計(jì)量學(xué)基礎(chǔ)第4章課件

1、第四章 計(jì)量器具 計(jì)量器具是指能用以直接或間接方式，測出被測對象量值的裝置和用于統(tǒng)一量值的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，包括計(jì)量基準(zhǔn)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和工作計(jì)量器具。 計(jì)量器具是國家法定計(jì)量單位和國家基準(zhǔn)單位量值的物化體現(xiàn)，是進(jìn)行量值傳遞、保障全國量值準(zhǔn)確可靠的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，是計(jì)量法的調(diào)整對象，是加強(qiáng)計(jì)量監(jiān)督管理的主要對象。精思國計(jì)，細(xì)量民生1第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征一、 計(jì)量器具按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 計(jì)量器具按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為量具、計(jì)量儀器（儀表）和計(jì)量裝置。 （一）、量具 量具是實(shí)物量具的簡稱，用來復(fù)現(xiàn)或提供某個物理量的已知量值的計(jì)量器具。 千分尺、游標(biāo)卡尺、百分表，雖然社會上習(xí)慣稱之為“通用量具”，但按定義它們并不是量

2、具，而是計(jì)量儀器。精思國計(jì)，細(xì)量民生2第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征一、 計(jì)量器具按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 1、量具的分類 單值量具和多值量具 單值量具 只能提供一個量值，例如量塊、標(biāo)準(zhǔn)電池等。 多值量具 能復(fù)現(xiàn)多個不同的量值，例如多刻線量筒、多面棱體角度等。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，例如：可變電容器、電阻箱等。精思國計(jì)，細(xì)量民生3第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征一、 計(jì)量器具按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 1、量具的分類 從屬量具和獨(dú)立量具 從屬量具 不能單獨(dú)確定被測量值，而必須通過其它計(jì)量器具或輔助設(shè)備，如砝碼只有通過天平才能測量質(zhì)量。 獨(dú)立量具 無需通過其他器具就能單獨(dú)進(jìn)行測量，如線紋尺等。精思

3、國計(jì)，細(xì)量民生4第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征一、 計(jì)量器具按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 1、量具的分類 單個量具和成套量具 成套量具是在一定范圍內(nèi)復(fù)現(xiàn)或提供多個量值的一些單個量具的組合體。它們不僅可以單獨(dú)使用，而且也可以在不同組合下使用。 例如砝碼組，1套克組由12個砝碼組成： 1g、2g、2g、5g、10g、20g、20g、50g、100g、200g、200g、500g。 精思國計(jì)，細(xì)量民生5第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征一、 計(jì)量器具按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 2、量具的特點(diǎn) 1）本身直接復(fù)現(xiàn)了單位量值，即量具的標(biāo)稱值就是單位量值的實(shí)際大小。 2）在機(jī)構(gòu)上沒有測量機(jī)構(gòu)，沒有指示器。 3）在沒有測量機(jī)構(gòu)的情況下，必須依

4、賴其他配用的計(jì)量儀器，否則就不能測出被測量值。精思國計(jì)，細(xì)量民生6第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征一、 計(jì)量器具按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 （二）、計(jì)量儀器 用來將被測量的量值變換成可直接觀察的示值（或等效信息）的計(jì)量器具。 計(jì)量儀器（儀表）的主要特性，是能將被測量值與已知量值進(jìn)行比較，并將比較的結(jié)果變換成示值（或等效信息） 輸出。精思國計(jì)，細(xì)量民生7第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征一、 計(jì)量器具按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 1、計(jì)量儀器的分類 計(jì)量儀器或儀表最常見的可分為三類： 1）直接指示出被測量值的“直讀式” 2）指示出被測量值等于同名量的已知值的“比較式” 3）能測量出被測量值與同名量的已知值之間的少量差異的“差值式”

5、 精思國計(jì)，細(xì)量民生8第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征一、 計(jì)量器具按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 2、計(jì)量儀器的特點(diǎn) 1）與量具不同，計(jì)量儀器本身并不復(fù)現(xiàn)或提供已知量值，而是通過轉(zhuǎn)換得到的指示值。 2）在結(jié)構(gòu)上有測量機(jī)構(gòu)、指示器或可活動測量元部件。 3）它可以直接測出被測對象的量值。精思國計(jì)，細(xì)量民生9第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征一、 計(jì)量器具按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 （三）、計(jì)量裝置 計(jì)量裝置是為確定被測量值所必需的計(jì)量器具和輔助設(shè)備的總體。例如，電能表檢定裝置、熱電偶熱電阻自動檢定系統(tǒng)等。 計(jì)量裝置的組成： 計(jì)量儀器、量具、測量夾具、測量變換器以及輔助設(shè)備和電源。精思國計(jì)，細(xì)量民生10第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征一、

