如何校準？
為何校準？
何處校準？
何時校準？
何人校準？
? 什么是校準？
“校準”一詞具有不同含義，取決于具體行業(yè)或所使用的配置。在測試測量行業(yè)中，校準具有特定的含義，即在基本水平上將被測設備(DUT)的未知值與標準器的已知值進行比較的行為。人們通常通過校準來確定DUT未知值的誤差或檢定其準確度。例如，您可以在已知沸點(212華氏度)的水中測量DUT溫度計的溫度，以了解該溫度計的誤差，從而實現(xiàn)校準。由于目測確定達到沸點的精確時刻可能并不準確，因此可以通過將經(jīng)過校準的已知精確度的參考溫度計放入水中來驗證DUT溫度計，從而獲得更準確的結果。
校準過程中接下來的合理步驟可能是對儀器進行調整或矯正，以降低測量誤差。從技術上講，調整是獨立于校準步驟。
關于校準的更正式定義，我們建議咨詢位于法國的?BIPM (國際計量局，www.bipm.org)，BIPM是全球測量系統(tǒng)協(xié)調機構，負責確保世界范圍內(nèi)測量的統(tǒng)一。
BIPM維護有一份清單，其中包括了測量和校準中常用的重要技術術語。在這個名為VIM (國際計量學詞匯)的清單中，校準的含義被定義為“一種操作，在規(guī)定條件下，首先確定測量標準的量值及測量不確定度與對應示值及測量不確定度之間的關系，然后利用該信息建立一種能夠根據(jù)示值獲得測量結果的關系?！痹摱x在校準的基本定義之上，闡明了校準中使用的測量標準必須具有已知的不確定度(可能的誤差量)。換句話說，已知數(shù)值必須具有明確的不確定度，以幫助儀器所有者或用戶確定該測量不確定度是否適合校準。
國際單位制(SI) —已知測量標準的最高水平
我們?nèi)绾潍@得已知數(shù)值的測量標準，以便對我們的被測設備進行校準？ 關于這個問題的答案，請參考?國際單位制，其縮寫為“SI”?，由法語“Le Système International d'Unités” 演變而來。SI由七個基本單位組成：即秒、米、千克、安培、開爾文、摩爾和坎德拉。
這七個基本SI單位主要源自于自然界中的不變量，如光速。千克是一個例外，它仍然由一個圓柱形金屬合金工件定義，即?國際千克原器(IPK)或“一千克標準物”，被精心、安全地存放于巴黎的貴重物品保管室的雙層玻璃罩內(nèi)。預計千克的定義很快就會從基于工件變?yōu)榛?a rel="nofollow" target="_blank">普朗克常數(shù)。
有趣的是，一些SI單位的定義隨著時間的推移在不斷改進。例如，一秒這一定義的歷史變化：
- 1874 - 1956：1/(86,400)天
- 1956 - 1967：根據(jù)1750年到1892年間的天文觀測，1900回歸年(歷元)的1 /(31,556,925.9747)的時間
- 1967 - 1997年：銫(Cs)133的兩個超精細能階相對應的1339,192,631,770個輻射周期的持續(xù)時間
- 1997 - 1999：增加了銫原子在接近0 K時為靜止
- 1999 - Present：包括了環(huán)境輻射的修正
根據(jù)最新的定義，一秒是全世界原子鐘的加權平均值。
此處應注意的是，基本SI單位可以按照代數(shù)關系進行組合，以形成校準中重要的導出計量單位，例如壓力(磅/平方英寸或PSI)。此時，壓力取自于基本SI單位米和千克。
SI是根據(jù)1875年在巴黎簽署的“度量衡公約”或“米制公約”而成立的政府間組織而成立的政府間組織度量衡大會(CGPM)的決議而創(chuàng)立?！?米制公約”還創(chuàng)建了一些組織來幫助CGPM，即即國際度量衡委員會(CIPM)，負責討論、檢查和編寫SI報告，供CGPM和BIPM審查，其使命在上文中有提到。您可以在BIPM網(wǎng)站上找到并查看CGPM決議?。如今，CGPM成員國包括所有主要的工業(yè)化國家。
校準的互操作性
讓BIPM在全球范圍內(nèi)管理SI的主要好處是校準的互操作性。這意味著，世界各地都在使用相同的測量系統(tǒng)和定義。這樣，美國的某人在澳大利亞購買一個1歐姆的電阻，并確信按照美國的標準對其進行測量時也為1歐姆，反之亦然。為了實現(xiàn)互操作性，我們需要所有的測量結果都可溯源至同一定義。
