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公司新聞

測量儀器的特性
測量系統(tǒng)的靈敏度
 
    測量系統(tǒng)的靈敏度(以下簡稱靈敏度)，是測量系統(tǒng)示值變化除以相應(yīng)的被測量值變化所得的商。對被評定測量系統(tǒng)，在規(guī)定的某激勵值上通過改變一個小的激勵變化Δx，得到相應(yīng)的示值變化Δy，則比值S=Δy/Δx，即為測量儀器在該激勵值時的靈敏度。例如將熱電偶插入20℃的控溫箱，當(dāng)溫度改變ΔT時，記下數(shù)字電壓表上讀得的輸出電壓的變化量ΔV，則熱電偶在20℃時的靈敏度為ΔV/ΔT。
    有些測量系統(tǒng)也用激勵變化Δx除以相應(yīng)示值變化Δy作為靈敏度。
    靈敏度可能與被測量的量值有關(guān)。對線性測量系統(tǒng)來說，其比值S=Δy/Δx為常數(shù)。
    靈敏度計算所考慮的被測量值的變化必須大于測量系統(tǒng)的分辨力，當(dāng)變化小于測量系統(tǒng)的分辨力時，可能觀測不到測量系統(tǒng)示值變化。
    當(dāng)激勵與示值為同種量時，靈敏度也稱為放大比或放大倍數(shù)。有時儀器的靈敏度是隨激勵值變化的。例如，用電動儀表測量電功率時靈敏度是常數(shù)，但用以測量電流或電壓時靈敏度隨激勵值變化。有時表述靈敏度時要說明對什么量而言。例如檢流計，要說明電壓靈敏度還是電流靈敏度。
    需注意的是不要將靈敏度與靈敏系數(shù)混淆，后者為不確定度傳播率中的偏導(dǎo)數(shù)。
    不同的測量儀器，靈敏度指標(biāo)的高低有不同的要求和結(jié)果，通常靈敏度越高越好。如示波器的靈敏度代表每格所顯示的信號幅度值，靈敏度高，說明較小信號即可在示波器上顯示一定的高度，清晰可辨。如:用2mV/div的高靈敏示波器測量10mV的信號，屏幕能顯示5個格，讀取數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確，也就是估計誤差較??；同樣的信號，用10mV/div的示波器測量，則只能顯示1個格，估讀誤差增大，讀取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較差。為了能夠清晰顯示不同大小的信號，除了要求示波器靈敏度要足夠高，還需要具備不同靈敏度擋，以滿足不同信號的要求。但高靈敏度的要求滿足以后，同時也帶來許多其他影響。如頻率計的輸入靈敏度為100mV，若進(jìn)一步提高為50mV或20mV，噪聲及雜波的影響都將進(jìn)入信號中，因此不同的測量儀器其靈敏度的提高是有一定限度的，并非無止境地越高越好。    
 
熱電偶溫度響應(yīng)特性
    在規(guī)定條件下，對測量儀器測量范圍中不同測量點輸入信號，并測量輸出信號，當(dāng)輸入信號和輸出信號不隨時間變化時，對被評定測量儀器記下對應(yīng)于不同激勵輸入時的輸出值，列成表格，畫出曲線或得出輸入輸出量的函數(shù)關(guān)系式，即為測量儀器靜態(tài)測量情況下的響應(yīng)特性。
    例如，將熱電偶的測溫端插入可控溫度的溫箱中，并將熱電偶的輸出端接到數(shù)字電壓表上，改變溫箱的溫度，觀測相應(yīng)于不同溫度時熱電偶輸出電壓的變化，輸出電壓隨溫度變化的曲線即為該熱電偶的溫度響應(yīng)特性。
    將熱電偶的測溫端插入可控溫度的溫箱中，并將熱電偶的輸出端接到數(shù)字電壓表上。改變溫箱溫度，觀測不同溫度時熱電偶輸出電壓的變化，畫出電壓隨溫度變化的曲線即熱電偶的溫度響應(yīng)特性。
    在動態(tài)測量中，考察測量儀器的激勵(或輸入)和響應(yīng)(或輸出)均是時間的函數(shù)，這時儀器的響應(yīng)特性也是時間的函數(shù)，稱動態(tài)響應(yīng)特性。
    動態(tài)響應(yīng)特性使用傳遞函數(shù)表示:當(dāng)輸入信號和輸出信號按時間的函數(shù)變化時，由響應(yīng)的拉普拉斯變換除以激勵的拉普拉斯變換，得出傳遞函數(shù)，稱為測量儀器動態(tài)測量情況下的響應(yīng)特性。
    在實際應(yīng)用中，要注意區(qū)分測量儀器響應(yīng)特性和靈敏度以及兩者的關(guān)系。響應(yīng)特性代表輸入輸出量的函數(shù)關(guān)系，靈敏度則是測量儀器激勵變化與響應(yīng)變化之比，在靜態(tài)響應(yīng)中，靈敏度對應(yīng)響應(yīng)特性函數(shù)的導(dǎo)數(shù)。    
 
