溫度對長度計量檢測的影響分析

張萍

摘 要：溫度對長度計量檢測的影響是非常大的，如果不能有效控制溫度的影響程度，將無法保證長度計量檢測結果的準確性，進而無法發揮長度計量在各領域中的作用。本文通過分析溫度與長度之間的關系，明確溫度對被測工件尺寸的影響。再通過分析被測工件的線膨脹系數和溫度、計量器具的線膨脹系數和溫度以及被測工件尺寸之間的關系，了解到溫度對測量結果的影響狀況。最后通過正確選擇線膨脹系數、定溫、控制溫度恒定以及避免人手溫度的影響，從而詳細闡述了如何消除溫度對長度計量檢測結果的影響。

關鍵詞：溫度；長度計量；誤差

一、前言

長度計量在各個領域中的地位極為重要，尤其是在工業生產、日常生活等方面，會廣泛運用到長度計量。為了維持各領域工作的穩定性，需要嚴格控制長度計量的準確性。除了保證數據在運輸過程中沒有出現差錯以外，還需要保障各因素對長度計量的影響降至最小，尤其是溫度。因此，在實際的長度計量過程中，工作人員需要控制溫度對長度計量的影響，通過保持被測工件與計量器具溫度的一致，從而提高長度計量結果的準確性。

二、溫度與長度的關系

由于溫度而引起的尺寸變化量除了與工件的長度L、對標準溫度的偏差 之外，還與工件的線膨脹系數α 有關。其關系式如下：

= （t - 20℃）=

式中： 為尺寸變化量；L 為20℃時的工件尺寸；α為工件線膨脹系數：10- 6 /℃；t 為工件溫度：℃。

各種常用材料線膨脹系數α數值如下：

鋁α= 24；銅α= 18. 5；鋼α= 11. 5；玻璃α=6 -9；鑄鐵α= 10. 4；；石英α= 0. 5。

例如：對于長度為100mm 的工件，如果溫度變化1℃，對不同金屬材料所引起的尺寸變化為：

鋼 =（100×11. 5×10-6×1） ≈1

銅 =（100×18. × 10-6×1） ≈2

鋁 =（100×24×10-6×1） ≈2. 5

三、溫度對測量結果的影響

由于測量條件的溫度對標準溫度有偏差，這樣就會引起測量誤差，也可叫做溫度誤差。其所以產生測量誤差的原因是：（1）工件與計量器具的溫度各不相同；（2）工件與計量器具的線膨脹系數不同。溫度誤差的計算公式如下：

= L[α2（t2-20℃）-α1（t - 20℃）]

式中： 為尺寸變化量；L 為20℃ 時的工件尺寸；α1、t1分別為計量器具線膨脹系數和溫度；α2、t2分別為工件線膨脹系數和溫度。

此式只有在高精度測量，并且用簡單的量具測量形狀簡單的工件時才適用。

在特殊情況下，上式可簡化為：

（1）當t = t = 20℃時， = 0

（2）當t = t = t≠20℃ 時， = L（t-20℃）（α2-α1）

（3）當t = t2α =α2時， = 0

（4）當α =α =α時， = （t2-t1）

（5）當t = 20℃，t ≠ 20℃ 時， = Lα2（t2-20℃）

（6）當t = 20℃，t ≠20℃ 時， =-Lα1（t1-20℃）

由此可得出如下結論：

（1）當工件與計量器具溫度相同，并等于20℃時（即在實驗室條件下），溫度誤差為0；

（2）當工件與計量器具溫度相同，但不等于20℃時（即在車間條件及常溫下），溫度誤差與工件尺寸、工件（或計量器具）對標準溫度的偏差以及工件與計量器具線膨脹系數之差成正比；

