力學(xué)計(jì)量中測(cè)量不確定度的應(yīng)用與研究

王家豪

在我們國(guó)家日益繁榮昌盛，科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新的背景下，力學(xué)計(jì)量技術(shù)得到改進(jìn)和優(yōu)化，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系也正在逐步完善。

力學(xué)計(jì)量;測(cè)量不確定度;應(yīng)用

1測(cè)量不確定度的含義

我們文章所闡述的測(cè)量不確定度指的是“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(lái)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(lái)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)。具體的測(cè)量和分析工作程序?yàn)椋海?）標(biāo)準(zhǔn)不確定度也就是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差的形式對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行表達(dá)和描述。（2）相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度其指的是相關(guān)不確定度跟對(duì)應(yīng)數(shù)值之間的比較參數(shù)，一般結(jié)合百分比進(jìn)行表達(dá)。（3）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度當(dāng)檢測(cè)獲得的結(jié)果通過(guò)一定數(shù)目的量數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算獲得時(shí)，按照其他量的方差等參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算而形成的不確定度即為合成標(biāo)準(zhǔn)。其是檢測(cè)結(jié)果誤差的預(yù)測(cè)數(shù)值，跟實(shí)際數(shù)值之間往往存在一定偏差，通常借助符號(hào)uc進(jìn)行描述。方差為標(biāo)準(zhǔn)差相乘所得結(jié)果，而協(xié)方差為關(guān)聯(lián)性帶來(lái)的方差。結(jié)合協(xié)方差的概念來(lái)分析，會(huì)讓不確定度更為顯著。在這種情形下得到的不確定度依然是偏差的形式，其結(jié)果參數(shù)意味著測(cè)定結(jié)果的分散特征。運(yùn)用的合成手段，一般被人們叫做不確定傳播率，該領(lǐng)域運(yùn)用的系數(shù)就是人們常說(shuō)的靈敏系數(shù)，借助Ci進(jìn)行描述。此時(shí)對(duì)于不確定測(cè)定獲得的結(jié)果就是有效自由度，人們常常借助uc進(jìn)行描述，其指代的是最終結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。（4）擴(kuò)展不確定度其概念為確定檢測(cè)結(jié)果范圍的量，科學(xué)賦予被測(cè)對(duì)象數(shù)值分布的一般情形都出現(xiàn)在該范圍內(nèi)，少數(shù)情形下人們也叫做范圍不確定度。這種不確定度結(jié)果一般是通過(guò)合成標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)倍數(shù)進(jìn)行描述，更多的都是運(yùn)用符號(hào)U進(jìn)行描述：此時(shí)不確定度跟對(duì)應(yīng)因子k的相乘所得結(jié)果即為整體不確定度（記錄成U）。此時(shí)的k值通常取2，偶爾取3。需要結(jié)合被測(cè)對(duì)象的重要程度、效益等進(jìn)行考慮。它提供了范圍能夠含有的被測(cè)定可能性數(shù)值的絕大方面（例如95%或99%）。有時(shí)也被叫做伸展不確定度等，其設(shè)定了檢測(cè)結(jié)果取值范圍的半寬度，該范圍含有了科學(xué)賦予被測(cè)對(duì)象數(shù)值分布中的絕大方面。能夠運(yùn)用兩類不同手段進(jìn)行描述，其一為借助標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)的形式進(jìn)行描述，也就是合成不確定度跟對(duì)應(yīng)因子進(jìn)行相乘。另一種為按照掌握的置信可能性水平等來(lái)明確該參數(shù)。

2力學(xué)計(jì)量裝置發(fā)展概況

2.1杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

借助利用不等臂杠桿系統(tǒng)，可以把已知砝碼的重力放大而得到標(biāo)準(zhǔn)力值，然后在被檢定的測(cè)力儀上可以平穩(wěn)的施加。其所復(fù)現(xiàn)的力值F可表達(dá)為：F=kmg（1-ρa(bǔ)/ρw）。該標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對(duì)于力學(xué)數(shù)值的檢測(cè)需要借助杠桿原理，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)杠桿的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)數(shù)值的檢測(cè)，在實(shí)際應(yīng)用中操作簡(jiǎn)單，極易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。然而，在杠桿原理的限制下，檢測(cè)精度不高。

2.2傳感器裝置

傳感器裝置中融入了先進(jìn)的現(xiàn)代化技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)裝置的控制系統(tǒng)中安裝了傳感器，在計(jì)量測(cè)試的時(shí)候主要結(jié)合的是物體質(zhì)量對(duì)傳感器的彈性力，用變形的數(shù)值來(lái)衡量傳感器的變化值，這樣就能獲取信號(hào)數(shù)據(jù)，最終明確質(zhì)量標(biāo)量。在這個(gè)過(guò)程中，還可以用砝碼來(lái)做質(zhì)量計(jì)量，但是計(jì)量的準(zhǔn)確性并不是完全取決于砝碼，還與其他因素有關(guān)。在質(zhì)量計(jì)量的過(guò)程中，常常會(huì)使用一種壓力傳感裝置，在操作的時(shí)候壓力是不斷變化的，通過(guò)壓力來(lái)計(jì)量測(cè)試質(zhì)量。壓力傳感標(biāo)準(zhǔn)裝置的計(jì)量誤差為2乘以10的負(fù)四次方。

2.3靜重式標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

靜重式標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要是讓具體的數(shù)據(jù)砝碼動(dòng)力當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)力值，再通過(guò)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)或已經(jīng)編程完成的程序把力值實(shí)施于測(cè)力儀中，此類裝置主要借助靜重力基來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的提升，能夠?qū)χ亓z測(cè)難度實(shí)現(xiàn)降低，并保證重力的檢測(cè)工作能夠順利的進(jìn)行，這也是靜重式標(biāo)準(zhǔn)機(jī)具有的重要優(yōu)勢(shì)。靜重式標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要通過(guò)直接進(jìn)行負(fù)荷的增加，因此其也被稱作直接加荷標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，此裝置力值具有不確定性，其不確定性取決砝碼質(zhì)量不確定、裝置安裝地點(diǎn)具有重力的加速度不確定以及砝碼與空氣密度測(cè)量的不確定度等，同時(shí)其計(jì)量的性能還和裝置結(jié)構(gòu)、砝碼穩(wěn)定性以及負(fù)荷加卸載的方式等有關(guān)，其力值的不確定度達(dá)到了1×10-5。

2.4彈簧裝置

彈簧的彈力比較好，敏感性非常強(qiáng)，彈簧標(biāo)準(zhǔn)裝置充分運(yùn)用了彈簧的這個(gè)屬性，在計(jì)量測(cè)試的時(shí)候利用彈簧元件在受力的狀況下會(huì)出現(xiàn)變形，以這個(gè)過(guò)程中變形數(shù)值大小作為標(biāo)準(zhǔn)，這時(shí)計(jì)量裝置就能獲取壓力值，從而順利得到計(jì)量測(cè)試數(shù)值。彈簧裝置計(jì)量測(cè)試的時(shí)候，壓力值的誤差與彈簧元件有著直接關(guān)系，彈簧裝置中經(jīng)常使用的彈性元件兩種，計(jì)量誤差也是不相同的，膜片式元件的計(jì)量誤差為10kN，波紋管誤差為1kN。彈簧標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)量誤差為1.3乘以10的負(fù)四次方。

3力學(xué)計(jì)量中測(cè)量不確定度的應(yīng)用

（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(wàn)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U 95=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(kāi)關(guān)來(lái)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。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)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。

參考文獻(xiàn)

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