标准化对减小校准不确定性的关键作用

【摘要】本文讨论了标准化在降低计量仪器校准不确定性中的关键作用。首先，文章阐述了标准化与校准不确定性之间的理论联系，进而详细分析了标准化如何通过改进设备误差、优化实际操作过程以及抵消环境因素的影响来降低校准不确定性。其次，文章还通过具体实例展示了标准化在实际应用中的效果，探讨了标准化在未来的发展方向，包括新的校準技术和方法的发展、标准化在教育和培训中的应用以及国际标准的推广和应用。最后，讨论了当前面临的挑战以及可能的解决策略，包括设备和流程的标准化、人员的培训以及不确定性的深入理解和分析。

【关键词】标准化；校准不确定性；计量仪器

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.01.045

The Key Role of Standardization in Reducing Calibration Uncertainty

CHE Yi

（Anhui Construction Engineering Testing Technology Group Co.， Ltd.， Hefei 230031， China）

Abstract： This article discusses the crucial role of standardization in reducing calibration uncertainty in metrological instrument calibration. Firstly， the article outlines the theoretical connection between standardization and calibration uncertainty. It then analyzes in detail how standardization can reduce calibration uncertainty by improving equipment errors， optimizing practical operational processes， and compensating for environmental factors’ effects. Secondly， the article showcases the practical effects of standardization through specific examples and explores future directions for standardization， including the development of new calibration technologies and methods， the application of standardization in education and training， and the promotion and implementation of international standards. Lastly， the article discusses current challenges and possible resolution strategies， such as standardizing equipment and processes， training personnel， and deepening the understanding and analysis of uncertainty.

Keywords： standardization； calibration uncertainty； measuring instruments

校准不确定性是指在对测量设备进行校准时产生的不确定性。这种不确定性是由多种源头产生的，包括设备的内在误差、操作员的误差、环境因素等。校准不确定性的主要目标是提供一个度量，用于描述在所有可能的误差源下，设备的校准值与其真实值之间可能存在的差距。标准化是一个系统化的过程，旨在确定、编制并实施规则、指南或特性，以达到最佳秩序。在测量设备校准中，标准化通常涉及设定明确的校准程序和参数，以及使用已经被公认的标准设备进行对比，以减少校准过程中的不确定性。本文的主要目标是探讨标准化在减少校准不确定性中的关键作用。文章将首先分析校准不确定性的来源，然后阐述标准化的定义和历史发展，接着详细讨论标准化如何帮助减少各种来源的校准不确定性。最后，文章将展望未来的研究方向和面临的挑战，以及对实践者提出建议。

理论误差主要来自测量模型和算法的不完善，包括模型假设的简化、模型参数的选取以及测量算法的误差。在一些情况下，理论误差也可能源自数值计算中的近似处理。理论误差的大小会直接影响测量结果的准确性[1]。

在实际操作中，人为因素、程序错误、操作流程中的变异等都可能导致误差的产生。测量设备自身也可能产生误差，包括设备制造过程中的误差、设备使用过程中的磨损以及设备的非理想性能等。设备制造过程中的误差可能来自零件的制造误差、装配误差以及检测设备的误差。设备使用过程中，零件的磨损和老化可能改变设备的性能，导致误差的产生。环境因素也是产生校准不确定性的重要因素。这包括温度、湿度、气压等因素对测量设备和被测物品的影响。

以上各种误差来源都可能导致校准不确定性的产生。因此，理解这些误差的来源和影响机制，对于减小校准不确定性，提高测量结果的准确性具有重要的意义。

标准化是将各种过程、系统、产品的特性或特性的测量方法等制定成统一格式、规格的过程[2]。这种过程的目的是确保一致性、互换性和可复制性，提高效率，减少误差和混淆。标准化不仅涉及产品或服务，也涉及测量和校准，其中包括计量设备的使用、性能评估和质量控制。标准化在科技发展中发挥了重要的作用，它为各个领域提供了一套共享的、全球公认的基准和方法，使得产品和服务更具可比性，也使得研究和开发更加高效。

