鋼卷尺示值誤差測量結(jié)果的不確定度評(píng)定

劉璐

摘 要：在測量過程中，鋼卷尺的主要使用目的是對(duì)物體的長度以及空間距離進(jìn)行測量，在實(shí)際測量過程中，鋼卷尺的測量準(zhǔn)確性直接影響測量工作的完成質(zhì)量，進(jìn)而影響工程的設(shè)計(jì)計(jì)算和施工。在測量中，測量結(jié)果的真值難以獲得，因此，在測量之前，技術(shù)人員要對(duì)鋼卷尺測量中的結(jié)果分散性進(jìn)行量化描述，即對(duì)測量結(jié)果的不確定性進(jìn)行說明。測量的不確定性是指測量中測量結(jié)果分布在一定區(qū)域內(nèi)的數(shù)值，量化不確定度對(duì)于提升測量準(zhǔn)確性有很大的影響。

關(guān)鍵詞：鋼卷尺；示值誤差；測量不確定度

引言：在使用鋼卷尺進(jìn)行測量的過程中，可能造成測量誤差的主要因素包括測量時(shí)的人眼誤差、鋼卷尺的變形、鋼卷尺的本身誤差以及重復(fù)測量造成的不確定度分量。為了提升測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在設(shè)計(jì)中對(duì)測量結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)定是必要對(duì)策。

一、實(shí)驗(yàn)概述

為了提升鋼卷尺的測量經(jīng)確定，在進(jìn)行測量之前，技術(shù)人員需要對(duì)鋼卷尺的不確定度進(jìn)行評(píng)定。一般測量過程按照國家鋼卷尺檢定規(guī)程進(jìn)行，以便于保證測量過程的規(guī)范性。同時(shí)為了避免環(huán)境因素造成卷尺變形，影響測量結(jié)果，一般會(huì)將實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)定為溫度在20攝氏度左右，相對(duì)濕度在75%之下，保證卷尺的結(jié)構(gòu)。不同測量等級(jí)的卷尺的示值誤差允許值存在差異，在本文的實(shí)驗(yàn)過程中通過對(duì)5m鋼卷尺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而獲得不同規(guī)格鋼卷尺的示值誤差以及測量不確定度。

通過檢定被認(rèn)為合格的衡器，在使用過程之中其誤差會(huì)逐漸變化，逐漸增的測量誤差會(huì)影響計(jì)量檢定過程的精確度，因此，為了檢測的準(zhǔn)確，國際法制計(jì)量組織要求定期對(duì)卡尺的精確度進(jìn)行檢測，并進(jìn)行校正，使用過程之中最大允許誤差可以放寬為首次檢定的兩倍。由于當(dāng)前的測量和檢定標(biāo)準(zhǔn)之中并未針對(duì)鋼卷尺的測量不確定度來源的分析過程和計(jì)算過程進(jìn)行規(guī)定，使得測量人員在日常工作之中的測量過程往往存在誤差。

在鋼卷尺的誤差測量過程之中，其示值誤差的分析應(yīng)當(dāng)根據(jù)國家對(duì)于誤差的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。在測量之中為了保證準(zhǔn)確性應(yīng)當(dāng)使用三級(jí)或是五等以上的測量塊進(jìn)行檢定過程。實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過程之中為了測量效率一般會(huì)選擇多個(gè)檢定點(diǎn)來進(jìn)行測量，在檢定點(diǎn)的選定上，實(shí)驗(yàn)人員可以根據(jù)鋼卷尺的實(shí)際測量范圍來進(jìn)行檢定點(diǎn)的確定。在測量過程中，實(shí)驗(yàn)人員會(huì)將裝有拉環(huán)等結(jié)構(gòu)的鋼卷尺在檢定臺(tái)上進(jìn)行平鋪，使用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行拉力的施加，并在這個(gè)過程中將實(shí)驗(yàn)卷尺和I級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺進(jìn)行比較，并讀出兩者的誤差值。在滿足這一誤差值的前提之下，不同規(guī)格的鋼卷尺可以直接使用的本文中的不確定度。

