力學(xué)計(jì)量中測量不確定度的應(yīng)用分析

夏天誼

【摘 要】在科學(xué)技術(shù)水平要求也來越嚴(yán)格的現(xiàn)代化發(fā)展模式下，各個計(jì)量參數(shù)結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要，已經(jīng)成為了國家發(fā)展、科學(xué)研究、企業(yè)生產(chǎn)等不可或缺的技術(shù)。同時，測量過程引起的誤差也是不可避免的，使用測量不確定度評定測量誤差已經(jīng)逐漸受到技術(shù)專家的認(rèn)可。根據(jù)《測量不確定度評定與表示》要求，筆者以壓力試驗(yàn)機(jī)的測量試驗(yàn)為例，對測量結(jié)果的不確定度計(jì)算過程進(jìn)行梳理，具有一定的學(xué)術(shù)指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】力學(xué)計(jì)量;不確定度;規(guī)程;靈敏度;

1 前言

隨著科學(xué)研發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)的要求越來越精細(xì)化，計(jì)量數(shù)據(jù)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性變的非常重要。計(jì)量結(jié)果的質(zhì)量與國家、企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)，在一些精細(xì)化生產(chǎn)、精密加工中，微小的數(shù)據(jù)偏差可能都會帶來嚴(yán)重的生產(chǎn)偏差。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，計(jì)量數(shù)據(jù)測量資源、測量儀器、測量條件都有顯著的提升，對測量及誒過的評定要求也更加嚴(yán)格。國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《測量不確定度的表示及評定》以及計(jì)量技術(shù)規(guī)范《測量不確定度評定與表示》中所述，任何通過資質(zhì)認(rèn)定評審的計(jì)量機(jī)構(gòu)提供的分析檢測試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告都應(yīng)當(dāng)包括測量不確定度的信息數(shù)據(jù)，以便客戶能夠準(zhǔn)確的判斷計(jì)量機(jī)構(gòu)測量結(jié)果的精確性、可靠性以及分析檢測技術(shù)人員的專業(yè)水平。測量的不確定度指的是一個表征合理地賦予被測量值的分散性與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。測量不確定度的評判有助于判斷樣品數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、全面的評定整個分析檢測過程中的科學(xué)性以及分析檢測方法和流程，是保障分析檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要因素，也是體現(xiàn)分析檢測中心工作科學(xué)性和精確性的體現(xiàn)。

2測量不確定度在力學(xué)計(jì)量中的應(yīng)用

力學(xué)是計(jì)量學(xué)最早開展的領(lǐng)域之一，是科研人員研究力學(xué)利用、應(yīng)用力學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)保障。力學(xué)計(jì)量通常包括了質(zhì)量、密度、容量、壓力、真空度、硬度、彎曲度、振動、流量等能夠表征物質(zhì)材料機(jī)械能和硬度的計(jì)量參數(shù)。力學(xué)計(jì)量技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，自動化技術(shù)、信息數(shù)字化技術(shù)、圖像處理技術(shù)、觀點(diǎn)技術(shù)、圖像現(xiàn)實(shí)技術(shù)、智能化技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于力學(xué)計(jì)量當(dāng)中。

拉力、壓力和萬能試驗(yàn)機(jī)是測量塑料管材、管道材質(zhì)、高分子樹脂、防水材料、電線電纜、金屬線等材料各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)的重要儀器。在壓力試驗(yàn)機(jī)的測量試驗(yàn)中，筆者對其測量不確定度計(jì)算過程進(jìn)行梳理。

1、前期準(zhǔn)備

試驗(yàn)使用的儀器是型號為TYS-2000的Ⅰ級準(zhǔn)確度數(shù)字式壓力試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)JJG139-2014計(jì)量規(guī)程要求，試驗(yàn)的環(huán)境控制要求如下：溫度10-35℃、溫度波動幅度小于2℃、空氣濕度小于80%。標(biāo)準(zhǔn)測力儀器型號為0.3級的LC-3/2MN，相對擴(kuò)展不確定度為0.061%。

2、測量模型

測量方程為：

其中， 為試驗(yàn)機(jī)的顯示值誤差;F為標(biāo)準(zhǔn)測力儀上的標(biāo)準(zhǔn)力值; 為試驗(yàn)機(jī)三次示值的平均值;K為標(biāo)準(zhǔn)測力儀的溫度校正因子;t為標(biāo)準(zhǔn)測力儀工作環(huán)境溫度;t0為標(biāo)準(zhǔn)測力儀工作溫度。

3、不確定度評定

（1） 引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 評定

對于本型號試驗(yàn)機(jī)，選擇1000作為測量點(diǎn)，連續(xù)測量10次，得到數(shù)據(jù)分別為：1001.0、1001.1、1000.4、10001.2、1000.3、1000.4、1000.7、1000.7、10001.0、1000.08。

計(jì)算算出平均值

單次試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方差

相同測試參數(shù)、環(huán)境下，連續(xù)測量3次，將3次測量得到的 作為測量結(jié)果，得到：

（2）F引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 評定

F引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度取決于標(biāo)準(zhǔn)測量儀的不穩(wěn)定性所引起的。根據(jù)試驗(yàn)準(zhǔn)備描述，標(biāo)準(zhǔn)測力儀去準(zhǔn)確度登記為0.3級，在區(qū)間內(nèi)滿足正態(tài)分布函數(shù)。因此，在測量點(diǎn)為1000kN時，F(xiàn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

其中，k為包含因子，數(shù)值為2.58。

（3）t引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 評定

t引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度是由于儀器測量時外界環(huán)境溫度變化所引起的，根據(jù)儀器使用要求，外界環(huán)境溫度波動幅度小于2℃，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（4）標(biāo)準(zhǔn)測力儀的溫度校正因子K引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 評定

標(biāo)準(zhǔn)測力儀的溫度校正因子K引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度是由于儀器修正而產(chǎn)生的不確定度，a取值為0.00005/℃，K值仍然按照均勻分布取值 ，則對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（4）合成評定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

首先計(jì)算各個參量的靈敏度，有偏微分求導(dǎo)得到：

因此合成的評定的不確定度為：

（5）擴(kuò)展不確定度評定

根據(jù)測量實(shí)驗(yàn)原則，去置信概率P=95%、自由度V=60，則擴(kuò)展不確定度計(jì)算為：

相對擴(kuò)展不確定度為：

（6）擴(kuò)展不確定度報(bào)告形式

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量規(guī)程JJG139-2014規(guī)定，使用準(zhǔn)確度登記為Ⅰ級的試驗(yàn)機(jī)測量1000kN參考值是，測量結(jié)果的相對擴(kuò)展不確定度為：

利用上述力學(xué)計(jì)量測量結(jié)果不確定度的計(jì)算過程，研究人員可開展洛氏硬度計(jì)示值誤差測量、千斤頂一元線性回歸方程的斜率與截距計(jì)算、扭矩扳子示值誤差測量、回彈儀率定值測量等力學(xué)計(jì)量結(jié)果的不確定度評定工作。

3 結(jié)語

綜上所述，準(zhǔn)確的計(jì)算各個力學(xué)計(jì)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測量不準(zhǔn)確度能夠更加精確的描述材料的力學(xué)性能、機(jī)械性能等。對調(diào)整儀器參數(shù)、檢測產(chǎn)品性能、產(chǎn)品質(zhì)量升級具有重要意義。

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（作者單位：貴州航天計(jì)量測試技術(shù)研究所）