如何校准？
为何校准？
何处校准？
何时校准？
何人校准？
什么是校准？
“校准”一词具有不同含义，取决于具体行业或所使用的配置。在测试测量行业中，校准具有特定的含义，即在基本水平上将被测设备(DUT)的未知值与标准器的已知值进行比较的行为。人们通常通过校准来确定DUT未知值的误差或检定其准确度。例如，您可以在已知沸点(212华氏度)的水中测量DUT温度计的温度，以了解该温度计的误差，从而实现校准。由于目测确定达到沸点的精确时刻可能并不准确，因此可以通过将经过校准的已知精确度的参考温度计放入水中来验证DUT温度计，从而获得更准确的结果。
校准过程中接下来的合理步骤可能是对仪器进行调整或矫正，以降低测量误差。从技术上讲，调整是独立于校准步骤。
关于校准的更正式定义，我们建议咨询位于法国的 BIPM (国际计量局，www.bipm.org)，BIPM是全球测量系统协调机构，负责确保世界范围内测量的统一。
BIPM维护有一份清单，其中包括了测量和校准中常用的重要技术术语。在这个名为VIM (国际计量学词汇)的清单中，校准的含义被定义为“一种操作，在规定条件下，首先确定测量标准的量值及测量不确定度与对应示值及测量不确定度之间的关系，然后利用该信息建立一种能够根据示值获得测量结果的关系。”该定义在校准的基本定义之上，阐明了校准中使用的测量标准必须具有已知的不确定度(可能的误差量)。换句话说，已知数值必须具有明确的不确定度，以帮助仪器所有者或用户确定该测量不确定度是否适合校准。
国际单位制(SI) —已知测量标准的最高水平
我们如何获得已知数值的测量标准，以便对我们的被测设备进行校准？ 关于这个问题的答案，请参考 国际单位制，其缩写为“SI” ，由法语“Le Système International d'Unités” 演变而来。SI由七个基本单位组成：即秒、米、千克、安培、开尔文、摩尔和坎德拉。
这七个基本SI单位主要源自于自然界中的不变量，如光速。千克是一个例外，它仍然由一个圆柱形金属合金工件定义，即 国际千克原器(IPK)或“一千克标准物”，被精心、安全地存放于巴黎的贵重物品保管室的双层玻璃罩内。预计千克的定义很快就会从基于工件变为基于普朗克常数。
有趣的是，一些SI单位的定义随着时间的推移在不断改进。例如，一秒这一定义的历史变化：
- 1874 - 1956：1/(86,400)天
- 1956 - 1967：根据1750年到1892年间的天文观测，1900回归年(历元)的1 /(31,556,925.9747)的时间
- 1967 - 1997年：铯(Cs)133的两个超精细能阶相对应的1339,192,631,770个辐射周期的持续时间
- 1997 - 1999：增加了铯原子在接近0 K时为静止
- 1999 - Present：包括了环境辐射的修正
根据最新的定义，一秒是全世界原子钟的加权平均值。
此处应注意的是，基本SI单位可以按照代数关系进行组合，以形成校准中重要的导出计量单位，例如压力(磅/平方英寸或PSI)。此时，压力取自于基本SI单位米和千克。
SI是根据1875年在巴黎签署的“度量衡公约”或“米制公约”而成立的政府间组织而成立的政府间组织度量衡大会(CGPM)的决议而创立。“ 米制公约”还创建了一些组织来帮助CGPM，即即国际度量衡委员会(CIPM)，负责讨论、检查和编写SI报告，供CGPM和BIPM审查，其使命在上文中有提到。您可以在BIPM网站上找到并查看CGPM决议 。如今，CGPM成员国包括所有主要的工业化国家。
校准的互操作性
让BIPM在全球范围内管理SI的主要好处是校准的互操作性。这意味着，世界各地都在使用相同的测量系统和定义。这样，美国的某人在澳大利亚购买一个1欧姆的电阻，并确信按照美国的标准对其进行测量时也为1欧姆，反之亦然。为了实现互操作性，我们需要所有的测量结果都可溯源至同一定义。
