長度計量檢定中溫度的影響及對策

黃文虎

（阜陽市計量測試研究所，安徽 阜陽 236000）

1 引言

計量檢定工作是極其廣泛并且非常重要的技術(shù)工作，溫度則是影響長度測量準確性的重要因素。當前制造業(yè)對高準確度測量的需求不斷增加，溫度對長度測量的影響問題日益凸顯。就現(xiàn)有研究而言，許多學者對溫度對長度測量的影響進行了深入探討，提出了一些應對策略，研究表明通過規(guī)范環(huán)境溫度、定期檢定設備、加強人員培訓等措施可以有效降低溫度影響，提高測量準確度，但仍存在一定的局限性。文章旨在對溫度與長度計量檢定的關系進行深入分析，探討溫度變化對長度計量的實際影響，并提出有效的對策以減小或消除這一影響。

2 長度計量檢定相關概述

2.1 常用長度計量儀器分析

長度計量檢定是確保各類長度測量儀器和儀器準確度的重要程序，常用的長度計量儀器包括游標卡尺、千分尺、鋼卷尺、激光測距儀等。其中游標卡尺是一種手持式測量儀器，用于測量較小的長度，具有較高的準確度要求。千分尺測量準確度更高，常用于需要高準確度測量的場合。鋼卷尺是一種傳統(tǒng)的長度測量儀器，其準確度要求一般，適用于一般長度測量。激光測距儀采用激光技術(shù)進行非接觸式測量，準確度要求非常高，常用于對準確度要求極高的測量任務，詳見表1。

表1 常用一些長度計量儀器及其準確度要求

2.2 主要長度計量誤差分析

長度計量誤差是影響測量準確性的重要因素，主要包括系統(tǒng)誤差和隨機誤差。系統(tǒng)誤差是由于儀器固有的因素引起的，而隨機誤差則是由于測量過程中的偶然因素導致的誤差。假設使用游標卡尺對零件的長度進行測量，在20 ℃的環(huán)境溫度下，得到的測量結(jié)果為5.02 cm。然后將溫度升高至25 ℃后再次測量同一零件，結(jié)果為5.04 cm。在這個案例中，溫度的變化導致了測量結(jié)果的差異，表現(xiàn)為系統(tǒng)誤差。如果在同一溫度下多次測量同一零件的長度，得到的結(jié)果存在一定的波動，這種波動即為隨機誤差。

3 溫度對長度計量檢定的影響探析

3.1 溫度與長度之間的關系探析

溫度對長度計量檢定的影響主要表現(xiàn)在材料的熱膨脹性質(zhì)上。隨著溫度的變化，大多數(shù)材料會發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象，導致其長度發(fā)生變化。一般來說，材料的線熱膨脹系數(shù)是描述材料長度隨溫度變化而變化的重要參數(shù)，通常以每攝氏度單位的長度增加或減少來表示。溫度與長度之間的關系可以用公式（1）來表示。

其中ΔL為長度變化量，L表示初始長度，·α為線熱膨脹系數(shù)，ΔT為溫度變化量。該公式說明了長度的變化與溫度變化之間的直接關系，線熱膨脹系數(shù)反映了材料在溫度變化下的膨脹或收縮程度。在長度計量檢定中，必須考慮材料的熱膨脹性質(zhì)，以便校正測量結(jié)果中由溫度變化引起的誤差。通過合理選擇材料、控制溫度等方法，可以最大限度地減小溫度對長度測量的影響，確保測量結(jié)果的準確性和可靠性。下表2展示了不同材料在20～30 ℃范圍內(nèi)的線熱膨脹系數(shù)。

表2 不同材料在20～30 ℃范圍內(nèi)的線熱膨脹系數(shù)

從表中可以看出，不同材料的線熱膨脹系數(shù)不同，因此在進行長度測量時需要考慮材料的熱膨脹性質(zhì)，以準確修正溫度對測量結(jié)果的影響。

3.2 實際工作環(huán)境中溫度變化對測量結(jié)果的影響

在長度計量檢定中，溫度對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響是不可忽視的。如當被測儀器和測量設備處于標準溫度20 ℃時，尺寸變化不會受溫度影響而發(fā)生變化。然而一旦溫度高于或低于20 ℃，被測儀器尺寸可能會發(fā)生變化，這是由于不同材料具有不同的線熱膨脹系數(shù)，而溫度變化會導致這些系數(shù)的變化。因此，保持被測儀器和測量設備在相同溫度下可以確保線熱膨脹系數(shù)一致，從而減小誤差。線熱膨脹系數(shù)隨溫度變化而變化，不同材料具有不同的系數(shù)，如鋼的系數(shù)為11.5×10-6，鋁的系數(shù)為23×10-6。舉例來說，一個鋼質(zhì)被測儀器，在溫度變化1 ℃時，尺寸可能會發(fā)生1 μm 的變化。因此，在溫度升高過程中，材料的線熱膨脹系數(shù)對尺寸變化起著重要作用，需要在測量過程中加以考慮和校正。

