實驗室測試環節棉花物理指標不確定度的評定

文/丁時永 張賀軒 郭依群

測量不確定度是利用可獲得的信息，表征賦予被測量值分散性的非負參數，其是與測量結果相聯系的參數，同一概率水平下，測量不確定度越大，表示測量能力越差；反之，表示測量能力越強。本文對實驗室測試環節棉花物理指標測試不確定度進行評定，旨在探討基于現行棉花標準、測量規范和現有檢驗儀器設備等條件我國棉花檢驗實驗室應該具備的測量能力。

1 評定概述

1.1 試驗標準

GB/T 20392—2006《HVI棉纖維物理性能試驗方法》。HVI1000型大容量棉花纖維測試儀操作規程（2013年第3版）。

1.2 儀器設備和測試環境

HVI1000大容量棉纖維測試儀。環境溫度（20±2）℃，相對濕度（65±3）%。

1.3 測試程序

依據試驗標準和操作規程，將棉花樣品在規定溫、濕度條件下平衡至規定時間，利用HVI1000，對其馬克隆值、反射率

Rd

、黃度+

b

、棉花長度、長度整齊度和斷裂比強度等物理指標進行測試，記錄測試結果。

1.4 不確定評定結果的應用

符合上述條件或十分接近上述條件的測量結果，一般可以直接使用本不確定度評定的結果。

2 測量模型

物理指標測量值

q

由HVI1000的顯示（輸出）值直接給出，因此，測量模型可描述為式（1）：

其中：

q

與馬克隆值、

Rd

、+

b

、長度、長度整齊度和斷裂比強度等物理指標對應時，分別代表對應指標，下同。

3 不確定度來源分析

實驗室測試環節主要存在下列方面產生的不確定度分量：（1）測量過程的隨機效應導致的不確定度分量，包括樣品均勻性、預調濕、調濕、稱樣、制樣、人員上機操作和儀器測量的重復性等；（2）測量過程的系統效應導致的不確定度分量，包括HVI系統校準；（3）校準樣品不確定度分量；（4）結果修約導致的不確定度分量。

4 不確定度的評定

4.1 測量過程的隨機效應導致的不確定度分量

導致隨機效應的因素可分為樣本本身的隨機因素和測量過程的隨機因素兩部分，這些隨機因素綜合在一起影響棉纖維物理指標的測試結果。試驗設計了中間精密度研究方案，選取7個質量水平的樣品，在不同日期，由不同人員（3人）利用不同的儀器（3臺）在統計狀態（1.3 測試程序）下進行重復性測試，測試結果詳見表1，不同質量水平樣品測試的物理指標均值和精密度統計數據見表2。

表1 不同質量水平的棉纖維物理指標測試結果一覽表

續表1 不同質量水平的棉纖維物理指標測試結果一覽表

續表1 不同質量水平的棉纖維物理指標測試結果一覽表

表2 不同質量水平的棉纖維物理指標測試結果均值和精密度統計表

對表2中的各物理指標在不同質量水平下的

x

與

S

(

x

)進行相關性分析，得出各相關系數（表3），結果表明，各物理指標的測量水平

x

與測量結果的精密度

S

(

x

)無關，

S

(

x

)在不同的質量水平下雖有所波動，但總體上上限可控，且趨于穩定。

表3 棉纖維物理指標不同質量水平均值與精密度相關性分析表

取各物理指標測量結果精密度中的最大值作為該方法隨機效應導致的不確定度分量的計算基準，按式（2）計算各物理指標由測量過程隨機性引入的不確定度分量（表4）。依據1.1，各類棉花公證檢驗工作中，馬克隆值、

Rd

、+

b

、長度、長度整齊度和斷裂比強度提供結果分別取1、4、4、2、2和2次測量結果的均值。

表4 測量過程隨機效應引入的不確定度分量

其中，

M

為提供結果需要的測量次數。

4.2 測量儀器不準引入的不確定度分量μq1

表5 儀器測量不準引入的不確定度分量

4.3 校準棉樣（校準瓷板）不勻引入的不確定度分量μq2

由于校準棉樣和校準瓷板的證書中未給出不確定度，但理論上認為，其不確定度應遠小于測量系統的不確定度，故校準棉樣和校準瓷板引入的不確定度可忽略不計。

4.4 結果修約導致的不確定度分量 μq3

表6 結果修約引入的不確定度分量

4.5 合成不確定度的評定

以質量水平1測量結果為例，計算各物理指標的合成標準不確定度。μ、μ、μ和μ之間相互獨立，互不相關，因此，測試環節合成標準不確定度μ(

qs

)可以采用方和根的方法合成，按式（5）進行計算，同時按慣例，取包含因子

k

(

c

)=2，包含概率

p

≈95%，按式（6）計算擴展不確定度μ(

qs

)，計算結果見表7。

表7 測試環節棉纖維物理指標擴展不確定度

5 討論與結論

5.1 試驗證明，棉花物理指標的不同測量水平與測量結果的精密度無關。本文對測試環節棉纖維物理指標測量不確定度進行評定，分析了其在一定概率水平下數值的分散性，為合理確定實驗室測試環節物理指標的允許偏差提供了依據。

5.2 本文結論在測試的區間數據取值方面，均取最大值用于相關不確定度分量的計算，原因在于：第一，這些最大值反映的事實確實存在，日常檢驗中可能遇到相似情形，不應規避且應當予以考慮；第二，增加評定結論的包容性，提高評定結論的準確度。

5.3 測量過程中隨機效應引入的不確定度分量是實驗室測試環節各物理指標合成不確定度的主要來源之一，對其控制好壞決定了實驗室測試能力的高低，實驗室應完善管理水平，操作人員應規范操作行為，嚴格檢驗條件，以降低由其引入的不確定度分量，提高檢驗質量。