6、 計(jì)量器具按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類 輔助設(shè)備一般有三種作用： 1） 將被測量或影響量保持于某個適當(dāng)數(shù)值上。 2） 便于進(jìn)行計(jì)量操作。 3） 改變計(jì)量器具的計(jì)量范圍或靈敏度，如放大器、分流器等。精思國計(jì)，細(xì)量民生11第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征二、 計(jì)量器具按計(jì)量用途分類 按技術(shù)特性及用途，計(jì)量器具可分為計(jì)量基準(zhǔn)器具、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具（包括標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)）和工作計(jì)量器具。 （一）計(jì)量基準(zhǔn)器具 計(jì)量基準(zhǔn)器具簡稱計(jì)量基準(zhǔn)，是在特定計(jì)量領(lǐng)域內(nèi)復(fù)現(xiàn)和保存計(jì)量單位（或其倍數(shù)或分?jǐn)?shù)）并具有最高計(jì)量特性的計(jì)量器具，是統(tǒng)一量值的最高依據(jù)。精思國計(jì)，細(xì)量民生12第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征二、 計(jì)量器具按計(jì)量用途分類 1、人工基準(zhǔn)與

7、自然基準(zhǔn) 計(jì)量基準(zhǔn)的穩(wěn)定度是至關(guān)重要的計(jì)量特性，是計(jì)量科學(xué)家研究的重要課題。 人工基準(zhǔn)是指以實(shí)物來定義并復(fù)現(xiàn)測量單位，又稱為實(shí)物基準(zhǔn)； 自然基準(zhǔn)是指以自然現(xiàn)象或物理效應(yīng)來定義測量單位。精思國計(jì)，細(xì)量民生13第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征二、 計(jì)量器具按計(jì)量用途分類 1、人工基準(zhǔn)與自然基準(zhǔn) 為了追求高穩(wěn)定性，計(jì)量基準(zhǔn)經(jīng)歷了四個過程：1) 初級人工基準(zhǔn)：骨尺、銅方升 2) 宏觀自然基準(zhǔn) 3) 高級人工基準(zhǔn)：國際米、國際千克 4) 微觀自然基準(zhǔn)精思國計(jì)，細(xì)量民生14第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征二、 計(jì)量器具按計(jì)量用途分類 2、國家計(jì)量基準(zhǔn)、國際計(jì)量基準(zhǔn)、副基準(zhǔn)和工作基準(zhǔn) 國際計(jì)量基準(zhǔn)是具有當(dāng)代科學(xué)技術(shù)

8、所能達(dá)到的最高計(jì)量特性的計(jì)量基準(zhǔn)，是給定量的所有其它計(jì)量器具在國際上定度的最高依據(jù)。 經(jīng)國際協(xié)會承認(rèn)的主要途徑是經(jīng)國際米制公約組織下設(shè)的國際計(jì)量委員會（CIPM）和國際計(jì)量局(BIPM)兩個結(jié)構(gòu)。精思國計(jì)，細(xì)量民生15第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征二、 計(jì)量器具按計(jì)量用途分類 國家計(jì)量基準(zhǔn) 副基準(zhǔn)是由國家基準(zhǔn)直接校準(zhǔn)或比對來定值的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，它作為復(fù)現(xiàn)測量單位的地位僅次于國家基準(zhǔn)。 工作基準(zhǔn)是指經(jīng)與國家計(jì)量基準(zhǔn)或副基準(zhǔn)比對，并經(jīng)國家鑒定，實(shí)際用以檢定計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量器具。精思國計(jì)，細(xì)量民生16第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征二、 計(jì)量器具按計(jì)量用途分類 國家計(jì)量基準(zhǔn)的特點(diǎn) 1）唯一性。對每個測量參數(shù)來說

9、，全國只能有一個。 2）科學(xué)性。計(jì)量基準(zhǔn)都是運(yùn)用最新科學(xué)技術(shù)成就研制出來的，所以具有當(dāng)代（本國）的最高精確度，同時(shí)計(jì)量基準(zhǔn)都具有良好的復(fù)現(xiàn)性。精思國計(jì)，細(xì)量民生17第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征二、 計(jì)量器具按計(jì)量用途分類 國家計(jì)量基準(zhǔn)的特點(diǎn) 3）國家性。因?yàn)橛?jì)量基準(zhǔn)是統(tǒng)一全國量值的最高依據(jù)，故計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度只有而且必須經(jīng)過國家鑒定合格并確定其準(zhǔn)確度。 4）穩(wěn)定性。計(jì)量基準(zhǔn)不僅應(yīng)具有最高的準(zhǔn)確度，而且應(yīng)具有最佳的穩(wěn)定度。精思國計(jì)，細(xì)量民生18第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征二、 計(jì)量器具按計(jì)量用途分類 （二）計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具簡稱計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，是指準(zhǔn)確度低于計(jì)量基準(zhǔn)、用于檢定其他計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或工作