校准溯源性金字塔—让SI进入工业领域
现在我们有了SI标准器，如何有效且经济地与世界分享？
设想一下，SI位于校准金字塔的顶部，BIPM帮助将SI向下传递至国家内部的所有使用等级，以促进科学发现和创新以及工业制造和国际贸易。
在SI级之下，BIPM直接与各成员国或国家的国家计量机构(NMI)合作，以促进SI在这些国家的推广。
美国的NMI是美国商务部下属的非监管性联邦机构， 美国国家标准与技术研究院(NIST)。Fluke Calibration与其业务所及的世界各地的NMI密切合作。您可以在BIPM的NMI页面上页面上查看各国的NMI及其他计量组织名单。
由于让一个国家内的每个人都直接与NMI合作是不经济、低效、甚至是不可能的，因此NMI级的校准标准被用来校准原级标准或仪器；然后使用原级标准来校准二级标准；二级标准用于校准工作标准；并使用工作标准来校准过程仪器。通过这种方式，SI标准的标准器可以通过NMI有效且经济地传递给校准金字塔，并根据需要应用至工业领域。
一些罕见的情况下，SI单位可以由实验室利用特殊仪器直接实现，通过物理学来实现测量。 量子霍尔欧姆 是这种类型的设备之一。虽然它直接被用于美国的多个校准实验室，但NMI仍然参与其中，帮助确保设备正确测量。
校准溯源性
从校准金字塔的最低级向上到达SI标准的谱系可被称为“溯源性”，这是一个重要的校准概念。换句话说，溯源性或可溯源校准意味着该校准是利用经过校准的标准器执行的，该标准器可通过一个不间断的链条，通过NMI溯源至相关国际单位。校准溯源性也可以被视为校准的谱系证明。
溯源性在测试和测量中也很重要，因为许多技术和质量行业标准都要求测量设备可溯源。例如，医疗器械、制药、航空航天、军事和国防工业以及其他许多制造业都需要可溯源测量。并且，可溯源校准通过确保测量和结果数据的正确性，有助于改进过程控制和研究。
与其他校准相关课题一样，已经开发出许多用于管理和确保校准溯源性的技术要求。提及要求，必须要考虑校准不确定度、校准间隔(校准何时到期？)以及用于确保校准程序中溯源性完好无损的方法。
更多溯源性及其他重要计量概念相关信息，请访问Fluke Calibration的通用校准和计量相关课题的技术文档库 和 计量培训 页面。
校准认证
进行校准时，能够信任执行校准的过程非常重要。校准认证提供信任依据。认证使仪器所有者确信已经正确完成校准。
校准认证意味着已经对校准过程进行了审核，认为其符合国际认可的技术和质量计量要求。ISO / IEC 17025是认证校准实验室的国际计量质量标准。
认证服务由经认证有资格提供此类服务的独立组织提供。每个较大的国家通常至少有一个认证服务机构。例如，在美国，全国自愿性实验室认证体系(NVLAP) 、 A2LA、和 LAB 就是此类认证服务机构。在英国， 英国皇家认可委员会(UKAS) 是认证服务机构。
国际协议确保某个国家的校准过程得到认可后，来自该过程的任何校准都可以在全球范围内被接受，而不需要任何额外的技术验收要求。
校准证书
校准实验室通常随校准的仪器提供证书。校准证书提供重要信息，使仪器所有者确信该设备已经正确校准并有助于展示校准证据。
校准证书可能包括溯源性声明或用于校准的校准标准清单、校准产生的所有数据、校准日期以及每个测量结果可能合格或不合格的声明。
校准证书不尽相同，因为并非所有的校准实验室都遵循相同的行业标准，并且也可能根据其所属的校准金字塔或校准层级结构中的校准位置的不同而有所差异。例如，杂货店所需的校准证书可能非常简单，而校准实验室内的精密天平的校准证书可能含有更多的技术内容。经过认证的校准过程的校准证书有一些非常特殊的要求，可以在国际标准 ISO/IEC 17025中找到。
