校准与校准
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王为农随着经济的发展，校准活动在计量工作中的比重越来越大，国际上对校准的认识也在不断发展。《国际计量学基本和通用术语》(InternationalVocabularyofBasicandGeneralTermsinMetrology)以及JJF1071-2000《国家计量标准规范编写规则》的修订，进一步对正确认识校准概念和校准规范起到了推动作用。一、校准《国际计量学基本和通用术语》(第三版,VIM2008)中校准的定义大致如下(见图1):
图1校准是在规定条件下的一组操作，第一步，建立测量标准量值及其不确定度与(计量器具的)示值及其不确定度之间的关系；第二步，利用这些信息，建立一个关系，以通过(计量器具的)示值获得测量结果。本文使用了计量器具作为测量仪器和实物标准器、标准物质等的总称。校准的目标是测量结果可以溯源，保证测量结果的量值统一。操作分两步完成，第一步在校准实验室完成，第二步在测量仪器用户处完成。以量块为例，量块的计量特性包括:量块的长度、测量面的研合性、长度变动量、长度稳定性、线膨胀系数。设定这5个计量特性，是实现符合校准定义的必要条件:1.量块的长度定义了量块在标准条件下的量值。量块的价值就是提供一个稳定的面与面之间的距离，为长度的量值传递提供了使用中简便但准确度很高的工具。准确地说，量块的长度是量块测量面中心在20℃条件下到另一个测量面之间的长度。2.量块在使用时，可能需要多个量块进行组合，提供一个接近被测量值的长度，以进行比较测量。量块测量面的研合性检查可以发现量块组合使用可能引入的不确定度。3.长度变动量是量块使用时测量点偏离量块测量面中心条件下出现的量值变化区间，为评估偏离定义位置使用量块引入的不确定度分量提供信息。4.长度稳定性是量块在一定周期内量值的变化区间，为评估复校周期内量块由于长时间使用可能引入的不确定度分量提供信息。5.提供线膨胀系数信息，以便在量块使用环境温度偏离20°C时，进行量块热膨胀的修正，同时也为评估温度偏离引入的不确定度分量提供信息。设定这5个计量特性，也是实现符合校准定义的充分条件。对比JJG146-2003《量块》检定规程，其中列出下列9个计量特性:(1)截面尺寸和连接孔；(2)侧面的平面度、侧面对测量面和侧面之间的垂直度、平行度和倒角；(3)
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面粗糙度；(4)测量面的平面度；(5)测量面的研合性；(6)测量面的硬度；(7)量块的长度和长度变动量；(8)长度的稳定性；(9)线膨胀系数。其中，(5)、(7)、(8)、(9)就是前述的5项计量特性。而(1)、(2)一般不直接影响测量结果。(3)、(4)影响研合性，研合性的检查结果包含这两项检查结果的影响。(6)硬度的测试不是为了硬度的量值溯源，而是间接地控制量块的稳定性，而稳定性检查包含硬度的影响。因此，量块校准中检查前述5项计量特性，可以为使用量块作为标准器的测量结果提供足够的信息。同时，所有这5项都可以直接与计量标准的量值进行比较，或用与计量标准比较的数据进行计算获得校准结果，符合校准的定义；校准数据对于进行定义中的第二步——评估测量结果的不确定度，具有引用价值。二、校准规范校准规范通过一定的审批程序，在一定的范围内，为计量器具的量值统一提供技术支持。校准规范首先要界定针对哪种计量器具。由于技术的发展，许多计量器具出现了各种变化，这些变化没有改变仪器的功能，但量程、分辨力和准确度却得到巨大提升。校准规范应该将具有相同计量功能的计量器具进行归类，提出表述其计量性能的计量特性，规定校准方法，使不同准确度的计量器具具有相同的计量性能表述方法，实现计量学意义上的量值统一。反之，如果具有相同计量功能的计量器具，由于其非核心的技术变化，编制了多个内容不同的校准规范，对计量器具形成不同的计量性能表述，则由于校准结果无法进行量值的等效对比，可能造成量值的混乱，形成最终产品的质量争议。校准规范的核心是对特定计量器具的校准工作给出指南，规定全面而不重复的(必要的和充分的)关键计量特性组合，保证对其计量性能的全面评价，可以利用校准证
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提供的数据评定测量结果的不确定度。JJF1071-2010与旧版的关键变化在于，不再要求校准规范中对计量器具进行准确度等级划分。校准规范规定了计量器具应该评定的计量特性组合，不规定校准的环境条件和测量标准的要求，并不是对校准实验室没有技术要求。校准实验室开展计量器具的校准工作，给出的校准结果必须满足客户的需求，即校准结果的不确定度应优于客户对计量器具计量要求的1/4(至少应达到1/3)。校准实验室在明确了开展校准应准备的项目后，必须自行考虑环境条件和计量标准设备的要求，以实现其目标不确定度，形成实验室的校准测量能力(CMC)。在校准实验室的计量标准考核和实验室认可活动中，校准实验室依据校准规范设定的校准项目，为开展这些校准项目自行设定实验室环境和设备的条件，以这些条件为基础进行的不确定度评定报告，校准测量能力的比对结果或测量审核报告，都是该校准实验室证明自身能力的依据，是评审员进行评审的重点。三、校准规范中的测量不确定度评定示例在JJF1071-2010中，明确要求提供一个测量不确定度评定示例。测量不确定度评定示例的编写，要求对执行该校准规范中的一个特定校准过程进行详细的描述，并在此基础上进行不确定度评定。测量不确定度评定示例应包括下列几个部分:(1)被校计量器具的描述，包括其测量范围、名义值和目标准确度参数等。(2)环境条件。(3)计量标准设备及准确度数据。(4)不确定度分量评估、灵敏系数表。(5)合成标准不确定度及扩展不确定度。不确定度示例是校准规范编写过程中试验报告的基础。试验报告的目的是验证该示例的不确定度评定结果的正确性。因此，这个示例是一个严谨的示例，使用该校准规范的实验室甚至可以根据该示例准备实验室，并达到该不确定度水平。另一方面，示例只是一个典型仪器和特定条件下的不确定度评定结果。一个校准实验室，开展的校准工作覆盖一定的范围，这个特定的示例不能代表实验室的校准测量能力。实验室必须根据本实验室的实际情况，参照校准规范提供的示例，分析本实验室“人、机、料、法、环”对校准结果的影响，确定实验室的校准测量能力。四、
总结
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目前，在国际大环境的影响下，检定、校准两种计量器具管理模式并存。校准工作的管理体系与国际接轨，保持与国际公认方法的一致性，对于增强我国产品质量的国际互认具有支撑作用。校准是计量器具管理中的一个关键技术环节。校准结果是用户对计量器具进行计量确认的依据。通过对规定计量特性组合的校准，应该为计量器具用户提供足够的信息，使用户了解计量器具达到什么样的准确度，在具体使用条件下，测量结果能够实现什么样的准确度。校准规范编写规则的变化，将使发布的国家计量校准规范更加与国际接轨，从技术的角度也更加严谨。新的校准规范为实验室提供了更多的可能性去适应市场的需求，但也提出了更高的要求:校准实验室需要自行确定市场定位、自行装备实验室，并自行对发布的校准测量能力负责。作者单位【中国计量科学研究院】
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