量測豆知識

◉測針球材料

紅寶石	紅寶石為業界標準及最佳測針球材料，適用於絕大多數的量測應用，更是目前已知最堅硬的材料。人造紅寶石的成分為純度 99% 的氧化鋁，是利用 Verneuil 製程在 2000 °C 的高溫下燒結而成的晶體（或「晶塊」）。 隨後，晶塊會經過切割，並逐漸加工成高精度球體。紅寶石球的表面極為光滑，具有絕佳的抗壓强度與極高的耐機械磨損性。

氮化矽	氮化矽具有許多與紅寶石相似的特性，是一種非常堅硬且耐磨的陶瓷，可加工成高精度球體，也可以拋光達到極為光滑的表面。 氮化矽與鋁材之間無吸附作用，在類似應用情況下，不會出現紅寶石的黏附磨耗現象。但是，氮化矽掃描鋼材表面時會表現明顯的研磨磨耗特性，因此，其應用最好只限於鋁材。

氧化鋯	氧化鋯是一種非常堅硬的陶瓷材料，其硬度和磨損特性與紅寶石相當接近。其表面特性使其成為鑄鐵組件進行重度掃描應用的理想材料。

◉測針桿材料

非磁性不銹鋼

非磁性不銹鋼製成的測針桿廣泛用於測針球直徑 2 mm 以上且長度 30mm 以下的測針。此範圍內的一體式鋼杆具有最佳剛性與重量比，因而可提供足夠的球/桿間隙，也不會影響測針桿與螺紋體連接處的剛性。

碳化鎢

碳化鎢桿可提供最佳剛性，適用於測針球直徑為 1 mm 以下，因而需要較小直徑的測針桿；或是需要30 ~ 50mm以上的測針（因爲超出50mm的測針桿會讓主體連接處產生過大的偏斜）。

碳纖維

碳纖維測針的重量大約比碳化鎢測針輕 20%，適合做為長測針的材料。其熱穩定性也是一大優點（尤其就超長測針而言），因此非常適合於生產現場使用。重量輕又堅固、熱膨脹係數幾乎為 0，適合在環境溫度 15~45 ℃之間使用。

碳纖維管

同樣使用於航太產業的最高品質探針產品。此材質在環境溫度 15~40 ℃之間時，尺寸只有奈米級的熱膨脹變化，擁有絕佳的重複性以及穩定性。

陶瓷

長測針需求時可選用的輕材質測桿，可用於溫度變動稍大的環境。

鋁

鋁的重量極輕，適合做為延長桿，但因為熱膨脹係數較大，僅適合於溫度穩定的環境。

鈦

鈦擁有絕佳的熱穩定性、良好的抗彎剛度，而且重量也極輕，這些特性使其成為延長桿的理想選擇。

◎材質介紹 / 鋁合金：

元素代號 AL 比重僅2.7(鋼為7.8) 僅為鋼材的1/3，因此常應用於需要輕量化的考慮材質也是地球上最多的金屬元素，重量輕，耐蝕性佳，是重要合金。
純鋁的缺點是強度低，不適合單獨做構造材料，但合金鋁可以強化，強度可以是純鋁的 30 倍。
物理性質：純鋁熔點 660℃ 導熱度、導電度、耐蝕性良好。
機械性質：延展性好，抗拉強度低僅約 4~10kg/mm² 而已，伸長率約 45% ~ 60%，經常溫加工後，抗拉強度會增加，但伸長率會減低。
鋁的化學性質：鋁容易與氧起作用，而使鋁表面生成氧化膜，保護內部不再氧化，也可用陽極處理使表面生成氧化膜，即美觀又防蝕。