校準溯源性金字塔—讓SI進入工業(yè)領域
現(xiàn)在我們有了SI標準器，如何有效且經(jīng)濟地與世界分享？
設想一下，SI位于校準金字塔的頂部，BIPM幫助將SI向下傳遞至國家內(nèi)部的所有使用等級，以促進科學發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新以及工業(yè)制造和國際貿(mào)易。
在SI級之下，BIPM直接與各成員國或國家的國家計量機構(NMI)合作，以促進SI在這些國家的推廣。
美國的NMI是美國商務部下屬的非監(jiān)管性聯(lián)邦機構，?美國國家標準與技術研究院(NIST)。Fluke Calibration與其業(yè)務所及的世界各地的NMI密切合作。您可以在BIPM的NMI頁面上頁面上查看各國的NMI及其他計量組織名單。
由于讓一個國家內(nèi)的每個人都直接與NMI合作是不經(jīng)濟、低效、甚至是不可能的，因此NMI級的校準標準被用來校準原級標準或儀器；然后使用原級標準來校準二級標準；二級標準用于校準工作標準；并使用工作標準來校準過程儀器。通過這種方式，SI標準的標準器可以通過NMI有效且經(jīng)濟地傳遞給校準金字塔，并根據(jù)需要應用至工業(yè)領域。
一些罕見的情況下，SI單位可以由實驗室利用特殊儀器直接實現(xiàn)，通過物理學來實現(xiàn)測量。?量子霍爾歐姆?是這種類型的設備之一。雖然它直接被用于美國的多個校準實驗室，但NMI仍然參與其中，幫助確保設備正確測量。
校準溯源性
從校準金字塔的最低級向上到達SI標準的譜系可被稱為“溯源性”，這是一個重要的校準概念。換句話說，溯源性或可溯源校準意味著該校準是利用經(jīng)過校準的標準器執(zhí)行的，該標準器可通過一個不間斷的鏈條，通過NMI溯源至相關國際單位。校準溯源性也可以被視為校準的譜系證明。
溯源性在測試和測量中也很重要，因為許多技術和質量行業(yè)標準都要求測量設備可溯源。例如，醫(yī)療器械、制藥、航空航天、軍事和國防工業(yè)以及其他許多制造業(yè)都需要可溯源測量。并且，可溯源校準通過確保測量和結果數(shù)據(jù)的正確性，有助于改進過程控制和研究。
與其他校準相關課題一樣，已經(jīng)開發(fā)出許多用于管理和確保校準溯源性的技術要求。提及要求，必須要考慮校準不確定度、校準間隔(校準何時到期？)以及用于確保校準程序中溯源性完好無損的方法。
更多溯源性及其他重要計量概念相關信息，請訪問Fluke Calibration的通用校準和計量相關課題的技術文檔庫?和?計量培訓?頁面。
校準認證
進行校準時，能夠信任執(zhí)行校準的過程非常重要。校準認證提供信任依據(jù)。認證使儀器所有者確信已經(jīng)正確完成校準。
校準認證意味著已經(jīng)對校準過程進行了審核，認為其符合國際認可的技術和質量計量要求。ISO / IEC 17025是認證校準實驗室的國際計量質量標準。
認證服務由經(jīng)認證有資格提供此類服務的獨立組織提供。每個較大的國家通常至少有一個認證服務機構。例如，在美國，全國自愿性實驗室認證體系(NVLAP)?、?A2LA、和?LAB?就是此類認證服務機構。在英國，?英國皇家認可委員會(UKAS)?是認證服務機構。
國際協(xié)議確保某個國家的校準過程得到認可后，來自該過程的任何校準都可以在全球范圍內(nèi)被接受，而不需要任何額外的技術驗收要求。
校準證書
校準實驗室通常隨校準的儀器提供證書。校準證書提供重要信息，使儀器所有者確信該設備已經(jīng)正確校準并有助于展示校準證據(jù)。
校準證書可能包括溯源性聲明或用于校準的校準標準清單、校準產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)、校準日期以及每個測量結果可能合格或不合格的聲明。