自19世纪以来，标准化的概念开始发展并逐渐流行。随着工业革命的发展，为了提高生产效率和质量，各行业开始广泛实施标准化。20世纪初，随着全球化的发展，很多国际标准化组织，如国际标准化组织（ISO）等开始设立，推动各国在技术、科学和经济等领域达成一致性。到了21世纪，随着科技的飞速发展，标准化已经成为一种全球范围内的行为，广泛应用于各个领域，如医疗、制造业、科学研究和服务业等。

在计量科学中，標准化在设备校准、数据处理和质量控制等方面都有广泛应用[3]。例如，在光谱分析中，标准样品的使用就是标准化的一种形式，它能确保各个实验室在进行分析时得出的数据是可比的。在医疗领域，标准化的过程也被广泛应用于设备校准，以确保所有的医疗设备都能产生准确和一致的结果。在制造业中，各种制造工艺和零件的标准化有助于提高产品质量，减少误差，并增加生产效率。

3.1标准化与校准不确定性的理论联系

计量仪器校准过程中的不确定性可以来源于多个环节，例如设备误差、操作者的差异，以及环境条件的变化。标准化作为一种确保一致性和准确性的手段，与校准不确定性有着直接的理论联系。通过规定清晰的校准步骤、参数设定、操作人员行为以及环境条件，标准化可以减小校准过程中各环节的变异性，从而降低整体的校准不确定性。理论上，如果所有的设备都按照同样的标准进行校准，那么我们就可以预期减小不确定性，得到更可靠、一致的结果。

3.2标准化如何改进设备误差

设备误差是校准不确定性的重要来源，可能来自设备制造过程中的不一致性、设备性能的衰退等。标准化可以通过确立设备性能和校准流程的统一标准，来改进设备误差。设备的制造商在设计、制造和校准设备时，都会参考相关的标准来确保设备的性能、稳定性以及其他关键参数[4]。此外，标准化也提供了系统性的、规范的检测和纠正设备误差的手段，从而降低了由设备误差引起的校准不确定性。例如，设备的用户可以定期进行设备的校准和维护，以确保设备的性能达到标准的要求。这种基于标准的校准和维护过程可以及时发现和纠正设备误差，从而有效地降低校准不确定性。

3.3标准化如何优化实际操作过程

在实际操作过程中，标准化的重要性不容忽视。操作员的技能、经验和理解，如果没有得到恰当的引导和标准化的流程支持，往往会带来校准结果的偏差，从而增加校准不确定性。通过标准化，我们不仅能够确立起一套统一的、优化的操作流程，更能以此为基础，对操作员进行规范的培训和指导。

标准化的操作流程可以提供明确、一致的指引。无论操作员的个人技能和经验如何，只要严格遵守标准化流程，都能保证在执行校准时的准确性和一致性。这一流程的建立通常基于深入的研究和广泛的经验，有助于规避常见的误区和陷阱，降低由于操作差异带来的不确定性。

基于标准化流程的培训能够帮助操作员提升专业技能，加深对校准工作的理解。这种培训不仅包括操作技能的传授，也涵盖理论知识的教授。对于初级操作员，标准化培训是他们快速提升技能、积累经验的重要途径。对于资深操作员，标准化培训能帮助他们保持与最新标准和技术同步，从而保持其操作效果的领先性。标准化流程还可实现操作过程的持续改进。当所有操作员都按照相同的流程进行操作时，我们可以更容易地识别出流程中的瓶颈和问题，有针对性地进行改进。通过收集和分析操作数据，我们可以发现隐藏的问题，优化操作流程，从而进一步减少校准不确定性。

3.4标准化如何抵消环境因素的影响

环境因素，如温度、湿度、气压等都可能对测量结果产生影响。标准化考虑到这些因素，并设定了在特定环境条件下的标准操作流程。例如，某些敏感的测量设备需要在恒温、恒湿的环境中进行校准和使用，这就需要建立相应的环境条件控制和检测流程。这些标准化流程不仅包括设备的操作步骤，也包括环境条件的设定和控制，使测量过程在一个稳定且可控的环境中进行，从而减小了环境因素的影响[5]。

