量塊長度穩(wěn)定度檢定方法分析

武騰騰 徐 堃

（1、江西省檢驗檢測認(rèn)證總院東華計量測試研究院，江西 南昌 330000 2、江鈴汽車集團有限公司，江西 南昌 330000）

量塊是使用相對廣泛的常見實物量具。檢定項目中經(jīng)常使用量塊作為計量標(biāo)準(zhǔn)器，促進量規(guī)、量器校準(zhǔn)示值誤差，在生產(chǎn)制造業(yè)中測量零件尺寸，保證零件符合計量基準(zhǔn)。在精密劃線或者校準(zhǔn)精密儀器時，常見量塊應(yīng)用。

1 量塊的特點

量塊制造結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，同時具有穩(wěn)定的尺寸，應(yīng)用難度較低，使用量塊進行計量操作可行性強。通過該實物載體應(yīng)用，可依據(jù)應(yīng)用規(guī)范在實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)中逐級落實最高級計量基準(zhǔn)，從而統(tǒng)一量值。在長度領(lǐng)域中量塊就有標(biāo)定量儀的應(yīng)用價值，檢定示值誤差。使用量塊對照測量物體，分析測量器具、被測物體規(guī)格數(shù)據(jù)以及量塊差值，可進行精密測量或校準(zhǔn)精密測量儀器[1]。量塊構(gòu)造如圖1。

圖1 量塊構(gòu)造

2 檢定長度穩(wěn)定度的必要性

2.1 量塊的作用

量塊屬于長度計量專業(yè)范疇，應(yīng)用范圍較廣，具有實物量具的特性。長度計量經(jīng)常使用量塊作為實物量具，檢定項目計量標(biāo)準(zhǔn)器也經(jīng)常選用量塊。使用量塊，可對量規(guī)、量具進行檢定校準(zhǔn)，縮小誤差。在工業(yè)生產(chǎn)中，對機械零部件有嚴(yán)格要求，規(guī)范的尺寸是保證流水線生產(chǎn)順利進行和最終產(chǎn)品質(zhì)控的基礎(chǔ)，通過量塊使用，可促進長度標(biāo)準(zhǔn)。量塊是長度專業(yè)不可或缺的計量標(biāo)準(zhǔn)器。

2.2 量塊檢定要求

量塊測量結(jié)果并非長久有效，而是具有時間限制，在考核測量結(jié)果時，必須分析長度穩(wěn)定度。通過控制長度穩(wěn)定度，評價其量值可靠性和長度漂移程度。所謂量塊的穩(wěn)定度，即量塊等測量儀器應(yīng)長時間維持恒定狀態(tài)。在生產(chǎn)制造量塊時，其中一個環(huán)節(jié)是熱處理環(huán)節(jié)，在熱處理影響下，材料發(fā)生形狀變化，長度可能拉伸或縮短。因此，影響長度穩(wěn)定度的主要環(huán)節(jié)之一是生產(chǎn)環(huán)節(jié)。檢定操作中，存在諸多消極因素，導(dǎo)致測量不確定度提升[2]。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，新購買量塊、使用或檢定頻率較低量塊長度穩(wěn)定度存在不確定性，影響量塊級別確定。檢定量塊是科學(xué)控制其長度穩(wěn)定度的重要手段。

2.3 長度穩(wěn)定性影響因素

長度穩(wěn)定度是指在量塊使用中，量塊維持穩(wěn)定的長度計量特性。量塊制造完成后，即使處于非使用狀態(tài)，存放的量塊也會在時間延長中受到環(huán)境影響發(fā)生不穩(wěn)定情況，即計量應(yīng)用中發(fā)生失準(zhǔn)問題。長度穩(wěn)定度特性受到量塊自身條件影響，例如所用材質(zhì)具有的不同組織結(jié)構(gòu)，自身變化和環(huán)境影響變化后，可能發(fā)生量塊伸長或者出現(xiàn)收縮情況，也可能發(fā)生不同程度的變形，上述變化皆會引起量塊長度變化，其穩(wěn)定度高低對量塊使用時長度精準(zhǔn)度具有直接影響，為此必須加以重視。

3 量塊檢定的基本方法

查閱研讀量塊技術(shù)類文獻，可知量塊在使用年限中并非完全穩(wěn)定，但其長度變化必須在限定值之內(nèi)，此種限定值取決于量塊等級。即不同等級的量塊，對不確定度的容許限度也存在差異。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，5 等量塊設(shè)計中心長度是100mm，可容許的不確定度是1.0μm，允許變化量的最高限值是（100mm±0.15μm），即在測量中線長度時量塊長度應(yīng)為（100mm±±0.15μm），超出此限值即為不合格。基于此種要求，評價量塊長度穩(wěn)定度時應(yīng)行綜合分析。在實際檢定中，僅以檢定規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)是錯誤的檢定方法[3]。

