梁警飛

（廣東省陽(yáng)江市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東 陽(yáng)江 529500）

0 引言

大部分專用研制設(shè)備是把多種具有不同功能的控制或者測(cè)試設(shè)備集成在一個(gè)設(shè)備中，該設(shè)備專門(mén)用于實(shí)現(xiàn)某些功能或多種程序的控制，設(shè)備應(yīng)用面一般比較窄。

專用設(shè)備和一般的通用測(cè)試儀器有所不同，它主要的特點(diǎn)是首先它大多是為了實(shí)現(xiàn)某些不常見(jiàn)、不常用的功能而被設(shè)計(jì)出來(lái)的，所以它的測(cè)量對(duì)象比較單一，用途窄。在各行各業(yè)的生產(chǎn)中，由于需要測(cè)量的參數(shù)多種多樣，所以專用測(cè)試設(shè)備有被設(shè)計(jì)成各種各樣的情況（如為了測(cè)試某種刀具的鋒利度，而設(shè)計(jì)出鋒利度測(cè)試儀），這也導(dǎo)致專用設(shè)備的校準(zhǔn)方法變得比較復(fù)雜，主要體現(xiàn)在專用設(shè)備性能各異，一般沒(méi)有現(xiàn)成可用的檢定規(guī)程和校準(zhǔn)方法，需要按照測(cè)量的參數(shù)編制專門(mén)的校準(zhǔn)方法。

專用測(cè)試設(shè)備一般都是由幾個(gè)特定功能的測(cè)量模塊組成，有時(shí)還需要設(shè)計(jì)出特定的控制程序來(lái)控制設(shè)備，主要用于測(cè)量特定的量，有些專用測(cè)試設(shè)備只有在特定的環(huán)境中才能發(fā)揮測(cè)試作用，離開(kāi)了特定環(huán)境就失去其測(cè)試的意義[1]。如在鋼鐵行業(yè)中，由于工序繁雜且環(huán)境條件比較苛刻，就需要數(shù)量較多的專用設(shè)備來(lái)輔助生產(chǎn)。

1 設(shè)備檢定校準(zhǔn)的必要性

設(shè)備為什么需要檢定校準(zhǔn)？?jī)x器在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，一些零部件會(huì)損壞或者發(fā)生老化等情況，導(dǎo)致儀器參數(shù)不準(zhǔn)確，而檢定校準(zhǔn)是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，它的目的是保證儀器的準(zhǔn)確性和精度，確保所得到的測(cè)試結(jié)果是可靠的和準(zhǔn)確的。在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域，儀器的準(zhǔn)確性和精度至關(guān)重要，因?yàn)檫@些儀器使用后的測(cè)量結(jié)果直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、人們的健康以及環(huán)境的安全。

儀器檢定校準(zhǔn)是保證儀器準(zhǔn)確和精度的重要手段，可以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，提高工作效率，延長(zhǎng)儀器的使用壽命，同時(shí)也是保護(hù)人們健康和環(huán)境安全的必要措施。因此，對(duì)于需要頻繁使用儀器的領(lǐng)域，例如科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域，儀器校準(zhǔn)都顯得非常重要。

在校準(zhǔn)的過(guò)程中，專用測(cè)試設(shè)備和一般通用測(cè)量?jī)x器一樣，要校準(zhǔn)設(shè)備的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度是指測(cè)量?jī)x器給出接近于真值相符合的程度，準(zhǔn)確度只是一個(gè)定性概念而無(wú)定量表達(dá)。測(cè)量誤差的絕對(duì)值大，其準(zhǔn)確度低。但準(zhǔn)確度不等于誤差，對(duì)于測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度，則還有級(jí)別或等級(jí)的表述。穩(wěn)定性是指測(cè)量?jī)x器的計(jì)量特性隨時(shí)間不變化的能力，是指在規(guī)定的檢定校準(zhǔn)周期內(nèi)測(cè)量性能保持穩(wěn)定基本不變的特性[2]。對(duì)于測(cè)量?jī)x器，穩(wěn)定性是重要的計(jì)量性能之一，示值的穩(wěn)定是保證量值準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生不穩(wěn)定的因素很多，主要原因是元器件的老化、零部件的磨損、以及使用、貯存、維護(hù)工作不仔細(xì)等所致，穩(wěn)定性是科學(xué)合理地確定檢定校準(zhǔn)周期的重要依據(jù)之一。

