專用研制設(shè)備校準(zhǔn)方法的分析

梁警飛

（廣東省陽江市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測所，廣東 陽江 529500）

0 引言

大部分專用研制設(shè)備是把多種具有不同功能的控制或者測試設(shè)備集成在一個(gè)設(shè)備中，該設(shè)備專門用于實(shí)現(xiàn)某些功能或多種程序的控制，設(shè)備應(yīng)用面一般比較窄。

專用設(shè)備和一般的通用測試儀器有所不同，它主要的特點(diǎn)是首先它大多是為了實(shí)現(xiàn)某些不常見、不常用的功能而被設(shè)計(jì)出來的，所以它的測量對象比較單一，用途窄。在各行各業(yè)的生產(chǎn)中，由于需要測量的參數(shù)多種多樣，所以專用測試設(shè)備有被設(shè)計(jì)成各種各樣的情況（如為了測試某種刀具的鋒利度，而設(shè)計(jì)出鋒利度測試儀），這也導(dǎo)致專用設(shè)備的校準(zhǔn)方法變得比較復(fù)雜，主要體現(xiàn)在專用設(shè)備性能各異，一般沒有現(xiàn)成可用的檢定規(guī)程和校準(zhǔn)方法，需要按照測量的參數(shù)編制專門的校準(zhǔn)方法。

專用測試設(shè)備一般都是由幾個(gè)特定功能的測量模塊組成，有時(shí)還需要設(shè)計(jì)出特定的控制程序來控制設(shè)備，主要用于測量特定的量，有些專用測試設(shè)備只有在特定的環(huán)境中才能發(fā)揮測試作用，離開了特定環(huán)境就失去其測試的意義[1]。如在鋼鐵行業(yè)中，由于工序繁雜且環(huán)境條件比較苛刻，就需要數(shù)量較多的專用設(shè)備來輔助生產(chǎn)。

1 設(shè)備檢定校準(zhǔn)的必要性

設(shè)備為什么需要檢定校準(zhǔn)？儀器在長期的使用過程中，一些零部件會損壞或者發(fā)生老化等情況，導(dǎo)致儀器參數(shù)不準(zhǔn)確，而檢定校準(zhǔn)是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，它的目的是保證儀器的準(zhǔn)確性和精度，確保所得到的測試結(jié)果是可靠的和準(zhǔn)確的。在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域，儀器的準(zhǔn)確性和精度至關(guān)重要，因?yàn)檫@些儀器使用后的測量結(jié)果直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、人們的健康以及環(huán)境的安全。

儀器檢定校準(zhǔn)是保證儀器準(zhǔn)確和精度的重要手段，可以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，提高工作效率，延長儀器的使用壽命，同時(shí)也是保護(hù)人們健康和環(huán)境安全的必要措施。因此，對于需要頻繁使用儀器的領(lǐng)域，例如科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域，儀器校準(zhǔn)都顯得非常重要。

在校準(zhǔn)的過程中，專用測試設(shè)備和一般通用測量儀器一樣，要校準(zhǔn)設(shè)備的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。測量儀器的準(zhǔn)確度是指測量儀器給出接近于真值相符合的程度，準(zhǔn)確度只是一個(gè)定性概念而無定量表達(dá)。測量誤差的絕對值大，其準(zhǔn)確度低。但準(zhǔn)確度不等于誤差，對于測量儀器的準(zhǔn)確度，則還有級別或等級的表述。穩(wěn)定性是指測量儀器的計(jì)量特性隨時(shí)間不變化的能力，是指在規(guī)定的檢定校準(zhǔn)周期內(nèi)測量性能保持穩(wěn)定基本不變的特性[2]。對于測量儀器，穩(wěn)定性是重要的計(jì)量性能之一，示值的穩(wěn)定是保證量值準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，測量儀器產(chǎn)生不穩(wěn)定的因素很多，主要原因是元器件的老化、零部件的磨損、以及使用、貯存、維護(hù)工作不仔細(xì)等所致，穩(wěn)定性是科學(xué)合理地確定檢定校準(zhǔn)周期的重要依據(jù)之一。

2 專用設(shè)備校準(zhǔn)方法

由于專用測試設(shè)備具備一定的特殊性，具體校準(zhǔn)方法在不同的設(shè)備之間也存在較大的差異，在專用測試設(shè)備設(shè)計(jì)之初，可以在運(yùn)行控制系統(tǒng)上設(shè)計(jì)設(shè)備的內(nèi)檢程序，在設(shè)備開機(jī)時(shí)，內(nèi)檢程序開始運(yùn)行，自動校準(zhǔn)設(shè)備的部分參數(shù)是否正常，設(shè)備校準(zhǔn)一般可以按照如下步驟。