校準證書不盡相同，因為并非所有的校準實驗室都遵循相同的行業(yè)標準，并且也可能根據(jù)其所屬的校準金字塔或校準層級結構中的校準位置的不同而有所差異。例如，雜貨店所需的校準證書可能非常簡單，而校準實驗室內(nèi)的精密天平的校準證書可能含有更多的技術內(nèi)容。經(jīng)過認證的校準過程的校準證書有一些非常特殊的要求，可以在國際標準?ISO/IEC 17025中找到。
校準不確定度
根據(jù)上文介紹的校準定義，您可能已經(jīng)注意到，我們使用“不確定度”(可能的誤差量)而不是“準確度”來描述校準過程和結果的能力。在測試和測量行業(yè)，準確度通常用于描述儀器的測量能力。儀器制造商通常希望使用準確度指標來表示使用儀器時可能出現(xiàn)的預期誤差范圍。然而，VIM提出了將“不確定度”作為首選術語來描述儀器的測量指標的指導方針。由于不確定度是討論誤差量時所使用的行話，在校準相關討論中是一個非常重要的概念，因此值得更多關注。
首先介紹其基本定義。不確定度是指真值所在的數(shù)值范圍。例如，如果電壓表的測量不確定度為±0.1V，那么當測量顯示的電壓為10.0V時，真實電壓值可能低至9.9V或高達10.1V。如果0.1 V不確定度的覆蓋率為95%，則10V±0.1V范圍內(nèi)包含真值的置信度就為95 %。幸運的是，大多數(shù)結果都傾向于集中在可能范圍的中間部分，因為隨機不確定性往往遵循高斯分布或呈正態(tài)鐘形曲線。
鑒于上述對不確定度的理解，校準標準器的不確定度必須足夠低，以使用戶充分信任校準結果。校準標準器應具有比被校準設備更低的不確定度(更好的準確度)。例如，利用卷尺來校準精密的千分尺是沒有意義的。同樣，通過與體重秤進行比對來校準高精度貴金屬天平也毫無意義。
作為重要的國際計量標準，?GUM (測量不確定度表示指南)更進一步表述了不確定度的重要性。
“報告物理量的測量結果時，必須給出結果質量的定量指標，以便使用者能夠評估其可靠性。”
GUM指出，沒有標示不確定度的測量結果的質量和可靠性從本質上來說是未知的。
影響校準方程的不確定度因素有很多。我們以校準溫度探頭為例。參考溫度計和校準系統(tǒng)都可能引入不確定度。將各個組件的不確定度相加被稱為不確定度評估。有些評估采用不確定度的估計值，只要不超過一個預算值，可以使用許多不同類型的溫度探頭，因此被稱為“不確定度預算”。
以下是校準不確定度和測量不確定度在我們?nèi)粘Ｉ畎l(fā)揮重要作用的一個例子：在美國，普通汽油泵泵送汽油的不確定度約為±2茶匙(0.003加侖)每加侖。如果少了幾茶匙汽油，沒人會覺得不高興，加油站也不會因為每加侖多給兩茶匙汽油而損失很多錢。但是，如果汽油泵的不確定度為±0.1加侖，那么可以想象這種水平的測量不確定度會有多么不合適。您很可能每加10加侖就少了一加侖汽油。因此，校準和測量中不確定度如此重要的原因，在于它是儀器所有者或進行測量的客戶評估儀器或測量置信度所必不可少的。要求加油站經(jīng)理估計其汽油泵的不確定度可能會是一個有趣的實驗！
多年來，在許多校準過程中已經(jīng)實現(xiàn)了簡單的“4：1 TUR (測試不確定度比)”?；旧险f，校準標準器和DUT之間合適的不確定度關系應為4比1，這意味著參考的測量不確定度比DUT的不確定度小4倍。
校準器
用于校準其他設備的設備有時被稱為校準器。?校準器與其他類型的校準標準器不同，因為其具有內(nèi)置的校準標準器以及有助于校準儀器的有用功能。例如，此處所示的電校準器具有連接器，方便用戶安全地連接被測設備，并具有按鈕和菜單選項，以幫助用戶高效地進行校準。
校準軟件
校準器與校準軟件?配合使用，可使用戶完全自動化地進行校準以及計算校準不確定度。校準軟件可提高校準效率，同時減少程序錯誤和不確定度源。 還有?校準資產(chǎn)管理軟件?，能夠管理校準設備資產(chǎn)。
校準學科
存在許多校準學科，每個學科都具有不同類型的校準器和校準參考。關于可用的校準器和儀器類型，請參見各種Fluke Calibration?校準器及其他校準設備。常見的校準學科包括但不限于：
資源
溫度校準信息?- Fluke Calibration提供的通用溫度校準信息頁面