2 專用設(shè)備校準(zhǔn)方法

由于專用測(cè)試設(shè)備具備一定的特殊性，具體校準(zhǔn)方法在不同的設(shè)備之間也存在較大的差異，在專用測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)之初，可以在運(yùn)行控制系統(tǒng)上設(shè)計(jì)設(shè)備的內(nèi)檢程序，在設(shè)備開(kāi)機(jī)時(shí)，內(nèi)檢程序開(kāi)始運(yùn)行，自動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)備的部分參數(shù)是否正常，設(shè)備校準(zhǔn)一般可以按照如下步驟。

（1）確定校準(zhǔn)對(duì)象。儀器校準(zhǔn)需要首先明確校準(zhǔn)對(duì)象，即被校準(zhǔn)儀器的名稱、型號(hào)、規(guī)格等信息。同時(shí)，在選擇校準(zhǔn)方法時(shí)也需要了解該儀器的工作原理、測(cè)量精度、測(cè)量范圍等特性。

（2）確定校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)是指被用來(lái)與被校準(zhǔn)儀器進(jìn)行比較的標(biāo)準(zhǔn)儀器。通常使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器要比被校準(zhǔn)儀器更準(zhǔn)確和穩(wěn)定，這些標(biāo)準(zhǔn)儀器的校準(zhǔn)證書(shū)應(yīng)該是有效的。校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的選擇應(yīng)該與被校準(zhǔn)儀器的特性相匹配。

（3）進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過(guò)程包括對(duì)被校準(zhǔn)儀器和校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)儀器的讀數(shù)進(jìn)行比較，以確定被校準(zhǔn)儀器的誤差。這個(gè)過(guò)程需要考慮各種誤差源，例如溫度、濕度、電源電壓等環(huán)境因素，并進(jìn)行相應(yīng)的修正。

（4）校準(zhǔn)結(jié)果的記錄和分析。校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)該在校準(zhǔn)證書(shū)上進(jìn)行記錄，包括校準(zhǔn)日期、校準(zhǔn)人員、校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)結(jié)果。校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)該進(jìn)行分析，以確定是否滿足所要求的精度和精確度，或者是否需要校準(zhǔn)或調(diào)整。

（5）定期校準(zhǔn)。為確保儀器的精度和可靠性，定期校準(zhǔn)是必須的。校準(zhǔn)周期應(yīng)該根據(jù)使用情況和被測(cè)量的穩(wěn)定性進(jìn)行確定。

下文總結(jié)出幾種不同的校準(zhǔn)方法。

2.1 直接校準(zhǔn)法

如果專用設(shè)備輸出的參數(shù)是比較常見(jiàn)的參數(shù)，能夠用現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備直接檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)室就可以查閱相關(guān)資料，看看是否能夠參考現(xiàn)行有效的校準(zhǔn)方法來(lái)校準(zhǔn)設(shè)備。如果沒(méi)有現(xiàn)行有效的校準(zhǔn)方法，實(shí)驗(yàn)室可以和客戶溝通，編制出合適的經(jīng)過(guò)客戶認(rèn)可的校準(zhǔn)方法，來(lái)校準(zhǔn)專用設(shè)備，編制的校準(zhǔn)方法應(yīng)該通過(guò)本機(jī)構(gòu)相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人審核通過(guò)。如校準(zhǔn)刀具刀具鋒利度檢測(cè)儀，該儀器輸出參數(shù)只要有負(fù)載力、切割速度、切割位移，通過(guò)用相關(guān)儀器設(shè)備直接測(cè)量檢測(cè)儀的輸出參數(shù)是否正常，直接校準(zhǔn)某專用設(shè)備如圖1 所示。