◎材質介紹 / 鈦合金：

1954年，美國研發出第一種鈦合金Ti-6Al-4V，由於此合金具有優異的綜合特性，因此成為後來鈦合金工業中的重要合金，目前全世界已研發出數百種的鈦合金，其中Ti-6Al-4V使用量佔了全部鈦合金50%以上。鈦金屬因具有以下特性，廣為應用於民生、生醫、能源、航太、軍事、石化等產業：
1.比強度高：材料抗拉強度與密度的比值。鈦合金抗拉強度與一般高強度結構鋼相當，但鈦的密度 4.5g/cm³，約只有鋼的60%。
2.耐蝕性佳：鈦在常溫下於表面會形成穩定性高、附著力強的氧化膜(TiO₂、Ti₂O₃、TiO)，且損傷後能立即再生，因此鈦具有優異的抗蝕性質。常用於化工桶槽、板式及管式熱交換器。
3.彈性模數低：約只有鋼的1/2，且降伏強度高，可用於彈簧、高爾夫球頭等。報導指出球頭改用鈦合金，選手擊球距離平均可提高20%。
4.耐熱性好：鈦的熔點1,668°C，比鐵高了100°C左右，比鋁和鎂高了約1,000°C左右。
5.低溫性能佳：在低溫(-255°C)下仍可保持足夠的韌性及延展性且熱傳導率低、膨脹係數小、無磁性，為超導等低溫使用的首選材料。
6.生物相容性高：鈦金屬植入人體後不會析出離子、無毒性且能抵抗體內分泌物的腐蝕，且彈性係數接近人體骨骼。
7.熱傳係數低：純鈦及鈦合金的熱傳導率皆低，僅約鋼的1/5。鈦的導熱與其純度有關，鈦合金導熱係數比純鈦低50%以上。
8.多彩的氧化膜：鈦經過陽極氧化後，不同厚度氧化膜經光線折射，就會產生不同顏色變化。可應用於建築裝飾材料及各種工藝品。
9.無磁性：弱磁性的鈦無法有效被磁場感應吸引，可應用於心導管支架、心臟瓣膜及軍用潛艇。

◎材質介紹 / 陶瓷-氧化鋯：

氧化鋯在精密陶瓷產品中，常溫使用狀態下具有很好的機械強度。熱膨脹率和金屬相近，與金屬材質組合使用尤為適合。具有導熱率低的性能，韌性高，是一種克服陶瓷太脆、易碎缺點的產品。

氧化鋯是由 Hussak 於 1892 年發現。以天然礦石鋯英砂或斜鋯石存在。純氧化鋯以單斜晶、正方晶及立方晶結構存在。
氧化鋯可以提供高強度、高韌性、高硬度，以及優異的化學腐蝕性與耐磨性。
全世界80%鋯英砂產地集中在澳洲、南非以及美國三個國家。由鋯英砂提煉氧化鋯之方法有氯化法與熱解法。應用在耐火材料、脫蠟鑄造及高品質粉體之原料。斜鋯石主要產地則在南非、巴西及蘇聯，其主要應用在磨料市場及陶瓷染料。
氧化鋯在室溫為單斜晶相，溫度上升到 1170°C時會轉變成正方晶相，再上升至 2370°C時則轉換成立方晶相，而立方晶相則在 2680°C溶解成液相，正方晶轉換成單斜晶是一種麻田散型的轉換，這種相轉換會產生3－5%體積變化造成微裂縫。後來發展出添加氧化鎂、氧化鈣等相安定劑，使氧化鋯在室溫時亦能維持著高溫穩定相之立方晶相，稱為安定化氧化鋯；若添加氧化釔相安定劑而保有部分的正方晶相者，稱為部分安定化氧化鋯。

氧化鋯導熱陶瓷ZrO₂為純白色，含雜質時呈黃色或灰色，一般含有HfO₂，不易分離。氧化鋯陶瓷的生產要求製備高純、分散性能好、粒子超細、粒度分佈窄的粉體，氧化鋯超細粉末的製備方法很多，氧化鋯的提純主要有氯化和熱分解法、鹼金屬氧化分解法、石灰熔融法、等離子弧法、沉澱法、膠體法、水解法、噴霧熱解法等。

◎氧化鋯陶瓷的優點如下：

1. 高硬度，高韌性，高抗彎強度，氧化鋯陶瓷密度 5.95 ~ 6.05g/cm³之間。

2. 高耐磨性，摩擦係數低，耐磨性是氧化鋁陶瓷的15倍，磨擦係數僅為氧化鋁陶瓷的1/2，經研磨加工後，表面光潔度更高，可達▽9以上，呈鏡面狀，極光滑，摩擦係數更小。

3. 絕緣性好，耐腐蝕性強，無靜電，耐高溫，隔熱性能優異，熱膨脹係數接近於鋼。

4. 氧化鋯陶瓷具有自潤滑性，可以解決潤滑介質造成的污染和添加不便。

◎各種陶瓷材料的物性比較

◎氧化鋯陶瓷與鋼材之物性比較

鈕扣電池簡介
◉LR（鹼姓，1.5V），SR（氧化銀，1.55V），CR（鋰電，3V），ZA（鋅空，1.4V）。 
◉鹼性電池（代號L），標稱電壓 1.5 V；氧化銀電池（代號S），標稱電壓 1.55 V。此兩種電池電壓很接近，原則上可以通用，但由於用電特性不同，有時某些電器使用合適的電池才會有更好的效果。

