计量学基础课程课件3

传感器
常用传感器有：
（1） 电阻式传感器：把被计量的量的变化变换为 电阻变化的传感器。它包括变阻式（或滑线电阻式） 和电阻应变式两类,后者根据应变计结构的不同又可 分为丝式,箔式和薄膜式三类。 （2） 电感式传感器：把被计量的量的变化变换为 自感或互感变化的传感器。它包括可变磁阻式,涡流 式和差动变压器式三类。


4． 测量范围
测量范围是计量器具的误差处在规定极限 内的一组被测量的值,与测量设备的最大允许误 差有关。在标称范围内,测量设备的误差处于最 大允许误差内的那一部分范围才是测量范围,也 就是说,只有在这一部分测量的值,其准确度才 符合要求,因此,有时又把测量范围称为工作范 围。
5． 量程(span) 量程 ［英文等价术语］ span ［术语定义(汉语)］ 测量范围上限值与下限值之差。
计量学：关于测量的科学
测量原理 测量方法 测量程序 标准物质
人员
校准 测量仪器 检定
计量 测量
溯源性
基准
标准与标准化
单位制
质量与检验
计量学
本质上就是计量
科
学
技
术
计量基准
计量基准有时也称为原始标准或最高标准, 是在特定领域内具有当代最高计量特性的计量 标准。计量基准是计量的最高依据。 经国际协议公认,在国际上作为对有关量的 其他所有标准定值依据的标准, 称为国际基准。 经国家正式确认,在一个国家内作为对有关 量的其他所有标准定值依据的标准,称为国家基 准。
计量学基础
主讲人:邓华夏
仪器
Instrumentation is defined as the art and science of measurement and control of process variables within a production or manufacturing area. An instrument is a device that measures a physical quantity such as flow, temperature, level, distance, angle, or pressure.
有关响应方面的特性 1． 响应特性 在特定条件下,激励与对应响应之间的关系 就是计量器具的响应特性。这种关系可以用数 学等式,数值表或图形来表示。当激励是关于 时间的函数时,传递函数是响应特性的一种表 示形式。
2． 灵敏度 灵敏度是计量器具响应的变化与引起该 变化的激励值（被计量值）的变化之比。对 于带刻度指示器的器具,通常以分度长度与 其值之比作为灵敏度。灵敏度指标是考察传 感器的主要指标之一。
计量基准
（2） 作证基准(Witness Standard): 用于核对主基准的变化， 或在必要时（如主基 准损坏或遗失）可代替主基准的基准。 与主基准一样， 作证基准也不用于日常计量。 （3） 副基准(Secondary Standard): 通过直接或间接与主基准比较或用基准法来定值 的基准， 一般可以代替主基准使用。 副基准一般也不用于日常计量。
（4） 参考基准(Reference Standard): 在给定地区或在给定组织内， 通常具有最 高计量特性的计量标准， 在该处所作的计量 均由它导出。
（5） 工作基准(Working Standard): 用于日常校准或核查实物量具、 计量仪器 或参考物质的计量标准， 通常由参考基准来 校准。
热电偶
E
闭合 电路
I
毫伏计 电磁系统
M
毫伏计 指示机构

热电温度计的计量链方框图
上面给出了串联式计量链,它比较简单明了。而在许多情况下,计量链
是比较复杂的,不仅有串联,而且有并联,甚至还带有反馈。
它是温度传感器,也是第一个变换单元,把温度T变换成电动势E；② 闭合 电路：它是中间变换单元,在电动势E的作用下产生电流I；③ 毫伏计的 电磁系统： 它也是中间变换单元,把电流I变换成力偶M；④ 弹簧等：它 是指示单元,把力偶M变换成观察者可以直接感受的温度α。
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仪器的结构和组成
仪器的总体构成及其计量链 1． 仪器的总体构成 仪器并没有很固定的构成模式。但是典型的计 量器具从总体构成来说,一般可以分为三个主要部 分。
计量器具 计量对 象 输入部 分 中间变 换部分 输出部 分
观察者

