,數(shù)字式指示裝置提供數(shù)字示值。從原理上說它克服了由模擬式指示裝置的構(gòu)造所決定的上述缺點(diǎn)和限制，它還具有自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)極性選擇和自動(dòng)調(diào)換量程的可能。為了進(jìn)行數(shù)字式指示，首先要把模擬量轉(zhuǎn)換為以脈沖信號(hào)的頻率或時(shí)間間隔形式出現(xiàn)的數(shù)字量，然后用電子計(jì)數(shù)器進(jìn)行顯示。,半數(shù)字式指示

39、裝置是模擬式和數(shù)字式指示裝置兩者的綜合。它通過由末位有效數(shù)字的連續(xù)移動(dòng)進(jìn)行內(nèi)插的數(shù)字式指示，或通過由標(biāo)尺和指示器輔助讀數(shù)的數(shù)字式指示來提供半數(shù)字指示值。如下圖所示，此標(biāo)尺右端數(shù)字能連續(xù)移動(dòng)，這樣讀到半數(shù)字指示值為25 813．4。,2．記錄裝置的概況和分類 記錄裝置是計(jì)量器具輸出部分中記錄被計(jì)量的量值或有關(guān)值的一套組件，例如筆式記錄器、記憶示波器、打印記錄器、靜電記錄器、照相記錄器、磁性記錄器等。它們可以記錄字符、表格、圖像、音響等

40、。記錄可以是連續(xù)的，也可以是離散的。,1) 筆式記錄器 筆式記錄器用筆尖(電筆或墨水筆的)在記錄紙上描繪出被計(jì)量值相對(duì)于時(shí)間或某一參考量之間的函數(shù)關(guān)系。按照筆的驅(qū)動(dòng)方式可以將其分為檢流計(jì)式和伺服式兩種。 檢流計(jì)式的筆式記錄器相當(dāng)于一個(gè)磁電式記錄電表。伺服式的筆式記錄器通常采用閉環(huán)零位平衡方法，所以也稱為自動(dòng)平衡記錄器。當(dāng)它用來描繪兩個(gè)被計(jì)量量值間的函數(shù)關(guān)系時(shí)，又稱為x-y函數(shù)記錄器。它也是電子計(jì)算機(jī)的一種輸出設(shè)備，能接

41、收計(jì)算機(jī)的代碼信息并完成規(guī)定動(dòng)作，用打點(diǎn)或畫線方式在乎面上繪出圖形。 由于筆式記錄器可動(dòng)部件的慣性較大，一般適宜于記錄慢變化的計(jì)量信號(hào)，而且它的筆尖與記錄紙之間有摩擦，因此會(huì)影響到記錄的準(zhǔn)確度。,2)照相記錄器 光線示波器是一種照相記錄器，它主要由振子、光路、磁路、傳動(dòng)、攝影等單元組成。 振子也相當(dāng)于一個(gè)磁電式檢流計(jì)，由于其以振子和張絲代替了筆式記錄器檢流計(jì)中的彈簧和軸承，從而減小了摩擦，提高了靈敏度

42、；又由于以光點(diǎn)代替了筆尖，從而減小了慣性，提高了固有頻率。 記錄在照相記錄器記錄媒質(zhì)(相紙或膠片)上的計(jì)量結(jié)果，一般需要經(jīng)過適當(dāng)處理才能顯示出來，所以不能立即看出。對(duì)于紫外線示波器，則需在日光燈下曝光才能顯示，若要長(zhǎng)期保存，則要定影沖洗。這種記錄器的記錄時(shí)間也會(huì)受到記錄媒質(zhì)長(zhǎng)度的限制。,3)磁性記錄器 磁性記錄器利用強(qiáng)磁性介質(zhì)的剩余磁化現(xiàn)象來輸入(寫)、存儲(chǔ)和輸出(讀)信息。具有記錄和存儲(chǔ)的信息密度高、頻

43、率響應(yīng)范圍寬、信息的輸入/輸出速度快、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)。目前常用磁性記錄器有磁帶、磁鼓和磁盤，被統(tǒng)稱為磁表面存儲(chǔ)器。,4．3．5 計(jì)量器具的智能化 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，促使計(jì)量?jī)x器和計(jì)量裝置朝著智能化的方向發(fā)展，這不僅使其功能得到了充分發(fā)揮，而且可以改善它們的使用性能和計(jì)量特性。 首先是觀察者的部分操作、判斷、讀數(shù)、計(jì)算等工作可以被計(jì)算機(jī)所取代。因?yàn)橛?jì)算機(jī)能按熟練操作者的程序使儀器按序工作，并具

44、有統(tǒng)計(jì)和處理數(shù)據(jù)的功能。比如最小二乘法計(jì)算、不確定度計(jì)算、計(jì)量單位換算等，從而可以提高計(jì)量的效率并降低人為出錯(cuò)率。,在計(jì)量?jī)x器的計(jì)量鏈中，對(duì)變換的線性要求很高，有時(shí)用了很復(fù)雜的線性化電路仍難滿足。若掌握了非線性的規(guī)律，求得數(shù)學(xué)模型，即可編制程序，通過計(jì)算機(jī)對(duì)非線性進(jìn)行補(bǔ)償。類似地，通過軟件在信號(hào)變換中的作用，可以多替代一些硬件。,由于邏輯和軟件程序具有不變性，從而可以避免硬件磨損和老化等帶來的漂移，提高了計(jì)量?jī)x器的穩(wěn)定性。而且用計(jì)算機(jī)和

45、軟件進(jìn)行變換和處理，其靈活性和適應(yīng)性比硬件要強(qiáng)，在運(yùn)用時(shí)可以變更和追加新的功能，從而易于提高計(jì)量鏈變換的準(zhǔn)確度。,如果能預(yù)先確定噪聲等因素對(duì)計(jì)量?jī)x器輸出的影響，就可利用計(jì)算機(jī)對(duì)預(yù)校正值進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。例如，在有的數(shù)字式萬用表中裝有兩個(gè)微處理器，對(duì)放大器增益、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器應(yīng)有值等十多個(gè)項(xiàng)目預(yù)先計(jì)量和存儲(chǔ)后，即可供實(shí)際計(jì)量和計(jì)算時(shí)調(diào)用。計(jì)算機(jī)可以對(duì)由影響量的變化引起的已知系統(tǒng)誤差進(jìn)行自動(dòng)校正，從而可以提高計(jì)量?jī)x器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。集成化元件和封

46、裝技術(shù)的改進(jìn)，使儀器的抗振、耐溫、耐濕等性能也有所提高。,同時(shí)，計(jì)算機(jī)中所具有的診斷程序和檢驗(yàn)程序會(huì)對(duì)儀器的異?，F(xiàn)象進(jìn)行自診斷，發(fā)現(xiàn)有故障的部位，以便于及時(shí)排除，這有利于計(jì)量?jī)x器維護(hù)性能的改善。,在動(dòng)態(tài)計(jì)量中，通過快速傅里葉變換能把時(shí)間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成頻率坐標(biāo)，以便于信息的處理。利用快速采樣和統(tǒng)計(jì)運(yùn)算處理，可以減小計(jì)量的隨機(jī)誤差。當(dāng)需要進(jìn)行在線實(shí)時(shí)計(jì)量時(shí)，計(jì)算機(jī)更是不可缺少的工具。,結(jié)論: 裝有計(jì)算機(jī)的計(jì)量?jī)x器的準(zhǔn)確度主要取決于傳感