陳誼麗

（計(jì)量檢定測試所 湖北 荊門 448000）

1 引言

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

2 關(guān)于長度計(jì)量檢定

長度計(jì)量檢定擁有悠久的歷史，在計(jì)量領(lǐng)域當(dāng)中是最基本的計(jì)量項(xiàng)目，實(shí)際也是最常見的，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用尤其廣泛，在各個(gè)級別的計(jì)量機(jī)構(gòu)當(dāng)中都占有重要地位。目前長度計(jì)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(jì)量檢定儀器。

2.1 長度計(jì)量工具

現(xiàn)階段，在長度計(jì)量所使用的工具方面，有很多種類別，如計(jì)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(biāo)準(zhǔn)多刻線樣板等。還有游標(biāo)類量具如游標(biāo)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(biāo)測量儀器以及測微儀等。

2.2 長度計(jì)量基準(zhǔn)

在物理量中，長度是最基本的一個(gè)，在長度計(jì)量中一般以米（SI基本單位之一）為基本單位，在很多導(dǎo)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(shí)間內(nèi)行程的長度。這一點(diǎn)體現(xiàn)長度計(jì)量的基本性，長度單位是否準(zhǔn)確在很大程度上決定導(dǎo)出計(jì)量基準(zhǔn)的準(zhǔn)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(shù)對測量精確度的影響很大，在《長度計(jì)量基準(zhǔn)研究》一文中對此進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究。

量塊很十分實(shí)用且精度高的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)，在傳遞中，基準(zhǔn)一般是He-Ne激光波長。結(jié)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(shí)際上激光波長并不能直接運(yùn)用，需要和激光干涉儀結(jié)合使用，才能保證其發(fā)揮效用。

2.3 長度計(jì)量誤差

在長度計(jì)量當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)的長度計(jì)量規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)，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(guān)于溫度對長度計(jì)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(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)中明確要求注意環(huán)境溫度，就是因?yàn)樵陂L度計(jì)量檢定中，溫度的影響巨大。比如在光學(xué)計(jì)上檢定一個(gè)量塊，對好零位，用手觸摸量塊，此時(shí)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(dāng)進(jìn)行長度計(jì)量時(shí)，溫度與相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定溫度有較大偏差時(shí)，被測量對象的的尺寸就會發(fā)生變化，測量出的結(jié)果如果沒有相應(yīng)措施，就會導(dǎo)致結(jié)果誤差大。

3.1 溫度與長度的關(guān)系

為研究溫度與長度之間的關(guān)系，筆者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)研究資料對《長度計(jì)量概述》一文中提到的公式進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)證明該公式是正確的，能比較準(zhǔn)確的反應(yīng)溫度與長度之間的關(guān)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度，對于不同的長度計(jì)量項(xiàng)目有一個(gè)明確的允許偏差，如上文對JJG21的闡述。這個(gè)公式不僅可以代表被測物體溫度與長度變化的關(guān)系，也在量具溫度同時(shí)發(fā)生變化時(shí)具有一定代表性。因此可以將上述公式進(jìn)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(jì)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(jì)量過程中，銅軸溫度40攝氏度，與標(biāo)準(zhǔn)溫度相差20攝氏度，顯然不符合標(biāo)準(zhǔn)，外徑千分尺溫度為15攝氏度，溫度差距勉強(qiáng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(shí)雖然還有溫度誤差，但已經(jīng)減小到24μm。

