關于溫度對長度計量檢定的影響分析

陳誼麗

（計量檢定測試所 湖北 荊門 448000）

1 引言

在計量領域，發(fā)展最成熟的學科在于長度計量，是計量項目中比較基本的項目。它研究表征物體位置、形狀、大小、長短的幾何量。在進行長度計量檢定過程中，對溫度的要求很高，因而研究溫度對長度計量檢定的影響，具有顯著的現(xiàn)實意義。

2 關于長度計量檢定

長度計量檢定擁有悠久的歷史，在計量領域當中是最基本的計量項目，實際也是最常見的，在工業(yè)領域應用尤其廣泛，在各個級別的計量機構當中都占有重要地位。目前長度計量正在向著高分辨率、自動化、動態(tài)化、多功能、大量程等方向發(fā)展，并為科研、制造等提供更適用、更好的計量檢定儀器。

2.1 長度計量工具

現(xiàn)階段，在長度計量所使用的工具方面，有很多種類別，如計量檢定直線度的量塊、平尺等；檢定平面度的平面平晶、平板等；檢定表面粗糙度的干涉顯微鏡、光切顯微鏡、標準多刻線樣板等。還有游標類量具如游標卡尺、數(shù)顯卡尺等；微分類量具如外徑千分尺、數(shù)顯千分尺等；指示表類量具如大量程百分表、數(shù)顯百分表等；角度量具如刀口形直角尺、矩形直角尺等。此外還有量規(guī)類量具、長度常規(guī)測量儀器、坐標測量儀器以及測微儀等。

2.2 長度計量基準

在物理量中，長度是最基本的一個，在長度計量中一般以米（SI基本單位之一）為基本單位，在很多導出單位中均包含著長度單位的因子。早在1983年，米被定義為真空環(huán)境下光在秒時間內(nèi)行程的長度。這一點體現(xiàn)長度計量的基本性，長度單位是否準確在很大程度上決定導出計量基準的準確性。就目前來看，就米的定義來說，雖然明確，但依然具有很高的開放性，限制條件多，測量技術對測量精確度的影響很大，在《長度計量基準研究》一文中對此進行了比較詳細的研究。

量塊很十分實用且精度高的實物標準，在傳遞中，基準一般是He-Ne激光波長。結合米的定義，可以將一把尺子的基本刻線間距看作是激光波長，目前一般常用633nm波長的激光。但值得注意的是，實際上激光波長并不能直接運用，需要和激光干涉儀結合使用，才能保證其發(fā)揮效用。

2.3 長度計量誤差

在長度計量當中，常見阿貝誤差以及溫度誤差。

前者是違背了阿貝原則產(chǎn)生的誤差，所謂阿貝原則指的是被測尺寸線要與標準尺寸線重合或平行（包括延長線），否則就會帶來誤差。

后者主要是由于溫度引起的誤差。在相關的長度計量規(guī)范或標準中都有明確要求注意環(huán)境溫度。例如JJG21（外徑千分尺）要求室內(nèi)溫度以20攝氏度為基準，最大允許的偏差不過5攝氏度，100mm范圍內(nèi)外徑、板厚、壁厚測量對千分尺適用溫度要求，校對用量桿則要求不得偏差超過3攝氏度。

3 關于溫度對長度計量的影響

熱脹冷縮是自然界物質(zhì)具有的基本特性之一，在溫度變化大的情況下，這種現(xiàn)象尤為突出。之所以相關規(guī)范或標準中明確要求注意環(huán)境溫度，就是因為在長度計量檢定中，溫度的影響巨大。比如在光學計上檢定一個量塊，對好零位，用手觸摸量塊，此時可以發(fā)現(xiàn)刻度尺讀數(shù)迅速發(fā)生變化，一到兩分鐘內(nèi)可能就會變化幾微米。也就是說，當進行長度計量時，溫度與相關規(guī)范或標準所規(guī)定溫度有較大偏差時，被測量對象的的尺寸就會發(fā)生變化，測量出的結果如果沒有相應措施，就會導致結果誤差大。