10、計(jì)量器具的計(jì)量器具。 一般來說，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)具有較高計(jì)量特性，這里所說的“較高計(jì)量特性”，是針對計(jì)量基準(zhǔn)與工作計(jì)量器具而言的。精思國計(jì)，細(xì)量民生19第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征二、 計(jì)量器具按計(jì)量用途分類 （三）工作計(jì)量器具 工作計(jì)量器具也稱普通計(jì)量器具，用于日常的測量工作而不是用于檢定或校準(zhǔn)工作的計(jì)量器具。 工作計(jì)量器具的數(shù)量巨大，占計(jì)量器具總數(shù)的絕大多數(shù)。為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，工作計(jì)量器具通常要定期或及時(shí)地進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。精思國計(jì)，細(xì)量民生20第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征三、 計(jì)量器具的特征 （一）標(biāo)稱值、量程、示值誤差和測量范圍 標(biāo)稱值指量具上所標(biāo)注的量值。 示值范圍指所顯示或指示的最

11、低值到最高值的范圍。 測量范圍指在允許誤差限內(nèi)計(jì)量器具的被測量值的范圍。 量程測量范圍的上、下限之差的模。精思國計(jì)，細(xì)量民生21第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征三、 計(jì)量器具的特征 （二）計(jì)量準(zhǔn)確度和重復(fù)性 測量儀器的準(zhǔn)確度：測量儀器給出接近于真值的相應(yīng)的能力。 測量儀器的重復(fù)性：在相同測量條件下，重復(fù)測量同一個被測量，測量儀器提供相近示值的能力。精思國計(jì)，細(xì)量民生22第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征三、 計(jì)量器具的特征 （三）計(jì)量靈敏度和靈敏閾 靈敏度：計(jì)量器具對被測量變化的反應(yīng)能力，也是被測量變化引起計(jì)量器具示值變化的程度。 靈敏閾：指計(jì)量器具在零位附近的輸入量增量達(dá)到多大時(shí)，才能從計(jì)量器具上觀測

12、到示值的變化，此前一直觀測不到的這個輸入量。精思國計(jì)，細(xì)量民生23第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征三、 計(jì)量器具的特征 （四）穩(wěn)定性 穩(wěn)定性：測量儀器保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力。 （五）作用速度 作用速度：穩(wěn)定時(shí)間或單位時(shí)間內(nèi)測量的最大次數(shù)（具有規(guī)定的準(zhǔn)確度）。精思國計(jì)，細(xì)量民生24第一節(jié) 計(jì)量器具的分類及特征三、 計(jì)量器具的特征 正確選用計(jì)量器具的要點(diǎn)是： 1）要考慮計(jì)量器具的計(jì)量特性，如動態(tài)、靜態(tài)特性指標(biāo)應(yīng)適當(dāng)； 2）要考慮使用條件，這是因?yàn)槭褂脳l件會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。 3）要考慮購置時(shí)的經(jīng)濟(jì)性，包括安裝、運(yùn)行、維修等經(jīng)費(fèi)。精思國計(jì)，細(xì)量民生25第二節(jié) 計(jì)量器具的組成計(jì)量器具的構(gòu)成：

13、一是輸入部分；二是中間變換部分；三是輸出部分。如下圖所示 精思國計(jì)，細(xì)量民生26第二節(jié) 計(jì)量器具的組成一、 計(jì)量器具的輸入部分 輸入部分(傳感器、檢測器或測量變換器)，它的作用是吧被測信息轉(zhuǎn)換成便于下一步處理的信號，通常是轉(zhuǎn)化為電信號。 （一）常用傳感器 傳感器是實(shí)現(xiàn)將被測量轉(zhuǎn)換為電量以利于后續(xù)處理的功能器件。它對系統(tǒng)的功能起著決定性作用，準(zhǔn)確度愈高，系統(tǒng)對傳感器的依賴性愈大。精思國計(jì)，細(xì)量民生27第二節(jié) 計(jì)量器具的組成一、 計(jì)量器具的輸入部分 （一）常用傳感器 傳感器按用途分類：電傳感器、 磁傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、聲學(xué)傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、 流量傳感器、流速

14、傳感器、真空度傳感器、光傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、射線傳感器、分析傳感器、仿生傳感器、氣體傳感器、離子傳感器等。 精思國計(jì)，細(xì)量民生28第二節(jié) 計(jì)量器具的組成一、 計(jì)量器具的輸入部分 （二）常用測量變換器 主要的計(jì)量變換器有電流互感器、電動變換器、氣動變換器、計(jì)量電橋、調(diào)制解調(diào)器等。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，變成電流或電壓的變化。精思國計(jì)，細(xì)量民生29第二節(jié) 計(jì)量器具的組成二、 計(jì)量器具的中間轉(zhuǎn)換部分 （一）濾波 濾波的主要功能是讓測量信號中所需要的特定頻率成分通過，而使不需要的其他頻率成分得以抑制或大大衰減，從而提取所需的有用測量信號。 根

