1 定义
与绝对阈限类似，差别阈限也并不代表人对某种刺激有一个固定的“能分辨”或“不能分辨”的物理分界线。人对刺激差异的感知同样服从概率分布。因此，差别阈限的经典操作定义也按照正确分辨次数的统计量来估计。具体地，给参试者呈现两个刺激，一个强度固定不变、作为参照，叫做标准刺激（standard stimulus），另一个强度围绕标准刺激变化，叫做比较刺激（comparison stimulus），参试者每次需要对比两个刺激，指出哪个更大（或者有无差别）。差别阈限是在多次重复比较中，有50%的次数能正确分辨出“它们不一样”时的物理刺激差值，也称最小可觉差（just noticeable difference, JND）。
差别阈限有一个神奇的规律：当两个刺激都很大时，差别阈限所需的刺激差值更大。例如对比两个物体的重量，我们可以明显对比出装了电脑的帆布包和空的帆布包；而对于一个30寸塞满行李的行李箱，我们很难察觉到增加或拿出一个电脑的变化。这一现象就是韦伯定律（Weber’s law），即差别阈限（ΔI）与标准刺激（I）的强度成正比，，k为Weber常数。Weber常数越小，代表对刺激变化的敏感度越高。
不过，韦伯定律停留在对物理刺激本身的量化，并没有直接将人的主观感受量化。Fechner进一步考虑量化人主观感受到的刺激强度（S），回答物理世界和主观感受之间，到底是什么数量关系？Fechner有一个核心假定条件，即每一个JND在主观感受上是等距的，即每个JND（ΔI）对应等量的主观增量ΔS（即ΔS为常数)。另一方面，韦伯定律告诉我们，ΔI / I也为常数。综合起来看，ΔS与ΔI / I成正比，即
其中，C为常数。接着，我们从绝对阈限作为起点（此时S=0），当刺激强度从绝对阈限增加到某个水平I时，总共累积了多少主观感觉单位？这就可以对上面的等式两边求积分，
得到
这就是费希纳定律（Fechner’s law）。
2 测量方法
差别阈限的测量方法与操作要点和绝对阈限类似（例如极限法、恒定刺激法、调整法、自适应阶梯法等）。不过差别阈限特殊的地方在于，实验里必须同时或先后呈现两个刺激（固定不变的标准刺激，和变化的比较刺激），让被试对比判断是否一样，或者判断哪个更大。由此带来一个新问题：两个刺激存在顺序效应。如果总是先呈现标准刺激再呈现比较刺激，被试可能因为预期而产生偏差；反之亦然。所以，标准刺激和比较刺激的呈现顺序必须随机化或抵消平衡，以消除这种顺序误差。
呈现两个刺激之后，可以要求参试者判断两者是否相同。实验后，可以以比较刺激的物理值为横轴、回答“相同”的比例为纵轴，通常会得到一条钟形曲线：当比较刺激接近标准刺激时，参试者更容易认为两者相同，因此曲线达到最高点。曲线中心对应的刺激值称为主观相等点（point of subjective equality, PSE），即参试者主观上认为与标准刺激相等的物理值。若PSE与标准刺激的真实物理值不一致，则说明存在系统性知觉偏差。
更常见的做法是采用两间隔迫选法（two-interval forced choice, 2IFC）。在该方法中，标准刺激和比较刺激分别呈现在两个时间间隔中，参试者判断哪个时间间隔中的刺激更大。实验后，再以比较刺激的物理值为横轴、回答“比较刺激更大”的比例为纵轴，通常会得到一条S形函数。当比较刺激远小于标准刺激时，该比例接近0%；远大于标准刺激时接近100%；在PSE处为50%，而75%与25%对应的两个刺激值之间的距离反映辨别能力。通常将两者之差的一半定义为差别阈限。
3 操作要点与应用启示
- 韦伯定律仅在中等刺激强度范围内保持恒定。刺激太弱（接近绝对阈限）或太强（接近感觉天花板）时偏离明显。
- 如果两个设计方案之间的物理差异低于目标用户的JND，那么再精巧的变更也没用，因为用户不会感知到变更。