校准不确定度
根据上文介绍的校准定义，您可能已经注意到，我们使用“不确定度”(可能的误差量)而不是“准确度”来描述校准过程和结果的能力。在测试和测量行业，准确度通常用于描述仪器的测量能力。仪器制造商通常希望使用准确度指标来表示使用仪器时可能出现的预期误差范围。然而，VIM提出了将“不确定度”作为首选术语来描述仪器的测量指标的指导方针。由于不确定度是讨论误差量时所使用的行话，在校准相关讨论中是一个非常重要的概念，因此值得更多关注。
首先介绍其基本定义。不确定度是指真值所在的数值范围。例如，如果电压表的测量不确定度为±0.1V，那么当测量显示的电压为10.0V时，真实电压值可能低至9.9V或高达10.1V。如果0.1 V不确定度的覆盖率为95%，则10V±0.1V范围内包含真值的置信度就为95 %。幸运的是，大多数结果都倾向于集中在可能范围的中间部分，因为随机不确定性往往遵循高斯分布或呈正态钟形曲线。
鉴于上述对不确定度的理解，校准标准器的不确定度必须足够低，以使用户充分信任校准结果。校准标准器应具有比被校准设备更低的不确定度(更好的准确度)。例如，利用卷尺来校准精密的千分尺是没有意义的。同样，通过与体重秤进行比对来校准高精度贵金属天平也毫无意义。
作为重要的国际计量标准， GUM (测量不确定度表示指南)更进一步表述了不确定度的重要性。
“报告物理量的测量结果时，必须给出结果质量的定量指标，以便使用者能够评估其可靠性。”
GUM指出，没有标示不确定度的测量结果的质量和可靠性从本质上来说是未知的。
影响校准方程的不确定度因素有很多。我们以校准温度探头为例。参考温度计和校准系统都可能引入不确定度。将各个组件的不确定度相加被称为不确定度评估。有些评估采用不确定度的估计值，只要不超过一个预算值，可以使用许多不同类型的温度探头，因此被称为“不确定度预算”。
以下是校准不确定度和测量不确定度在我们日常生活发挥重要作用的一个例子：在美国，普通汽油泵泵送汽油的不确定度约为±2茶匙(0.003加仑)每加仑。如果少了几茶匙汽油，没人会觉得不高兴，加油站也不会因为每加仑多给两茶匙汽油而损失很多钱。但是，如果汽油泵的不确定度为±0.1加仑，那么可以想象这种水平的测量不确定度会有多么不合适。您很可能每加10加仑就少了一加仑汽油。因此，校准和测量中不确定度如此重要的原因，在于它是仪器所有者或进行测量的客户评估仪器或测量置信度所必不可少的。要求加油站经理估计其汽油泵的不确定度可能会是一个有趣的实验！
多年来，在许多校准过程中已经实现了简单的“4：1 TUR (测试不确定度比)”。基本上说，校准标准器和DUT之间合适的不确定度关系应为4比1，这意味着参考的测量不确定度比DUT的不确定度小4倍。
校准器
用于校准其他设备的设备有时被称为校准器。 校准器与其他类型的校准标准器不同，因为其具有内置的校准标准器以及有助于校准仪器的有用功能。例如，此处所示的电校准器具有连接器，方便用户安全地连接被测设备，并具有按钮和菜单选项，以帮助用户高效地进行校准。
校准软件
校准器与校准软件 配合使用，可使用户完全自动化地进行校准以及计算校准不确定度。校准软件可提高校准效率，同时减少程序错误和不确定度源。 还有 校准资产管理软件 ，能够管理校准设备资产。
校准学科
存在许多校准学科，每个学科都具有不同类型的校准器和校准参考。关于可用的校准器和仪器类型，请参见各种Fluke Calibration 校准器及其他校准设备。常见的校准学科包括但不限于：
资源
温度校准信息 - Fluke Calibration提供的通用温度校准信息页面