15、據(jù)所處理信號形式不同，濾波器可分為模擬與數(shù)字兩大類。精思國計(jì)，細(xì)量民生30第二節(jié) 計(jì)量器具的組成二、 計(jì)量器具的中間轉(zhuǎn)換部分 （一）濾波 根據(jù)通過濾波器的頻率范圍可分為低通、高通、帶通及帶阻四種濾波器。 根據(jù)電路組成濾波器可分為LC無源濾波器、RC無源濾波器、由特殊元件構(gòu)成的無源濾波器、RC有源濾波器。其中第四種在計(jì)量儀器中應(yīng)用最為廣泛。 精思國計(jì)，細(xì)量民生31第二節(jié) 計(jì)量器具的組成二、 計(jì)量器具的中間轉(zhuǎn)換部分 （二）測量信號的放大 在信號變換過程中，信號放大電路是為了將微弱的測量信號，放大到足以進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換處理或推動指示器、記錄器以及各種控制機(jī)構(gòu)。 主要是利用集成放大器組成各種形式的放大電路

16、，或?qū)ｉT設(shè)計(jì)制成具有某些性能的單片集成放大器。精思國計(jì)，細(xì)量民生32第二節(jié) 計(jì)量器具的組成二、 計(jì)量器具的中間轉(zhuǎn)換部分 （三）測量信號的調(diào)制解調(diào) 將測量信號從含有噪聲的信號中分離出來是測量電路的一項(xiàng)重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號與噪聲，往往給測量信號賦予一定特征，這就是調(diào)制解調(diào)的主要功用。 在信號調(diào)制中常以一個高頻正弦信號作為載波信號，可以對正弦信號幅值、頻率、相位三個參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相。精思國計(jì)，細(xì)量民生33第二節(jié) 計(jì)量器具的組成二、 計(jì)量器具的中間轉(zhuǎn)換部分 （四）A/D和D/A轉(zhuǎn)換器 在現(xiàn)代計(jì)量儀器中，是以計(jì)算機(jī)為核心的控制、顯示、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，必須將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)

17、換成數(shù)字信號，為此要使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱A/D 轉(zhuǎn)換器或ADC）。 同A/D相反，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后的信號常需要反饋給模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)如執(zhí)行電機(jī)等，因此還需要數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC）。精思國計(jì)，細(xì)量民生34第二節(jié) 計(jì)量器具的組成三、 計(jì)量器具的輸出部分 輸出部分可分為指示器和記錄器兩種形式。 指示器的顯示可以是模擬的或數(shù)字的，既可以對單個量值進(jìn)行顯示，也可以對多個量值進(jìn)行顯示。 記錄器是計(jì)量器具輸出部分中記錄被測量的量值或相關(guān)值的一套組件。 精思國計(jì)，細(xì)量民生35第二節(jié) 計(jì)量器具的組成三、 計(jì)量器具的輸出部分 最后，讓我們熟悉一些計(jì)量器具。 三坐標(biāo)測量機(jī)、原子力顯微鏡、紅外傅立葉光譜

18、分析儀、氣相色譜分析儀、材料導(dǎo)熱系數(shù)分析儀、風(fēng)動實(shí)驗(yàn)裝置。 精思國計(jì)，細(xì)量民生36三坐標(biāo)測量機(jī)可用于CAD、CAM、CIM及IE等領(lǐng)域研究，做機(jī)械零部件幾何尺寸測量，做復(fù)雜零件的逆向工程建模等。第二節(jié) 計(jì)量器具的組成Global Classic 三坐標(biāo)測量機(jī)精思國計(jì)，細(xì)量民生37 Q-Scope250 原子力顯微鏡原子力顯微鏡可以做超精細(xì)加工零件表面輪廓測量，納米材料（含半導(dǎo)體材料、氣體、化學(xué)、化工材料）、生物樣品等微表面分析測試。第二節(jié) 計(jì)量器具的組成精思國計(jì)，細(xì)量民生38紅外傅立葉光譜分析儀 （美國NICOLET公司）主要用于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)化合物的定性定量及結(jié)構(gòu)分析，可廣泛應(yīng)用于有機(jī)化合物分析、藥物分析、環(huán)境科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等各研究領(lǐng)域。第二節(jié) 計(jì)量器具的組成精思國計(jì)，細(xì)量民生39安捷倫氣相色譜分析儀主要功能是有機(jī)揮發(fā)物的定量分析混合