孫惠穎(蕭縣市場(chǎng)監(jiān)督檢驗(yàn)所,安徽蕭縣235200)
淺談測(cè)量不確定度的評(píng)定及其在力值計(jì)量中的應(yīng)用
孫惠穎(蕭縣市場(chǎng)監(jiān)督檢驗(yàn)所,安徽蕭縣235200)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)水平不斷地發(fā)展和提高,測(cè)量的重要性越來越突顯,它已經(jīng)逐漸地成為科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)、貿(mào)易和生活工作等各個(gè)領(lǐng)域不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)。測(cè)量不確定度的出現(xiàn)替代了測(cè)量誤差已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外專家的認(rèn)可和肯定,并在國(guó)內(nèi)和國(guó)外的科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。與此同時(shí),《測(cè)量不確定指南》的發(fā)表,使得力值計(jì)量在對(duì)被測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定方面有了據(jù)以量化的指標(biāo)和相應(yīng)的依據(jù),使得被測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定能夠在力值計(jì)量方面得到有效的應(yīng)用,主要方面還是對(duì)各項(xiàng)儀器設(shè)備的測(cè)量質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定,如果測(cè)量質(zhì)量存在問題可以進(jìn)行調(diào)整后繼續(xù)使用。
測(cè)量不確定度;力值計(jì)量
測(cè)量不確定度是指 “表征合理地賦予被測(cè)量之值的分散性,與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)”。通常測(cè)量結(jié)果能否加以使用會(huì)用測(cè)量誤差來衡量,但是測(cè)量誤差只能表現(xiàn)出測(cè)量的短期質(zhì)量。而對(duì)于測(cè)量結(jié)果是否能夠保持穩(wěn)定一致就需要用測(cè)量不確定度來進(jìn)行衡量。測(cè)量不確定度意為對(duì)測(cè)量結(jié)果正確性或準(zhǔn)確性、有效性的可疑程度,它是合理地表征被測(cè)量值或其誤差分散程度的一個(gè)參數(shù),是表達(dá)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)指標(biāo)。其依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》(JJF1059-1999)和國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)《測(cè)量不確定度的表示及評(píng)定》(GJB3756-1999)。
2.1 測(cè)量不確定度在力值計(jì)量中的應(yīng)用
測(cè)量不確定度在力值計(jì)量中的主要應(yīng)用是對(duì)實(shí)驗(yàn)室里面的儀器設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)量評(píng)定,實(shí)驗(yàn)室里的一個(gè)儀器設(shè)備的測(cè)量結(jié)果不一定是百分百合適、準(zhǔn)確、有效的,測(cè)量質(zhì)量可能存在問題,因此要對(duì)其進(jìn)行評(píng)定、檢測(cè)。對(duì)于有誤差的儀器設(shè)備進(jìn)行調(diào)修之后也是可以再次使用的,因此將測(cè)量不確定度評(píng)定用于校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室里的儀器設(shè)備也是十分必要的。
2.2 針對(duì)拉力、壓力和萬能試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定
試驗(yàn)機(jī)是實(shí)驗(yàn)室里常見的一種儀器設(shè)備,拉力、壓力和萬能試驗(yàn)機(jī)是以機(jī)械或液壓方式施加力值,測(cè)量材料力學(xué)性能參數(shù)的試驗(yàn)機(jī)。它們主要用在橡膠、塑料板材、鋼管材料、異型材料、塑料薄膜、電線電纜、防水卷材料、金屬絲等等材料的各項(xiàng)物理機(jī)械性能測(cè)試。在對(duì)壓力試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,為了了解壓力試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià),下面我們將對(duì)壓力試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量不確定度評(píng)定過程進(jìn)行計(jì)算介紹:
(1)測(cè)量準(zhǔn)備。選取一臺(tái)型號(hào)是TYS-2000,準(zhǔn)確度等級(jí)是1級(jí)的數(shù)字式壓力試驗(yàn)機(jī)作為被測(cè)試的對(duì)象,根據(jù)《拉力、壓力以及萬能試驗(yàn)機(jī)》(JJG139-2014),外部環(huán)境狀況:溫度(10~35)℃,相對(duì)濕度不大于80%,溫度波動(dòng)情況不大于2℃。選取一臺(tái)型號(hào)為L(zhǎng)C-3/2MN的0.3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀,相對(duì)擴(kuò)展不確定度為U95=0.061%。
(2)測(cè)量原理。將0.3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀放于試驗(yàn)機(jī)的上下受重臺(tái)之間,緊接著調(diào)整進(jìn)油開關(guān)來調(diào)整油缸的活塞速度,使得試驗(yàn)機(jī)對(duì)測(cè)力儀進(jìn)行加載,當(dāng)加載到預(yù)期的測(cè)量值的時(shí)候,可以得到測(cè)力儀顯示儀上所顯示出的數(shù)值和材料試驗(yàn)機(jī)指示器上的數(shù)值,進(jìn)而能夠得到試驗(yàn)機(jī)在這個(gè)測(cè)量點(diǎn)的誤差。
(3)測(cè)量方法。試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量范圍應(yīng)該從每一級(jí)測(cè)量的20%到最大的力值,檢查的點(diǎn)至少是5點(diǎn),并且最好均勻檢查,試驗(yàn)機(jī)測(cè)量時(shí)應(yīng)平穩(wěn)的增加力度,以得出準(zhǔn)確的讀數(shù)。
(4)測(cè)量模型。ΔF=Fˉ-F[1+K(t-t0)]
此方程式中:
ΔF——試驗(yàn)機(jī)的顯示值誤差;
F——標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀上的標(biāo)準(zhǔn)力值;
K——標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的溫度的修正系數(shù);