3.2 溫度對長度計(jì)量的影響

以上述公式來分析，當(dāng)物體或量具的溫度均為20攝氏度時(shí)，尺寸變化為零，也就是沒有溫度誤差，當(dāng)物體與量具溫度一樣但不為20攝氏度時(shí)，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?yàn)?，材料不同，各自的線脹系數(shù)可能有差別）。此時(shí)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(dāng)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(zhǔn)來定。從此處的分析可以推斷，溫度是否對長度計(jì)量產(chǎn)生影響，有一個(gè)十分重要的要素——線脹系數(shù)。所謂線脹系數(shù)，當(dāng)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(guān)，不同材料對應(yīng)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(shí)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(jié)論，當(dāng)被測物體與量具在實(shí)驗(yàn)室條件下（即溫度20攝氏度，并符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)室內(nèi)溫度下（即與標(biāo)準(zhǔn)溫度偏差較大時(shí)），此時(shí)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(dá)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(shí)就可以盡可能的避免出現(xiàn)溫度誤差。

綜上，在長度計(jì)量檢定當(dāng)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(guān)鍵還是要達(dá)到溫度平衡，盡可能使被測物體與量具材質(zhì)一致。從當(dāng)前長度計(jì)量檢定技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，顯然還需要持續(xù)進(jìn)行研究，目前比較好實(shí)現(xiàn)的是改進(jìn)測量技術(shù)控制溫度達(dá)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(jì)量的影響

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

首先，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中要求環(huán)境溫度要以20攝氏度為基準(zhǔn)，并保證溫度變動范圍在允許的偏差范圍之內(nèi)。所有在進(jìn)行長度計(jì)量檢定時(shí)，必須控制環(huán)境溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求。一般情況下，這種方法適用實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)橹挥袑?shí)驗(yàn)室環(huán)境下才有條件實(shí)現(xiàn)完善的保溫以及恒溫措施。當(dāng)實(shí)驗(yàn)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(dāng)然這是對于適用上述公式（2）的長度計(jì)量檢定項(xiàng)目而言的。除此之外，可以通過研發(fā)、應(yīng)用先進(jìn)的測量儀器，盡可能降低線脹系數(shù)的影響，甚至達(dá)到線脹系數(shù)完全不影響的狀態(tài)，此時(shí)就只需要控制溫度，保證溫度平衡即可。

其次，目前要實(shí)現(xiàn)溫度平衡，或者實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度，可以利用空調(diào)來實(shí)現(xiàn)。對于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境應(yīng)對空調(diào)的安裝位置進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃，利用空調(diào)來調(diào)節(jié)溫度。但實(shí)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?yàn)橐_保在計(jì)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(yīng)選擇控溫能力更強(qiáng)的變頻空調(diào)。但要注意，空調(diào)在調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度時(shí)，其吹出的冷風(fēng)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(fēng)直吹被測物體以及量具。因此重點(diǎn)還是規(guī)劃好安裝位置，使室內(nèi)形成一個(gè)比較好的風(fēng)循環(huán)環(huán)境，使環(huán)境溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求并保持這一溫度。同時(shí)要注意，在進(jìn)行長度計(jì)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(gè)時(shí)間，同時(shí)被測物體和量具要達(dá)到環(huán)境溫度，并保持恒溫，還需要一段比較長的時(shí)間，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)這個(gè)時(shí)間一般能夠達(dá)到4小時(shí)。所以在計(jì)量前要提前準(zhǔn)備，合理調(diào)配空調(diào)的開關(guān)時(shí)間。

第三，如果環(huán)境溫度達(dá)不到要求，一般這種情況是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境外進(jìn)行的測量項(xiàng)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(guān)鍵點(diǎn)同樣在于實(shí)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(shí)間，使溫度均衡。當(dāng)然無論是不是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的計(jì)量，都需要注意一個(gè)細(xì)節(jié)，即盡可能避免人手的溫度產(chǎn)生的影響，而且在計(jì)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(jié)語

以目前長度計(jì)量檢定技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看，長度計(jì)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(jì)量精度的影響只是其中一個(gè)比較重要的因素，但也是不容忽視的一個(gè)影響因素。以現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及測量技術(shù)來看，可以通過一些措施，使誤差盡可能小，并符合標(biāo)準(zhǔn)的允許誤差要求，這些措施的核心就是溫度平衡。

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