圖1 直接校準(zhǔn)某專用設(shè)備

2.2 分部校準(zhǔn)法

這種方法一般適合于專用設(shè)備中被測(cè)參數(shù)比較多且互不影響、相對(duì)獨(dú)立的，各參數(shù)測(cè)量模塊也相互獨(dú)立的專用測(cè)試設(shè)備。用不同的儀器設(shè)備不同的校準(zhǔn)方法對(duì)研制設(shè)備的每項(xiàng)指標(biāo)單獨(dú)詳細(xì)校準(zhǔn)和檢測(cè)，得出結(jié)果數(shù)據(jù)，通過(guò)分析數(shù)據(jù)來(lái)確定專用設(shè)備是否滿足使用要求。例如，某專用設(shè)備被測(cè)參數(shù)有電源、參考源、靈敏度、占空比測(cè)試，A/D 轉(zhuǎn)換等，系統(tǒng)組成如圖2 所示。在校準(zhǔn)過(guò)程中可以對(duì)電源、參考源、靈敏度、占空比、A/D轉(zhuǎn)換等分布校準(zhǔn)，達(dá)到了校準(zhǔn)的目的。

圖2 某組件測(cè)控系統(tǒng)組成

2.3 比對(duì)法

當(dāng)專用測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量以上時(shí)，可以應(yīng)用比對(duì)法，即用數(shù)臺(tái)專用測(cè)試設(shè)備檢測(cè)同一穩(wěn)定的儀器，對(duì)比檢定結(jié)果，確定測(cè)試設(shè)備是否正常。當(dāng)檢定結(jié)果大致相同時(shí)，說(shuō)明參加測(cè)試的數(shù)臺(tái)專用設(shè)備輸出參數(shù)正常，當(dāng)其中有結(jié)果數(shù)據(jù)與其他結(jié)果數(shù)據(jù)相差較大時(shí)，說(shuō)明該臺(tái)專用設(shè)備輸出數(shù)據(jù)不正常，用比對(duì)法來(lái)測(cè)量專用儀器是否正常時(shí)不需要另外的檢定校準(zhǔn)儀器，能夠節(jié)省成本。但是隨著對(duì)儀器測(cè)試精確度要求的提高，這種測(cè)量方法的局限性也會(huì)暴露出來(lái)，有時(shí)數(shù)臺(tái)專用儀器的輸出結(jié)果都相差較大，所以不能確定那臺(tái)專用設(shè)備是正常的，當(dāng)需要輸出的信號(hào)較多時(shí)，采用此方法耗時(shí)較長(zhǎng)[3]。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)法

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)法是最常用的儀器校準(zhǔn)方法之一。該方法使用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來(lái)校準(zhǔn)儀器。對(duì)于化學(xué)分析儀器，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可以是標(biāo)準(zhǔn)溶液或標(biāo)準(zhǔn)氣體，通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度，可以計(jì)算出儀器的誤差，校準(zhǔn)儀器是否準(zhǔn)確。對(duì)于其他測(cè)量?jī)x器，可以使用標(biāo)準(zhǔn)塊等其他適用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)。

選用校準(zhǔn)方法，需要研究專用測(cè)試設(shè)備的原理、功能、構(gòu)成，了解被測(cè)產(chǎn)品參數(shù)，根據(jù)設(shè)備與產(chǎn)品的特點(diǎn)來(lái)確定校準(zhǔn)方法；對(duì)一臺(tái)專用測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)，有可能需要用到上述方法中的幾種。所有校準(zhǔn)工作的目的只有一個(gè)：通過(guò)校準(zhǔn)驗(yàn)證專用測(cè)試設(shè)備的準(zhǔn)確性，保證產(chǎn)品量值可以溯源。解決校準(zhǔn)問(wèn)題的各個(gè)環(huán)節(jié)如圖3 所示，設(shè)備的校準(zhǔn)問(wèn)題應(yīng)該在設(shè)備開(kāi)始立項(xiàng)設(shè)計(jì)階段就開(kāi)始考慮，不能在設(shè)備研制出來(lái)后才考慮校準(zhǔn)問(wèn)題，這樣往往使檢定校準(zhǔn)變得異常困難。如有些醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的腕式血壓計(jì)，在醫(yī)療衛(wèi)生中應(yīng)用的血壓計(jì)屬于強(qiáng)檢設(shè)備，由于這種腕式血壓計(jì)體積較小，也沒(méi)有在設(shè)備外面預(yù)留檢定需要的進(jìn)氣口，使得需要檢定該類型血壓計(jì)時(shí)需要對(duì)血壓計(jì)進(jìn)行拆卸，檢定校準(zhǔn)就變得困難。

