关于温度对长度计量检定的影响分析

陈谊丽

（计量检定测试所 湖北 荆门 448000）

1 引言

在计量领域，发展最成熟的学科在于长度计量，是计量项目中比较基本的项目。它研究表征物体位置、形状、大小、长短的几何量。在进行长度计量检定过程中，对温度的要求很高，因而研究温度对长度计量检定的影响，具有显著的现实意义。

2 关于长度计量检定

长度计量检定拥有悠久的历史，在计量领域当中是最基本的计量项目，实际也是最常见的，在工业领域应用尤其广泛，在各个级别的计量机构当中都占有重要地位。目前长度计量正在向着高分辨率、自动化、动态化、多功能、大量程等方向发展，并为科研、制造等提供更适用、更好的计量检定仪器。

2.1 长度计量工具

现阶段，在长度计量所使用的工具方面，有很多种类别，如计量检定直线度的量块、平尺等；检定平面度的平面平晶、平板等；检定表面粗糙度的干涉显微镜、光切显微镜、标准多刻线样板等。还有游标类量具如游标卡尺、数显卡尺等；微分类量具如外径千分尺、数显千分尺等；指示表类量具如大量程百分表、数显百分表等；角度量具如刀口形直角尺、矩形直角尺等。此外还有量规类量具、长度常规测量仪器、坐标测量仪器以及测微仪等。

2.2 长度计量基准

在物理量中，长度是最基本的一个，在长度计量中一般以米（SI基本单位之一）为基本单位，在很多导出单位中均包含着长度单位的因子。早在1983年，米被定义为真空环境下光在秒时间内行程的长度。这一点体现长度计量的基本性，长度单位是否准确在很大程度上决定导出计量基准的准确性。就目前来看，就米的定义来说，虽然明确，但依然具有很高的开放性，限制条件多，测量技术对测量精确度的影响很大，在《长度计量基准研究》一文中对此进行了比较详细的研究。

量块很十分实用且精度高的实物标准，在传递中，基准一般是He-Ne激光波长。结合米的定义，可以将一把尺子的基本刻线间距看作是激光波长，目前一般常用633nm波长的激光。但值得注意的是，实际上激光波长并不能直接运用，需要和激光干涉仪结合使用，才能保证其发挥效用。

2.3 长度计量误差

在长度计量当中，常见阿贝误差以及温度误差。

前者是违背了阿贝原则产生的误差，所谓阿贝原则指的是被测尺寸线要与标准尺寸线重合或平行（包括延长线），否则就会带来误差。

后者主要是由于温度引起的误差。在相关的长度计量规范或标准中都有明确要求注意环境温度。例如JJG21（外径千分尺）要求室内温度以20摄氏度为基准，最大允许的偏差不过5摄氏度，100mm范围内外径、板厚、壁厚测量对千分尺适用温度要求，校对用量杆则要求不得偏差超过3摄氏度。

3 关于温度对长度计量的影响

热胀冷缩是自然界物质具有的基本特性之一，在温度变化大的情况下，这种现象尤为突出。之所以相关规范或标准中明确要求注意环境温度，就是因为在长度计量检定中，温度的影响巨大。比如在光学计上检定一个量块，对好零位，用手触摸量块，此时可以发现刻度尺读数迅速发生变化，一到两分钟内可能就会变化几微米。也就是说，当进行长度计量时，温度与相关规范或标准所规定温度有较大偏差时，被测量对象的的尺寸就会发生变化，测量出的结果如果没有相应措施，就会导致结果误差大。

3.1 温度与长度的关系

为研究温度与长度之间的关系，笔者结合实际工作经验与相关研究资料对《长度计量概述》一文中提到的公式进行了实际验证，实验证明该公式是正确的，能比较准确的反应温度与长度之间的关系。公式为ΔL=L·k(t-20)（1），该公式中ΔL，L，a，t分别表示尺寸变化、尺寸、线胀系数以及温度。20表示20摄氏度为相关标准中规定的标准环境温度，对于不同的长度计量项目有一个明确的允许偏差，如上文对JJG21的阐述。这个公式不仅可以代表被测物体温度与长度变化的关系，也在量具温度同时发生变化时具有一定代表性。因此可以将上述公式进行如下变换：ΔL=L[k1(t1-20)-k2(t2-20)]（2），式中k1，k2分别代表物体与量具材料的线胀系数，t1，t2分别代表物体与量具的温度，要注意该公式只适合高精度测量，且量具与被测物体形状较为简单的长度计量中。公式成立，那么在用外径千分尺测铜轴（规格200mm）的长度计量过程中，铜轴温度40摄氏度，与标准温度相差20摄氏度，显然不符合标准，外径千分尺温度为15摄氏度，温度差距勉强达到标准要求的温度偏差要求。铜轴材料线胀系数17.5×10-6，所用外径千分尺为钢质，据公式计算，在这种情况下，会有81.5μm的温度误差。如果千分尺的温度上升至40摄氏度，铜轴温度不变，此时虽然还有温度误差，但已经减小到24μm。

