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）

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

1 測(cè)量不確定度的含義及依據(jù)

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 測(cè)量不確定度在力值計(jì)量中的應(yīng)用

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。

3 結(jié)束語(yǔ)

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。

[1]賀 芳.測(cè)量不確定度評(píng)定的步驟及方法淺析[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2005（05）.

[2]馬 強(qiáng)，宋魯寧，陳勝鷹，宋柏山.一個(gè)測(cè)量結(jié)果不確定度控制的實(shí)例[J].上海計(jì)量測(cè)試，2009（04）.

[3]倪育才.測(cè)量不確定度理解與應(yīng)用（五）測(cè)量不確定度評(píng)定在不同應(yīng)用中的差別[J].中國(guó)計(jì)量，2004（11）.

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2095-2066（2016）05-0216-02

2016-2-1