3.1 溫度與長度的關系

為研究溫度與長度之間的關系，筆者結合實際工作經(jīng)驗與相關研究資料對《長度計量概述》一文中提到的公式進行了實際驗證，實驗證明該公式是正確的，能比較準確的反應溫度與長度之間的關系。公式為ΔL=L·k(t-20)（1），該公式中ΔL，L，a，t分別表示尺寸變化、尺寸、線脹系數(shù)以及溫度。20表示20攝氏度為相關標準中規(guī)定的標準環(huán)境溫度，對于不同的長度計量項目有一個明確的允許偏差，如上文對JJG21的闡述。這個公式不僅可以代表被測物體溫度與長度變化的關系，也在量具溫度同時發(fā)生變化時具有一定代表性。因此可以將上述公式進行如下變換：ΔL=L[k1(t1-20)-k2(t2-20)]（2），式中k1，k2分別代表物體與量具材料的線脹系數(shù)，t1，t2分別代表物體與量具的溫度，要注意該公式只適合高精度測量，且量具與被測物體形狀較為簡單的長度計量中。公式成立，那么在用外徑千分尺測銅軸（規(guī)格200mm）的長度計量過程中，銅軸溫度40攝氏度，與標準溫度相差20攝氏度，顯然不符合標準，外徑千分尺溫度為15攝氏度，溫度差距勉強達到標準要求的溫度偏差要求。銅軸材料線脹系數(shù)17.5×10-6，所用外徑千分尺為鋼質(zhì)，據(jù)公式計算，在這種情況下，會有81.5μm的溫度誤差。如果千分尺的溫度上升至40攝氏度，銅軸溫度不變，此時雖然還有溫度誤差，但已經(jīng)減小到24μm。

3.2 溫度對長度計量的影響

以上述公式來分析，當物體或量具的溫度均為20攝氏度時，尺寸變化為零，也就是沒有溫度誤差，當物體與量具溫度一樣但不為20攝氏度時，被測物體尺寸變化不僅受到溫度的影響，還會受到物體與量具不同材料的影響（因為，材料不同，各自的線脹系數(shù)可能有差別）。此時如果二者溫度一致，且線脹系數(shù)一致，那么物體尺寸將不會出現(xiàn)變化，即沒有誤差。當然這樣一來就可以推斷，如果線脹系數(shù)一致，被測物體尺寸是否存在誤差就會以溫度為基準來定。從此處的分析可以推斷，溫度是否對長度計量產(chǎn)生影響，有一個十分重要的要素——線脹系數(shù)。所謂線脹系數(shù)，當物體溫度變化1攝氏度，單位長度的尺寸發(fā)生變化的大小，僅與材料相關，不同材料對應各自的線脹系數(shù)，如鋼為11.5×10-6，鋁為23×10-6。基于上述分析，假如有一鋼質(zhì)零件，規(guī)格100mm，此時溫度每發(fā)生1攝氏度的變化，零件尺寸就會發(fā)生約1μm的變化，隨著溫度的增加變化量會急速增加。

由此得出結論，當被測物體與量具在實驗室條件下（即溫度20攝氏度，并符合相關標準的溫度偏差要求），考慮被測物體與量具材料的不同線脹系數(shù)，可保證不產(chǎn)生溫度誤差。在某個室內(nèi)溫度下（即與標準溫度偏差較大時），此時若被測物體與量具溫度一致，那么溫度誤差的產(chǎn)生不僅在于溫度，還在于被測物體尺寸以及二者的線脹系數(shù)。物體尺寸越大，且與量具材料線脹系數(shù)的差值越大，溫度誤差越大。如果達到溫度平衡狀態(tài)，且被測物體與量具為相同材質(zhì)（即線脹系數(shù)一致），此時就可以盡可能的避免出現(xiàn)溫度誤差。

綜上，在長度計量檢定當中出現(xiàn)溫度誤差，因素有很多，不僅僅在于溫度，還在于被測物體尺寸、材料線脹系數(shù)。要盡可能降低溫度誤差，關鍵還是要達到溫度平衡，盡可能使被測物體與量具材質(zhì)一致。從當前長度計量檢定技術發(fā)展現(xiàn)狀來看，顯然還需要持續(xù)進行研究，目前比較好實現(xiàn)的是改進測量技術控制溫度達到溫度平衡，可使溫度誤差盡可能小。