根據(jù)檢定規(guī)程要求，量塊年長度變化量應(yīng)在規(guī)定允許值限度內(nèi)，且以該量塊未受環(huán)境溫度、外力沖擊或振動以及其他機械力影響的前提下。在計算量塊長度穩(wěn)定度時，通常是計算長度年變化量，獲取平均值，以此代表長度穩(wěn)定度。以L1描述接受檢定的量塊在考察過程中最后一次長度測定數(shù)據(jù)，L2表示考察過程中第一次檢測顯示的長度數(shù)據(jù)，該檢定過程以年為單位，以Y 描述考察期限（即年），以LA代表年變化量均數(shù)，則計算公式應(yīng)為：

以檢定規(guī)程中標(biāo)準(zhǔn)允許值對比，對被檢量塊的等級進行確定。經(jīng)比較，長度穩(wěn)定度在允許值范圍外，將被檢量塊降低等或級，與允許值差距過大時，須將量塊直接作廢，破案其不再具有計量使用價值。在此過程中應(yīng)注意，LA應(yīng)符合該測量中不確定度相關(guān)因素[4]。

常規(guī)檢定中，LA所要求的測量不確定度通常難以達(dá)成，因而在檢定實操過程中，通常考察期限需要適當(dāng)延長，并且對測量不確定度進行科學(xué)控制，雙重控制下促進精準(zhǔn)檢定。

在檢定時，量塊長度穩(wěn)定度與不同等級量塊在長度測量中不確定度所規(guī)定的允許值范圍見表1。其中LAM為最高允許值年變化量，Uln為不同等級量塊具有的不確定度允許值在計算時的應(yīng)用公式。

表1 允許值對照[μm，（±s）]

表1 允許值對照[μm，（±s）]

量塊等級LAM U等 級1 K 0.02+0.20×10??1?士(0.02+0.25×10??1?)0.05+0.50×10??1?3 1 0.10+1.00×10??1?士(0.05+0.50×10??1?) 0.20+2.00×10??1?5 3 士(0.05+1.00×10??1?) 0.50+5.00×10??1?

4 檢定精度控制

4.1 考察期限控制

在檢定中，適當(dāng)延長期限可促進有效檢定。在長度年化量均數(shù)即LA=（L2-L1）/Y，在檢定測量中，通常根據(jù)規(guī)程對照長度穩(wěn)定度，分析相關(guān)數(shù)據(jù)是否在允許值區(qū)間內(nèi)，適當(dāng)延長考察期。在此考察中，在可行性范圍內(nèi)Y 與穩(wěn)定度檢定效果正相關(guān)。

4.2 不確定度控制

測量量塊中心長度不確定度時，輸出量所顯示的標(biāo)準(zhǔn)不確定度等是核心構(gòu)成因素。誘發(fā)該不確定度的因素通常分為7 個方面。應(yīng)對7 個不確定度進行研究，然后對癥防控：（1）接受檢測的儀器使用中，存在示值顯示不穩(wěn)定或者讀數(shù)不準(zhǔn)確的問題，在此影響下，出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。（2）檢定過程中，讀數(shù)描述為d，d 導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)不確定度出現(xiàn)。（3）量塊中產(chǎn)生變動量，量塊實際中心和標(biāo)準(zhǔn)量塊的檢定點二者存在差異，即出現(xiàn)中心偏移，由此出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。（4）量塊變動量導(dǎo)致被檢量塊的實際檢定點和量塊中心點出現(xiàn)偏移，引起標(biāo)準(zhǔn)不確定度。（5）檢定過程中所用標(biāo)準(zhǔn)量塊、被檢量塊線膨脹系數(shù)存在差值，該差值以Δa描述，Δa 存在不確定度，進而導(dǎo)致量塊出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。（6）標(biāo)準(zhǔn)量塊、被檢量塊存在溫差，即Δt，Δt 溫差引起標(biāo)準(zhǔn)不確定度。（7）檢定操作中，濾光片中心波長存在測量不確定度，影響量塊檢定結(jié)果。