（1）確定校準(zhǔn)對象。儀器校準(zhǔn)需要首先明確校準(zhǔn)對象，即被校準(zhǔn)儀器的名稱、型號、規(guī)格等信息。同時(shí)，在選擇校準(zhǔn)方法時(shí)也需要了解該儀器的工作原理、測量精度、測量范圍等特性。

（2）確定校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)是指被用來與被校準(zhǔn)儀器進(jìn)行比較的標(biāo)準(zhǔn)儀器。通常使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器要比被校準(zhǔn)儀器更準(zhǔn)確和穩(wěn)定，這些標(biāo)準(zhǔn)儀器的校準(zhǔn)證書應(yīng)該是有效的。校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的選擇應(yīng)該與被校準(zhǔn)儀器的特性相匹配。

（3）進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程包括對被校準(zhǔn)儀器和校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)儀器的讀數(shù)進(jìn)行比較，以確定被校準(zhǔn)儀器的誤差。這個(gè)過程需要考慮各種誤差源，例如溫度、濕度、電源電壓等環(huán)境因素，并進(jìn)行相應(yīng)的修正。

（4）校準(zhǔn)結(jié)果的記錄和分析。校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)該在校準(zhǔn)證書上進(jìn)行記錄，包括校準(zhǔn)日期、校準(zhǔn)人員、校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)結(jié)果。校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)該進(jìn)行分析，以確定是否滿足所要求的精度和精確度，或者是否需要校準(zhǔn)或調(diào)整。

（5）定期校準(zhǔn)。為確保儀器的精度和可靠性，定期校準(zhǔn)是必須的。校準(zhǔn)周期應(yīng)該根據(jù)使用情況和被測量的穩(wěn)定性進(jìn)行確定。

下文總結(jié)出幾種不同的校準(zhǔn)方法。

2.1 直接校準(zhǔn)法

如果專用設(shè)備輸出的參數(shù)是比較常見的參數(shù)，能夠用現(xiàn)有檢測設(shè)備直接檢測，實(shí)驗(yàn)室就可以查閱相關(guān)資料，看看是否能夠參考現(xiàn)行有效的校準(zhǔn)方法來校準(zhǔn)設(shè)備。如果沒有現(xiàn)行有效的校準(zhǔn)方法，實(shí)驗(yàn)室可以和客戶溝通，編制出合適的經(jīng)過客戶認(rèn)可的校準(zhǔn)方法，來校準(zhǔn)專用設(shè)備，編制的校準(zhǔn)方法應(yīng)該通過本機(jī)構(gòu)相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人審核通過。如校準(zhǔn)刀具刀具鋒利度檢測儀，該儀器輸出參數(shù)只要有負(fù)載力、切割速度、切割位移，通過用相關(guān)儀器設(shè)備直接測量檢測儀的輸出參數(shù)是否正常，直接校準(zhǔn)某專用設(shè)備如圖1 所示。

圖1 直接校準(zhǔn)某專用設(shè)備

2.2 分部校準(zhǔn)法

這種方法一般適合于專用設(shè)備中被測參數(shù)比較多且互不影響、相對獨(dú)立的，各參數(shù)測量模塊也相互獨(dú)立的專用測試設(shè)備。用不同的儀器設(shè)備不同的校準(zhǔn)方法對研制設(shè)備的每項(xiàng)指標(biāo)單獨(dú)詳細(xì)校準(zhǔn)和檢測，得出結(jié)果數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)來確定專用設(shè)備是否滿足使用要求。例如，某專用設(shè)備被測參數(shù)有電源、參考源、靈敏度、占空比測試，A/D 轉(zhuǎn)換等，系統(tǒng)組成如圖2 所示。在校準(zhǔn)過程中可以對電源、參考源、靈敏度、占空比、A/D轉(zhuǎn)換等分布校準(zhǔn)，達(dá)到了校準(zhǔn)的目的。