t0——標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的溫度;
t——測(cè)量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)的外部環(huán)境的溫度。
(5)不確定度評(píng)定。
根據(jù)數(shù)學(xué)模型被測(cè)試的材料試驗(yàn)機(jī)的顯示值誤差的不確定度主要來源自于輸入量Fˉ和F的不確定度,因此要首先對(duì)這兩項(xiàng)進(jìn)行評(píng)定才能夠進(jìn)行繼續(xù)的計(jì)算。
①輸入量 Fˉ標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Fˉ)的評(píng)定。
對(duì)一臺(tái)2000kN的試驗(yàn)機(jī),選擇1000作為一個(gè)測(cè)量點(diǎn),緊接著測(cè)量 10次,可以得到測(cè)量列:1001.2、1000.9、1000.5、1001.1、1000.3、1000.4、1000.8、1000.6、1000.9、1000.9。
在相同的條件下連續(xù)進(jìn)行測(cè)量工作3次,將這3次的測(cè)量值的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果,得到的結(jié)果如下,u()=
自由度為:ν=10-1=9
②輸入量F的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(F)的評(píng)定。
輸入量F的不確定度來源于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的不確定度,可以采用B類方法進(jìn)行評(píng)定。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)器的穩(wěn)定度以及由于其他因素而引起的不確定度已經(jīng)包括在測(cè)量重復(fù)性條件下所得出的測(cè)量列的分散性中,為了不進(jìn)行過多的重復(fù)性的測(cè)量工作,因此在這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算過程中不再對(duì)其進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。
標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀準(zhǔn)確度等級(jí)為:0.3級(jí),在區(qū)間內(nèi)服從正態(tài)分布,包含因子k=2.58。在測(cè)量點(diǎn)1000kN處,標(biāo)準(zhǔn)不確定度是:
估計(jì)Δu(F)/u(F)為0.10,則自由度VF=50
③輸入量t的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(t)的評(píng)定。
輸入量t的不確定度是由于測(cè)量時(shí)的外界環(huán)境溫度波動(dòng),此誤差可以基本忽略,環(huán)境溫度波動(dòng)不大于2℃,所以a= 2℃。視為均勻分布,取,標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:
估計(jì)Δu(t)/u(t)為0.10,則自由度ν=50
④輸入量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀溫度修正系數(shù)K的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(k)的評(píng)定。
溫度的修正系數(shù)K因?yàn)樾藜s而導(dǎo)致了不確定度,a是 0.00005/℃,可以基本視為均勻分布,因而取,u(K)=
估計(jì)Δu(K)/u(K)為0.10,則自由度ν=50
⑤合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定。
靈敏系數(shù)為:
從《標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀檢定規(guī)程》(JJG144-2007)中可以清楚得出,測(cè)定的外界環(huán)境溫度是15~25℃,同時(shí)又可以從《拉力、壓力以及萬能試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程》(JJG139-2014)中可以得出,測(cè)力儀的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量溫度是10~35℃。令t0=15℃,t=35℃,溫度的修正系數(shù)K=0.00027/℃,F(xiàn)=1000kN,則:
輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總于表1。
合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算。
表1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表
合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的有效自由度:
⑥擴(kuò)展不確定度的評(píng)定。
取置信概率P=95%,按自由度Veff=60,查t分布表得到t95(60)=2.00擴(kuò)展不確定度為:
相對(duì)擴(kuò)展不確定度是:
⑦擴(kuò)展不確定度的報(bào)告與表示。
根據(jù)《拉力、壓力以及萬能試驗(yàn)機(jī)》(JJG139-2014)規(guī)定的要求,準(zhǔn)確度等級(jí)為1級(jí)的材料試驗(yàn)機(jī)在測(cè)量點(diǎn)1000kN處,測(cè)量結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為:
Urel=0.24%k=2
同時(shí),我們也可以繼續(xù)使用上述的過程和方法,進(jìn)而可以計(jì)算得出相關(guān)的其他各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的顯示值誤差的測(cè)量結(jié)果的不確定度。由此可以看出,測(cè)量不確定度的評(píng)定對(duì)于各項(xiàng)力學(xué)的計(jì)量工作是必不可少的,針對(duì)確實(shí)存在誤差的儀器設(shè)備可以進(jìn)行調(diào)整之后繼續(xù)使用,發(fā)揮作用。
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高,測(cè)量已經(jīng)不可否認(rèn)地成為關(guān)乎國(guó)家、企業(yè)發(fā)展的有利技術(shù)。同時(shí),測(cè)量的誤差又是不可避免的存在的,而單純用測(cè)量誤差來評(píng)定一次測(cè)量又是存在不公允情況,這樣并不能完整反映實(shí)際情況以及相應(yīng)的要求。因此,測(cè)量不確定度評(píng)定的出現(xiàn)不可避免又恰是時(shí)機(jī)。通過上述對(duì)于測(cè)量不確定度評(píng)定的介紹以及關(guān)于其應(yīng)用的介紹使我們明白掌握并好好的利用這一技術(shù)是必須的,只有這樣才能為我們國(guó)家的發(fā)展起到良好的促進(jìn)作用。
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2095-2066(2016)05-0216-02
2016-2-1