以上7 個分項是引起標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要因素。其中前4項的產(chǎn)生機制為頻繁重復(fù)測量導(dǎo)致測量列不具有單一性，對于此類問題，應(yīng)以A 類不確定度評定手段進行分析和控制。第5項、第6 項問題，結(jié)合檢定規(guī)程要求，分析檢定環(huán)境的約束條件，應(yīng)采用B 類評定方法分析不確定度。在最末項即第7 項中，其檢定過程中濾光片中心波長引起的測量不確定度導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1.2nm 時，屬于可忽略誤差。此外注意，檢定新購置量塊，或者量塊未經(jīng)過檢定，實施初檢時，此類檢定不具備延期考察的實施條件，檢定操作人員必須提升測量次數(shù)，并對檢定環(huán)境即實驗室環(huán)境進行精準(zhǔn)控制，保證環(huán)境溫度符合要求。通過上述控制方法，在輸入量維度縮小不確定度的分量。然而，輸出端出現(xiàn)不確定度，其根本原因是上一級別檢定量塊標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)不確定度。在此環(huán)節(jié)，應(yīng)將其視為定值。

初次檢定的量塊多為新購置量塊，也有部分量塊在購入初期因各種原因檢定延后。還有部分量塊是因為發(fā)生損壞，經(jīng)過修理，其長度可能發(fā)生變化，故而在修復(fù)后必須實施長度檢定。檢測中心位置長度10 次，取10 次數(shù)據(jù)的平均值，以該數(shù)據(jù)作為最終中心長度值。通常情況下，應(yīng)提供校準(zhǔn)證書。此類量塊無法產(chǎn)生長度穩(wěn)定度數(shù)據(jù)，二次檢定方法仍需重復(fù)初檢方法。

初次檢定、二次檢定經(jīng)檢測所得數(shù)據(jù)值，其差值未超過不確定度倍數(shù)時，針對此種情況不應(yīng)認(rèn)定該量塊具有較差的長度穩(wěn)定度。兩次檢定間距兩年進行，測定結(jié)果存在顯著差值，應(yīng)積極尋找差值影響因素。長度測量不確定度的確定過程具有較高難度，為此，在對其長度穩(wěn)定度進行全力控制時可采用適當(dāng)延長有效期的控制方法。

4.3 檢定過程控制要點

在檢定量塊時，應(yīng)明確長度穩(wěn)定度應(yīng)避免受到溫度異常影響，遠(yuǎn)離會對量塊產(chǎn)生沖擊或振動的因素，此外機械力作用和磁場影響也會影響檢定結(jié)果。在穩(wěn)定度考察階段，考察前提應(yīng)為杜絕外因影響，以此得到可靠性量塊長度數(shù)據(jù)。在考察周期中，如量塊經(jīng)過修理，然后才顯示為合格，則應(yīng)中斷之前考察周期，從修理后檢定量塊長度為考察期起始端，對測量結(jié)果穩(wěn)定度進行二次考察。

考察期限方面，考察期限單位是年。常規(guī)檢定項目可根據(jù)當(dāng)此檢定即時獲取檢定數(shù)據(jù)，但長度穩(wěn)定度檢定考察次數(shù)必須≥2 次，有時需要實施多次檢定。在兩次檢定或多次檢定中，分析隱含數(shù)據(jù)，方可了解長度穩(wěn)定度。當(dāng)設(shè)置3m 檢定周期時，應(yīng)進行5 個檢定周期的連續(xù)性檢定，觀察量塊長度在期間變化，最終才能得到1 次穩(wěn)定度結(jié)果。故而量塊中心長度應(yīng)在每次檢測后獲取最終數(shù)據(jù)，然后進行記錄，記錄應(yīng)完整全面，后續(xù)以該數(shù)據(jù)為依據(jù)，評價長度穩(wěn)定度。

處理檢定結(jié)果時，一套量塊應(yīng)根據(jù)規(guī)程進行規(guī)范化檢定，出具檢定證書。在該證書中，其長度穩(wěn)定度結(jié)論并非顯示整套量塊。在檢定中應(yīng)得到整套受檢量塊的穩(wěn)定度數(shù)據(jù)，獲取最終結(jié)果，而非單個量塊。在進行穩(wěn)定度年變化量均值記錄時，通常使用lA 描述。通過LA=（L2-L1）÷Y 計算，獲取初步數(shù)據(jù)，結(jié)合表1所述允許值，分析檢定可靠性。在進行該計算時，UA應(yīng)＞LAM。

綜上所述，在檢定量塊長度穩(wěn)定度時，應(yīng)明確量塊的特點，了解檢定的核心預(yù)期，以檢定目的為引導(dǎo)進行科學(xué)檢定。應(yīng)采用規(guī)范的檢定方法，并通過延長考察期限、控制不確定度等控制檢定結(jié)果可靠性。檢定過程中，檢定操作人員應(yīng)以檢定規(guī)程為依據(jù)，結(jié)合技術(shù)文件要求，標(biāo)準(zhǔn)檢定量塊。應(yīng)了解標(biāo)準(zhǔn)值誤差相關(guān)知識，進行科學(xué)應(yīng)用，深入了解不確定度，促進精準(zhǔn)實施檢定操作，促進檢定結(jié)果可靠性。