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[size=4][B][color=#DC143C]如何选配测量仪器[/color][/B][/size][center]重庆市计量测试学会主任 周兆丰[/center] 各单位在科研、生产、试验投入和提供用户服务前,依据需要对购入测量仪器进行策划和采购。目前,大多数单位购置测量仪器都严格遵守标准测量器具和被测量器具准确度比列关系(即三分之一原则),但在科研、生产和试验检测中使用的测量仪器大多数未进行测量、技术和经济特性评定,特别是有的单位仅仅满足测量仪器有无的问题,至于测量仪器是否满足预期使用要求,(如准确度、稳定性、量程和分辨力等)进行确认。因此,掌握测量仪器的选配原则、相关要求及评定方法是很有必要的,对确保测量质量、降低成本和提高效率都有好处。[B]一、测量仪器的选配原则[/B]选配时应坚持与本单位科研、生产、试验和经营相适应的原则,即要考虑仪器的先进性又不盲目追求高技术指标,还要注意经济实用,以达到“满足预期使用要求的目的”。选配决策时,应综合考虑企业、事业单位的规模、产品类型或服务对象、技术指标、工艺流程等特点。其具体原则是: 1.实用原则。坚持按被测对象的实际需要选配测量仪器,如:产品的结构、批量、技术性能参数;生产工艺过程中需要测量和监督的有关参数;化学分析中需要检测、控制和调节的参数;进料、出库、投入以及经销方面测量需要;能源计量、安全与环境监测的需要;建立计量标准开展量值传递的需要等进行配备。 2.选配测量仪器应从测量、技术、经济特性综合考虑。 (1) 测量特性 明确测量仪器的计量特性以及为确保计量特性的必要条件是: 1﹥测量仪器应具有预期使用要求的测量特性,包括准确度、稳定性、测量范围、分辨力和灵敏度等,保证测量结果可靠是首要条件。 2﹥测量仪器应能实现量值传递和量值溯源要求。测量仪器的检定或校准能符合现行有效检定规程或校准技术规范的要求。 3﹥接受检定或校准方法和对测量对象进行测量的方法要科学、合理、可行、简便。 4﹥具有合理的检定周期(或确认间隔)。 5﹥能对测量结果进行评价。
选择一个好的影像测量仪重要的两点就是实用和实惠,这两点是大多数选择仪器的基本原则。 1、“实用”的说法就是要合乎情理家上所用性,也就是说要满足工厂产品的测量与合格要求。作为一个精密测量仪器来讲,有三个基本要素:工作行程、精度标准和仪器功能。 ①.影像测量仪的工作行程必须按照工厂所需测量的产品的大小来严格确定影像测量仪的工作行程大小,测量仪的工作行程相比所测产品的大小如果过小,则工件测量不了,如果太大则是一种浪费资源。 ②.影像测量仪的精度标准是必须的,就是要参照工厂所需测量的产品的精度来选购(每个生产测量仪厂家的产品出厂标准与装配标准乃至仪器实物的精度都会不一样),如果工厂产品的测量精度要求不高时,选择一般的厂家的测量仪就可以了,如果所测产品的精度要求较高,就需选购精度高的厂家生产的仪器。 ③.影像测量仪的的功能,是指测量仪的使用的便利性,测量软件的易学易用性和影像测量仪的稳定性,如果工厂测量的产品量比较大,则最好选择全自动影像测量仪以保证测量效率。 “实惠”的概念就是测量仪的性价比,必须从影像测量仪的配置,精度,稳定性,价格,售后服务或是维护的便利性来综合考虑。太价廉的测量仪,可能精度较差,稳定性差,售后无保障,使用寿命短;进口的测量仪器,可能性能比较稳定,使用寿命长,但是影像测量仪升级麻烦,出了故障维修费用较高,维修配件也不容易找到。 总之,在选购影像测量仪时,只要拥有“实用”与“实惠”的基本条件,只买对的,不买贵的,只买对的。
材料综合物性综合测量系统(PPMS)原理及应用 美国Quantum Design 公司的产品PPMS( Physics Property Measurement System) 是在低温和强磁场的背景下测量材料的直流磁化强度和交流磁化率、直流电阻、交流输运性质、比热和热传导、扭矩磁化率等综合测量系统。北京科技大学材料学院与美国Quantum Design 公司在北京科技大学材料学院实验中心联合成立了PPMS材料综合物性测量研究实验室,安装了PPMS-9综合物性测量系统、HH-15振动样品磁强计、材料磁电阻效应、霍尔效应及磁致伸缩效应测量仪等仪器,现已全面对学生教学和科研测试开放。 一、实验目的 1、了解PPMS-9综合物性测量系统的结构、组成、测量原理及应用范围; 2、熟悉PPMS-9仪器开关机步骤及更换样品、测量附件的方法; 3、熟悉PPMS-9仪器软件控制程序及参数设置方法; 二、PPMS仪器测量原理和方法 PPMS是Quantum Design 公司在成功推出MPMS1之后,于20 世纪90 年代中期推出的又一款产品。