4 減小或消除長度計量檢定中溫度影響的有效對策探討

4.1 明確標準溫度允許誤差

為了確保檢定儀器設備的測量精度，如千分尺、游標卡尺等，關鍵操作在于明確標準溫度允許誤差。根據(jù)不同儀器的精確度要求可以設定相應的溫度誤差容忍范圍，例如對高精度要求的儀器設備如千分尺，其允許的溫度偏差可以設定為±0.5 ℃，以保證測量結(jié)果的高準確性，對于精度要求相對較低的儀器設備如普通的游標卡尺，允許的溫度偏差可以適當放寬至±2 ℃。在實際的檢定過程中，控制標準溫度的允許誤差是減少測量誤差的關鍵。為此采用與被檢儀器具有相同或相近熱膨脹系數(shù)的標準裝置進行比對，有助于減少由于溫度變化引起的尺寸變化影響。使用恒溫室或溫度控制設備來維持一個穩(wěn)定的測量環(huán)境，也是十分必要的。

通過精準選取標準溫度允許誤差，并結(jié)合使用熱膨脹系數(shù)匹配的裝置以及維護穩(wěn)定的測量環(huán)境，可以顯著提高檢定儀器設備的測量準確性和可靠性。通過上述措施的共同作用能有效減少或消除溫度變化對長度計量檢定的影響，確保檢定儀器設備的測量結(jié)果既準確又可靠。

4.2 確保環(huán)境溫度的穩(wěn)定性

要確保長度計量檢定中環(huán)境溫度的穩(wěn)定性，具體可以采取恒溫室的措施。恒溫室是一種專門用于保持恒定溫度的設備，通過恒溫室可以在一定范圍內(nèi)精確控制環(huán)境溫度，確保測量過程中環(huán)境溫度的穩(wěn)定性。例如使用溫控設備對實驗室或測量場所進行整體溫度控制，確保環(huán)境溫度在規(guī)定范圍內(nèi)波動較小。在實際測量過程中通過增加隔熱層或者隔熱罩來減小外部溫度對測量的影響，從而提高環(huán)境溫度的穩(wěn)定性。

除了以上硬件設備和措施，還可以通過定期維護和檢定溫度傳感器和監(jiān)測設備來確保環(huán)境溫度的穩(wěn)定。及時發(fā)現(xiàn)并修復溫度監(jiān)測設備的故障或不準確問題，對于保持環(huán)境溫度的穩(wěn)定至關重要。對實驗室或測量場所的通風系統(tǒng)進行合理設計和調(diào)整，使空氣流通和溫度均勻分布也是保持環(huán)境溫度穩(wěn)定性的重要手段。由此可見，采取恒溫室、溫控設備、隔熱層等硬件設備措施，以及定期維護和檢定溫度監(jiān)測設備、合理設計通風系統(tǒng)等軟性措施，可以有效保障長度計量檢定中環(huán)境溫度的穩(wěn)定性。

4.3 對測量設備進行恒溫處理

千分尺在檢定過程中需要保持高精度和高可靠性，采取恒溫處理措施是必要的。在實驗室或其他測量場所內(nèi)設置恒溫箱等恒溫設備，將千分尺放置其中進行預熱，使其達到與環(huán)境相同的穩(wěn)定溫度狀態(tài)。恒溫處理可以顯著減少由于溫度變化導致的尺寸變化，從而提高測量的準確性。對于有特殊準確度要求的千分尺，考慮使用更高級別的恒溫設備如恒溫臺，以確保在整個檢定過程中千分尺保持穩(wěn)定的溫度。高級別的恒溫措施能夠為極高精度的測量提供必要的環(huán)境條件，確保檢定結(jié)果的可靠性。除了使用恒溫箱或恒溫臺之外，對千分尺進行預熱處理也是一個有效的方法。在實際的檢定操作之前，提前將千分尺放置在恒溫設備中進行足夠時間的預熱，使其達到一個穩(wěn)定的溫度狀態(tài)。預熱處理不僅可以減少檢定過程中因溫度波動引起的誤差，還能提高檢定的效率。通過對千分尺進行恒溫處理，無論是使用恒溫箱、恒溫臺的，還是通過預熱設備提前調(diào)節(jié)溫度，都能有效控制溫度對檢定結(jié)果的影響。