十三、鑒別閾、分辨力、死區(qū)
 
    測量儀器特性中的鑒別閾、分辨力、顯示裝置的分辨力、死區(qū)、檢出限概念是比較容易混淆的。
    鑒別閾是引起相應(yīng)示值不可檢測到變化的被測量值的*大變化。對被評定測量儀器，在一定的激勵輸入和輸出響應(yīng)下，通過單方向地逐步改變激勵輸入，觀察測量儀器的輸出響應(yīng)，在測量儀器輸出響應(yīng)產(chǎn)生未察覺的響應(yīng)變化的*大激勵變化，就是測量儀器的鑒別閾。
    鑒別閾可能與諸如(內(nèi)部或外部的)噪聲或摩擦有關(guān)，例如檢定活塞壓力計時，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)壓力計和被檢活塞壓力計在上限壓力下平衡后，在被檢活塞壓力計上加放不至于破壞兩活塞平衡的砝碼，其質(zhì)量*大值即為該被檢活塞壓力計鑒別力閾(實際檢定中以使活塞壓力計平衡狀態(tài)破壞的*小質(zhì)量值代替)。活塞壓力計鑒別力是活塞和活塞筒之間的摩擦力的反映。使用活塞壓力計時活塞轉(zhuǎn)動就是為了減少活塞和活塞筒之間的摩擦力。鑒別閾可能與被測量的值有關(guān)，就是說在測量儀器測量區(qū)間的不同測量點，鑒別閾可以是不同的。
    鑒別閾也可能與被測量如何施加有關(guān)，通常采用緩慢單方向逐步改變激勵輸入，觀察其輸出響應(yīng)。
    相對于鑒別閾，分辨力是引起相應(yīng)示值產(chǎn)生可覺察的變化的被測量的*小變化。鑒別閾定義的是測量儀器示值不可檢測到變化的被測量值的*大變化，而實際工作中，評定鑒別通常是通過觀測測量儀器示值產(chǎn)生可檢測到變化時被測量小變化而得到，如活塞壓力計平衡狀態(tài)破壞的*小質(zhì)量值、衡器鑒別力(衡器對載荷微小變化的反應(yīng)能力)。對給衡器定載荷的鑒別力閾，就是附加載荷的*小值，當(dāng)將此附加載荷輕取或輕放到承載器上時，即能使示值發(fā)生一個可覺察的變化，這實際上已經(jīng)是分辨力。從定義上，兩者是有區(qū)別的。但當(dāng)激勵變化是緩慢地且是單一方向地進(jìn)行時，兩者的結(jié)果可能趨于一致。同樣的，分辨力可能與諸如噪聲(內(nèi)部或外部的)或摩擦有關(guān)，也可能與被測量的值有關(guān)。
    顯示裝置的分辨力是能有效辨別的顯示示值間的*小差值。對測量儀器分辨力的評定，可以通過測量儀器的顯示裝置或讀數(shù)裝置能有效辨別的*小示值差來評定。對于數(shù)字式顯示裝置，就是當(dāng)變化一個末位有效數(shù)字時其示值的變化。例如，數(shù)字電壓表*低位數(shù)字顯示變化一個字的示值差為1μV，則分辨力為1μV。用標(biāo)尺作為讀數(shù)裝置(包括帶有光學(xué)機(jī)構(gòu)的讀數(shù)裝置)的測量儀器的分辨力，為標(biāo)尺上任何兩個相鄰標(biāo)記之間即*小分度值的1/2～1/10，具體為多少分之一，取決于標(biāo)尺間距、指針寬度等因素。例如分度值為0.02mm的帶標(biāo)卡尺，可取其分辨力為0.01mm，對于度盤較大的材料試驗機(jī)，分辨力可取分度值的1/10。數(shù)字顯示測量儀器的分辨力，為*末位數(shù)字顯示變化一個步進(jìn)量時的示值差。雖然通常為*末位變化一個數(shù)字，但有的儀器*末位
    數(shù)字顯示變化一個步進(jìn)量時可以是多個數(shù)字變化。比如4位半數(shù)字電壓表的分辨力為*末位5個數(shù)字。分辨力通常為*末位的1個數(shù)字、2個數(shù)字、5個數(shù)字，但不局限于這3種。同一量程也可能出現(xiàn)不同分辨力。
    注意，不要把顯示裝置的分辨力和測量儀器分辨力等同起來。前者由測量儀器顯示裝置決定，后者由測量儀器的整體結(jié)構(gòu)決定。所以后者總是大于或等于前者；分辨力取決于顯示裝置時，兩者可以是相同的。分辨力和測量儀器鑒別力評定方式類似，對于數(shù)字式衡器，在*小秤量、50%秤量和*大秤量進(jìn)行分辨力試驗。相對于在衡器承載器上加放某一定量的砝碼和10個0.1d的小砝碼(d表示儀器分辨力)，然后依次取下小砝碼，直到示值I確實減少了一個實際分度值即I-d；加上0.1d后，再加上1.4d的砝碼，則秤的示值必須為I+d。通常要求數(shù)字顯示儀器的閃變點出現(xiàn)在0.5d位置。比如對于數(shù)字指示秤，具體試驗:在衡器的零點，將0.5d的小砝碼放于秤的承載器上，調(diào)整秤直至出現(xiàn)示值在零與零上一個分辨力之間閃變，取下小砝碼，即獲得零位的中心。
    測量儀器死區(qū)是當(dāng)被測量值雙向變化時，相應(yīng)示值不產(chǎn)生可檢測到的變化的*大區(qū)間。相對于鑒別閾和分辨力，死區(qū)對應(yīng)的是雙向變化，并且和鑒別閾類似，對應(yīng)示值不可檢測變化的測量值*大變化，而不是和分辨力一樣的引起相應(yīng)示值產(chǎn)生可覺察到變化的測量值*小變化。以前面檢定活塞壓力計為例，如果把鑒別閾指標(biāo)改為死區(qū)，則死區(qū)是當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)壓力計和被檢活塞壓力計在上限壓力下平衡后，在被檢活塞壓力計上分別加、減放不至于破壞兩活塞平衡的*大砝碼，兩個砝碼質(zhì)量之和為該活塞壓力計的死區(qū)。顯然，死區(qū)大于等于鑒別閾，特定情況下，死區(qū)的大小是鑒別閾的兩倍。同樣的，死區(qū)可能與變化速率有關(guān)。
    一般來說，鑒別閾、分辨力、顯示裝置的分辨力、死區(qū)這些特性指標(biāo)越小，測量儀器性能就越好，但還要綜合考慮測量儀器的準(zhǔn)確度、測量的重復(fù)性以及環(huán)境條件的影響。鑒別閾這些特性指標(biāo)大些，有利于防止激勵的微小變化和干擾引起示值變化； 這些特性指標(biāo)大了，可能使測量儀器的準(zhǔn)確度降低。
 
