體積測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)方法

/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

物流活動(dòng)中通常按照尺寸、體積或質(zhì)量計(jì)算郵寄、貨運(yùn)和倉(cāng)儲(chǔ)等的資費(fèi)。體積測(cè)量?jī)x[1]正是這種通過(guò)測(cè)量物體的體積、質(zhì)量，來(lái)確定郵資、運(yùn)費(fèi)或倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)用以及運(yùn)輸?shù)陌踩挠?jì)量設(shè)備。由于沒(méi)有相應(yīng)的校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)，給體積測(cè)量?jī)x的使用、管理帶來(lái)極大的不便。因此，如何使其滿足量值溯源、計(jì)量管理的需求成為亟待解決的問(wèn)題。

體積測(cè)量?jī)x按控制方式可分為半自動(dòng)型和全自動(dòng)型兩種。半自動(dòng)型一般可靜態(tài)測(cè)量物體尺寸，被測(cè)物體按特定位置或規(guī)定方向擺放；全自動(dòng)型一般可將被測(cè)物體任意擺放，利用光電掃描傳感器，三維重建物體外形[2]，動(dòng)態(tài)測(cè)量規(guī)則與非規(guī)則物體尺寸。體積測(cè)量?jī)x按測(cè)量原理一般可分為超聲波反射式、光反射式[3]、遮光式等。如圖1所示。

1 標(biāo)準(zhǔn)器的選擇

體積測(cè)量?jī)x一般采用最小長(zhǎng)方體原則確定被測(cè)物體體積或尺寸（長(zhǎng)、寬、高）。因此需要根據(jù)物體的不同形狀和不同測(cè)量原理來(lái)選擇相應(yīng)的一組標(biāo)準(zhǔn)體積塊作為儀器示值誤差校準(zhǔn)的主要器具。

標(biāo)準(zhǔn)體積塊應(yīng)分規(guī)則和非規(guī)則兩種類(lèi)型[4]（如圖2所示）。規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊為長(zhǎng)方體，非規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊則可在長(zhǎng)方體上至少一個(gè)方向上切掉一塊，形成一個(gè)鈍角。標(biāo)準(zhǔn)體積塊的尺寸（長(zhǎng)、寬、高）公差應(yīng)不超過(guò)被測(cè)體積儀的最小分度值或分辨力。為確保最小、最大尺寸標(biāo)準(zhǔn)體積塊分別符合測(cè)量范圍下限、上限要求，最小標(biāo)準(zhǔn)體積塊的尺寸（長(zhǎng)、寬、高）應(yīng)為正公差且小于1/10分度值或分辨力，最大標(biāo)準(zhǔn)體積塊的尺寸（長(zhǎng)、寬、高）應(yīng)為負(fù)公差且也小于1/10分度值或分辨力。各面之間的相互垂直度應(yīng)不大于1/10的分度值或分辨力。

圖1 多維尺寸（體積）測(cè)量?jī)x示意圖

在材質(zhì)和表面特征的選擇上，選取黑色亞克力、灰色鋁合金、無(wú)色透明亞克力和木紋色板材四種不同顏色和不同材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)體積塊在梅特勒810型體積測(cè)量?jī)x上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)體積塊示例

表1 標(biāo)準(zhǔn)體積塊材質(zhì)與表面特征比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

因此，根據(jù)表2對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體積塊的材質(zhì)和表面特征（如顏色、光反射、光吸收等）的實(shí)驗(yàn)比對(duì)結(jié)果，從而確定應(yīng)采用表面無(wú)反射效應(yīng)的木質(zhì)、鋁合金材質(zhì)等膨脹系數(shù)相對(duì)較小且較輕便的材質(zhì)，以便于攜帶，并符合準(zhǔn)確度要求。

表2 標(biāo)準(zhǔn)體積塊的材質(zhì)限制

2 校準(zhǔn)方法和過(guò)程

2.1 尺寸示值誤差

1）采用規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊的測(cè)量方法

選擇合適材質(zhì)的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊，首先在長(zhǎng)度（L）方向上，根據(jù)該方向分辨力，在其測(cè)量范圍內(nèi)選擇均勻分布的5塊規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊（其中須包含測(cè)量范圍下限、不小于70%測(cè)量范圍上限各1塊）。每塊進(jìn)行3次測(cè)量，共進(jìn)行15次測(cè)量，計(jì)算該分辨力下每一次測(cè)量尺寸的示值誤差。

式中：Lij—— 第i塊第j次的測(cè)量值；

Lsi—— 第i塊標(biāo)準(zhǔn)值

當(dāng)長(zhǎng)度方向具有多個(gè)分辨力（d1、d2、…、dr）時(shí)，應(yīng)根據(jù)分辨力的不同，按上述方法得到不同分辨力下的尺寸示值誤差。

以相同的方法分別得到寬度（W）、高度（H）方向上的尺寸示值誤差ΔWij、ΔHij。

2）采用非規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊的測(cè)量方法（適用于可測(cè)量非規(guī)則物體的儀器）

選擇合適材質(zhì)的非規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊。測(cè)量時(shí)，在該方向分辨力的測(cè)量范圍內(nèi)選擇均勻分布的3塊非規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊，依據(jù)同樣方法得到非規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊在該分辨力下的尺寸示值誤差。當(dāng)該方向具有多個(gè)分辨力（d1、d2、…、dr）時(shí)，應(yīng)根據(jù)分辨力的不同，得到不同分辨力下非規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊的尺寸示值誤差。

由此分別得到長(zhǎng)度（L）、寬度（W）、高度（H）方向上非規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊的尺寸示值誤差。