圖3 解決校準(zhǔn)問(wèn)題的各個(gè)環(huán)節(jié)

3 專用設(shè)備校準(zhǔn)的問(wèn)題

專用測(cè)試設(shè)備由于大部分都沒(méi)有國(guó)家檢定規(guī)程或者校準(zhǔn)規(guī)范，所以校準(zhǔn)工作一般較為復(fù)雜，需要考慮多種因素[4]。校準(zhǔn)中的環(huán)境條件要符合設(shè)備的使用要求，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境很容易影響校準(zhǔn)結(jié)果，如溫度、壓力、光照、濕度等。特別是對(duì)于一些對(duì)環(huán)境因素要求較高的儀器，如果在校準(zhǔn)儀器時(shí)沒(méi)有正確處理這些客觀因素，校準(zhǔn)結(jié)果的影響是明顯的。例如，環(huán)境光的控制對(duì)于光學(xué)儀器的校準(zhǔn)非常重要?；蛘邿o(wú)塵車間的檢測(cè)對(duì)空氣中的顆粒濃度有嚴(yán)格要求。有時(shí)在實(shí)際的儀器校準(zhǔn)中，我們還需要考慮一些系統(tǒng)誤差或合理誤差的影響。如有必要，還將在校準(zhǔn)證書(shū)中引用校正系數(shù)和其他數(shù)據(jù)。

校準(zhǔn)過(guò)程中也存在人為錯(cuò)誤的問(wèn)題，這種錯(cuò)誤主要存在于儀器校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)人員的經(jīng)驗(yàn)中，這通常是一些缺乏經(jīng)驗(yàn)的工程師會(huì)遇到的問(wèn)題。由于儀器校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)果主要由人記錄，人員缺乏實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)、操作錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤等都會(huì)導(dǎo)致實(shí)際儀器校準(zhǔn)結(jié)果出現(xiàn)問(wèn)題。所以在日常檢定校準(zhǔn)工作中要加強(qiáng)人才培養(yǎng)，組織員工定期參加各類培訓(xùn)，提高員工的專業(yè)知識(shí)水平。例如在建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)前要組織相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)學(xué)習(xí)，取得培訓(xùn)合格證明，還可以積極參加各類比對(duì)活動(dòng)，提升人員的技術(shù)能力。

由于專用設(shè)備大多都沒(méi)有校準(zhǔn)規(guī)范，所以校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)在制定校準(zhǔn)方法時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況。在儀器校準(zhǔn)方法的非標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)使用情況下，由于理論基礎(chǔ)不夠嚴(yán)謹(jǐn)，導(dǎo)致測(cè)量過(guò)程中缺乏反映數(shù)據(jù)，導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤，如萬(wàn)用表校準(zhǔn)、測(cè)量電路中高電阻電阻兩端的電壓，由于萬(wàn)用表電壓范圍內(nèi)的電阻相對(duì)較低，會(huì)發(fā)生分流，導(dǎo)致檢測(cè)錯(cuò)誤。實(shí)驗(yàn)室編寫(xiě)一份可行的、具有可操作性的校準(zhǔn)方法時(shí)，應(yīng)通過(guò)專家評(píng)審后才能實(shí)行。