十四、檢出限
 
    檢出限是化學(xué)分析儀器特有且重要的計量特性，檢出限是由給定測量程序獲得的測量值，其聲稱的物質(zhì)成分不存在的誤判概率為β，聲稱物質(zhì)成分存在的誤判概率為α。國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)推薦α和β的默認(rèn)值為0.05。
    檢測限可理解為檢測下限，即測量儀器由某一分析方法在給定的可靠程度內(nèi)可以從樣品中檢測待測物質(zhì)的*小濃度或*小量。
    通常用外推法可求得方法的檢測下限，其方法如下:在標(biāo)準(zhǔn)溶液低濃度范圍內(nèi)，選擇3個濃度，每一個濃度水平上分別重復(fù)??定，求出每個濃度水平的標(biāo)準(zhǔn)偏差s1、s2、s3。用線性回歸法作出回歸線，然后把回歸線延長，外推至與縱坐標(biāo)相交，求得s0，定義為方法的檢測下限。其中，s0為濃度為零時的空白樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差，MDL=。
    IUPAC規(guī)定的檢出限L=/S，其中sb為空白多次測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差；S為測定方法的靈敏度；k為根據(jù)一定置信水平確定的系數(shù)。    
 
十五、選擇性
 
    測量系統(tǒng)的選擇性，簡稱選擇性，是指測量系統(tǒng)按規(guī)定的測量程序使用并提供一個或多個被測量的測得值時，使每個被測量的值與其他被測量或所研究的現(xiàn)象、物體或物質(zhì)中的其他量無關(guān)的特性。
    在物理學(xué)計量中，選擇性是指只有一個被測量，其他量是被測量的同類量，并且它們是測量系統(tǒng)的輸入量。如無線電計量中，測量系統(tǒng)測量給定頻率下某信號分量的功率，不會受到諸多其他信號分量或其他頻率信號干擾的能力；選擇性表征測量裝置將所需頻率的信號與其他頻率信號相區(qū)別的能力，對接收機(jī)而言選擇性是表征接收機(jī)將所需信號從許多不同頻率的信號中挑選出來的能力。
    在化學(xué)計量中，測量系統(tǒng)中測量的量通常包含不同成分，并且這些量不必屬于同類量。例如，測量系統(tǒng)用某種程序測量血漿中肌氨酸尿的物質(zhì)的量濃度時，不受葡萄糖、尿酸鹽、酮和蛋白質(zhì)影響的能力；質(zhì)譜儀測量地質(zhì)礦中物質(zhì)的量28Si同位素和30Si同位素的物質(zhì)的量時，不受兩者間的影響或來自29Si 同位素影響的能力。