標(biāo)準(zhǔn)化對減小校準(zhǔn)不確定性的關(guān)鍵作用

【摘要】本文討論了標(biāo)準(zhǔn)化在降低計量儀器校準(zhǔn)不確定性中的關(guān)鍵作用。首先，文章闡述了標(biāo)準(zhǔn)化與校準(zhǔn)不確定性之間的理論聯(lián)系，進而詳細(xì)分析了標(biāo)準(zhǔn)化如何通過改進設(shè)備誤差、優(yōu)化實際操作過程以及抵消環(huán)境因素的影響來降低校準(zhǔn)不確定性。其次，文章還通過具體實例展示了標(biāo)準(zhǔn)化在實際應(yīng)用中的效果，探討了標(biāo)準(zhǔn)化在未來的發(fā)展方向，包括新的校準(zhǔn)技術(shù)和方法的發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)化在教育和培訓(xùn)中的應(yīng)用以及國際標(biāo)準(zhǔn)的推廣和應(yīng)用。最后，討論了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)以及可能的解決策略，包括設(shè)備和流程的標(biāo)準(zhǔn)化、人員的培訓(xùn)以及不確定性的深入理解和分析。

【關(guān)鍵詞】標(biāo)準(zhǔn)化；校準(zhǔn)不確定性；計量儀器

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.01.045

The Key Role of Standardization in Reducing Calibration Uncertainty

CHE Yi

（Anhui Construction Engineering Testing Technology Group Co.， Ltd.， Hefei 230031， China）

Abstract： This article discusses the crucial role of standardization in reducing calibration uncertainty in metrological instrument calibration. Firstly， the article outlines the theoretical connection between standardization and calibration uncertainty. It then analyzes in detail how standardization can reduce calibration uncertainty by improving equipment errors， optimizing practical operational processes， and compensating for environmental factors’ effects. Secondly， the article showcases the practical effects of standardization through specific examples and explores future directions for standardization， including the development of new calibration technologies and methods， the application of standardization in education and training， and the promotion and implementation of international standards. Lastly， the article discusses current challenges and possible resolution strategies， such as standardizing equipment and processes， training personnel， and deepening the understanding and analysis of uncertainty.

Keywords： standardization； calibration uncertainty； measuring instruments

校準(zhǔn)不確定性是指在對測量設(shè)備進行校準(zhǔn)時產(chǎn)生的不確定性。這種不確定性是由多種源頭產(chǎn)生的，包括設(shè)備的內(nèi)在誤差、操作員的誤差、環(huán)境因素等。校準(zhǔn)不確定性的主要目標(biāo)是提供一個度量，用于描述在所有可能的誤差源下，設(shè)備的校準(zhǔn)值與其真實值之間可能存在的差距。標(biāo)準(zhǔn)化是一個系統(tǒng)化的過程，旨在確定、編制并實施規(guī)則、指南或特性，以達(dá)到最佳秩序。在測量設(shè)備校準(zhǔn)中，標(biāo)準(zhǔn)化通常涉及設(shè)定明確的校準(zhǔn)程序和參數(shù)，以及使用已經(jīng)被公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進行對比，以減少校準(zhǔn)過程中的不確定性。本文的主要目標(biāo)是探討標(biāo)準(zhǔn)化在減少校準(zhǔn)不確定性中的關(guān)鍵作用。文章將首先分析校準(zhǔn)不確定性的來源，然后闡述標(biāo)準(zhǔn)化的定義和歷史發(fā)展，接著詳細(xì)討論標(biāo)準(zhǔn)化如何幫助減少各種來源的校準(zhǔn)不確定性。最后，文章將展望未來的研究方向和面臨的挑戰(zhàn)，以及對實踐者提出建議。

理論誤差主要來自測量模型和算法的不完善，包括模型假設(shè)的簡化、模型參數(shù)的選取以及測量算法的誤差。在一些情況下，理論誤差也可能源自數(shù)值計算中的近似處理。理論誤差的大小會直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性[1]。