圖2 某組件測控系統(tǒng)組成

2.3 比對法

當(dāng)專用測試設(shè)備的校準(zhǔn)數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量以上時(shí)，可以應(yīng)用比對法，即用數(shù)臺專用測試設(shè)備檢測同一穩(wěn)定的儀器，對比檢定結(jié)果，確定測試設(shè)備是否正常。當(dāng)檢定結(jié)果大致相同時(shí)，說明參加測試的數(shù)臺專用設(shè)備輸出參數(shù)正常，當(dāng)其中有結(jié)果數(shù)據(jù)與其他結(jié)果數(shù)據(jù)相差較大時(shí)，說明該臺專用設(shè)備輸出數(shù)據(jù)不正常，用比對法來測量專用儀器是否正常時(shí)不需要另外的檢定校準(zhǔn)儀器，能夠節(jié)省成本。但是隨著對儀器測試精確度要求的提高，這種測量方法的局限性也會暴露出來，有時(shí)數(shù)臺專用儀器的輸出結(jié)果都相差較大，所以不能確定那臺專用設(shè)備是正常的，當(dāng)需要輸出的信號較多時(shí)，采用此方法耗時(shí)較長[3]。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)法

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)法是最常用的儀器校準(zhǔn)方法之一。該方法使用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來校準(zhǔn)儀器。對于化學(xué)分析儀器，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可以是標(biāo)準(zhǔn)溶液或標(biāo)準(zhǔn)氣體，通過測量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度，可以計(jì)算出儀器的誤差，校準(zhǔn)儀器是否準(zhǔn)確。對于其他測量儀器，可以使用標(biāo)準(zhǔn)塊等其他適用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)。

選用校準(zhǔn)方法，需要研究專用測試設(shè)備的原理、功能、構(gòu)成，了解被測產(chǎn)品參數(shù)，根據(jù)設(shè)備與產(chǎn)品的特點(diǎn)來確定校準(zhǔn)方法；對一臺專用測試設(shè)備的校準(zhǔn)，有可能需要用到上述方法中的幾種。所有校準(zhǔn)工作的目的只有一個(gè)：通過校準(zhǔn)驗(yàn)證專用測試設(shè)備的準(zhǔn)確性，保證產(chǎn)品量值可以溯源。解決校準(zhǔn)問題的各個(gè)環(huán)節(jié)如圖3 所示，設(shè)備的校準(zhǔn)問題應(yīng)該在設(shè)備開始立項(xiàng)設(shè)計(jì)階段就開始考慮，不能在設(shè)備研制出來后才考慮校準(zhǔn)問題，這樣往往使檢定校準(zhǔn)變得異常困難。如有些醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的腕式血壓計(jì)，在醫(yī)療衛(wèi)生中應(yīng)用的血壓計(jì)屬于強(qiáng)檢設(shè)備，由于這種腕式血壓計(jì)體積較小，也沒有在設(shè)備外面預(yù)留檢定需要的進(jìn)氣口，使得需要檢定該類型血壓計(jì)時(shí)需要對血壓計(jì)進(jìn)行拆卸，檢定校準(zhǔn)就變得困難。

圖3 解決校準(zhǔn)問題的各個(gè)環(huán)節(jié)

3 專用設(shè)備校準(zhǔn)的問題

專用測試設(shè)備由于大部分都沒有國家檢定規(guī)程或者校準(zhǔn)規(guī)范，所以校準(zhǔn)工作一般較為復(fù)雜，需要考慮多種因素[4]。校準(zhǔn)中的環(huán)境條件要符合設(shè)備的使用要求，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境很容易影響校準(zhǔn)結(jié)果，如溫度、壓力、光照、濕度等。特別是對于一些對環(huán)境因素要求較高的儀器，如果在校準(zhǔn)儀器時(shí)沒有正確處理這些客觀因素，校準(zhǔn)結(jié)果的影響是明顯的。例如，環(huán)境光的控制對于光學(xué)儀器的校準(zhǔn)非常重要?；蛘邿o塵車間的檢測對空氣中的顆粒濃度有嚴(yán)格要求。有時(shí)在實(shí)際的儀器校準(zhǔn)中，我們還需要考慮一些系統(tǒng)誤差或合理誤差的影響。如有必要，還將在校準(zhǔn)證書中引用校正系數(shù)和其他數(shù)據(jù)。

校準(zhǔn)過程中也存在人為錯誤的問題，這種錯誤主要存在于儀器校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)人員的經(jīng)驗(yàn)中，這通常是一些缺乏經(jīng)驗(yàn)的工程師會遇到的問題。由于儀器校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)果主要由人記錄，人員缺乏實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)、操作錯誤、數(shù)據(jù)讀取錯誤等都會導(dǎo)致實(shí)際儀器校準(zhǔn)結(jié)果出現(xiàn)問題。所以在日常檢定校準(zhǔn)工作中要加強(qiáng)人才培養(yǎng)，組織員工定期參加各類培訓(xùn)，提高員工的專業(yè)知識水平。例如在建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)前要組織相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)學(xué)習(xí)，取得培訓(xùn)合格證明，還可以積極參加各類比對活動，提升人員的技術(shù)能力。