一个完整的PPMS 系统也是由一个基系统和各种选件两个部分构成,根据内部集成的超导磁体的大小基系统分为7 特斯拉、9 特斯拉、14 特斯拉和16 特斯拉系统。但与MPMS 专注于磁测量不同,PPMS 在基系统搭建的温度和磁场平台上,利用各种选件进行磁测量、电输运测量、热学参数测量和热电输运测量。基系统主要包括软件操作系统,温控系统,磁场控制系统,样品操作系统和气体控制系统。下面结合各种选件对PPMS 的测量原理和方法加以说明。 1. 交直流磁化率选件 该选件是研究各种材料在低温下磁行为的主要设备之一,包括探杆、样品杆、伺服电机、电子控制部分、精密电源和软件部分(集成于系统软件) 。可以在同一程序中对一个样品先后进行交流磁化率和直流磁化强度的测量而不需要对样品进行任何调。样品杆处于探杆的中间,样品置于样品杆的一端,样品杆的另一端连接在伺服电机上。探杆之外由内到外依次由校正线圈组(用于消除仪器电子装置自身带来的信号增益和漂移) 、抗磁温度计、样品磁矩探测线圈、AC 驱动线圈(用于提供交流磁场) 以及AC 驱动补偿线圈(用于把交流磁场限制在线圈内部、防止它和外部的测量装置相互作用) 组成。 AC 磁化率测量原理 交流激发信号被输入到交流驱动线圈中,伺服电机驱动样品依次到两个绕向相反的探测线圈的中心,同时,与时间相关的样品信号被收集。把测得的样品在两个探测线圈中心的信号相减以消除驱动线圈和探测线圈间的随机相互作。通过对多次测量的采样和平均,可以减少测量过程中的信号噪音。与一般交流磁化率测量仪器相比,PPMS上AC磁化率测量装置有两个特点值得指明:首先它没有采用传统的单相锁相技术来处理信号,而是采用高速数字信号处理器(DSP),这样它不仅提高信噪比、加快测量速度,而且还不再需要在实部信号和虚部信号之间进行转换。其次,对于如何消除仪器电子设备自身给测量数据带来的增益或漂移的技术问题,PPMS上AC 磁化率测量装置使用校正线圈。在每次测量之前把校正线圈接入到探测线圈线路中,进行正向和反向的测量,比较探测信号与初始激发信号的差别,进而修正仪器本身电子设备引起的相漂移。同样道理,校正线圈还可以精确的校正实际所加交流磁场强度的幅值,提高B - H 测量精度。正因为如此,PPMS上AC 磁化率测量装置在允许的工作频段内(10Hz~10kHz) 的测量精度可以达到与SQUID 相媲美的程度。DC磁矩测量:采用提拉法,样品速度可达1m/ s。 该选件的技术指标如下: AC 磁化率灵敏度:2 x 10-8emu @10 kHz DC 磁矩测量灵敏度:2.5 x 10-5emu AC 驱动频率:10 Hz~10 kHz AC 驱动磁场幅值:0.002~ 15 Oe DC 提拉速度:100 cm/ s 样品尺寸: 直径7.5 mm 2. 比热测量选件 该选件是结合了绝热法和弛豫法,利用双τ模型精确的计算样品的比热。在测量过程中,系统处于高真空状态,样品的顶部有遮热屏。整个样品平台温度非常相近。这样,严格限制热量通过对流和辐射散失。与实时数据采集系统相结合,从而实现对热流密度和温度、时间的精确监控。该选件配有两个专用温度计和一个加热器件,实现精确控温。这样,通过实验曲线和数学模型相结合,就可以得到样品的比热。另外,软件会假设样品和样品托传热不理想,这样引进两者之间的导热系数,用另外一套模型进行拟合,最后,在二者中选择拟合结果更加合理的一个。 该选件有以下几个优点:方便的将样品安装到高真空系统中,不需要插入探测器; 特殊的仪器设计使得那些对于比热测量不熟悉的人也能很容易进行操作;完备的数据采集电子器件和分析软件;自动的微观量热学驰豫技术;自动校准程序和内置的背景比热消除功能;在每一个测量点对德拜温度的进行校正和记录。 该选件的技术指标如下: 温度范围:1.9~400 K (配相关选件将达 300 K 塞贝克系数: S = ΔV/ΔT 测量范围: μV/ K - V/ K 误差大小: ±5 % 或±0.5μV 热电品质因数: ZT = S2T/ (ρκ) 复合误差: ±15 % —基本上依赖于S 数据获取速度:(连续数据采集) 一般±0.5 K/ min,从390~119 K的测量需要 13 个小时 5. 扭矩磁强计选件 该选件是QD 公司与IBM公司共同开发,专为测量小尺寸的各向异性样品而设计,提供全自动测量与角度有关的磁矩的途径。该选件采用压电转换技术来测量扭矩,将惠斯通电桥集成在扭矩测量芯片中从而达到电路高度平衡和稳定性。芯片上集成了校准电流线圈从根本上消除了地球引力作用的影响。 该选件的技术指标如下: 均方根扭矩噪音: 1 ×10-9Nm for 40 s 采样 均方根磁矩灵敏度:1 ×10 - 7emu @9T fo