在實際操作中，人為因素、程序錯誤、操作流程中的變異等都可能導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。測量設(shè)備自身也可能產(chǎn)生誤差，包括設(shè)備制造過程中的誤差、設(shè)備使用過程中的磨損以及設(shè)備的非理想性能等。設(shè)備制造過程中的誤差可能來自零件的制造誤差、裝配誤差以及檢測設(shè)備的誤差。設(shè)備使用過程中，零件的磨損和老化可能改變設(shè)備的性能，導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。環(huán)境因素也是產(chǎn)生校準(zhǔn)不確定性的重要因素。這包括溫度、濕度、氣壓等因素對測量設(shè)備和被測物品的影響。

以上各種誤差來源都可能導(dǎo)致校準(zhǔn)不確定性的產(chǎn)生。因此，理解這些誤差的來源和影響機制，對于減小校準(zhǔn)不確定性，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要的意義。

標(biāo)準(zhǔn)化是將各種過程、系統(tǒng)、產(chǎn)品的特性或特性的測量方法等制定成統(tǒng)一格式、規(guī)格的過程[2]。這種過程的目的是確保一致性、互換性和可復(fù)制性，提高效率，減少誤差和混淆。標(biāo)準(zhǔn)化不僅涉及產(chǎn)品或服務(wù)，也涉及測量和校準(zhǔn)，其中包括計量設(shè)備的使用、性能評估和質(zhì)量控制。標(biāo)準(zhǔn)化在科技發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用，它為各個領(lǐng)域提供了一套共享的、全球公認(rèn)的基準(zhǔn)和方法，使得產(chǎn)品和服務(wù)更具可比性，也使得研究和開發(fā)更加高效。

自19世紀(jì)以來，標(biāo)準(zhǔn)化的概念開始發(fā)展并逐漸流行。隨著工業(yè)革命的發(fā)展，為了提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，各行業(yè)開始廣泛實施標(biāo)準(zhǔn)化。20世紀(jì)初，隨著全球化的發(fā)展，很多國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）等開始設(shè)立，推動各國在技術(shù)、科學(xué)和經(jīng)濟等領(lǐng)域達(dá)成一致性。到了21世紀(jì)，隨著科技的飛速發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)成為一種全球范圍內(nèi)的行為，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如醫(yī)療、制造業(yè)、科學(xué)研究和服務(wù)業(yè)等。

在計量科學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)化在設(shè)備校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制等方面都有廣泛應(yīng)用[3]。例如，在光譜分析中，標(biāo)準(zhǔn)樣品的使用就是標(biāo)準(zhǔn)化的一種形式，它能確保各個實驗室在進行分析時得出的數(shù)據(jù)是可比的。在醫(yī)療領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)化的過程也被廣泛應(yīng)用于設(shè)備校準(zhǔn)，以確保所有的醫(yī)療設(shè)備都能產(chǎn)生準(zhǔn)確和一致的結(jié)果。在制造業(yè)中，各種制造工藝和零件的標(biāo)準(zhǔn)化有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少誤差，并增加生產(chǎn)效率。

3.1標(biāo)準(zhǔn)化與校準(zhǔn)不確定性的理論聯(lián)系

計量儀器校準(zhǔn)過程中的不確定性可以來源于多個環(huán)節(jié)，例如設(shè)備誤差、操作者的差異，以及環(huán)境條件的變化。標(biāo)準(zhǔn)化作為一種確保一致性和準(zhǔn)確性的手段，與校準(zhǔn)不確定性有著直接的理論聯(lián)系。通過規(guī)定清晰的校準(zhǔn)步驟、參數(shù)設(shè)定、操作人員行為以及環(huán)境條件，標(biāo)準(zhǔn)化可以減小校準(zhǔn)過程中各環(huán)節(jié)的變異性，從而降低整體的校準(zhǔn)不確定性。理論上，如果所有的設(shè)備都按照同樣的標(biāo)準(zhǔn)進行校準(zhǔn)，那么我們就可以預(yù)期減小不確定性，得到更可靠、一致的結(jié)果。