3.3 如何減小溫度對長度計量的影響

就上文所言，要實現(xiàn)溫度平衡，目前可以采用很多方法，筆者結合自身實踐經(jīng)驗以及一些研究成果，總結出如下方法，作為參考。

首先，在相關標準中要求環(huán)境溫度要以20攝氏度為基準，并保證溫度變動范圍在允許的偏差范圍之內(nèi)。所有在進行長度計量檢定時，必須控制環(huán)境溫度達到標準的要求。一般情況下，這種方法適用實驗室，因為只有實驗室環(huán)境下才有條件實現(xiàn)完善的保溫以及恒溫措施。當實驗室具備上述措施，那么就可以考慮如何盡可能的降低被測物體與量具材料線脹系數(shù)的差值，盡可能將該差值向零靠攏，也就是盡可能保證二者的材質(zhì)一致。當然這是對于適用上述公式（2）的長度計量檢定項目而言的。除此之外，可以通過研發(fā)、應用先進的測量儀器，盡可能降低線脹系數(shù)的影響，甚至達到線脹系數(shù)完全不影響的狀態(tài)，此時就只需要控制溫度，保證溫度平衡即可。

其次，目前要實現(xiàn)溫度平衡，或者實現(xiàn)標準環(huán)境溫度，可以利用空調(diào)來實現(xiàn)。對于實驗室環(huán)境應對空調(diào)的安裝位置進行科學的規(guī)劃，利用空調(diào)來調(diào)節(jié)溫度。但實質(zhì)上，即使利用空調(diào)也不一定能夠獲得符合要求的環(huán)境溫度，因為要確保在計量過程中保持恒溫，所以一般的常規(guī)空調(diào)是不合適的，應選擇控溫能力更強的變頻空調(diào)。但要注意，空調(diào)在調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度時，其吹出的冷風并不是所要求的溫度，而是比這一溫度要更低，因此，要避免冷風直吹被測物體以及量具。因此重點還是規(guī)劃好安裝位置，使室內(nèi)形成一個比較好的風循環(huán)環(huán)境，使環(huán)境溫度達到標準要求并保持這一溫度。同時要注意，在進行長度計量檢定期間，空調(diào)的使用?？照{(diào)在調(diào)節(jié)溫度方面并不是瞬間完成的，而是要有一個時間，同時被測物體和量具要達到環(huán)境溫度，并保持恒溫，還需要一段比較長的時間，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)這個時間一般能夠達到4小時。所以在計量前要提前準備，合理調(diào)配空調(diào)的開關時間。

第三，如果環(huán)境溫度達不到要求，一般這種情況是在實驗室環(huán)境外進行的測量項目。這種情況下，排除被測物體與量具材質(zhì)的差距問題，此處不作分析，要減少溫度誤差，關鍵點同樣在于實現(xiàn)溫度平衡——被測物體與量具溫度平衡。一般可以通過提前將被測物體與量具放置在同一環(huán)境下一段時間，使溫度均衡。當然無論是不是實驗室環(huán)境下的計量，都需要注意一個細節(jié)，即盡可能避免人手的溫度產(chǎn)生的影響，而且在計量過程中這種情況是不容易察覺的所以要采取措施，比如用夾子、手套、絕熱墊等工具隔絕人手的熱量，避免人手直接觸及物體或量具，從而控制溫度誤差。

4 結語

以目前長度計量檢定技術的發(fā)展狀況來看，長度計量中常見的溫度誤差很難完全杜絕，這有多方面的原因。溫度對長度計量精度的影響只是其中一個比較重要的因素，但也是不容忽視的一個影響因素。以現(xiàn)有的相關標準、規(guī)范以及測量技術來看，可以通過一些措施，使誤差盡可能小，并符合標準的允許誤差要求，這些措施的核心就是溫度平衡。

[1]鄧金明.現(xiàn)階段長度計量技術淺議[J].計量與測試技術，2016，43(01)：52-53.

[2]李春燕.長度計量概述[J].計量與測試技術，2016，43(04)：64-65+69.

[3]付小華.對于長度計量技術的幾點看法[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2012，(19)：169.