1.氧化銀電池有「SR××」及「SR××SW」兩個系列。
2.區別在於電池內氧化銀含量不同:「SR××」系列含銀量低，「SR××SW」系列含銀量則很高。 
3.電池性能方面，主要區別在於其 1.5V 之上的放電壽命有明顯不同，「SR××」系列壽命短；「SR××SW」系列壽命長，其壽命中約 90%左右的時間均為 1.5V 以上。
4.氧化銀電池系列適應工作電壓高、放電平穩的使用需求，特別適用於較小電流長時間連續使用之用電器具。其穩定的放電特性，能長時間提供穩定可靠的電力。

▲LR44 是如假包換的鹼性電池，就跟一般的三號、四號金頂或是勁量一樣，只是比較小顆而已。鹼性電池是以鋅為陽極、二氧化錳為陰極、氫氧化鉀為電解液構成的電池，具有和傳統碳鋅電池一樣 1.5 V 的空載端電壓。

▲LR44 這個編號來自於 IEC（國際電工委員會）舊時對手錶用小型電池的定義，在比較新的標準中，它稱之為 LR1154。這個編號的意思就是圓形（R）、直徑 11 mm、厚度 5.4 mm，而前面的 L 則是 IEC 分配給鹼性電池的代碼。

▲從規格書上可以看得到，它的標準電壓是 1.5 V，容量則是 110 mAh，但這個容量後面有個但書：負載 6.2 KΩ。我們可以來算一下在這樣的負載之下，它的放電電流：1.5 V / 6200（Ω）= 0.00024 A = 0.24 mA。

0.24 mA 是個什麼樣的概念？只能用「虛弱」來形容它。這種小型鹼性鈕扣電池由於結構上的限制，它的內阻相對來說比較大，因此沒辦法像三號、四號鹼性電池那樣用數百 mA 甚至更大的電流放電，因此只能使用在像 LCD 時鐘、LCD 計算機這種耗電極小的產品。

◉簡單來說，如果你要做的東西工作電流超過 1 mA，大概就不用考慮像 LR44 這種鈕扣型的鹼性電池了。

◎比 LR 更優秀的 SR

◉在同樣的尺寸下，有另一個電池的家族跟 LR 系列非常相似，它們是 SR 開頭的氧化銀電池。

氧化銀電池是以鋅為陽極、氧化銀為陰極、氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液做為電解液所構成的電池。它的電壓是 1.55 V，比鹼性電池略高一點點，但在大部分的應用中仍然可以和 1.5 V 的鹼性電池互換，因此幾乎所有 LR 開頭的鹼性電池都會有一樣尺寸的 SR 電池。不用說，最常用的一定是用來替代 LR44 的 SR44。

◉氧化銀電池的能量密度比鹼性電池大，因此在同樣的尺寸下能有較大的容量。我們找個 SR44 的規格書來看看。這是勁量的 SR44 電池：

◉SR44用 6.8 KΩ 的負載放電時，可以有 150 mAh 的容量，比同尺寸的 LR44 大了 30% 以上。

◉氧化銀電池另一個優於鹼性電池的特性是它的放電電壓相對來誰比較穩定，在它的容量前 40% 左右的區間大概都還能維持 1.5 V 左右的水準，而鹼性電池的電壓則會隨著開始放電之後一路下降。

◎不該再出現的水銀電池

◉老一輩的人看到這種小型的鈕扣電池常常將它們稱之為「水銀電池」，那是因為早期的小型鈕扣電池幾乎都是水銀電池。

◉水銀電池是以鋅為陽極、氧化汞為陰極、氫氧化鉀為電解液所構成的電池。它的單位體積容量甚至比氧化銀電池還要大，以和 LR44/SR44 相同的尺寸為例，容量可以到 200 mAh 以上。但它的電壓比較低，只有 1.35 V。

◉由於汞是非常毒的重金屬，先進國家已經開始積極限制電池裡面使用汞的比例。大部分國家對於電池含汞量的限制都在 ppm 等級，像水銀電池這種幾乎整顆都是汞的電池在這個時代根本罪大惡極、罪無可赦，因此它已經被許多國家禁用。以後看到這種小型鈕扣電池，別再稱它「水銀電池」了。

◉傳統的鹼性電池或是氧化銀電池，在早期也會添加微量的汞用以保護陽極的鋅，避免在放電過程中鋅被電解液腐蝕甚至產生氫氣。但近年來已經有新的腐蝕抑制以及氫氣吸收材料可以取代汞的功能，因此現在已經可以買到完全不含汞的鹼性電池和氧化銀電池。