在檢測過程之中，環(huán)境的變化會(huì)對(duì)檢定的準(zhǔn)確度造成影響。因此，在檢測之中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度和濕度要滿足國家計(jì)量檢定規(guī)程的規(guī)定，在檢測之中，要保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定，不會(huì)由于環(huán)境之中的振動(dòng)、氣流和磁場等因素的影響，保證工作檢測平臺(tái)的平整和穩(wěn)固，提高檢定的準(zhǔn)確度。工作臺(tái)在選擇上盡量選擇具有一定剛度和防震抗震效果的平臺(tái)，避免晃動(dòng)等情況的影響。同時(shí)，鋼卷尺作為較為精密的計(jì)量儀器，在其保存過程之中要注意一些因素的影響，卡尺在檢定場所之中的存放時(shí)間會(huì)對(duì)其測量精確度造成影響，在檢測之前，針對(duì)參與檢測的卡尺，其要開箱存放至少24小時(shí)，使得結(jié)構(gòu)之中的機(jī)械部件達(dá)到一定的平衡狀態(tài)，保證卡尺內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)和室內(nèi)溫度相適應(yīng)，提高檢定精度。在檢驗(yàn)之中，計(jì)量器具的鑒定和質(zhì)量檢驗(yàn)是保證計(jì)量器具實(shí)驗(yàn)信息正確程度的必要方法。通常在現(xiàn)代的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)過程之中，對(duì)計(jì)量鑒定儀器的檢驗(yàn)要依照實(shí)驗(yàn)規(guī)范為依據(jù)進(jìn)行。首先，要確定實(shí)驗(yàn)計(jì)量儀器的外觀和性能等是否符合實(shí)驗(yàn)的要求。在一般的計(jì)量工作之中，計(jì)量規(guī)程之中的內(nèi)容主要是對(duì)計(jì)量器具功能的概述、器具計(jì)量工作的性能要求、使用技術(shù)和熟練讀要求、適合使用的鑒定條件、項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)方法，針對(duì)計(jì)量器具的鑒定特性來看，實(shí)驗(yàn)規(guī)范主要是針對(duì)不同的產(chǎn)品檢測方法來給出器具的性能特性。

二、數(shù)學(xué)模型

在本文的實(shí)驗(yàn)中將實(shí)驗(yàn)鋼卷尺在標(biāo)準(zhǔn)尺上所對(duì)應(yīng)的讀數(shù)偏差值作為鋼卷尺的示值誤差值，兩者分別記為Δe與ΔL，即實(shí)驗(yàn)中使用的數(shù)學(xué)模型為：

ΔL=Δe

三、鋼卷尺的輸入量Δe的實(shí)驗(yàn)評(píng)定

在實(shí)際測量過程中，造成測量輸入量Δe的原因主要包括在測量中重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（Δe1 ）；在測量之前，實(shí)驗(yàn)人員在對(duì)鋼卷尺進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，由于人眼的觀測誤差造成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（Δe2）；測量中標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺測量示值誤差引起的不確定度分量u（Δe3）；測量中由于鋼卷尺額拉力誤差造成的不確定度分量u（Δe4）；測量環(huán)境溫度高于鋼卷尺的標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)會(huì)造成卷尺的變形，進(jìn)而引起測量中的不確定度分量u（Δ e5）。

1、測量重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)定

在測量過程中，實(shí)驗(yàn)人員會(huì)將所使用的鋼卷尺放置在檢定臺(tái)上進(jìn)行測量，測量中，實(shí)驗(yàn)人員會(huì)通過增加標(biāo)準(zhǔn)砝碼的方式來改變對(duì)鋼卷尺的拉力，使其保持和標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺的平衡，保證兩鋼卷尺的零刻度對(duì)齊，并記錄兩卷尺在5000mm處的刻度偏差，這一偏差即為示值誤差。校準(zhǔn)過程中由于人眼觀測誤差造成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

2、標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺的示值誤差造成的不確定度u（Δe3）的評(píng)定

在針對(duì)這一示值誤差的測量中，實(shí)驗(yàn)人員一般使用B類方法進(jìn)行評(píng)定，我國的鋼卷尺檢定規(guī)程之中規(guī)定的最大允許示值誤差為+（0.02+0.02L）mm，不確定度分量服從正態(tài)分布，因此其包含因子k=3，本實(shí)驗(yàn)中鋼卷尺的長度為L=5m，可以得到不確定度分量為：

u（Δe3 ）= 0.04mm

3、拉力誤差造成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（Δe4）的評(píng)定

在測量過程中，對(duì)拉力誤差的影響因素包括鋼卷尺的長度、鋼卷尺的拉力偏差、彈性系數(shù)以及鋼卷尺的橫截面積，計(jì)算公式如下：

，單位為mm。經(jīng)過計(jì)算可以得出拉力誤差為

Lmm。通過計(jì)算可以得出拉力誤差造成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為u（Δe4）=0.004mm。

四、不確定度的評(píng)定

取置信概率 p =95 %， 按有效自由度 γeff為 100 ， 查 t分布表得 kp值L =5m 時(shí) ， kp =1.984 ， U95 =1.984 ×0.058 =0.12mm由于被檢鋼卷尺規(guī)格不同 ，當(dāng)長度大于 5m 時(shí)， 則應(yīng)分段進(jìn)行測量 ，如 50m 鋼卷尺則應(yīng)分 10 段， 故不確定度評(píng)定時(shí) ， u（Δe1）為 5m 鋼卷尺 u（Δe1）的 10 倍；u（Δe2）為5m 鋼卷尺 u（Δe2）的 10倍；u（Δe3）為 5m 鋼卷尺 u（Δe3）的10 倍；u（Δe4）為 5m 鋼卷尺 u（Δe4）的 10倍；u（Δe5）為 5m鋼卷尺 u（Δe5）的 10 倍；u（Δe6）為 5m 鋼卷尺 u（Δe6）的 10倍；u（Δe7）為 5m 鋼卷尺 u（Δe7）的10 倍。

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