2.2 不同位置測(cè)量結(jié)果的一致性

對(duì)于用于靜態(tài)測(cè)量的超聲波反射式多維尺寸（體積）測(cè)量?jī)x，由于物體必須放置在規(guī)定原點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)量，因此無(wú)需考慮其不同位置的測(cè)量結(jié)果是否一致。但對(duì)于可在任意位置放置物體的其他類(lèi)型的多維尺寸（體積）測(cè)量?jī)x，在校準(zhǔn)儀器時(shí)，應(yīng)考慮其不同位置測(cè)量結(jié)果的一致性。對(duì)于僅靜態(tài)測(cè)量的多維尺寸（體積）測(cè)量?jī)x，可以通過(guò)在測(cè)量范圍內(nèi)規(guī)定放置多個(gè)不同位置來(lái)得到測(cè)量結(jié)果的一致性；而對(duì)于具有動(dòng)態(tài)測(cè)量功能的多維尺寸（體積）測(cè)量?jī)x，由于不能控制其擺放位置，則通過(guò)多次任意放置不同位置來(lái)測(cè)得測(cè)量結(jié)果的一致性。

1）靜態(tài)測(cè)量

多維尺寸（體積）測(cè)量?jī)x具有靜態(tài)測(cè)量功能時(shí)，首先在長(zhǎng)度（L）方向上，根據(jù)該方向分辨力，選取一塊接近1/2測(cè)量范圍的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊按圖3放置，分別得到7個(gè)位置的測(cè)量結(jié)果，按式（2）計(jì)算得到長(zhǎng)度（L）方向不同位置測(cè)量結(jié)果的一致性：

式中：δL—— 該分辨力下沿長(zhǎng)度（L）方向上的不同位置測(cè)量結(jié)果的一致性；

Lmax—— 該分辨力下沿長(zhǎng)度（L）方向上的最大值；

Lmin—— 該分辨力下沿長(zhǎng)度（L）方向上的最小值

同理可得到沿寬度（W）方向上分辨力的不同位置測(cè)量結(jié)果的一致性δW。

在高度（H）方向上測(cè)量時(shí)，根據(jù)該方向分辨力，選取一塊高度接近1/2測(cè)量范圍的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊，在測(cè)量工作面上按圖3放置，分別得到7個(gè)位置的測(cè)量結(jié)果，按式（3）計(jì)算得到高度方向不同位置測(cè)量結(jié)果的一致性：

式中：δH—— 該分辨力下按測(cè)量工作面上不同位置放置時(shí)的測(cè)量結(jié)果的一致性；

Hmax—— 該分辨力下按測(cè)量工作面上不同位置放置時(shí)的最大值；

Hmin—— 該分辨力下按測(cè)量工作面上不同位置放置時(shí)的最小值

圖3 標(biāo)準(zhǔn)體積塊放置示意圖

2）動(dòng)態(tài)測(cè)量

多維尺寸（體積）測(cè)量?jī)x具有動(dòng)態(tài)測(cè)量功能時(shí)，選擇一塊長(zhǎng)、寬、高均接近1/2測(cè)量范圍的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊，按任意位置進(jìn)行放置，進(jìn)行7次測(cè)量，分別得到長(zhǎng)、寬、高的測(cè)量結(jié)果，并按式（2）（3）計(jì)算方法，得到相應(yīng)的δL、δW、δH。

3 校準(zhǔn)結(jié)果的比對(duì)實(shí)驗(yàn)分析

選用適合多維尺寸（體積）測(cè)量?jī)x測(cè)量范圍內(nèi)，尺寸均勻分布的5塊標(biāo)準(zhǔn)體積塊，分別放置在工作平臺(tái)的不同位置處進(jìn)行測(cè)量。如光反射式多維尺寸（體積）測(cè)量?jī)x的分度值為5 mm，測(cè)量范圍為50 ～1 000 mm，選取長(zhǎng)度方向上尺寸為875 mm的木質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體積塊進(jìn)行測(cè)量。

體積測(cè)量?jī)x的不確定因素主要來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)體積塊的溯源證書(shū)、溫度和膨脹系數(shù)引入的不確定度，以及測(cè)量?jī)x本身的分辨力和重復(fù)性的影響量[5]。根據(jù)分析可以得到U= 2.9 mm（k= 2）。

由于多維體積測(cè)量?jī)x的分度值和最大允許誤差絕對(duì)值相同的特殊性，不能按通用的比對(duì)方法進(jìn)行量值比對(duì)，因此，只能采用測(cè)量結(jié)果之差的絕對(duì)值不大于1個(gè)分度值（分辨力）的方式進(jìn)行驗(yàn)證。因此，選用長(zhǎng)、寬、高分別為 450 mm、300 mm、230 mm的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)體積塊在梅特勒810型體積測(cè)量?jī)x上進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，比對(duì)結(jié)果如表3所示。

表3 梅特勒810型比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，體積測(cè)量?jī)x在校準(zhǔn)過(guò)程中，根據(jù)測(cè)量原理應(yīng)選用表面無(wú)反射效應(yīng)、膨脹系數(shù)相對(duì)較小且較輕便的材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)器，并就動(dòng)態(tài)、靜態(tài)、規(guī)則和不規(guī)則測(cè)量方式對(duì)示值誤差和不同位置測(cè)量結(jié)果的一致性進(jìn)行了校準(zhǔn)，從而有效地保證了體積測(cè)量?jī)x量值溯源的準(zhǔn)確性，更好地滿足了各種物流、倉(cāng)儲(chǔ)貨物的計(jì)量要求，為保證貿(mào)易結(jié)算的公正和公平提供了有效的技術(shù)支撐。