计量器具的第一部分是输入部分（包括传感 器,检测器或计量变换器）,它把被计量的信息转 变成便于下一步处理的信号。第二部分是中间变 换部分（也称二次变换部分）,它把输入部分出 来的信号进行放大,滤波,调制解调,运算,分析或 其他二次变换,使之适合于输出的需要。 第三部分是输出部分（也称终端变换部分,包 括指示装置和记录装置）,它将被计量的等效信 息提供给观察者或电子计算机。 在电计量仪器中,计量信号是该仪器内被计量 量的代表,常常把输入到仪器的信号称为激励,把 仪器的输出信号称为响应。

激励受到规定突变的瞬间与响应达到并保持其最 终稳定性在规定极限内的瞬间两者之间的时间间隔就 是响应时间。
有关性能方面的特性 1． 漂移 漂移是指计量器具计量特性的缓慢变化。 2．稳定性 计量器具保持其计量特性随时间恒定的能力 称为计量器具的稳定性。通常, 稳定性是对时 间而言的。



从计量器具的总体构成来看,可以认为它是包含许 多环节的计量链。计量链是计量仪器或计量装置中的 一系列单元,它们构成计量信号从输入到输出的通道 。例如由传声器,衰减器,滤波器,放大器和电压表组成 的电声计量链。

用毫伏计作为指示机构或指示单元的热电温度计, 具有这样的计量链： ① 热电偶：
T
输入部分
1． 传感器和计量变换器 传感器是计量仪器或计量链中直接作用于被计量的量的元件。 有些被计量的量是不能直接计量或直接计量时准确度不高。比 如温度,流量,加速度等量,直接同它们的标准量进行比较是相当 困难的,因此需要传感器变换成易于处理,易于与标准量比较的 物理量,如位移,频率,电流,电阻,电压等量。 计量变换器是提供与输入量有给定关系的输出量的计量器件。 在计量变换器中,与被计量的量直接作用的部分是它的传感部分 或敏感部分。但有时传感部分与变换部分构成一个不可分的整 体,例如热电偶。所以,计量变换器可以只是传感器,也可以包括 它们的附属计量线路。
（6） 压阻式传感器： 利用半导体材料的压 阻效应,把压力的变化变换为电阻变化的传感 器。它可分为薄膜型,结型和体型三类。 （7） 光电式传感器： 利用光电效应把光通 量的变化变换为电量变化的传感器。可利用的 光电效应包括光电子发射效应（光电管,光电 倍增管等）,光导效应（光敏电阻,光导管）和 光生伏打效应（光电池,光敏晶体管）。
计量标准是指用以定义,实现,保持或复现计量 单位或一个或多个已知量值的实物量具,物质,计量 仪器或计量系统。 严格地说,计量标准应该包括计量基准——最高 计量标准在内。 关于标准的等级,一般是以所复现单位的精度 来划分的。通常,主基准为零级,参考基准为一级, 其余工作标准则为二级,三级等；也有笼统地将基 准定为零级,而将工作标准分为一,二,三级或更多 级的。级别的划分与多少,视各具体量值传递的实 际情况而定,没有很严格的统一规定。
（8） 振弦式传感器：利用振弦的固有频率与 张力之间的函数关系,把力的变化变换为频率 变化的传感器。激振方法可分为连续激发和间 歇激发两类。 （9） 霍尔传感器：利用一些半导体材料的霍 尔效应,将被计量的量的变化变换为霍尔电势 变化的传感器。利用霍尔元件的磁阻效应可以 作成磁阻式传感器。霍尔元件结构简单、体积 小,噪声小,频带宽,动态范围大,有较广泛的应 用前景。
1． 准确度 准确度指计量器具给出接近于真值的响应能 力。在实际应用中,常以测量不确定度,准确度等 级或最大允许误差来定量表示。 2． 准确度等级 准确度等级是符合一定的计量要求,使误差保 持在规定极限以内的计量器具的等别,级别。这 也是计量器具最具概括性的特征,综合反映了计 量器具的基本误差和附加误差的极限值以及其他 影响测量准确度的特性值。
一些重要的概念
有关工作范围的特性 1． 示值 计量器具的示值是指计量器具所给出的量的值 。示值可以是被测量,测量信号或用于计算被测量 之值的其他量的值。对实物量具,示值就是它所标 出的值。示值随着被测量而变化。
http://www.cnctst.gov.cn/pages/homepage/result.jsp#
3． 鉴别力 使器具的响应产生可以察觉的变化的 激励值（被计量值）的最小变化量,称为鉴 别力。这种激励变化应缓慢而单调地进行。