◎附註

◉一次電池都不是設計來充電重複使用的，如果你用充電的方式強迫逆轉它的化學反應，會在內部產生氫氣。由於一次電池的殼體都是密封的，充電時產生的氣體會讓它內部的壓力增加，當壓力超過殼體所能承受的範圍時，電池就會破裂甚至爆炸，強鹼的電解液伴隨著可燃的氫氣一起噴出來，非常危險。

◉電池裡面有很多你聽到名字之後絕對不會想吃下肚的物質，如果隨一般垃圾棄置的話，有污染土地的可能性，因此請確實做好電池回收。

新版 ISO 17025 FDIS的6.3節，對於設備有下列規定： 

6.3 實驗室設施與環境條

6.3.1設施和環境條件應適用於實驗室活動，不得對結果的有效性產生不利影響。 （註 可能不利地影響結果有效性的影響包括但不限於生物不育，灰塵，電磁干擾，輻射，濕度，電源，溫度，聲音與振動。 

6.3.2執行實驗室活動所需之設施與環境條件要求應文件化。 

6.3.3實驗室應根據相關規範，方法或程序，或影響結果有效性的情況，監測，控制和記錄環境條件。 

6.3.4應實施，監測和定期審查設施管控措施，這些措施應包括但不限於下列： 

a）會影響實驗室活動區域的進入和使用; 

b）防止對實驗室活動的污染，干擾或不利影響; 

c）不相容實驗室活動區域之間的有效隔離。 

6.3.5實驗室在永久控制以外的地點或設施進行活動時，應確保符合本國際標準的設施和環境條件的要求。

要規劃設施與環境，實驗室首先應根據測試項目以及服務量，分析空間、能源、照明等需求，然後根據需求進行空間、能源、照明等規劃。

空間規劃簡單的說就是根據空間需求將實驗室分為作業區、辦公室、接待區等不同區域，再以平面圖明確說明，同時以掛牌或噴漆劃線等方式標示清楚。能源、照明等規劃則與空間規劃相似，簡單的說就是根據需求，規劃實驗室所需要之能源、照明等設施與系統。

在環境監控方面也是首先應根據測試或校正方法之需求，針對如溫濕度、塵埃、噪音、照度、電磁干擾、振動、接地電阻等各項環境因子，建立如表2所示之實驗室環境需求或環境條件。

表2：美國儀器協會RP-52中對二級校正實驗室環境條件之建議

各項環境條件之監控，應如表4所示，訂定合理監控週期並按時實施，為確定實驗室各項環境條件均在管制範圍內，定期由權責單位檢測，並確實記錄與分析統計。檢測時如發現超出管制標準，應立即告相關實驗室權責主管及品保稽核單位，並採取適當矯正措施。檢測如發現記錄器本身指示有偏差，應送校正，並將其補正係數張貼顯示於記錄器旁，以作實際修正用。

表4  實驗室監控週期範例

參考資料：

1. 2017.11.16 量測中心教育訓練網 新版 ISO 17025 解析系列~第六篇：新版ISO 17025與實驗室設施環境管理(工研院量測中心ISO 17025特約講師樊國紀)https://cmsschool.itri.org.tw/news/topic_content.aspx?nid=88833E3308224ED4
2. ISO (2017), ISO/IEC FDIS 17025, General requirements for the competence of testing and calibration laboratories, Switzerland：ISO。

◎何謂硬度?

硬度是甚麼？雖然是在日常生活中廣為使用的名詞，內容卻相當複雜。硬和柔軟的經驗很容易就能體驗，但要將其本質簡單地表達卻又不是件容易的事情。且硬度所指的內容範圍相當廣，並含有對磨耗的抵抗、對刮擦的抵抗、彈性係數、降伏點、破壞強度、粘性和脆性、延展性等相關的性質，並與這些性質的其中一項或幾項有著深刻的關係。

硬度試驗為局部的材料試驗，與拉力強度、耐力、彈簧界限值、成型性、耐磨耗性等試驗相較起來較容易執行，大多於試驗後可直接作為產品使用，硬度還可作為其他特性的代用特性來做多方利用。

硬度即「非如長度、時間、質量、電流等物理量，而是與其他的機械特性一樣為工業量或比較值」。

某物體的硬度即「其在受到其他物體施予力量變形時，所表示之抵抗力大小的程度」。

1. 硬度的概要

將硬度數值化表示的試驗方法，於施予變形的方法、抵抗的表示法有各式各樣不同的考查方式，並依各個不同的試驗方法來定義。現今一般工業中所利用的硬度試驗方法可依「標準體」、「測定基礎的變形」、「硬度算出方式」的不同大致區分如下：

