校準與校準規范
王為農
隨著經濟的發展，校準活動在計量工作中的比重越來越大，國際上對校準的認識也在不斷發展。《國際計量學基本和通用術語》(International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology)以及JJF1071-2000《國家計量標準規范編寫規則》的修訂，進一步對正確認識校準概念和校準規范起到了推動作用。
一、校準
《國際計量學基本和通用術語》(第三版,VIM2008)中校準的定義大致如下(見圖1):
<CTSM> 圖1</CTSM>
校準是在規定條件下的一組操作，第一步，建立測量標準量值及其不確定度與(計量器具的)示值及其不確定度之間的關系；第二步，利用這些信息，建立一個關系，以通過(計量器具的)示值獲得測量結果。
本文使用了計量器具作為測量儀器和實物標準器、標準物質等的總稱。
校準的目標是測量結果可以溯源，保證測量結果的量值統一。操作分兩步完成，第一步在校準實驗室完成，第二步在測量儀器用戶處完成。
以量塊為例，量塊的計量特性包括:量塊的長度、測量面的研合性、長度變動量、長度穩定性、線膨脹系數。
設定這5個計量特性，是實現符合校準定義的必要條件:
1.量塊的長度定義了量塊在標準條件下的量值。量塊的價值就是提供一個穩定的面與面之間的距離，為長度的量值傳遞提供了使用中簡便但準確度很高的工具。準確地說，量塊的長度是量塊測量面中心在20℃條件下到另一個測量面之間的長度。
2.量塊在使用時，可能需要多個量塊進行組合，提供一個接近被測量值的長度，以進行比較測量。量塊測量面的研合性檢查可以發現量塊組合使用可能引入的不確定度。
3.長度變動量是量塊使用時測量點偏離量塊測量面中心條件下出現的量值變化區間，為評估偏離定義位置使用量塊引入的不確定度分量提供信息。
4.長度穩定性是量塊在一定周期內量值的變化區間，為評估復校周期內量塊由于長時間使用可能引入的不確定度分量提供信息。
5.提供線膨脹系數信息，以便在量塊使用環境溫度偏離20°C時，進行量塊熱膨脹的修正，同時也為評估溫度偏離引入的不確定度分量提供信息。
設定這5個計量特性，也是實現符合校準定義的充分條件。對比JJG146-2003《量塊》檢定規程，其中列出下列9個計量特性:
(1)截面尺寸和連接孔；(2)側面的平面度、側面對測量面和側面之間的垂直度、平行度和倒角；(3)表面粗糙度；(4)測量面的平面度；(5)測量面的研合性；(6)測量面的硬度；(7)量塊的長度和長度變動量；(8)長度的穩定性；(9)線膨脹系數。
其中，(5)、(7)、(8)、(9)就是前述的5項計量特性。而(1)、(2)一般不直接影響測量結果。(3)、(4)影響研合性，研合性的檢查結果包含這兩項檢查結果的影響。(6)硬度的測試不是為了硬度的量值溯源，而是間接地控制量塊的穩定性，而穩定性檢查包含硬度的影響。
因此，量塊校準中檢查前述5項計量特性，可以為使用量塊作為標準器的測量結果提供足夠的信息。同時，所有這5項都可以直接與計量標準的量值進行比較，或用與計量標準比較的數據進行計算獲得校準結果，符合校準的定義；校準數據對于進行定義中的第二步——評估測量結果的不確定度，具有引用價值。
二、校準規范
校準規范通過一定的審批程序，在一定的范圍內，為計量器具的量值統一提供技術支持。
校準規范首先要界定針對哪種計量器具。
由于技術的發展，許多計量器具出現了各種變化，這些變化沒有改變儀器的功能，但量程、分辨力和準確度卻得到巨大提升。
校準規范應該將具有相同計量功能的計量器具進行歸類，提出表述其計量性能的計量特性，規定校準方法，使不同準確度的計量器具具有相同的計量性能表述方法，實現計量學意義上的量值統一。
反之，如果具有相同計量功能的計量器具，由于其非核心的技術變化，編制了多個內容不同的校準規范，對計量器具形成不同的計量性能表述，則由于校準結果無法進行量值的等效對比，可能造成量值的混亂，形成最終產品的質量爭議。
校準規范的核心是對特定計量器具的校準工作給出指南，規定全面而不重復的(必要的和充分的)關鍵計量特性組合，保證對其計量性能的全面評價，可以利用校準證書提供的數據評定測量結果的不確定度。
JJF1071-2010與舊版的關鍵變化在于，不再要求校準規范中對計量器具進行準確度等級劃分。
校準規范規定了計量器具應該評定的計量特性組合，不規定校準的環境條件和測量標準的要求，并不是對校準實驗室沒有技術要求。校準實驗室開展計量器具的校準工作，給出的校準結果必須滿足客戶的需求，即校準結果的不確定度應優于客戶對計量器具計量要求的1/4(至少應達到1/3)。校準實驗室在明確了開展校準應準備的項目后，必須自行考慮環境條件和計量標準設備的要求，以實現其目標不確定度，形成實驗室的校準測量能力(CMC)。
在校準實驗室的計量標準考核和實驗室認可活動中，校準實驗室依據校準規范設定的校準項目，為開展這些校準項目自行設定實驗室環境和設備的條件，以這些條件為基礎進行的不確定度評定報告，校準測量能力的比對結果或測量審核報告，都是該校準實驗室證明自身能力的依據，是評審員進行評審的重點。
三、校準規范中的測量不確定度評定示例
在JJF1071-2010中，明確要求提供一個測量不確定度評定示例。測量不確定度評定示例的編寫，要求對執行該校準規范中的一個特定校準過程進行詳細的描述，并在此基礎上進行不確定度評定。
測量不確定度評定示例應包括下列幾個部分:
(1)被校計量器具的描述，包括其測量范圍、名義值和目標準確度參數等。(2)環境條件。(3)計量標準設備及準確度數據。(4)不確定度分量評估、靈敏系數表。(5)合成標準不確定度及擴展不確定度。
不確定度示例是校準規范編寫過程中試驗報告的基礎。試驗報告的目的是驗證該示例的不確定度評定結果的正確性。
因此，這個示例是一個嚴謹的示例，使用該校準規范的實驗室甚至可以根據該示例準備實驗室，并達到該不確定度水平。另一方面，示例只是一個典型儀器和特定條件下的不確定度評定結果。一個校準實驗室，開展的校準工作覆蓋一定的范圍，這個特定的示例不能代表實驗室的校準測量能力。實驗室必須根據本實驗室的實際情況，參照校準規范提供的示例，分析本實驗室“人、機、料、法、環”對校準結果的影響，確定實驗室的校準測量能力。
四、總結
目前，在國際大環境的影響下，檢定、校準兩種計量器具管理模式并存。校準工作的管理體系與國際接軌，保持與國際公認方法的一致性，對于增強我國產品質量的國際互認具有支撐作用。
校準是計量器具管理中的一個關鍵技術環節。校準結果是用戶對計量器具進行計量確認的依據。通過對規定計量特性組合的校準，應該為計量器具用戶提供足夠的信息，使用戶了解計量器具達到什么樣的準確度，在具體使用條件下，測量結果能夠實現什么樣的準確度。
校準規范編寫規則的變化，將使發布的國家計量校準規范更加與國際接軌，從技術的角度也更加嚴謹。新的校準規范為實驗室提供了更多的可能性去適應市場的需求，但也提出了更高的要求:校準實驗室需要自行確定市場定位、自行裝備實驗室，并自行對發布的校準測量能力負責。
作者單位【中國計量科學研究院】
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