超聲波涂層測(cè)厚儀示值誤差的不確定度評(píng)定

姚 妍,張學(xué)義,鄒松華,劉會(huì)彬,秦鐵男

(1.天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462；2.蘇州熱工研究院有限公司, 蘇州 215004)

超聲波涂層測(cè)厚儀示值誤差的不確定度評(píng)定

姚 妍1,張學(xué)義1,鄒松華1,劉會(huì)彬1,秦鐵男2

(1.天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462；2.蘇州熱工研究院有限公司, 蘇州 215004)

為了判別超聲波涂層測(cè)厚儀檢測(cè)結(jié)果的可信度，對(duì)該儀器的示值誤差測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)定。結(jié)果表明：該測(cè)厚儀示值誤差的最佳估計(jì)值為19.8 μm，不確定度為21.9 μm，且由儀器精度引入的不確定度分量對(duì)儀器示值誤差的不確定度影響最大。

超聲波測(cè)厚；涂層；示值誤差；不確定度

隨著數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，大多數(shù)制造企業(yè)和研究室都配備了具有自動(dòng)測(cè)量功能的數(shù)字化檢測(cè)儀器，提高了工作效率，但由于數(shù)字化儀器高度集成了測(cè)試模塊、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理模塊，導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法溯源、檢測(cè)結(jié)果的可信度有所降低。因此，需要對(duì)數(shù)字化檢測(cè)儀測(cè)量結(jié)果的示值誤差進(jìn)行不確定度評(píng)價(jià)。不確定度是表征賦予被測(cè)量值分散性的非負(fù)參數(shù)，是對(duì)測(cè)量結(jié)果可信賴程度的定量表示，也是對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要定量表征。由于儀器的設(shè)計(jì)原理、制造偏差、安裝調(diào)整及校準(zhǔn)等存在偏差，儀器會(huì)有示值誤差，從而使測(cè)量結(jié)果存在不確定度[1]。因此，對(duì)儀器測(cè)量結(jié)果的示值誤差進(jìn)行不確定度評(píng)定可有效判別該儀器的檢測(cè)能力及檢測(cè)結(jié)果的可信度。數(shù)字式超聲波涂層測(cè)厚儀通過(guò)精確測(cè)量探頭所發(fā)射的超聲波在被測(cè)物表面涂覆層中的入射和反射時(shí)間，計(jì)算出被測(cè)涂覆層的厚度。厚度測(cè)量結(jié)果可直接顯示，數(shù)字式超聲波涂層測(cè)厚儀使用方便，操作簡(jiǎn)單，可用于檢測(cè)金屬、非金屬材料表面的有機(jī)涂層或無(wú)機(jī)覆蓋層的厚度，被廣泛應(yīng)用于沿海公路、跨海橋梁、人工島隧道等交通設(shè)施的鋼結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)表面防腐涂層的檢測(cè)，以及海洋平臺(tái)、輸油管道、艦船、高壓容器等表面涂覆層厚度的檢測(cè)中。同時(shí)，在航空航天零部件的表面涂覆層厚度的檢測(cè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于數(shù)字式超聲波涂層測(cè)厚儀在檢測(cè)工作中的廣泛使用，為了判別該儀器檢測(cè)結(jié)果的可信度，筆者參照標(biāo)準(zhǔn)JJF 1126-2004《超聲波測(cè)厚儀校準(zhǔn)規(guī)范》和JJF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》，對(duì)數(shù)字式超聲波測(cè)厚儀測(cè)量結(jié)果示值誤差進(jìn)行了不確定度評(píng)定。

1 數(shù)字式超聲波涂層測(cè)厚儀的參數(shù)及測(cè)量方法

數(shù)字式超聲波涂層測(cè)厚儀工作的環(huán)境條件為：試驗(yàn)溫度(20±5) ℃，相對(duì)濕度50%～65%；測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為：520 μm標(biāo)準(zhǔn)厚度試片，檢定證書(shū)給出的最大偏差為0.1 μm；被測(cè)對(duì)象為：PosiTecter200超聲波涂層測(cè)厚儀；測(cè)量范圍為50～3 800 μm；儀器精度為±(2.5+讀數(shù)的3%) μm。測(cè)量方法為：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11344-2008《接觸式超聲波脈沖回波測(cè)厚方法》，首先將被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試片平放于硬質(zhì)底材料表面，再將超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行零位校正，然后將探頭表面涂抹適量的耦合劑后置于被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試片表面，并施加一定的壓力(20～30 N)，保證探頭與試件之間耦合良好，待測(cè)厚儀發(fā)出提示音后讀取厚度值即可。按上述方法分別對(duì)520 μm標(biāo)準(zhǔn)厚度試片重復(fù)進(jìn)行20次測(cè)量。

2 誤差數(shù)學(xué)模型

測(cè)量示值誤差計(jì)算公式為：

(1)

式中：δ為超聲波測(cè)厚儀的示值誤差，μm；H為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)試片厚度時(shí)超聲波測(cè)厚儀的示值，μm；H′為標(biāo)準(zhǔn)試片厚度的約定量值[2]，等于520μm。

