校准、溯源性和标准

一、计量学和计量工作者用于校准领域的通用名称是“计量学”，计量学的一个定义是“处理测量的科学”。校准机构常称为计量实验室，主要从事校准业务的人员称为“计量工作者”。

所有技术、工程和科学都在采用测量技术，计量学专门研究支撑所有学科的测量科学的基本概念。除校准之外，对称职计量工作者的要求包括对合同质量保证要求、测试方法和系统设计、仪器技术指标和性能分析有详尽的了解。二、基本基本校准术语定义相关术语的定义是理解校准的基础。校准是将测量和测试设备或精度未知的某一测量标准与精度已知的某个测量标准做比较，以检测、校正、报告或通过调节来消除待比较仪器精度的任何变化。换句话说，校准是将精度为未知或未经检定的某个测量设备与具有已知特性的测量设备进行比较的过程。校准的目的是要确保测量设备工作在其制造商规定的极限容差范围内，确定测量设备的特性或确保测量设备具有完成其预定任务所需的精度。测量和测试设备

测量和测试设备是用测量、判断、测试、检查或其它手段来确定是否符合预定技术要求的所有设备。测量标准

测量标准是用来校准测量和测试设备或其它测量标准并提供可溯源至公认基准的设备。测量标准是需要校准的仪器与之比较的测量和测试设备，其应用和控制使之与其它测量和测试设备无关。参考标准

参考标准是在校准机构中提供的用于特定测量功能的最高水平测量标准。这个术语通常指由外部机构校准的标准。用于某些测量规范的参考标准能在本地检定或者不需要检定（如铯束频率标准）。大多数参考标准的应用局限于本地的最高校准水平。尽管它不是通用术语，但由于与国家标准相混淆，故某些组织机构称它为“初级标准”。传递标准或工作标准

传递标准（有时叫工作标准）是其特性由直接比较或通过校准链针对参考标准加以确定的测量标准。仪表标准是传递标准的一种常见类型。实物标准

实物标准是由物理实体表现的测量标准。实物标准的常见例子包括电阻、电容、电感和电压标准。固有标准

固有标准是不需要外部校准服务的测量标准。固有标准的例子包括约瑟夫森阵列电压标准、碘稳定的氦---氖激光长度标准和铯束频率标准。尽管这些功能可能独立存在，但若没有针对其它参考源的某种形式的相互比对方案，它们的溯源性通常是不被认可的。协议标准和行业认可标准

协议标准是在没有被认可的美国国家标准的情况下，由承包商和用户用作事实上的标准的实物或过程。换句话说，协议标准是指没有对基本测量单位明确溯源性而被广泛接受的实物或过程。行业认可标准是被业界完全接受的协议标准。行业认可标准的一个最佳例子是用于检定材料硬度试验仪的金属块。在某些情况下，协议标准是后续产品与之比较的原始产品的原型。标准参考材料（SRM）

标准参考材料（SRM）是用来形成或检定测量和测试设备性能的材料、化合物或气体。标准参考材料可直接从美国国家标准技术研究院（NIST）或其它质量认可部门购买。标准参考材料的例子包括用来建立温度凝固点的纯金属样品和具有已知或确定特性的放射性材料。标准参考材料常常用作协议标准。三、溯源性溯源性是将各个单独的测量结果通过一条连续的校准链与单个或多个下列标准相联系：由美国国家标准技术研究院（NIST）和美国海军观测台建立的美国国家标准。基本或自然物理常数，其具体数值得到美国国家标准技术研究院的认可。与美国国家标准相关的其它国家的国家标准。比例型校准。协议标准。标准参考材料（SRM）。换句话说，溯源性是确保测量的精度能追踪至公认的测量参考来源的过程。四、校准类型存在两个基本校准类型，即报告型校准和极限容差型校准。报告型校准

报告型校准是美国国家标准技术研究院（NIST）在测试用户的仪器时提出的校准类型。报告给出测量结果和测量不确定度的说明。报告型校准还可以由非官方校准实验室提出。报告不提供获取数据之后的性能保证。为了了解设备随时间的变化或其它特性，设备所有者必须对从若干次校准得到的数据作出自己的评估。极限容差型校准

极限容差性校准是工业中最常用的校准类型。极限校准的目的是将测得的仪器性能与标准性能指标做比较。若提交校准的仪器与所要求的指标不相符，便认为仪器“超出容差”，然后进行修理或调节，以对超出容差状态进行修正，重新测试并将仪器送回它的所有者。贴上校准标签，指明校准日期以及进行下一次校准的日期。这类校准可以对一定时期内的性能提供保证。