4． 分辨力
分辨力是指显示装置能有效辨别的最小的示值差。 5． 死区
计量器具的死区指的是不致引起计量器具响应发 生变化的激励双向变动的最大区间。 6． 响应时间
3． 重复性 重复性是指在相同条件下,重复测量同一个 被测量,计量器具提供相近示值的能力。重复 性可以用测量结果的分散性定量来表示。 4． 可靠性 可靠性是指计量器具在规定条件下和规定 时间内,完成规定功能的能力。表示计量器具 可靠性的定量指标,可以用其极限工作条件下 的平均无故障工作时间来表示,这个指标越高, 说明可靠性越好。
全国科学技术名词委员会
2． 标称值 (nominal value) 标称值是计量器具上表明其特性或指导其 使用的量值,该值为修约值或近似值,如标在电 压表表盘上的示值。标称值是固定的,不随被 测量的变化而变化。 3． 标称范围(nominal range) 标称范围是计量器具的操纵器件调到特定 位置时可得到的示值范围。标称范围通常用计 量器具的上限和下限表明,如果下限为零,标称 范围一般只用上限表明。
（3） 电容式传感器：把被计量的量的变化变换为 电容变化的传感器。它包括极距变化型,面积变化型 和介质变化型三类。
（4） 压电式传感器：利用一些晶体材料的压 电效应,把力或压力的变化变换为电荷量变化 的传感器。压电晶体不但有纵向和横向的压电 效应,而且还有剪切的压电效应,因而可作成不 同支撑形式和受力状态的传感器,在力,加速度, 超声及声纳等计量中得到了广泛的应用。这类 传感器是一种高精度的先进的传感器,近年来 得到了越来越多的关注和发展。 （5） 压磁式传感器：利用一些铁磁材料的 压磁效应,把力或压力的变化变换为导磁率变 化的传感器。利用其逆效应,可以作成磁滞伸 缩式传感器。
计量基准
（1） 主基准 (Primary Standard)： 在一特定领域内具有当代最高计量特性的 一给定量的计量基准，其值不必参考相同量的 其他基准， 是被指定的或普遍承认的计量基 准。这里的给定量， 可以是基本量，也可以 是导出量 即主基准的概念既适用于基本单位 ，也适用于导出单位。为维护所具有的计量特 性，主基准是不轻易使用的。它一般只用作与 作证基准或参考基准的比较器， 而绝不直接 用于日常计量。
计量基准
我国《计量法》中规定， 计量基准的使用必 须具百度文库下列条件： （1） 经国家鉴定合格； （2） 具有正常工作所需要的环境条件； （3） 具有称职的保存、维护、使用人员； （4） 具有完善的管理制度。 符合上述条件的， 经国务院计量行政部门审 批并颁发计量基准证书后， 方可使用。 计量基准的划分计量基准按量值传递体系通 常分为主基准、 作证基准、 副基准、 参考基准 和工作基准。
3． 测量精度 测量精度是测量结果的可信程度或不确定度, 一般以计量值与被计量量的实际值之间的 偏差 范围来表示。 4． 最大允许误差 对给定计量器具,规范,规程等所允许的误差极 限值为最大允许误差,有时也称为计量器具的允许 误差限。
专业内涵——性能指标评价
误差指标：精度和准度