量塊長度穩定度檢定方法分析

武騰騰 徐 堃

（1、江西省檢驗檢測認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。檢定項目中經常使用量塊作為計量標準器，促進量規、量器校準示值誤差，在生產制造業中測量零件尺寸，保證零件符合計量基準。在精密劃線或者校準精密儀器時，常見量塊應用。

1 量塊的特點

量塊制造結構并不復雜，同時具有穩定的尺寸，應用難度較低，使用量塊進行計量操作可行性強。通過該實物載體應用，可依據應用規范在實際生產環節中逐級落實最高級計量基準，從而統一量值。在長度領域中量塊就有標定量儀的應用價值，檢定示值誤差。使用量塊對照測量物體，分析測量器具、被測物體規格數據以及量塊差值，可進行精密測量或校準精密測量儀器[1]。量塊構造如圖1。

圖1 量塊構造

2 檢定長度穩定度的必要性

2.1 量塊的作用

量塊屬于長度計量專業范疇，應用范圍較廣，具有實物量具的特性。長度計量經常使用量塊作為實物量具，檢定項目計量標準器也經常選用量塊。使用量塊，可對量規、量具進行檢定校準，縮小誤差。在工業生產中，對機械零部件有嚴格要求，規范的尺寸是保證流水線生產順利進行和最終產品質控的基礎，通過量塊使用，可促進長度標準。量塊是長度專業不可或缺的計量標準器。

2.2 量塊檢定要求

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

2.3 長度穩定性影響因素

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

3 量塊檢定的基本方法

查閱研讀量塊技術類文獻，可知量塊在使用年限中并非完全穩定，但其長度變化必須在限定值之內，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。根據相關標準，5 等量塊設計中心長度是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，評價量塊長度穩定度時應行綜合分析。在實際檢定中，僅以檢定規程標準作為依據是錯誤的檢定方法[3]。

根據檢定規程要求，量塊年長度變化量應在規定允許值限度內，且以該量塊未受環境溫度、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據，L2表示考察過程中第一次檢測顯示的長度數據，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，則計算公式應為：

以檢定規程中標準允許值對比，對被檢量塊的等級進行確定。經比較，長度穩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。在此過程中應注意，LA應符合該測量中不確定度相關因素[4]。

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

在檢定時，量塊長度穩定度與不同等級量塊在長度測量中不確定度所規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，適當延長期限可促進有效檢定。在長度年化量均數即LA=（L2-L1）/Y，在檢定測量中，通常根據規程對照長度穩定度，分析相關數據是否在允許值區間內，適當延長考察期。在此考察中，在可行性范圍內Y 與穩定度檢定效果正相關。

4.2 不確定度控制

測量量塊中心長度不確定度時，輸出量所顯示的標準不確定度等是核心構成因素。誘發該不確定度的因素通常分為7 個方面。應對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，存在示值顯示不穩定或者讀數不準確的問題，在此影響下，出現標準不確定度。（2）檢定過程中，讀數描述為d，d 導致標準不確定度出現。（3）量塊中產生變動量，量塊實際中心和標準量塊的檢定點二者存在差異，即出現中心偏移，由此出現標準不確定度。（4）量塊變動量導致被檢量塊的實際檢定點和量塊中心點出現偏移，引起標準不確定度。（5）檢定過程中所用標準量塊、被檢量塊線膨脹系數存在差值，該差值以Δa描述，Δa 存在不確定度，進而導致量塊出現標準不確定度。（6）標準量塊、被檢量塊存在溫差，即Δt，Δt 溫差引起標準不確定度。（7）檢定操作中，濾光片中心波長存在測量不確定度，影響量塊檢定結果。

以上7 個分項是引起標準不確定度的主要因素。其中前4項的產生機制為頻繁重復測量導致測量列不具有單一性，對于此類問題，應以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，結合檢定規程要求，分析檢定環境的約束條件，應采用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致的標準不確定度為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，并對檢定環境即實驗室環境進行精準控制，保證環境溫度符合要求。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，輸出端出現不確定度，其根本原因是上一級別檢定量塊標準出現不確定度。在此環節，應將其視為定值。

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生損壞，經過修理，其長度可能發生變化，故而在修復后必須實施長度檢定。檢測中心位置長度10 次，取10 次數據的平均值，以該數據作為最終中心長度值。通常情況下，應提供校準證書。此類量塊無法產生長度穩定度數據，二次檢定方法仍需重復初檢方法。

初次檢定、二次檢定經檢測所得數據值，其差值未超過不確定度倍數時，針對此種情況不應認定該量塊具有較差的長度穩定度。兩次檢定間距兩年進行，測定結果存在顯著差值，應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，在對其長度穩定度進行全力控制時可采用適當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，應明確長度穩定度應避免受到溫度異常影響，遠離會對量塊產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果。在穩定度考察階段，考察前提應為杜絕外因影響，以此得到可靠性量塊長度數據。在考察周期中，如量塊經過修理，然后才顯示為合格，則應中斷之前考察周期，從修理后檢定量塊長度為考察期起始端，對測量結果穩定度進行二次考察。

考察期限方面，考察期限單位是年。常規檢定項目可根據當此檢定即時獲取檢定數據，但長度穩定度檢定考察次數必須≥2 次，有時需要實施多次檢定。在兩次檢定或多次檢定中，分析隱含數據，方可了解長度穩定度。當設置3m 檢定周期時，應進行5 個檢定周期的連續性檢定，觀察量塊長度在期間變化，最終才能得到1 次穩定度結果。故而量塊中心長度應在每次檢測后獲取最終數據，然后進行記錄，記錄應完整全面，后續以該數據為依據，評價長度穩定度。

處理檢定結果時，一套量塊應根據規程進行規范化檢定，出具檢定證書。在該證書中，其長度穩定度結論并非顯示整套量塊。在檢定中應得到整套受檢量塊的穩定度數據，獲取最終結果，而非單個量塊。在進行穩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，獲取初步數據，結合表1所述允許值，分析檢定可靠性。在進行該計算時，UA應＞LAM。

綜上所述，在檢定量塊長度穩定度時，應明確量塊的特點，了解檢定的核心預期，以檢定目的為引導進行科學檢定。應采用規范的檢定方法，并通過延長考察期限、控制不確定度等控制檢定結果可靠性。檢定過程中，檢定操作人員應以檢定規程為依據，結合技術文件要求，標準檢定量塊。應了解標準值誤差相關知識，進行科學應用，深入了解不確定度，促進精準實施檢定操作，促進檢定結果可靠性。