极限容差型校准由一下三个步骤组成：对有关项目进行校准，根据校准结果确定性能数据（发现误差）。若发现超出容差，则进行必要的修理和调节，使之处于容差范围。重新对项目进行校准，并在将仪器返回用户之前确定性能数据（剩余误差）。若有关项目满足步骤①中的指标要求，便无需做进一步的工作，“发现误差”数据应与“剩余误差”数据相同。正规的校准不仅要给出如何调节设备来获得最佳性能，而且还应包括调节前后的性能验证测试。

验收容差（发现容差）和调节容差（剩余误差）常常是不同的。当项目具有可预示的漂移特性以及规定在给定时期具有额定精度时，验收容差包括漂移的修正值。调节容差往往更严格。设备在返回用户之前，必须针对与调节容差的一致性进行调节，保证正常漂移不会引起设备在下次校准之前超过技术指标。五、校准要求当用户要求用测量设备取得的数据有一定的置信度时，就应特别重的视仪器的校准。对校准原理缺乏了解的人常常认为在调整期间实施的操作便是校准。此外，将仪器的初级功能操作与其精度相混淆也很常见。

“具体功能”对于操作者是显而易见的，而“测量精度”则是看不见的。操作者可以确定设备是否正常工作，但缺乏确定所从事测量的误差大小的手段。通常，测量精度要么被忽视或盲目信任，要么确保精度的校准是通过他人之手而并非用户本人实施的。这些便是仪器为什么要求定期校准的基本原因。

制造商通常对测量设备进行初始校准。后续校准则或是将设备返回制造商，或是从具有必要能力的校准实验室获得所需服务来完成。

当测量仪器的性能特性随时间变化时，必须进行后续校准。为什么会发生这些变化有许多熟知的原因。

较常见的变化原因有：机械磨损。电器元件老化。操作者使用不合理。未经授权的调节。大多数测量设备既要求初始标准，又要求周期校准，以维持所要求的精度。许多电子测试设备制造商都提供了为维持规定性能所需的校准之间时间间隔的建议。

尽管主张对仪器进行周期校准的理论原因是显而易见的，但实际上，许多测量设备的拥有者和用户只在他们感到故障明显并需要修理时，才将设备送交后续校准。其中的原因通常包括没有仪器使用带来的不方便以及节省校准费用。

例行校准通常只有在有关规定的强迫下才能执行。由于用户不情愿接受校准服务，故往往需要监督和强制执行制度，以保证规定得到落实。六、检验标准和交叉检验在几乎所有的情况下，用户都必须依靠校准服务来确定精度，并将测量仪器调节到规定的性能。虽然可以选择用户保留用于自校准的测量标准，但这不是一种普遍采用也并不经济的做法。缺乏专门知识和必要的标准，对于用户来说便难以开展他们自己的校准工作。由于涉及成本，在每台设备处都提供同样的校准通常会导致惊人的费用。用户通常是依靠专用校准设备来完成所需的任务。

用户的基本要求是在校准之后，仪器的性能在仪器下次校准之前不会显著改变。为了避免产品因检测出问题而不得不被召回，这一要求至关重要。验证仪器或测量系统未变化到无法满足性能要求的“交叉检验”与“检验标准”已得到越来越广泛的认可。交叉检验

交叉检验是由设备用户实施的一种测试，以保证测量设备或系统的性能不随时间或使用发生显著变化。交叉检验不能验证设备或系统的绝对精度。检验标准

检验标准可以是测量设备或系统将要测量的任何物件。唯一的要求是它不显著随时间变化。例如，一块未经校准的金属在校准后可以指定为验证测微计性能的“检验标准”。在测微计投入使用之前，必须对被指定为检验标准的金属块进行测量，记录下测得的数据。若每天重复这个过程且记下的值基本上一样，便可以确信测微计的性能未发生变化。若数据突然改变，则表明设备的特性发生了改变，而应将其进行修理或重新调整。

处在定期召回周期内的仪器遇到的问题是，如果在接受校准时便确定其超出容差，由于没有交叉检验的记录，所以就不可能知道设备出问题的具体时间。若校准召回周期是12个月，则长达12个月内的产品都可能受到怀疑并需要召回。利用交叉检验程序，可疑产品便能限制到检验之间的单一时段内。七、校准方法校准是将称之为标准仪器的已知设备与称之为测试仪器的未知设备进行比较的过程。完成这一比较有以下两个基本方法：直接比较。简介比较。直接比较校准

