電子式萬能試驗機測量結果的不確定度評定及應用

■王錦清

(福建省交通科研院有限公司，福州 350004)

電子式萬能試驗機是由計算機控制電機并采用機械加力進行測量的試驗機， 在交通運輸行業中，主要用于土工合成材料、防水材料、金屬波紋管、塑料波紋管、通信管道產品、隔離柵網片等材料的力學性能試驗。 在開展試驗檢測工作中，儀器設備量值溯源是否達到要求，可通過測量結果的不確定度進行確認。 但從事上述相關工作的技術人員對測量不確定度的評定和各分量的分析與計算不甚理解，會導致試驗結果的不準確。 本研究以電子式萬能試驗機力值測量結果的不確定度評定為例，對力值計量參數的標準不確定度分量進行分析與計算，可為試驗檢測人員更好地理解和掌握同類力值設備的測量不確定度評定和應用提供參考。

1 電子式萬能試驗機力值測量結果的不確定度評定

本研究以力值傳感器量程為30 kN 的電子式萬能試驗機為例，進行力值測量結果的不確定度[1]分析。

1.1 測量模型

測量模型如下：

式中：Δ 為被校試驗機的示值誤差(kN)；Fi為被校試驗機的示值(kN)；F0為標準測力儀示值(kN)。

1.2 方差與靈敏系數

式中：u(Fi)為被校試驗機引入的標準不確定度分量；u(F0)為標準測力儀引入的標準不確定度分量；c1、c2為靈敏系數 (其中：c1=?Δ/?Fi=1、c2=?Δ/?F0=-1)。

1.3 標準不確定度分量的分析與計算

1.3.1 被校試驗機引入的標準不確定度分量u(Fi)

（1）被校試驗機的測量重復性引入的標準不確定度分量u1(Fi)

以標準力值30 kN 為測試點，用標準測力儀對被校試驗機的力值進行10 次重復測量， 測量結果見表1。

表1 力值重復性測量結果

由于u1(Fi)＞u2(Fi)，為避免重復計算，取最大影響量u1(Fi)，舍棄u2(Fi)。

則被校試驗機引入的標準不確定度分量為：u(Fi)=u1(Fi)=0.013 kN。

1.3.2 標準測力儀引入的標準不確定度分量u(F0)

（1）標準測力儀本身誤差引入的標準不確定度分量u1(F0)

1.4 標準不確定度分量的計算

標準不確定度分量的計算結果見表2。

表2 標準不確定度分量計算結果

1.5 合成標準不確定度的計算

1.6 擴展不確定度的計算

取包含因子k=2，則擴展不確定度為：

U=k·uc（Δ）=2×0.023=0.046 kN；

1.7 測量不確定度報告與表示

電子式萬能試驗機力值示值誤差的相對擴展不確定度為：Urel=0.16%(k=2)。

2 測量不確定度的應用

通過對電子式萬能試驗機力值各標準不確定度分量的分析和計算，了解電子式萬能試驗機力值測量結果不確定度的評定流程，但溯源證書中不確定度該如何運用，交通試驗檢測機構設備管理員對證書計量溯源結果的符合性確認一直存在困擾。

本研究以美特斯工業系統(中國)有限公司生產的微機控制電子萬能試驗機(型號：CMT4304、出廠編號：10907019)為例進行分析。

2.1 檢定證書計量溯源結果的符合性確認

檢定證書會直接給出檢定結論，對儀器設備是否合格或其準確度等級進行判定，如本研究舉例的微機控制電子萬能試驗機，檢定證書中對力值檢定結果進行了準確度等級判定(0.5 級、1 級、2 級)。 檢定證書中一般沒有提供不確定度， 試驗檢測機構確有需要時， 可以向計量機構索取檢定結果的不確定度。

設備管理員在進行力值檢定結果的符合性確認時，依據檢測方法對儀器設備的技術要求進行計量溯源結果確認，會遇到以下幾種情況。

2.1.1 按自身準確度等級進行確認

在GB/T15788-2017 《土工合成材料寬條拉伸試驗方法》 中對土工合成材料進行寬條拉伸試驗，需配備準確度等級為2 級或2 級以上的試驗機。 實驗室配備的是1 級試驗機，檢定證書中的檢定結論為1 級，則計量溯源結果直接確認為符合要求[2]。

