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、動態化、多功能、大量程等方向發展，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、數顯卡尺等；微分類量具如外徑千分尺、數顯千分尺等；指示表類量具如大量程百分表、數顯百分表等；角度量具如刀口形直角尺、矩形直角尺等。此外還有量規類量具、長度常規測量儀器、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，米被定義為真空環境下光在秒時間內行程的長度。這一點體現長度計量的基本性，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范或標準中都有明確要求注意環境溫度。例如JJG21（外徑千分尺）要求室內溫度以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具有的基本特性之一，在溫度變化大的情況下，這種現象尤為突出。之所以相關規范或標準中明確要求注意環境溫度，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，此時可以發現刻度尺讀數迅速發生變化，一到兩分鐘內可能就會變化幾微米。也就是說，當進行長度計量時，溫度與相關規范或標準所規定溫度有較大偏差時，被測量對象的的尺寸就會發生變化，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、線脹系數以及溫度。20表示20攝氏度為相關標準中規定的標準環境溫度，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，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17.5×10-6，所用外徑千分尺為鋼質，據公式計算，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，各自的線脹系數可能有差別）。此時如果二者溫度一致，且線脹系數一致，那么物體尺寸將不會出現變化，即沒有誤差。當然這樣一來就可以推斷，如果線脹系數一致，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生影響，有一個十分重要的要素——線脹系數。所謂線脹系數，當物體溫度變化1攝氏度，單位長度的尺寸發生變化的大小，僅與材料相關，不同材料對應各自的線脹系數，如鋼為11.5×10-6，鋁為23×10-6。基于上述分析，假如有一鋼質零件，規格100mm，此時溫度每發生1攝氏度的變化，零件尺寸就會發生約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，可保證不產生溫度誤差。在某個室內溫度下（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。物體尺寸越大，且與量具材料線脹系數的差值越大，溫度誤差越大。如果達到溫度平衡狀態，且被測物體與量具為相同材質（即線脹系數一致），此時就可以盡可能的避免出現溫度誤差。

綜上，在長度計量檢定當中出現溫度誤差，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。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一致。從當前長度計量檢定技術發展現狀來看，顯然還需要持續進行研究，目前比較好實現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，要實現溫度平衡，目前可以采用很多方法，筆者結合自身實踐經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。所有在進行長度計量檢定時，必須控制環境溫度達到標準的要求。一般情況下，這種方法適用實驗室，因為只有實驗室環境下才有條件實現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、應用先進的測量儀器，盡可能降低線脹系數的影響，甚至達到線脹系數完全不影響的狀態，此時就只需要控制溫度，保證溫度平衡即可。

其次，目前要實現溫度平衡，或者實現標準環境溫度，可以利用空調來實現。對于實驗室環境應對空調的安裝位置進行科學的規劃，利用空調來調節溫度。但實質上，即使利用空調也不一定能夠獲得符合要求的環境溫度，因為要確保在計量過程中保持恒溫，所以一般的常規空調是不合適的，應選擇控溫能力更強的變頻空調。但要注意，空調在調節室內溫度時，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。因此重點還是規劃好安裝位置，使室內形成一個比較好的風循環環境，使環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，空調的使用。空調在調節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境溫度，并保持恒溫，還需要一段比較長的時間，據研究發現這個時間一般能夠達到4小時。所以在計量前要提前準備，合理調配空調的開關時間。

第三，如果環境溫度達不到要求，一般這種情況是在實驗室環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境下一段時間，使溫度均衡。當然無論是不是實驗室環境下的計量，都需要注意一個細節，即盡可能避免人手的溫度產生的影響，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。以現有的相關標準、規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].科技創業家，2012，(19)：169.