ISO测量不确定度表示指南(GUM)介绍 - 福禄克首席计量专家Jeff Gust主持的在线点播研讨会
如何校准？
根据仪器类型和所选校准方案，有多种校准仪器的方法。这里介绍两种通用校准方案：
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通过与已知值的源进行比较来进行校准。例如，使用经过校准的标准参考电阻器来测量欧姆表就是源校准方案的一个示例。参考电阻器提供(源)已知的欧姆值，即所需的校准参数。类似电阻器的一种更为复杂的校准源是多功能校准器，该校准器可输出已知的电阻、电压和电流值以及其他可能的电气参数。也可以通过利用DUT仪器和参考欧姆表来测量未知值的电阻器(未校准)来进行电阻校准。比较两个测量结果以确定DUT的误差。
- 比较DUT测量值与经过校准的参考标准器的测量值。基于源的校准的一种变体是根据已知的自然值来源校准DUT，例如像纯水之类的物质的化学融化或结冰温度。
这套基本的校准方案中，校准选项随着不同的测量学科而扩展。
校准步骤
校准过程的第一个基本步骤是将未知值与已知值进行比较，以确定未知量的误差或数值。然而，在实践中，校准过程可能还包括“调整前”检定、调整和“调整后”检定。
校准过程的第一个基本步骤是将未知值与已知值进行比较，以确定未知量的误差或数值。然而，在实践中，校准过程可能还包括“调整前”检定、调整和“调整后”检定。 许多测量设备通过物理方式(转动压力表上的调整螺丝)、电气方式(转动伏特计上的电位计)或通过数字仪表中的内部固件设置进行调整。不可调整的仪器，有时被称为“原器”，如 如温度RTD、电阻器和齐纳二极管，通常通过特征分析进行校准。通过特征分析进行校准通常涉及某种类型的数学关系，允许用户利用仪器获得经过校准的数值。数学关系多种多样，从不同测量水平下计算得出的简单误差偏移，如热电偶 温度计的不同温度点，到数字电压表中的斜率和截距修正算法，以及非常复杂的多项式，例如用于表征参考标准辐射温度计的多项式。
任何时候调整仪器都要求进行“调整后”检定，以确保正确进行调整工作。原器由于无法调整而“按原样”进行测量，因此不适用“调整前”和“调整后”步骤。
校准专业人员通过使用已知不确定度、经过校准的标准器(借助于校准溯源性金字塔)与被测设备进行比较来进行校准。他们记录被测设备的读数，并将其与参考源的读数进行比较，然后进行调整以修正被测设备。
校准示例
假设您利用 高精度温度计 来控制制药厂的过程温度，需要定期对其进行校准，以确保在指定的温度范围内生产产品。您可以将温度计送至 校准实验室 ，或者通过购买温度 校准器 ，例如液槽校准器 或 干井校准器自行校准。 液槽校准器(如Fluke Calibration的6109A型或7109A型便携式校准恒温槽)有一个充填有校准液 的温度控制槽，该恒温槽与经过校准的温度显示相连。干井校准器与之类似，但是温度受控的金属块内有测量井，该测量井的尺寸与DUT温度计的直径相匹配。 校准器已经被校准至已知准确度。 将温度计，即被测设备(DUT)放入至校准器恒温槽或测量井中，然后记下在温度计使用范围内分布的一组温度点下校准器显示和被测设备之间的差值。通过这种方式，可以验证温度计是否与技术指标相符。如果需要调整温度计，则可以调整温度计的显示(如有)，或者可以利用校准结果来确定探头的新偏移或特征值。如果进行了调整，则需重复校准过程以确保调整正确，并验证温度计是否在技术指标范围之内。您也可以间或地使用校准器来检查温度计，以确保其仍然处于公差范围内。这种相同的通用流程可用于许多不同的测量设备，如压力表，电压表等。
为何校准？