2.1.2 降低準確度等級進行確認

若因試驗機使用年限較長， 設備出現老化現象，在檢定結果不能滿足1 級的要求，但符合2級的要求時，設備管理員可要求計量機構按2 級試驗機進行溯源，并出具檢定證書，則計量溯源結果也可直接確認為符合要求[2]。

2.2 校準證書計量溯源結果的符合性確認

2.2.1 不需用不確定度進行計量溯源結果符合性確認

設備管理員對設備校準證書進行計量溯源結果確認時，若示值誤差Δ 的不確定度滿足以下要求，則可不考慮示值誤差評定的測量不確定度影響。

評定示值誤差的不確定度(U95或k=2 時的U)與被評定測量儀器的最大允許誤差的絕對值MPEV之比，應小于或等于1∶3，即滿足U95≤MPEV/3 時，示值誤差評定的測量不確定度對符合性評定的影響可忽略不計。

（1）當|Δ|≤MPEV 時，儀器設備的計量溯源結果可判為合格。

（2）當|Δ|＞MPEV 時，儀器設備的計量溯源結果可判為不合格[3]。

例如：依據檢定規程，1 級電子式萬能試驗機的最大允許誤差為MPE：±1%， 其中某一個校準點的示值誤差為+0.9%，示值誤差的擴展不確定度U95rel=0.3%，滿足U95≤MPEV/3 的要求，因此，可以直接判定被校試驗機在該校準點示值誤差合格，不必考慮示值誤差評定的不確定度U95rel=0.3%的影響。

2.2.2 需用不確定度進行計量溯源結果符合性確認

評定示值誤差的不確定度(U95或k=2 時的U)與被評定測量儀器的最大允許誤差的絕對值MPEV 之比大于1∶3(即U95＞MPEV/3)時，應考慮示值誤差評定的測量不確定度對符合性評定的影響，可通過以下3 種判定依據進行符合性評定：

（1）當|Δ|≤MPEV-U95時，儀器設備的計量溯源結果可判為合格[3]。

例如：對0.5 級試驗機進行力值校準，校準結果見表3，其最大示值誤差為+0.25%，示值誤差的擴展不確定度U95rel=0.22%，不滿足U95≤MPEV/3 的要求，故在符合性判定時應考慮示值誤差確定度的影響。 因|Δ|=0.22%，MPEV=0.5%，則|Δ|＜MPEV-U95(=0.28%)，因此，被校試驗機在該校準點示值誤差可判定為合格。

表3 準確度0.5 級的試驗機校準數據/結果

（2）當|Δ|≥MPEV+U95時，儀器設備的計量溯源結果可判為不合格[3]。

如上述舉例，校準結果如表4 所示時，其最大示值誤差為+0.80%，則|Δ|＞MPEV+U95(=0.72%)，因此，被校試驗機在該校準點示值誤差可判定為不合格。

表4 準確度0.5 級的試驗機校準數據/結果

（3）當MPEV-U95＜|Δ|＜MPEV+U95時，儀器設備的計量溯源結果處于待定區，不能下合格或不合格的結論[3]。

如上述舉例，校準結果如表5 所示時，其最大示值誤差為+0.50%， 則MPEV-U95＜|Δ|＜MPEV+U95，因此， 被校試驗機在該校準點示值誤差處于待定區，不能直接判定合格或不合格的結論。

表5 準確度0.5 級的試驗機校準數據/結果

當儀器設備的計量溯源結果處于待定區，不能做出符合性判定時，可通過采用準確度等級更高的測量標準、改善環境條件、增加測量次數和改變測量方法等措施，以降低測量結果的不確定度U95，使之滿足與最大允許誤差絕對值MPEV 之比小于或等于1∶3 的要求，后按上述2.2.1 的方法對儀器設備計量溯源結果的符合性進行判定。

3 結語

根據對計量溯源結果符合性評定的要求，檢測方法對儀器設備的準確度等級有明確規定的，實驗室按照規定配置儀器設備，檢測實驗室應驗證校準結果是否符合儀器設備準確度等級所規定的技術要求。

本研究通過闡述電子式萬能試驗機力值示值誤差的測量不確定度評定及其在交通運輸行業中的應用，論述了測量不確定度的評定流程，分析了測量不確定度對計量溯源結果符合性判定的影響，明確在不同條件下應采用相應不同的判定依據進行符合性判定，可為相關計量、試驗檢測技術人員進行不確定度評定及計量溯源結果確認工作提供一定的參考。