3.2 温度对长度计量的影响

以上述公式来分析，当物体或量具的温度均为20摄氏度时，尺寸变化为零，也就是没有温度误差，当物体与量具温度一样但不为20摄氏度时，被测物体尺寸变化不仅受到温度的影响，还会受到物体与量具不同材料的影响（因为，材料不同，各自的线胀系数可能有差别）。此时如果二者温度一致，且线胀系数一致，那么物体尺寸将不会出现变化，即没有误差。当然这样一来就可以推断，如果线胀系数一致，被测物体尺寸是否存在误差就会以温度为基准来定。从此处的分析可以推断，温度是否对长度计量产生影响，有一个十分重要的要素——线胀系数。所谓线胀系数，当物体温度变化1摄氏度，单位长度的尺寸发生变化的大小，仅与材料相关，不同材料对应各自的线胀系数，如钢为11.5×10-6，铝为23×10-6。基于上述分析，假如有一钢质零件，规格100mm，此时温度每发生1摄氏度的变化，零件尺寸就会发生约1μm的变化，随着温度的增加变化量会急速增加。

由此得出结论，当被测物体与量具在实验室条件下（即温度20摄氏度，并符合相关标准的温度偏差要求），考虑被测物体与量具材料的不同线胀系数，可保证不产生温度误差。在某个室内温度下（即与标准温度偏差较大时），此时若被测物体与量具温度一致，那么温度误差的产生不仅在于温度，还在于被测物体尺寸以及二者的线胀系数。物体尺寸越大，且与量具材料线胀系数的差值越大，温度误差越大。如果达到温度平衡状态，且被测物体与量具为相同材质（即线胀系数一致），此时就可以尽可能的避免出现温度误差。

综上，在长度计量检定当中出现温度误差，因素有很多，不仅仅在于温度，还在于被测物体尺寸、材料线胀系数。要尽可能降低温度误差，关键还是要达到温度平衡，尽可能使被测物体与量具材质一致。从当前长度计量检定技术发展现状来看，显然还需要持续进行研究，目前比较好实现的是改进测量技术控制温度达到温度平衡，可使温度误差尽可能小。

3.3 如何减小温度对长度计量的影响

就上文所言，要实现温度平衡，目前可以采用很多方法，笔者结合自身实践经验以及一些研究成果，总结出如下方法，作为参考。

首先，在相关标准中要求环境温度要以20摄氏度为基准，并保证温度变动范围在允许的偏差范围之内。所有在进行长度计量检定时，必须控制环境温度达到标准的要求。一般情况下，这种方法适用实验室，因为只有实验室环境下才有条件实现完善的保温以及恒温措施。当实验室具备上述措施，那么就可以考虑如何尽可能的降低被测物体与量具材料线胀系数的差值，尽可能将该差值向零靠拢，也就是尽可能保证二者的材质一致。当然这是对于适用上述公式（2）的长度计量检定项目而言的。除此之外，可以通过研发、应用先进的测量仪器，尽可能降低线胀系数的影响，甚至达到线胀系数完全不影响的状态，此时就只需要控制温度，保证温度平衡即可。

其次，目前要实现温度平衡，或者实现标准环境温度，可以利用空调来实现。对于实验室环境应对空调的安装位置进行科学的规划，利用空调来调节温度。但实质上，即使利用空调也不一定能够获得符合要求的环境温度，因为要确保在计量过程中保持恒温，所以一般的常规空调是不合适的，应选择控温能力更强的变频空调。但要注意，空调在调节室内温度时，其吹出的冷风并不是所要求的温度，而是比这一温度要更低，因此，要避免冷风直吹被测物体以及量具。因此重点还是规划好安装位置，使室内形成一个比较好的风循环环境，使环境温度达到标准要求并保持这一温度。同时要注意，在进行长度计量检定期间，空调的使用。空调在调节温度方面并不是瞬间完成的，而是要有一个时间，同时被测物体和量具要达到环境温度，并保持恒温，还需要一段比较长的时间，据研究发现这个时间一般能够达到4小时。所以在计量前要提前准备，合理调配空调的开关时间。

第三，如果环境温度达不到要求，一般这种情况是在实验室环境外进行的测量项目。这种情况下，排除被测物体与量具材质的差距问题，此处不作分析，要减少温度误差，关键点同样在于实现温度平衡——被测物体与量具温度平衡。一般可以通过提前将被测物体与量具放置在同一环境下一段时间，使温度均衡。当然无论是不是实验室环境下的计量，都需要注意一个细节，即尽可能避免人手的温度产生的影响，而且在计量过程中这种情况是不容易察觉的所以要采取措施，比如用夹子、手套、绝热垫等工具隔绝人手的热量，避免人手直接触及物体或量具，从而控制温度误差。

4 结语

以目前长度计量检定技术的发展状况来看，长度计量中常见的温度误差很难完全杜绝，这有多方面的原因。温度对长度计量精度的影响只是其中一个比较重要的因素，但也是不容忽视的一个影响因素。以现有的相关标准、规范以及测量技术来看，可以通过一些措施，使误差尽可能小，并符合标准的允许误差要求，这些措施的核心就是温度平衡。

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