4.4 溫度補償及修正誤差

在檢定千分尺這類精密測量工具的過程中，控制溫度對測量結(jié)果的影響至關重要。為此，采用溫度補償及修正誤差的方法是一種有效的策略，可以顯著提高檢定的準確性和可靠性。為了在千分尺的長度計量檢定中減少溫度的影響，采取溫度補償措施是有效的方法。在檢定設備上安裝溫度傳感器，實時監(jiān)測千分尺及其周圍環(huán)境的溫度變化，通過這種方式可以捕捉到影響測量結(jié)果的溫度波動，并據(jù)此進行相應的補償。亦可選擇使用熱膨脹系數(shù)較小的材料來制造千分尺的基座和標準件，即使在溫度發(fā)生變化時，這些部件的尺寸變化也會被最小化，從而保證了測量的穩(wěn)定性和準確性。當面對溫度敏感的千分尺時，根據(jù)千分尺材料與溫度變化之間的關系，對測量結(jié)果進行適當?shù)男拚彩潜匾摹脺囟妊a償公式，根據(jù)實時監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)調(diào)整測量結(jié)果，可以有效減小由于溫度變化引起的誤差。具體實施溫度補償?shù)牟襟E包括，確定千分尺的溫度變化對測量結(jié)果的影響程度，依據(jù)監(jiān)測到的溫度變化數(shù)據(jù)，運用適當?shù)臏囟妊a償公式對測量結(jié)果進行調(diào)整，最后驗證修正后的結(jié)果是否符合預期標準，必要時進行修正參數(shù)的調(diào)整，直至滿足準確度要求。

4.5 合理規(guī)劃空調(diào)位置

合理規(guī)劃空調(diào)位置是減小或消除長度計量檢定中溫度影響的有效對策，在長度計量檢定實驗室中，空調(diào)的位置布置對維持穩(wěn)定的溫度環(huán)境至關重要。在進行千分尺的長度計量檢定時，合理規(guī)劃空調(diào)的位置布置顯得尤為重要。應避免將空調(diào)設備安裝在靠近千分尺和其他測量設備的地方，以防止空調(diào)運行產(chǎn)生的熱氣直接影響到測量區(qū)域，引起溫度波動。空調(diào)出風口的位置選擇也需謹慎考慮，確保出風口不直接對著千分尺或測量區(qū)域吹風。由于空調(diào)直接吹風會導致局部溫度變化，這就會在一定程度上影響千分尺的測量結(jié)果準確性，合理的出風口位置可以幫助實現(xiàn)更均勻的空氣流動，避免造成實驗室內(nèi)部的溫度梯度。關注空調(diào)設備的制冷能力和穩(wěn)定性，確保其能夠及時且有效地維持實驗室溫度在預設的穩(wěn)定范圍內(nèi)定期對空調(diào)設備進行維護保養(yǎng)和清潔，是保證其正常運行和良好制冷效果的必要措施，進一步保障實驗室溫度環(huán)境的穩(wěn)定性。

科學合理地規(guī)劃空調(diào)位置和確保空調(diào)系統(tǒng)的高效運行可以有效減小實驗室溫度波動對千分尺長度計量檢定的影響，提高檢定過程中的測量準確性和穩(wěn)定性。對環(huán)境控制的細致關注有助于優(yōu)化實驗室的測量環(huán)境，提升測量工作的效率和準確度。

4.6 加強人員培訓，降低人為誤差

加強人員培訓可以幫助減少人為誤差，提高測量準確性和穩(wěn)定性。可通過引入虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)進行人員培訓，利用模擬環(huán)境讓操作人員在虛擬場景中進行溫度計量檢定操作，以提高其對溫度影響因素的認識和應對能力。創(chuàng)新型的培訓方式能夠讓操作人員更直觀地理解溫度變化對測量結(jié)果的影響，培養(yǎng)其靈敏度和應變能力。

結(jié)合人工智能技術(shù)，開發(fā)智能輔助培訓系統(tǒng)，為操作人員提供個性化的學習路徑和實時反饋。該系統(tǒng)可以根據(jù)操作人員的實際表現(xiàn)和反饋數(shù)據(jù)，針對性地調(diào)整培訓內(nèi)容和方式，幫助他們更好地理解和應對溫度影響帶來的誤差，提高測量準確性。還可以利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)對操作人員在實際操作中的表現(xiàn)進行深入分析，發(fā)現(xiàn)并糾正潛在的人為誤差和操作不當，進一步提升操作人員的技能水平。建立定期的專業(yè)知識培訓和交流平臺，邀請行業(yè)專家就溫度影響下的長度計量檢定進行講解和指導，鼓勵操作人員分享實際經(jīng)驗和案例，促進經(jīng)驗共享和技能提升。交流平臺的建立有助于將實踐經(jīng)驗與專業(yè)知識相結(jié)合，使操作人員在面對溫度影響時能夠更加從容應對，減少人為誤差的發(fā)生。

5 結(jié)束語

由文章研究可知，長度計量檢定中溫度波動會對測量結(jié)果造成顯著影響，導致準確性下降。為應對此問題需采取有效對策，諸如規(guī)范環(huán)境溫度、定期檢定設備、提高人員技能和利用先進技術(shù)。這些措施的有效實施能夠在一定程度上減少溫度變化對測量結(jié)果的干擾，提高長度計量檢定的可靠性和準確性。