3 不確定度來(lái)源

數(shù)字式超聲波測(cè)厚儀的不確定度來(lái)源主要為：① 測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度u1(H)，用A類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定；② 儀器精度引入的不確定度u2(H)，用B類(lèi)方法評(píng)定；③ 標(biāo)準(zhǔn)試片厚度示值不確定度引入的不確定度u(H′)，用B類(lèi)方法評(píng)定；④ 測(cè)量環(huán)境引入的不確定度，由于試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度和濕度下進(jìn)行，測(cè)量過(guò)程在短時(shí)間內(nèi)完成，溫度和濕度變化很微小，因此，測(cè)量環(huán)境引入的不確定度可忽略不計(jì)。

4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

4.1 測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度分量u1(H)

測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度，主要來(lái)源于連續(xù)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)列統(tǒng)計(jì)分布過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)效應(yīng)所導(dǎo)致的不確定度，采用A類(lèi)不確定度評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)520 μm標(biāo)準(zhǔn)厚度試片進(jìn)行20次厚度測(cè)量，匯總結(jié)果如表1所示。

由表1可知，520 μm標(biāo)準(zhǔn)試片厚度示值的平均值為539.8 μm。

根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算可得試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為：

(2)

式中：n為對(duì)520 μm標(biāo)準(zhǔn)厚度試片厚度的獨(dú)立重復(fù)測(cè)量的總次數(shù)20,得到n個(gè)測(cè)量值Hk(k=1,2,3,…,n)。

表1 520 μm標(biāo)準(zhǔn)試片厚度測(cè)量結(jié)果匯總 μm

因此，由測(cè)量重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

(3)

自由度υ1為19。

4.2 儀器精度引入的不確定度分量u2(H)

4.3 標(biāo)準(zhǔn)試片厚度示值不確定度引入的不確定度分量u(H′)

4.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算匯總

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總見(jiàn)表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

5.1 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(δ)計(jì)算

當(dāng)所有輸入量Hi相互獨(dú)立時(shí)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(δ)為[1]：

(4)

式中：偏導(dǎo)數(shù)?δ/?hi是在Hi=hi時(shí)導(dǎo)出的，這些偏導(dǎo)數(shù)稱為靈敏系數(shù)，用符號(hào)ci表示，即ci=?δ/?hi。

靈敏系數(shù)：

(5)

(6)

由于各輸入量之間彼此獨(dú)立互不相關(guān)，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(7)

5.2 有效自由度計(jì)算

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(δ)的自由度稱為有效自由度，用υeff表示，可由韋爾奇-薩特思韋特(Welch-Satterthwaite)公式[1]計(jì)算：

(8)

6 擴(kuò)展不確定度評(píng)定

擴(kuò)展不確定度是被測(cè)量可能值包含區(qū)間的半寬度，在數(shù)值上等于合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子[1]。取置信概率p=95%，按有效自由度υeff=58，查t分布表得：t95(50)=2.01，t95(100)=1.984。由內(nèi)插法得包含因子為：

(9)

擴(kuò)展不確定度為：

(10)

7 測(cè)量不確定度報(bào)告

由于示值誤差δ的最佳估計(jì)值：

(11)

因此，PosiTecor200型超聲波涂層測(cè)厚儀示值誤差δ=(19.8±21.9)μm，其中21.9μm為置信概率為95%的擴(kuò)展不確定度，包含因子k95=2.006，有效自由度為58。

8 結(jié)論

由測(cè)量結(jié)果可知，PosiTecor200型超聲波涂層測(cè)厚儀示值誤差的最佳估計(jì)值為19.8 μm，不確定度U95為21.9μm，且20次測(cè)量結(jié)果均為正偏差，但測(cè)量結(jié)果仍在概率為95%的置信區(qū)間內(nèi)。由各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的計(jì)算結(jié)果可以看出，以520μm標(biāo)準(zhǔn)試片作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，儀器精度引入的不確定度分量對(duì)儀器示值誤差的不確定度貢獻(xiàn)最大，幾乎占合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的90%以上，且由于該不確定度分量隨測(cè)量讀數(shù)的增大而增大，因此在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果予以必要的修正。

[1] 符瑜慧. 自動(dòng)測(cè)試儀直接測(cè)量結(jié)果不確定度的評(píng)定方法[J]. 上海計(jì)量測(cè)試, 2008(3): 9-11.

[2]JJF1001-2011 通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義[S].

Uncertainty Evaluation of Indication Error of Ultrasonic Coating Thickness Measurement

YAO Yan1, ZHANG Xue-yi1, ZOU Song-hua1, LIU Hui-bin1, QIN Tie-nan2

(1.Tianjin Long March Launch Vehicle Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462,China; 2. Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China)

Ultrasonic Thickness Measurement was widely used in processing and testing of parts for quality control. The uncertainty evaluation was significant in the indication Error. The uncertainty evaluation of indication error of ultrasonic thickness measurement was undertaken. The results show that the best estimate of Indication Error of the measurement was 19.8 μm and the uncertainty was 21.9 μm. Furthermore, the uncertainty of instrumental precision makes the greatest contribution to the uncertainty evaluation.

Ultrasonic thickness measurement; Coating; Indication error; Uncertainty

2016-05-02

姚 妍(1986-)，女，工程師，碩士，主要從事金屬材料表面處理的工藝研究、生產(chǎn)及質(zhì)量控制工作。

姚 妍，E-mail: yaoyan1123@126.com。

10.11973/wsjc201703003

TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0010-03