由于專用設(shè)備大多都沒有校準(zhǔn)規(guī)范，所以校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)在制定校準(zhǔn)方法時(shí)會出現(xiàn)錯誤的情況。在儀器校準(zhǔn)方法的非標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)使用情況下，由于理論基礎(chǔ)不夠嚴(yán)謹(jǐn)，導(dǎo)致測量過程中缺乏反映數(shù)據(jù)，導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果出現(xiàn)錯誤，如萬用表校準(zhǔn)、測量電路中高電阻電阻兩端的電壓，由于萬用表電壓范圍內(nèi)的電阻相對較低，會發(fā)生分流，導(dǎo)致檢測錯誤。實(shí)驗(yàn)室編寫一份可行的、具有可操作性的校準(zhǔn)方法時(shí)，應(yīng)通過專家評審后才能實(shí)行。

校準(zhǔn)周期的確定需要各種專業(yè)知識，考慮多種因素。若超過一個(gè)周期，可能引起質(zhì)量特性的惡化，那是由于機(jī)械磨損、灰塵、性能和實(shí)驗(yàn)頻次等所致。對這些因素變化的敏感性取決于測量儀器的類型。質(zhì)量好的，可能受的影響小一些；質(zhì)量不好的，可能受的影響大一些。因此，各個(gè)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，確定專用測試設(shè)備的校準(zhǔn)周期。

4 不確定度分析

測量不確定度是與測量結(jié)果關(guān)聯(lián)的一個(gè)參數(shù)，用于表征合理賦予被測量的值的分散性。它可以用于“不確定度”方式，也可以是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差（或其給定的倍數(shù)）或給定置信度區(qū)間的半寬度。該參量常由很多分量組成，它的表達(dá)（GUM）中定義了獲得不確定度的不同方法[5]。

在對專用測試設(shè)備進(jìn)行不確定度分析時(shí)，除了按照《測量不確定度評定與表示》（JJF 1059.1—2012）的要求來評定不確定度，還需要考慮到各個(gè)參數(shù)和環(huán)節(jié)的各個(gè)分量引入的不確定度，采用A 類評定還是B 類評定要根據(jù)實(shí)際情況，測量不確定的評定可以簡單分為以下步驟：①明確被測量。②建立數(shù)學(xué)模型及識別不確定的來源。③量化不確定分量。④計(jì)算合成及擴(kuò)展不確定度。⑤測量不確定度的報(bào)告與表述。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，測量不確定度可能來源于：對被測量的定義不完整或不完善；實(shí)現(xiàn)被測量的定義的方法不理想；取樣的代表性不夠，即被測量的樣本不能代表所定義的被測量；對環(huán)境條件的測量與控制不完善；對模擬儀器的讀數(shù)存在人為偏移；測量儀器的不準(zhǔn)或測量儀器的分辨力、鑒別力不夠；在相同的條件下，被測量重復(fù)觀測值的變化等情況。評定不確定度時(shí)要全面考慮各個(gè)環(huán)節(jié)可能引入的不確定度分量，使評定過程更加合理。

5 結(jié)語

專用測試設(shè)備是為了實(shí)現(xiàn)某些功能而專門研制的，校準(zhǔn)的目的是為了確保設(shè)備工作正常、保證量值準(zhǔn)確并可以溯源。計(jì)量校準(zhǔn)服務(wù)的對象是儀器儀表，因此儀器儀表行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢也就決定了計(jì)量校準(zhǔn)行業(yè)的市場容量及發(fā)展趨勢。專用測試設(shè)備選用何種方法校準(zhǔn)，需要針對設(shè)備、產(chǎn)品的不同特點(diǎn)區(qū)別對待，需要對設(shè)備、對產(chǎn)品有一定的了解。如果產(chǎn)品的信號比較少，相對獨(dú)立，可以選擇設(shè)備分部分校準(zhǔn)；也可以用通用儀器模擬產(chǎn)品信號來校準(zhǔn)測試設(shè)備，對儀器信號線多，關(guān)系又復(fù)雜的數(shù)字信號測試設(shè)備，采用比對法比較合適。采用什么樣的校準(zhǔn)方法，需要研究專用測試設(shè)備的原理、功能、構(gòu)成，了解被測產(chǎn)品參數(shù)，在日常校準(zhǔn)工作中，應(yīng)努力創(chuàng)造各種條件使其向自動校準(zhǔn)和在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方向發(fā)展。