（3）當工件與計量器具溫度相同，二者線膨脹系數也相同時（相當于工件與計量器具經過了溫度的平衡，二者材料也相同的情況下），溫度誤差為零；

（4）當工件與計量器具線膨脹系數相同時，溫度誤差與工件尺寸、工件（或計量器具）的線膨脹系數以及工件與計量器具的溫度差成正比；

（5）當計量器具溫度為20℃，工件溫度不是20℃時（相當于工件未經等溫就使用恒溫室內計量器具進行測量的情況下），溫度誤差與工件尺寸、工件線膨脹系數以及工件對標準溫度的偏差成正比；

（6）當工件溫度為20℃，計量器具溫度不是20℃時，溫度誤差與工件尺寸、計量器具線膨脹系數以及計量器具對標準溫度的偏差成正比。

例如：鋁制（α = 24×10-6）被測工件長度L 為100mm，用鋼制計量器具測量。若t = 18℃，t =21℃，則溫度誤差：

= 100mm×[24×10-6×（21-20）-11. 5×10-6×（18-20）= 4. 7μm

四、消除誤差的途徑

（一）正確選擇線膨脹系數

為了消除長度計量檢查中溫度影響所導致的誤差時，工作人員需要對儀器標準刻線尺的線膨脹系數和計量器具的線膨脹系數進行調節，將之調整到與被測工件的線膨脹系數相等，即α =α =α，那么長度計量的公式為 = ×L×（t2-t1）。

（二）定溫

當兩種被測工件的材料相同時，材料本身的溫度是檢測誤差的主要影響因素。因此，在長度計量檢測的過程中，可以將兩種材料本身的溫度變成一致，雖然會存在標準溫度之間的差異，但是基本上可以消除溫度對長度計量檢測的影響。定溫就是通過將被測工件的溫度與計量器具的溫度保持一致，然后再對長度進行測量，從而排除溫度對長度計量檢測的影響。一般在實際的計量過程中，施工人員可以將被測工件和計量儀器放置在鐵板上面，使兩者的溫度快速接近室內的溫度，從而進行長度計量檢測工作。

（三）避免人手溫度的影響

由于工作人員在進行長度計量檢測的過程中，手會接觸到被測工件和計量器具，人手的溫度會對被測工件和計量器具的溫度產生影響。而且人手的溫度對兩者溫度多產生的影響是無法量化的，因此無法得知人手溫度對長度計量檢測工作具體的影響大小。因此，要求工作人員在長度計量檢測的過程中，盡量注意手直接接觸被測工件和計量器具，可以通過戴手套或手握絕緣板的方式，有效降低手心溫度對被測工件和計量器具的溫度影響。如果在長度計量檢測的過程中，發現手心的溫度對被測工件和計量器具已經產生了影響，需要將被測工件和計量器具放置一段時間，待其溫度穩定之后，再進行檢測。

（四）控制測量條件的溫度恒定

一般在實際檢測的過程中，工作人員會通過計量室內的恒溫裝置來保證被測工件和計量器具的溫度穩定。如果兩者的溫度無法穩定，那么自然就不存在定溫。因此，計量室對于控制溫度的偏差作出了具體的要求：一般要求溫度的偏差在± 0.5℃；中等要求溫度的偏差在± 0. 2℃，高度要求溫度的偏差在± 0.5℃～± 0.1℃。另外，計量室的作用還在于控制被測工件和計量器具溫度的變化，即將兩者溫度變化控制在很小的范圍內。同時，還需要避免外界溫度對兩者溫度的影響，例如：光源、人體呼出的氣、體溫等。

五、小結

總之，被測工件和計量器具的溫度相等時，可以有效避免溫度對長度計量檢測的影響。因此，在實際的長度計量檢測工作中，工作人員需要盡可能地保證兩者的溫差在很小的范圍或者沒有。同時盡量避免外界溫度對兩者溫度的影響，待被測工件和計量器具的溫度穩定之后，再進行檢測的話，可以大大降低溫度所產生的影響。

參考文獻

[1]廖小蘭，盧錦金，吳汶桂. 溫度誤差對長度計量的影響簡析[J]. 大科技，2016（3）.

[2]游華平. 溫度誤差對長度計量的影響分析[J]. 中國科技博覽，2014（48）：333-333.

（作者單位：南昌海立電器有限公司）