3.2標(biāo)準(zhǔn)化如何改進設(shè)備誤差

設(shè)備誤差是校準(zhǔn)不確定性的重要來源，可能來自設(shè)備制造過程中的不一致性、設(shè)備性能的衰退等。標(biāo)準(zhǔn)化可以通過確立設(shè)備性能和校準(zhǔn)流程的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，來改進設(shè)備誤差。設(shè)備的制造商在設(shè)計、制造和校準(zhǔn)設(shè)備時，都會參考相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來確保設(shè)備的性能、穩(wěn)定性以及其他關(guān)鍵參數(shù)[4]。此外，標(biāo)準(zhǔn)化也提供了系統(tǒng)性的、規(guī)范的檢測和糾正設(shè)備誤差的手段，從而降低了由設(shè)備誤差引起的校準(zhǔn)不確定性。例如，設(shè)備的用戶可以定期進行設(shè)備的校準(zhǔn)和維護，以確保設(shè)備的性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求。這種基于標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)和維護過程可以及時發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)備誤差，從而有效地降低校準(zhǔn)不確定性。

3.3標(biāo)準(zhǔn)化如何優(yōu)化實際操作過程

在實際操作過程中，標(biāo)準(zhǔn)化的重要性不容忽視。操作員的技能、經(jīng)驗和理解，如果沒有得到恰當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)化的流程支持，往往會帶來校準(zhǔn)結(jié)果的偏差，從而增加校準(zhǔn)不確定性。通過標(biāo)準(zhǔn)化，我們不僅能夠確立起一套統(tǒng)一的、優(yōu)化的操作流程，更能以此為基礎(chǔ)，對操作員進行規(guī)范的培訓(xùn)和指導(dǎo)。

標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程可以提供明確、一致的指引。無論操作員的個人技能和經(jīng)驗如何，只要嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)化流程，都能保證在執(zhí)行校準(zhǔn)時的準(zhǔn)確性和一致性。這一流程的建立通常基于深入的研究和廣泛的經(jīng)驗，有助于規(guī)避常見的誤區(qū)和陷阱，降低由于操作差異帶來的不確定性。

基于標(biāo)準(zhǔn)化流程的培訓(xùn)能夠幫助操作員提升專業(yè)技能，加深對校準(zhǔn)工作的理解。這種培訓(xùn)不僅包括操作技能的傳授，也涵蓋理論知識的教授。對于初級操作員，標(biāo)準(zhǔn)化培訓(xùn)是他們快速提升技能、積累經(jīng)驗的重要途徑。對于資深操作員，標(biāo)準(zhǔn)化培訓(xùn)能幫助他們保持與最新標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)同步，從而保持其操作效果的領(lǐng)先性。標(biāo)準(zhǔn)化流程還可實現(xiàn)操作過程的持續(xù)改進。當(dāng)所有操作員都按照相同的流程進行操作時，我們可以更容易地識別出流程中的瓶頸和問題，有針對性地進行改進。通過收集和分析操作數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)隱藏的問題，優(yōu)化操作流程，從而進一步減少校準(zhǔn)不確定性。

3.4標(biāo)準(zhǔn)化如何抵消環(huán)境因素的影響

環(huán)境因素，如溫度、濕度、氣壓等都可能對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。標(biāo)準(zhǔn)化考慮到這些因素，并設(shè)定了在特定環(huán)境條件下的標(biāo)準(zhǔn)操作流程。例如，某些敏感的測量設(shè)備需要在恒溫、恒濕的環(huán)境中進行校準(zhǔn)和使用，這就需要建立相應(yīng)的環(huán)境條件控制和檢測流程。這些標(biāo)準(zhǔn)化流程不僅包括設(shè)備的操作步驟，也包括環(huán)境條件的設(shè)定和控制，使測量過程在一個穩(wěn)定且可控的環(huán)境中進行，從而減小了環(huán)境因素的影響[5]。

3.5通過實例展示標(biāo)準(zhǔn)化在降低校準(zhǔn)不確定性中的應(yīng)用

在實踐中，標(biāo)準(zhǔn)化對于減少計量儀器校準(zhǔn)不確定性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1）光譜儀的標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)：光譜儀是一種常用的分析儀器，廣泛應(yīng)用于材料分析、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。但是，光譜儀的校準(zhǔn)過程中存在諸多不確定性來源，如光源強度的波動、探測器的響應(yīng)不一致性、環(huán)境因素的影響等。因此，光譜儀的校準(zhǔn)過程通常會遵循一套標(biāo)準(zhǔn)化流程，如使用具有已知光譜特性的標(biāo)準(zhǔn)樣品進行校準(zhǔn)、控制實驗室的環(huán)境條件、使用專門的軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析。通過這種標(biāo)準(zhǔn)化流程，可以有效地控制校準(zhǔn)過程中的不確定性，提高光譜儀的測量準(zhǔn)確性。