3.5通过实例展示标准化在降低校准不确定性中的应用

在实践中，标准化对于减少计量仪器校准不确定性发挥着至关重要的作用。

1）光谱仪的标准化校准：光谱仪是一种常用的分析仪器，广泛应用于材料分析、生物医学和环境监测等领域。但是，光谱仪的校准过程中存在诸多不确定性来源，如光源强度的波动、探测器的响应不一致性、环境因素的影响等。因此，光谱仪的校准过程通常会遵循一套标准化流程，如使用具有已知光谱特性的标准样品进行校准、控制实验室的环境条件、使用专门的软件进行数据处理和分析。通过这种标准化流程，可以有效地控制校准过程中的不确定性，提高光谱仪的测量准确性。

2）温度计的标准化校准：温度是许多实验和工业过程中最关键的参数之一，因此温度计的校准准确性对于结果的准确性至关重要。温度计的校准过程通常会遵循一套标准化流程，例如使用具有已知温度的标准热源进行校准，保证温度计的使用和存储环境，以及进行定期的校准和维护。此外，国际温度尺度（ITS-90）提供了一套标准化的温度校准流程，可以帮助温度计的用户和制造商减小校准过程中的不确定性，提高温度测量的准确性。

以上两个实例生动地展示了标准化在减少计量仪器校准不确定性中的应用。这充分表明，无论是在实验室的精细测量，还是在工业过程的大规模应用，标准化都是确保测量结果准确性的关键手段。

4.1预期的进步和发展方向

标准化在降低计量仪器校准不确定性中的重要作用已经被广泛认识和接受，并且在这个领域中的发展将会越来越深入。随着科技的快速发展，更精确、更复杂的计量仪器将被开发出来，对校准的要求也将变得更高。此外，随着全球化的不断深入，我们期待看到更多国际性的标准和协议出台，以提高全球范围内的计量一致性和准确性。

一方面，我们期待看到新的校准技术和方法的发展。例如，数字化和智能化的技术可以用于自动化校准过程，从而减少人为因素的影响，提高校准效率和准确性。此外，大数据和机器学习等技术也可能被用于预测和控制校准过程中的不确定性。另一方面，我们期待看到标准化在教育和培训中的应用更加广泛。通过标准化的培训和教育，我们可以提高操作员的技能和理解，减少操作误差，进一步降低校准不确定性。

4.2当前面临的挑战和可能的解决策略

尽管标准化有其显著的优点，但在实施过程中仍面临许多挑战。不同的制造商和用户可能有不同的标准和流程，这可能导致设备性能和校准结果的差异。为了解决这个问题，我们需要推广和采用国际性的标准和协议，以促进全球范围内的一致性。标准化需要大量的资源和时间，包括设备的设计和制造、人员的培训，以及流程的建立和维护等。为了克服这个挑战，我们需要寻找更有效的方法来实施和管理标准化过程，如通过数字化和自动化的技术。尽管我们可以通过标准化来降低校准不确定性，但是不可能完全消除不确定性。因此，我们需要更深入地理解和分析不确定性，开发更先进的校准技术和方法，进一步提高测量的准确性和可靠性。

标准化是一种强大的工具，可以帮助我们降低计量仪器校准不确定性，提高测量的准确性和可靠性。但是，我们仍需要面对和解决许多挑战，以使标准化在未来能够发挥更大的作用。

【参考文献】

[1]佚名.电致发光缺陷检测仪校准方法的研究及标准化[J].市场监督管理，2023（1）：30-31.

[2]赵青海.环境试验设备温度湿度校准结果不确定度评定[J].仪器仪表标准化与计量，2016（4）：32-33.

[3]黄健，李茜.环境条件对计量设备测量性能的影响[J].仪器仪表标准化与计量，2004（4）：25-26.

[4]张兰丽.几种计量校准用标准物质的研制与应用[D].长沙：湖南师范大学，2019.

[5]任秀东.校准结果不确定度在计量确认中的应用[J].中国标准化，2018（2）：227-229.

【作者简介】

车义，男，1987年出生，工程师，学士，研究方向为计量检测。

（编辑：于淼）