校準(zhǔn)周期的確定需要各種專業(yè)知識(shí)，考慮多種因素。若超過(guò)一個(gè)周期，可能引起質(zhì)量特性的惡化，那是由于機(jī)械磨損、灰塵、性能和實(shí)驗(yàn)頻次等所致。對(duì)這些因素變化的敏感性取決于測(cè)量?jī)x器的類型。質(zhì)量好的，可能受的影響小一些；質(zhì)量不好的，可能受的影響大一些。因此，各個(gè)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，確定專用測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)周期。

4 不確定度分析

測(cè)量不確定度是與測(cè)量結(jié)果關(guān)聯(lián)的一個(gè)參數(shù)，用于表征合理賦予被測(cè)量的值的分散性。它可以用于“不確定度”方式，也可以是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差（或其給定的倍數(shù)）或給定置信度區(qū)間的半寬度。該參量常由很多分量組成，它的表達(dá)（GUM）中定義了獲得不確定度的不同方法[5]。

在對(duì)專用測(cè)試設(shè)備進(jìn)行不確定度分析時(shí)，除了按照《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》（JJF 1059.1—2012）的要求來(lái)評(píng)定不確定度，還需要考慮到各個(gè)參數(shù)和環(huán)節(jié)的各個(gè)分量引入的不確定度，采用A 類評(píng)定還是B 類評(píng)定要根據(jù)實(shí)際情況，測(cè)量不確定的評(píng)定可以簡(jiǎn)單分為以下步驟：①明確被測(cè)量。②建立數(shù)學(xué)模型及識(shí)別不確定的來(lái)源。③量化不確定分量。④計(jì)算合成及擴(kuò)展不確定度。⑤測(cè)量不確定度的報(bào)告與表述。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，測(cè)量不確定度可能來(lái)源于：對(duì)被測(cè)量的定義不完整或不完善；實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的定義的方法不理想；取樣的代表性不夠，即被測(cè)量的樣本不能代表所定義的被測(cè)量；對(duì)環(huán)境條件的測(cè)量與控制不完善；對(duì)模擬儀器的讀數(shù)存在人為偏移；測(cè)量?jī)x器的不準(zhǔn)或測(cè)量?jī)x器的分辨力、鑒別力不夠；在相同的條件下，被測(cè)量重復(fù)觀測(cè)值的變化等情況。評(píng)定不確定度時(shí)要全面考慮各個(gè)環(huán)節(jié)可能引入的不確定度分量，使評(píng)定過(guò)程更加合理。

5 結(jié)語(yǔ)

專用測(cè)試設(shè)備是為了實(shí)現(xiàn)某些功能而專門(mén)研制的，校準(zhǔn)的目的是為了確保設(shè)備工作正常、保證量值準(zhǔn)確并可以溯源。計(jì)量校準(zhǔn)服務(wù)的對(duì)象是儀器儀表，因此儀器儀表行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)也就決定了計(jì)量校準(zhǔn)行業(yè)的市場(chǎng)容量及發(fā)展趨勢(shì)。專用測(cè)試設(shè)備選用何種方法校準(zhǔn)，需要針對(duì)設(shè)備、產(chǎn)品的不同特點(diǎn)區(qū)別對(duì)待，需要對(duì)設(shè)備、對(duì)產(chǎn)品有一定的了解。如果產(chǎn)品的信號(hào)比較少，相對(duì)獨(dú)立，可以選擇設(shè)備分部分校準(zhǔn)；也可以用通用儀器模擬產(chǎn)品信號(hào)來(lái)校準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備，對(duì)儀器信號(hào)線多，關(guān)系又復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)測(cè)試設(shè)備，采用比對(duì)法比較合適。采用什么樣的校準(zhǔn)方法，需要研究專用測(cè)試設(shè)備的原理、功能、構(gòu)成，了解被測(cè)產(chǎn)品參數(shù)，在日常校準(zhǔn)工作中，應(yīng)努力創(chuàng)造各種條件使其向自動(dòng)校準(zhǔn)和在線實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方向發(fā)展。