校准有助于保证工作顺利、高效、安全地进行。尽管大多数人从来没有意识到这一点，但是为了保护您的利益，每天都有数千次的校准在悄然进行。当您搭乘航班，接受药物治疗或通过核设施时，您可能期望用于创建和维护这些设施的系统和过程都经过定期校准，以防止在生产和后续使用时出现故障。
另外，如上所述，校准能够促进或改善科学发现、工业制造和国际贸易。
为了进一步了解生活中精确测量和校准所发挥的作用，请观看福禄克首席计量专家Jeff Gust拍摄的纪念每年5月20日世界计量日的三分钟视频。该视频有助于展示精确测量如何影响您的日常交通生活。
测试和测量设备需要校准
测试和测量设备 必须定期校准以确保其继续正确工作。
保证测试和测量工具经过校准的显而易见的原因是安全性以及符合行业标准(例如美国FDA强制要求的标准)要求。然而，随着技术需求的增加以及制造成本的提高，更高精度的测试和测量正在从校准实验室转移到工厂车间。
在技术指标范围内制造的测试和测量设备由于老化、热量、风化、腐蚀、遭受浪涌、意外损坏等原因会随时间的流逝而性能下降。即使最好的测试和测量仪器也可能存在制造缺陷、随机噪声和可能导致测量误差的长期漂移。这些误差，比如几毫伏或几度的错误，可能被传导至正在测试的产品或过程之中，有可能错误地淘汰掉良好的设备或结果，或者错误地接受不良的设备或结果。
确保测试和测量设备具有足够的准确度来验证产品或过程技术指标是信任和建立科学实验结果，确保正确生产货物或产品以及进行公平的国际贸易所必需的。
标准器也需要被校准
随着时间的推移， 校准器 可能发生漂移或超出校准公差，需要定期校准。通常根据最低4：1比值规则，利用更准确的标准器对校准器进行校准。沿校准溯源性金字塔向上，一直到国家计量机构维护的最准确的校准标准器。
校准ROI
定期校准通常被视为一种具有高投资回报率(ROI)的明智的商业投资行为。校准消除了生产中的浪费，例如生产出的产品超出设计公差时要求召回。校准还有助于在制造系统组件发生故障之前对其进行识别、修理或更换，避免代价昂贵的工厂停机时间。校准可以防止向消费者销售缺陷产品而产生的硬性成本和软性成本。通过校准，可以降低成本，提高安全和质量。
需要指出的是，沿校准金字塔向下移动时，校准的准确度和成本通常会随之下降。制造车间可能需要较低水平的准确度，而原级实验室对准确度的要求则相反。通过选择与所需准确度相匹配的校准，可最大程度提高ROI。
资源：
日常生活中的计量 - 由荷兰国家计量研究院(VSL)拍摄录制
测量为何非常重要 - 福禄克首席计量专家Jeff Gust的演讲视频
为何需要校准 - 由美国海军制作的动画视频(虽然过时，但具有丰富的相关信息)
福禄克仪器公司确保渡轮上的电子设备正常工作 - 福禄克计量案例研究
没有计量学的世界 - 由荷兰国家计量研究院(VSL)拍摄录制
世界计量日资源中心 - Fluke Calibration资源中心
何处校准？
校准通常在国家计量机构、 基准实验室、 二级校准实验室以及制造商的工厂等场所进行。请注意，原级和二级校准实验室的所有者和运营者可以是独立的校准服务供应商、制造 校准仪器的校准公司(如 Fluke Calibration)或者进行内部校准的制造商。
何时校准？
没有通用的校准时间表。根据使用设备的频率以及要求的准确度，校准频率可能是每月、每年或更长时间。一般来说，进行的测量越关键，越需要频繁地校准。如果仪器意外掉落或损坏，则可能需要尽快对其校准。在测试和测量行业中，定期校准对于确保所有测试和测量设备的一致性至关重要。
何人校准？
实验室中进行校准的人员包括：
- 计量人员
- 实验室主管
- 校准工程师
- 校准技术人员
- 制造工程师
- 仪表技术人员
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