ISO測量不確定度表示指南(GUM)介紹?- 福祿克首席計量專家Jeff Gust主持的在線點播研討會
如何校準？
根據(jù)儀器類型和所選校準方案，有多種校準儀器的方法。這里介紹兩種通用校準方案：
通過與已知值的源進行比較來進行校準。例如，使用經(jīng)過校準的標準參考電阻器來測量歐姆表就是源校準方案的一個示例。參考電阻器提供(源)已知的歐姆值，即所需的校準參數(shù)。類似電阻器的一種更為復雜的校準源是多功能校準器，該校準器可輸出已知的電阻、電壓和電流值以及其他可能的電氣參數(shù)。也可以通過利用DUT儀器和參考歐姆表來測量未知值的電阻器(未校準)來進行電阻校準。比較兩個測量結果以確定DUT的誤差。
- 比較DUT測量值與經(jīng)過校準的參考標準器的測量值。基于源的校準的一種變體是根據(jù)已知的自然值來源校準DUT，例如像純水之類的物質的化學融化或結冰溫度。
這套基本的校準方案中，校準選項隨著不同的測量學科而擴展。
校準步驟
校準過程的第一個基本步驟是將未知值與已知值進行比較，以確定未知量的誤差或數(shù)值。然而，在實踐中，校準過程可能還包括“調整前”檢定、調整和“調整后”檢定。
校準過程的第一個基本步驟是將未知值與已知值進行比較，以確定未知量的誤差或數(shù)值。然而，在實踐中，校準過程可能還包括“調整前”檢定、調整和“調整后”檢定。 許多測量設備通過物理方式(轉動壓力表上的調整螺絲)、電氣方式(轉動伏特計上的電位計)或通過數(shù)字儀表中的內(nèi)部固件設置進行調整。不可調整的儀器，有時被稱為“原器”，如?如溫度RTD、電阻器和齊納二極管，通常通過特征分析進行校準。通過特征分析進行校準通常涉及某種類型的數(shù)學關系，允許用戶利用儀器獲得經(jīng)過校準的數(shù)值。數(shù)學關系多種多樣，從不同測量水平下計算得出的簡單誤差偏移，如熱電偶?溫度計的不同溫度點，到數(shù)字電壓表中的斜率和截距修正算法，以及非常復雜的多項式，例如用于表征參考標準輻射溫度計的多項式。
任何時候調整儀器都要求進行“調整后”檢定，以確保正確進行調整工作。原器由于無法調整而“按原樣”進行測量，因此不適用“調整前”和“調整后”步驟。
校準專業(yè)人員通過使用已知不確定度、經(jīng)過校準的標準器(借助于校準溯源性金字塔)與被測設備進行比較來進行校準。他們記錄被測設備的讀數(shù)，并將其與參考源的讀數(shù)進行比較，然后進行調整以修正被測設備。
校準示例
假設您利用?高精度溫度計?來控制制藥廠的過程溫度，需要定期對其進行校準，以確保在指定的溫度范圍內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)品。您可以將溫度計送至?校準實驗室?，或者通過購買溫度?校準器?，例如液槽校準器?或?干井校準器自行校準。? 液槽校準器(如Fluke Calibration的6109A型或7109A型便攜式校準恒溫槽)有一個充填有校準液?的溫度控制槽，該恒溫槽與經(jīng)過校準的溫度顯示相連。干井校準器與之類似，但是溫度受控的金屬塊內(nèi)有測量井，該測量井的尺寸與DUT溫度計的直徑相匹配。 校準器已經(jīng)被校準至已知準確度。 將溫度計，即被測設備(DUT)放入至校準器恒溫槽或測量井中，然后記下在溫度計使用范圍內(nèi)分布的一組溫度點下校準器顯示和被測設備之間的差值。通過這種方式，可以驗證溫度計是否與技術指標相符。如果需要調整溫度計，則可以調整溫度計的顯示(如有)，或者可以利用校準結果來確定探頭的新偏移或特征值。如果進行了調整，則需重復校準過程以確保調整正確，并驗證溫度計是否在技術指標范圍之內(nèi)。您也可以間或地使用校準器來檢查溫度計，以確保其仍然處于公差范圍內(nèi)。這種相同的通用流程可用于許多不同的測量設備，如壓力表，電壓表等。
為何校準？
校準有助于保證工作順利、高效、安全地進行。盡管大多數(shù)人從來沒有意識到這一點，但是為了保護您的利益，每天都有數(shù)千次的校準在悄然進行。當您搭乘航班，接受藥物治療或通過核設施時，您可能期望用于創(chuàng)建和維護這些設施的系統(tǒng)和過程都經(jīng)過定期校準，以防止在生產(chǎn)和后續(xù)使用時出現(xiàn)故障。