下图是直接比较校准的基本布置，其中，仪表或发生器是测试仪器，所需的标准是相对的。若测试仪器是一个仪表，则需要一台标准发生器。若测试仪器是一台发生器，则需要一个标准仪表。变换器的校准既需要发生器标准，又需要仪表标准。

当测试仪器是仪表时，发生器将已知激励加到仪表上。仪表指示与已知发生器电平之比可以确定仪表误差的数值大小。通过标准值的确定性以及测试仪器的分辨率和重复性，就可以简单的得出测量的不确定度。如果要验证极限容差，可以将记录下的与标称值的偏差同容许的性能极限比较。若记录下的偏差超过容许量，仪器便认为是超出容差。当测试仪器是发生器而标准仪器是仪表时，可以相反方式应用同一原理。

变换器特性被表示为设备的输出与其输入之比，并采用适当的输入和输出测量单位。测量不确定度是标准发生器和仪表不确定度之和。简介比较

简介比较（如图）是将标准与类似测试仪器进行比较的校准方法。换句话说，将标准仪表与测试仪表进行比较，将标准发生器与测试发生器进行比较以及将标准变换器与测试变换器进行比较。

若测试仪器是仪表，则将同一激励同时加到测试仪表和标准仪表上，校准测试包含将测试仪表的指示与标准仪表的指示相比较。除在比较过程中信号源激励必须具有所需的稳定度之外，其实际大小并不重要。

输出调到相同的额定电平时，利用“传递”仪表测量标准仪表和测试信号源。如果已知“传递仪表”的分辨率和线性都满足要求，便无需做进一步的校准。

除要求激励源的电平相接近外，间接比较变换器校准与发生器校准相似。给定相同的激励电平时，测量标准变换器和测试变换器的输出。测试变换器的灵敏度由将确定出的两个输出值比乘以标准变换器的已知灵敏度来求出。比值计比较

通称为比值计的一种特殊类型的测量仪器常用在对标准发生器和测试发生器进行比较的校准场合。这类仪器在确定标准仪器与测试仪器之间的比值和微小差别时，通常具有高的分辨能力。当标准设备和测试设备名义上具有相同的值时，比值计的误差可以通过两个单元相互交换并取第二组测量来有效地消除。两组测量结果相加除以测量次数能有效地消除比值计的误差影响。常见的比值计包括以下三类：开尔文比例电桥---------电阻器比较。变压器测试仪----------------变压比测试。分析平衡---------------质量比较。八、仪器技术指标和校准测试可供用户用来确定测量的精度的途径是制造商的技术指标和校准，这些内容在数据报告单上都可以找到。若已实施了极限容差校准，则仪器技术指标便是进行不确定度分析的唯一可利用的手段。在涉及校准的地方，仪器技术指标便是测试要求的依据。

即使最简单的仪器也存在几乎无限多个可能出现的测量值的组合，因此，大概从来还没有哪一种校准敢以科学方式断言能验证所有制造商的技术指标。例如若一台直流仪器具有一个量程和三位数字的分辨率，则验证所有可能的读数需要进行1000次测试。若仪器具有多个量程和宽量程交流测量功能，则验证所有可能的组合需要进行数十亿次测试，耗时许多年。在这种情况下，校准是无法进行的。仪器在它们到达用户手中之前便已损坏。另一个重要的考虑是，在许多情况下，标准的确不适于测试所有可能测量的功能。例如，射频阻抗测试仪可能具有测量频率达1GHz的交流电阻的能力。美国国家标准技术研究院完成的最高频率测试是在250MHz以上。实际所选择的校准测试是依据合理的需要、标准的可利用性和经济性来表征测量设备的性能。

应考虑的另一个因素是并非所有的技术指标都需要进行周期检定。仪器的技术指标可以分为一下四类：非实用性指标。这是指为购买者所关心但不影响测量功能的一些指标（例子有仪器的尺寸和重量）。评估指标。这是指在购买前可能需要一次性证实的一些指标（例子有温度和湿度性能特性）。软指标。这是指可测量但不认为是关键指标或通过对其他功能进行性能测试可以间接检定的一些指标（例子有输入阻抗）。硬指标。这是要求进行周期检定的一些指标（例子有精度、线性、漂移等）。即使存在硬指标，如果知道设备用户未利用某个特殊功能，则校准机构可以合理地选择不对该特殊工作特性进行校准测试。对于一个