2）溫度計的標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)：溫度是許多實驗和工業(yè)過程中最關(guān)鍵的參數(shù)之一，因此溫度計的校準(zhǔn)準(zhǔn)確性對于結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。溫度計的校準(zhǔn)過程通常會遵循一套標(biāo)準(zhǔn)化流程，例如使用具有已知溫度的標(biāo)準(zhǔn)熱源進行校準(zhǔn)，保證溫度計的使用和存儲環(huán)境，以及進行定期的校準(zhǔn)和維護。此外，國際溫度尺度（ITS-90）提供了一套標(biāo)準(zhǔn)化的溫度校準(zhǔn)流程，可以幫助溫度計的用戶和制造商減小校準(zhǔn)過程中的不確定性，提高溫度測量的準(zhǔn)確性。

以上兩個實例生動地展示了標(biāo)準(zhǔn)化在減少計量儀器校準(zhǔn)不確定性中的應(yīng)用。這充分表明，無論是在實驗室的精細(xì)測量，還是在工業(yè)過程的大規(guī)模應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)化都是確保測量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵手段。

4.1預(yù)期的進步和發(fā)展方向

標(biāo)準(zhǔn)化在降低計量儀器校準(zhǔn)不確定性中的重要作用已經(jīng)被廣泛認(rèn)識和接受，并且在這個領(lǐng)域中的發(fā)展將會越來越深入。隨著科技的快速發(fā)展，更精確、更復(fù)雜的計量儀器將被開發(fā)出來，對校準(zhǔn)的要求也將變得更高。此外，隨著全球化的不斷深入，我們期待看到更多國際性的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議出臺，以提高全球范圍內(nèi)的計量一致性和準(zhǔn)確性。

一方面，我們期待看到新的校準(zhǔn)技術(shù)和方法的發(fā)展。例如，數(shù)字化和智能化的技術(shù)可以用于自動化校準(zhǔn)過程，從而減少人為因素的影響，提高校準(zhǔn)效率和準(zhǔn)確性。此外，大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)等技術(shù)也可能被用于預(yù)測和控制校準(zhǔn)過程中的不確定性。另一方面，我們期待看到標(biāo)準(zhǔn)化在教育和培訓(xùn)中的應(yīng)用更加廣泛。通過標(biāo)準(zhǔn)化的培訓(xùn)和教育，我們可以提高操作員的技能和理解，減少操作誤差，進一步降低校準(zhǔn)不確定性。

4.2當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和可能的解決策略

盡管標(biāo)準(zhǔn)化有其顯著的優(yōu)點，但在實施過程中仍面臨許多挑戰(zhàn)。不同的制造商和用戶可能有不同的標(biāo)準(zhǔn)和流程，這可能導(dǎo)致設(shè)備性能和校準(zhǔn)結(jié)果的差異。為了解決這個問題，我們需要推廣和采用國際性的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，以促進全球范圍內(nèi)的一致性。標(biāo)準(zhǔn)化需要大量的資源和時間，包括設(shè)備的設(shè)計和制造、人員的培訓(xùn)，以及流程的建立和維護等。為了克服這個挑戰(zhàn)，我們需要尋找更有效的方法來實施和管理標(biāo)準(zhǔn)化過程，如通過數(shù)字化和自動化的技術(shù)。盡管我們可以通過標(biāo)準(zhǔn)化來降低校準(zhǔn)不確定性，但是不可能完全消除不確定性。因此，我們需要更深入地理解和分析不確定性，開發(fā)更先進的校準(zhǔn)技術(shù)和方法，進一步提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

標(biāo)準(zhǔn)化是一種強大的工具，可以幫助我們降低計量儀器校準(zhǔn)不確定性，提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性。但是，我們?nèi)孕枰鎸徒鉀Q許多挑戰(zhàn)，以使標(biāo)準(zhǔn)化在未來能夠發(fā)揮更大的作用。

【參考文獻(xiàn)】

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【作者簡介】

車義，男，1987年出生，工程師，學(xué)士，研究方向為計量檢測。

（編輯：于淼）