另外，如上所述，校準能夠促進或改善科學發(fā)現(xiàn)、工業(yè)制造和國際貿(mào)易。
為了進一步了解生活中精確測量和校準所發(fā)揮的作用，請觀看福祿克首席計量專家Jeff Gust拍攝的紀念每年5月20日世界計量日的三分鐘視頻。該視頻有助于展示精確測量如何影響您的日常交通生活。
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測試和測量設備需要校準
測試和測量設備?必須定期校準以確保其繼續(xù)正確工作。
保證測試和測量工具經(jīng)過校準的顯而易見的原因是安全性以及符合行業(yè)標準(例如美國FDA強制要求的標準)要求。然而，隨著技術需求的增加以及制造成本的提高，更高精度的測試和測量正在從校準實驗室轉移到工廠車間。
在技術指標范圍內(nèi)制造的測試和測量設備由于老化、熱量、風化、腐蝕、遭受浪涌、意外損壞等原因會隨時間的流逝而性能下降。即使最好的測試和測量儀器也可能存在制造缺陷、隨機噪聲和可能導致測量誤差的長期漂移。這些誤差，比如幾毫伏或幾度的錯誤，可能被傳導至正在測試的產(chǎn)品或過程之中，有可能錯誤地淘汰掉良好的設備或結果，或者錯誤地接受不良的設備或結果。
確保測試和測量設備具有足夠的準確度來驗證產(chǎn)品或過程技術指標是信任和建立科學實驗結果，確保正確生產(chǎn)貨物或產(chǎn)品以及進行公平的國際貿(mào)易所必需的。
標準器也需要被校準
隨著時間的推移，?校準器?可能發(fā)生漂移或超出校準公差，需要定期校準。通常根據(jù)最低4：1比值規(guī)則，利用更準確的標準器對校準器進行校準。沿校準溯源性金字塔向上，一直到國家計量機構維護的最準確的校準標準器。
校準ROI
定期校準通常被視為一種具有高投資回報率(ROI)的明智的商業(yè)投資行為。校準消除了生產(chǎn)中的浪費，例如生產(chǎn)出的產(chǎn)品超出設計公差時要求召回。校準還有助于在制造系統(tǒng)組件發(fā)生故障之前對其進行識別、修理或更換，避免代價昂貴的工廠停機時間。校準可以防止向消費者銷售缺陷產(chǎn)品而產(chǎn)生的硬性成本和軟性成本。通過校準，可以降低成本，提高安全和質量。
需要指出的是，沿校準金字塔向下移動時，校準的準確度和成本通常會隨之下降。制造車間可能需要較低水平的準確度，而原級實驗室對準確度的要求則相反。通過選擇與所需準確度相匹配的校準，可最大程度提高ROI。
資源：
日常生活中的計量?- 由荷蘭國家計量研究院(VSL)拍攝錄制
測量為何非常重要?- 福祿克首席計量專家Jeff Gust的演講視頻
為何需要校準?- 由美國海軍制作的動畫視頻(雖然過時，但具有豐富的相關信息)
福祿克儀器公司確保渡輪上的電子設備正常工作?- 福祿克計量案例研究
沒有計量學的世界?- 由荷蘭國家計量研究院(VSL)拍攝錄制
世界計量日資源中心?- Fluke Calibration資源中心
何處校準？
校準通常在國家計量機構、?基準實驗室、?二級校準實驗室以及制造商的工廠等場所進行。請注意，原級和二級校準實驗室的所有者和運營者可以是獨立的校準服務供應商、制造?校準儀器的校準公司(如?Fluke Calibration)或者進行內(nèi)部校準的制造商。
何時校準？
沒有通用的校準時間表。根據(jù)使用設備的頻率以及要求的準確度，校準頻率可能是每月、每年或更長時間。一般來說，進行的測量越關鍵，越需要頻繁地校準。如果儀器意外掉落或損壞，則可能需要盡快對其校準。在測試和測量行業(yè)中，定期校準對于確保所有測試和測量設備的一致性至關重要。
何人校準？
實驗室中進行校準的人員包括：
- 計量人員
- 實驗室主管
- 校準工程師
- 校準技術人員
- 制造工程師
- 儀表技術人員
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