体积测量仪校准方法

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

物流活动中通常按照尺寸、体积或质量计算邮寄、货运和仓储等的资费。体积测量仪[1]正是这种通过测量物体的体积、质量，来确定邮资、运费或仓储费用以及运输的安全的计量设备。由于没有相应的校准方法和标准，给体积测量仪的使用、管理带来极大的不便。因此，如何使其满足量值溯源、计量管理的需求成为亟待解决的问题。

体积测量仪按控制方式可分为半自动型和全自动型两种。半自动型一般可静态测量物体尺寸，被测物体按特定位置或规定方向摆放；全自动型一般可将被测物体任意摆放，利用光电扫描传感器，三维重建物体外形[2]，动态测量规则与非规则物体尺寸。体积测量仪按测量原理一般可分为超声波反射式、光反射式[3]、遮光式等。如图1所示。

1 标准器的选择

体积测量仪一般采用最小长方体原则确定被测物体体积或尺寸（长、宽、高）。因此需要根据物体的不同形状和不同测量原理来选择相应的一组标准体积块作为仪器示值误差校准的主要器具。

标准体积块应分规则和非规则两种类型[4]（如图2所示）。规则标准体积块为长方体，非规则标准体积块则可在长方体上至少一个方向上切掉一块，形成一个钝角。标准体积块的尺寸（长、宽、高）公差应不超过被测体积仪的最小分度值或分辨力。为确保最小、最大尺寸标准体积块分别符合测量范围下限、上限要求，最小标准体积块的尺寸（长、宽、高）应为正公差且小于1/10分度值或分辨力，最大标准体积块的尺寸（长、宽、高）应为负公差且也小于1/10分度值或分辨力。各面之间的相互垂直度应不大于1/10的分度值或分辨力。

图1 多维尺寸（体积）测量仪示意图

在材质和表面特征的选择上，选取黑色亚克力、灰色铝合金、无色透明亚克力和木纹色板材四种不同颜色和不同材质的标准体积块在梅特勒810型体积测量仪上进行实验，实验结果如表1所示。

图2 标准体积块示例

表1 标准体积块材质与表面特征比对实验结果

因此，根据表2对标准体积块的材质和表面特征（如颜色、光反射、光吸收等）的实验比对结果，从而确定应采用表面无反射效应的木质、铝合金材质等膨胀系数相对较小且较轻便的材质，以便于携带，并符合准确度要求。

表2 标准体积块的材质限制

2 校准方法和过程

2.1 尺寸示值误差

1）采用规则标准体积块的测量方法

选择合适材质的规则标准体积块，首先在长度（L）方向上，根据该方向分辨力，在其测量范围内选择均匀分布的5块规则标准体积块（其中须包含测量范围下限、不小于70%测量范围上限各1块）。每块进行3次测量，共进行15次测量，计算该分辨力下每一次测量尺寸的示值误差。

式中：Lij—— 第i块第j次的测量值；

Lsi—— 第i块标准值

当长度方向具有多个分辨力（d1、d2、…、dr）时，应根据分辨力的不同，按上述方法得到不同分辨力下的尺寸示值误差。

以相同的方法分别得到宽度（W）、高度（H）方向上的尺寸示值误差ΔWij、ΔHij。

2）采用非规则标准体积块的测量方法（适用于可测量非规则物体的仪器）

选择合适材质的非规则标准体积块。测量时，在该方向分辨力的测量范围内选择均匀分布的3块非规则标准体积块，依据同样方法得到非规则标准体积块在该分辨力下的尺寸示值误差。当该方向具有多个分辨力（d1、d2、…、dr）时，应根据分辨力的不同，得到不同分辨力下非规则标准体积块的尺寸示值误差。

由此分别得到长度（L）、宽度（W）、高度（H）方向上非规则标准体积块的尺寸示值误差。

2.2 不同位置测量结果的一致性

对于用于静态测量的超声波反射式多维尺寸（体积）测量仪，由于物体必须放置在规定原点位置进行测量，因此无需考虑其不同位置的测量结果是否一致。但对于可在任意位置放置物体的其他类型的多维尺寸（体积）测量仪，在校准仪器时，应考虑其不同位置测量结果的一致性。对于仅静态测量的多维尺寸（体积）测量仪，可以通过在测量范围内规定放置多个不同位置来得到测量结果的一致性；而对于具有动态测量功能的多维尺寸（体积）测量仪，由于不能控制其摆放位置，则通过多次任意放置不同位置来测得测量结果的一致性。

1）静态测量

多维尺寸（体积）测量仪具有静态测量功能时，首先在长度（L）方向上，根据该方向分辨力，选取一块接近1/2测量范围的规则标准体积块按图3放置，分别得到7个位置的测量结果，按式（2）计算得到长度（L）方向不同位置测量结果的一致性：

式中：δL—— 该分辨力下沿长度（L）方向上的不同位置测量结果的一致性；

Lmax—— 该分辨力下沿长度（L）方向上的最大值；

Lmin—— 该分辨力下沿长度（L）方向上的最小值

同理可得到沿宽度（W）方向上分辨力的不同位置测量结果的一致性δW。

在高度（H）方向上测量时，根据该方向分辨力，选取一块高度接近1/2测量范围的规则标准体积块，在测量工作面上按图3放置，分别得到7个位置的测量结果，按式（3）计算得到高度方向不同位置测量结果的一致性：

式中：δH—— 该分辨力下按测量工作面上不同位置放置时的测量结果的一致性；

Hmax—— 该分辨力下按测量工作面上不同位置放置时的最大值；

Hmin—— 该分辨力下按测量工作面上不同位置放置时的最小值

图3 标准体积块放置示意图

2）动态测量

多维尺寸（体积）测量仪具有动态测量功能时，选择一块长、宽、高均接近1/2测量范围的规则标准体积块，按任意位置进行放置，进行7次测量，分别得到长、宽、高的测量结果，并按式（2）（3）计算方法，得到相应的δL、δW、δH。

3 校准结果的比对实验分析

选用适合多维尺寸（体积）测量仪测量范围内，尺寸均匀分布的5块标准体积块，分别放置在工作平台的不同位置处进行测量。如光反射式多维尺寸（体积）测量仪的分度值为5 mm，测量范围为50 ～1 000 mm，选取长度方向上尺寸为875 mm的木质标准体积块进行测量。

体积测量仪的不确定因素主要来自标准体积块的溯源证书、温度和膨胀系数引入的不确定度，以及测量仪本身的分辨力和重复性的影响量[5]。根据分析可以得到U= 2.9 mm（k= 2）。

由于多维体积测量仪的分度值和最大允许误差绝对值相同的特殊性，不能按通用的比对方法进行量值比对，因此，只能采用测量结果之差的绝对值不大于1个分度值（分辨力）的方式进行验证。因此，选用长、宽、高分别为 450 mm、300 mm、230 mm的规则标准体积块在梅特勒810型体积测量仪上进行比对实验，比对结果如表3所示。

表3 梅特勒810型比对实验结果

4 结语

综上所述，体积测量仪在校准过程中，根据测量原理应选用表面无反射效应、膨胀系数相对较小且较轻便的材质标准器，并就动态、静态、规则和不规则测量方式对示值误差和不同位置测量结果的一致性进行了校准，从而有效地保证了体积测量仪量值溯源的准确性，更好地满足了各种物流、仓储货物的计量要求，为保证贸易结算的公正和公平提供了有效的技术支撑。