◉壓入硬度試驗是最為實用化的方法。藉由對試驗面施予永久變形，再從產生變形所需要的試驗力與變形的尺寸程度來決定硬度。

◉將標準體衝擊試驗面時所產出的回彈硬度(動態硬度)。

◉相互磨擦時所表示出的刮痕硬度試驗。

◉以簡易性為優先的手提硬度中，也有部分使用磁力或超音波...等。

◉一般常見的硬度測試，還有從早期就有的莫氏硬度和鉛筆硬度等試驗方法。

2. 硬度的相關標準

JIS規格中制定了各種與硬度相關的標準。近年隨著日漸國際化，JIS標準與ISO標準正朝著整合化的形式改訂中。大致上的分類如以下幾個項目：

◉試驗方法 ： 一般表示進行硬度試驗時所使用的方法。

◉試驗機的驗證 ： 表示進行硬度試驗時所使用的試驗機。

◉試驗塊的校正 ： 表示硬度試驗機驗證中用的試驗塊校正。

◉不同用途的試驗方法 ： 表示為各種用途的硬度試驗方法。

（引用的規格）

◎各種硬度試驗的壓痕尺寸

◎硬度的定義與種類說明

◉「硬度」的種類

◉「硬度」的定義

⦿洛氏及表面洛氏硬度

洛氏及表面洛氏硬度是以鑽石頂針(前端圓錐角120度, 前端曲率半徑0.2mm)或球頂針(鋼球或超硬合金球)先施加初試驗力，接著再施加試驗力，之後再回到初試驗力時，將前後２次初試驗力的頂針侵入深度的差h(μm)代入公式中求出硬度。

初試驗力是98.07N時為洛氏硬度，而初試驗力是29.42N時則為表面洛氏硬度。其中頂針的種類、試驗力及硬度公式的組合設有固定的符號，稱之為試驗單位。

在JIS中針對試驗單位或硬度有相關的規定。

⦿維克氏硬度

維克氏硬度於任何試驗力都可試驗，是應用範圍最為廣泛的試驗方法。尤其在9.807N以下的微小硬度應用範圍特別多。維克氏硬度是以鑽石正四角錐(對角θ=136度)施予試驗力F(N)壓入試樣後，拿開頂針所留下的壓痕對角線長d(2方向的平均mm)得出之頂針和試樣的接觸面積S(mm²)與試驗力相除的值。

維克氏硬度試驗的誤差可由下列公式得出。其中△d1表示顯微鏡的誤差，△d2表示壓痕讀取的誤差，a為頂針前端與相對的面間所產生的稜線長度，△θ的單位為度。

⦿勃氏硬度

勃氏硬度試驗法是規格化的硬度中，第一個被制定的方法，並且從中延伸出其他的硬度測定法。

勃氏硬度是以頂針(鋼球或超硬合金球,直徑Dmm)施以試驗力F壓入試樣後，拿開頂針所留下的壓痕直徑d(mm)計算出球頂針與試樣的接觸面積S(mm²)與試驗力相除的值。當頂針為鋼球時則以HBS為表示符號，為超硬合金球時則以HBW為表示符號，其中K為定數(1/g=1/9.80665=0.102)。

勃氏硬度若為同樣的負荷條件(F/D2)，即使以不同的試驗力測定，還是會得到幾乎相同的硬度。國外則以此特點作應用，普及於較小試驗力的測定中。在2451N以下試驗力的試驗中，也可安裝對應洛氏或維克氏硬度試驗機用的砝碼與頂針來進行測定。F/D2中鋼鐵為30，其他柔軟的材料則從15、10、5、2 . 5、1.25及1中選擇適當的值。JIS 、ISO 規格中，試驗力為9.807N ~ 29420N，球頂針的直徑為 1~10 mm。勃氏硬度試驗的誤差可由下列公式得出。其中△d1表示壓痕計測裝置的誤差，△d2表示壓痕讀取的誤差。

⦿努氏硬度

努氏硬度是以對面稜角為172˚30’與130˚之橫切面為菱形的鑽石四角錐施予試驗力F壓入試樣後，拿開頂針所留下的較長的壓痕對角線長度d(mm)得出之壓痕的投影面積A(mm²)與試驗力相除的值。另外，將微小硬度試驗機的維克氏頂針更換為努氏頂針即可測定努氏硬度。

◎試樣的硬度與最小厚度關係圖

1.粗糙度物理特性參考(因機型不同對應的參數也有差異僅供參考)

2.濾波與粗糙度參考(粗糙度值越高量測長度越長,濾波就以λc擷取值進行參考,至於λs一般參考儀器預設值為主)ISO有建議λc與λs比例,但不一定都會遵守